CN1604835A - 磨石及制造光学元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磨石1，其具有支座2和在支座2上提供的磨粒层9，磨粒层9是含有磨粒的镀膜，在磨粒层和支座之间提供有与磨粒层9的物理性能不同的中间层7中间层7是含有磨粒的镀膜，并且中间层7的镀膜的色调与磨粒层9的镀膜的色调不同。这样制备的磨石具有以镀膜作为粘合剂形成的磨粒层，能很容易地判断磨石的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种玻璃、金属等研磨和抛光用磨石，以及用这种磨石制造光学元件的方法。
背景技术
在现有技术中，使用镀膜作为磨粒的粘合剂的磨石是已知的。该磨石的结构为在金属支座上提供了由分散着磨粒的镀膜形成的磨粒层。在制造该磨石的过程中，首先将支座表面进行规定的脱脂处理和活化处理，然后将得到的支座放入电镀液中进行电镀。在电镀过程中，将磨粒放入电镀液中，借此能够形成其中带有磨粒的电镀液以形成磨粒层。磨石，例如用树脂结合剂或金属结合剂作为粘合剂的磨石可用于各种各样的研磨和抛光。
在使用镀膜作为粘合剂的磨石中，研磨或抛光导致磨粒层逐渐磨损，最终使支座表面暴露出来。然而，要确认磨粒层的磨损是困难的，这就带来了不能确定磨石寿命的问题。在通常的、使用树脂结合剂或金属结合剂作为粘合剂的磨石中，由磨粒层保持其整体的厚度方向，因此可以容易地通过视觉判断磨石的寿命。然而，对于使用镀膜作为粘结剂的磨石，由于所提供的磨粒层是在金属支座上，难以通过视觉确认支座和磨粒层之间的边界。如果当支座表面刚好是在磨粒层完成对工件的加工时暴露出来的，更换工件时就能发现磨粒层的磨损，从而对磨石进行更换。然而在绝大多数情况下，支座的表面是在工作中暴露的。因此，工件的表面会与其接触，使工件表面被深度划伤或工件破裂，形成了不能进行任何再加工的次品。支座本身也会被划伤，因此在某些情况下不能再次使用该支座。
发明内容
本发明的目的是提供一种由作为粘合剂的镀膜形成磨粒层的磨石，这种磨石的寿命容易确认，还提供了一种用这种磨石制造光学元件的方法和投影曝光设备的制造方法。
为了实现本申请的上述目的，本发明提供了一种如下所示的磨石。
即，这种磨石包括一个支座和在支座上提供的磨粒层；其中，磨粒层是含有磨粒的镀膜；和
在磨粒层和支座之间提供了一种物理性能与那些磨粒层不同的中间层。
在本申请中，本发明还提供了一种如下所述的磨石。
即，这种磨石包括一个支座和在支座上提供的磨粒层；其中，磨粒层是含有磨粒的镀膜；和
在磨粒层和支座之间提供了一种光学性能与那些磨粒层不同的中间层。
在上面的磨石中，也可以使中间层含有磨粒的镀膜，并且镀膜的色调与所述磨粒镀膜的色调不同。
在上面的磨石中，由中间层组成的镀膜是黑色镀镍膜，所述磨粒的所述镀膜是银白色镀膜。
在上述的磨石中，由中间层组成的镀膜和由所述磨粒组成的所述镀膜中，可以一个是镀镍膜，另一个是镀铜膜。
在本申请中，本发明还提供了一种如下所述的磨石。
即，这种磨石包括一个支座和在支座上提供的磨粒层；其中，
磨粒层是含有磨粒的镀膜；和
在磨粒层和支座之间放置了一种对工件的动摩擦系数与磨粒层不同的中间层。
可以这样形成上面所述的磨石，中间层是含有磨粒的镀膜，并且该镀膜的硬度与所述磨粒的辅助镀膜的硬度不同。
可以这样形成上面所述的磨石，中间层是含有磨粒的镀膜，并且该镀膜与磨粒层在所含磨粒的粒径和浓度中至少有一项是不同的。
依照前面所述的发明，提供的磨石具有由作为粘合剂的镀膜形成的磨粒层，并能够容易地确定磨石的寿命。
为了达到上述目的，在本申请中，本发明还提供了一种如下所述的光学元件的制造方法。
即，一种通过加工工件来制造光学元件的方法，其中，
通过磨石来加工该工件；并且
所用的磨石具有支座、磨粒层以及中间层。其中，在支座上提供的磨粒层由含磨粒的镀膜形成；在支座和磨粒层之间提供的中间层具有与磨粒层不同的物理性质；这些物理性质包括对工件的动摩擦系数和光学性能。
为了达到上述目的，在本申请中，本发明还提供了如下所述的投影曝光设备的制造方法。
即，这是一种投影曝光设备的制造方法，该设备具有由透镜组成的光学系统。其中，制得的磨石具有支座、磨粒层以及中间层。其中，在支座上提供的磨粒层由含磨粒的镀膜形成；在支座和磨粒层之间提供的中间层具有与磨粒层不同的物理性质；这些物理性质包括对透镜材料的动摩擦系数和光学性能；和
用磨石对该透镜材料进行加工，将加工透镜材料得到的透镜放置在光学系统中。
附图简述
图1是本发明的第一具体实施方式和实施例1中磨石结构的示意图。
图2(a)-(e)是本发明的实施例1中磨石制造方法的示意图。
图3是本发明的实施例2中磨石结构的示意图。
