JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

A novel optical polishing process, called “Convergent Polishing”, which enables faster, lower cost polishing, is described. Unlike conventional polishing processes, Convergent Polishing allows a glass workpiece to be polished in a single iteration and with high surface quality to its final surface figure without requiring changes to polishing parameters.

Abstract

المتقاربة تلميع هو نظام رواية تلميع وطريقة لإنهاء البصريات الزجاج المسطح وكروية فيه الشغل، مستقلة عن شكله الأولي (أي الرقم السطح)، سوف تتلاقى على الرقم سطح النهائي مع نوعية ممتازة تحت السطح، مجموعة ثابت ثابت تلميع المعلمات في التكرار تلميع واحد. في المقابل، طرق تلميع الفتحة الكاملة التقليدية تتطلب متعددة في كثير من الأحيان طويلة، دورات، التكرارية التي تنطوي على تلميع والمقاييس وعملية التغييرات لتحقيق الرقم المطلوب السطح. وتستند عملية متقاربة تلميع على مفهوم الشغل في اللفة ارتفاع عدم تطابق مما أدى إلى الضغط التفاضلي الذي يؤدي إلى انخفاض مع إزالة والنتائج في الشغل المتقاربة لشكل اللفة. تنفيذ الناجح لعملية متقاربة تلميع هو نتيجة لمزيج من عدد من التقنيات لإزالة جميع مصادر غير موحدة إزالة المواد المكانية (باستثناء الشغل في اللفةعدم تطابق) لشخصية سطح التقارب والحد من عدد الجسيمات المارقة في نظام لكثافة الصفر منخفضة وانخفاض خشونة. وقد تجلى عملية متقاربة تلميع لتصنيع كل من الشقق ومجالات مختلفة الأشكال والأحجام، ونسب على المواد الزجاجية المختلفة. الأثر العملي هو أن مكونات عالية الجودة البصرية يمكن أن تكون ملفقة بسرعة أكبر، وأكثر مرارا وتكرارا، مع أقل المقاييس، وبعدد أقل من العمالة، مما أدى إلى انخفاض تكاليف الوحدة. في هذه الدراسة، وصفت بروتوكول متقاربة تلميع خصيصا لافتعال 26.5 سم تنصهر مربع الشقق السيليكا من سطح الأرض على ما يرام إلى ~ λ / 2 الرقم سطح مصقول بعد تلميع 4 ساعة في السطح على 81 سم قطرها الملمع.

Introduction

وتشمل الخطوات الرئيسية في عملية تصنيع البصرية نموذجية تشكيل، طحن، تلميع الكامل الفتحة، وأحيانا أداة صغيرة تلميع 1-3. مع تزايد الطلب على المكونات البصرية عالية الجودة لنظم التصوير والليزر، كانت هناك تطورات كبيرة في تلفيق البصرية على مدى العقود القليلة الماضية. على سبيل المثال، والدقة، وإزالة المواد القطعية ممكنة الآن خلال تشكيل وعمليات طحن مع التقدم في الحاسوب العددي التحكم آلات تشكيل (CNC) الزجاج. وبالمثل، تقنيات تلميع أداة صغيرة (على سبيل المثال، الكمبيوتر التي تسيطر عليها تطفو على السطح البصري (CCOS)، أيون الاعتقاد، ومغناطيسي الانسيابية التشطيب (MRF)) أدت إلى إزالة المواد حتمية والسيطرة الرقم السطح، مما يؤثر بشدة على صناعة تصنيع البصرية. ومع ذلك، فإن خطوة وسيطة في عملية التشطيب، كامل فتحة تلميع، لا تزال تفتقر الحتمية عالية، الأمر الذي يتطلب عادة opticia المهرةنانوثانية لتنفيذ متعددة، وغالبا طويلة، دورات متكررة مع التغيرات عملية متعددة لتحقيق هذا الرقم إلى السطح المطلوب 1-3.

