RU1445128C

RU1445128C - Method of etching of optical members made of glass ceramic material

Info

Publication number: RU1445128C
Authority: RU
Inventors: А.М. Колосов; С.М. Бреховских; В.Ф. Малов; Е.М. Серебрякова; С.М. Соколова
Original assignee: Научно-исследовательский институт технического стекла
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1987-05-26
Publication date: 1994-10-15

Abstract

FIELD: precision working of optical members. SUBSTANCE: method of etching of optical member made of glass ceramic material by cyclic working in etching solution of washing liquid with simultaneous ultrasonic effect is carried out in spirituous solution of ammonium fluoride at temperature 10-15 C below that of its boiling point. Then washing is carried out successively in 10-20% spirituous alkali solution at temperature 10-15 C above that of etching solution, in running deionized water at the temperature of etching solution and in the mixture of ethanol and isopropanol 1:(0.5-1.5) at temperature 10-15 C below that of etching solution temperature. Before etching optical members are soaked for 0.2-0.6 h in alcohols mixture taken at the ratio 1:(0.5-1.5) at temperature 10-15 C below of etching solution temperature. Evolution of gas after thermal-vacuum working does not exceed (0.48-0.74) ×10^-3 l/mm mercury column/cm³. EFFECT: decreased gas evolution, enhanced precision and safety of separate units. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии обработки оптических деталей и может быть использовано для обеспечения технологического процесса химического прецизионного травления и полирования оптических деталей сложной формы из стеклокристаллических материалов. Способ найдет применение в оборонной и электронной промышленности. The invention relates to a technology for processing optical parts and can be used to provide a technological process for chemical precision etching and polishing of complex optical parts from glass-crystalline materials. The method will find application in the defense and electronic industries.

Целью изобретения является снижение газоотделения с поверхности оптических деталей при последующей термовакуумной обработке. The aim of the invention is to reduce gas separation from the surface of optical parts during subsequent thermal vacuum processing.

Процесс травления ведется с применением ультразвукового воздействия в спиртовом растворе фторида аммония при температуре на 10-15^oC ниже температуры кипения травильного раствора, а промывку ведут последовательно в 10-20% -ном спиртовом растворе щелочи при температуре на 10-15^oC выше температуры травильного раствора, в проточной деионизованной воде при температуре травильного раствора и в смеси этилового и изопропилового спиртов, взятых в соотношении 1:0,5-1,5, при температуре на 10-15^oC ниже температуры травильного раствора.The etching process is carried out using ultrasonic action in an alcohol solution of ammonium fluoride at a temperature of 10-15 ^o C below the boiling point of the etching solution, and washing is carried out sequentially in a 10-20% alcohol solution of alkali at a temperature of 10-15 ^o C above the temperature the etching solution in flowing deionized water at the temperature of the etching solution and in a mixture of ethyl and isopropyl alcohols taken in a ratio of 1: 0.5-1.5, at a temperature of 10-15 ^o C lower than the temperature of the etching solution.

Применение спиртового раствора фторида аммония создает более мягкие условия для травления стеклокристаллических материалов и позволяет в комплексе с предлагаемой промывкой уменьшить газоотделение с поверхности деталей за счет усиления эффекта кавитации при температуре, близкой к температуре кипения раствора, приводящего к наиболее полному удалению продуктов реакции травления. Эффект кавитации, зависящий от вязкости и температуры раствора, резко усиливается, так как вязкость спиртового раствора на порядок ниже водного при предлагаемых температурах. Верхний предел температуры травильного раствора (на 10^oC ниже температуры кипения) обусловлен интенсивным парообразованием и улетучиванием растворителя, нижний (на 15^oC ниже температуры кипения) - уменьшением скорости травления.The use of an alcoholic solution of ammonium fluoride creates milder conditions for etching glass-crystalline materials and, in combination with the proposed washing, reduces gas separation from the surface of parts by enhancing the cavitation effect at a temperature close to the boiling point of the solution, which leads to the most complete removal of the products of the etching reaction. The cavitation effect, which depends on the viscosity and temperature of the solution, is sharply enhanced, since the viscosity of the alcohol solution is an order of magnitude lower than water at the proposed temperatures. The upper limit of the temperature of the etching solution (10 ^° C lower than the boiling point) is due to the intense vaporization and volatilization of the solvent, the lower (15 ^° C lower than the boiling point) is due to a decrease in the etching rate.

