CN100566939C - 用于抛光和研磨光学和半导体表面的流体动力学径向流设备 - Google Patents

用于抛光和研磨光学和半导体表面的流体动力学径向流设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抛光设备，用于平坦或弯曲的光学表面的研磨和高精度的精抛光，还用于半导体和金属表面的光学整平。该设备不与待抛光表面接触。本发明是一种没有移动部件的设备，其中一些部件由不锈钢和陶瓷材料制成。由于其流体动力学特性，该设备可以使经抛光表面获得高精度的光学性质。该设备产生的高速流体径向展开并与该加工面平行，从而产生稳定、均匀和可重复的环形磨蚀痕迹。该设备的设计使得从抛光过程开始到最终的精抛光的全过程中不必更换设备就能获得光学表面，从而避免对加工面的摩擦和对设备的磨损。它能够抛光薄膜而不需要对加工面进行刚性或有源支承。相对于其它的已知方法，本发明显著简化了光学抛光过程并降低了成本。

Description

用于抛光和研磨光学和半导体表面的流体动力学径向流设备
下列术语的定义用于更好的理解本申请文件中所给定的说明书：
修整(成型、光学玻璃冷加工)-形成立体3D表面的方法，通常借助刚性、柔性或流体射流的研磨设备(器具)、利用数学方程式，产生的最终误差约为100μm。
研磨-修整表面之后所用的方法，包括借助高硬度的微观粒子的剪切、切割或冲击作用的固体表面的材料去除(最终误差为1-10μm)。
精抛光-定向反射面的精整加工，其表面误差和微观粗糙度小于20nm。
稳定性-设备在操作期间保持不变的磨蚀痕迹的能力。
可重复性-设备在几个操作循环过程中保持不变的磨蚀痕迹的能力。
均匀性-设备沿其环形圆周保持不变的磨蚀痕迹的能力。
说明
本申请文件中所公开的设备采用低成本的研磨流体和新颖的不接触加工面的悬浮系统，用于各种材料的修正(校正)研磨和精抛光。该设备能够在直径高达两米的平面或曲面上工作。它的优点是避免在抛光过程中的塌边(边缘塌陷)，以及避免抛光设备的磨损和变形。通过控制设备的操作参数，抛光过程是可重复的，在光学和半导体表面上达到高度的精确性和准确性，去除率为每分钟每平方厘米1至300nm(1-300nm/min·cm2)。
该设备允许在抛光过程中不需要取下加工面即可进行干涉仪的质量检测和测量。
技术领域
本发明涉及修正抛光/研磨和高精度抛光领域，尤其涉及用于光学表面以及半导体材料的整平。
背景技术
高质量的光学抛光工艺包括从要被抛光的表面除去材料，以便使其光滑，并以达到几分之一波长的精度来修正其外形。
传统的抛光方法，也称为经典的抛光方法(R.N.Wilson“Reflecting Telescope Optics II，Manufacture，Testing，AlignmentModern Techniques”，Springer Verlag，1999和Wilson S.R.et al.SPIE VOI 966，74，1988)，主要利用由弹性材料(诸如沥青，聚氨酯等)制造的接触设备(器具)，该接触设备(器具)本身精确地与加工面相适应，并且借助浆料层来研磨加工面。这些抛光工艺往往是手工进行的并且较慢，而抛光设备在抛光过程中所产生的温度和应力的作用下易于变形，因而该抛光设备会被表面结壳的磨料微粒和去除的材料磨损。
这些方法的缺陷已通过使用被称之为“应力研磨(stressed lap)”的抛光设备而克服，其由可使非球面抛光变得容易的可灵活变形的抛光设备组成。然而，这些方法很复杂，并且它的一个局限是不能精确地抛光加工面的边缘，从而不可避免地造成加工面的塌边。
已经开发了一系列能够进行光学表面精抛光的现代方法，例如，离子束修整、磁流变抛光和流体射流抛光。其中每种方法的特点和局限性描述如下：