جعلت عدد كبير من وسائل تلميع، متغيرات العملية، والكيميائية المعقدة والتفاعلات الميكانيكية بين الشغل، اللفة والطين 3-4 صعوبة في تحويل تلميع البصرية من 'الفن' إلى العلم. لتحقيق حتمية فتحة تلميع الكامل، ومعدل إزالة المواد يجب أن يكون مفهوما بشكل جيد. تاريخيا، وقد وصفت معدل إزالة المواد عن طريق المعادلة بريستون تستخدم على نطاق واسع 5

figure-introduction-1523 (1)

حيث درهم / دينارا هو متوسط ​​معدل إزالة سمك، ك ع هو ثابت بريستون، σ o غيرالضغوط التي مورست، وV r هي متوسط ​​السرعة النسبية بين الشغل واللفة الشكل 1 يصور تخطيطي المفاهيم الفيزيائية التي تؤثر على معدل إزالة المواد كما هو موضح في بريستون معادلة، بما في ذلك الاختلافات المكانية والزمانية في السرعة والضغط، والاختلافات بين الضغوط التي مورست وتوزيع الضغط الذي تجارب الشغل، وآثار الاحتكاك 6-8. على وجه الخصوص، ويخضع توزيع الضغط الفعلي الذي يعيشه الشغل من قبل عدد من الظواهر (وصفها بالتفصيل في مكان آخر 6-8) التي تؤثر بقوة مما أدى الرقم سطح الشغل. أيضا، في بريستون المعادلة، يتم طي الآثار المجهرية والجزيئية مستوى إلى حد كبير في بريستون ثابتة العيانية (ك ع)، والتي تؤثر على مجمل معدل المواد الإزالة، خشونة الصغيرة، وحتى الخدش على الشغل. توسعت الدراسات المختلفة نموذج بريستون لحساب لالطين المجهري الجسيمات وسادة-الشغل التفاعلات لشرح مواد معدل إزالة وmicroroughness 9-16.

لتحقيق السيطرة القطعية من الرقم السطح خلال كامل فتحة تلميع، كل من الظواهر المذكورة أعلاه يجب أن يكون مفهوما، كميا وتسيطر ذلك الحين. استراتيجية وراء متقاربة تلميع هي للقضاء أو التقليل الأسباب غير مرغوب فيها من إزالة المواد غير موحدة، سواء من خلال هندستها التصميم ملمع أو عن طريق التحكم في العمليات، مثل أن إزالة مدفوعة فقط من قبل عدم تطابق الشغل لفة بسبب شكل الشغل 7،17- 18. ويوضح الشكل 2 كيف يمكن أن يؤدي إلى شكل الشغل التقارب على أساس الشغل في اللفة مفهوم عدم تطابق. النظر في اللفة مسطحة والشغل افتراضية من شكل معقد يظهر في أعلى اليسار. فمنها ارتفاع واجهة (ويشار إلى هذه الفجوة، Δh ر أ) يؤثر على توزيع الضغط واجهة (σ) على النحو التالي:

المحتوى "FO: المحافظة على together.within صفحة =" دائما "> figure-introduction-3519 (2)

حيث h هو ثابت واصفا المعدل الذي الضغط ينخفض ​​مع زيادة في الفجوة Δh OL 6. في هذا المثال، الشغل لديها أعلى ضغط المحليين في مركز (انظر الجزء السفلي الأيسر من الشكل 2)، وبالتالي هذا الموقع سوف نلاحظ أعلى معدل إزالة المواد الأولية خلال تلميع. كما تتم إزالة المواد، والفرق الضغط عبر الشغل الانخفاض يرجع إلى انخفاض في عدم تطابق الشغل في اللفة، وسوف الشغل تتلاقى على شكل اللفة. في التقارب، وتوزيع ضغط الشغل، وبالتالي إزالة المادية، وسوف تكون موحدة في جميع أنحاء الشغل (انظر الجانب الأيمن من الشكل 2). ويتضح هذا المثال لحضن مسطحة، howevإيه، وينطبق نفس المفهوم لحضن كروية (إما مقعرة أو محدبة). مرة أخرى، هذه عملية التقارب يعمل فقط إذا تم القضاء على كل الظواهر الأخرى التي تؤثر المكاني المادي عدم تماثله. ووصف التخفيف الإجرائية وهندسية محددة تنفذ في بروتوكول تلميع متقاربة في مناقشة.

