WO2005007343A1 - Herramienta hidrodinámica fe flujo radial para el pulido y esmerilado de superficies ópticas y semiconductoras - Google Patents

Herramienta hidrodinámica fe flujo radial para el pulido y esmerilado de superficies ópticas y semiconductoras Download PDF

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WO2005007343A1
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polishing
optical
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grinding
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PCT/MX2004/000046
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Elfego Guillermo Ruiz Schneider
Erika SOHN LÓPEZ-FORMENT
Luis Salas Casales
Esteban Antolín LUNA AGUILAR
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Universidad Nacional Autonoma De Mexico
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/04—Lapping machines or devices; Accessories designed for working plane surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/304—Mechanical treatment, e.g. grinding, polishing, cutting

Definitions

  • Stability The ability of the tool, object of this invention, to keep the erosion footprint constant during its operation.
  • the tool, object of the present invention serves to carry out corrective grinding and fine polishing on surfaces of various materials without making contact with them, by means of a low-cost abrasive fluid and a novel suspension system that allows working areas of flat surfaces or curves up to 2m in diameter, with the advantage of avoiding the edges falling during the same process and avoiding wear and deformation of the tool. It allows to repeat the process through the control and maintenance of the operating parameters as many times as necessary, achieving high levels of precision and quality in the polishing of optical and semiconductor surfaces, removing from 1 to 300nm per minute, per cm 2 . This tool enables interferometric measurements and tests of the optical quality of surfaces to be made during the polishing process without the need to disassemble the workpiece.
  • the present invention is in the field of high precision corrective grinding and polishing, specifically for optical surfaces and flattening of semiconductor surfaces.
  • optical quality, fine polishing or high precision polishing process consists of roughing the material of the surface to be polished to smooth it, as well as to correct its figure with precision of wavelength fractions.
  • polishing methods also known as classical polishing methods (RN Wilson "Reflecting Telescope Optics II, Manufacture, Testing, Alignment, Modern Techniques” Springer Verlag, 1999. And Wilson SR, et al. SPIE Vol. 966, 74, 1988) mainly use contact tools made of elastic materials (pitch, polyurethane, etc.) that precisely mold to the surface to be polished, exerting friction through a layer of suspended abrasive. These polishing procedures tend to be handcrafted and time consuming, and deform the polishing tools due to the temperature and torsion generated during the process, with the consequent wear of the tool in which the abrasive and the removed material are embedded.
  • classical polishing methods mainly use contact tools made of elastic materials (pitch, polyurethane, etc.) that precisely mold to the surface to be polished, exerting friction through a layer of suspended abrasive.
  • Polishing by means of an ion cannon is based on bombardment of the surface to be polished with a beam collimated with ions of an inert gas that produce the removal of material.
  • ions of an inert gas that produce the removal of material.
  • spherical surfaces including the edges of the work surfaces, can be polished with this method, the surfaces maintain a considerable degree of micro-roughness at the end of the process as a consequence of the perpendicular collision of the ions with the surface.
  • This technology only fine polishing of a previously prepared and ground surface can be performed. The process is iterative based on the error map of the work surface, correcting the imperfections.
  • This method requires a vacuum chamber, at least, the size of the part to be polished, making it expensive and complex.
  • the method of polishing by means of magnetoreological fluids consists of confining a magnetic fluid with abrasive on the perimeter area of a rotating cylinder that, due to the influence of a magnetic field, hardens generating a tool polishing. Polishing is achieved by moving the workpiece to be polished in a controlled manner over the magnetoreological fluid circulating on the rotating cylinder.
  • Another variant of this method is to collimate an abrasive magnetoreological liquid flow by means of a magnetic field and to collide with the work surface.
  • Fluidic Jet Polishing (FJP), Booij, SM, et al., Optical Engineering, August 2002, Vol. 41, No. 8, pp. 1926-1931 and Booij, SM, et al., I. OF&T conference, Arlington, June 2002, pp. 52-54. and O. Fáhnle et al., Appl. Opt. 38, 6771-6773 (1998), is the first fluid-based polishing technology.
  • FJP Fluidic Jet Polishing
  • polished by FJP Up to now it is not possible to polish large surfaces ( ⁇ ⁇ 1 -8m). .
  • the material removal rates are between 100 and 1000 times lower than those achieved with the tool, object of this invention. .
