CN108356608A - 一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定性抛光Wolter‑I型光学芯轴的方法，所述方法包括如下步骤：(1)确定去除高度和抛光球的球径；(2)确定接触区域半径并计算出接触压力；(3)确定Preston系数；(4)计算抛光球球心的运动轨迹和各个抛光点处的驻留时间；(5)编写数控加工程序，实现弹性球体抛光工具运动轨迹的控制，并通过数控延时指令对弹性球体抛光工具在抛光点处的驻留时间t进行控制；(6)在弹性球体抛光工具表面贴附抛光布，选择合适的抛光液按照预先计算的抛光参数进行芯轴表面抛光。本发明的抛光方法可将球形抛光工具集成到车削加工设备中，实现芯轴车削和抛光加工的一次完成，提高芯轴加工精度和加工效率。

Description

一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法

技术领域

本发明属于光学和精密制造技术领域，涉及一种Wolter-I型光学芯轴的抛光方法，尤其涉及一种采用弹性球形抛光工具确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法。

背景技术

下一代光刻机中将使用优选波长13.5nm的极紫外光(EUV：Extreme Ultraviolet)作为光源，这种短波长的光需要使用专用的高效光学反射镜进行收集，反射镜的结构通常采用基于X射线掠入射光学设计的Wolter-Ⅰ型设计形式。Wolter-Ⅰ型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，通常非球面的陡度(或长径比)较大。由于直接加工内凹陡峭轴对称非球面的技术难度较大，因此，目前国际上常采用复制方法制造高精度Wolter-Ⅰ型反射镜。复制制造的主要工艺流程包括：制造Wolter-Ⅰ型原始芯轴、检验芯轴尺寸、芯轴表面化学镀镍磷合金、金刚石精密车削芯轴、检验芯轴尺寸和表面轮廓形状、抛光芯轴、检验芯轴表面粗糙度、使用芯轴复制反光膜层、电铸工艺制造镜壳、分离芯轴与镜壳等多道工艺环节。其中芯轴的精密车削加工和精密抛光加工是决定芯轴制造质量的关键工艺环节，通常需要在超精密车削设备和超精密抛光设备上分别进行，一是增加了芯轴的制造成本，二是多次装夹芯轴会引入装夹误差。显然，芯轴表面的加工质量对反射镜的复制至关重要，尤其是抛光后的芯轴表面粗糙度会增加EUV光线的反射损耗，降低反射率。

目前的超精密抛光技术主要是指计算机控制光学表面(CCOS：ComputerControlled Optical Surfacing)成形技术，包括应力盘抛光(Stress Lap Polishing)、离子束抛光(IBF：Ion Beam Figuring)、磁流变抛光(MRF：Magnetorheological Finishing)、磁射流抛光(MR Jet：Magnetorheological Jet)、磨料喷射抛光(AJP：AbrasiveJetPolishing)、流体喷射抛光(FJP：Fluid Jet Polishing)、气囊抛光(Bonnet ToolPolishing))和进动气囊抛光(Precessed Bonnet Polishing)等技术，其中：

应力盘抛光技术主要针对大口径非球面镜的制造，应力盘的直径一般为镜面口径的1/4，易于修改被加工表面产生的低频偏差，并能有效减少或避免计算机控制小工具抛光引起的中、高频误差。

离子束抛光技术虽然能够提供更高的材料去除率和非常好的重复性，不存在刀具磨损和边缘效应等问题，可以很好的校正长空间波长误差，并产生超好的表面，但是它对抛光材料具有很强的选择性，且离子束源须在真空中操作，可能在工件表面产生高温，因此常用的金刚石车削材料，如包括化学镀镍磷合金在内的有色金属和塑料并不适用于离子束抛光。

磁流变和磁射流抛光技术的优点是确定性和较高的材料去除率，主要用于抛光玻璃或晶体材料等折射光学元件，而且磁射流抛光技术可以解决陡峭凹面和深腔的高精度精加工问题，然而市售的抛光液主要用于抛光光学玻璃，对于化学镀镍磷合金表面抛光后的粗糙度难以达到优异的值。

流体喷射抛光技术可以根据不同的抛光对象合理的选择适合的磨料及混合液体的配比，而且不存在刀具磨损和边缘效应，在去除金刚石车削痕迹的同时不会损坏表面轮廓形状，可以抛光玻璃和镍等多种材料，但是抛光效率较低，而且有可能导致晶粒从基材中无意脱落以及磨料颗粒嵌入到基材中而污染表面等问题。

进动气囊抛光技术是一种主动控制，不同于传统气囊抛光的“简单旋动”，在该方法中，用于计算球形刀具旋动平面的表面切线方向允许围绕抛光点的中心旋转，具有较高的去除效率和良好的抛光效果，但是气囊除了自转之外，还要做进动旋转，而且抛光点的接触压力需要通过控制气囊内的气压来调节，抛光的控制过程较为复杂。另外，气囊抛光系统的结构较为复杂，有时会发生气囊失稳现象以及出现工具姿态与模具表面干涉问题，不便于集成在超精密车削机床上，以实现超精密车削和抛光工艺过程的一次完成。

综上所述，Wolter-Ⅰ型化学镀镍磷合金芯轴表面的高精度抛光是困难的，专用的超精密确定性抛光设备十分昂贵，而且适合化学镀镍磷合金表面高精度抛光的方法较少。

发明内容

本发明针对降低金刚石车削之后的Wolter-Ⅰ型光学芯轴表面粗糙度的问题，提供了一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其目的在于降低抛光成本，以及在Wolter-Ⅰ型芯轴装夹后车削和抛光一次完成，提高芯轴制造精度和效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，包括如下步骤：

(1)采用弹性球体作为抛光工具，根据金刚石车削后芯轴表面粗糙度的检验结果确定去除高度h，参考车削加工参数和抛光后的表面粗糙度要求由以下公式确定抛光球的球径r_q：

式中：σ为抛光后芯轴表面粗糙度，ζ为最大去除材料的区域半径；

(2)根据弹性球体的形变确定接触区域半径a(a≥ζ)，并通过以下公式计算出接触压力F：

式中：r_q为球体半径(mm)，μ₁为球体材料的泊松比，E₁为球体材料的弹性模量(N/mm²)，μ₂为平面材料的泊松比，E₂为平面材料的弹性模量(N/mm²)；

(3)选择一个固定的抛光点P，在n、Y_p、F、a恒定的情况下，根据不同的抛光时间t和去除高度h由以下公式通过实验确定Preston系数K：

式中，t为抛光时间，n为芯轴转速(rpm)，Y_p为芯轴上P点对应的径向截面圆的半径，h(x,y)为抛光t时间后，点(x,y)处被去除的材料高度，F为接触正压力(N)；

(4)通过以下公式计算抛光球球心的运动轨迹：

式中：m为抛光点的个数，θ_i为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点对应的法线与非球面对称轴的夹角，X_i、Y_i为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点处的横纵坐标值；

通过以下公式计算各个抛光点处的驻留时间t_p：

(5)编写数控加工程序，实现弹性球体抛光工具运动轨迹的控制，并通过数控延时指令对弹性球体抛光工具在抛光点处的驻留时间t进行控制；

(6)在弹性球体抛光工具表面贴附抛光布，选择合适的抛光液按照预先计算的抛光参数进行芯轴表面抛光。

本发明具有如下优点：

1、目前Wolter-I型复制用芯轴的制造工艺主要包括：芯轴的粗加工、芯轴表面化学镀镍磷合金、芯轴的精密车削加工、芯轴的检验和精密抛光加工，其中芯轴的精密车削加工和精密抛光加工是决定芯轴制造质量的关键工艺环节，通常需要在超精密车削设备和超精密抛光设备上分别进行，一是增加了芯轴的制造成本，二是多次装夹芯轴会引入装夹误差。因此，相比于现有方法，本发明的抛光方法可将球形抛光工具集成到车削加工设备中，实现芯轴车削和抛光加工的一次完成，提高芯轴加工精度和加工效率。如图5所示，具体过程如下：(1)金刚石精密车削Wolter-I型芯轴表面；(2)在位检测车削后芯轴表面加工质量；(3)将车削刀具更换为球形抛光工具，根据表面粗糙度检验结果对芯轴表面进行确定性抛光；(4)在位检测抛光后芯轴表面粗糙度，如果合格则芯轴制造完成。

2、本发明的方法可用于复制制造Wolter-I型极紫外光学收集镜的芯轴的精密抛光，以及高陡度光学元件的精密抛光和Wolter-I型掠入射光学元件表面的精密抛光。

附图说明

图1为球形工具抛光芯轴原理；

图2为球形工具与工件之间的接触区域；

图3为计算抛光球的球径；

图4为芯轴的抛光实验，(a)抛光过程中的芯轴，(b)抛光后的芯轴；

图5为芯轴车削和抛光的一体化加工，(a)芯轴的车削加工，(b)芯轴的抛光加工，图中：1-金刚石车削刀具，2-Wolter-I型芯轴，3-检验芯轴的装置，4-抛光液喷嘴，5-球形抛光工具，6-刀架。

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。

本发明提供了一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，所谓确定性抛光，是指通过计算机技术对抛光工具和工件进行灵活控制，以实现工具与工件之间的相对位置、压力、速度、抛光时间等参数的确定性控制。具体详述如下：

1、抛光方法：

抛光工具采用球形弹性体，易于改变形状以适应组成Wolter-Ⅰ型芯轴的非球面表面。通过控制抛光球球心的运动轨迹沿非球面母线等距线运动，并使抛光球与非球面之间的接触压力通过球心指向抛光点法线方向，以保持抛光点处工具与非球面之间的接触压力恒定。如图1所示，芯轴跟随主轴以一定转速旋转，抛光球与芯轴表面接触，通过抛光球的弹性形变在抛光点产生相应的接触压力，由喷嘴向抛光区域喷射抛光液，通过细小的抛光磨粒和被抛光表面凸出部之间的相对研磨和滚压作用来降低芯轴表面粗糙度。

2、建立抛光芯轴去除函数模型：

目前成功应用的建模方法是基于1972年Preston提出的Preston假设，在假设的基础上可以采用如下线性方程来描述抛光过程：

式中：t为抛光时间；h(x,y)为抛光t时间后，点(x,y)处被去除的材料高度；P(x,y,t)为抛光点(x,y)处受到的瞬时法向正压强；V(x,y,t)为抛光点(x,y)处抛光工具与工件之间的相对运动速度；K为比例常数，也称作Preston系数，由速度和压力以外的其它影响因素决定。

根据赫兹接触理论，球面工具与非球面工件的接触区域为一椭圆形状，抛光区域A可假设为具有由x²/a²+y²/b²＝1定义的椭圆接触面积的边界，其中，a，b分别为椭圆抛光区的长短半轴，如图2所示，则满足椭圆赫兹分布的接触区域的压强为：

式中：P₀为压强峰值，P₀＝5F/(2πab)；F为接触正压力(N)。

由于实际抛光过程较为复杂，因此为分析方便，根据芯轴的实际抛光情况，做如下假设：

(1)相对于球形抛光工具而言芯轴口径较大，且芯轴表面陡度大，抛光球与芯轴表面接触区域范围内的曲率变化较小，因此抛光点处的接触区域A可近似为平面；

(2)球形抛光工具与芯轴表面的实际接触区域A的面积较小，近似平面处理后的椭圆区域长短半轴相差很小，可将接触区域A近似成圆形(a≈b)，即接触点P处的圆形接触区域的半径为a；

(3)抛光时球形抛光工具沿着芯轴子午轮廓曲线的等距线移动，可认为接触力F恒定，且抛光工具进给速度较小，可忽略其对去除函数的影响。

因此，接触区域的压强公式可简化为：

设在某一抛光点P处球形抛光工具与芯轴之间的相对速度为V＝2πnY_p/60，其中n为芯轴转速(rpm)，Y_p为芯轴上P点对应的径向截面圆的半径，则抛光芯轴的去除函数可表示为：

3、计算抛光接触区域半径a：

根据赫兹接触理论，球体与平面接触问题的接触半径a可由下式计算：

式中：r_q为球体半径(mm)；μ₁为球体材料的泊松比；E₁为球体材料的弹性模量(N/mm²)；μ₂为平面材料的泊松比；E₂为平面材料的弹性模量(N/mm²)。

给定力F，选择不同材料计算a值进行比对，最终确定选用天然橡胶作为抛光球基体材料。

4、计算抛光工具运动轨迹：

设轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点处的横纵坐标值为(X_i，Y_i)，则抛光球球心的坐标值计算公式如下：