بروتوكول صفها في الدراسة التالية هي عملية متقاربة تلميع خصيصا ل26.5 سم مربع تنصهر الشغل زجاج السيليكا بدءا من سطح الأرض على ما يرام. في 8 ساعات من تلميع (4 ساعات / السطح)، وهذا يمكن الشغل تحقيق التسطيح مصقول من ~ λ / 2 مع نوعية السطح عالية جدا (أي منخفضة الكثافة الصفر).

Protocol

1. إعداد الملمع والطين

أولا إعداد نظام تلميع متقاربة (وتسمى تحديدا C onvergent، I nitial سطح مستقل، S إنجل التكرار، R ogue الجسيمات مجاني الملمع أو CISR (وضوحا "مقص ')) 7،17 عن طريق تثبيت لوحة والحاجز، وتكييف لوحة، تمييع واستقرار كيميائيا الطين، وتتضمن الطين داخل نظام الترشيح.

  1. على ملمع CISR، والتمسك لوحة البولي يوريثين على قاعدة من الجرانيت اللفة. الالتزام سادة حافة واحدة أولا وممارسة الضغط في الاتجاه نحو حافة معارضة لتقليل الفجوات الهواء. تقليم لوحة المتدلية ثم استخدام شفرة حلاقة وأسطوانات لثقب وإزالة فقاعات الهواء إذا لزم الأمر.
  2. للاستخدام مرة الأولى، وبعد كل ~ 100 حR من تلميع، وحالة الماس لوحة باستخدام مكيف الماس CMP (50 مم؛ 0.6 رطل ضغط تطبيقها، و5 دقائق يسكن في كل موقع اللفة شعاعي مع 25 ملم تباعد الزيادات، اللفة دوران 25 دورة في الدقيقة) مع الماء DI المتدفقة.
  3. بين التكرارات تلميع، وإزالة أي الطين والمنتجات الزجاجية المتبقية من لوحة باستخدام منظف في الموقع بالموجات فوق الصوتية (~ 2 دقيقة يسكن في كل موقع شعاعي، اللفة دوران 5 دورة في الدقيقة) مع الماء DI المتدفقة.
  4. على وزن الحاجز شكل فريد، والتمسك شريط مزدوج من جانب ورغوة ثم المواد الحاجز (على سبيل المثال، قبل قطع الزجاج أو غيرها من المواد غير يرتدي). تقليم أي الشريط رغوة المتدلية لتتناسب مع شكل مواد الحاجز والوزن. لاحظ تصميم الحاجز (سواء الشكل والوزن) يتغير لأحجام مختلفة من الشغل واللفة 7،17.
  5. إعداد تلميع الطين لبوم 4 تركيز (على وجه التحديد مزيج من حيث الحجم ~ 1 جزء أكسيد السيريوم تلميع الطين و~ 9 أجزاء منزوع الأيونات (DI) الماء في 11 L بوcket). تحقق بوم باستخدام تعويم بوم. إضافة ~ 5 مل من KOH (10 M) لضبط درجة الحموضة إلى 9.5 وإضافة ~ 120 مل (1 المجلد٪) من السطحي الملكية 19. إعادة ضبط درجة الحموضة وبوم كل 24 ساعة لتلميع.
  6. تثبيت دلو مع الطين مستعد في نظام الترشيح. ثم تثبيت المطلوب مرشحات الجسيمات CMP إلى نظام الترشيح. دعونا إعادة توزيع الطين داخل نظام الترشيح لعدة ساعات.
  7. قياس توزيع حجم الجسيمات من الطين (على سبيل المثال، وذلك باستخدام تقنيات الاستشعار عن جسيم واحد البصرية) لضمان ذيل التوزيع غير كاف 9،20 خالية من الجسيمات المارقة.

