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
  • תוצאות
  • 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

מתכנס פוליש הוא מערכת ליטוש רומן ושיטה לגימור אופטיקה זכוכית שטוחה וכדורית שבחומר, הצורה עצמאית של הראשונית שלה (כלומר, משטח דמות), תתכנס לדמות משטח סופית עם איכות משטח מצוינת תחת ערכה קבועה, בלתי משתנית של ליטוש פרמטרים באיטרציה ליטוש יחיד. בניגוד לכך, שיטות ליטוש צמצם מלא קונבנציונליות דורשות מחזורים מרובים, לעתים קרובות ארוכים, איטרטיבי מעורב שינויי ליטוש, המטרולוגיה ותהליך כדי להשיג את דמות המשטח הרצויה. התהליך מתכנס הפוליש מבוסס על הרעיון של אי-התאמת גובה לחומר-חיק כתוצאה מהפרש לחץ שהולך ופוחת עם ההסרה ותוצאות בחומר מתכנס לצורה של ההקפה. היישום המוצלח של התהליך מתכנס הפוליש הוא תוצאה של השילוב של מספר הטכנולוגיות כדי להסיר את כל המקורות של הסרת חומר המרחבית לא אחידה (למעט חומר-חיקחוסר התאמה) להתכנסות דמות פני השטח ולצמצם את מספרם של חלקיקי נוכלים במערכת לצפיפויות נמוכות מאפס וחספוס נמוך. התהליך מתכנס הפוליש הודגם עבור הייצור של שני הדירות ותחומי צורות שונות, גדלים, וההיבט ratios על חומרי זכוכית שונים. ההשפעה המעשית היא שיכולים להיות מפוברקים רכיבים אופטיים באיכות גבוהה במהירות רבה יותר, יותר שוב ושוב, עם פחות המטרולוגיה, ועם פחות עבודה, וכתוצאה מכך עלויות ליחידה נמוכות יותר. במחקר זה, הפרוטוקול מתכנס הפוליש מתואר במיוחד עבור בודה 26.5 סנטימטר רבוע התמזגו דירות סיליקה ממשטח קרקע משובחת ל~ λ / 2 דמות משטח מלוטשת לאחר ליטוש 4 שעות לכל משטח בקוטר 81 סנטימטר לטש.

Introduction

השלבים העיקריים בתהליך ייצור אופטי אופייני כוללים עיצוב, שיוף, ליטוש צמצם מלא, ולפעמים כלי קטן ליטוש 1-3. עם ביקוש גובר לרכיבים אופטיים באיכות גבוהה עבור מערכות הדמיה ולייזר, שם כבר התקדמות משמעותית בייצור אופטי בעשורים האחרונים. לדוגמא, דיוק, הסרת חומר דטרמיניסטית ניתן כיום בעיצוב ותהליכי טחינה עם התקדמות במחשב נומרית מבוקרת מכונות עיצוב זכוכית (CNC). באופן דומה, טכנולוגיות ליטוש כלי קטן (למשל, על פני השטח בשליטת מחשב אופטי (CCOS), יון להבין, וגימור מגנט rheological (MRF)) הוביל להסרת חומר דטרמיניסטית ושליטה דמות פני השטח, ובכך להשפיע על תוקף תעשיית הייצור האופטית. עם זאת, שלב ביניים של תהליך הגימור, ליטוש צמצם מלא, עדיין חסר גבוה דטרמיניזם, בדרך כלל דורש opticia המיומןns לבצע מרובה, לעתים קרובות מחזורים ארוכים, איטרטיבי עם שינויים בתהליך מרובים כדי להשיג לדמות המשטח הרצויה 1-3.

המספר הגדול של שיטות ליטוש, משתני תהליך, וכימית המורכבים ואינטראקציות מכאניות בין חומר, הברכיים וslurry 3-4 עשה את זה מאתגר להפוך ליטוש אופטי מ'אמנות 'למדע. כדי להשיג ליטוש צמצם מלא דטרמיניסטי, שיעור הסרת חומר יש להבין היטב. מבחינה הסטורית, שיעור הסרת חומר שתואר על ידי משוואת פרסטון שימוש נרחב 5

figure-introduction-1390 (1)

שם ד"ה / dt הוא שיעור העובי הממוצע ההסרה, p k הוא קבוע פרסטון, σ O הואהלחץ המופעל, וr V הוא המהירות היחסית הממוצעת בין החומר והחיק. איור 1 מתאר באופן סכמטי את המושגים הפיזיים המשפיעים על שיעור הסרת חומר כפי שתואר משוואת פרסטון, כולל וריאציות מרחב ובזמן במהירות ובלחץ, הבדלים בין לחץ יישומית ובפיזור לחצים שחוויות חומר, ואת השפעות חיכוך 6-8. בפרט, הפצת הלחץ הממשית שחוותה לחומר נשלטת על ידי מספר התופעות (שתוארו בפירוט במקום אחר 6-8) שמאוד משפיע על תוצאת דמותו של חומר משטח. כמו כן, במשוואת פרסטון, תופעות המיקרוסקופיות ומולקולריות הרמה מקופלות במידה רבה לקבועה מקרוסקופית פרסטון (עמ 'יא), המשפיע על שיעור הכולל חומר להסרת, מיקרו-חספוס, ואפילו מגרד על החומר. מחקרים שונים הרחיבו המודל של פרסטון לחשבון לאינטראקציה בין חלקיקים-pad-חומר slurry המיקרוסקופי להסביר שיעור הסרת חומר וmicroroughness 9-16.

כדי להשיג שליטה דטרמיניסטית של דמות פני השטח במהלך ליטוש צמצם מלא, כל אחת מהתופעות שתוארו לעיל צריך להיות מובן, לכמת ולאחר מכן בשליטה. האסטרטגיה מאחורי מתכנס פוליש היא לחסל או לצמצם את הגורמים בלתי רצויים של הסרת חומר לא אחידה, בין אם באמצעות עיצוב לטש מהונדס או על ידי שליטה בתהליך, כך שההסרה מונעת רק על ידי חוסר ההתאמה לחומר-חיק בשל צורת חומר 7,17- 18. איור 2 מדגים כיצד צורה לחומר יכולה לגרום להתכנסות מבוססת על רעיון חוסר ההתאמה לחומר-חיק. שקול חיק שטוח וחומר היפותטי של צורה מורכבת שמוצגת בפינה השמאלית העליונה. חוסר התאמת גובה הממשק (המכונה הפער, Δh OL) משפיעה על חלוקת לחץ ממשק (σ) כ:

תוכן "fo: לשמור-together.within-page =" תמיד "> figure-introduction-3269 (2)

כאשר h הוא שיעור המתאר קבוע שבו הלחץ יורד עם עלייה בפער Δh OL 6. בדוגמא זו, יש לחומר הלחץ הגבוה ביותר המקומי במרכז (ראה שמאלי תחתונה של איור 2), ומכאן מיקום זה יהיה לצפות בשיעור הסרת חומר הראשוני הגבוה ביותר במהלך ליטוש. כחומר מוסר, פרש הלחצים בין החומר יקטן כתוצאה מירידה בחוסר ההתאמה לחומר-חיק, והחומר יתכנס לצורה של ההקפה. בהתכנסות, פיזור לחצים לחומר, ולכן הסרת חומר, יהיה אחיד על פני החומר (ראה בצד ימין של איור 2). דוגמא זו ממחישה לחיק שטוח, howevאה, אותו הרעיון חל על הברכיים כדוריות (או קעור או קמור). שוב, תהליך התכנסות זה עובד רק אם כל התופעות האחרות המשפיעות על אי-אחידות חומר המרחבית בוטלו. ההקלות פרוצדורליים והנדסה הספציפיות שיושמו בפרוטוקול הפוליש מתכנס מתוארות בדיון.

הפרוטוקול המתואר במחקר הבא הוא התהליך מתכנס הפוליש במיוחד עבור חומר זכוכית סיליקה 26.5 סנטימטר רבוע התמזגו החל ממשטח קרקע משובח. ב 8 שעות של ליטוש (4 שעות / שטח), לחומר זה יכול להשיג שטיחות מלוטשות של λ ~ / 2 עם איכות גבוהה מאוד לפני שטח (כלומר, צפיפות שריטה נמוכה).

Protocol

1. הכנת לטש וSlurry

להכין ראשון מערכת הפוליש מתכנס (במיוחד בשם onvergent C, אני nitial משטח עצמאי, S ingle איטרציה, לטש R ogue חלקיקים-חינם או CISR (מבוטאת "מספריים")) 7,17 על ידי התקנת משטח ומחץ, אוויר הכרית, דילול וכימי ייצוב הבוצה, ומשלב את התרחיף בתוך מערכת הסינון.

  1. על לטש CISR, לדבוק משטח פוליאוריטן על בסיס חיק גרניט. קצה אחד הראשון לדבוק פנקס ולהפעיל לחץ בכיוון לכיוון הקצה המנוגד לצמצום פערי אוויר. חתוך את הכרית התלויה ולאחר מכן להשתמש בסכין גילוח והרים לנקב ולהסיר בועות אוויר במידת צורך.
  2. לשימוש בפעם הראשונה ואחרי כל ~ 100 hr של ליטוש, מצב יהלומי הכרית באמצעות מזגן יהלומי CMP (קוטר 50 מ"מ; 0.6 psi הפעיל לחץ; להתעכב 5 דקות בכל מיקום חיק רדיאלי עם מרווחי מרווח 25 מ"מ; סיבוב חיק 25 סל"ד) עם מים די זורמים.
  3. בין חזרות ליטוש, להסיר כל מוצרי slurry וזכוכית שייר מהפנקס באמצעות שואב באתר קולי (~ להתעכב 2 דקות בכל מיקום הרדיאלי; סיבוב חיק 5 סל"ד) עם מים די זורמים.
  4. על משקל מחיצה בצורה הייחודית, לדבוק סרט דו צדדי קצף ולאחר מכן את חומר מחץ (לדוגמא, זכוכית חתוכה מראש או חומר שאינו לובש אחר). חתוך כל קלטת קצף תלויה כדי להתאים את הצורה של חומר מחץ ומשקל. שים לב לעיצוב המחיצה (שניהם צורה ומשקל) משנה לגדלים שונים של החומר והחיק 7,17.
  5. הכן ליטוש slurry לBaume 4 ריכוז (במיוחד לערבב לפי נפח ~ slurry תחמוצת cerium חלק 1 ליטוש ומים ~ 9 חלקים deionized (DI) בbu 11 Lcket). בדוק Baume באמצעות מצוף Baume. להוסיף ~ 5 מיליליטר של KOH (10 מ ') כדי להתאים את ה- pH 9.5 ולהוסיף ~ 120 מיליליטר (% vol 1) של פעילי שטח קניינית 19. להתקין מחדש pH וBaume כל שעה 24 של ליטוש.
  6. התקן דלי עם slurry מוכן למערכת סינון. לאחר מכן להתקין את מסנני חלקיקי CMP הרצויים למערכת סינון. בואו recirculate slurry בתוך מערכת סינון במשך כמה שעות.
  7. התפלגות גודל חלקיקי מידה של תרחיף (למשל, באמצעות חלקיק יחיד טכניקות חישה אופטיות) על מנת להבטיח את קצה הזנב של ההתפלגות היא כראוי 9,20 חופשי חלקיקים-נוכלים.

2. הכנת החומר (תחריט וחסימה)

לפני הליטוש, כימי לחרוט חומר קרקע הקנס כ- קיבל כדי להפחית את הכמות של הסרת חומר הדרושה כדי להסיר את תת-הקרקע שחיקה נזק 21. לאחר מכן, חוסם את החומר (אם היחס הגובה-הרוחב (כלומר, אורך / עובי) הוא> 10) תוך שימוש בטכניקת חסימת כפתור המגרש רומן (PBB) כדי למנוע את החומר מהכיפוף במהלך חסימה וליטוש 22.

  1. לחרוט חומר הקרקע המשובח (במיוחד 265 x 265 x 8 מ"מ 3 זכוכית סיליקה התמזגה שטוח) בטנק מלא בHF: NH 4 F (6: 1 לחרוט תחמוצת שנאגרו (BOE) 3x מדולל במי DI) במשך 6 שעות הסרת 10 מיקרומטר זכוכית מפני השטח של חומר. זהירות! הבנק המרכזי של אנגליה היא מאוד מסוכנת; ללבוש ציוד מגן אישי מתאים (PPE). הסר חומר מהטנק לחרוט ואגרסיביות לשטוף את החומר עם מים די ולאפשר לחומר לאוויר יבש בצורה אנכית.
  2. בדוק את החומר לנזק עמוק במהלך תהליך הטחינה באמצעות בדיקת אור בהירה בחדר חשוך. אם אין נזק עמוק נמצא, המשך לשלב הבא, אחר לשלוח חומר בחזרה למחדש טחינה.
  3. לחמם חסימת כר הדשא באקדח דבק ל~ 95 טיפות ºC ומקום (כפתורים המכונים גם) של המגרש (~ 0.06 גר ') על פניו שלצלחת חסימה במערך 9 x 9 (81 כפתורים עם מרווח 26 מ"מ). עבור חלקים בגדלים שונים, מתייחס לעיצוב כללים למספר, הגודל האידיאלי, ומרווחים של כפתור המגרש 22. מניחים את הצלחת החוסמת עם הכפתורים מיושמים כלפי מעלה בתנור שחומם מראש ב 70 ºC.
  4. החל קלטת על פניו של החומר שאינו להיות מלוטש. הימנע מיצירה בועות אוויר או מוגזם מתיחת הקלטת.
  5. הנח לחומר עם פנים כלפי מטה על צד קלטת כפתורים על צלחת החסימה בתנור. לכסות את החומר-כפתור-הבלוק כדי למזער זרימת הסעה. לאחר 1.5 שעות, שנקבע תנור להתקרר 10 מעלות צלזיוס / hr לטמפרטורת חדר. לאחר הקירור, עובי המגרש על החומר חסם צריך להיות ~ 1 מ"מ.

3. מתכנס פוליש

  1. הפעל מערכת לחות בתא סביבתי של לטש CISR למנוע slurry מהתייבשות במהלך ליטוש וכדי למזער את חלקיקי נוכלים מגרדים את החומר.
  2. Insגבוה והר המחיצה שתוכננה במיוחד ומוכנה לליטוש. התקן חומר PBB למלטש CISR ובום נמוך להחזיק את החומר.
  3. חומר פולני על CISR במשך 4 שעות בקצב מתאים חיק וחומר סיבוב של 25 סל"ד עם שבץ הרדיאלי של ~ 75 מ"מ ועם זרימת בוצה ממערכת סינון של גל 1 / min.
    הערה: צלחת החסימה משמשת גם כמשקל העמסה על החומר מתאים ל0.6 psi הפעיל לחץ.
  4. כבה את סיבוב חיק וחומר וזרימת בוצה. הסר חומר PBB מלטש CISR וsubmerse אותו לאמבטית מים מלאות DI. נגב משטח חומר עם מטלית חדר נקי תוך שקועה. הסר חומר PBB מאמבטיה ולהתיז לשטוף עם מים די.
  5. Deblock חומר על ידי הוספת פחית בממשק לחומר-בלוק. הסר את הסרט ממשטח לחומר. אגרסיביות לשטוף עם מים די חומר ואוויר יבש.
  6. PBB הפנים המנוגדים לחומר כפי שתואר בסעיף 2. ואז לחזור על פוlishing הליך כאמור בסעיף 3.

4. מטרולוגיה ופיקוח

  1. מדד משקף חזית גל (כלומר, דמות משטח) של שני הצדדים של חומר, כמו גם חזית גל מועבר באמצעות interferometer.
  2. חומר ההר בתחנת בדיקת אור בהירה ולמדוד את תכונות שריטה / חפירה בשיטות סטנדרטי ייצור אופטי. לחרוט BOE קצר של החומר, כפי שמתואר בשלב 2.1, ניתן להשתמש בו כדי לחשוף את השריטות נסתרות עבור חלקים בשימוש ביישומי לייזר גבוה שטף. למדידת סריטות קנס או חספוס בחומר, ניתן להשתמש במיקרוסקופ אופטי סטנדרטי או interferometry אור הלבן.
  3. חנות השלימה חומר במגע מזעור מיכל עם פנים של החומר.

תוצאות

הפרוטוקול מתכנס הפוליש שתואר לעיל מאפשר לחומר סיליקה התמזגה קרקע (במקרה זה מרובע 26.5 סנטימטרים) להיות מלוטשת, באיטרציה אחת של 4 שעות לכל משטח, לשטיחות שיא-לעמק λ ~ / 2 (~ 330 ננומטר) עבור חלקי יחס גובה-רוחב נמוכים ו~ 1λ (~ 633 ננומטר) עבור חלקי יחס גבוה היבט (ראה איור 3). ש?...

Discussion

כפי שנאמר במבוא, יישום מוצלח של מתכנס פוליש ביחס לעלות על פני השטח דמות כרוך ביטול או צמצום כל התופעות המשפיעות על אי-אחידות חומר המרחבית מלבד זה של אי-התאמה לחומר-חיק בשל צורה לחומר. אם כל אחד מהתופעות אלה לא מיתן כראוי, או באמצעות שליטה בתהליך או באמצעות הנדסה המתאימ?...

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

94slurry ceriaHF

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