图4(a)-(d)是本发明(第一部分)的实施例2磨石的制造方法示意图。
图5(e)-(g)是本发明(第二部分)的实施例2磨石的制造方法示意图。
图6是本发明的实施例3磨石的结构示意图。
图7(a)-(e)是本发明的实施例3磨石的制造方法示意图。
图8(a)是本发明的实施例3中表面磨粒层的变化示意图，图8(b)是本发明的实施例3中中间磨粒层的变化示意图。
图9是本发明的第二具体实施方式中所用加工工具的透视图。
图10是本发明的第二具体实施方式中所用加工工具的第一种制造方法的示意图。
图11是本发明的第二具体实施方式中所用加工工具的第二种制造方法示意图。
图12是本发明的第三具体实施方式中光学元件的制造方法示意图。
图13是本发明的第四具体实施方式中投影曝光设备的结构图。
实施本发明的最佳方式
下面将参照附图对本发明的各种具体实施方式进行描述。
第一具体实施方式
首先描述的是本发明的第一具体实施方式。
该具体实施方式中磨石的结构如图1所示，按顺序在支座2上叠加中间磨粒层7和表面磨粒层9。中间磨粒层7和表面磨粒层9都是磨粒层，用镀膜做为将磨粒4a和4b粘合在一起的粘合剂。制得的中间磨粒层7和表面磨粒层9至少有一种物理性质彼此不同，如光学性能和动摩擦系数，以便能够确认两者之间的界线51。
例如，每一个制得的中间磨粒层7和表面磨粒层9使用具有不同光学性能如反射率和吸收波长的粘合剂镀膜。这样，可以凭肉眼确定中间磨粒层7和表面磨粒层9之间色彩(色调和色辉)、色度、亮度、光泽等等的不同，或用测量工具确定反射波长的分布，从而来确定中间磨粒层7和表面磨粒层9之间的界线51。为了制备具有不同反射率和吸收波长的镀膜，组成镀膜的主成分金属的类型应该彼此不同。例如，已知无电镀镍膜是色调为黑色的镀膜。并且，提供了呈现银白色调的电镀或无电镀镍膜、电镀锡膜、电镀铅膜、电镀铁膜、电镀银膜、电镀锌膜。色调为棕色的电镀铜膜也是已知的镀膜，色调为金色的电镀金膜也是已知的镀膜。因此，例如，可以将黑色无电镀镍膜用作由中间磨粒层7组成的镀膜，将银白色无电镀镍膜用作由表面磨粒层9组成的镀膜。另一个实施例，可以将银白色无电镀镍膜用作中间磨粒层7的镀膜，将棕色镀铜膜用作由表面磨粒层9组成的镀膜。在这些情况中，可以通过视觉观察磨石1的表面确定表面磨粒层9是否已经磨损，以及不同的中间磨粒层7是否已经暴露。因此，能够辨别出表面磨粒层9已经磨损，达到磨石的寿命期限。
在下面的表1中，为形成上述各种颜色镀膜的镀液(镀浴)的例子。
| 色彩 | 镀膜和镀液(浴)的类型 | |
| 黑色 | 无电镀镍商品名KANIBLACK SKZ(由日本Kanigen有限公司提供)：HV250 | |
| 银色 | (1)镀镍： | |
| ①电镀：-主要由硫酸镍和氯化镍组成的Watts镍浴：HV150。-主要由氨基磺酸镍组成的氨基磺酸镍浴：HV200。-主要由氯化镍组成的氯化镍浴：HV230。 | ||
| ②无电镀：-主要由硫酸镍或氯化镍组成的镍-磷镀液，使用次磷酸盐作为还原剂：HV500(含有约9％的磷)，HV650(含有约3％的磷)。-镍-硼镀液，使用硼氢化物作为还原剂：HV800。 | ||
| (2)镀锡：全部电镀。-主要由硫酸锡组成的镀浴：HV5。-主要由氟硼酸亚锡组成的镀浴。-主要由锡酸钾组成的镀浴。-主要由锡酸钠组成的镀浴。 | ||
| (3)镀铅：全部电镀。-主要由氟硼酸组成的镀浴。-主要由氨基磺酸组成的镀浴。-主要由偏磺酸(metasulfonic)组成的镀浴。 | ||
| (4)镀铁：全部电镀。-主要由氯化亚铁组成的镀浴：HV120。-主要由硫酸亚铁组成的镀浴：HV180。-主要由氟硼酸亚铁组成的镀浴。-主要由氨基磺酸亚铁组成的镀浴。 | ||
| (5)镀银：主要由氰化银组成的电镀浴 | ||
| (6)镀锌：全部电镀-主要由氰化锌组成的镀浴：HV60-主要由氯化锌组成的镀浴：HV60-主要由硫酸锌组成的镀浴 | |
| 棕色 | 镀铜：全部电镀-主要由硫酸铜组成的镀浴：HV50-主要由焦磷酸铜组成的镀浴：HV160-主要由氰化铜组成的镀浴：HV100 |
| 金色 | 镀金：电镀-主要由氰化金组成的镀浴：HK50(努氏硬度) |
注：HV代表镀膜的维氏硬度，HK代表镀膜的努氏硬度。
即使金属是相同的，还是可能通过某种方法使反射率或吸收波长分布不同，该方法例如，在镀液中加入不同浓度的添加剂。这样，例如，可以通过视觉辨别光泽上的不同，或用测量设备测量磨石1的表面或废液的反射率或吸收波长分布，以确认中间磨粒层7和表面磨粒层9之间的界限。
彼此光学性能不同的磨粒还可以用作中间磨粒层7和表面磨粒层9的磨粒，使中间磨粒层7和表面磨粒层9具有不同的反射率或吸收波长分布，以便能确认中间磨粒层7和表面磨粒层9之间的界限。