离子束(修整)方法(美国专利第5,969,368号和美国专利第5,786,236号)是基于采用平行离子束轰击加工面，该粒子束由从该抛光表面除去材料的惰性气体组成。虽然采用该方法能够抛光非球面，而且不会产生塌边，但是由于离子束垂直撞击加工面，该加工面的微观粗糙度不会改善。借助于这种技术只能实现经预研磨和预抛光表面的精抛光。这种方法基于该加工面的误差分布图反复修正该表面误差。
这种方法要求使用至少加工面大小的真空室，这就使得该工艺既昂贵又复杂。
磁流变抛光方法(美国专利第5,971,835号和美国专利第6,106,380号)是基于将含有研磨材料的磁流体约束在旋转的圆筒周围，该磁流体在磁场作用下硬化，由此形成抛光设备。通过将工件以受控方式在流过该圆筒的硬化的磁流变抛光液上移动来实现抛光作用。该方法的另一变化方案包括利用磁场来校准磁流变研磨液的射束并用它来撞击加工面。
虽然这种方法在加工面上产生环形的痕迹，但是能够抛光的面积较小(小于5mm)。这限制了这种技术在小的光学装置(例如显微镜和摄像机或照相机镜头)中的工业应用。这种方法也是昂贵的。
流体射流抛光方法(FJP)(Booij，S.M.，Optical Engineering，Aug.2002，Vol.41，no.8，pp 1926-1931和Booij，S.M.et al.，I.OF&Tconference，Tucson，June 2002，pp.52-54和O.Faehnle et al.Appl.Optics 38，6771-673，1998)是第一种基于流体的抛光技术。它是借助研磨液在加工面上产生磨耗。通过与该加工面成一定角度和具有一定距离的喷嘴将射束对准该表面。因为产生的抛光痕迹是单向的并且缺乏轴对称性，因此这种抛光方法具有某些局限性。这种方法仅能抛光小的表面，并且该设备在满足大面积光学装置领域所需的高精度抛光需求时表现出局限性。
技术问题
在高精度光学抛光和微电子学领域，特别是在半导体晶片的精确整平领域，所使用的研磨和抛光方法利用了一系列的现代技术，尽管这些技术存在某些局限性：
研磨抛光(经典的)：
●这种方法仅能应用于高硬度材料。
●由于所施加设备的压力该加工面产生变形，需要将刚性支承用于光学部件。
●由于研磨设备的半刚性接触材料并在待抛光表面的边缘附近缺少设备支承，因此容易产生塌边(边缘塌陷)。
●为了进行带状修正，需要改变研磨设备的尺寸。
●这种方法使用谐波机床，该机床不具有笛卡尔机床的优点。流体射流抛光(FJP)：
●到目前为止，它还不能抛光大的表面(Φ～1-8m)。
●材料去除率比利用本发明获得的去除率小100到1000倍。
●该设备的痕迹不呈现径向对称；不可能在入射平面上产生均匀的环状痕迹；即，在X轴方向的痕迹不同于在Y轴方向的痕迹。这就使得对设备以及加工面的处理复杂化。
磁流变抛光：
●这种方法的主要缺点是可能产生减小的痕迹尺寸。
●不可能在入射平面上产生均匀的环状磨蚀痕迹，即，该痕迹不是轴向对称的。这就使得对设备和加工面的处理复杂化。
离子束修整：
●需要至少为待抛光的表面尺寸的真空室。
●在抛光过程中不可能进行干涉仪的光学测试，这使得重复抛光/测试过程变得复杂化。
●由于离子束在该表面上垂直入射，所以该表面的微观粗糙度不会改善。
可利用的精抛光和研磨技术中的一个主要局限是为了获得高质量、高精密度的光学表面，需要使用一种以上的抛光技术。目前，这些技术在不同的形貌位置实施，从而使该过程变得复杂并显著提高了生产成本。
本发明解决或改善了目前存在的技术问题，并且相对于本文件中先前所述的技术，获得了一系列的优点。
附图说明
图1是本发明的剖开的侧视图，示出了它的不同部分和操作方法。
图2是本发明的电学示意图，示出了它的电路原理。
