CN110465835A - 一种单晶硅柱面元件的加工方法 - Google Patents

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    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes

Abstract

本发明涉及光学超光滑加工领域，具体是一种单晶硅柱面元件的加工方法，利用古典抛光方法加工超光滑平面元件，经超声清洗后，使用大气等离子体抛光设备进行柱面成型，精修面形，多次迭代抛光，最终完成柱面元件的加工，解决了传统柱面镜加工中无法兼顾高精度与超光滑加工的问题。

Description

一种单晶硅柱面元件的加工方法
技术领域
本发明属于光学超光滑加工领域，涉及大气等离子体加工柱面元件，尤其是对抛光后的平面光学元件进行柱面快速高精度超光滑成型的方法。
背景技术
柱面镜是一种特殊的非球面镜，具有独特的光学成像性能。高精度柱面镜和柱面系统在同步辐射光源、聚焦系统、电影摄像镜头、激光打印机、激光整形系统等装置上有着越来越广泛的应用。以单晶硅基底的柱面镜可组成K-B镜掠入射系统，用于同步辐射光源中的光束聚焦，其加工难度极大。
传统柱面镜的加工方法为柱面粗磨成型、柱面细磨、柱面粗抛、柱面精抛修形四个阶段，主要思路是先成型柱面，后进行抛光。其加工难度大、效率低。超光滑加工的主要技术为浮法抛光、浴法抛光、古典抛光加工等技术，主要适用于平面元件，所以说平面元件相比于柱面等非球面元件来说更易获得超光滑表面。高精度修形阶段目前多使用以小工具物理去除方式为主的数控抛光设备，要达到表面粗糙度Rq＜0.5nm是极为困难的。所以传统加工方式无法同时兼顾高精度和超光滑的加工要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种单晶硅柱面元件的加工方法，该方法可以实现单晶硅基底柱面镜的高效、高精度、超光滑加工，有利于提高光学柱面元件的加工面形精度和加工效率，并极易获得超光滑表面，满足元件的使用需求。
本发明的技术解决方案如下：
步骤一：对高纯度(99.99999999999％)的单晶硅平面元件坯料进行平面加工处理，得到面形PV值0.5-1λ，粗糙度Rq小于0.3nm的平面抛光元件；
步骤二：将根据实际柱面元件尺寸和半径计算得到的理论面形与步骤一得到的平面元件实际面形相减得到残余误差。并根据残余误差计算出驻留时间；
步骤三：将步骤一得到的平面抛光元件进行超声清洗，清除表面残留的抛光粉等杂质，清洗后表面无大于1μm颗粒残留；
步骤四：将步骤二得到的驻留时间导入大气等离子体抛光机，对步骤三得到的平面元件进行柱面成型，得到单晶硅柱面元件；
步骤五：对步骤四得到的单晶硅柱面元件的面形进行检测，计算残余误差，如符合加工要求，则加工完毕；如不符合加工要求，则返回步骤二，重新计算驻留时间，经步骤三重新超声清洗，步骤四重新加工，反复迭代多次，直到面形达到要求。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1.本方法是基于大气等离子抛光的方式，为非接触精密抛光的方法，而且抛光时以化学反应为主，去除量大小可调节，可实现大去除量成型和小去除量修形的结合。
2.利用平面元件便于获得超光滑表面的优势，先使元件表面粗糙度Rq达到指标要求，再利用大气等离子体抛光快速去除、精密修形的优点，获得柱面元件。而且由于单晶硅纯度高，硅元素与氟元素反应生成SiF4等气体释放，没有其他杂质参与反应，所以反应后元件表面不形成残留物，不会破坏原有的表面粗糙度。
3.微米量级的颗粒(如抛光粉、灰尘颗粒)存在于元件表面，经大气等离子体抛光后会在元件表面产生突变，影响元件表面粗糙度Rq的数值，所以每次抛光之前必须进行超声清洗，完全去除表面大于1μm的颗粒。
4.本方法加工方法简单可靠，加工效率和精度都远高于传统方法。
附图说明
图1为本发明单晶硅柱面元件的加工方法实施例的流程示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、系统的阐述。显然，本次所阐述的实施例只是本发明中一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域中普通技术人员在不需要做出创造性劳动的前提下，所获得的其他所有实施例，均在本发明保护范围之内。
步骤一：将单晶硅平面元件坯料利用现有的传统平面加工工艺，包括粗磨、细磨、抛光等工艺流程，得到面形PV值0.5-1λ，粗糙度Rq小于0.3nm的平面抛光元件。其中表面粗糙度Rq参照实际柱面元件的最终要求，使单晶硅平面元件抛光后，Rq≤元件最终要求，达到以上指标完成平面加工；
步骤二：利用干涉仪精确测量平面元件的全口径实测面形，并根据柱面元件实际口径和半径参数计算得到柱面元件的理论面形，将理论面形与实测面形相减得到柱面元件的残余误差。将残余误差导入工艺软件，根据残余误差大小选择合适的抛光参数，计算出驻留时间；
步骤三：将步骤一得到的平面元件经超声清洗，清除表面残留的抛光粉等杂质，需进行多次不同频率多槽(清洗槽、喷淋槽、漂洗槽、烘干槽)超声清洗，完全去除直径大于1μm颗粒；
步骤四：将步骤二得到的驻留时间导入大气等离子体抛光机，对步骤三得到的平面元件固定在大气等离子体抛光机平台上，使元件中心与大气等离子抛光机Z轴中心重合，启动抛光机进行柱面成型，加工结束后得到单晶硅柱面元件。加工时根据以下反应：
Si+O*+CF4→SiF4+CO2
反应后生成SiF4和CO2气体释放，不在表面形成残留物，使单晶硅表面材料快速去除。抛光后元件表面无残留物生成，表面粗糙度不发生变化。
步骤五：对步骤四得到的单晶硅柱面元件的面形进行检测，根据步骤二计算残余误差的方法得到柱面元件残余误差，如残余误差符合加工要求，则加工完毕；如不符合加工要求，则返回步骤二，根据新测得残余误差重新计算驻留时间，经步骤三重新超声清洗，步骤四利用新计算得到的驻留时间重新加工后，再进行测量，反复迭代多次，直到面形达到要求。
本专利所述的单晶硅柱面元件高效、高精度、超光滑的加工方法，经过实际的加工实验，可有效加工柱面元件。实验表明，本方法实现了单晶硅柱面元件的高效、高精度、超光滑成型加工。