还可以这样制造中间磨粒层7和表面磨粒层9，将具有不同硬度的镀膜用作粘合剂。如上面图1所示，镀膜硬度因镀膜的材料的不同而不同，即使相同材料形成的镀膜的硬度还要取决于镀液(镀浴)和镀覆的方法(无电镀或电镀)。还可以将下面表2中所示的添加剂加入到表1所示的镀液中制备硬度不同的镀膜。表2列出了添加剂的例子，其中可以通过改变添加剂的类型或加入的浓度控制硬度。从而，可以使用在中间磨粒层7和表面磨粒层9之间材料不同的镀膜，或者用由不同镀液或不同镀覆方法形成的相同材料的镀膜，以形成彼此硬度不同的中间磨粒层7和表面磨粒层9。因此，可以这样制备中间磨粒层7和表面磨粒层9使它们间的镀膜硬度彼此不同。这使中间磨粒层7和表面磨粒层9具有相对工件的不同的动摩擦系数值。因此，当使用本具体实施方式的磨石进行例如研磨或抛光的加工时，可以测量磨石1的旋转扭矩，以确认中间磨粒层7和表面磨粒层9之间的界限51。顺便提一下，还可以通过改变方法如，在镀覆中改变镀液的温度或在无电镀中改变电流值，使同种材料形成的镀膜具有不同的硬度。
表2
| 镀液类型 | 添加剂 | 硬度(HV) |
| 氨基磺酸镍 | saccarinate钠，1g/L | 400 |
| Watts镍 | NYSTAR 80M(商品名，C.Uyemura有限公司提供) | 680 |
| 硫酸铜 | CUBELITE HS(商品名，Ebara-Udylite有限公司提供) | 150 |
| 硫酸锡 | Sn-222(商品名，Dipsol化学有限公司提供) | 40 |
还可以这样制备中间磨粒层7和表面磨粒层9，使包含在这些层中的磨粒4a和磨粒4b的粒径和磨粒浓度至少有一项不相同。这使中间磨粒层7和表面磨粒层9具有不同的对工件动摩擦系数。因此，当使用本具体实施方式的磨石进行例如研磨或抛光的加工时，可以测量旋转扭矩，以确认中间磨粒层7和表面磨粒层9之间的界限51。顺便提一下，包含在中间磨粒层7和表面磨粒层9中的磨粒4a和4b的粒径分别取决于放入镀液中的磨粒的尺寸。因此，可以加入尺寸不同的磨粒，使中间磨粒层7的磨粒4a的粒径与表面磨粒层9的磨粒4b的粒径不同。并且，可以通过改变加入镀液中磨粒的量来控制中间磨粒层7和表面磨粒层9中磨粒的浓度。例如，可按表3所示粒径和用量，将磨粒加入到表1的镀液中，按表3所示的镀膜中含磨粒的比例形成磨粒层。因此，可依照想要的磨粒密度(含量)控制镀液中磨粒的量，改变将形成的镀膜中磨粒的密度，使中间磨粒层7和表面磨粒层9具有不同的对工件动摩擦系数。
表3
| 镀液类型 | 磨粒(金刚石)尺寸和数量 | 磨粒层中磨粒的含量 |
| 黑色无电镀镍 | 2-4μm 0.1wt.％ | 20vol.％ |
| 同上 | 同上 0.2wt.％ | 30vol.％ |
| 无电镀镍磷(P：9％) | 2-4μm 0.05wt.％ | 15vol.％ |
| 同上 | 同上 0.1wt.％ | 25vol.％ |
| 同上(P：3％) | 同上 0.05wt.％ | 20vol.％ |
| 同上 | 同上 0.1wt.％ | 30vol.％ |
| 镀氨基磺酸镍 | 12-25μm 0.1wt.％ | 25vol.％ |
| 同上 | 同上 0.2wt.％ | 35vol.％ |
| 镀硫酸铜 | 2-6μm 0.1wt.％ | 10vol.％ |
| 同上 | 同上 0.2wt.％ | 20vol.％ |
顺便提一句，将磨石1的表面磨粒层9的厚度设计为能够研磨或抛光所需数量工件，如几百微米(μm)。另一方面，中间磨粒层7的厚度优选为能够加工至少一个工件。因此，在那里就可以通过视觉或测量工具确认表面磨粒层9已经磨损，中间磨粒层7已经暴露，继续进行加工工艺直到工件的加工完毕，然后，更换磨石1。这可以提高操作的效率。即使采用这样的工艺，支座2也不会在加工还在继续的过程中暴露出来，这是因为中间磨粒层7的厚度能加工至少一个工件，可以防止支座2划伤工件。例如，中间磨粒层7的厚度可以是约几十个微米(μm)。
下面描述的是本具体实施方式中磨石1的生产过程。
首先，将支座2加工成型，使之与所需工件的形状和尺寸相应并与工件的形状相反。因为能够保持机械强度，金属是合适的支座2的材料。例如，因为能够容易地进行预镀，所以可以使用铁或黄铜。当用无电镀的方法形成中间磨粒层7时可以用铁来制备支座2，因为支座2本身就是催化剂，可以不使用任何催化剂。当用铝、黄铜、不锈钢和树脂作为支座2时，也可以加入催化剂。