图3是一示意性流程图，示出了该设备如何能够作为控制系统的一部分来使用。
图4示出了使用本发明的样机进行初步抛光试验的抛光实验室。图中的插图是安装有该抛光设备的抛光机的近照。图中示出了安装有该设备的r-θ-z机。该机器整体放置在透明密封的护罩中。可以看到进料管线、排放容器和控制系统。
图5和图6示出了实验静磨损痕迹的傅科图和干涉图。
图7示出了一组用该设备产生的环形槽的横向磨损图，以便将其性能与理论模型做比较。
图8和图9示出了用于测量图7所示的加工面的两种光学方法。干涉图和傅科图示出了由这些实验产生的槽。
图10示出了一个这样的加工面的数字模拟，将其作为程序提供给该设备控制器，以便生产出该加工面。
图11示出了采用该抛光设备抛光的施密特面经过干涉测量分析的波阵面(wavefront)的计算机重现图。
图12示出了使用该抛光设备的抛光面的微干涉图。
图13示出了采用该设备抛光的加工面的边缘变形的干涉测量分析图，该设备采用不同大小和不同材料的磨料微粒。最右边的图示出了光学基准面板的边缘轮廓。
具体实施方式
本发明涉及一种流体动力抛光设备，其中抛光原理是基于径向流，该设备用于光学和半导体表面的精研磨和抛光。它不与加工面接触就能获得很高的光学性能。
这种设备供给一种含有悬浮的磨料微粒(浆料)的流体，该流体借助对浆料施加旋转动能的高压气体(空气)而获得推动力，进一步径向并平行于加工面喷射该磨料混合物，以使该磨料微粒仅仅擦过(抛光)该加工面。
本发明适用于平坦或弯曲的光学表面的精细和高精度的研磨和抛光，同样适用于半导体、金属或塑料表面的高精度整平。该设备由不动部件组成，有些部件由不锈钢和耐磨陶瓷材料制成。
利用该设备能够研磨/抛光直径高达1m的表面；尽管为了能加工更大的表面，可以使用两个或更多个该设备的阵列。可以采用宽范围的设备尺寸，使得该设备可理想地用于小的光学部件和大表面的高精度加工以及半导体表面的光学性能的整平。
本发明是一种模块化和部件可互换的设备，该设备由经机械加工的圆柱形不锈钢或陶瓷部件配套而成，这些部件组成每一区段(图1)。一组螺丝设置在该设备主体的外围，将每一区段以堆叠形式固定在一起。该设备由如下区段组成：混合区段(组件)A、一个或多个旋转加速区段(组件)B、空气静力悬浮系统C、口径调节器D、出口喷嘴E、径向发散喷嘴F和环形材料回收槽G。
混合区段A通过多孔空腔H来控制通量(流体)密度。加速室B依次由一个或多个圆柱形腔室I配套而成，该圆柱形腔室的特点在于具有最优化的流体动力学几何形状，而加速室的外围加工有一系列的动力喷嘴J。
空气静力悬浮系统C产生流体垫，该流体垫借助设置在设备喷嘴D的发散部分外围的一组空气静压轴承，使得该设备相对于表面(加工面)K定位。
口径调节器D由连续的外围喷射器组成，该外围喷射器控制出口喷嘴的直径。
出口喷嘴E是一由不锈钢或陶瓷制成的装置，其特征在于具有最优化的流体动力学几何形状。它由一个喷口和一个喷射调节器组成，而该喷口和喷射调节器又依次由连续的外围喷嘴、定子和分布环构成。
径向发散喷嘴F是一种具有最优化的几何形状的不锈钢装置，该装置产生均匀并与加工面K平行的流体，使得该磨料微粒仅擦过(抛光)该加工面。
环形材料回收环G通过抽吸装置，回收在抛光过程中所产生的残留的研磨材料。
该设备(即本发明主题)的I，是通过，液压气动系统和控制系统来供料的(如图2)，这些系统由液体子系统A和气体子系统B配套而成。该液体供给系统由持久搅拌容器C、适用的泵、带回路的液压管线、压力调节器和电磁阀组成。该气体供给系统由气罐D、压缩机、每个臂E、F、G均有压力调节器的三臂集合管、以及分别具有可变节流器H的三个子分支配套而成。
