超光滑表面加工技術

1、超光滑表面加工技術學生姓名: 專 業(yè): 指導教師:魏宇峰無機非金屬材料工程張希艷主要內容簡述超光滑表面加工技術超光滑表面檢測技術簡述簡述近年來,空間光學、X射線學、紫外光學簡述以及磁記錄、光學記錄、超大規(guī)模集成電 路等領域的發(fā)展,對上述光學系統(tǒng)的光學 元件提出了極精確面型和超光滑表面的加 工要求，其表面粗糙度在納米級。通常把粗糙度為納米級的表面稱為 超光滑表面。超光滑表面加工技術, 即超光滑拋光，相當于原子、分子 水平上的加工。超光滑光學元件可用于的高科技領域 軟X射線光學系統(tǒng)空間光學（天文望遠鏡）強激光系統(tǒng)（諧振腔反射鏡面）集成電路基板 大容量光盤 磁頭加工 超光滑表面拋光機理1 機械磨削去

2、除材料2 物理碰撞方法去除材料原子3 化學方法去除工件表面原子實際上,超光滑表面拋光過程,材料去除并不只是其中的一種方式,多數情況下是三種去除 方式的共同作用,只是某一種方式表現得更為 明顯而已1 浴法拋光目前，超光滑光學元件常用的材料有玻璃、晶體、陶瓷及某些金屬, 如熔石英、微晶玻璃、藍寶石、鋁合金、無氧銅、單晶硅等。所以獲得 超光滑表面的加工技術有很多。1 浴法拋光 2浮法拋光3聚四氟乙烯拋光4離子束拋光5等離子體輔助拋光6磨粒彈性濺射拋光7磁流變拋光浴法拋光是美國在20世紀60年代為發(fā)展遠紫外光學而研究的一種超光滑加工方 法。此法在熔石英上獲得了粗糙度為 03nm的超光滑表面。星品8HQ

3、Pirww.GiWg CM1 浴法拋光1 浴法拋光浴法拋光示意圖2 拋光液1 液槽3 攪拌器4 拋光盤5 工件HPMS平面環(huán)型研磨拋光機（水中拋）2 浮法拋光2 浮法拋光FP是日本大阪大學南波教授為加工拋光磁頭 材料在1977年提出的。該方法已經獲得表面 粗糙度Rq<0.1nm超光滑表面，是目前超光 滑表面加工技術中，工件表面粗糙度最小的方法。浮法拋光機的機械構造類似于定擺拋光機。鏡盤在磨盤上;電 動機驅動主軸使磨盤旋轉,鏡盤和工件因為磨盤的作用而被動 地繞自身工作軸旋轉;但由于鏡盤工件軸是固定的，工件不在 磨盤上往復擺動。磨盤與工件均浸于拋光液中。磨盤材料不 是通常的瀝青或聚氨脂或毛氈

4、之類，而是金屬錫，純度在 99.99%以上，錫盤厚度約20mmo錫盤是這樣制造的:先用鋼 刀在錫盤上車出2mm寬的螺線或同心圓;再用鉆石車刀在盤 面車出更精細的螺線，進給速度約0.3 mm /rev。IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII2 浮法拋光田】再栓拋掘拭原理結構2 浮法拋光9&0,2fH5rpn>Q3田】再栓拋掘拭原理結構2 浮法拋光IIIIIIIII浮法拋光中機械切削作用不占主要地位。釆 用較軟的或較硬的磨料均可獲得超光滑表面， 并且表面粗糙度可達到來亞納米量級,接近原 子尺寸，這說明浮法拋光中，工件材料的去除是 在原子水平上進行的。浮法拋光過程中，鏡盤 與磨疵癥