接下来是镀覆的预处理，用溶剂对支座2进行脱脂，除了形成磨粒层7和9外，还要形成掩模。顺便提一句，当用无电镀形成中间磨粒层7时，要将全部的支座2进行规定的碱脱脂和活化处理。在没有使用任何能加速无电镀反应的催化剂的支座2中，进一步形成催化剂层。为了形成催化剂层，将由黄铜或不锈钢制成的支座2浸入到主要由氯化钯组成的水溶液中，在支座表面上形成作为催化剂层的钯层。
接着，将具有所需粒径的磨粒以所需的数量加入到前面所选的镀液中，通过电镀或无电镀形成中间磨粒层7。需要明确说明的是，当用无电镀形成中间磨粒层7时，将磨粒4a如，具有所需粒径的金刚石粉末加入到前面所选的镀液中，接着用搅拌器等进行搅拌使磨粒分散均匀，在此过程中放入支座2。因此，仅在支座2表面暴露的地方形成含磨粒的膜，以形成中间磨粒层7。通过控制镀覆条件如，镀液温度和镀覆时间来控制中间磨粒层7，使其具有所需的厚度。还可以通过控制加入镀液中磨粒的量和搅拌器的搅拌条件控制中间磨粒层7中磨粒4a的含量。其间，当用电镀的方法形成中间磨粒层7时，在某些情况下，由于电镀的一些性能，在支座2成型后，中间磨粒层7并不均匀。因此，在中间磨粒层7形成之后，优选地通过机械加工来修正形状。在使用电镀中，主要通过控制电流速度和镀覆时间来控制中间磨粒层7的厚度。
接着，在中间磨粒层7上形成表面磨粒层9。当用无电镀来形成表面磨粒层9，且中间磨粒层7使用黑色或银色镀镍作为粘结剂时，中间磨粒层7本身作为催化剂提高了表面磨粒层9的无电镀反应速度，因此不必使用特殊的预处理。然而，当中间磨粒层7使用镀铜膜作为粘结剂时，与其在形成中间磨粒层7的预处理时相同，形成一层钯核作为催化剂。此后，通过电镀形成表面磨粒层9。另一方面，当用电镀来形成表面磨粒层9时催化剂不是必需的，因此在水洗后，可以将其上带有中间磨粒层7的支座2立即放入镀液中以形成表面磨粒层9。可以通过与形成中间磨粒层7同样的方式控制表面磨粒层9的厚度和磨粒层中磨粒的含量。
此后，把带有这些层的支座从镀液中取出，水洗，然后除去支座2的掩膜。因此，具有中间磨粒层7和表面磨粒层9的催化剂层形成了。然而，要注意的是，在支座2成型后通过电镀形成的表面磨粒层9不均匀。因此，优选通过机械加工来修正形状。
按上面描述制备的本具体实施方式的磨石1，中间磨粒层7和表面磨粒层9具有的光学性能和对工件的动摩擦系数的物理性质中至少有一项不同。因此，可以通过视觉观察或用测量设备测量其光学特性以确认中间磨粒层7和表面磨粒层9之间的界限51。因此，在使用磨石1进行研磨或抛光的过程中，能够判断磨石1的使用寿命，这是因为能够发觉表面磨粒层9已经磨损和中间磨粒层7已经暴露。因此，在支座2暴露前就可以更换磨石1，这样就避免了支座2损坏工件1的危险。同时，支座2也不会被损坏，因此可对其重复使用。并且，可将中间磨粒层7的厚度设置为不低于工件研磨或抛光所需的厚度。因此，即使观察到中间磨粒层7已经暴露，可以继续加工工序直到工件被加工完毕，此后再更换磨石1。这提高了更换磨石1的操作效率。
顺便提及，在该具体实施方式中，已详细描述了色调不同的中间磨粒层7和表面磨粒层9。然而，还可以这样制备它们，使封入着色剂的微胶囊与磨粒4a一起被封入中间磨粒层7中。这样， 表面磨粒层9磨损掉并且中间磨粒层7暴露出来，于是由于加工导致的微胶囊破碎并释放出着色剂。因此，可以通过视觉或测量工具观察到废液的色调以确定中间磨粒层7已经暴露。
在该具体实施方式中，已经描述了改变磨粒的密度以改变中间磨粒层7和表面磨粒层9对工件的动摩擦系数。然而，还可以这样制备这些层，使磨粒层7和9中的磨粒密度逐步变化或从中间磨粒层7的厚度方向上连续变化，而没有如表面磨粒层9那样清楚的界限51。这样，旋转扭矩逐步变化或随着磨粒层的磨损连续变化，当旋转扭矩变为预定值时就能够判断磨石的寿命已到。
这样制备的磨石带来的效果是，当用一种类型的磨石加工大量的不同材料的工件时，即使中间磨粒层7因不同的工件材料具有不同的厚度，只要旋转扭矩判断寿命已经到了为每个工件材料预先设定的值，也能够判断出磨石的寿命。
实施例1
现在对本发明的实施例1进行描述。实施例1的磨石具有图1所示的磨石结构，它是用来加工凸透镜的球形磨石，通常称之为成型磨石。磨石1具有支座2，和在支座2上提供的中间磨粒层7以及表面磨粒层9。这样制备中间磨粒层7使金刚石制成的磨粒4a与黑色无电镀镍膜粘结在一起。制备表面磨粒层9以使金刚石制的磨粒4b与银白色无电镀镍膜粘结在一起。磨粒4a和磨粒4b的粒径都是2-4μm。中间磨粒层7的厚度约为10μm，表面磨粒层9的厚度约为300μm。支座2由黄铜制成。它的直径为30mm并且被加工成曲率半径R为20mm。
下面详细描述怎样制备实施例1中的磨石1。
