Abstract
Convergente Polimento é um novo sistema de polimento e método para acabamento planas e esféricas óptica de vidro em que uma peça de trabalho, independentemente da sua forma inicial (ou seja, a figura de superfície), irá convergir para figura superfície final com excelente qualidade de superfície abaixo, um conjunto imutável fixa de polimento parâmetros em uma única iteração de polimento. Em contraste, os métodos de polimento abertura total convencionais requerem múltiplas, ciclos iterativos, muitas vezes longos envolvendo polimento, metrologia e mudanças de processo para conseguir a figura superfície desejada. O processo convergente polimento é baseado no conceito da peça voltas incompatibilidade resultante altura em que a pressão diferencial diminui com a remoção e resulta na peça convergindo para a forma do colo. A aplicação bem sucedida do processo convergente polimento é um resultado da combinação de uma série de tecnologias para remover todas as fontes de não-uniforme espacial remoção de material (excepto para a peça de trabalho voltasdesencontro) para a figura superfície convergência e reduzir o número de partículas desonestos no sistema para baixas densidades zero e baixa rugosidade. O processo convergente Polishing foi demonstrado para a fabricação de ambos os apartamentos e esferas de diversas formas, tamanhos e proporções em vários materiais de vidro. O impacto prático é que os componentes ópticos de alta qualidade podem ser fabricados mais rapidamente, mais repetidamente, com menos de metrologia, e com menos trabalho, resultando em menores custos unitários. Neste estudo, o protocolo convergente polimento é descrito especificamente para a fabricação de 26,5 centímetros quadrados fundidos apartamentos de sílica a partir de uma superfície de chão finos de uma ~ λ / 2 figura superfície polida após o polimento da superfície por 4 h em um polidor de 81 centímetros de diâmetro.
Introduction
As principais etapas de um processo típico de fabrico óptico incluem modelagem, moagem, polimento de abertura total, e às vezes pequena ferramenta de polimento 1-3. Com o aumento da demanda por componentes ópticos de alta qualidade para sistemas de imagem e laser, tem havido avanços significativos na fabricação óptica ao longo das últimas décadas. Por exemplo, a precisão, a remoção de material determinista é agora possível, durante a concepção e processos de moagem com os avanços na Numérico Computadorizado (CNC máquinas de moldagem) de vidro Controlados. Da mesma forma, as tecnologias de polimento pequena ferramenta (por exemplo, controlado por computador superfície óptica (CCOS), figurando ion, e acabamento magneto-reológico (MRF)) levaram a remoção de material determinista e figura superfície de controle, assim, impactando fortemente a indústria de fabrico óptico. No entanto, a etapa intermediária do processo de acabamento, polimento de abertura total, ainda carece de alta determinismo, geralmente exigindo opticia qualificadosns para realizar múltiplas, muitas vezes, os ciclos iterativos longos com várias mudanças de processos para alcançar a figura superfície desejada 1-3.
O grande número de métodos de polimento, variáveis de processo e do complexo químico e interações mecânicas entre a peça, colo e lama 3-4 fez-se um desafio para transformar polimento óptico de uma "arte" para a ciência. Para alcançar determinista polimento abertura total, a taxa de remoção de material deve ser bem compreendido. Historicamente, a taxa de remoção de material que tem sido descrito pela equação Preston amplamente utilizado 5
(1)
onde dh / dt é a taxa média de remoção de espessura, k é a constante p Preston, σ é oa pressão aplicada, e V r é a velocidade relativa média entre a peça eo colo. A Figura 1 apresenta esquematicamente os conceitos físicos que influenciam a taxa de remoção de material, como descrito a Equação de Preston, incluindo as variações espaciais e temporais na velocidade e pressão, diferenças entre o pressão aplicada e a distribuição da pressão que as experiências da peça, e os efeitos de fricção 6-8. Em particular, a distribuição da pressão real experimentada por a peça de trabalho é regulada por um certo número de fenómenos (descritas em detalhe noutro local 6-8) que afecta fortemente resultante figura superfície da peça de trabalho. Além disso, na Equação Preston, os efeitos ao nível molecular são microscópicas e dobrada em grande parte a constante macroscópica Preston (k p), o que influencia a taxa de remoção de material global, micro-rugosidade, e mesmo riscar sobre a peça de trabalho. Vários estudos têm expandido o modelo de Preston para dar conta para o chorume microscópica interações partícula-pad-de peças para explicar taxa de remoção de material e microrugosidades 9-16.