对于该抛光设备的操作，可以采用如图3所示的控制系统。将设备A安装在数控E的笛卡尔或极坐标CNC(电脑数控机)机床B上。该系统包括进料罐C和一组通过控制系统D调节该设备的全部操作参数的传感器和转换器H。计算机F通过用户界面调整该设备以及CNC机床。
实施例
这种新型的流体动力径向抛光设备，允许以受控磨损方式局部抛光光学表面，该设备已经过一系列的性能测试，该测试使用了不同类型和尺寸的磨料微粒、以不同的速率并考虑了该设备相对于加工面的不同的高度。
利用该设备在直径为15至20cm之间的不同表面上进行了测试，测试结果如下所示：
图4示出了使用本发明的样机进行初步抛光试验的抛光实验室。图中的插图是安装有该抛光设备的抛光机的近照。图中示出了安装有该设备的r-θ-z机。该机器整体放置在透明密封的护罩中。可以看到进料管线、排放容器和控制系统。
图5和图6示出了实验静磨损痕迹的傅科图和干涉图。
图7示出了一组用该设备产生的环形槽的横向磨损图，以便将其性能与理论模型做比较。
图8和图9示出了用于测量图7所示的加工面的两种光学方法。干涉图和傅科图示出了由这些实验产生的槽。
本文所述的设备能抛光非球形表面，诸如校正施密特面。图10示出了一个这样的加工面的数字模拟，将其作为程序提供给该设备控制器，以便生产出该加工面。
图11示出了采用该抛光设备抛光的施密特面经过干涉测量分析的波阵面(wavefront)的计算机重现图。该加工面的表面精度是13nm rms。所观察到的瑕疵与阶段反演误差(phase deconvolutionerror)对应，而不与波面相差相对应。
图12示出了使用该抛光设备的抛光面的微干涉图。该仪器能够探测低至2nm的表面误差。该边缘变形代表大约25nm rms的微观粗糙度。所使用的磨料微粒的尺寸为5μm。
图13示出了采用该设备抛光的加工面的边缘变形的干涉测量分析图，该设备采用不同大小和不同材料的磨料微粒。最右边的图示出了光学基准面板的边缘轮廓。

Claims (9)

1.一种用于精研磨和抛光平坦或弯曲的光学表面以及用于半导体和金属表面的光学整平的高精度抛光设备，所述设备包括：
多个圆柱形部件，由预先加工好的不锈钢或陶瓷制成，并通过一系列外围的螺丝彼此连接，所述多个圆柱形部件由以下几部分组成：混合组件、包括一个或多个旋转加速室的组件、空气静力悬浮系统、口径调节器、出口喷嘴和径向发散喷嘴。
2.根据权利要求1所述的抛光设备，其中所述混合组件通过合适的多孔空腔能够控制抛光混合物的密度。
3.根据权利要求1所述的抛光设备，其中所述旋转加速室由一个或多个圆柱形腔室组成，在所述加速室的外围上，加工有一组动力喷嘴。
4.根据权利要求1所述的抛光设备，其中所述空气静力悬浮系统产生流体层，所述抛光设备浮在所述流体层之上，使得通过一组空气静压轴承来调节所述流体层相对于加工面的位置。
5.根据权利要求1所述的抛光设备，其中所述口径调节器由连续的外围喷射器组成，所述外围喷射器控制出口喷嘴的直径。
6.根据权利要求1所述的抛光设备，其中所述出口喷嘴是由不锈钢或陶瓷制成的装置，所述出口喷嘴由喷口和喷射调节器组成，而所述喷口和喷射调节器又由连续的外围喷射器、定子和分布环组成。
7.根据权利要求4所述的抛光设备，其中所述径向发散喷嘴是由不锈钢或陶瓷制成的装置，其相对所述加工面产生径向均匀并与所述加工面平行的流体，使得磨料微粒仅擦过加工面。
8.根据权利要求1所述的抛光设备，材料回收槽通过抽吸装置来回收抛光过程中的残留研磨材料。
9.权利要求1所述的抛光设备在对光滑表面的修正研磨、精抛光和净化以及在对半导体表面的抛光和整平中的应用，所述光滑表面包括涂覆有金属和薄膜的、中等硬度或高硬度的各种刚性或半刚性材料的表面。
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