首先，制备支座2，用溶剂脱脂(图2(a))。然后，在其背部以及外部周围侧面用遮蔽涂层包覆，以形成掩膜3，接着进行干燥(图2(b))。然后，将支座2依顺序进行碱脱脂和活化处理，随后在主要由氯化钯组成的钯置换溶液中浸泡60秒，在支座的表面部分形成钯层(未显示)，该膜作为催化剂层加速了无电镀反应。催化剂层形成之后，将支座放入无电镀镍溶液中(由日本Kanigen有限公司提供；商品名：KANIBLACK SKZ)5，它能形成色调为黑色的镀镍膜(图2(c))。
将0.1％重量、粒径2-4μm的金刚石粉末放入到无电镀镍溶液5中，以提供磨粒4a，接下来用搅拌器6进行搅拌。为了以预定量向镀液中掺入磨粒4a，将搅拌的条件设置为预定条件。镀液温度为90℃。在该溶液中，进行1小时的镀覆形成厚度为10μm的、已经与磨粒4a结合的黑色镀镍膜。该膜是中间磨粒层7(图2(d))。
然后，将带有中间磨粒层7的支座2进行水洗，随后放入无电镀镍溶液8中，它能形成色调为银白色的镀镍膜(图2(e))。作为镀液8，任何表1中所示的无电镀液都可以使用。然后，将0.1％重量的、粒径2-4μm的金刚石粉末放入到无电镀镍溶液8中，以提供磨粒4b，接下来用搅拌器6进行搅拌。为了以预定量向镀膜中掺入磨粒4b，将搅拌的条件设置为预定条件。镀液温度为90℃。在该溶液中，进行16小时的镀覆形成厚度为300μm的、已经与磨粒4b结合的银白色镀镍膜。该膜是表面磨粒层9。镀覆完毕后，将带有这些层的支座2从镀液8中取出进行水洗，然后干燥，除去掩膜3。因此，形成了直径为30mm，曲率半径R为20mm的磨石1(图1)。
实施例2
实施例2的磨石是扁平状的磨石，通常称之为片型磨石。磨石30具有支座32，和在支座32上提供的中间磨粒层37以及表面磨粒层39。在中间磨粒层37中，用银白色无电镀镍膜作为粘合剂将金刚石制成的磨粒34a粘结起来。在表面磨粒层39中，用褐色电镀镍膜作为粘合剂将金刚石制成的磨粒34b粘结起来。磨粒34a和磨粒34b的粒径都为4-6μm。支座32由铝制成，是直径为15mm，厚度为5mm的圆柱型。预先在支座32的背面提供螺纹孔201(图4(a))。
首先，用溶剂对支座32脱脂，然后将电镀电极10与支座32背面的螺纹孔201连接。然后，在最高约一半的厚度方向上用遮蔽涂层对支座32的背面和外部周围侧面包覆，形成掩膜3，然后干燥(图4(b))。接着，将支座32依顺序进行碱脱脂和活化处理，然后浸入锌置换溶液中30秒，在支座32的上表面形成锌层(未显示)，并在暴露于外部周围侧面的铝表面部分上形成锌层。该膜作为催化层加速了无电镀反应。
形成催化剂层后，将支座放入无电镀镍溶液38中得到银白色的色调(图4(c))。作为镀液38，任何表1中所示的无电镀溶液都可以使用。将0.2％重量、粒径为2-4μm的金刚石粉末放入到无电镀镍溶液38中，以提供磨粒4a，接下来用搅拌器6进行搅拌。为了以预定量向镀膜中掺入磨粒4a，将搅拌的条件设置为预定条件。镀液温度为90℃。在该溶液中，进行1小时的镀覆形成厚度为15μm的银白色、已经与磨粒4a结合的镀镍膜。该膜是中间磨粒层37(图4(d))。
然后，将带有中间磨粒层37的支座32进行水洗，随后放入电镀铜溶液11中，它能形成色调为褐色的镀铜膜。作为镀液8，任何表1中所示的无电镀液都可以使用。此处，将直流电源的阴极端连接到电镀电极10上，将其阳极端连接到放置在镀浴中的铜电极12上(图5(e))。将0.2％重量的、粒径4-6μm的金刚石粉末放入到无电镀镍溶液11中，以提供磨粒34a，接下来用搅拌器6进行搅拌。为了以预定量向镀膜中掺入磨粒34b，将搅拌器6的搅拌条件设置为预定条件。镀液温度为40℃。直流电流以每100平方厘米5安培的速度流经电极10和电极12。在该溶液中，进行16小时的镀覆形成厚度为约1mm的已经与磨粒34b结合的银白色镀镍膜(图5(f))。该膜是表面磨粒层39。镀覆后，将带有这些层的支座2从镀液中取出，水洗，然后干燥，接着除去电镀电极10和掩膜3。接下来，通过机械加工如砂磨对表面磨粒层39的表面进行表面修整，最后得到磨石31(图5(g))。
实施例3
实施例3的磨石，与实施例2相类似具有图6所示的结构，是一种通常被称为片型的扁平磨石。从而，与实施例2类似，磨石60也具有支座62，和在支座62上提供的中间磨粒层67以及进一步形成的表面磨粒层69。用银白色无电镀镍膜作为粘合剂，将由粒径2-3μm的金刚石制成的磨粒64a和64b粘结起来，制备中间磨粒层67和表面磨粒层69。此处，中间磨粒层67中的金刚石磨粒64a的含量为30体积％，表面磨粒层69中的金刚石磨粒64b的含量为15体积％。并且，中间磨粒层76的厚度约为15μm，表面磨粒层69的厚度约为350μm。支座62由铝材料制成，直径为30mm，厚度4mm。
下面参照图7，描述怎样制备实施例3中的磨石60。