Para conseguir o controle determinista da figura de superfície durante polimento abertura total, cada um dos fenômenos descritos acima precisa ser entendido, quantificados e então controlada. A estratégia por trás Convergente Polishing é eliminar ou minimizar as causas indesejáveis de remoção de material não-uniforme, seja através de projeto polidor de engenharia ou por controle de processo, de modo que a remoção é impulsionado apenas pelo descompasso peça voltas devido a forma da peça 7,17- 18. A Figura 2 ilustra como a forma da peça de trabalho pode conduzir a uma convergência com base no conceito da peça incompatibilidade voltas. Considere um lap plana e uma peça de trabalho hipotético de forma complexa mostrado no canto superior esquerdo. O desfasamento da altura de interface (referida como o intervalo, ÔH oL) influencia a distribuição da pressão de interface (σ) como:
conteúdo "fo: manter-together.within-page =" always ">
(2) em que H é uma constante que descreve a taxa à qual a pressão diminui com um aumento no intervalo ÔH oL 6. Neste exemplo, a peça de trabalho tem a mais alta pressão local no centro (ver parte inferior esquerda da Figura 2), e, portanto, esta localização irá observar a maior taxa de remoção de material inicial durante o polimento. Como o material é removido, o diferencial de pressão através da peça de trabalho irá diminuir devido a uma diminuição na incompatibilidade da peça voltas, e a peça de trabalho irá convergir para a forma do colo. Na convergência, a distribuição da pressão da peça, e, consequentemente, a remoção de material, será uniforme em toda a peça de trabalho (ver lado direito da Figura 2). Este exemplo é ilustrado por uma volta plana, however, o mesmo conceito se aplica para uma volta esférica (ou côncava ou convexa). Mais uma vez, esse processo de convergência só funciona se todos os outros fenómenos afectam espacial material não-uniformidade ter sido eliminado. As atenuações processuais e de engenharia específicas implementadas no protocolo Polishing Convergente são descritos na discussão.
O protocolo descrito no estudo seguinte é o processo convergente Polimento especificamente para um quadrado de vidro de sílica fundida peça 26,5 centímetros a partir de uma superfície de chão finos. Em 8 horas de polimento (4 horas / superfície), esta peça pode atingir um nivelamento polido de ~ λ / 2 com altíssima qualidade de superfície (ie, baixa densidade zero).
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Protocol
1. Preparação de polidor e Slurry
Primeiro prepare o Sistema de Polimento Convergente (especificamente chamado C onvergent, eu nitial Superfície Independent, S ingle iteração, R ogue-Particle gratuito polidor ou CISR (pronuncia-se 'tesoura')) 7,17 instalando o pad e septo, condicionando a almofada, diluição e estabilização química da pasta, e a incorporação da lama dentro do sistema de filtragem.
- No polidor CISR, aderir uma almofada de poliuretano para a base colo granito. Aderem almofada uma aresta primeiro e aplicar pressão em direcção à aresta oposta para minimizar os espaços de ar. Apare o pad saliente e depois usar uma lâmina de barbear e de rolos para perfurar e retirar as bolhas de ar, se necessário.
- Na primeira utilização e depois de cada ~ 100 hr de polimento, condição diamante almofada usar um condicionador de diamante CMP (50 mm de diâmetro; 0,6 psi de pressão aplicada; 5 min de permanência em cada local colo radial com incrementos de espaçamento de 25 mm; rotação lap 25 rpm) com água DI fluindo.
- Entre iterações de polimento, remover quaisquer chorume e produtos de vidro residuais do bloco usando um produto de limpeza in-situ de ultra-som (~ 2 min de permanência em cada local radial; rotação colo 5 rpm) com água DI fluindo.
- Sobre o peso do septo forma exclusiva, aderir fita de espuma dupla face e, em seguida, o material de septo (por exemplo, vidro de pré-corte ou outro material não-uso). Aparar qualquer fita adesiva de espuma que pende para coincidir com a forma do material de septo e peso. Observe o projeto septo (forma e peso) muda para diferentes tamanhos de peça e colo 7,17.
- Prepare polimento lama a Baume 4 concentração (especificamente misturar em volume ~ 1 parte de óxido de cério pasta de polimento e ~ 9 partes de água deionizada (DI) de água em um 11 L bucket). Verifique Baume usando uma bóia Baume. Adicionar ~ 5 ml de KOH (10 M) para ajustar o pH para 9,5 e adicionar 120 ml (~ 1 vol%) de surfactante proprietária 19. Reajuste pH e Baume cada 24 horas de polimento.
- Instale balde com a pasta preparada em sistema de filtração. Em seguida, instalar os filtros de partículas CMP desejados em sistema de filtração. Vamos recircular pasta dentro do sistema de filtração por várias horas.
- Distribuição de tamanho de partícula medida de suspensão (por exemplo, usando técnicas de sensoriamento única partícula de óptica) para garantir o fim da cauda da distribuição é adequadamente desonestos 9,20 livre de partículas.
2. Preparação de Peça (Gravura e de bloqueio)
Antes de polir, gravar quimicamente a peça solo bem como recebido para reduzir a quantidade de remoção de material necessário para eliminar o sub-superfície dano 21 moagem. Em seguida, o bloco da peça de trabalho (se a relação de aspecto (isto é, comprimento / espessura) é> 10), utilizando uma nova técnica de bloqueio botão pitch (PBB) para evitar que a peça de flexão durante o bloqueio e polimento 22.
- Etch a peça moído fino (especificamente um 265 x 265 x 8 mm3 vidro de sílica fundida plana) em um tanque cheio com HF: NH 4 F (6: 1 tamponada etch óxido (BOE) 3x diluída com água DI) durante 6 horas removendo 10 um de vidro a partir da superfície da peça de trabalho. CUIDADO! BOE é extremamente perigoso; usar equipamento de proteção individual (EPI). Retire peça do tanque de etch e enxaguar agressivamente a peça com água DI e permitir que a peça secar ao ar verticalmente.
- Inspecione a peça por danos profunda durante o processo de moagem usando uma inspeção luz brilhante em um quarto escuro. Se nenhum dano profundo for encontrado, prossiga para a próxima etapa, outra peça enviar de volta para re-moagem.
- Aqueça o bloqueio gramado em uma pistola de cola para ~ 95 ºC e coloque gotas (também chamados de botões) de campo (~ 0,06 g) sobre a face daplaca de bloqueio em uma matriz de 9 x 9 (81 botões com espaçamento de 26 mm). Para diferentes peças de tamanho, referem-se a criar regras para o número, tamanho ideal, e espaçamentos de botão passo 22. Colocar a placa de bloqueio com os botões aplicados voltada para cima no forno pré-aquecido a 70 ºC.
- Aplicar fita para a face da peça de trabalho que não está a ser polida. Evitar a formação de bolhas de ar ou excesso de alongamento da fita.
- Coloque a peça de trabalho com a face para baixo sobre o lado da fita botões na placa de bloqueio no forno. Cubra a peça-button-bloco para minimizar o fluxo convectivo. Após 1,5 horas, arrefecer a definir forno 10 ° C / h até à temperatura ambiente. Após arrefecimento, a espessura da peça de trabalho sobre o arremesso bloqueado deve ser ~ 1 mm.
3. Convergente Polimento
- Ligue sistema umidade na câmara ambiental de CISR polidor para evitar suspensão de secagem durante o polimento e minimizar partículas desonestos riscar a peça.
- Insde altura e montar o septo especificamente concebido e preparado para polidor. Instale PBB peça em polidor CISR e menor crescimento para segurar a peça.
- Peça polonês em CISR durante 4 horas a uma velocidade de rotação combinado colo ea peça de 25 rpm com um curso radial de ~ 75 mm e com um fluxo de lama do sistema de filtração de 1 gal / min.
NOTA: A placa de bloqueio também serve como o peso de carga sobre a peça de trabalho que corresponde a 0,6 psi de pressão aplicada. - Desligue rotação colo e peça e fluxo de lama. Remover PBB peça de CISR polidor e mergulhe-o DI de água cheia de banho. Limpe a superfície da peça com sala limpa pano enquanto submerso. Remover PBB peça de banho e spray enxágüe com água DI.