  • With the rotating cylinder it is not possible to generate a uniform annular erosion footprint in the plane of incidence, that is, there is no radial symmetry and the trace is different in the "x" direction from that of the "y” direction, which complicates the handling of both the tool and the part to be polished.
  • Polishing by magnetoreological fluids •
  • the main disadvantage of this method is that it generates a very small footprint of erosion. . It is not possible to generate a uniform annular erosion footprint in the plane of incidence, that is, there is no radial symmetry and the trace is different in the "x" direction from that of the "y” direction, which complicates the handling of both the tool as the part to be polished.
  • Ion beam polishing • A vacuum chamber of at least the size of the surface to be polished is required. . Optical interferometric testing is not possible during the polishing process, which complicates the iterative polishing / testing process. • The micro-roughness on the surface remains practically intact due to the orthogonal incidence of the beam on the surface.
  • This invention is a radial flow hydrodynamic tool for fine grinding and polishing of optical surfaces and semiconductor surfaces, with which optical quality polishing is achieved without coming into contact with work surfaces.
  • This tool supplies a fluid with suspended abrasive particles that is propelled by means of a compressed gas (air) that gives it rotational kinetic energy, expelling the abrasive mixture radially and parallel to the work surface, in such a way that the abrasive particles only rub it.
  • the tool, object of this invention is useful for corrective grinding and fine or high precision polishing of flat or curved optical surfaces, cleaning of smooth surfaces, including those covered with thin or metallic films, of various rigid and semi-rigid materials of medium to high hardness as well as for optical flattening of semiconductor, metal and plastic surfaces. It is a tool without moving parts, made of stainless steel and ceramic materials with high resistance to erosion for some of its parts.
  • the tool, object of this invention is modular and interchangeable. It is made up of cylindrical sections machined in stainless steel or ceramic that make up each stage (Fig. 1). A set of screws placed on the periphery of the body fix all the modules as a stack.
  • the tool consists of: a mixer module (A), a module with one or more rotational acceleration chambers (B), an aerostatic suspension system (C), a throat actuator (D), an outlet nozzle (E) , a radial nozzle divergent (F) and a material recovery ring (G).
  • the mixer module (A) allows controlling the density of the fluid through a porous cavity (H).
  • the acceleration chambers (B) consist, in turn, of one or more cylindrical cavities (I), characterized by a geometry optimized according to hydrodynamics, on the periphery of which are machined - a set of power injectors (J) .
  • the aerostatic suspension system (C) generates a fluid cushion that adjusts the position of the tool to the surface (K), by means of a set of aerostatic shoes.
  • a throat actuator (D) consisting of a continuous perimeter injector that controls the diameter of the outlet nozzle.
  • the outlet nozzle (E) is a stainless steel or ceramic device, characterized by its optimized geometry based on hydrodynamics, consisting of a throat and a jet activator, which in turn is made up of a continuous peripheral injector, a stator and a distribution ring.
  • the diverging radial nozzle (F) is a stainless steel or ceramic device characterized by its optimized geometry to produce a uniform and parallel radial flow towards the work surface (K), so that the abrasive particles only rub against it.
  • the material recovery ring (G) collects the residual abrasive material during the polishing process, by means of a suction mechanism.
  • the tool (I) of Fig. 2, object of this invention is supplied with a hydro-pneumatic and control system that is made up of a liquid (A) and a gas (B) subsystem.
  • the first consists of a container with a stirrer permanent (C), a suitable pump, a hydraulic line with return, a pressure regulator and an electro-valve.
  • the gas supply subsystem consists of a tank (D), a compressor, three branches with their respective pressure regulators (E, F and G) and three sub-branches provided with variable flow restrictors (H).
  • a control system shown in Figure 3 can be used.
  • the tool (A) is installed in a numerically controlled Cartesian or polar type machine (B) (E).
  • the system includes supply tanks (C) and a series of sensors and transducers (H) that allow the regulation of all the operating parameters of the tool, on the work surface (G), through a control system (D ).
  • a computer system (F) is in charge of coordinating both the tool and the machine through a user interface.
  • This new hydrodynamic radial polishing tool that allows polishing optical surfaces locally with controlled wear, has undergone a series of performance tests, using different types and sizes of abrasives at different speeds and considering different tool heights with respect to the surface Polish. Below are the experimental results that were achieved with this tool on different surfaces between 15 and 20cm in diameter:
  • Figure 4 shows the polishing laboratory where the tests were carried out with the tool, object of the present invention.