式中：m为抛光点的个数；θ_i为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点对应的法线与非球面对称轴的夹角。

5、计算抛光球球径：

假设车削芯轴的刀具半径为r_d，刀具每转进给量为τ(μm/r)，车削后芯轴表面粗糙度为R_a，抛光后芯轴表面粗糙度下降到σ，最大去除材料的区域半径为ζ，如图3所示，则抛光工具球径r_q的计算公式如下：

式中：

6、计算驻留时间：

设Y_p为芯轴子午轮廓线上P点对应截面圆的半径，t_p为抛光P点的驻留时间，则由公式(4)可得t_p计算公式如下：

7、抛光步骤：

(1)根据金刚石车削后芯轴表面粗糙度的检验结果确定去除高度h，参考车削加工参数和抛光后的表面粗糙度要求由公式(7)确定抛光球的球径r_q；

(2)根据弹性球体的形变确定接触区域半径a(a≥ζ)，并通过公式(5)计算出接触压力F；

(3)选择一个固定的抛光点P，在n、Y_p、F、a恒定的情况下，根据不同的抛光时间t和去除高度h由公式(4)通过实验确定Preston系数K；

(4)通过公式(6)计算抛光球球心的运动轨迹，并通过公式(8)计算各个抛光点处的驻留时间t；

(5)编写数控加工程序，实现球形抛光工具运动轨迹的控制，并通过数控延时指令对抛光工具在抛光点处的驻留时间t进行控制；

(6)在弹性球形抛光工具表面贴附抛光布，选择合适的抛光液按照预先计算的抛光参数进行芯轴表面抛光。

8、抛光实验：

选择直径10mm的天然橡胶球形抛光工具，表面贴附抛光布，在接触压力10mN、工件转速1500rpm、0.5微米粒径的金刚石抛光液中对口径Φ170.81mm的芯轴进行抛光实验，总抛光时间约200min，抛光后表面粗糙度RMS下降到1.56nm，抛光过程中和抛光后的芯轴如图4所示。

Claims (4)

1.一种确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其特征在于所述方法步骤如下：

(1)采用弹性球体作为抛光工具，根据金刚石车削后芯轴表面粗糙度的检验结果确定去除高度h，参考车削加工参数和抛光后的表面粗糙度要求由以下公式确定抛光球的球径r_q：

式中：σ为抛光后芯轴表面粗糙度，ζ为最大去除材料的区域半径；

(2)根据弹性球体的形变确定接触区域半径a，并通过以下公式计算出接触压力F：

式中：r_q为球体半径，μ₁为球体材料的泊松比，E₁为球体材料的弹性模量，μ₂为平面材料的泊松比，E₂为平面材料的弹性模量；

(3)选择一个固定的抛光点P，在n、Y_p、F、a恒定的情况下，根据不同的抛光时间t和去除高度h由以下公式通过实验确定Preston系数K：

式中，t为抛光时间，n为芯轴转速，Y_p为芯轴上P点对应的径向截面圆的半径，h(x,y)为抛光t时间后，点(x,y)处被去除的材料高度，F为接触正压力；

(4)通过以下公式计算抛光球球心的运动轨迹：

式中：m为抛光点的个数，θ_i为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点对应的法线与非球面对称轴的夹角，X_i、Y_i为轴对称非球面子午轮廓线上第i个抛光点处的横纵坐标值；

通过以下公式计算各个抛光点处的驻留时间t_p：

(5)编写数控加工程序，实现弹性球体抛光工具运动轨迹的控制，并通过数控延时指令对弹性球体抛光工具在抛光点处的驻留时间t进行控制；

(6)在弹性球体抛光工具表面贴附抛光布，选择合适的抛光液按照预先计算的抛光参数进行芯轴表面抛光。

2.根据权利要求1所述的确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其特征在于所述式中：r_d为车削芯轴的刀具半径，τ为刀具每转进给量。

3.根据权利要求1或2所述的确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其特征在于所述a≥ζ。

4.根据权利要求1所述的确定性抛光Wolter-I型光学芯轴的方法，其特征在于所述弹性球体选用天然橡胶作为基体材料。