FR2951281A1

FR2951281A1 - Procede de microdeformation de la face avant d'une piece mince, par modification de la face arriere ou de la peripherie de la piece

Info

Publication number: FR2951281A1
Application number: FR0957112A
Authority: FR
Inventors: Herve Piombini; David Damiani
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2011-04-15
Anticipated expiration: 2029-10-12
Also published as: FR2951281B1; US9375805B2; WO2011045260A1; US20120201957A1; JP2013507651A; EP2488902A1

Abstract

Procédé de microdéformation de la face avant d'une pièce mince, par modification de la face arrière ou de la périphérie de la pièce. Selon l'invention, qui peut notamment servir à corriger la surface d'onde d'un miroir, on applique, à la face arrière (18) ou à la périphérie (20), un traitement local qui provoque la microdéformation sans appliquer aucune force mécanique à la pièce (14).

Description

1 PROCÉDÉ DE MICRODÉFORMATION DE LA FACE AVANT D'UNE PIECE MINCE, PAR MODIFICATION DE LA FACE ARRIERE OU DE LA PERIPHERIE DE LA PIECE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de microdéformation de la face avant d'une pièce mince. Une telle pièce est délimitée par une première face, appelée face avant, par une deuxième face, appelée face arrière, opposée à la première face, et par une partie périphérique, appelée périphérie, qui relie la première face à la deuxième face. Elle est dite mince si la plus grande distance mesurable sur au moins l'une des première et deuxième faces est supérieure à environ cinq fois, de préférence huit fois, la distance entre les première et deuxième faces. Par exemple, dans le cas d'une pièce cylindrique, dont l'épaisseur est notée E, les deux faces sont des disques de diamètre noté D. Une telle pièce est dite mince si le rapport D/E est supérieur à environ 5, de préférence supérieur à environ 8. Ainsi, dans la présente invention, on considère des pièces dont le rapport d'aspect (en anglais, aspect ratio) est de l'ordre de 5:1 ou supérieur à 5:1, et de préférence de l'ordre de 8 : 1 ou supérieur à 8:1. L'invention s'applique notamment à la correction de la surface d'onde d'un miroir, recouvert d'un traitement ou non, qui, à cause de défauts de polissage ou de traitement, ne respecte pas les spécifications de forme ou de planéité qui lui sont imposées. D'autres applications sont : - la compensation fine des contraintes induites par le dépôt de couches minces qui servent à modifier les réponses spectrales des composants ; ces couches minces ont tendance à conférer une courbure supplémentaire aux composants ; - la minimisation de l'effet de bord (rabat) qui est causé par le polissage des composants. L'objectif alors souhaité peut être une minimisation de la déformation ou une augmentation locale de cette déformation. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La correction de la planéité de la surface d'un composant optique de type miroir peut se faire lors de l'opération de polissage, grâce à des retouches locales. Mais lorsque le composant optique est traité par des revêtements durs de type PVD (pour dépôt physique en phase vapeur (en anglais, physical vapour deposition)) ou bien de type CVD (pour dépôt chimique en phase vapeur (en anglais, chemical vapour deposition)), il devient extrêmement difficile de corriger ce composant à moins d'effectuer des phases de repolissage et de retraitement qui sont des opérations longues et onéreuses.