首先，将上述支座62用溶剂脱脂，然后用掩膜63对其背面进行包覆形成掩膜63。将该支座放入镀具61中(图7(a))。其后，对掩膜63干燥一段时间使支座62固定在镀具61上。接着，将支座62的表面依顺序进行碱脱脂和活化。然后将支座62在锌置换溶液中浸没30秒，在支座62的上表面和在暴露于外部周围侧面的铝表面部分上形成锌层(未显示)，。该膜作为催化层加速了无电镀反应。
然后，将形成了催化剂层的支座62放进混有金刚石磨粒64a的无电镀溶液38中(图7(b))。无电镀溶液38与实施例1中形成磨粒层9所用的无电镀溶液是一样的，并将其加热到90℃。将粒径为2-3μm、0.2重量％的金刚石粉作为磨粒64a加入无电镀镍溶液38中。搅拌器6的搅拌条件是将磨粒64a以所需的量混入镀膜中(本实施例中为30体积％)。在上述条件下，进行1小时的镀覆，在支座62的催化剂层上形成沉积厚度为15μm的无电镀膜。该无电镀膜形成了中间磨粒层67(图7(c))。
此后，将带有其上形成有中间磨粒层67的支座62进行水洗，然后再次将其放入含有金刚石磨粒64b的无电镀镍溶液38中(图7(d))。该无电镀镍溶液38与形成中间磨粒层67的无电镀溶液相同。因此，可以简单地用水进行清洗。另外，这能防止混合不同类型的镀液时可能发生的错误沉积。将粒径为2-3μm的金刚石粉放入无电镀溶液38中，该金刚石粉与用于形成中间磨粒层67的无电镀溶液的磨粒64b相同，加入量为0.05重量％。为了以预定的量(本实施例中为15体积％)向镀膜中掺入磨粒64b，将搅拌的条件设置为预定条件。镀液38温度为90℃。镀覆时间为3小时，在中间磨粒层67上形成厚度为45μm的无电镀膜。该无电镀膜形成上述表面磨粒层69。
形成了所需厚度的表面磨粒层9后，从镀液中取出其上带有磨粒层的支座62和模具61，水洗，干燥。然后，除去掩膜63，带有磨粒层的模具62与镀具61分离。而后，对表面磨粒层69的表面进行机械加工，如进行砂磨，因此得到磨石60(图7(e))。
接下来描述的是对上面制得的磨石60进行的性能测试。
在该性能测试中，将150片的上述磨石60粘结成直径为380mm的平底板。借此，在下面的工作条件下，以2分钟的时间间隔检测工作速度(工件厚度方向的打磨深度)和表面磨粒层69的磨损深度之间的关系。
工件材料：石英(SiO2)。
工件形状和尺寸：盘型，直径为270mm，加工表面为扁平状。
研磨工具：由Tateno制造的椭圆动作型模具。
磨石的转数：250rpm。
工件的转数：500rpm。
表压：0.3Mpa
研磨溶液：用水稀释水溶液型研磨贮液制得的溶液(研磨贮液∶水＝1∶10)。
在该性能测试中，如下图4所示，只是在厚度约为45μm的表面磨粒层69基本磨损前(No.14)40μm标记处的加工速度基本稳定。然而，在表面磨粒层69基本磨损后(No.15)，加工速度显著降低。
表4
| 加工速度(μm)(2分钟的时间间隔，工件厚度方向的磨损厚度) | 磨粒层磨损厚度(μm) | |
| 1 | 47 | 1 |
| 2 | 43 | 未测 |
| 3 | 39 | 未测 |
| 4 | 43 | 12 |
| 5 | 41 | 未测 |
| 6 | 42 | 未测 |
| 7 | 45 | 21 |
| 8 | 46 | 未测 |
| 9 | 47 | 未测 |
| 10 | 44 | 未测 |
| 11 | 43 | 34 |
| 12 | 45 | 未测 |
| 13 | 43 | 未测 |
| 14 | 48 | 未测 |
| 15 | 36 | 45 |
| 16 | 30 | 未测 |
| 17 | 21 | 46 |
| 18 | 14 | 未测 |
| 19 | 4 | 46 |
这种现象是由下列原因造成的。
对于表面磨粒层69，如图8(a)所示，磨粒64b和64b之间的共有空间相对较宽，因此磨粒64b和粘结剂镀膜的研磨粉尘在研磨的过程中被适当地排掉。另一方面，对于中间磨粒层67，如图8(b)所示，磨粒64a和64a之间的共有空间相对较窄，因此磨粒64b和粘结剂镀膜的研磨粉尘在研磨的过程中很难被排掉，这些研磨粉聚集成小球开始堵塞。因此，在有中间磨粒层67的研磨中，加工的速度较低，在中间磨粒层67已经完全暴露的加工中，还可以看到工件在磨石上滑落而没有研磨。
如上所述，在实施例3中，通过提供堵塞条件，也就是通过向银白色无电镀镍膜中掺入粒径为2-3μm的30体积％的金刚石磨粒使制得的中间磨粒层67的动摩擦系数远远小于表面磨粒层69。在该条件下，在试图用中间磨粒层69来加工工件时中间磨粒层69造成堵塞。
因此，可将旋转扭矩的测量设备安装在被旋转工件的旋转驱动部分或被旋转磨石的旋转驱动部分。因此，当表面磨粒层69耗尽并且中间磨粒层67暴露出来时，伴随着极低的表面动摩擦系数，测到极低的旋转扭矩，并且从这个测量结果可以判断出磨石的寿命。
顺便提及，发现加工速度显著降低后，可以看到工件的表面没有丝毫的划伤。可以认为这是中间磨粒层67具有由其表面堵塞导致的非常光滑的表面形状的缘故。
如上所述，实施例1和2的磨石1和30具有与表面磨粒层9和39的色调不同的磨粒层7和37。因此，即使当表面磨粒层9和39在工件的加工过程中磨损掉，也可以通过视觉或测量设备观察它的色调以发现中间磨粒层7和37已经暴露。并且，在实施例3的磨石60中，中间磨粒层67相对于表面磨粒层69具有很低的动摩擦系数。因此，即使当表面磨粒层69在工件的加工过程中磨损掉，也可以通过加工速度的变化或磨石60旋转扭矩的变化发现中间磨粒层67已经暴露。因此，在实施例1，2和3的任何磨石中，能容易地判断磨石的寿命是否已经到头，然后确信无疑地更换磨石。顺便提及，中间磨粒层7，37和67的功能是作为磨石，因此它们能防止工件被划伤或损坏。并且，支座2，32和62它们本身也未被划伤，能够重复使用。
现在，对于在背景技术中提到的使用树脂结合剂或金属结合剂的磨石，它的寿命很短以至于在如研磨一次的情况下能看到工件的被磨表面，在这种情况下如果被磨表面损坏的话，将修整该被磨表面。因此，在这样的磨石中，必须经常观察被磨表面。而且，由于磨石在其厚度方向上全部是磨粒层，可以基本上确信磨石的寿命已达尽头。
然而，在上述第一具体实施方式和其实施例1，2和3中所示的磨石中，在金属支座上形成的镀膜形成了磨粒层。因此，难以看到磨粒层和支座之间的界限，并且难以识别磨粒层厚度的降低。另外，由镀膜组成的磨粒层很硬而且寿命长。尤其是，无电镀膜形成的磨粒层特别硬并且寿命特别长。因此，有这样一种趋势，即不需使用任何以树脂为结合剂的磨石中所用的修整来研磨大量工件，这样与树脂结合剂磨石相比，观察加工表面的机会就微乎其微了。因此，判断上述第一具体实施方式和它的实施例1，2和3中磨石的寿命就显得非常有用，磨粒层是由镀膜形成的。
第二具体实施方式
下面描述的是本发明的第二具体实施方式。
该具体实施方式是一种加工工具，其中使用大量的上述具体实施方式中所描述的磨石。
详细地说，如图9所示，在本具体实施方式的加工工具70中，如将前述实施例2的磨石30与盘状底盘71连接。即，在加工工具70中，将在上述具体实施方式和实施例1所用的磨石用作磨石球，并且将大量的磨石球与底盘71连接以形成磨石。
在该加工工具70中，要求其加工表面必须具有与要加工形状相反的形状。因此，在下面描述的加工工具70的制造方法中，其加工表面具有与要加工形状相反的形状。顺便提一句，下面描述中的加工形状是凸形，加工表面具有与其相反的凹形形状。
首先，参照图10对第一个生产过程进行描述。
在该生产过程中，制备其表面形状与要加工表面形状相反的部件作为底盘71a。然后，用粘合剂78等将大量的磨石30的支座32粘结在该底盘71a的表面上(图10(a))。
此时，大量被连接的支座32的表面形状与想要的表面形状完全相反。此处，用点样片79对大量支座32的表面进一步地研磨成型，以使大量被连接的支座32的表面形状与想要的表面形状确实相反(图10(a))。
然后，以上述具体实施方式中描述的方式在大量支座上形成中间磨粒层和表面磨粒层。
下面参照图11对第二个生产过程进行描述。
在该生产过程中，与第一个过程不同，制备了具有扁平表面的底盘71b。然后，用粘合剂78等将大量磨石30的支座32粘结在该底盘71b的表面上(图11(a))。
接着，用点样片79对粘结到底盘71b上的大量支座32的表面研磨成型，使在该形状中排列的大量支座32的表面与要加工的表面形状相反(图11(b))。
然后，以上述具体实施方式中描述的方式在大量支座上形成中间磨粒层和表面磨粒层。
第三具体实施方式
下面描述的是本发明的第二具体实施方式。
本具体实施方式是用上述磨石制造光学元件的方法。此处，参照图12，对使用第二具体实施方式中所描述的加工工具(磨石)70来制造凸形光学元件的方法进行描述。
首先，如图12(a)和(b)所示，为了与光学元件80的表面靠近，对工件80的形状进行制形。接着，如图12(c)所示，用加工工具70对工件表面研磨以得到如图12(d)所示的光学元件80。这样，在本具体实施方案中，旋转加工工具70时工件也随着旋转。
只要其具有想要的光学性能，任何材料基本上都可以作为光学元件的材料。例如，由于在很多情况下，为了在硅片上形成精细图案，把短波长ArF激光或F2激光用作光源，为了处理短波长光，在这种投影光学系统的各种光学元件中使用了石英或萤石。通过各种试验可以确信，在将这样的石英或萤石用作光学元件的材料时，使用有镀膜的磨石是非常优选的，尤其是将无电镀膜作为磨粒的粘合剂。因此，当将石英或萤石用作光学元件材料时，使用如上所述第一具体实施方案和它的实施例1，2和3的磨石和第二具体实施方案的加工工具是有效的。