2. إعداد الشغل (فن الحفر وحجب)

قبل تلميع، حفر كيميائيا كما وردت-الشغل الأرض غرامة لتقليل كمية إزالة المواد اللازمة لإزالة شبه السطحية طحن الضرر 21. ثم، منع الشغل (إذا كانت نسبة الارتفاع (أي طول / سمك) هو> 10) باستخدام تقنية رواية زر الملعب حجب (PBB) لمنع الشغل من خلال منع الانحناء وتلميع 22.

  1. حفر الشغل الأرض غرامة (تحديدا 265 X 265 × 8 مم 3 تنصهر فيها الزجاج السيليكا شقة) في خزان مملوء HF: NH 4 F (6: 1 مخزنة حفر أكسيد (البنك المركزي البريطاني) 3X المخفف بالماء DI) لمدة 6 ساعة إزالة 10 ميكرون من الزجاج من سطح الشغل. تنبيه! بنك انجلترا خطرة للغاية. ارتداء معدات الوقاية الشخصية المناسبة (PPE). إزالة الشغل من خزان حفر وشطف بقوة الشغل مع الماء DI والسماح الشغل إلى الهواء الجاف عموديا.
  2. تفقد الشغل عن الضرر العميق أثناء عملية الطحن باستخدام تفتيش الضوء الساطع في غرفة مظلمة. إذا تم العثور على أي ضرر عميق، انتقل إلى الخطوة التالية، وإلا ترسل الشغل إلى الخلف لإعادة طحن.
  3. تسخين حجب الملعب في مسدس الغراء إلى ~ 95 درجة مئوية ومكان قطرات (وتسمى أيضا أزرار) من الملعب (~ 0.06 ز) على وجهحجب لوحة في 9 × 9 مجموعة (81 الأزرار مع 26 ملم تباعد). للالشغل مختلفة الحجم، يرجى الرجوع إلى تصميم قواعد المثالي عدد وحجم والمباعدة زر الملعب (22). وضع لوحة حجب مع أزرار تطبيق تواجه يصل في فرن مسخن مسبقا في 70 درجة مئوية.
  4. تطبيق الشريط على وجهه من الشغل التي لا ينبغي مصقول. تجنب توليد فقاعات الهواء أو تمتد بشكل مفرط الشريط.
  5. وضع الشغل مع وجه الجانب الشريط أسفل على أزرار على لوحة حجب في الفرن. تغطية الشغل على زر لبنة للحد من تدفق الحمل الحراري. بعد 1.5 ساعة، تعيين الفرن ليبرد 10 درجة مئوية / ساعة إلى درجة حرارة الغرفة. بعد التبريد، يجب أن يكون سمك الملعب على الشغل منعت ~ 1 مم.

3. متقاربة تلميع

  1. تشغيل نظام الرطوبة في الغرفة البيئية للCISR ملمع لمنع الطين من خلال تجفيف وتلميع وللتقليل من الجسيمات المارقة الخدش الشغل.
  2. الإضافيةطويل القامة وجبل الحاجز مصممة خصيصا وعلى استعداد في الملمع. تثبيت PBB الشغل إلى ملمع CISR وانخفاض الازدهار لعقد الشغل.
  3. الشغل البولندي على CISR لمدة 4 ساعة في اللفة والشغل معدل دوران متطابق من 25 دورة في الدقيقة مع السكتة الدماغية شعاعي من ~ 75 ملم ومع تدفق الطين من نظام الترشيح من 1 غال / دقيقة.
    ملاحظة: يقدم لوحة حجب أيضا باسم وزن التحميل على الشغل المقابلة إلى 0.6 رطل ضغط تطبيقها.
  4. إيقاف اللفة والشغل التناوب وتدفق الطين. إزالة PBB الشغل من CISR ملمع وsubmerse ذلك إلى DI المياه تملأ الحمام. يمسح سطح الشغل مع القماش غرف الأبحاث بينما المغمورة. إزالة PBB الشغل من الحمام ورذاذ يشطف بالماء DI.
  5. يشتت الشغل عن طريق إدخال الرقائق في واجهة الشغل كتلة. إزالة الشريط من سطح الشغل. شطف بقوة الشغل مع الماء DI والهواء الجاف.
  6. PBB مواجهة معارضة من الشغل كما هو موضح في القسم 2. ثم كرر بوالإجراء تترأسه كما هو موضح في القسم 3.