La surface réelle ou la surface d'onde peut être alors déformée à cause des défauts de polissage 3 résiduels, des tensions des couches appliquées ou des hétérogénéités de traitement. Certaines corrections peuvent toutefois être réalisées. Par exemple, des traitements optiques de la face arrière sont employés pour contrebalancer les modifications liées aux contraintes des couches déposées sur la face avant. Dans ce cas, on obtient une correction sphérique globale. Une solution possible est d'effectuer une correction de la face avant en appliquant localement une surépaisseur de matériau à l'aide d'outillage qui utilisent des masques et des robots. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques mentionnées plus haut. De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de microdéformation d'une première face d'une pièce mince, délimitée par la première face, par une deuxième face, opposée à la première face, et par une partie périphérique qui relie la première face à la deuxième face, la plus grande distance mesurable sur la première face étant supérieure à environ cinq fois, de préférence huit fois, la distance entre les première et deuxième faces, le procédé étant caractérisé en ce que l'on applique, à la deuxième face ou à la partie périphérique, un traitement local qui provoque la microdéformation de la première face, sans appliquer aucune force mécanique à la pièce mince. 4 Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la pièce mince est faite d'un matériau choisi parmi les matériaux amorphes (notamment les verres), les métaux, les céramiques et les plastiques, et la microdéformation de la première face est une retouche locale de celle-ci, obtenue en appliquant un traitement local à la deuxième face. Selon un premier mode de réalisation particulier du procédé, objet de l'invention, la microdéformation est obtenue par un glaçage local de la deuxième face ou de la partie périphérique de la pièce mince, effectué au moyen d'un laser. La longueur d'onde de ce laser pourra être adaptée au matériau pour améliorer l'interaction laser-matière. Par exemple, on utilisera préférentiellement un laser à CO2 émettant à 10,6 pm si le matériau est de la silice. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, la microdéformation est obtenue par un usinage local de la deuxième face ou de la partie périphérique de la pièce mince. Cet usinage local peut être un usinage chimique local, par exemple effectué au moyen d'une machine à jet d'encre (en anglais, ink jet machine). Selon d'autres modes de réalisation particuliers, l'usinage local est effectué au moyen d'un dispositif choisi parmi les lasers, les canons à ions et les dispositifs à jets de plasma. Dans le cas où l'usinage local est effectué au moyen d'un laser, avant cet usinage local, on peut avantageusement déposer sur la deuxième face ou sur la partie périphérique de la pièce mince une substance apte à favoriser l'absorption, par la deuxième face ou par la partie périphérique, du rayonnement émis par le laser. Selon un troisième mode de réalisation 5 particulier du procédé, objet de l'invention, la microdéformation est obtenue par un dépôt local d'au moins une couche mince sur la deuxième face ou sur la partie périphérique de la pièce mince. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on effectue en outre un contrôle de la microdéformation de la première face, pour vérifier si l'on a obtenu une microdéformation souhaitée, et si ce n'est pas le cas, on recommence le traitement local de la deuxième face ou de la partie périphérique jusqu'à l'obtention de la microdéformation souhaitée. Dans ce cas, étant donné un dispositif apte à appliquer le traitement local à la deuxième face ou à la partie périphérique, il est possible d'effectuer le contrôle au moyen d'un dispositif de détermination de microdéformation, ce dispositif de détermination de microdéformation étant apte à fournir un signal représentatif de la microdéformation ainsi déterminée, et de commander, au moyen du signal, le dispositif apte à appliquer le traitement local, en vue de recommencer le traitement local jusqu'à l'obtention de la microdéformation souhaitée. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et 6 nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1A à 1E illustrent schématiquement un premier exemple de l'invention, les figures 2A à 2E illustrent schématiquement un deuxième exemple de l'invention, les figures 3A à 3E illustrent schématiquement un troisième exemple de l'invention, les figures 4A à 4E illustrent schématiquement un quatrième exemple de l'invention, et - la figure 5 illustre schématiquement un autre exemple de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Rappelons que la présente invention est un procédé de microdéformation de la face avant d'une pièce mince (dont le rapport d'aspect vaut de préférence environ 8:1 ou plus, ce qui est par exemple le cas pour une pièce sphérique dont le diamètre est supérieur à huit fois l'épaisseur), grâce à un traitement de surface adéquat, effectué sur la face arrière, voire la périphérie, de la pièce. Dans le cas où la face avant de la pièce comporte une couche superficielle, on précise que le traitement modifie les tensions de cette couche superficielle. L'invention a une fonction de correction statique qui permet, le cas échéant, de récupérer une pièce destinée au rebut, de corriger l'effet des contraintes d'un traitement dur et de compenser les effets de bord d'un usinage ou d'une découpe. Et dans 7 certains cas, l'invention peut remplacer un polissage sous contraintes. Dans l'invention, la correction, ou plutôt une microcorrection, est dite statique. Cela signifie que cette microcorrection est figée une fois pour toutes ; elle ne corrigera pas les modifications de surface, liées aux variations thermiques par exemple. Une telle correction s'oppose à une correction dynamique, pour laquelle les corrections sont faites en temps réel et peuvent évoluer au cours du temps. L'originalité de l'invention réside dans le fait qu'on opère les corrections sur la face arrière, par différentes méthodes n'engendrant pas de pression sur la pièce. Ces méthodes peuvent être notamment un usinage laser, un usinage ionique, un usinage plasma, une gravure chimique ou un traitement local par des couches minces. Les corrections peuvent être globales, auquel cas leurs actions correctives seront perçues sur l'ensemble de la pièce, ou ponctuelles, c'est-à-dire locales, le système employé pour les effectuer étant adressable localement. La particularité des méthodes susmentionnées réside dans le fait qu'elles ne sont pas développées dans le domaine du polissage ni dans le domaine du traitement de surface. En outre, l'invention permet la correction de défauts de surface (en général des surépaisseurs car un creux correspond à une surépaisseur de matière autour de ce creux). En effet, le traitement appliqué 8 sera local et aura une extension spatiale, c'est-à-dire une largeur, et une intensité, c'est-à-dire une profondeur, qui dépendront de la correction désirée. Le principe de l'invention consiste à utiliser la relaxation ou la création de contraintes pour modifier localement la surface d'une pièce mince. Il suffit d'agir localement sur la face arrière de cette pièce pour observer une modification de la face avant de celle-ci.