第四具体实施方案
下面描述本发明的第四具体实施方案。
本具体实施方案是用上述磨石制造投影曝光装置的方法。
如图13所示，本具体实施方案的投影曝光装置是一种在硅片90上投影图案的设备，它具有光源91，会聚镜头92，照明光学系统93，投影光学系统94，和放置硅片90的平台95。在照明光学系统93和投影光学系统94之间，适当地放置一个中间掩膜(reticle)96，在这里形成了与硅片90上的待加工图案相适应的图案。本具体实施方案所用的光源91是一种发射极短波长光线的ArF激光或发射更短波长光线的F2激光。照明光学系统93的功能是使光强在光程上均匀分布。
为了在硅片90上投影超细图案，要求近年来所用的投影曝光设备用如上面所述的更短波长的光来投影中间掩膜96的图案。因此，在本具体实施方案中，为了处理短波长光线，会聚镜头92和照明光学系统93中的各种透镜和投影光学系统94中的各种透镜都是由石英或萤石制得。
现在，本发明的各种试验已经表明，在石英或萤石的研磨中，当以第三具体实施方案的方式使用第二具体实施方案的加工工具(磨石)70时，会得到非常好的结果。详细地说，能够显著提高研磨速度。并且，由于能够容易地了解加工工具(磨石)70的寿命，在研磨过程中可以防止支座32不小心划伤玻璃材料，如石英和萤石，并且产量也变得更高。
另外，因为通过参杂着金刚石磨粒的无电镀膜形成的表面磨粒层39对工件进行研磨，能够高度精确地研磨玻璃材料如，石英和萤石，并状态良好，还能够降低设备本身的生产成本。
Claims (19)
1.一种磨石，包括支座和在支座上提供的磨粒层，其中所述磨粒层是含有磨粒的镀膜；和
在所述磨粒层和支座之间设置了与所述磨粒层具有不同物理性质的中间层。
2.一种磨石，包括支座和在支座上提供的磨粒层，其中所述磨粒层是含有磨粒的镀膜；和
在所述磨粒层和支座之间设置了与所述磨粒层具有不同光学性质的中间层。
3.一种磨石，包括支座和在支座上提供的磨粒层，其中所述磨粒层是含有磨粒的镀膜；和
在所述磨粒层和支座之间设置了与所述磨粒层具有不同的对工件的动摩擦系数的中间层。
4.如权利要求2的磨石，其中所述中间层是含有磨粒的镀膜，并且该镀膜的色调与所述磨粒层的所述镀膜的色调不同。
5.如权利要求4所述的磨石，其中所述中间层的镀膜是黑色镀镍膜，和所述磨粒层的所述镀膜是银白色镀膜。
6.如权利要求4所述的磨石，其中所述中间层的镀膜和所述磨粒层的镀膜中，一个是镀镍膜，另一个是镀铜膜。
7.如权利要求3所述的磨石，其中所述中间层是含有磨粒的镀膜，并且该镀膜的硬度与所述磨粒层的所述镀膜的硬度不同。
8.如权利要求3所述的磨石，其中所述中间层是含有磨粒的镀膜，并且该镀膜与所述磨粒层在所含磨粒的粒径和密度中至少有一项不同。
9.如权利要求8所述的磨石，其中所述中间层中所含的磨粒的密度高于所述磨粒层中所含的磨粒的密度。
10.如权利要求3所述的磨石，其中所述中间层是含有磨粒的镀膜，并且形成该镀膜使得所含磨粒的粒径和密度中的至少一项能提供产生堵塞的条件，在该条件下，当用所述中间层加工工件时，所述中间层引起堵塞。
11.如权利要求1的磨石，其中所述中间层的所述物理性质包括加工速度，该速度远远小于用所述磨粒层加工工件的速度。
12.如权利要求1-11中任一项的磨石，其中所述磨粒层的所述镀膜是无电镀膜。
13.一种具有多个权利要求1-12中任一项的磨石的加工工具，其中将所述多个磨石与底板连接。
14.一种通过加工工件制造光学元件的方法，其中；
当用磨石加工工件时，所述磨石具有支座，在支座上设置的由含磨粒的镀膜形成的磨粒层，和在支座与磨粒层之间设置的与磨粒层具有不同物理性质的中间层；其中物理性质包括对工件的动摩擦系数和光学性能。
15.如权利要求14的光学元件的制造方法，其中所述磨粒层的所述镀膜由无电镀膜形成。
16.如权利要求14和15中任一项的制造光学元件的方法，其中所述工件是萤石或石英。
17.一种制造投影曝光设备的方法，该设备具有包含透镜的光学系统，其中；
准备磨石，其具有支座，在支座上设置的由含有磨粒的镀膜形成的磨粒层，和在支座和磨粒层之间设置的与磨粒层具有不同物理性质的中间层；所述物理性质包括对透镜材料的动摩擦系数和光学性能；和
用磨石加工透镜材料，把通过加工透镜材料得到的透镜安装在所述的光学系统中。
18.如权利要求17的制造投影曝光设备的方法，其中所述磨粒层的所述镀膜由无电镀膜形成。
19.如权利要求17-18中任一项的制造投影曝光设备的方法，其中所述透镜材料是萤石或石英。
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