Claims (4)

1.一种单晶硅柱面元件的加工方法，其特征在于：所述的加工方法的步骤为：
步骤一：对高纯度(99.99999999999％)的单晶硅平面元件坯料进行平面加工处理，得到面形PV值0.5-1λ，粗糙度Rq小于0.3nm的平面抛光元件；
步骤二：将根据实际柱面元件尺寸和半径计算得到的理论面形与步骤一得到的平面元件实际面形相减得到残余误差。并根据残余误差计算出驻留时间；
步骤三：将步骤一得到的平面抛光元件进行超声清洗，清除表面残留的抛光粉等杂质，清洗后表面无大于1μm颗粒残留；
步骤四：将步骤二得到的驻留时间导入大气等离子体抛光机，对步骤三得到的平面元件进行柱面成型，得到单晶硅柱面元件；
步骤五：对步骤四得到的单晶硅柱面元件的面形进行检测，计算残余误差，如符合加工要求，则加工完毕；如不符合加工要求，则返回步骤二，重新计算驻留时间，经步骤三重新超声清洗，步骤四重新加工，反复迭代多次，直到面形达到要求。
2.根据权利要求1所述的一种单晶硅柱面元件的加工方法，其特征在于：根据最终柱面元件粗糙度Rq要求，单晶硅平面元件抛光后，Rq≤元件最终要求。
3.根据权利要求1所述的一种单晶硅柱面元件的加工方法，其特征在于：每次经大气等离子体抛光之前，元件必须经过超声清洗，完全去除大于1μm的颗粒。
4.根据权利要求1所述的一种单晶硅柱面元件的加工方法，其特征在于：步骤三提到的超声清洗设备必须紧靠大气等离子抛光机，以便清洗后立即进行抛光加工。
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