- Deblock peça através da inserção de um calço na interface peça-block. Remover a fita a partir da superfície da peça de trabalho. Agressivamente lavar peça com água DI e ar seco.
- PBB a face oposta da peça de trabalho, conforme descrito na Seção 2. Em seguida, repita poprocedimento institui como descrito na Seção 3.
4. Metrologia e Inspeção
- Medida de frente de onda reflectida (ou seja, figura superfície) de ambos os lados da peça de trabalho, bem como frentes de onda transmitida utilizando um interferómetro.
- Mount peça na estação de inspeção brilhante luz e medir as propriedades scratch / escavação usando métodos padrão de fabricação óptica. Um etch BOE curta da peça de trabalho, tal como descrito na etapa 2.1, pode ser usado para expor arranhões ocultos para peças utilizadas em aplicações de laser de elevada fluência. Para a medição de multa arranhões ou rugosidade da peça, podem ser utilizados microscopia óptica padrão ou luz branca interferometria.
- Loja concluído em uma peça de contacto minimização recipiente com a face da peça de trabalho.
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Representative Results
O protocolo descrito acima Polimento convergente permite que uma peça de trabalho de sílica fundida terra (neste caso um 26,5 centímetros quadrados) a ser polido, em uma única iteração de 4 horas por unidade de área, para uma planicidade pico a vale de λ ~ / 2 (~ 330 nm) para baixas peças relação de aspecto e ~ 1λ (~ 633 nm) para peças com uma elevada relação de aspecto (ver Figura 3). Mais uma vez, este processo converge repetidamente peças para a mesma figura superfície final sem a necessidade de mudanças nos parâmetros de polimento e é independente da figura de superfície inicial. Além disso, uma taxa de remoção da peça alta média de ~ 4 mm / hr é consistentemente alcançada utilizando as condições descritas acima, o que permite uma rápida convergência e remoção de material suficiente para garantir a remoção de todos os danos sub-superfície da superfície do solo. A superfície típico, terra fina peça de trabalho (por exemplo, tratado com 9 mm alumina solto abrasivo) tem uma profundidade de danos mecânicos sub-superfície de ~ 10 mm antes de gravura em massae ~ 4 mm após o condicionamento; por conseguinte, pelo menos esta quantidade de material tem de ser removido a partir de cada local lateral sobre a superfície da peça 23,24. Outros exemplos de superfície figura convergência utilizando o processo convergente Polimento em diferentes peças de trabalho e rodada quadrados com diferentes valores de partida da superfície (tanto côncavas ou convexas) são mostrados na Figura 4.
O impacto de estabilização química da pasta de polimento 19,20, combinado com a utilização de um sistema de filtração de partículas de engenharia e um ambiente de humidade elevada hermeticamente selado durante o polimento, na extremidade da cauda da distribuição do tamanho de partícula é mostrado na Figura 5a. Observe a redução significativa nas partículas maiores (referidas como partículas desonestos) na suspensão. As partículas nocivos são conhecidos por influenciar a propensão de arranhões na peça de trabalho e provocar um aumento da rugosidade da superfície global de 9,25. O reduct correspondente ião em arranhões finos sobre a peça de trabalho é ilustrada na Figura 5b.
Figura 1:.. Ilustração esquemática da equação Preston (Eq. 1) descrever os fenômenos que afetam a remoção de material espacial e temporal durante o polimento 8 Por favor, clique aqui para ver uma versão maior da figura.
Figura 2: Ilustração da forma da peça de trabalho (em cima) e a distribuição da pressão de interface (inferior) com o tempo (t) durante o polimento convergente polimento.."target =" _ es.jpg blank "> Clique aqui para ver uma versão maior da figura.
Figura 3:. Figuras de superfície iniciais e finais típicos (escala -4 a 2 mm) após Convergente Polimento de 265 milímetros quadrados fundido flats sílica da peça por favor, clique aqui para ver uma versão maior da figura.
Figura 4:. Exemplos de figura superfície evolução dos vários tamanhos e peças forma inicial após Convergente Polimento 7 favorclique aqui para ver uma versão maior da figura.
Figura 5; (a) melhoria da distribuição de tamanho de partículas de óxido de cério na pasta de polimento (Hastilite PO) e (b) melhoria da distribuição da peça scratch (medido após Convergente Polimento e gravura HF usando microscopia óptica) como resultado da estabilização química e engenharia de filtração 19 , 20. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior da figura.