  • the box located in the upper left part of said figure (A) shows a close-up of the polishing machine with the tool installed (B).
  • This same figure also shows a r- ⁇ -z machine (C) on which the tool is installed, the reason for this invention.
  • the entire polishing arrangement is housed in a clear, watertight cover (D).
  • the feed lines (E), discharge container (F) and the control system (G) are shown.
  • Figures 5 and 6 show a foucaltgram and an interferogram of the experimental static erosion footprint obtained with this tool, respectively.
  • Figure 7 shows the result of the erosion cross-section profile of a set of circular grooves engraved with this tool to compare its performance with the theoretical model.
  • Figures 8 and 9 show the various optical methods to measure the surface of Figure 7.
  • An interferogram and a foucaltgram show the results of the grooves obtained in these tests.
  • the tool allows the polishing of aspherical surfaces as is the case of a Schmidt correction surface.
  • Figure 10 shows a numerical simulation of a surface of this type, with which the tool controller was programmed for its generation.
  • Figure 11 shows the result of the image of the wavefront reconstructed by computer and interferometrically analyzed of the Schmidt surface polished with this tool. The precision of this surface is 13nm RMS. The spots observed correspond to errors in phase unwinding, that is, they do not correspond to the wavefront.
  • Figure 12 shows a micro-interferogram of a surface polished with this tool.
  • the micro-interferometer that was used is capable of detecting surface errors of up to 2nm.
  • the distortion in the stripes represents a micro-roughness of approximately 25nm RMS when using 5 ⁇ m abrasive particles.
  • Figure 13 shows the analysis of the distortion of interferometric stripes on the surfaces polished with this tool, using abrasive particles of different sizes and materials. The last one shows the profile of a strip for an optical reference plate.

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Abstract

Se presenta una herramienta útil para el esmerilado y pulido fino o de alta precisión de superficies ópticas planas y curvas, así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras y metálicas sin entrar en contacto con ellas. Se trata de una herramienta sin partes móviles, fabricada en acero inoxidable y materiales cerámicos para algunas de sus partes. Por sus características hidrodinámicos, se consiguen pulidos de calidad óptica de muy alta precisión, incluyendo las orillas. Produce un flujo de alta velocidad que se expande radial y paralelamente sobre la superficie de trabajo creando una huella de abrasión anular, estable, uniforme y repetible. Debido a su diseño permite realizar los procesos para obtener una superficie óptica, desde el esmerilado correctivo hasta el pulido fino sin cambiar de herramienta, evitando la fricción contra la superficie de trabajo, el desgaste y la deformación de la misma. Realiza el pulido de membranas delgadas y no requiere de soportes rígidos o activos para la pieza de trabajo. Esta invención facilita considerablemente el pulido óptico y abate el costo respecto de otros métodos conocidos.

Description

Herramienta Hidrodinámica de Flujo Radial para el Pulido y Esmerilado de Superficies Ópticas y Semiconductoras
Para efectos de esta solicitud de patente, los siguientes términos se entenderán de acuerdo con las descripciones que se enlistan a continuación:
Generado.- Dar forma a una superficie en 3D (generalmente una ecuación matemática) sobre un objeto sólido por medio de herramientas abrasivas rígidas, flexibles o fluídicas. (error final =100 μm)
Esmerilado.- Proceso posterior al generado que consiste en la remoción del material superficial de un sólido por medio del roce, corte o impacto de partículas microscópicas sólidas de alta dureza, (error final 1-1 Oμm) Pulido fino.- Acabado final de una superficie especular , en dónde el error superficial y la rugosidad son menores a 20nm.
Estabilidad.- La capacidad de la herramienta, objeto de esta invención, para mantener constante la huella de erosión durante su operación.
Repetibilidad.- La capacidad de la herramienta, objeto de esta invención, para mantener constante la huella de erosión durante varios ciclos de operación.
Uniformidad.- La capacidad de la herramienta, objeto de esta invención, para mantener constante la huella de erosión a lo largo del anillo.
