収束研磨：高品質の光学フラット＆球のシンプル、迅速、全開口研磨プロセス

要約

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.

要約

収束研磨は、その最初の形状（ すなわち 、表面形状）の独立したワークは、一定不変のセットの下で優れた表面品質を有する最終的な表面形状に収束するもので平坦かつ球状ガラス光学素子を終了するための新規の研磨システム及び方法であるシングル研磨の繰り返しでパラメータを研磨する。対照的に、従来の全開口の研磨方法は、所望の表面形状を達成するために、研磨、計測およびプロセス変化を含む、複数の、しばしば長い反復サイクルを必要とする。収束研磨プロセスは、ラップの形状に収束するワークで除去し、その結果に伴って減少する圧力差が生じるワークピース - ラップ高さの不一致の概念に基づいている。収束研磨プロセスの実装を成功させるには、ワークピース - ラップを除いて不均一な空間材料の除去（のすべてのソースを除去するための多くの技術の組み合わせの結果である表面形状の収束ミスマッチ）と低スクラッチ密度および低い粗システムに不正粒子の数を減少させる。収束研磨プロセスは、各種ガラス材料の両方のフラット様々な形状、大きさの球、およびアスペクト比の製造のために実証されている。実際的な影響は、高品質の光学部品がより低い単位コストをもたらし、より少ない計測と、より少ない労力で、より多く繰り返して、より迅速に製造することができることである。本研究では、収束研磨プロトコルは、特に正方形の81センチメートル直径研磨面につき4時間研磨後の研磨〜λ/ 2の表面形状の微地表面からシリカフラットを融合した26.5センチメートルを製造するために記載されている。

概要

典型的な光製造プロセスの主な手順は、シェーピング、研削、全開口研磨、及び^1-3の^研磨時々小さなツールが含まれています。イメージングとレーザーシステムのための高品質の光学部品の需要の増加により、過去数十年にわたって、光学製造において重要な進歩があった。たとえば、精度については、決定論的な材料除去は（CNC）ガラスの成形機制御コンピュータ数値の進歩と整形及び研削工程中にできるようになりました。同様に、技術は（ 例えば 、コンピュータ制御光学浮上（CCOS）、イオン考え出す、及び磁気流動仕上げ（MRF））を研磨小さなツールは、このように強く、光製造産業に影響を与え、決定論的な材料除去と表面形状制御につながっている。しかし、仕上げ工程、全開口研磨の中間段階では、まだ一般的に熟練したopticiaを必要とする、高い決定論を欠いている所望の表面図^1-3に達成するために、複数のプロセスの変更で複数の、しばしば長い反復サイクルを実施するためのナノ。

研磨する方法は、プロセス変数、及び複雑な化学及びワーク、ラップ、スラリー^3-4との間の機械的相互作用の大多数は、それが困難な科学への「アート」から光学研磨を変換するために行った。決定論的な全開口研磨を達成するために、材料除去速度が十分に理解されなければならない。歴史的に、材料除去速度が広く用いプレストン方程式⁵により記載されている

（1）

dhの/ dtは、平均厚さ除去速度であり、kは_pはプレストン定数であり_、σOで加えられる圧力、およびV _rは、ワークピースとラップとの間の平均相対速度である。 図1は、速度および圧力の空間的および時間的変動を含むプレストン方程式は、説明した材料除去速度に影響を与える物理的な概念を示している、との違い加えられた圧力と圧力分布ワーク経験、および摩擦効果^6-8。具体的には、被加工物が経験する実際の圧力分布が強く加工物の表面形状を得られる影響を及ぼす（詳細他所^6-8に記載される）現象の数によって支配される。また、プレストン方程式において、微視的な分子レベルの影響が大きく、全体的な材料除去速度、マイクロラフネス、さらにワークに引っかき傷に影響巨視的プレストン定数（k _p）は 、に折り畳まれている。様々な研究が口座にプレストンのモデルを拡大している微細なスラリー粒子パッドワーク相互作用が材料除去速度及びマイクロラフネス^9-16を説明するため。

全開口研磨時の表面形状の決定論的制御を達成するために、上述の現象の各々は、理解を定量化した後、制御する必要がある。収束研磨背後の戦略は、不均一な材料の除去の望ましくない原因を排除または最小化するために、操作された研磨装置の設計を介して、またはプロセス制御のいずれかによって、そのようなその除去により、ワーク形状にのみワークピース-ラップミスマッチによって駆動される^{7,17- 18。} 図2に、ワーク形状がワークピース-ラップミスマッチのコンセプトに基づいて、収束につながる方法を示しています。平らなラップと左上に示す複雑な形状の仮想的なワークを考えてみましょう。 （ギャップ、Δhは_OLとも呼ばれる）界面高さのミスマッチは、界面圧分布（σ）が影響する。

コンテンツ "FO：キープtogether.withinページ="常に "> （2）

Hは、圧力がギャップΔhは_OL ⁶の増加に伴って低下する速度を一定に記述される。この例では、被加工物（ 図2の左下を参照）、中心で最も局所的な圧力を有するため、この位置は、研磨中に最も初期の材料除去率を観察する。材料が除去されるように、ワークピースを横切る圧力差は、ワークピース - ラップミスマッチの減少に起因する減少し、工作物は、ラップの形状に収束する。収束ワーク圧力分布、したがって、材料除去に、（ 図2の右側参照）、ワーク全体で均一である。この例はhowev、フラットラップのために例示されているえー、同じ概念が球状のラップ（凹面または凸面のいずれか）に適用されます。空間的な材料の不均一性に影響を与え、他のすべての現象が解消されている場合でも、この収束プロセスにのみ機能します。収束研磨プロトコル内で実現された特定の手続きやエンジニアリングの対応策は、ディスカッションに記載されています。

以下の研究に記載されているプロトコルは、特に微細な地面から始まる26.5センチメートル平方溶融シリカガラス工作物用の収束研磨プロセスである。研磨の8時間（4時間/表面）には、このワークは、非常に高い表面品質（ すなわち 、低スクラッチ密度）で〜λ/ 2の研磨平坦性を達成することができます。

プロトコル

ポリッシャー、スラリーの調製

まず、収束研磨システム（特にというC onvergent、 私は独立した、Sイングルイテレーションは、R ogue粒子-無料ポリッシャーまたはCISR（発音は「ハサミ」）は、 表面nitial）パッド＆セプタムをインストールすることで^、7,17を 、コンディショニングパッドを作製希釈すると、化学的に、スラリーを安定化し、ろ過システム内のスラリーを組み込む。

1. CISRポリッシャーでは、花崗岩のラップベース上にポリウレタンパッドを接着する。第1のパッドつのエッジを接着し、空隙を最小限にするために、対向するエッジに向かう方向に圧力を加える。張り出しパッドをトリミングして、穿刺し、必要に応じて気泡を除去するためにカミソリの刃とローラーを使用しています。
2. 最初の時間の使用のため、すべての〜100時間後（0.6 psiの圧力を適用し、25mmの間隔刻みで各ラジアル周位置での5分間の滞留、ラップ回転を25rpmで直径50mm）流動DI水でCMPダイヤモンドコンディショナを使用してパッド、ダイヤモンド研磨条件のrは。
3. 、流れるDI水で、研磨の繰り返しの間に、 その場での超音波洗浄機（ラップ回転5回転〜各半径位置で2分間の滞留）を使用して、パッドから残留スラリーとガラス製品を削除。
4. ユニークな形状セプタム重量に対して、両面フォームテープ、次に隔壁材料（ たとえば 、プレカットガラスまたは他の非摩耗材料）を接着する。隔壁材料の形状や重さに一致するようにオーバーハングフォームテープをトリミング。セプタムのデザイン（形状と重量の両方）、ワークピースとラップ^7,17の異なるサイズの変更に注意してください。
5. ボリュームによってミックス（具体的ボーム4濃度に研磨スラリーの準備〜11のL BUで1部の酸化セリウム研磨スラリーと〜9部の脱イオン（DI）水cket）。ボームフロートを使用してボームを確認してください。 pHを9.5に調整し、独自の界面活性剤^19〜120ミリリットル（1体積％）を追加するKOHの約5ミリリットル（10 M）を加える。 pHとボーム研磨の24時間毎に再調整します。
6. ろ過システムに調製したスラリーでバケツをインストールします。その後、ろ過システムへの所望のCMP粒子フィルタをインストールしてください。数時間ろ過システム内のスラリーの再循環をしてみましょう。
7. スラリーの尺度粒子サイズ分布は、（ 例えば 、単一粒子光学検知技法を使用して）分布のテールエンドを確保することが十分に不正無粒子^9,20である。

ワーク（エッチングおよびブロッキング）の調製

研磨の前に、化学的にサブ表面研削損傷^21を除去するために必要な材料除去の量を減らすために、受信された微細なアースワークをエッチングする。アスペクト比（長さ/厚み）は> 1であれば、次に、（工作物をブロック0）をブロックし^、22を研磨中に曲げからワークを防止するために、新規なピッチボタンブロッキング（PBB）技術を使用して。

1. 取り外し6時間：（1緩衝酸化物エッチング（BOE）DI水で希釈した3×6）、NH ₄ F：HFを入れた槽の中に微細なアースワークを（フラット特に265 xは265×8 mm ³の溶融シリカガラス）エッチング加工物の表面からガラスの10μmである。注意！ BOEは非常に危険です。適切な個人保護具（P​​PE）を着用。エッチタンクからワークを取り出して、積極的にDI水で工作物をすすぎ、空気に工作物を垂直方向に乾燥できます。
2. 暗い部屋で明るい光の検査を使用して粉砕工程の間に深いダメージのための工作物を検査します。何深いダメージが見つからない場合は、他の再研削用バックワークを送信、次のステップに進みます。
3. の面にピッチ（〜0.06グラム）のグルーガンへ〜95ºCと場所滴（またボタンと呼ばれる）でピッチをブロックヒートアップ9×9配列内の遮光板（26ミリメートル間隔で81のボタン）。異なるサイズの工作物については、理想的な数、サイズ、及びピッチボタン²²の間隔のためのルールを設計することを参照してください。適用ボタンが70で予備加熱したオーブンに表向きでブロッキングプレートを置き ºC。
4. 研磨されるべきではない工作物の面にテープを適用する。気泡を発生させるか、過剰にテープを延伸する避ける。
5. オーブンで遮蔽板上のボタンの上に下にテープ側面と加工物を置きます。対流を最小限に抑えるために、ワーク·ボタン·ブロックをカバーしています。 1.5時間後、室温に10ºC/時を冷却するためにオーブンセット。冷却後、ブロックされ、ワー​​ク上のピッチの厚さは、〜1ミリメートルであるべきである。

3.収束研磨

1. 研磨中の乾燥からのスラリーを防ぐためにCISRポリッシャーの環境チャンバー内の湿度システムの電源をオンにし、ワークに傷をつけ不正な粒子を最小限にするために。
2. イン背が高く、研磨に特別に設計され、準備中隔をマウントします。工作物を保持するためにCISRポリッシャーと下ブームにPBBワークをインストールしてください。
3. 〜75ミリメートルの半径方向ストロークと1ガロン/分のろ過システムからのスラリーの流れと25 rpmで一致したラップとワークの回転速度で4時間CISRにポーランドの工作物。
   注：0.6 psiの対応するワークピース上積載重量が圧力を適用した遮蔽板を兼ねている。
4. ラップとワーク回転、スラリーの流れをオフにします。 CISRポリッシャーからPBBワークを削除し、DI水満たされた槽にそれを沈める。水没しながら、クリーンルーム布でワーク表面を拭きます。浴からPBBワークを削除し、DI水ですすぎスプレー。
5. ワークブロックの界面でのシムを挿入することにより、デブロックワーク。ワーク表面からテープを外します。積極的にDI水と空気乾燥で工作物をすすぐ。
6. PBBその後、POを繰り返して第2節で説明したように、工作物の対向面第3節で説明したように手順をlishing。

4.計量·検査

1. 測定値は、干渉計を用いてワークの両面の波面（ すなわち 、表面形状）ならびに透過波面を反映している。
2. 明るい光検査ステーションのマウントワークと光造形標準方法を使用してスクラッチ/ディグ特性を測定する。工作物の短いBOEエッチングは、ステップ2.1で説明したように、高フルエンスのレーザ用途で使用されるワークの隠れた傷を露出させるために使用することができる。ワーク上の微細な傷や粗さを測定するために、標準的な光学顕微鏡または白色光干渉法を用いてもよい。
3. ストアは、工作物の顔を持つコンテナ最小化接触してワークを完成。

結果

収束研磨プロトコルは、前述の山から谷までの平坦度に、表面あたり4時間の単一の反復で、研磨される（この場合は26.5センチ角）を地面溶融シリカワークを可能に〜λ/ 2（〜低アスペクト比の加工物及び高アスペクト比の加工物のため〜1λ（〜633 nm）のために330 nm）を（ 図3参照）。再び、このプロセスを繰り返し、研磨パラメータを変更することなく同一の最終表面形状に加?...

ディスカッション

章で説明したように、表面形状に対する研磨収束の実装を成功さが原因ワーク形状にワークピース - ラップミスマッチのことを除いて空間的な材料の不均一性に影響を与えるすべての現象を排除または最小化することが含まれます。これらの現象のいずれかが適切なプロセス制御を介して、または研磨の適切な技術のいずれかを介して、軽減されていない場合は、所望の収束点を達成または?...

資料

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