Pour valider le principe de l'invention, on a utilisé des pièces constituées par des substrats de verre carrés, de 50 mm de côté et de 4 mm d'épaisseur, dont les deux faces ont été polies optiquement et dont les faces avant ont été mesurées à l'aide d'un interféromètre. Les pièces ont été placées tour à tour dans un cadre permettant une mesure interférométrique sur une zone de 40 mm x 40 mm. Sur les figures 1A, 2A, 3A et 4A, les pièces ont la référence 2 (le cadre n'est pas représenté). Ensuite, on a usiné la face arrière 4 des pièces ou substrats 2 au moyen d'un laser YAG fonctionnant à sa longueur d'onde fondamentale (1 w), selon quatre motifs types : - substrat de la figure 1A : un trait vertical 6 selon une médiane, - substrat de la figure 2A : un trait 8 selon une diagonale, - substrat de la figure 3A : deux traits 10 inclinés à 45° et reliant les milieux des côtés, et 9 - substrat de la figure 4A : une zone carrée 12 d'environ 5 mm de côté, située approximativement au centre du substrat. On a ensuite remesuré les faces avant des quatre substrats et soustrait les mesures obtenues après usinage des mesures obtenues avant usinage. Dans ce qui suit, PV représente l'écart pic-à-vallée (en anglais, peak-to-valley) et RMS représente l'écart quadratique moyen (en anglais, root mean square). Et, sur les figures, pix représente le numéro des pixels (en abscisse et en ordonnée). La figure 1B montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 1A avant l'usinage de la face arrière de ce substrat (première mesure) ; dans le cas de la figure 1B, PV vaut 0,089 }gym et RMS vaut 0,013 }gym. La figure 1C montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 1A après l'usinage de la face arrière de ce substrat (deuxième mesure) ; dans le cas de la figure 1C, PV vaut 0,203 }gym et RMS vaut 0,039 }gym. La figure 1D montre la modification de la face avant, c'est-à-dire la première mesure (figure 1B) moins la deuxième mesure (figure 1C) ; dans le cas de la figure 1D, PV vaut 0,170 }gym et RMS vaut 0,028 }gym. La figure 1E montre un profil de cette modification. Sur cette figure, comme sur les figures 2E, 3E et 4E, Distance représente la largeur (en pixels) de la zone mesurée, correspondant à 40 mm environ ; et Height représente une variation de hauteur (en }gym).