Descripción
La herramienta, objeto de la presente invención sirve para realizar el esmerilado correctivo y pulido fino sobre superficies de diversos materiales sin hacer contacto con ellas, mediante un fluido abrasivo de bajo costo y de un sistema de suspensión novedoso que permite trabajar áreas de superficies planas o curvas de hasta 2m de diámetro, con la ventaja de evitar la caída de las orillas durante el mismo proceso y evitando el desgaste y la deformación de la herramienta. Permite repetir el proceso a través del control y mantenimiento de los parámetros de operación tantas veces como sea necesario, consiguiendo altos niveles de precisión y de calidad en el pulido de superficies ópticas y semiconductoras, removiendo de 1 a 300nm por minuto, por cm2. Esta herramienta permite realizar las mediciones y pruebas interferométricas de la calidad óptica de las superficies durante el proceso de pulido sin la necesidad de desmontar la pieza de trabajo.
Campo técnico La presente invención está inmersa en el campo del esmerilado correctivo y pulido de alta precisión, específicamente, para superficies ópticas y aplanado de superficies semiconductoras.
Antecedentes El proceso de pulido de calidad óptica, pulido fino o de alta precisión consiste en desbastar el material de la superficie a pulir para alisarla, así como para corregir su figura con precisiones de fracciones de longitud de onda.
Los métodos convencionales de pulido, también conocidos como métodos de pulido clásico (R.N. Wilson "Reflecting Telescope Optics II, Manufacture, Testing, Alignment, Modern Techniques" Springer Verlag,1999. y Wilson S. R., et al. SPIE Vol. 966, 74, 1988) utilizan principalmente herramientas de contacto fabricadas con materiales elásticos (brea, poliuretano, etc.) que se amoldan con precisión a la superficie a pulir, ejerciendo rozamiento a través de una capa de abrasivo en suspensión. Estos procedimientos de pulido tienden a ser artesanales y tardados, y deforman las herramientas de pulido debido a la temperatura y torsión que se generan durante el proceso, con el consecuente desgaste de la herramienta en la que se incrusta el abrasivo y el material removido.
Estos métodos se superaron utilizando herramientas del tipo "stressed lap" que consisten en herramientas que se deforman activamente para pulir superficies asféricas con mayor facilidad. Sin embargo, son métodos complejos y una de sus limitaciones importantes consiste en que no es posible trabajar con precisión los bordes de las superficies, obteniendo lo que se conoce en el campo de la óptica como superficies con orillas caídas.
Existen otros métodos modernos que se emplean para el pulido fino de superficies ópticas, como el pulido por medio de un cañón de iones (Ion Beam Figuring), el pulido por medio de fluidos magnetoreológicos y el pulido por chorros (jets) fluídicos (Fluid Jet Polishing, FJP). Las características y limitaciones de cada uno se describen a continuación:
El pulido por medio de un cañón de iones (Ion Beam Figuring), USP 5,969,368 y USP 5,786,236 , se basa en el bombardeo de la superficie a pulir con un haz colimado de iones de un gas inerte que producen la remoción de material. Sí bien con este método se pueden pulir superficies esféricas, incluyendo las orillas de las superficies de trabajo, las superficies mantienen un grado de microrugosidad considerable al final del proceso como consecuencia del choque perpendicular de los iones con la superficie. Con esta tecnología solamente se puede realizar el pulido fino de una superficie previamente preparada y esmerilada. El proceso es iterativo basado en el mapa de error de la superficie de trabajo, corrigiendo las imperfecciones. Este método requiere de una cámara de vacío, cuando menos, del tamaño de la pieza a pulir por lo que resulta costosa y compleja.
