超光滑表面加工技术

1、超光滑表面加工技术学生姓名: 专 业: 无机非金属材料工程指导教师：1主要内容简述一超光滑表面加工技术二超光滑表面检测技术三简述 近年来，空间光学、X射线学、紫外光学以及磁记录、光学记录、超大规模集成电路等领域的发展，对上述光学系统的光学元件提出了极精确面型和超光滑表面的加工要求，其表面粗糙度在纳米级。通常把粗糙度为纳米级的表面称为超光滑表面。超光滑表面加工技术，即超光滑抛光，相当于原子、分子水平上的加工。软X射线光学系统空间光学（天文望远镜）强激光系统（谐振腔反射镜面）集成电路基板大容量光盘磁头加工超光滑光学元件可用于的高科技领域简述 超光滑表面抛光机理 1.机械磨削去除材料 2.物理碰撞方

2、法去除材料原子 3.化学方法去除工件表面原子 实际上，超光滑表面抛光过程，材料去除并不只是其中的一种方式，多数情况下是三种去除方式的共同作用，只是某一种方式表现得更为明显而已简述2.超光滑表面加工技术 目前，超光滑光学元件常用的材料有玻璃、晶体、陶瓷及某些金属，如熔石英、微晶玻璃、蓝宝石、铝合金、无氧铜、单晶硅等。所以获得超光滑表面的加工技术有很多。1.浴法抛光2.浮法抛光3.聚四氟乙烯抛光4.离子束抛光5.等离子体辅助抛光6.磨粒弹性溅射抛光7.磁流变抛光浴法抛光是美国在20世纪60年代为发展远紫外光学而研究的一种超光滑加工方法。此法在熔石英上获得了粗糙度为0.3nm的超光滑表面。 1.浴法

3、抛光 浴法抛光示意图 1.浴法抛光231451.液槽2.抛光液3.搅拌器4.抛光盘5.工件 1.浴法抛光FP是日本大阪大学南波教授为加工抛光磁头材料在1977年提出的。该方法已经获得表面粗糙度Rq0.1nm超光滑表面，是目前超光滑表面加工技术中，工件表面粗糙度最小的方法。 2.浮法抛光浮法抛光机的机械构造类似于定摆抛光机。镜盘在磨盘上;电动机驱动主轴使磨盘旋转,镜盘和工件因为磨盘的作用而被动地绕自身工作轴旋转;但由于镜盘工件轴是固定的,工件不在磨盘上往复摆动。磨盘与工件均浸于抛光液中。磨盘材料不是通常的沥青或聚氨脂或毛毡之类 ,而是金属锡 ,纯度在99.99%以上,锡盘厚度约20mm。锡盘是这

4、样制造的:先用钢刀在锡盘上车出2mm宽的螺线或同心圆;再用钻石车刀在盘面车出更精细的螺线,进给速度约 0.3 mm /rev 。 2.浮法抛光 2.浮法抛光 2.浮法抛光 浮法抛光中机械切削作用不占主要地位。采用较软的或较硬的磨料均可获得超光滑表面 ,并且表面粗糙度可达到来亚纳米量级,接近原子尺寸 ,这说明浮法抛光中,工件材料的去除是在原子水平上进行的。浮法抛光过程 中,镜盘与磨盘稳定旋转,抛光液运动产生的动压力,使镜盘与磨盘之 间有数微米厚的液膜,磨料微位在这层液膜中运动,与工件表面不断碰撞;工件表面原子在磨料微粒的撞击作用下脱离工件主体,从而被去除 。 热力学理论认为,固体最稳定态是绝对零

5、度时的理想晶体,此时其内能最低 ,各原子间结合能相 同。实际上的固体 ,其每一面层都存在晶格缺陷。固体的相互作用缘于其存在晶格缺陷的结构。物体表面原子间的结合能正 比于该原子周围的同等原子数 目,换言之,不同面层原子因其位置而有不同的结合能。具体到被抛光工件而言 ,其外表层原子数显然少于内部各面层原子数,这样外表层原子间的结合力就比其主体内部的原子弱。同样的道理,外表层原子的结合能不是一致均匀分布的。这就是说外表面层的原子 比内部原子容易去除。 2.浮法抛光 该方法是20世纪70年代。澳大利亚计量实验室为抛光法布里-珀罗干涉仪所用高精度光学元件而提出来的。该方法已经在多种材料商获得0.4nm的

6、粗糙度。 3.聚四氟乙烯抛光 在加工超光滑表面时，工件先进行预抛光，使用沥青抛光盘，抛至表面无任何明显疵病，径向磨痕完全去除，平面度达 。换用聚四氟乙烯抛光模具，采用浴法抛光的方法，模具的直径是工件的34倍。采用大盘抛小工件可获得比抛光模具好得多的表面。抛光速度要慢，机械振动要小，抛光机主轴摆速为38r/min。聚四氟乙烯模具可抛光各种材料，甚至用于较难抛光的材料，如氟化钙、氟化锂、硅等 3.聚四氟乙烯抛光聚四氟乙烯抛光盘具有抗老化、耐磨损、可长时间保持面型等优点，即可用于传统抛光，又可用于浴法抛光。其关键是模具制造。 离子束抛光时在高真空环境下进行的，设备比较昂贵。它是用被加速的离子与工件表

7、面原子核直接产生弹性碰撞，将能量直接传给工件材料的原子，使其逸出表面从而将材料去除，是一种典型的用物理碰撞方法惊醒抛光技术。 4. 离子束抛光目前，人们利用这一技术已加工直径0.5、粗糙度0.6nm的表面。 这是一种利用化学反应来除去材料而实现超光滑抛光的方法。该方法始于20世纪90年代，现在水平已达面型精度 ，表面粗糙度优于0.5nm。加工范围广，适用于各种尺寸和面形，是一种很有前途的超精加工方法。 5. 等离子体辅助抛光等离子体辅助抛光从整体上讲也是一种计算机控制小磨头抛光技术。不过，此时的抛光头是由某种气体在射频激励离子激光器的作用下产生的活性等离子体组成的。化学活性的等离子体与工件表面

8、物质发生化学反应，生成易挥发的混合气体，并有排气孔排出，从而使材料去除 等离子体辅助抛光设备由三部分组成：可编程位置控制系统。抛光过程是一个闭环反馈系统的控制过程。抛光头位于工件表面上方几毫米处垂直于被加工表面，由一个5轴CNC来控制，以满足不同表面需要。通过控制抛光头的相关参数可使抛光头的去除函数形状在抛光过程中改变，更加有效提高收敛速度。利用材料去除量控制设备可实时监控表面的去除量，进而实现闭环控制。其中材料去除量是驻留时间的函数，控制精度可达1%. 5. 等离子体辅助抛光 该方法是1979年由日本大阪大学的莫里等人发展的一种非接触式超光滑表面加工方法，可用于半导体材料，玻璃材料和硅、锗，

9、可获得玻璃Rq=0.5nm和单晶硅表面Rq1nm的粗糙度。 6. 磨粒弹射溅射抛光 6. 磨粒弹射溅射抛光基本原理：用细磨料颗粒与工件表面碰撞，如果其应力场的大小比材料原先存在的缺陷之间的距离还小的话，就能产生晶格数量级的弹性破坏，以致不会留下产生弹性变形的表层。材料中原先存在的点状缺陷之间的间隔大约为1um，在此间隔内，材料的结构和强度可认为是理想的。如果机械加工产生的破坏作用范围小于该区间，原先存在的缺陷就不发生作用，就能实现从晶体上原子级去除的弹性破坏 微粒磨料颗粒工件表面的方式： 6. 磨粒弹射溅射抛光振动碰撞。由转动圆盘进行的循环碰撞用气流进行的循环碰撞静电加速的离子碰撞它是利用磁流

10、变抛光液在磁场中的磁流变特性进行抛光的一种新方法。磁流变抛光是磁流变抛光液在磁场作用下，在抛光区域内形成的具有一定硬度和形状精度的“小磨头”，代替了传统抛光时的抛光膜。在磁场作用下，磁流变抛光液变硬，粘度变大，而且“小磨头”的形状和硬度可由磁场实时控制，而影响抛光区稳定的其他因素都固定不变。这样，既能通过控制磁场来控制抛光区的大小和形状，由能保证在一定磁场强度下抛光区的稳定性。这些特点是传统抛光无法比拟的 7. 磁流变抛光磁流变抛光示意图 7. 磁流变抛光NS123451.工件2.磁流变抛光液3.运动盘4.抛光点5.磁极 7. 磁流变抛光被抛光工件位于运动盘上方，并与运动盘成一很小的固定不变的

11、距离，于是工件和运动盘表面之间形成了一个凹空隙。磁极置于工件和运动盘的下方，并且在工件和运动盘所形成的小间隙附近形成一个高梯度磁场。运动盘内盛有磁流变抛光液，当磁流变抛光液随运动盘一起运动到工件与运动盘所形成的小空隙附近时，磁流变抛光液在梯度磁场作用下，按着一定规律聚结、变硬，形成近似于高斯曲面的毫米级的凸起，这是一种特殊的介质，它在工件和抛光机盘间的小空隙中以较高速度运动时，对工件与之接触的区域产生很大的剪切力，使工件表面材料快速地被去除。超光滑表面检测技术测量方法： 接触法优点：所有仪器有很高的纵向和横向的分辨率缺点：接触被测表面，易造成表面划伤非接触法优点：利用干涉、散射原理测量，不接触

12、表面缺点：有些仪器测量精度不够TOPO3D粗糙度测量仪ZYGO5500超精密表面粗糙测量仪临界角法变位测量超光滑表面检测技术TOPO3D粗糙度测量仪超光滑表面检测技术这是美国WYKO公司生产的光学面形仪。目前，世界各国普遍用它来检测超光滑表面粗糙度。这种仪器室应用相移干涉技术原理来测量表面粗糙度。利用压电陶瓷传感器进行扫描，用CCD面阵作接收器，通过接口电路由计算机进行数据处理，最后打印出所需各种数据。该仪器软件先进，功能齐全，测量精度可达0.1nm。ZYGO5500超精密表面粗糙测量仪超光滑表面检测技术它是用光学外差干涉法来测量表面粗糙度的仪器，干涉仪系统由防震台、激光器干涉仪、空气轴承回转台、编码器和光电探测器构成。氦氖激光器发出两个不同频率，其频率差保持为250HZ的平行的偏振光。光线经准直后通过可变换的中性滤光片。光线经反射系统进如干涉仪。光线经干涉后，光线在被测表面成像。两束光的相位差反应了被测表面上两点之间的高度差。由于参考光是从同一点反射的，因此相位差的变化、扫描位置的高度变化就表示了表面的粗糙度。临界角法变位测量超光滑表面检测技