光學(xué)零件的加工基本包括切割成型、研磨、拋光三道工序;最終的光學(xué)表面質(zhì)量由拋光決定,因此拋光是最重要的工序。通常高質(zhì)量光滑表面的拋光是以瀝青或纖維等彈性材料作磨盤,配以拋光液或研磨膏來達(dá)到技術(shù)要求。 kZ[mM'u# fi)ypv*
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近年來,光學(xué)及微電子學(xué)極大地推動(dòng)了光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展。大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路對(duì)所用基片(通常為硅、鍺等材料)的表面精度提出了很高的要求;短波段光學(xué)的發(fā)展尤其是強(qiáng)激光技術(shù)的出現(xiàn),對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的要求極為苛刻。表面粗糙度低于1nm rms的超光滑表面加工技術(shù)已成為光學(xué)及微電子學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。*傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)依賴性的光學(xué)加工方法是不能滿足日益發(fā)展的光學(xué)、電子學(xué)要求的。國(guó)內(nèi)外已有許多科學(xué)家在探索加工高精度超光滑表面的各種技術(shù)。一般原子直徑小于0.3nm,而超光滑表面微觀起伏的均方根值為幾個(gè)原子的尺寸,因此實(shí)現(xiàn)超光滑表面加工的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)表面材料原子量級(jí)的去除。 >&hX&,hG P:+:Cm<
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1997年,日本大坂大學(xué)的難波義治教授發(fā)明了浮法拋光(Float Polishing)加工超光滑表面技術(shù)。通過使用這項(xiàng)技術(shù),可使剛玉單晶的平面面形達(dá)到λ/20,表面粗糙度低于1nm Rz。1987年的研究報(bào)告表明,使用浮法技術(shù)進(jìn)行多種材料的拋光實(shí)驗(yàn),對(duì)φ180mm的工作,可以達(dá)到表面粗糙度優(yōu)于o.2nm rms,平面度優(yōu)于λ/20=0.03μm。 YMu) 9UZX+@[F
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目前在日本,浮法拋光技術(shù)應(yīng)用很廣泛,尤其是用于錄音機(jī)、錄像機(jī)或計(jì)算機(jī)的磁頭生產(chǎn);每年有2500萬(wàn)個(gè)磁頭就是采用這項(xiàng)技術(shù)制造的。近年來,德國(guó)也在研究類似拋光技術(shù)。德國(guó)Ulm大學(xué)的歐威(O. Weis)研究表明,對(duì)白寶石材料的φ7mm的工件進(jìn)行拋光,30分鐘后達(dá)到表面粗糙度小于0.05nm的結(jié)果。 QymD-A"P %F7k| Na
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將浮法拋光樣品與普通拋光樣品比較可以發(fā)現(xiàn)浮法拋光有許多優(yōu)點(diǎn)。普通瀝青式拋光使用硬度大于工件的磨料,也可以獲得所謂超光滑表面的粗糙度指標(biāo),但對(duì)磨盤的平面度的修正很有講究,這影響到被拋光工件的面形。普通拋光后的工件,其邊緣幾何尺寸總不太好,經(jīng)常有塌邊或翹邊現(xiàn)象;并且在高倍顯微鏡下可以看到表面有塑性畸變層。 Cef7+fa h7{W-AtM7_
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應(yīng)用浮法拋光法技術(shù)獲得的超光滑表面,不僅具有較好的表面粗糙度和邊緣幾何形狀,而且拋光晶體面有理想完好的晶格,亞表面沒有破壞層,并且由拋光引起的表面殘余應(yīng)力極小。 7;xKy'B\ cVMTT]cj1
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二、浮法拋光機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與拋光過程 l* Y[^' Ic*Q(X
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浮法拋光機(jī)的機(jī)械構(gòu)造類似于定擺拋光機(jī)。在對(duì)工件進(jìn)行浮法拋光前,被加工工件首先要進(jìn)行預(yù)拋光,干燥。就可以浮法拋光。 fuyl/bx} F&Gb[Q&a8
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拋光過程中,拋光液隨磨盤旋轉(zhuǎn);由于流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)壓,工件與磨盤之間形成一層薄薄的液膜,使得工件浮在磨盤上旋轉(zhuǎn),保持軟接觸。液體旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心作用使拋光液中粒度稍大的顆粒被甩到四周,并漸漸沉到底部,這樣夾在磨盤與工件間的液膜中的磨料越來越精細(xì)均勻;被加工光學(xué)表面越來越光滑,最后達(dá)到超光滑。 &<h?''nCy =J,:j[D(
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工件的面形主要由磨盤面形決定,浮法拋光中,由于錫材料本身的特性,其硬度及流動(dòng)性適中,在拋光中錫盤的磨損可以忽略,因而錫盤的平面度是很容易控制的;這樣保證了工件面形的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)拋光的經(jīng)驗(yàn)性主要是由于瀝青盤的拋光中變形決定的;使用錫盤后,這種經(jīng)驗(yàn)性拋光就可以成為穩(wěn)定拋光。 rfTe Ni`qU(I'|
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三、浮法拋光的去除機(jī)理 q^6N+^}QN 9"rATgN1
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浮法拋光表面粗糙度可達(dá)到亞納米量級(jí),接近原子尺寸,工件材料的去除是原子水平上進(jìn)行的。工件表面原子在磨料微粒的撞擊作用下脫離工件主體,從而被去除。原子的去除過程,是磨料與工件在原子水平的碰撞、擴(kuò)散、填補(bǔ)過程。 wlVvxX3% 3f3?%9
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四、磨料的選取 3{pk5_c _Cs.%R!r
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根據(jù)去除機(jī)理,利用外表面層與主體原子結(jié)合能的差異,任何材料都可作為磨料去除工件表層原子,可以獲得無(wú)晶格錯(cuò)位與畸變的表面。 \G3!TwC% JGtdbD?Fw
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在進(jìn)行浮法超光滑表面的拋光中,選擇合適的材料作為磨料很重要。一般用于浮法拋光的磨料為粒度約7nm的SiO2微粉。 Nt,~b^9 GZ1>]HB>r^
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綜上所述,浮法拋光技術(shù)的關(guān)鍵在于: -<d( `7LdF,OdE
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高面形精度的錫盤,以此來保證工件面形的高精度。 k_O-5{ 5Z@Q^
粒度小于20nm的磨料,目的在于增大工件與磨盤的接觸面積,增多磨料顆粒與工件表面的碰撞機(jī)會(huì),達(dá)到原子量級(jí)去除的目的。 yjd(UWE 8L#sg^1V
拋光液將工件和磨盤浸沒,*流體作用形成工件與磨盤間液膜,為磨料顆粒與工件的碰撞提供環(huán)境。