DD280330A1 - Verfahren zur chemisch-mechanischen politur von silikatglaesern - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Politur von Silikatglaesern, bei dem erfindungsgemaess unter Verwendung eines hartkornfreien, chemisch aktiven Poliermediums unter gleichzeitiger mechanischer Einwirkung eines poroesen Polierwerkzeuges entlang der zu polierenden Oberflaeche als aktives Poliermedium homogene, stark alkalische Fluessigkeiten mit p H-Werten 10 eingesetzt werden, die dem Polierprozess kontinuierlich ueber eine Dosiereinrichtung zugefuehrt werden und denen niedermolekulare Alkohole zugesetzt werden koennen. Auf diese Weise werden sehr saubere optische Funktionsflaechen mit hoher Formgenauigkeit und minimaler Reststreuung erhalten, die den Anforderungen an Hochleistungsoptik gerecht werden. Das erfindungsgemaesse Verfahren ist auch als Finalbearbeitungsschritt von konventionell mechanisch vorpolierten Silikatglaesern fuer die Erzeugung hochwertiger optischer Funktionsflaechen geeignet.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Politur von Silikatgläsern, das eine hohe Oberflächenqualität sichert. Hauptanwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Finalpolitur der Funktionsflächen optischer Bauelemente aus Silikatgläsern für den Einsatz in Hochleistungsoptiken.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Erzeugung hochwertiger optischer Funktionsflächen, d. h. mit der geforderten Geometrie, minimalen Restrauhigkeiten und maximaler Oberflächensauberkeit, ist es bekannt, mechanische, chemische, elektrochemische, plasmachemische und physikalische Polierverfahren einzusetzen (H.Dunken u.a.: Physikalische Chemie der Glasoberfläche, Dtsch. Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1981, S. 129ff.). Bei konventionellen mechanisch-chemischen Polierverfahren werden Poliermittelsuspensionen verwendet, die verschiedene anorganische Fest- und Hartstoffe, wie Fe₂O₃, Cr₂O₃, CeO₂, SiC usw., enthalten.

Weiterhin kommen polymer g- bundene Poliermittel dieser Art in Vorbindung mit Wasser zum Einsatz. Der Materialabtrag wird dabei durch einen unter den Bedingungen des Wirkspaltes zwischen Polierwerkzeug und Werkstück beschleunigten Auflöseprozeß oder durch Abrasion bewirkt. Speziell für die Präzisionspolitur werden an die losen und gebundenen dispersen Feststoffe hohe Anforderungen bezüglich chemischer Reinheit, Partikelstruktur und -größe, Dispergiereigenschaften u.a. gestellt, die einen hohen Herstellungsaufwand für diese Poliermittel bedingen. In der Regel verbleibt, bedingt durch Überkcrnbildung oder geringe Fremdhartkornanteile, bei der Einwirkung dieser Medien eine feine Kratzerstrukturierung und Restrauhigkeit auf den polierten Flächen, die nur unter dem Licht- oder Elektronenmikroskop sichtbar wird, jedoch für einen beträchtlichen Anteil der Streuverluste von kurzwelligem Licht verantwortlich ist. Außerdem entstehen beim mechanischchemischen Polieren auf den Glasoberflächen Polierschichten mit anderen optischen und dielektrischen Parametern als in der Glasvolumenphase, die zusammen mit den Streueffekten die Leistungsfähigkeit ein3s optisch abbildenden Systems beeinträchtigen.

Ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung des optischen Wirkungsgrades eines Linsen- oder Spiegelsystems wird in der Untararückung bzw. Beseitigung dieser Effekte gesehen (vgi. auch DD-WP 249389). Dazu wärsn chemische Polierverfahren ohne Anwendung von Feststoffen ir. gebundener oder suspendierter Form geeignet. Zur chemischen Politur silikatischer Gläser sind verschiedene Verfahren bekannt. So wird die alternierende Bildung und mechanische Entfernung schwerlöslicher Hexafluorosilikatschichten bei Verwendung HF-haltiger Poliermittel für Silikatgläser beschrieben (US-PS 3310495). Weitere technische Lösungen existieren zur Schwingquarzpolitur mit ΗΓ-haltigen Medien (US-PS 4157377, US-PS 4292289). Hinreichend bekannt ist auch die Flußsäurepolitur von Bleikristallgläsern (u.a. DE 2535333, DE 1496657, DE 1185780, DE 2949383). Abgesehen davon, daß die Bleikristallpolitur keine optische Präzisionsfläche und auch die Schwingquarzpolitur mit HF-haltigen Medien keien hohe Oberflächensauborkeit liefern, besitzen alle HF- und Fluoridionen-haltigen Poliermedien wegen ihrer hohen Giftigkeit und stark ätzenden Wirkung den Nachteil, daß sie eine Reihe technisch-appare'.lver A jfwendungen für den Gesundheits- und Arbeitsschutz sowie zur Umweltentsorgung erfordern. Gemäß DD-WP 262668 ist ferner ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Politur von CaF₂-Oberflächen unter Verwondung löslicher Fe(lll)-Verbinciunger, bekannt. Hier wird die bei der mechanischen Bewegung eines Polierwerkzeuges entlang der Werkstückoberfläche umgesetzte mechanische Energie zur gesteuerten Beschleunigung der chemischen Auflösungsprozesse genutzt.

Bekannt sind auch mechanisch-chemische Polierverfahren für Kristalle (DE 2248719) und Gläser (DD-WP 89188), bei denen den Feststoff-Poliermittelsuspensionen chemisch aktive Substanzen zur Leistungssteigerung zugesetzt werden. Bei diesen Verfahren sind die o.g. Nachteile der Feststoff-Suspensionen bezüglich erreichbarer Oberflächensauberkeit und Präparationsaufwand für die festen Poliermittel nicht beseitigt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine effektive Präzisionspolitur von Silikatgläsern mit sehr guter Oberflächengüte und minimaler Restrauhigkeit unter Verwendung eines kostengünstigen, flüssigen, einfach entsorgbaren Poliermediums zu ermöglichen.

Darlegung der. Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Politu · von Silikatgläsern zu schaffen, welches unter Verwendung eines keine festen Poliermittel enthaltenden Poliermediums und gleichzeitiger Gewährleistung einer kontinuierlichen Zufuhr des Poliermediums im Polierprozeß Silikatglasoberflächen mit höchster Präzision und sehr guter Oberflächensauberkeit, d.h. ohne mikroskopisch sichtbare Kratzspuren und optisch veränderte Polieischichten, erzeugt. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Politur von Silikatgläsern erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unter Verwendung eines hartkornfreien, chemisch aktiven Poliermediums eine gleichzeitige mechanische Einwirkung von porösen Polierwert zeugen entlang der zu polierenden Oberfläche erfolgt, wobei als Poliermedium stark alkalische Flüssigkeiten mit pH-Werten > 10, vorzugsweise homogene, wäßrige Lösungen von NaOH, KOH oder Alkylaminen in einem Konzentrationsbereich von 0,01 Mol/l bis 8 Mol/l eingesetzt werden. Dieses kann vorteilhaft über eine Dosiervorrichtung für homogene Flüssigkeiten kontinuierlich dem Prozeß zugeführt werden. Von Vorteil ist es, dem Poliermedium vor dem Einsatz niedarmolekulare Alkohole mit einer C-Atomzahl τ~ 6, vorzugsweise Isopropanol, in einer Konzentration von 5Mol-% bis 20 MoI-⁰Zo, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, zuzusetzen. Die mechansicne Einwirkung auf die Silikatglasoberflächen kann durch eine konventionelle Poliervorrichtung mit stellbarer Anpreßkraft und rotierender Bewegung von P-ilierwerkzeug und Glasprobe realisiert werden.

Der Po'iervorgang wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die chemische Auflösung des silikatischen Glasne.zwerkes bestimmt, wobei die Auflösungsgeschwindigkeit durch die mechanische Begleitbewegung dadurch gesteuert wird, daß die dabei zugeführte mechanische Energie an den Berührungsspitzen zwischen Werkzeug und Glasoberfläche in Reibungswärme umgesetzt wird und an diesen Stellen die Auflösung erhöht. Auf diese Weise erfolgt, bei gleichzeitiger Entfernung der chemischen Reaktionsprodukte von Glas mit dem alkalischen Medium, eine gesteuerte Oberflächenglättung, indem die Rauhigkeitsspitzen schneller aufgelöst und entfernt werden als die übrigen Gebiete der Glasoberfläche. Die Oberflächenglättung kann außerdem durch den Zusatz niedermolekularer Alkohole zum Poliermedium beeinflußt werden, da diese oberflächenaktiven Substanzen durch Adsorption an der Glasoberfläche, insbesondere in den Vertiefungen, die Auflösungsgeschwindigkeit absenken. Die Glättungsgeschwindigkeit der Silikatglasoberflächen nimmt mit steigender zugeführter mechanischer Energie zu. Die Auflösungsgeschwindigkeit des Silikatglases im alkalischen Poliermedium hängt in bekannterWeise von der Glaszusammensetzung ab und kann durch die Konzentration des Poliermediums beeinflußt werden. Im Vergleich zu den herkömmlichen mechanisch-chemischen Polierverfahren zur Politur silikatischer Gläser lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich sauberere Oberflächen erzielen, die zugleich eine gute Formgenauigkeit aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch vorteilhaft als Finalbearbeitungsschritt nach einer konventionellen Vorpolitur einsetzbar.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend soll die Erfindung anhand "on drei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

Eine Kieselglasoberfläche wird auf einer Poliervorrichtung erfindungsgemäß rr.it einer wäßrigen 1 N KOH-Lösung, die mit 30ml/min mittels einer Dosiervorrichtung zugetropft wird, bei gleichzeitiger rotierender Bewegung eines Polierfilzwerkziiuges auf der zu polierenden Oberfläche unter einem Anpreßdruck von 5,4 N/cm² polie^rt. Es wird eine Abtragsgeschwindigkeit von 15nm/min erreicht, wobei eine sehr saubere, nahezu defektfreie Oberfläche mit hoher Formgenauigkeit erhalten wird, die den Qualitätsanforderungen an Hochleistungsoptik voll gerecht wird.

Ausführungsbeispiel 2

Zur Politur einer Kieselglasprobe wird eine Lösunq von 0,1 N NaOH mit Zusatz von 15 Mol-%lsopropylalkohol unter gleichen Maschineneinstellgrößen und Dosierbedingungen wie im Bsp. 1 gonutzt. Die Abtragsleistung beträgt 6nm/min. Die Probe war jedoch in der gleichen Zeit wie die in Bsp. 1 durchpoliert. Eine Erhöhung des Anpreßdruckes des Polierfilzes auf 8,8 N/cm² steigerte die Polierrate auf IC nm/min. Es entsteht eine sehr saubere, defektarme und formgenaue Oberfläche mit minimaler Restrauhigkeit.

Ausführungsbeispiel 3

Eine Kronglasoberfläche wird auf der gleichen Poliervorrichtung und unter gleichen Dosier- und Maschineneinstelldaien wie im Bsp. 1 mit einer Lösung aus 0.05 Mol-% Diethylamin, 84,95 MoI-⁰ZoH₂O und 15 Mol-% Isopropylalkohol poliert. Die Abtragsrate beträgt 19nm/min. Die erreichte Oberflächensauberkeit und Formgenauigkeit entspricht der in Bsp. 1 und 2 beschriobenen.

Claims (4)

1. Verfahren zur chemisch-mechanischen Politur von Silikatgläsern unter Verwendung eines hartkornf reien, chemisch aktiven Poiiermediums unter gleichzeitiger mechanischer Einwirkung von porösen Polierwerkzeugen entlang der zu polierenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß als Poliermedium alkalische Flüssigkeiten mit einem nH-Wpr* > 10, wie homogene wäßrige Lösungen von NaOH, KOH oder Alkylaminen i i einem Konzentrationsbereich von 0,001 Mol/l bis 8 Mol/l eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch '!,dadurch gekennzeichnet, daß das Poliermedium vorzugsweise über eine Dosiervorrichtung für homogene Flüssigkeiten kontinuierlich dem Poli'jrprozeß zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Poliermeoium vor dem Einsatz im Polierprozeß niedermolekulare Alkohole mit einer C-Atomzahl < 6, vorzugsweise Isopropanol, in einer Konzentration von 5 Mol-% bis 20 Mol-%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, zugesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch-mechanischen Politur der Silikatglasoberflächen eine konventionelle mechanische Vorpolitur vorgelagert ist.