CN102615555A - 基于超声雾化水汽的kdp晶体微纳潮解超精密抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法。其特征是，先利用超声产生水雾，与洁净干燥气体混合成为洁净水雾气体；在抛光头压在晶体表面上，通洁净水雾气体，晶体表面接触到潮湿气体部分微量水解，形成一层溶解层；然后将抛光头旋转，抛光垫将高点溶解层去除；真空源将多余潮湿气体吸走；抛光头进行小区域局部抛光，保证抛光在局部区域的均匀性；最后，根据由材料去除率函数R(r，θ)和各点去除量H(x，y)求得的驻留时间函数，抛光工具在计算机控制下抛光，实现晶体表面全局平坦化。本方法不使用传统意义上的抛光液，无需在抛光结束后对晶体表面进行清洗；加工过程中无机械加工应力，是一种真正意义上的无损伤微纳加工方法。

Description

基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法

技术领域

本发明涉及一类易潮解晶体元件的超精密抛光方法，特别涉及可溶于水的软脆功能晶体KDP(磷酸二氢钾，KH₂PO₄)的抛光方法。

背景技术

由于具有良好的光学性能，软脆功能性晶体材料被广泛应用于现代科技领。KDP(磷酸二氢钾)晶体是可溶于水软脆功能晶体的典型代表，作为倍频晶体和电光开关元件在惯性约束核聚变(ICF)中起到不可替代的作用。但是软脆、易溶于水、强各向异性等特点使其成为极难加工材料。目前，国内外研究单位均采用单点金刚石刀具飞切(SPDT)技术来获得超光滑表面。但是，采用SPDT技术在被加工表面容易残留周期性小尺度波纹(微纳切痕)，影响其激光损伤阈值的提高。有文献报道采用磁流变抛光能够消减SPDT方法产生的小尺度波纹(微纳切痕)，但是会产生铁污染或微纳磁颗粒可能产生磨料嵌入现象，此外磁流变残液的清洗也是一个需要解决的问题。一些研究单位采用传统游离磨料抛光或新型无磨料抛光技术抛光出了超光滑晶体表面，然而这些抛光方法均采用抛光液，需要在抛光后增加清洗工艺，降低了加工效率。同时在清洗中，如果操作不当，极易在晶体表面产生划痕或造成晶体表面雾化，破坏晶体超光滑表面。

在以往针对这类可溶于水晶体材料抛光方法的专利技术中，有一些不同类型的例子：

专利名称：“一种用于软脆易潮解晶体的非水基无磨料抛光液”，专利号ZL200910010268.2，是一种非水基无磨料化学机械抛光液，适用于软脆易潮解晶体的抛光。该抛光液采用“油包水”结构，将水微滴用油相包裹起来，实现可控微纳去除。配制方法简单，流动性好，可以达到很好的抛光效果。但是抛光后仍需增加清洗步骤，如果清洗时操作不当，有可能损伤已抛光表面。上述专利仅给出了抛光需要的抛光液，并未给出针对大尺寸规格且要求极高平面度的KDP晶体元件的加工方法。

专利名称：“磷酸二氢钾晶体潮解抛光方法”，公开号CN101310922A，以金刚石飞刀切削加工为前序步骤，使用水和酒精混合液作为抛光液，去除不可控，如清洗中操作不当会造成晶体表面雾化。同时该专利中提到的采用混合水蒸汽抛光，是将晶体和抛光设备置于密闭护罩中，在护罩中通入水蒸汽，对晶体进行抛光。这种方法中护罩限制了晶体的尺寸，同时将晶体整体置于潮湿环境，没有选择性去除的效果，且湿气可能造成已加工晶体表面再次潮解，被破坏。与本专利中的微纳潮解超声水雾抛光有着明显的区别。

发明内容

为了去除单点金刚石飞切(SPDT)超精密加工方法产生的表面微切痕和亚表面损伤，得到高质量的理想晶体表面，并解决抛光工艺增加清洗工序可能造成已加工晶体表面二次损伤问题，提出一种针对大尺寸软脆功能晶体KDP元件的微纳潮解超精密抛光工艺方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光工艺方法，其特征在于该工艺方法包含以下步骤：