4. المقاييس والتفتيش

  1. الاجراء يعكس واجهة الموجة (أي الرقم السطحية) من كلا الجانبين من الشغل وكذلك واجهة الموجة التي تنتقل عن طريق استخدام تداخل.
  2. جبل الشغل على مشرقة محطة التفتيش الضوء وقياس خصائص الصفر / حفر باستخدام أساليب تلفيق الضوئية القياسية. وحفر بنك انجلترا قصيرة من الشغل، كما هو موضح في الخطوة 2.1، يمكن أن تستخدم لكشف الخدوش الخفية للالشغل المستخدمة في تطبيقات الليزر فلوينس عالية. لقياس الخدوش غرامة أو خشونة في الشغل، المجهر الضوئي العادي أو ضوء التداخل الأبيض يمكن أن تستخدم.
  3. متجر الانتهاء الشغل في التقليل الحاوية على اتصال مع الوجه من الشغل.

النتائج

وصف بروتوكول متقاربة تلميع فوق يسمح أرضية تنصهر السيليكا الشغل (في هذه الحالة 26.5 سم مربع) ليتم مصقول، في تكرار واحد من 4 ساعات في السطح، إلى التسطيح الذروة إلى الوادي من ~ λ / 2 (~ 330 نانومتر) لانخفاض الشغل نسبة الارتفاع و~ 1λ (~ 633 نانومتر) لجانب ارتفاع نسبة الشغل (انظر ا?...

Discussion

كما جاء في المقدمة، والتنفيذ الناجح لتلميع متقاربة فيما يتعلق السطح الرقم يشمل القضاء أو التقليل من كل الظواهر التي تؤثر المكاني المادي عدم تماثله إلا أنه من الشغل في اللفة بسبب عدم تطابق شكل الشغل. إذا كان أي واحد من هذه الظواهر لا ينحصر بشكل مناسب، إما من خلال التحك...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by Lawrence Livermore National Laboratory under Contract DE-AC52-07NA27344 within the LDRD program.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
MHN 50 mil Polyurethane Pad Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
Cerium oxide polishing slurryUniversal PhotonicsHASTILITE PO
Septum Glass (waterjet cut)Borofloat ; Schott NA
Diamond conditionerMorgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
Ultrasonic CleanerAdvanced Sonics Processing SystemURC4
Purification Optima Filter cartridge3MCMP560P10FC
Blocking PitchUniversal PhotonicsBP1
Blocking Tape3M#4712
Cleanroom ClothITW TexwipeAlphaWipe TX1013
Single Particle Optical SensingParitcle Sizing SystemsAccusizer 780 AD