La figure 2B montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 2A 10 avant l'usinage de la face arrière de ce substrat (première mesure) ; dans le cas de la figure 2B, PV vaut 0,083 }gym et RMS vaut 0,013 }gym. La figure 2C montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 2A après l'usinage de la face arrière de ce substrat (deuxième mesure) ; dans le cas de la figure 2C, PV vaut 0,229 }gym et RMS vaut 0,047 }gym. La figure 2D montre la modification de la face avant, c'est-à-dire la première mesure (figure 2B) moins la deuxième mesure (figure 2C) ; dans le cas de la figure 2D, PV vaut 0,211 }gym et RMS vaut 0,038 }gym. La figure 2E montre un profil de cette modification. La figure 3B montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 3A avant l'usinage de la face arrière de ce substrat (première mesure) ; dans le cas de la figure 3B, PV vaut 0,089 }gym et RMS vaut 0,010 }gym. La figure 3C montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 3A après l'usinage de la face arrière de ce substrat (deuxième mesure) ; dans le cas de la figure 3C, PV vaut 0,169 }gym et RMS vaut 0,024 }gym. La figure 3D montre la modification de la face avant, c'est-à-dire la première mesure (figure 3B) moins la deuxième mesure (figure 3C) ; dans le cas de la figure 3D, PV vaut 0,145 }gym et RMS vaut 0,017 }gym. La figure 3E montre un profil de cette modification. La figure 4B montre le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 4A avant l'usinage de la face arrière de ce substrat (première mesure) ; dans le cas de la figure 4B, PV vaut 0,102 }gym et RMS vaut 0,014 }gym. La figure 4C montre 11 le résultat de la mesure de la face avant du substrat de la figure 4A après l'usinage de la face arrière de ce substrat (deuxième mesure) ; dans le cas de la figure 4C, PV vaut 0,141 }gym et RMS vaut 0,019 }gym. La figure 4D montre la modification de la face avant, c'est-à-dire la première mesure (figure 4B) moins la deuxième mesure (figure 4C) ; dans le cas de la figure 4D, PV vaut 0,110 }gym et RMS vaut 0,011 }gym. La figure 4E montre un profil de cette modification.

Pour ces quatre exemples, on constate que la surface de la face avant a bien été modifiée, selon les directions respectives 6, 8 et 10, ou selon la zone 12, qui ont été usinées par laser pour démontrer la validité de l'invention. Les déformations induites dépendent naturellement du matériau, de son épaisseur et de l'usinage effectué. La figure 5 illustre un autre exemple de l'invention. On y voit une pièce mince 14 qui est délimitée par sa face avant 16, sa face arrière 18 et sa périphérie 20. La plus grande distance mesurable sur la face avant vaut au moins huit fois la distance entre les faces 16 et 18. Le rapport d'aspect est donc au moins égal à 8:1.

Dans l'exemple, la pièce 14 est en verre et a la forme d'un cylindre de diamètre D et d'épaisseur E, avec D > 8E. La face avant présente un défaut de courbure.

Pour corriger ce défaut conformément à un mode de réalisation particulier de l'invention, on 12 utilise un laser 22, par exemple un laser de type Nd:YAG, qui fonctionne à 3w ou 4w et qui émet un rayonnement 24 à la longueur d'onde de 355 nm (3w) ou 266 nm (4w).