步骤一：利用超声原理产生水雾，超声震荡频率1.7MHz-2.4MHz，产生粒径0.1-1微米的水雾颗粒；压缩空气经过滤精度0.01μm的精密过滤器过滤后，不含粉尘和杂质，成为洁净干燥气体；利用洁净干燥气体高速流过时对周围气体产生吸附力的空吸作用，将水雾吸入到管路中，使洁净干燥气体和水雾混合，成为洁净潮湿气体，水雾颗粒均匀分散在气相中；经过压缩空气的搅拌和稀释作用，水雾颗粒粒径更加细小；通过控制水雾的产生量和洁净干燥气体的流量，可以随抛光的进行随时调节洁净潮湿气体的相对湿度。

步骤二：将抛光头以一定压力压在被抛光晶体上，压强大小为5kPa-50kPa可调；抛光垫粘在抛光头的下部；抛光垫与被抛光晶体接触；抛光垫上开有沟槽，使抛光头中心孔与其四周孔道连接；洁净干燥气体和水雾混合后的洁净潮湿气体从抛光垫的中心孔通出，接触被抛光晶体，晶体表面接触到潮湿气体的部分发生微量潮解，在晶体表面形成一层溶解层；溶解层将晶体表面与潮湿气体隔绝开，防止了晶体进一步潮解；潮湿气体流量0.5L/min-40L/min可调。

步骤三：启动抛光头控制开关，抛光头开始旋转；KDP晶体表面高点的溶解层与抛光垫接触；在抛光垫旋转的机械作用下，高点的溶解层被抛光垫去除，晶体高点材料重新裸露在潮湿空气中，继续发生潮解作用，溶解层再被抛光垫旋转的机械作用去除，高点逐渐降低，在局部实现高点的选择性去除；局部低凹点的溶解层与抛光垫开始时不接触，直到高点降低至低凹点溶解层与抛光垫接触，溶解层被去除，实现晶体被抛光区域的平坦化；多余的潮湿气体沿抛光垫上沟槽流入抛光垫外环孔道，被真空源及时吸走，不会溢出造成已抛光表面的二次潮解，保证了抛光的晶体表面质量。

步骤四：半径为r₀的抛光头在以10r/min-300r/min的速度自传，进行小区域局部(逐点)抛光；为了保证抛光在局部区域的均匀性，抛光头的运动可以采用行星运动，在自传的同时以10r/min-200r/min的速度公转，公转轨迹半径为e；为了保证抛光头的材料去除能力，要求r₀≥e；为确保更小范围的材料逐点精确潮解抛光，实现大尺寸表面的平坦化加工，将抛光头的直径做小；为兼顾加工效率，抛光头直径可以选择为φ3mm-φ30mm。

步骤五：在抛光过程中，抛光工具停留在晶体表面一点A(x，y)进行抛光，设在该点的驻留时间为t_xy；(x，y)是以抛光头公转圆心为坐标原点，建立的坐标系下点A的坐标；是可以通过事先测量待加工晶体表面形貌，获得各点需要的去除量H(x，y)，然后应用下列材料潮解去除率R(r，θ)函数公式(1)，并根据公式(2)，求解出抛光工具在晶体表面任意点(x，y)的驻留时间t_xy，从而确定抛光工具的运行轨迹规划；抛光工具在计算机控制下按一定的运行轨迹在晶体表面运动和抛光，实现晶体表面全局平坦化。

$R(r,\mathrm{\θ})=\mathrm{KPs\ω}\sqrt{\frac{r_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{\σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sqrt{{(n_{\mathrm{rot}}\±n_{\mathrm{rev}})}^2{r}^2+{\left(n_{\mathrm{rot}}e\right)}^2-2(n_{\mathrm{rot}}\±n_{\mathrm{rev}})n_{\mathrm{rot}}\mathrm{er}\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}\mathrm{d\α}---\left(1\right)$

∫∫R_xy(r，θ)t_xydxdy＝H(x，y)    (2)

式中：K是常数；r是A点到抛光头公转运动圆心的距离；P为加载压力；α₁＝θ-cos^-1[(e²+r²-r₀ ²)/(2er)]；α₂＝θ+cos^-1[(e²+r²-r₀ ²)/(2er)]；s为KDP晶体在水中的溶解度；ω为相对湿度；n_rot抛光头自转速度；n_rev抛光头公转速度；α抛光头自转圆心和公转圆心的连线与水平方向的夹角；θ为A点和抛光头公转圆心的连线与水平方向的夹角；

为A点和抛光头自转圆心的连线与水平方向的夹角；r_β为抛光垫表面粗糙峰顶部曲率半径的平均值；σ为抛光垫表面粗糙度方差。

本发明的有益效果是：

(1)利用材料本身的潮解特性，采用雾化的微纳水颗粒对加工表面进行微纳潮解超精密逐点可控抛光，能够有效去除传统的单点金刚石飞切(SPDT)超精密加工方法产生的微切痕和亚表面损伤；

(2)因本方法不使用传统意义上的抛光液，且对抛光废弃物采用真空吸附的方式予以即时清除，即能够避免外溢的雾化微纳水颗粒对已加工表面的二次潮解，又可节省传统的抛后表面清洗工序，避免了在清洗中对已加工晶体表面可能造成的二次损伤。

(3)加工过程中无传统意义上的机械加工应力，且不产生亚表面损伤，是一种真正意义上的无损伤微纳加工方法。

(4)局部的微纳潮解超精密抛光、基于材料潮解去除率函数公式的抛光驻留时间，以及计算机控制抛光头的运动轨迹规划，能够确保大尺寸晶体表面的全局平坦化加工和高面形精度的加工要求。

附图说明

图1是本方法抛光过程示意图。

图2是本方法所用抛光头仰视示意图。

图3是本抛光方法高点去除机理示意图。

图4抛光头行星运动示意图。

图中：1真空源；2洁净干燥气体；3水雾；4抛光头；5抛光垫；6被抛光KDP晶体；7环境气体；8液体微滴；9晶体表面材料溶解层；10抛光头自转速度n_rot；11抛光头行星运动区域；12抛光垫上任意一点A；13角

14角θ；15抛光垫(半径为r₀)；16角α；17抛光头公转轨迹(半径为e)；18抛光头公转速度n_rev。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例：压缩气源的洁净干燥气体2经过滤精度0.01μm的精密过滤器过滤，不含杂质和粉尘；超声水雾发生器超声震荡频率2.4MHz，产生水雾3，与洁净气源充分混合；混合后气体相对湿度通过湿度仪检测，通过调节洁净气体流量和水雾产生量控制其相对湿度；混合后气体相对湿度控制在90％，流量10L/min；抛光头压4在被抛光晶体6表面上；混合后的洁净潮湿气体从抛光垫5上的中心孔通出，潮湿气体中的液体微滴8接触被抛光晶体；晶体表面接触到潮湿气体的部分发生微量潮解，在晶体表面形成一层溶解层9；溶解层9将晶体表面与潮湿气体隔绝开，阻止晶体进一步潮解；抛光头以100-200r/min的速度旋转，高点溶解层与抛光垫接触，被去除；晶体表面高点暴露在潮湿气体中继续潮解，被抛光垫去除，从而高点不断降低；多余的潮湿气体沿抛光垫5上沟槽流入抛光头4外环孔道，被真空源1及时吸走；真空源1真空吸力0.016MPa；抛光垫直径14mm；抛光压力20-40kPa；抛光头公转转速20-30r/min；抛光头按通过公式(1)和公式(2)求得的晶体表面各点驻留时间运行，实现晶体表面的全局平坦化。

Claims (2)

1.一种基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

步骤一：利用超声产生水雾(3)，超声震荡频率1.7MHz-2.4MHz，产生粒径0.1-1微米的水雾颗粒；压缩空气经过滤精度0.01μm的精密过滤器过滤后，不含粉尘和杂质，成为洁净干燥气体(2)；利用洁净干燥气体(2)高速流过时对周围气体产生吸附力的空吸作用，将水雾(3)吸入到管路中，使洁净干燥气体(2)和水雾(3)混合，成为洁净潮湿气体，水雾颗粒均匀分散在气相中；通过控制水雾(3)的产生量和洁净干燥气体(2)的流量，随抛光的进行随时调节洁净潮湿气体的相对湿度；