Figura 6: Figura de superfície (como descrIBED pelo pico a vale altura da superfície) valor do ponto de convergência e repetibilidade da peça de trabalho para várias configurações experimentais de polimento durante o desenvolvimento da Convergent Polishing. Para cada série experimento, a magnitude (média) e a repetibilidade (desvio padrão e min / max ) são anotados. Nota PV q é a altura do pico-a-superfície Vale informou que a diferença de altura máxima na superfície medida após o 1% mais baixos e mais altos pontos de dados foram descontados para minimizar a sensibilidade devido a pontos de dados anômalos. Por favor, clique aqui para ver um maior versão da figura.
Figura 7: Figura superfície (como descrito pelo pico a vale da altura da superfície) do workpiece contra vezes usando só peça ou septo apenas configurações de polimento. Isso ilustra como o ponto de convergência pode ser adaptado pela mudança no polimento configurações. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior da figura.
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Discussion
Como discutido na Introdução, a implementação bem sucedida de Convergente Polimento em relação à superfície figura envolve eliminar ou minimizar todos os fenômenos que influenciam espacial não-uniformidade de material excepto a peça-lap incompatibilidade devido a forma da peça. Se qualquer um desses fenômenos não está devidamente mitigado, seja por meio de controle de processo ou através de engenharia apropriada do polidor, então o ponto de convergência desejado não pode ser alcançado ou mantido; portanto, essencialmente cada mitigação torna-se crítica. Para ilustrar isto, a Figura 6 mostra a magnitude e repetibilidade da figura ponto de convergência na superfície da peça de trabalho (representada como valor de pico-vale da altura da superfície) como uma função de várias séries de experiências conduzidas de polimento durante o curso do desenvolvimento de Polimento convergente. Com cada série de experiências, foi implementado um novo mitigação. A série último experimento (Série M), o agora representantef o Convergent Polimento de protocolo e de sistema, mostra um ponto de convergência baixo e repetível.
Como resultado, o protocolo Convergente Polimento e do sistema é uma combinação de uma série de tecnologias desenvolvidas que permitem a convergência na figura de superfície, taxa de remoção de material de alta, e alta qualidade de superfície (densidade baixa scratch, baixa rugosidade superficial) através da minimização de partículas desonestos. O tecnologias facilitadoras essenciais incluem: a novel septo forma que é um vidro ou material não vestindo carregado para o pad que compensa o desgaste não uniforme pad, melhora a uniformidade da temperatura, melhora a distribuição de suspensão, e reduz almofada viscoelástica efeitos de borda 6,7 , 17; gravura granel, que permite a remoção mais rápida dos danos sub-superfície e reduz a quantidade de material a ser removido a partir da peça de trabalho durante o polimento, bem como o stress remove moagem que pode causar peça de dobrar alterando o ponto de convergência 7,21, 23-24 Afastamento Botão Blocking (PBB), que permite o bloqueio de uma peça proporção elevada impedindo-a de flexão durante o bloqueio e polimento com baixo risco de arranhar a superfície da peça adversária 22; AVC radial, que resulta na melhoria do tempo de remoção de material espacial média durante o polimento , evitando ondulações de alta freqüência que podem ocorrer em uma superfície da peça 8; equilibrada desgaste de 3 corpos de peça, septo e colo que fornece uma forma desejada, estável do colo e, portanto, um ponto de convergência mais estável da peça; hermeticamente fechado alta umidade câmara, que impede a entrada de partículas desonestos externos e evita a formação de aglomerados de lamas secas que são fontes comuns de coçar polimento da peça de trabalho; também reduz a chance de almofada de secagem e deformar de forma permanente a forma 17,18,25 colo; engenharia de sistema de filtragem que melhora e mantém uma pasta de tamanho de partícula desejada distrição melhorar a rugosidade da superfície e reduzir a probabilidade de formação de zero; Isso inclui recursos de tubulação fluorado, zonas mortas minimizadas, e velocidades de fluxo controlados impedindo sedimentação de lodo, aglomeração, e contaminação 17; estabilização de lodo química que reduz o número e tamanho dos aglomerados na lama, sem sacrificar a taxa de remoção de material que utiliza surfactantes que seguem um romance 'Cobrado Micelle Halo' mecanismo químico 19,20; e no tratamento de ultra-sons pad situ que permite a remoção de depósitos de lama e produtos de vidro da superfície colo que ajuda a manter as taxas de remoção de material e minimiza mid-range comprimento de escala da degradação espacial forma peça devido ao depósito de material preferencial 8.
Além disso, Convergente Polimento tira proveito de tecnologias conhecidas na comunidade de fabrico óptico para eliminar não-uniforme de remoção de material espacial. Estesincluem: velocidade constante usando a rotação combinada (taxa de rotação da peça = taxa de rotação Lap) 3 média em tempo; a borda da peça de trabalho conduzido para prevenir momento força da peça de flexão 6; carga aplicada de modo uniforme; carga e velocidade ajustado para operar no modo de contato 6; base de colo rígidos para evitar flexão sob carga; cuidadosa seleção pad para fornecer convergência rápido e bom transporte pasta; Baume e manutenção do pH adequado da pasta de polimento; submersas e processos de limpeza de água para a peça para evitar manchas lama 2,26.
Várias estratégias podem ser empregues para deslocar o ponto de convergência, o que por vezes pode necessitar de ser ajustado devido a variabilidade na uniformidade de espessura ou de planeza da almofada como-comprado. Polimento com peça só impulsiona o ponto de convergência da peça convexa, enquanto polimento com septo só impulsiona o ponto de convergência da peça côncava. Além disso, a relação das pressões entre uma peça de trabalhond septo pode ser ajustado, e a almofada personalizada pode ser em forma de diamante utilizando condicionado. A Figura 7 ilustra o efeito de peça única ou septo apenas polimento para modificar o ponto de convergência. Uma vez que o ponto de convergência é estabelecido no valor desejado, então ele pode ser mantido por longos tempos de polimento (muitas centenas de horas), utilizando o processo convergente Polimento.
Convergente polimento tem as seguintes vantagens: os parâmetros de polimento são fixas e permanecer a mesma durante o polimento e entre funcionamentos independentemente do número inicial de superfície da peça de trabalho; polimento pode ser realizado em uma única iteração a partir de uma superfície de chão, o que requer menos tempo de polimento e menos metrologia; e o polimento é realizado em um ambiente livre de partículas ladino conduzindo a pouca ou nenhuma riscar sobre a peça de trabalho. Em última análise, levar a estas vantagens a capacidade para fazer componentes ópticos de alta finais mais rápido e barato.
Potencialaplicações da Convergent Polishing incluem a fabricação de óptica utilizados em alta potência ou laser de alta energia ou sistemas ópticos, bem como a produção geral de apartamentos ópticos e esferas. O processo convergente Polishing foi demonstrada em vidro fundido de sílica, vidro de borosilicato, e peças de vidro de fosfato. Também tem sido demonstrado em peças redondas e quadradas ao longo de um intervalo de tamanho de 50-265 mm e em planos e esferas.
O detalhe procedimento neste estudo é especificamente para um acabamento liso, quadrado da peça fundida sílica 26,5 centímetros de tamanho. Por outras ópticas, tamanho, esferas de vidro ou outros materiais, o equipamento pode necessitar de ser modificada (por exemplo, do tamanho / forma da volta, de forma a septo, ea pasta utilizada). O processo geral e convergente de sistema de polimento é coberto por várias patentes ou pedidos de patentes 17-19.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MHN 50 mil Polyurethane Pad | Eminess Technologies | PF-MHN15A050L-56 | |
| Cerium oxide polishing slurry | Universal Photonics | HASTILITE PO | |
| Septum Glass (waterjet cut) | Borofloat ; Schott | NA | |
| Diamond conditioner | Morgan Advanced Ceramics | CMP-25035-SFT | |
| Ultrasonic Cleaner | Advanced Sonics Processing System | URC4 | |
| Purification Optima Filter cartridge | 3M | CMP560P10FC | |
| Blocking Pitch | Universal Photonics | BP1 | |
| Blocking Tape | 3M | #4712 | |
| Cleanroom Cloth | ITW Texwipe | AlphaWipe TX1013 | |
| Single Particle Optical Sensing | Paritcle Sizing Systems | Accusizer 780 AD |
References
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