Применение данной промывочной схемы позволяет наиболее полно удалять продукты реакции после обработки травильным раствором и оставить минимум загрязнений от самой промывки. The use of this washing scheme allows the most complete removal of reaction products after treatment with etching solution and to leave a minimum of contamination from the washing itself.

На первой стадии промывки происходит обезжиривание, разрыхление солевого слоя и небольшое подтравливание, температура 10-20%-ного раствора щелочи на 10-15^oC выше температуры травильного раствора не позволяет конденсироваться растворимым ионогенным загрязнениям на поверхности оптической детали. Верхний предел концентрации спиртового раствора щелочи (20 мас.%) определяется собственной температурой кипения (на 10-15^oC выше температуры травильного раствора), а нижний (10 мас.%) - эффективностью очистки.At the first stage of washing, degreasing, loosening of the salt layer and slight etching occurs, the temperature of a 10-20% alkali solution 10-15 ^° C above the temperature of the etching solution does not allow soluble ionic contaminations to condense on the surface of the optical part. The upper limit of the concentration of the alcohol solution of alkali (20 wt.%) Is determined by its own boiling point (10-15 ^o C higher than the temperature of the etching solution), and the lower (10 wt.%) Is determined by the cleaning efficiency.

На второй стадии промывки проточной деионизованной водой при температуре травильного раствора удаляются остаточный солевой слой и ионогенные загрязнения с поверхности детали после первой стадии промывки. In the second stage of washing with running deionized water at the temperature of the etching solution, the residual salt layer and ionogenic contaminants are removed from the surface of the part after the first washing stage.

На третьей стадии промывки осуществляется окончательная финишная промывка в растворе, состав которого близок к растворителю травильного раствора и обладает эффективными очищающими свойствами, верхний температурный предел промывки (на 10^oC ниже температуры травильного раствора) определен температурой кипения смеси, нижний (на 15^oC ниже температуры травильного раствора) - эффективностью очистки. Соотношение в смеси между этиловым и изопропиловым спиртом колеблется в зависимости от состава травильного раствора, причем увеличение количества изопропилового спирта до соотношения 1:1,5 позволяет осуществлять процесс промывки при травлении в высококипящем спиртовом травильном растворе, большее и меньшее количество изопропилового спирта, чем 1:0,5 в смеси, снижает эффективность очистки.In the third stage of washing, the final washing in solution is carried out, the composition of which is close to the solvent of the etching solution and has effective cleaning properties, the upper temperature limit of washing (10 ^o C lower than the temperature of the etching solution) is determined by the boiling point of the mixture, the lower (15 ^o C lower etching solution temperature) - cleaning efficiency. The ratio in the mixture between ethyl and isopropyl alcohol varies depending on the composition of the etching solution, and an increase in the amount of isopropyl alcohol to a ratio of 1: 1.5 allows the washing process during etching in a high-boiling alcohol etching solution to be more and less isopropyl alcohol than 1: 0.5 in the mixture, reduces cleaning efficiency.

Целью изобретения является также повышение эффективности травления. Это достигается тем, что оптические детали предварительно замачивают в смеси спиртов, применяемых на последней стадии промывки, при температуре на 10-15^oC ниже температуры травильного раствора в течение 0,2-0,6 ч, после чего травят и промывают.The aim of the invention is also to increase the etching efficiency. This is achieved by the fact that the optical parts are pre-soaked in a mixture of alcohols used in the last stage of washing, at a temperature of 10-15 ^o C below the temperature of the etching solution for 0.2-0.6 hours, after which they are etched and washed.

Применение стадии замачивания перед собственно травлением в смеси спиртов, применяемых на последней стадии промывки, позволяет дополнительно очистить поверхность оптической детали и активировать ее с целью быстрейшего достижения оптимальной скорости травления. Очистка поверхности оптической детали замачиванием в смеси этилового и изопропилового спиртов способствует вскрытию поверхности оптической детали, и при погружении ее в травильный раствор сравнимой полярности скорость травления устанавливается постоянной к второй минуте травления. Кроме того, близость температуры раствора замачивания к температуре травильного раствора также способствует быстрейшему достижению оптимальной скорости травления. Верхний предел температуры раствора замачивания ниже температуры травильного раствора на 10^oC и нижний на 15^oC ниже температуры травильного раствора, определены так же, как и при третьей стадии промывки. Время замачивания более 0,6 ч не повышает эффективности травления, менее 0,2 ч, кроме снижения эффективности травления, приводит к ухудшению качества поверхности оптической детали в результате всего цикла травления.The use of the soaking stage before the actual etching in the mixture of alcohols used in the last washing stage allows you to further clean the surface of the optical part and activate it in order to quickly achieve the optimum etching rate. Cleaning the surface of an optical part by soaking in a mixture of ethyl and isopropyl alcohols helps to open the surface of the optical part, and when it is immersed in an etching solution of comparable polarity, the etching rate is set constant by the second minute of etching. In addition, the proximity of the temperature of the soaking solution to the temperature of the etching solution also contributes to the rapid achievement of the optimum etching rate. The upper limit of the temperature of the soaking solution below the temperature of the etching solution by 10 ^o C and the lower by 15 ^o C below the temperature of the etching solution are defined in the same way as in the third stage of washing. Soaking time of more than 0.6 hours does not increase the etching efficiency, less than 0.2 hours, in addition to reducing the etching efficiency, leads to a deterioration in the surface quality of the optical part as a result of the entire etching cycle.

Способ реализуют на образцах оптических деталей плоской формы из ситалла СО-115 м с дальнейшим определением газоотделения при термовакуумной обработке и обезгаживании и отработкой схемы и параметров процесса и на оптических деталях сложной формы, являющихся макетами. The method is implemented on samples of optical parts of a flat shape from CO-115 m glass, with further determination of gas separation during thermal vacuum processing and degassing and testing of the circuit and process parameters, and on complex optical components that are mock-ups.

Поверхности оптической детали, не подвергающиеся химическому полированию, защищают фторполимерным лаком Ф32Л марки В. Поверхности внутренних каналов после сверления алмазным инструментом АСМ 125/100 имеют значение шероховатости R_а ≅0,63 мкм и глубину нарушенного слоя ≅ 12 мкм, плоские образцы имеют такие же параметры. Контроль качества обработанной поверхности производят на профилографе-профилометре Пертен S6P, линейный съем ситалла с поверхности каналов замеряют с помощью прибора ДИП-1 на просвет и весовым методом по потерям в весе на единицу площади с точностью 0,5 мкм, газоотделение из стенок каналов при термовакуумной обработке и обезгаживании - динамическим способом с помощью двух ионизационных манометров и измерительной диафрагмы с известной постоянной пропускной способностью, а также методом натекания.The surfaces of the optical part that are not chemically polished are protected with a F32L grade B fluoropolymer varnish. The surfaces of the internal channels after drilling with an ACM 125/100 diamond tool have a roughness value of R _a ≅ 0.63 μm and a broken layer depth of ≅ 12 μm, flat samples have the same parameters. Quality control of the treated surface is carried out on a Perten S6P profilograph-profilometer, the linear removal of glass from the surface of the channels is measured using the DIP-1 device for clearance and by the weight method for weight loss per unit area with an accuracy of 0.5 μm, gas separation from the walls of the channels at thermal vacuum processing and degassing - in a dynamic way using two ionization manometers and a measuring diaphragm with a known constant throughput, as well as by leakage method.

Схема установки для реализации предлагаемого способа для оптических деталей сложной формы представлена на чертеже. The installation diagram for the implementation of the proposed method for optical parts of complex shape is presented in the drawing.

Оптическую деталь с незащищенными каналами опускают в ультразвуковую ванну 1, в которой находятся две кюветы 2 со смесью этилового и изопропилового спиртов в соотношении 1:1 при 60^oC c частотой 30 кГц, замачивают в течение 0,5 ч в одной из кювет, затем погружают в ультразвуковую ванну 3 с травящим спиртовым раствором фторида аммония и обрабатывают 4 ч при 75^oC при частоте собственно ванны 20 кГц и частоте погружных магнитострикторов 4 40 кГц. Применение частоты озвучивания погружных магнитострикторов кратной - вдвое превышающей собственную частоту ультразвуковых ванн - создает благоприятные условия для смыва солей, образующихся в процессе травления за счет квазирезонансного кавитационного воздействия на травильный раствор в зоне обработки. Первый и последний циклы имеют продолжительность 0,5 ч, а три средних 1 ч. Улетучивание раствора предотвращается его конденсацией при помощи холодильников 5, установленных на верхнем обрезе ванны, накрытой винипластовой крышкой 6. После каждого цикла травления оптическая деталь промывается сначала в ультразвуковой ванне 7 с 20%-ным спиртовым раствором едкого кали при 90^oC, затем в ультразвуковой ванне 8 в проточной деионизованной воде с температурой 75^oC. Последняя стадия промывки проводится в другой кювете ультразвуковой ванны 1, причем промывочные растворы обновляются. Все стадии промывки ведутся при частоте 30 кГц в течение 10 мин каждая. Весь цикл травления при снятии поверхностного слоя толщиной 14-16 мкм, заведомо большего, чем нарушенный (трещиноватый) слой, занимает около 7 ч.An optical part with unprotected channels is immersed in an ultrasonic bath 1, in which there are two cuvettes 2 with a mixture of ethyl and isopropyl alcohols in a ratio of 1: 1 at 60 ^o C with a frequency of 30 kHz, soaked for 0.5 h in one of the cuvettes, then immersed in an ultrasonic bath 3 with an etching alcohol solution of ammonium fluoride and treated for 4 hours at 75 ^o C with a frequency of the bath itself 20 kHz and a frequency of immersion magnetostrictors 4 40 kHz. The use of the frequency of scoring of submersible magnetostrictors multiple - twice the natural frequency of ultrasonic baths - creates favorable conditions for the washing away of salts formed during etching due to quasi-resonant cavitation effects on the etching solution in the treatment zone. The first and last cycles have a duration of 0.5 hours, and three average 1 hours. The solution is prevented from evaporating by refrigerators 5 mounted on the top of the bath, covered with a vinyl plastic cover 6. After each etching cycle, the optical part is washed first in an ultrasonic bath 7 with 20% ethyl alcohol solution of potassium hydroxide at 90 ^o C, then in an ultrasonic bath 8 in running deionized water at 75 ^o C. The last washing step is carried out in another cuvette ultrasonic bath 1, wherein indu full-time updated solutions. All washing stages are carried out at a frequency of 30 kHz for 10 min each. The entire etching cycle when removing the surface layer with a thickness of 14-16 microns, obviously larger than the damaged (fractured) layer, takes about 7 hours

Применение малоагрессивного полирующего раствора позволяет применять погружные магнитострикторы для ведения процесса, что приводит к интенсификации процесса, улучшению качества поверхности. Травильный раствор обладает полирующим действием. The use of a non-aggressive polishing solution allows the use of submersible magnetostrictors to conduct the process, which leads to the intensification of the process, improving the quality of the surface. The pickling solution has a polishing effect.

В таблице представлены основные характеристики свойств оптических деталей, подвергнутых обработке предлагаемым способом с различными температурно-временными параметрами. The table shows the main characteristics of the properties of optical parts subjected to processing by the proposed method with various temperature-time parameters.

Применение обработки оптических деталей из стеклокристаллических материалов для газоразрядных и электровакуумных приборов по предлагаемому способу травления в конечном итоге увеличивает срок их службы и улучшает эксплуатационные характеристики. The use of processing optical parts from glass crystal materials for gas-discharge and vacuum devices according to the proposed etching method ultimately increases their service life and improves operational characteristics.

Claims

1. METHOD FOR ETCHING OPTICAL DETAILS FROM GLASS-CRYSTAL MATERIAL by cyclic treatment in the etching solution and washing liquid under the influence of ultrasound, characterized in that, in order to reduce gas separation from the surface of the optical parts during subsequent thermal vacuum treatment, etching is carried out in alcohol with alcohol 10 - 15 ^o C below the boiling point of the etching solution, and washing is carried out sequentially in a 10 - 20% alcohol solution of alkali at a temperature of 10 - 15 ^o C above the temperature of the etching solution, in flowing deionized water at a temperature of the etching solution and in a mixture of ethyl and isopropyl alcohols taken in the ratio 1: 0.5 - 1.5, at a temperature of 10 - 15 ^o C below the temperature of the etching solution .

2. The method according to claim 1, characterized in that, in order to increase efficiency, before etching, the optical parts are soaked in a mixture of alcohols taken in a ratio of 1: 0.5 - 1.5, at a temperature of 10 - 15 ^o C below the temperature etching solution for 0.2 - 0.6 hours