References

  1. Anderson, D., Burge, J., Thompson, B., Malacara, D. Ch 28. Handbook of optical engineering. Optical fabrication. , (2001).
  2. Karow, H. . Fabrication Methods for Precision Optics. , (1993).
  3. Brown, N. J. A short course in optical fabrication technology. , (1981).
  4. Cook, L. Chemical processes in glass polishing. J. Non-Crystal. Solids. 120, 152-171 (1990).
  5. Preston, F. The Structure of Abraded Glass Surfaces. Trans. Opt. Soc. 23 (3), 141-14 (1922).
  6. Suratwala, T., Feit, M., Steele, R. Toward Deterministic Material Removal and Surface Figure During Fused Silica Pad Polishing. J. Am. Ceram. Soc. 93 (5), 1326-1340 (2010).
  7. Suratwala, T., Steele, R., Feit, M., Desjardin, R., Mason, D. Convergent Pad Polishing of amorphous fused silica. International Journal of Applied Glass Science. 3 (1), 14-28 (2012).
  8. Suratwala, T., Feit, M., Steele, R., Wong, L. Influence of Temperature and Material Deposit on Material Removal Uniformity during Optical Pad Polishing. J. Am. Ceram. Soc. , (2014).
  9. Suratwala, T. Microscopic removal function and the relationship between slurry particle size distribution and workpiece roughness during pad polishing. J. Am. Ceram. Soc. 91 (1), 81-91 (2014).
  10. Terrell, E., Higgs, C. Hydrodynamics of Slurry Flow in Chemical Mechanical Polishing. J. Electrochem. Soc. 153 (6), 15-22 (2006).
  11. Runnels, S., Eyman, L. Tribology Analysis of Chemical MechanicalPolishing. J. Electrochem. Soc. 141 (6), 1698-1701 (1994).
  12. Park, S., Cho, C., Ahn, Y. Hydrodynamic Analysis of Chemical Mechanical Polishing Process. J. Tribology Int. 33, 723-730 (2000).
  13. Luo, J., Dornfeld, D. Effects of Abrasive Size Distribution in Chemical Mechanical Planarization: Modeling and Verification. IEEE T. Semicond. M. 16 (3), 469-476 (2003).
  14. Luo, J., Dornfeld, D. Material Removal Mechanism in Chemical Mechanical Polishing: Theory and Modeling. IEEE T. Semiconduct. M. 14, 112-133 (2001).
  15. Bastaninejad, M., Ahmadi, G. Modeling the Effects of Abrasive Size Distribution, Adhesion, and Surface Plastic Deformation on Chemical Mechanical Polishing. J. Electrochem. Soc. 152 (9), 720-730 (2005).
  16. Sampurno, Y., Sudargho, F., Zhuang, Y., Ashizawa, T., Morishima, H., Philipossian, A. Effect of Cerium Oxide Particles Sizes in Oxide Chemical Mechanical Planarization. Electrochem. Solid State. 12 (6), 191-194 (2009).
  17. Suratwala, T., et al. Method and system for Convergent Polishing. US Provisional Patent Application. , (2011).
  18. Suratwala, T., Feit, M., Steele, R. Apparatus and Method for Deterministic Control of Surface Figure During Full Aperture Polishing. US Patent Application. US. , (2010).
  19. Dylla-Spears, R., Feit, M., Miller, P., Steele, R., Suratwala, T., Wong, L. Method for preventing agglomeration of charged colloids without loss of surface activity. US Provisional Patent Application. , (2012).
  20. Dylla-Spears, R., Wong, L., Miller, P., Feit, M., Steele, R., Suratwala, T. Charged Micelle Halo Mechanism for Agglomeration Reduction in Metal Oxide Particle Based Polishing Slurries. Colloid Surface A. 447, 32-43 (2014).
  21. Wong, L., Suratwala, T., Feit, M., Miller, P., Steele, R. The Effect of HF/NH4F Etching on the Morphology of Surface Fractures on Fused Silica. J. Non-Crystal. Solids. 355, 797 (2009).
  22. Feit, M., DesJardin, R., Steele, R., Suratwala, T. Optimized pitch button blocking for polishing high-aspect-ratio optics. Appl. Opt. 51 (35), 8350-8359 (2013).
  23. Suratwala, T., et al. Sub-surface mechanical damage distributions during grinding of fused silica. J. Non-Crystal. Solids. 352, 5601 (2006).
  24. Miller, P., et al. The Distribution of Sub-surface Damage in Fused Silica. SPIE. 5991, (2005).
  25. Suratwala, T., et al. Effect of Rogue particles on the sub-surface damage of fused silica during grinding/polishing. J. Non-Crystal. Solids. 354, 2003 (2008).
  26. Suratwala, T., Miller, P., Ehrmann, P., Steele, R. Polishing slurry induced surface haze on phosphate laser glasses. J. Non-Crystal. Solids. 351, 2091-2101 (2004).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

94 ceria HF

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved