JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

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.

Özet

Yakınsak Polisaj ilk şekli bağımsız bir iş parçası, (yani, yüzey şekil), bir sabit, değişmeyen kümesi altında mükemmel yüzey kalitesi ile son yüzey rakam yakınsama hangi düz ve küresel cam optik sonlandırma için yeni bir parlatma sistemi ve yöntemi olduğunu Tek bir parlatma tekrarında parametreleri parlatma. Buna karşılık, geleneksel tam diyafram parlatma yöntemleri, istenen yüzey rakam elde etmek için parlatma, metroloji ve süreç değişiklikleri içeren çoklu, genellikle uzun, iteratif döngüleri gerektirir. Yakınsak Polisaj işlemi kucağına şekline yakınsak parçada kaldırılması ve sonuçları ile azalır basınç farkı ile sonuçlanan iş parçası-kucak yüksekliği uyumsuzluğu kavramına dayanmaktadır. Yakınsak Polisaj işlemi başarılı bir şekilde uygulanması parça-kucak dışında düzgün olmayan mekansal malzeme kaldırma (bütün kaynaklarını çıkarmak için teknolojilerin bir dizi kombinasyonu bir sonucudurYüzey rakam yakınsama uyumsuzluğu) ve düşük yoğunlukları çizilmeye ve düşük pürüzlülük için sistemde kötü niyetli parçacıkların sayısını azaltmak için. Yakınsak Polisaj işlemi çeşitli cam malzemelerin hem daire ve çeşitli şekillerde, boyutlarda küreler, ve boy oranları imalatı için gösterilmiştir. Pratik etkisi yüksek kaliteli optik bileşenler alt birim maliyetleri sonuçlanan, daha az metroloji ile, ve daha az emek ile daha tekrar tekrar, daha hızlı imal edilebilir olmasıdır. Bu çalışmada, Yakınsak Cila protokolü özellikle kare bir 81 cm çapında parlatıcı yüzeye başına 4 saat parlatma sonra bir cilalı ~ λ / 2 yüzey şekil ince bir toprak yüzeyinden silika daireler kaynaşmış 26.5 cm imalatı için tarif edilmiştir.

Giriş

Tipik bir optik üretim sürecinde önemli adımlar şekillendirme, taşlama, tam diyafram parlatma ve 1-3 parlatma bazen küçük bir araç içerir. Görüntüleme ve lazer sistemleri için yüksek kaliteli optik bileşenler için artan talebi ile, son birkaç yılda optik üretiminde önemli gelişmeler olmuştur. Örneğin, hassasiyet için, deterministik kazıma (CNC) cam şekillendirme makineleri Kontrollü Bilgisayar Sayısal gelişmeler ile şekillendirme ve öğütme işlemleri sırasında artık mümkün. Benzer şekilde, küçük bir araç parlatma teknolojileri (örneğin, bilgisayar kontrollü optik kaplama (CCOS), iyon endam, ve manyeto-reolojik terbiye (HÖH)) böylece güçlü optik imalat sektörü etkileyen, deterministik malzeme kaldırma ve yüzey şekil denetimi yol açmıştır. Ancak, terbiye süreci, tam diyafram parlatma ara adım, hala tipik yetenekli opticia gerektiren, yüksek determinizm yoksunns, birden yürütmek için genellikle birden fazla süreç değişiklikleri ile uzun, tekrarlı çevrim istenen yüzey şekil 1-3 ulaşmak için.

parlatma yöntemleri, süreç değişkenleri ve karmaşık kimyasal ve iş parçası, kucak ve bulamaç 3-4 arasındaki mekanik etkileşimlerin çok sayıda zorlu bir bilim bir 'sanat' optik parlatma dönüştürmeye yaptık. Deterministik tam diyafram parlatma elde etmek için, kazıma iyi anlaşılması gerekir. Tarihsel, kazıma yaygın olarak kullanılan Preston denklemi 5 tarafından tarif edilmiştir

figure-introduction-1564 (1)

dh / dt ortalama kalınlığı kaldırma oranı olduğu, k p Preston sabiti, σ o isimli birUygulanan basınç, ve V r iş parçası ve kucak arasındaki ortalama bağıl hızıdır. şematik mekansal ve zamansal hız varyasyonları ve basınç arasındaki farklar da dahil olmak üzere, Preston Denklemi açıklandığı gibi kazıma etkileyen fiziksel kavramları tasvir Şekil 1 uygulanan basınç ve basınç dağılımı parça deneyimleri ve sürtünme etkileri 6-8. Özel olarak, iş parçası ile yaşanan gerçek basınç dağılımının, büyük ölçüde, iş parçasının yüzeyi, şekil elde edilen etki (ayrıntılı olarak başka 6-8 tarif edilmiştir) fenomeni, bir dizi ile idare edilir. Ayrıca, Preston Eşitlik, mikroskobik ve moleküler düzeyde etkileri büyük ölçüde genel kazıma, mikro-pürüzleri ve hatta iş parçası üzerinde çizilmeye etkiler makroskopik Preston sabiti (k p), içine katlanır. Çeşitli çalışmalar hesap Preston modelini genişlettik mikroskobik parçacık bulamaç-pad-iş parçası etkileşimleri kazıma ve microroughness 9-16 açıklamak için.

Tam diyafram parlatma sırasında yüzey şeklin belirleyici kontrol elde etmek için, yukarıda tarif edilen olayların her biri anlaşılacaktır ölçülmesi ve daha sonra kontrol edilmesi gerekmektedir. Yakınsak Parlatma arkasındaki strateji ya mühendislik parlatıcı tasarımı sayesinde veya kaldırma nedeniyle parça şekline parça-kucak uyumsuzluğu sadece tahrik öyle ki süreç kontrolü ile, ortadan kaldırmak ya da düzgün olmayan malzeme çıkarılması istenmeyen nedenleri en aza indirmek için 7,17- 18. Şekil 2 parça şekil parça-kucak uyumsuzluğu kavramına dayalı yakınsama yol açabilir nasıl göstermektedir. Düz bir tur ve sol üst kısmında gösterilen karmaşık bir şekil varsayımsal iş parçasını düşünün. (boşluk, SH oL olarak anılacaktır) arayüzü yüksekliği uyuşmazlığı gibi arayüz basınç dağılımı (σ) etkiler:

içeriği "fo: keep-together.within sayfa =" always "> figure-introduction-3773 (2)

h sabit anlatan hızıdır hangi basınç farkı SH oL 6 artış ile azalır. Bu örnekte, iş parçası parlatma sırasında en yüksek ilk kazıma gözlemlemek olacaktır merkezinde en yüksek yerel basınç (Şekil 2 alt sol bakınız), ve dolayısıyla bu konuma sahiptir. Malzeme bertaraf gibi, iş parçası üzerindeki basınç farkı, çalışma parçası tur uyumsuzluğu bir azalmaya bağlı olarak azalır ve malzeme turun şekil yakınsar. Yakınsama, iş parçası basınç dağılımı ve dolayısıyla kazıma anda, (Şekil 2 sağ tarafını bakınız) iş parçası boyunca tek olacak. Bu örnek ancak buradan, düz bir tur için gösterilmiştirer, aynı kavram (içbükey veya dışbükey ya) bir küresel tur için geçerlidir. Mekansal malzeme olmayan tekdüzelik etkileyen tüm diğer fenomenler elimine edilmiş Yine, bu yakınsama süreci yalnızca çalışır. Yakınsak parlatılması protokolünde uygulanan spesifik prosedür ve mühendislik azaltıcı Tartışma tarif edilmiştir.

Aşağıdaki çalışmada açıklanan protokol ince öğütülmüş yüzeyinden başlayarak 26.5 cm'lik kare erimiş silis cam iş parçası için özel Yakınsak parlatma süreçtir. Parlatma 8 saat (4 saat / yüzey), bu iş parçası çok yüksek yüzey kalitesi (yani, düşük çizik yoğunluğu) ile ~ λ / 2 cilalı düzlük elde edebilirsiniz.

Protokol

Polisaj ve Slurry hazırlanması 1.

İlk Yakınsak Cila Sistemi hazırlamak (I Bağımsız Yüzey nitial, özellikle C onvergent denilen, S ingle yineleme, R ogue Parçacık-Free polisaj veya Cisr (telaffuz 'makas')) pad ve septum, klima ped yükleyerek 7,17, seyreltilmesi ve kimyasal çamurun stabilize ve filtrasyon sistemi içinde bulamaç içeren.

  1. Cisr parlatıcı üzerinde, granit tur tabanı üzerine poliüretan pedi bağlı. Bir kenarı ped uyun ve hava boşlukları en aza indirmek için rakip kenarına doğru yönde basınç uygulayın. Taşkın takımını Trim ve sonra delinme ve gerekirse hava kabarcıklarını çıkarmak için bir jilet ve rulo kullanın.
  2. İlk kullanımda ve her ~ 100 saat sonraCMP elmas kremi kullanarak pedi, parlatma elmas durumun r (50 mm çap; 0.6 psi basınç uygulanan, 5 dk beklemenin 25 mm boşluk artışlarla her radyal tur yerde; tur dönüşü 25 rpm) akan DI su ile.
  3. Akan DI suyla, parlatma yineleme arasında, bir in-situ ultrasonik temizleyici (bindirme rotasyon 5 dak ~ her radyal konumda 2 dakika bekleme) ile pedi kalan bulamaç ve cam ürünlerin çıkartılması.
  4. Benzersiz şeklinde septum ağırlığına, çift taraflı köpük bant ve ardından septum malzeme (örneğin, ön-kesme cam veya diğer non-giyen malzeme) yapışır. Septum malzeme ve ağırlık şekline uygun sarkık bir köpük bandı kesin. Septum tasarımı (şekil ve ağırlık hem) iş parçası ve turun 7,17 farklı boyutları için değiştirir.
  5. Hacimce karışımı, özellikle (Baume 4 konsantrasyona kadar bulamaç parlatma Hazırlama ~ bir 11 L met 1 kısım seryum oksit parlatma bulamaç ve ~ 9 parça deiyonize (Dİ) sucket). Bir Baume şamandıra kullanarak Baume edin. 9.5 pH değerinin ve ~ özel yüzey 19 içeren 120 ml (1% hacim) eklemek için KOH (10 M) ~ 5 ml ilave edilir. PH ve Baume parlatma her 24 saat yeniden ayarlayın.
  6. Filtrasyon sistemine hazırlanmış bulamaç ile kova takın. Sonra filtrasyon sistemine istenen CMP parçacık filtreleri yükleyin. Bir kaç saat için filtreleme sistemi içinde bulamaç sirküle olsun.
  7. Bulamaç Tedbir tanecik boyut dağılımı (örneğin, tek parçacık optik algılama teknikleri kullanılarak) dağıtım kuyruk ucunu sağlamak için yeterli sahte parçacık içermeyen 9,20 olduğunu.

İş parçası (yakma ve Engelleme) 2. Hazırlık

Parlatma önce, kimyasal hasar 21 taşlama alt yüzeyi kaldırmak için gerekli malzeme kaldırma miktarını azaltmak için alınan-ince öğütülmüş iş parçasını etch. Boy oranı (yani, uzunluk / kalınlık)> 1 ise Ardından, (iş parçası blok0) engelleme ve 22 parlatma sırasında eğilme gelen parçayı önlemek için yeni bir perde düğmesi engelleme (PBB) tekniği kullanılarak.

  1. NH4 F: 6 saat boyunca (6: (TTKB) 3x DI su ile seyreltildi 1 tamponlu oksit oyma) çıkarılması ince öğütülmüş iş parçasının (özellikle bir 265 x 265 x 8 mm, 3 kaynaşık silika camı düz) HF ile dolu bir tank içinde Etch iş parçası yüzeyinden cam 10 um. DİKKAT! BOE son derece tehlikelidir; Uygun kişisel koruyucu ekipman (KKE) giyerler. Aşındırma tankından parçasını çıkarın ve agresif DI suyla durulayın ve iş parçasını havaya parça dikey kurumasını bekleyin.
  2. Karanlık bir odada parlak bir ışık denetimi kullanarak taşlama işlemi sırasında derin hasar için iş parçasını kontrol edin. Hiçbir derin hasar tespit edilirse, başka yeniden taşlama için geri parçayı göndermek, bir sonraki adıma geçin.
  3. Bir tutkal gun sahayı engelleme ısıtın karşısında üzerine sahanın ~ 95 ºC ve yer damlacıkları (de denir düğmeleri) (~ 0.06 g)9 x 9 dizideki engelleme plakası (26 mm aralıkla 81 düğmeleri). Farklı boyut iş parçaları için, ideal sayı, boyut kuralları ve saha düğmesinin 22 aralıkları tasarımı bakın. Uygulanan düğmeler 70 ° C'de önceden ısıtılmış fırında yüz yukarı engelleme plakasını yerleştirin ºC.
  4. Cilalı için değil iş parçasının yüzüne bandı uygulayın. Hava kabarcıkları üreten veya aşırı bant germe kaçının.
  5. Fırında engelleme plakası üzerindeki düğmeler üzerine aşağı bant yan yüzü ile iş parçasını yerleştirin. Konvektif akışını en aza indirmek için parça-düğme-blok örtün. 1.5 saat sonra, oda sıcaklığına kadar 10 ° C / saat soğumaya fırın ayarlayın. Soğuduktan sonra, bloke iş parçası üzerinde zift kalınlığı ~ 1 mm olmalıdır.

3. Yakınsak Polisaj

  1. Parlatma sırasında kurumasını önlemek için bulamaç Cisr parlatıcı çevre odasındaki nem sistemi açın ve parçayı tırmalama haydut parçacıkları en aza indirmek için.
  2. Insuzun boylu ve parlatıcı içine özel olarak tasarlanmış ve hazırlanmış septum monte edin. İş parçasını tutmak için Cisr parlatıcı ve alt bom içine PBB parçasını takın.
  3. 75 mm ~ bir radyal inme ve 1 galon / dakika filtrasyon sistemi, bir harç akışı ile 25 rpm'lik bir eşleştirilmiş tur ve iş parçasının bir dönme hızında 4 saat Cisr ile Polonya iş parçası.
    NOT: 0.6 psi basınç uygulanan iş parçası üzerinde yükleme ağırlığı ilgili olarak engelleme plakası da hizmet vermektedir.
  4. Tur ve iş parçası dönme ve çamur akışını kapatın. Cisr parlatıcı gelen PBB parçasını çıkarın ve DI su dolu banyo içine batırın. Batık ise temiz oda bezle parça yüzeyini silin. DI su ile durulayın banyodan PBB parçasını çıkarın ve sprey.
  5. İş parçası blok arayüzü bir dolgu takarak Deblock iş parçası. Malzeme yüzeyi bandı çıkarın. Agresif DI su ve kuru hava ile iş parçasını durulayın.
  6. PBB Sonra po tekrar Bölüm 2'de açıklandığı gibi iş parçasının karşıt yüzüBölüm 3'te açıklanan prosedür Publishing.

4. Metroloji ve Denetim

  1. Ölçü bir interferometre ile iş parçasının her iki dalga cephesi (yani, yüzey şekil) ve aynı zamanda iletilen wavefront yansıtmaktadır.
  2. Dağı parlak ışık muayene istasyonunda iş parçası ve optik fabrikasyon standart yöntemler kullanılarak çizik / kazı özelliklerini ölçmek. Aşama 2.1 'de tarif edildiği gibi, iş parçasının bir kısa BOE aşındırma, yüksek akıcılık lazer uygulamalarında kullanılan iş parçaları için gizli çizikler ortaya çıkarmak için kullanılabilir. Iş parçası ince çizikler veya pürüzlülük ölçümü için standart optik mikroskopi ya da beyaz ışık interferometrisinin bir kullanılabilmektedir.
  3. Mağaza parçasının yüzü olan bir kap minimize temas parçasını tamamladı.

Sonuçlar

Yakınsak parlatılması protokolü, yukarıda tarif edilen bir tepe girinti-çıkıntı düzlüğü, yüzey başına 4 saatlik tek bir yineleme, cilalı (bu durumda, bir 26.5 sm kare) bir zemin kaynaşık silika iş parçasını sağlar ~ λ / 2 (R düşük en-boy oranı, iş parçaları ve yüksek en-boy oranı, iş parçaları için ~ 1λ (~ 633 nm) için 330 nm) () bakınız Şekil 3. Yine, bu süreç tekrar tekrar parlatma parametrelerine değişiklik gerektirmeden aynı nihai yüzey rakam parçala...

Tartışmalar

Giriş bölümünde tartışıldığı gibi ortadan kaldırmak ya da bağlı parça şekline parça-kucak uyumsuzluğu dışında mekansal maddi olmayan tekdüzelik etkileyen tüm olayları en aza içerir, yakınsak başarılı bir şekilde uygulanması rakam yüzey ile ilgili Parlatma. Bu olayların herhangi bir uygun, ya proses kontrolü yoluyla veya parlatıcı, ardından istediğiniz yakınsama noktası elde veya muhafaza edilemez uygun mühendislik yoluyla azaltılabilir değilse; dolayısıyla aslında her azaltma...

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Teşekkürler

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.

Malzemeler

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

Referanslar

  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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

FizikSay 94optik imalatped parlatmaerimi silis camoptik yass r nleroptik k relerseryum bulamaperde d mesi engellemeHF a nd rmaizikler

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır