CN107561609B - 一种复制制造Wolter-I型反射镜的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复制制造Wolter‑I型反射镜的工艺，其工艺流程为：复制所用的精密芯轴制造→PVD工艺涂敷DLC膜层→PVD工艺涂敷金膜反射层→电铸镜壳→对镜壳表面修整→利用脱模装置在低温制冷室内将反射镜从芯轴上释放→清洗反射镜表面。本发明在复制金膜和芯轴表面之间涂敷DLC作为脱膜层，可以有效防止脱模过程中金膜的破损，有利于复制金膜从芯轴上顺利脱下；镀金膜时在芯轴回转表面和两个端面同时进行，防止电铸过程中电铸镍从芯轴端面金膜与芯轴表面之间渗入；延长电铸时间，可以提高镜壳的强度，防止变形，而且易于脱壳、运输和安装；在低温室内通过辅助脱壳装置使芯轴与镜壳分离，避免了反射镜制造成本增加和健康危害。

Description

一种复制制造Wolter-I型反射镜的工艺

技术领域

本发明属于光学和精密制造技术领域，涉及一种复制制造Wolter-I型反射镜的方法。

背景技术

由于极紫外光、软X射线和硬X射线的波长很短，在介质中的折射率接近于1，从而不能采用折射的方法使其聚焦，必须采用反射式光学系统使其聚焦。然而这种短波长的光很容易被周围的物质所吸收或直接穿透大多数物质，其对大多数物质而言光的反射率是极低的。但是这种光在一般物质中的折射率略小于1，故光线从真空入射反射物质时，当入射角接近90度时，就能发生全反射现象。利用这种全反射现象，开创了X射线掠入射光学，目前广泛采用的Woler-I型成像系统就是掠入射成像系统中的重要一种。例如：X射线望远镜、 X射线显微镜、极紫外（EUV）光刻系统中的收集器等。这种Woler-I型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，非球面的陡度（长径比）一般较大，并且精度要求高，制造十分困难。实际应用时，为了增大有效聚光面积，常采用将多组掠入射镜组合成套筒的形式，例如图1所示的3层Wolter-I型反射镜，其中A和B是反射镜子午截面轮廓曲线的端点，R是两片非球面子午截面轮廓曲线的交点。

大长径比内凹轴对称非球面的加工方法主要有两种，第一种方法是采用超精密车削或磨削、抛光技术直接进行内凹表面加工，对于尺寸较大的反射镜，刀具伸出长度较长，加工过程中刀杆引起的振动会影响镜面的加工质量，另外这种薄壁零件在机床上的安装和固定容易引起变形，同样会影响镜面的加工质量。第二种方法是采用与反射镜表面质量相同的芯轴通过物理气象沉积（PVD）或化学气象沉积（CVD）工艺镀金膜复制出反射镜内表面，再经过电铸工艺生长出镜壳，最终将收集镜从芯轴脱离，完成单个收集镜的制造。这种复制方法将对内表面的车削或磨削、抛光等加工转化为对外表面的加工，降低了加工难度，反射镜的表面质量与芯轴的表面质量相同，而且脱模后的芯轴母模经过清洁可以再次使用，适合收集镜的批量生产。因此，复制制造方法是目前制造Wolter-I型反射镜的常用方法。

目前Wolter-I型反射镜的制造工艺如下：

1）芯轴制造：通过超精密车削、磨削、抛光等工艺获取与反射镜表面质量相同的高质量芯轴表面，所使用的加工设备成本昂贵；

2）镜面复制：通过PVD或CVD工艺镀金膜复制反射镜内表面。PVD工艺是在真空条件下，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。CVD工艺是指把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室，在衬底表面发生化学反应生成薄膜的过程。这两种工艺相比，PVD需要高真空，完全无污染，初期设备投资大，但生产周期短，可以针对需要镀金膜的表面直接进行磁控溅射，是目前常用的镀膜方法。但是直接在芯轴表面涂敷反射金膜有可能导致金膜与芯轴表面局部粘附，不利于脱壳后保持反射金膜的完整性。此外，所镀金膜的厚度如果过薄，则在电铸过程中容易使电铸镍透过金膜而附着在反射镜的反射面上，影响反射镜的反射效果，而且金膜过薄在电铸过程中容易引起金膜局部破损。再有，如果仅在芯轴回转表面镀金膜，则在电铸过程中电铸镍容易从芯轴端面金膜与芯轴表面之间渗入，影响反射镜表面质量。

3）电铸镜壳：通过电铸工艺在复制后的金膜上进行金属电沉积，形成独立的镜壳。通常电铸时间较短，镜壳表面较规整，处理容易，但镜壳厚度薄，强度弱，易变形，不利于脱壳、运输及安装。

4）脱壳：目前的脱壳方法是将电铸后带有芯轴的镜壳置于低温液氮中冷却，通过不同金属材料热胀冷缩的程度不同的原理，使镜子从芯轴上自然脱落。然而，搭建低温液氮冷却系统会增加反射镜的制造成本，而且在低温液氮环境中如果操作不慎会导致健康危害（如：冻伤、吸入氮气等）。

发明内容

本发明针对目前Wolter-I型反射镜的复制制造难题，进行了工艺的改进与优化，提出了一种复制制造Wolter-I型反射镜的工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，包括如下步骤：

第一步、芯轴制造

（1）两步粗车削芯轴毛坯：

a、第一步粗车削

采用三维软件建立芯轴数学模型，生成加工用数控代码，在XZ两轴普通数控车床中使用硬质合金刀具对圆柱形铝合金棒材料进行芯轴毛坯第一步粗车削，加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度1～2mm，进给速度20～30mm/min，预留加工余量1mm；

b、第二步粗车削

根据被加工非球面子午截面曲线方程计算出刀具中心运动轨迹，使刀具中心沿着待加工非球面子午截面轮廓曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度0.1～0.5mm，进给速度15～20mm/min；

（2）芯轴表面化学镀镍磷合金

采用电脉冲提高化学镀镍磷合金层厚度的方法对芯轴毛坯表面进行镀镍磷合金处理，镀层厚度100μm；

（3）芯轴表面精密车削：

分别使用聚晶金刚石刀具（PCD）和天然单晶金刚石刀具（SCD）在XZ两轴精密车床中半精密车削和精密车削芯轴，车削过程中使刀具中心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，加工参数为：PCD半精密车削3～5次，切削深度5～10μm，主轴转速300～500rpm，进给速度10～15mm/min，SCD精密车削2～3次，切削深度3～5μm，主轴转速500rpm，进给速度4～7mm/min；

（4）芯轴表面自动抛光：

在XZ两轴精密车床中，选用弹性球形抛光工具，在其球面上依次包裹棉花和抛光绒布，选用粒径0.5～2μm的金刚石抛光液分别对芯轴表面进行粗抛和精抛，通过计算使抛光球球心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持抛光球球心在插补点法线上且偏离插补点一个抛光球半径，抛光时主轴转速500～1500rpm；

（5）芯轴表面手工抛光；

第二步、镜面复制

首先在复制金膜和芯轴表面之间采用PVD工艺涂敷DLC作为脱膜层；然后采用PVD工艺在芯轴回转表面和两个端面同时镀金膜，通过镀膜时间控制金膜厚度大于0.5μm，复制出反射镜表面；

第三步、电铸镜壳

以导电的芯模作阴极，电铸材料镍作阳极，含电铸材料镍的金属盐溶液作电铸溶液，在复制金膜后的芯轴表面进行电铸，形成镜壳，使镜壳壁厚大于3mm；对电铸后的镜壳进行修整，去除多余的电铸部分，获得光滑的镜壳表面，使修整后的镜壳厚度为1.5～2.5mm；

第四步、脱壳

利用脱模装置在低温制冷室内将镜壳从芯轴上释放，得到反射镜，最后对芯棒和镜面上残留的DLC进行清洗。

本发明具有如下优点：

1）采用本发明的方法完成复制用芯轴的制造，可降低芯轴制造成本。

2）在复制金膜和芯轴表面之间采用PVD工艺涂敷DLC作为脱膜层，可以有效防止脱模过程中金膜的破损，有利于复制金膜从芯轴上顺利脱下。

3）增加镀金膜的厚度不仅可以防止电铸镍透过金膜而渗入反射镜的反射面，还可以防止电铸过程中金膜的局部破损。

4）镀金膜时在芯轴回转表面和两个端面同时进行，防止电铸过程中电铸镍从芯轴端面金膜与芯轴表面之间渗入，影响反射镜表面质量。

5）延长电铸时间，使镜壳壁厚大于3mm，以方便修整，修整后镜壳厚度介于1.5～2.5mm之间，可以提高镜壳的强度，防止变形，而且易于脱壳、运输和安装。

6）设计辅助脱壳装置，将整套脱壳系统放入-24℃的低温室内冷却，恒温后通过辅助脱壳装置上螺母的预紧力使芯轴与镜壳自然分离，或者在辅助脱壳装置上通过螺母对芯轴施加较小的轴向力使芯轴与镜壳分离，避免了搭建低温液氮冷却系统导致的反射镜制造成本增加，同时也避免了在低温液氮环境中由于操作不慎而导致的健康危害（如：冻伤、吸入氮气等）。

附图说明

图1为3层Wolter-I型反射镜示意图；

图2为PVD工艺镀膜示意图；

图3为电铸镜壳；

图4为脱壳装置，图中，1-螺母，2-垫块，3-镜壳，4-芯轴，5-垫圈，6-底座，7-丝杆；

图5为复制制造Wolter-I型反射镜的工艺流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，如图5所示，工艺流程为：复制所用的精密芯轴制造→PVD工艺涂敷DLC膜层→PVD工艺涂敷金膜反射层→电铸镜壳→对镜壳表面修整→利用脱模装置在低温制冷室内将反射镜从芯轴上释放→清洗反射镜表面。具体实施步骤如下：

第一步、芯轴制造

铝合金圆棒料毛坯→两步粗车削芯轴毛坯→测量→芯轴表面化学镀镍磷合金→低成本精密车削芯轴→测量→低成本自动抛光芯轴→测量→手工修正抛光芯轴→测量→芯轴完成。具体实施步骤如下：

（1）两步粗车削芯轴毛坯：

为了使粗加工后的芯轴表面形状更接近理想非球面，尽可能减少精加工时的总的去除余量，本发明在芯轴粗车削阶段进行两步车削。

首先，为提高芯轴毛坯的车削效率和批量生产以及提高编程效率和方便更改数控程序，采用三维软件建立芯轴数学模型，生成加工用数控代码，在XZ两轴普通数控车床中使用硬质合金刀具对圆柱形铝合金棒材料进行芯轴毛坯第一步粗车削，实际加工时采用的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度1～2mm，进给速度20～30mm/min，预留加工余量1mm。

其次，为保证芯轴表面加工轮廓的精确性，第二步粗车削时根据被加工非球面子午截面曲线方程计算出刀具中心运动轨迹，使刀具中心沿着待加工非球面子午截面轮廓曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径。实际加工时采用的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度0.1～0.5mm，进给速度15～20mm/min。这种方法保持粗车后的芯轴表面轮廓形状与后续精加工的表面轮廓形状一致，可以减少后续精加工时的总去除余量，有利于减少精加工时金刚石刀具的磨损。

（2）芯轴表面化学镀镍磷合金

为了方便芯轴表面的最终抛光，采用电脉冲提高化学镀镍磷合金层厚度的方法（ZL201410062341.1）对芯轴毛坯表面进行镀镍磷合金处理，镀层厚度100μm。

（3）低成本精密车削芯轴：

分别使用聚晶金刚石刀具（PCD）和天然单晶金刚石刀具（SCD）刀具在XZ两轴精密车床中半精密车削和精密车削芯轴，为保证加工轮廓的精度，车削过程中使刀具中心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径，有利于提高芯轴表面的轮廓形状精度。实际加工时采用的加工参数为：PCD半精密车削3～5次，切削深度5～10μm，主轴转速300～500rpm，进给速度10～15mm/min,SCD精密车削2～3次，切削深度3～5μm，主轴转速500rpm，进给速度4～7mm/min。

（4）低成本自动抛光芯轴：

抛光工具选用弹性较软材质的塑料或橡胶球，在球面上依次包裹棉花和抛光绒布，实际选用粒径0.5～2μm的金刚石抛光液分别对芯轴表面进行粗抛和精抛。为保证抛光时不影响芯轴表面轮廓形状的精度和提高抛光效率，在XZ两轴精密数控车床中，通过计算使抛光球球心沿着待加工非球面子午截面轮廓的等距线运动，保持抛光球球心在插补点法线上且偏离插补点一个抛光球半径，提高抛光的精度。通过在加工程序中调整数控代码来修改待加工非球面子午截面曲线和其等距线之间的偏移距离，可以灵活控制抛光球与工件之间的接触压力，进而调整抛光时间或效率。实际抛光时主轴转速500～1500rpm。

（5）手工修正抛光芯轴：

自动抛光后的芯轴已经具有很高的表面质量，检测后如果仍不能满足要求，则还需要进一步进行最后的手工抛光，以获得符合EUV或软X射线或硬X射线应用需求的芯轴表面。

通过Nanoscope Dimension D3100原子力显微镜（AFM）测量抛光样件的高频粗糙度RMS值为1.56nm，能够满足波长100nm以下的极紫外光的应用需求。

第二步、镜面复制

为了将复制金膜从芯轴上顺利脱下，首先在复制金膜和芯轴表面之间采用PVD工艺涂敷了类金刚石碳膜（DLC）作为脱膜层，DLC具有硬度高、摩擦系数低、导热性好、化学稳定性好、沉积面积大、膜面光滑平整、易于从芯轴基体或金膜层上清除等优点，可以防止脱模过程中金膜的破损，并且便于复制金膜从芯轴上顺利脱下。然后采用PVD工艺在DLC膜层上镀金膜，复制出反射镜表面，镀金膜时在芯轴回转表面和两个端面同时进行，以防止电铸过程中金属镍从芯轴端面金膜与芯轴表面之间渗入，影响反射镜表面质量。增加镀金膜的厚度不仅可以防止电铸镍透过金膜而渗入反射镜的反射面，而且可以防止电铸过程中金膜的局部破损。镜面复制总体过程为：芯轴清洗→PVD工艺涂敷DLC脱模层→PVD工艺镀金膜。PVD工艺镀膜示意图如图2所示，芯轴绕其对称轴自转，通过磁控溅射将碳靶（或金靶）上的碳（或金）涂敷到芯轴表面。

第三步、电铸镜壳

电铸工艺可以实现在复制金膜后的芯轴表面进行金属电沉积，最终形成独立的壳体机构，其原理如图3所示。用导电的芯模作阴极，电铸材料镍作阳极，含电铸材料镍的金属盐溶液作电铸溶液。在直流电压作用下，电铸溶液中的金属离子在阴极还原成金属原子，沉积于芯模表面，而阳极金属则源源不断地变成离子溶解到电铸溶液中进行补充，使溶液中金属离子的浓度保持不变。当电铸层逐渐加厚到所要求的厚度时结束电铸。为了增加镜壳的厚度，提高其强度，防止变形，易于脱壳、运输和安装，我们延长了电铸时间，使镜壳壁厚大于3mm，但电铸时间过长易导致镜壳表面不规整，因此在脱壳之前需要将电铸后的工件在普通机床上修整，去除多余的电铸部分，以获得光滑的镜壳表面。修整后的镜壳厚度约为2mm左右，具有足够的强度。

第四步、脱壳

利用镍镜壳与铝芯轴的热膨胀系数的不同，通过低温冷却芯轴和镜壳的联合体，实际在-24℃的低温室内冷却下，铝芯棒的收缩程度比镍镜壳的大，当这种不同的收缩力超过了芯棒表面上金属层的粘结力时，再通过脱模装置在芯轴轴向上施加一定的作用力，使镜壳能够滑顺的从芯轴上释放。这样就将反射层转移到了镍镜壳衬底上。镜壳就成为一个自由独立的反射镜了。最后对芯棒和镜面上残留的DLC进行清洗。

本发明设计的脱膜装置如图4所示，包括螺母1、垫块2、芯轴4和镜壳3的联合体、垫圈5、底座6和丝杆7，其中：所述螺母1、垫块2、芯轴4和镜壳3的联合体、垫圈5、底座6自上而下同轴设置；所述丝杆7的下端沿轴向依次穿过垫块2、芯轴4和镜壳3的联合体、垫圈5、底座6并固定在底座6上，上端与螺母1螺纹连接；所述镜壳3与垫圈5接触，芯轴4上放置垫块2。

脱壳装置的原理和使用方法如下：

1）底座水平放置，将丝杆7固定在底座6上，然后在底座6上安放垫圈5；

2）在垫圈5上放置芯轴4和镜壳3的联合体，使镜壳3与垫圈5接触，芯轴4不与垫圈5接触；

3）在芯轴4上放置垫块2，通过螺母1进行预紧；

4）将整套脱壳系统放入-24℃的低温室内冷却，恒温后通过螺母1对芯轴4施加作用力，将反射层转移到镍镜壳衬底上，使镜壳成为一个自由独立的反射镜。

制造实例：

以椭球面和双曲面组成的Woler-I型反射镜的制造为例进行复制实验，复制用芯轴的表面高频粗糙度RMS值为1.56nm。经过PVD镜面复制、电铸镜壳、镜壳修整、脱壳和清洗等工艺，复制制造出与芯轴表面质量相同的Woler-I型反射镜，反射镜壁厚2mm。

Claims (9)

1.一种复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述工艺步骤如下：

第一步、芯轴制造：

（1）两步粗车削芯轴毛坯：

a、第一步粗车削

采用三维软件建立芯轴数学模型，生成加工用数控代码，在XZ两轴普通数控车床中使用硬质合金刀具对圆柱形铝合金棒材料进行芯轴毛坯第一步粗车削；

b、第二步粗车削

根据被加工非球面子午截面曲线方程计算出刀具中心运动轨迹，使刀具中心沿着待加工非球面子午截面轮廓曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径；

（2）芯轴表面化学镀镍磷合金

采用电脉冲提高化学镀镍磷合金层厚度的方法对芯轴毛坯表面进行镀镍磷合金处理；

（3）芯轴表面精密车削：

分别使用聚晶金刚石刀具和天然单晶金刚石刀具在XZ两轴精密车床中半精密车削和精密车削芯轴，车削过程中使刀具中心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持刀具中心在插补点法线上且偏离插补点一个刀具圆弧半径；

（4）芯轴表面自动抛光：

在XZ两轴精密车床中，选用弹性球形抛光工具，在其球面上依次包裹棉花和抛光绒布，选用粒径0.5～2μm的金刚石抛光液分别对芯轴表面进行粗抛和精抛，通过计算使抛光球球心沿着待加工非球面子午截面曲线的等距线运动，保持抛光球球心在插补点法线上且偏离插补点一个抛光球半径；

（5）芯轴表面手工抛光；

第二步、镜面复制

复制金膜和芯轴表面之间采用PVD工艺涂敷类金刚石碳膜作为脱膜层；然后采用PVD工艺在芯轴回转表面和两个端面同时镀金膜，复制出反射镜表面；

第三步、电铸镜壳

以导电的芯轴作阴极，电铸材料镍作阳极，含电铸材料镍的金属盐溶液作电铸溶液，在复制金膜后的芯轴表面进行电铸，形成镜壳，使镜壳壁厚大于3mm；对电铸后的镜壳进行修整，去除多余的电铸部分，获得光滑的镜壳表面，使修整后的镜壳厚度为1.5～2.5mm；

第四步、脱壳

利用脱模装置在低温制冷室内将镜壳从芯轴上释放，得到反射镜，最后对芯轴和镜面上残留的类金刚石碳膜清洗。

2.根据权利要求1所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述第一步粗车削的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度1～2mm，进给速度20～30mm/min，预留加工余量1mm；第二步粗车削的加工参数为：主轴转速150～300rpm，切削深度0.1～0.5mm，进给速度15～20mm/min。

3.根据权利要求1所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述芯轴表面化学镀镍磷合金步骤中，镀层厚度100μm。

4.根据权利要求1所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述聚晶金刚石刀具半精密车削的加工参数为：聚晶金刚石刀具半精密车削3～5次，切削深度5～10μm，主轴转速300～500rpm，进给速度10～15mm/min；天然单晶金刚石刀具精密车削的加工参数为：天然单晶金刚石刀具精密车削2～3次，切削深度3～5μm，主轴转速500rpm，进给速度4～7mm/min。

5.根据权利要求1所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述芯轴表面自动抛光时，弹性球形抛光工具为塑料或橡胶球，主轴转速500～1500rpm。

6.根据权利要求1所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述脱模装置包括螺母、垫块、芯轴和镜壳的联合体、垫圈、底座和丝杆，所述螺母、垫块、芯轴和镜壳的联合体、垫圈、底座自上而下同轴设置；所述丝杆的下端沿轴向依次穿过垫块、芯轴和镜壳的联合体、垫圈、底座并固定在底座上，上端与螺母螺纹连接；所述镜壳与垫圈接触，芯轴上放置垫块。

7.根据权利要求6所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述第四步中，利用脱模装置在低温制冷室内将镜壳从芯轴上释放，得到反射镜的步骤如下：

1）底座水平放置，将丝杆固定在底座上，然后在底座上安放垫圈；

2）在垫圈上放置芯轴和镜壳的联合体，使镜壳与垫圈接触，芯轴不与垫圈接触；

3）在芯轴上放置垫块，通过螺母进行预紧；

4）将整套脱模装置放入低温制冷室内冷却，恒温后通过螺母对芯轴施加作用力，将反射层转移到镜壳上，使镜壳成为一个自由独立的反射镜。

8.根据权利要求1或7所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述低温制冷室温度为-24℃。

9.根据权利要求1所述的复制制造Wolter-I型反射镜的工艺，其特征在于所述金膜厚度大于0.5μm。