步骤二：将抛光头(4)压在被抛光晶体(6)上，压强大小为5kPa-50kPa；抛光垫(5)粘在抛光头(4)的下部；抛光垫(5)与被抛光晶体(6)接触；抛光垫(5)上开有沟槽，使抛光头(4)中心孔与其四周孔道连接；洁净干燥气体(2)和水雾(3)混合后的洁净潮湿气体从抛光垫(5)的中心孔通出，接触被抛光晶体，晶体表面接触到潮湿气体的部分发生微量潮解，在晶体表面形成一层溶解层(9)；溶解层(9)将晶体表面与潮湿气体隔绝开，防止了晶体进一步潮解；潮湿气体流量0.5L/min-40L/min；

步骤三：启动抛光头(4)控制开关，抛光头(4)开始旋转；KDP晶体表面高点的溶解层(9)与抛光垫(5)接触；在抛光垫(5)旋转的机械作用下，高点的溶解层(9)被抛光垫(5)去除，晶体高点材料重新裸露在潮湿空气中，继续发生潮解作用，溶解层(9)再被抛光垫(5)旋转的机械作用去除，高点逐渐降低，在局部实现高点的选择性去除；局部低凹点的溶解层(9)与抛光垫(5)开始时不接触，直到高点降低至低凹点溶解层(9)与抛光垫(5)接触，溶解层(9)被去除，实现晶体被抛光区域的平坦化；多余的潮湿气体沿抛光垫(5)上沟槽流入抛光头(4)外环孔道，被真空源(1)及时吸走；

步骤四：半径为r0的抛光头(4)以10r/min-300r/min的速度自传，进行小区域逐点局部抛光；抛光头的运动采用行星运动，在自传的同时以10r/min-200r/min的速度公转，公转轨迹半径为e，r₀≥e；

步骤五：在抛光过程中，抛光工具停留在晶体表面一点A(x，y)(12)进行抛光，在该点的驻留时间为t_xy；(x，y)是以抛光头公转圆心为坐标原点，建立的坐标系下点A的坐标；通过事先测量待加工晶体表面形貌，获得各点需要的去除量H(x，y)，然后应用下列材料潮解去除率函数公式①，并根据公式②，求解出抛光工具在晶体表面任意点(x，y)的驻留时间t_xy，从而确定抛光工具的运行轨迹规划；抛光工具在计算机控制下在晶体表面运动和抛光，实现晶体表面全局平坦化；

$R(r,\mathrm{\θ})=\mathrm{KPs\ω}\sqrt{\frac{r_{\mathrm{\β}}}{\mathrm{\σ}}}{\∫}_{{\mathrm{\α}}_1}^{{\mathrm{\α}}_2}\sqrt{{(n_{\mathrm{rot}}\±n_{\mathrm{rev}})}^2{r}^2+{\left(n_{\mathrm{rot}}e\right)}^2-2(n_{\mathrm{rot}}\±n_{\mathrm{rev}})n_{\mathrm{rot}}\mathrm{er}\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}\mathrm{d\α}$ ①

∫∫R_xy(r，θ)t_xydxdy＝H(x，y)    ②

式中：K是常数；

r是A点到抛光头公转运动圆心的距离；

e为公转轨迹半径；

P为加载压力；

α₁＝θ-cos^-1[(e²+r²-r₀ ²)/(2er)]；

α₂＝θ+cos^-1[(e²+r²-r₀ ²)/(2er)]；

s为KDP晶体在水中的溶解度；

ω为相对湿度；

n_rot抛光头自转速度；

n_rev抛光头公转速度；

α抛光头自转圆心和公转圆心的连线与水平方向的夹角；

θ为A点和抛光头公转圆心的连线与水平方向的夹角；

为A点和抛光头自转圆心的连线与水平方向的夹角；

r_β为抛光垫表面粗糙峰顶部曲率半径的平均值；

σ为抛光垫表面粗糙度方差。

2.根据权利要求1所述的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法，其特征在于，抛光头(4)直径为：φ3mm-φ30mm。

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