El método de pulido por medio de fluidos magnetoreológicos, USP 5,971 ,835 y USP 6,106, 380, consiste en confinar un fluido magnético con abrasivo sobre el área perimetral de un cilindro rotatorio que, por influencia de un campo magnético, se endurece generando una herramienta de pulido. El pulido se consigue moviendo controladamente la pieza a pulir sobre el fluido magnetoreológico que circula sobre el cilindro rotatorio. Otra variante de este método es colimar un flujo de líquido magnetoreológico abrasivo por medio de un campo magnético y hacerlo chocar con la superficie de trabajo. Aunque con este método se genera una huella anular en la superficie a pulir, las áreas que se pueden trabajar son muy pequeñas (menores a 5mm), por lo que esta tecnología se limita al pulido de superficies de aplicaciones industriales de óptica pequeña como lentes de microscopios o lentes de cámaras fotográficas y resulta costosa. El pulido por jet fluídico (FJP), Booij, S.M., et al., Optical Engineering, August 2002, Vol. 41 , No. 8, pp. 1926-1931 y Booij, S.M., et al., I. OF&T conference, Tucson, June 2002, pp. 52-54. y O. Fáhnle et al., Appl. Opt. 38, 6771-6773 (1998), es la primera tecnología de pulido basada en fluidos. Desbasta la superficie a pulir mediante un haz de fluido abrasivo. El chorro se dirige a la superficie a través de una tobera colocada a un cierto ángulo y distancia respecto de la superficie de trabajo. Este método de pulido presenta características limitadas debido a que la huella de erosión que se genera es unidireccional y carece de simetría axial. Las superficies que se pueden trabajar son pequeñas y la herramienta resulta limitada para satisfacer las necesidades de pulido de alta precisión en los campos de la óptica de grandes superficies.
Problema Técnico
En el campo de la óptica de alta precisión y en el de la microelectrónica, específicamente, en lo que se refiere al aplanado óptico de superficies semiconductoras, el esmerilado y pulido de alta precisión se realiza con distintas técnicas modernas que, sin embargo tienen una serie de limitaciones:
Pulido Clásico: . Solamente es posible trabajar materiales de alta dureza. . Las superficies a trabajar se deforman por la presión que las herramientas ejercen sobre ellas, requiriendo de soportes rígidos para las mismas. . Tienden a dejar la orilla caída debido al material semi-rígido de contacto y a la falta de soporte de la herramienta en el borde. . Es necesario cambiar el tamaño de la herramienta para hacer correcciones zonales. . Funcionan con máquinas armónicas que no tienen las ventajas de una máquina cartesiana, como el pulido fuera de eje.
Pulido por FJP: . Hasta ahora no es posible pulir superficies de gran tamaño (Φ~1 -8m). . Las tasas de remoción de material son entre 100 y 1000 veces menores a las que se consiguen con la herramienta, objeto de esta invención. . Con el cilindro rotatorio, no es posible generar una huella de erosión anular uniforme en el plano de incidencia, es decir, no hay simetría radial y el trazo es distinto en la dirección "x" al de la dirección "y", lo cual complica el manejo, tanto de la herramienta como de la pieza a pulir.
Pulido por fluidos magnetoreológicos: • La principal desventaja de este método es que genera una huella de erosión de un tamaño muy reducido. . No es posible generar una huella de erosión anular uniforme en el plano de incidencia, es decir, no hay simetría radial y el trazo es distinto en la dirección "x" al de la dirección "y", lo cual complica el manejo, tanto de la herramienta como de la pieza a pulir.
Pulido por haz de iones: • Se requiere de una cámara de vacío, cuando menos, del tamaño de la superficie a pulir. . No es posible realizar pruebas ópticas ¡nterferométñcas durante el proceso de pulido, lo cual complica el proceso iterativo de pulido/prueba. • La microrugosidad en la superficie se mantiene prácticamente intacta debido a la incidencia ortogonal del haz sobre la superficie.
Una de las limitaciones importantes de la tecnología disponible en lo que al proceso de esmerilado-pulido fino se refiere, estriba en que es indispensable utilizar más de una tecnología para conseguir el acabado de alta precisión de una superficie. Actualmente, estas técnicas se realizan en distintos puntos geográficos, lo cual complica el proceso e incrementa el costo de una manera importante. Esta invención resuelve o mejora los problemas de la tecnología disponible y se consiguen distintas ventajas respecto de las técnicas antes mencionadas. Descripción detallada de la Invención.
Esta invención es una herramienta hidrodinámica de flujo radial para el esmerilado fino y pulido de superficies ópticas y de superficies semiconductoras, con la que se consigue un pulido de calidad óptica sin entrar en contacto con las superficies de trabajo. Esta herramienta suministra un fluido con partículas abrasivas en suspensión que es propulsado por medio de un gas comprimido (aire) que le imprime energía cinética rotacional, expulsando la mezcla abrasiva radial y paralelamente hacia la superficie de trabajo, de tal forma que las partículas abrasivas solamente la rozan.
La herramienta, objeto de esta invención es útil para el esmerilado correctivo y pulido fino o de alta precisión de superficies ópticas planas o curvas, limpieza de superficies lisas, incluyendo las recubiertas con películas delgadas o metálicas, de diversos materiales rígidos y semi-rígidos de mediana a alta dureza así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras, metálicas y plásticas. Se trata de una herramienta sin partes móviles, fabricada en acero inoxidable y materiales cerámicos de alta resistencia a la erosión para algunas de sus partes.
Con esta herramienta se pueden trabajar áreas mayores a 1 m de diámetro; sin embargo se pueden utilizar arreglos geométricos de dos o más herramientas para trabajar superficies mayores. El amplio espectro de tamaños de las huellas de erosión que se obtienen con estas herramientas, las hacen idóneas para trabajar superficies en aplicaciones de alta precisión tanto de óptica pequeña como de grandes áreas, así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras.
La herramienta, objeto de esta invención, es modular e intercambiable. Se conforma de secciones cilindricas maquinadas en acero inoxidable o cerámica que conforman cada etapa (Fig. 1). Un conjunto de tornillos colocados en la periferia del cuerpo fijan todos los módulos a manera de pila.
La herramienta consta de: un módulo mezclador (A), un módulo de una o más cámaras de aceleración rotacional (B), un sistema de suspensión aerostático (C), un actuador de garganta (D), una tobera de salida (E), una tobera radial divergente (F) y un anillo recuperador de materiales (G).
El módulo mezclador (A) permite controlar la densidad del fluido mediante una cavidad porosa (H).
Las cámaras de aceleración (B) constan, a su vez, de una o más cavidades cilindricas (I), caracterizadas por una geometría optimizada en función de la hidrodinámica, en cuya periferia se encuentran maquinados- un conjunto de inyectores de potencia (J).
El sistema de suspensión aerostático (C) genera un colchón de fluido que ajusta la posición de la herramienta a la superficie (K), por medio de un conjunto de zapatas aerostáticas.
Opcionalmente un actuador de garganta (D) que consta de un inyector perimetral continuo que controla el diámetro de la tobera de salida.
La tobera de salida (E) es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica, caracterizado por su geometría optimizada en función de la hidrodinámica, compuesto por una garganta y un activador de chorro, que a su vez, está formado por un inyector periférico continuo, un estator y un anillo de distribución.
La tobera radial divergente (F) es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica caracterizado por su geometría optimizada para producir un flujo radial uniforme y paralelo hacia la superficie de trabajo (K), de tal forma que las partículas abrasivas solamente la rocen.
El anillo recuperador de materiales (G) recoge el material abrasivo residual durante el proceso de pulido, por medio de un mecanismo de succión.
La herramienta (I) de la Fig. 2, objeto de esta invención, se alimenta con un sistema hidroneumático y de control que está conformado por un subsistema de líquido (A) y uno de gas (B). El primero consta de un contenedor con agitador permanente (C), una bomba adecuada, una línea hidráulica con retorno, un regulador de presión y una electro-válvula. El subsistema de alimentación de gas consta de un tanque (D), un compresor, tres ramales con sus respectivos reguladores de presión (E, F y G) y tres sub-ramales provistos con restrictores de flujo variable (H).
Para la operación de la herramienta se puede utilizar un sistema de control que se muestra en la Figura 3. La herramienta (A) se instala en una máquina (B) de tipo cartesiano o polar controlada numéricamente (E). El sistema incluye tanques de suministro (C) y una serie de sensores y transductores (H) que permiten la regulación de todos los parámetros operativos de la herramienta, sobre la superficie de trabajo (G), a través de un sistema de control (D). Un sistema de cómputo (F) se encarga de coordinar tanto la herramienta, como la máquina por medio de una interfaz de usuario.
Ejemplos.
Esta nueva herramienta de pulido radial hidrodinámica que permite pulir localmente superficies ópticas con un desgaste controlado, se ha sometido a una serie pruebas de desempeño, utilizando distintos tipos y tamaños de abrasivos a distintas velocidades y considerando diferentes alturas de la herramienta respecto de la superficie a pulir. A continuación se muestran los resultados experimentales que se consiguieron con esta herramienta sobre diferentes superficies de entre 15 y 20cm de diámetro:
En la Figura 4 se muestra el laboratorio de pulido en el que se efectuaron las pruebas con la herramienta, objeto de la presente invención. El recuadro localizado en la parte superior izquierda de dicha figura (A) muestra un acercamiento de la máquina de pulido con la herramienta instalada (B). En esta misma figura también se muestra una máquina r-θ-z (C) sobre la que está instalada la herramienta, motivo de esta invención. Todo el arreglo de pulido se encuentra dentro de una cubierta hermética transparente (D). Se muestran las líneas de alimentación (E), recipiente de descarga (F) y el sistema de control (G). Las Figuras 5 y 6 muestran un foucaltgrama y un interferograma de la huella de erosión estática experimental obtenidas con esta herramienta, respectivamente.
La Figura 7 muestra el resultado del perfil transversal de erosión de un conjunto de ranuras circulares grabadas con esta herramienta para confrontar su desempeño con el modelo teórico. Las Figuras 8 y 9 muestran los diversos métodos ópticos para medir la superficie de la Figura 7. Un interferograma y un foucaltgrama muestran los resultados de los surcos obtenidos en estas pruebas.
La herramienta, motivo de esta invención, permite el pulido de superficies asféricas como es el caso de una supeficie correctora Schmidt. La Figura 10 muestra una simulación numérica de una supeficie de este tipo, con la cual se programó el controlador de la herramienta para su generación. La Figura 11 muestra el resultado de la imagen del frente de onda reconstruido por computadora y analizado interferométricamente de la supeficie Schmidt pulida con esta herramienta. La precisión de esta superficie es de 13nm RMS. Las manchas que se observan corresponden a errores en la desenvoltura de fase, es decir, no corresponden al frente de onda.
En la Figura 12 se muestra un micro-interferograma de una superficie pulida con esta herramienta. El mícro-interferómetro que se utilizó es capaz de detectar errores en la superficie de hasta 2nm. La distorsión en las franjas representa una microrugosidad de aproximadamente 25nm RMS al utilizar partículas abrasivas de 5μm.
En la Figura 13 se muestra el análisis de la distorsión de franjas interferométricas sobre las superficies pulidas con esta herramienta, utilizando partículas abrasivas de distintos tamaños y materiales. El último muestra el per il de una franja para una placa de referencia óptica.

Claims

Reivindicaciones.
1. Herramienta para el esmerilado y pulido fino o de alta precisión de superficies ópticas planas o curvas, así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras y metálicas que comprende de: varias secciones cilindricas de aGero inoxidable o cerámica previamente maquinadas, que a su vez, se acoplan mediante un conjunto de tornillos colocados en la periferia del cuerpo y que consta de: un módulo mezclador, un módulo de una o más cámaras de aceleración rotacional, un sistema de suspensión aerostático, un actuador de garganta, una tobera de salida y una tobera radial divergente.
2. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el módulo mezclador permite controlar la densidad del fluido mediante una cavidad porosa adecuada.
3. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las cámaras de aceleración constan, a su vez, de una o más cavidades cilindricas caracterizadas por una geometría optimizada en función de la hidrodinámica y en cuya periferia se encuentran maquinados un conjunto de inyectores de potencia.
4. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el sistema de suspensión aerostático genera un colchón de fluido que ajusta la posición de la herramienta a la superficie, por medio de un conjunto de zapatas aerostáticas.
5. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde un actuador de garganta que consta de un inyector perimetral continúo puede controlar el diámetro de la tobera de salida.
6. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la tobera de salida es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica, caracterizado por su geometría optimizada en función de la hidrodinámica, compuesto por una garganta y un activador de chorro, que a su vez, está formado por un inyector periférico continuo, un estator y un anillo de distribución.
7. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la tobera radial divergente es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica, caracterizado por su geometría optimizada en función de la hidrodinámica que produce un flujo radial uniforme y paralelo hacia la superficie de trabajo de tal forma, que las partículas abrasivas solamente la rozan.
8. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el anillo recuperador de materiales recoge el material abrasivo residual durante el proceso de pulido, por medio de un mecanismo de succión.
9. Uso de la herramienta mencionada en la reivindicación 1 para el esmerilado correctivo, pulido fino y limpieza de superficies lisas, incluyendo las recubiertas con películas delgadas o metálicas, de diversos materiales rígidos y semi-rígidos de mediana a alta dureza así como para el pulido y aplanado de superficies semiconductoras.
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