Le laser 22 est muni de moyens 26 de déplacement et d'orientation. A l'aide de ces moyens, on déplace et l'on modifie l'orientation du laser 22 pour appliquer à la face arrière 18 de la pièce 14, grâce au rayonnement 24, le traitement suivant : soit un usinage ponctuel, soit un usinage selon un cercle dont le rayon et la profondeur dépendent de la déformée à corriger et des propriétés du matériau. Bien entendu, au lieu de déplacer et d'orienter le laser 22 pour appliquer le traitement, il est possible de monter la pièce 14 sur des moyens de déplacement et d'orientation et de laisser le laser fixe. Sur la face avant 16, ce traitement a pour effet d'éliminer ou de minimiser la courbure. On contrôle ensuite la face avant 16, par exemple à l'aide d'un interféromètre 28 de type Fizeau ou Michelson, ou d'un analyseur de front d'onde de type Shack-Hartmann, ou d'un système de projection de franges de type moiré, pour vérifier que le défaut a été corrigé. Si ce n'est pas le cas, on recommence le traitement de la face arrière 18 jusqu'à ce que la correction soit effectuée. Le contrôle peut être effectué « en boucle ouverte ». Alors, on fait fonctionner le laser 22 indépendamment de l'interféromètre 28.

Mais il peut aussi être effectué « en boucle fermée ». Alors, comme le montre la figure 5, on 13 utilise un signal fourni par l'interféromètre 28, ce signal étant représentatif de la microdéformation causée à la face avant 16 lors du traitement local de la face arrière 18 par le laser 22, pour commander ce laser 22 ainsi que les déplacements et l'orientation de ce dernier, par l'intermédiaire de moyens électroniques de commande appropriés 30. Le traitement local de la face arrière 18 est ainsi recommencé jusqu'à la correction du défaut de la face avant 16.

On précise que la présente invention peut être appliquée à des pièces minces comme des miroirs de télescope ou des microcomposants optiques. Le rapport d'aspect est dans tous les cas de l'ordre de 5:1 ou supérieur à 5:1.

En outre, dans l'exemple donné plus haut, la pièce est en verre. Mais l'invention n'est pas limitée au traitement de pièces faites d'un tel matériau. Elle permet par exemple d'effectuer une retouche locale de la face avant de pièces, par des actions sur la face arrière de celles-ci, dans le cas où ces pièces sont faites de matériaux amorphes de type verre, ou de métaux, ou de céramiques ou de plastiques. L'invention n'est pas non plus limitée à l'utilisation d'un laser, dont la longueur d'onde, la puissance et le taux de répétition peuvent être adaptés selon le matériau, afin d'usiner localement la face arrière (ou la périphérie) d'une pièce mince. Par exemple, il est possible de déformer la face avant de cette pièce en utilisant un laser pour glacer localement la surface de la face arrière (ou la périphérie) de la pièce. 14 De plus, le traitement local appliqué conformément à l'invention n'est pas limité à un usinage par laser : dans l'invention, on peut utiliser un usinage chimique pour usiner localement la face arrière (ou la périphérie) de la pièce, par exemple en employant une machine à jet d'encre. Cette utilisation peut être un moyen propre (attaque chimique par un acide par exemple) ou un moyen complémentaire de l'usinage laser, en vue d'optimiser le dépôt d'énergie lumineuse grâce au dépôt d'encres ou d'autres substances, afin d'optimiser l'absorption du rayonnement laser par la face arrière (ou la périphérie) de la pièce. La mise en oeuvre de l'invention peut également être effectuée en utilisant un canon à ions, ou un jet de plasma, pour usiner localement la face arrière (ou la périphérie) de la pièce. L'invention peut également être mise en oeuvre en utilisant un revêtement local de la face arrière (ou de la périphérie) de la pièce, ce revêtement étant constitué par une ou plusieurs couches minces. La nature et l'épaisseur de ces couches et leur localisation sont choisies en fonction de l'amplitude de la correction à effectuer et de la position du défaut à corriger. Ce dépôt de couches minces peut s'effectuer par masquage, avec des techniques PVD ou Sol-Gel, ou par jet d'encre. Dans l'invention, on peut utiliser des interféromètres de type Fizeau ou Michelson, ou des analyseurs de front d'onde de type Schack-Hartmann, ou 15 des systèmes de projection de franges de type moiré, pour aider à la correction de la surface de la face avant de la pièce. Ce système peut être en boucle ouverte ou en boucle fermée avec le dispositif de mise en oeuvre choisi. L'invention propose donc l'utilisation d'un procédé statique pour modifier l'état de surface de la face avant d'un composant, indépendamment des étapes préalables à la réalisation du composant.

Ce procédé peut être employé pour compenser l'effet des contraintes induites par la présence de couches minces sur la face avant du composant. On sait en effet que de telles couches minces ont tendance à rendre en général les composants convexes.

Ce procédé peut aussi être utilisé pour compenser les effets de bord liés aux étapes d'usinage ou de découpe d'une pièce. On précise de plus que la présente invention n'est pas limitée au traitement local de la face arrière d'une pièce mince, en vue de provoquer une microdéformation de la face avant de la pièce : pour provoquer cette microdéformation, il est également possible d'appliquer le traitement local à la périphérie de la pièce.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de microdéformation d'une première face (16) d'une pièce mince (2, 14), délimitée par la première face (16), par une deuxième face (4, 18), opposée à la première face, et par une partie périphérique (20) qui relie la première face à la deuxième face, la plus grande distance (D) mesurable sur la première face étant supérieure à environ cinq fois, de préférence huit fois, la distance (E) entre les première et deuxième faces, le procédé étant caractérisé en ce que l'on applique, à la deuxième face (4, 18) ou à la partie périphérique (20), un traitement local qui provoque la microdéformation de la première face (16), sans appliquer aucune force mécanique à la pièce mince.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la pièce mince (2, 14) est faite d'un matériau choisi parmi les matériaux amorphes, les métaux, les céramiques et les plastiques, et la microdéformation de la première face est une retouche locale de celle-ci, obtenue en appliquant un traitement local à la deuxième face.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la microdéformation est obtenue par un glaçage local de la deuxième face ou de la partie périphérique de la pièce mince, effectué au moyen d'un laser. 17
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la microdéformation est obtenue par un usinage local de la deuxième face (4) ou de la partie périphérique de la pièce mince (2).
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'usinage local est un usinage chimique local, par exemple effectué au moyen d'une machine à jet d'encre.
6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'usinage local est effectué au moyen d'un dispositif choisi parmi les lasers (22), les canons à ions et les dispositifs à jets de plasma. 15
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'usinage local est effectué au moyen d'un laser, et dans lequel avant l'usinage local, on dépose sur la deuxième face ou sur la partie périphérique de 20 la pièce mince une substance apte à favoriser l'absorption, par la deuxième face ou par la partie périphérique, du rayonnement émis par le laser.
8. Procédé selon l'une quelconque des 25 revendications 1 et 2, dans lequel la microdéformation est obtenue par un dépôt local d'au moins une couche mince sur la deuxième face ou sur la partie périphérique de la pièce mince. 30
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel on effectue en outre 10 18 un contrôle de la microdéformation de la première face (16), pour vérifier si l'on a obtenu une microdéformation souhaitée, et si ce n'est pas le cas, on recommence le traitement local de la deuxième face (18) ou de la partie périphérique (20) jusqu'à l'obtention de la microdéformation souhaitée.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on utilise un dispositif (22) apte à appliquer le traitement local à la deuxième face (18) ou à la partie périphérique (20), on effectue le contrôle au moyen d'un dispositif de détermination de microdéformation (28), ce dispositif de détermination de microdéformation étant apte à fournir un signal représentatif de la microdéformation ainsi déterminée, et l'on commande, au moyen du signal, le dispositif (22) apte à appliquer le traitement local, en vue de recommencer le traitement local jusqu'à l'obtention de la microdéformation souhaitée.