5、是旋轉艇光液運動產生的動壓£使 鏡盤與磨盤之間有數微米厚的液膜，磨料微位 在這層液膜中運動，與工件表面不斷碰撞;工件 表面原子在磨料微粒的撞擊作用下脫離工件主 忌，從而被去除。熱力學理論認為,固體最穩(wěn)定態(tài)是絕對零度時的理想 晶體，此時其內能最低，各原子間結合能相同。實際 上的固體，其每一面層都存在晶格缺陷。固體的相 互作用緣于其存在晶格缺陷的結構。物體表面原子 間的結合能正比于該原子周圍的同等原子數目，換 言之，不同面層原子因其位置而有不同的結合能。具 體到被拋光工件而言，其外表層原子數顯然少于內 部各面層原子數,這樣外表層原子間的結合力就比其 主體內部的原子弱。同樣的道理，外表層原

6、子的結合 能不是一致均勻分布的。這就是說外表面層的原子 比內部原子容易去除。3 聚四氟乙烯拋光該方法是20世紀70年代。澳大利亞 計量實驗室為拋光法布里珀羅干涉儀所用高精度光學元件而提出來的。 該方法已經在多種材料商獲得04nm 的粗糙度。3 聚四氟乙烯拋光1=在加工超光滑表面時，工件先進行預拋光，使用 瀝青拋光盤，拋至表面無任何明顯疵病，徑向磨 痕完全去除，平面度達2/32/6。換用聚四氟 乙烯拋光模具，采用浴法拋光的方法，模具的直 徑是工件的34倍。采用大盤拋小工件可獲得比 拋光模具好得多的表面。拋光速度要慢，機械振 動要小，拋晃機主舖擺速為38i7min。聚四氟乙 烯模具可拋光各種材料，

7、甚至用于較難拋光的材 料，如氟化鈣、氟化鋰、硅等聚四氟乙烯拋光盤具有抗老化、耐磨損、可長時間保持 面型等優(yōu)點，即可用于傳統(tǒng)拋光，又可用于浴法拋光。 其關鍵是模具制造。4.離子束拋光III離子束拋光時在高真空環(huán)境下進行的， 設備比較昂貴。它是用被加速的離子與 工件表面原子核直接產念彈性碰撞，將 能量直接傳給工件材料的原子，使其逸 出表面從而將材料去除，是一種典型的 用物理碰撞方法驚醒拋光技術。目前，人們利用這一技術已加工直徑0.5、粗糙度0.6nm的表面。5.等離子體輔助拋光這是一種利用化學反應來除去材料而實現超光滑拋光的 方法。該方法始于20世紀90年代，現在水平已達面型精 度2/50,表面粗

8、糙度優(yōu)于0.5nmo加工范圍廣，適用于 各種尺寸和面形，是一種很有前途的超精加工方法。等離子體輔助拋光從整體上講也是一種計算機控 制小磨頭拋光技術。不過，此時的拋光頭是由某 種氣體在射頻激勵離子激光器的作用下產生的活 桂等滋子體組成馬?；▽W活性的奢離子體與工件表面物質發(fā)生化學反應，生成易揮發(fā)的混合氣體, 并有排氣孔排出，從而使材料去除in等離子體輔助拋光設備由三部分組成：可編程位 置控制系統(tǒng)。拋光過程是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)的控 制過程。拋光頭位于工件表面上方幾毫米處垂直 于被加工表面，由一個5軸CNC來控制，以滿足 不同表面需要。通過控制拋光頭的相關參數可使 拋光頭的去除函數形狀在拋光過程中改變，

9、更加 有效提高收斂速度。利用材料去除量控制設備可 實時監(jiān)控表面的去除量，進而實現閉環(huán)控制。其 中材料去除量是駐留時間的函數，控制精度可達 1%6.磨粒彈射濺射拋光該方法是1979年由日本大阪大學的莫里等人發(fā)展 的一種非接觸式超光滑表面加工方法，可用于半導 體材料，玻璃材料和硅、錯，可獲得玻璃Rq=0.5nm和單晶硅表面Rq<1nm的粗糙度o6.磨粒彈射濺射拋光基本原理:用細磨料顆粒與工件表面碰撞，如果其應力場的大小比材 料原先存在的缺陷之間的距離還小的話，就能產生晶格數 量級的彈性破壞，以致不會留下產生彈性變形的表層。材 料中原先存在的點狀缺陷之間的間隔大約為1um,在此間 隔內，材料的

10、結構和強度可認為是理想的。如果機械加工 產生的破壞作用范圍小于該區(qū)間，原先存在的缺陷就不發(fā) 生作用，就能實現從晶體上原子級去除的彈性破壞6.磨粒彈射濺射拋光微粒磨料顆粒工件表面的方式: 振動碰撞。由轉動圓盤進行的循環(huán)碰撞 用氣流進行的循環(huán)碰撞 靜電加速的離子碰撞7.磁流變拋光7.磁流變拋光111JJ它是利用磁流變拋光液在磁場中的磁流變特性進 行拋光的一種新方法。磁流變拋光是磁流變拋光 液在磁場作用下，在拋光區(qū)域內形成的具有一定 硬度和形狀精度的“小磨頭”，代替了傳統(tǒng)拋光 時的拋光膜。在磁場作用下，磁流變拋光液變硬, 粘度變大，而且“小磨頭”的形狀和硬度可由磁 場實時控制，而影響拋光區(qū)穩(wěn)定的其他

11、因素都固 定不變。這樣，既能通過控制磁場來控制拋光區(qū) 的大小和形狀，由能保證在一定磁場強度下拋光 區(qū)的穩(wěn)定性。這些特點是傳統(tǒng)拋光無法比擬的磁流變拋光示意圖5 磁極532磁流變拋光液3運動盤4拋光點7.磁流變拋光IIIIIIMl被拋光工件位于運動盤上方，并與運動盤成一很小 的固定不變的距離，于是工件和運動盤表面之間形 成了一個凹空隙。磁極置于工件和運動盤的下方， 并且在工件和運動盤所形成的小間隙附近形成一個 高梯度磁場。運動盤內盛有磁流變拋光液，當磁流 變拋免液隨運動盤一起運動到工件與運動盤所形成 的小空隙附近時，磁流變拋光液在梯度磁場作用下, 按著一定規(guī)律聚結、變硬，形成近似于高斯曲面的 毫米

12、級的凸起，這是一種特殊的介質，它在工件和 拋光機盤間的小空隙中以較高速度運動時，對工件 與之接觸的區(qū)域產生很大的剪切力，使工件表面材 料快速地被去除。超光滑表面檢測技術測量方法:接觸法優(yōu)點：所有儀器有很高的縱向和橫向的分辨率缺點：接觸被測表面，易造成表面劃傷非接觸法優(yōu)點：利用干涉、散射原理測量，不接觸表面缺點：有些儀器測量精度不夠 T0P03D粗糙度測量儀 ZYG05500超精密表面粗糙測量儀臨界角法變位測量T0P03D粗糙度測量儀這是美國WYKO公司生產的光學面形儀。目前，世 界各國普遍用它來檢測超光滑表面粗糙度。這種儀 器室應用相移干涉技術原理來測量表面粗糙度。利 用壓電陶瓷傳感器進行掃描

13、，用CCD面陣作接收器, 通過接口電路由計算機進行數據處理，最后打印出 所需各種數據。該儀器軟件先進，功能齊全，測量 精度可達0.1nm。超光滑表面檢測技術ZYG05500超精密表面粗糙測量儀它是用光學外差干涉法來測量表面粗糙度的儀器，干涉儀 系統(tǒng)由防震臺、激光器干涉儀、空氣軸承回轉臺、編碼器 和光電探測器構成。氮氤激光器發(fā)出兩個不同頻率，其頻率差保持為250HZ的 平行的偏振光。光線經準直后通過可變換的中性濾光片。光線經反射系統(tǒng)進如干涉儀。光線經干涉后，光線在被測 表面成像。兩束光的相位差反應了被測表面上兩點之間的 高度差。由于參考光是從同一點反射的，因此相位差的變 化、掃描位置的高度變化就表示了表面的粗糙度。臨界角法