基于快速抛光技术的光学元件材料去除模型研究
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第38卷第3期 2 0 1 7年3月 兵 工 学 报
ACTA ARMAMENTARII Vo1.38 NO.3 Mar. 2017
基于快速抛光技术的光学元件材料去除模型研究 林涛 , (1.厦门大学航空航天学院,福建厦门361005;2 杨炜 ,王健 中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)
摘要:为精确控制抛光阶段材料去除,实现光学元件的确定性抛光加工,在分析快速抛光原理 和快速抛光材料去除机制基础上,从单颗磨粒受力和抛光垫峰点捕获的磨粒数出发,获得量化的单 颗磨粒瞬时切除体积和抛光接触区参与有效磨粒数,从而建立一种光学元件快速抛光材料去除模 型。研究结果表明:以材料去除量为实验对象,在不同抛光液、抛光垫和光学元件实验条件下,材料 去除模型的理论预测结果与实验结果较为吻合,材料去除量误差可以控制在9%以内。验证了该 模型对于光学元件快速抛光技术的适用性,从而可以确定性的控制快速抛光时间和效率。 关键词:机械制造工艺与设备;光学元件;快速抛光;材料去除模型 中图分类号:TN205 文献标志码:A 文章编号:1000—1093(2017)03-0527.07 DOI:10.3969/i.issn.1000.1093.2017.03.015
Research on Material Removal Model of Optical Elements Based on Fast Polishing Technology
LIN Tao ,YANG Wei ,WANG Jian (1.School of Aerospace Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,Fujian,China; 2.Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan,China)
Abstract:In order to accurately control the material removal in polishing stage,and achieve the deter— ministic polishing processing of toptical element,the quantitative mean volume removed by a single parti— eles per unit time and the number of the active particles on the wafer-pad interface are obtained from the force applied on an abrasive particle and the number of all particles on the wafer-pad contact area.An optical element fast polishing material removal model is established based on the analysis of fast polishing principle and fast polishing material removal mechanism.Research shows that,under the experimental conditions of different polishing liquids,polishing pads and optical elements,the theoretically predicted results of the material removal model are well coincident with the experimental results,and the error of ma— terial removal can be controlled within 9%.The proposed mode1 is verified to be suitable for the optical el— ement fast polishing technology,thus deterministically controling the fast polishing time and efficiency. Key words:manufacturing technology and equipment;optical element;fast polishing;material removal mndel
0 引言 针对激光核聚变研究,我国相关部门已建成神 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 通信作者: 光I、神光Ⅱ高功率激光装置,现在进行的神光Ⅲ装 置的建设和研究更是一项庞大而又复杂的巨型工 程,其中使用了大量的光学元件,光学元件超精密加
2016-04.22 国家自然科学基金项目(51675453);福建省高等学校创新能力提升计划项目(2013年) 林涛(1989一),男,硕士研究生。E-mail:519023733@qq.corn 杨炜(1981一),男,助理教授,硕士生导师。E—mail:oncefly@126.com 528 兵 工 学 报 第38卷 工表面质量控制问题已经成为惯性约束聚变研究中 重点关注的问题,直接影响着强激光系统的使用性 能¨。” 。目前,我国高精密光学元件加工水平和世 界上技术先进国家相比还有一定的差距,提高光学 元件高效批量化加工,是摆在我国光学制造领域的
一个重要课题。 传统平面光学元件在抛光加工过程中,需要经 过粗抛、环形抛光和精抛才能提高元件表面面型精 度,降低表面粗糙度和亚表面缺陷 ,整个抛光流 程耗时长,不能满足大型光学工程的需求。快速抛 光技术以其相对较高的材料去除率,已经全面取代 了初抛,部分取代了环形抛光。因此,研究快速抛光 技术的材料去除机制和模型,实现确定性的抛光技 术尤为重要。 国内外学者对抛光技术的材料去除机制已经开 展了广泛的研究,近年来也提出了一些相应的材料 去除模型。例如:Luo等 基于磨粒磨损机制,针对 硅片化学机械抛光(CMP)提出了材料微观去除模 型,并建立了材料去除公式;Runnels等 提出了流 体润滑模型,采用流体动力学方程建立了芯片表面 抛光液流动模型;Christopher等 基于化学作用机 制,应用化学动力学理论,提出抛光过程中的五步去 除机制;Zhao等 基于原子/分子去除机制,认为抛 光是表面的最外层原子或分子不断氧化和磨损的动 态平衡过程。目前材料去除机理和去除模型的研究 非常多而深入,几乎没有一个模型具有普遍适用性, 但不同的运用场合可以有改进和补充的空间。 本文从磨粒磨损机制出发,建立一种光学元件 快速抛光材料去除模型,验证了在不同类型光学元 件、不同类型抛光垫和不同类型抛光液条件下,模型 能够适应光学元件的快速抛光,实现确定性抛光技 术,材料去除误差可以控制在合理的范围之内。
1 光学元件快速抛光技术 1.1 快速抛光原理及材料去除机制 快速抛光原理如图1所示,将光学元件置于运 动控制轴下端,将抛光垫贴在旋转抛光盘上;元件在 运动控制轴的控制下可以独立旋转,运动控制轴可 以上下移动,以此对元件施加不同的压力;抛光液通 过喷管喷射到抛光垫表面,并通过抛光盘的旋转均 匀散布到元件和抛光垫表面;元件相对于抛光垫运 动,在机械磨削与化学侵蚀两种材料去除机制的交 互作用下完成快速抛光加工。传统环形抛光只是靠 元件重力,且元件是被动运动,快速抛光与初抛和环
形抛光的区别之处在于有了加压装置,而且元件是 主动运动,元件具有运动的独立性和快速性,且外界 可对元件施加较大的压力 。
兀 下压力 J
图1快速抛光原理 Fig.1 Fast polishing principle
对于快速抛光材料去除机制的研究首先要关注 光学元件和抛光垫的接触状态。在抛光加工过程 中,根据抛光盘和元件的接触状态及抛光液的润滑 状态,元件和抛光盘之间的接触状态主要有3种:完 全接触状态、部分接触状态、不接触状态(流体润滑 状态)。根据上述3种接触状态,可以将材料去除 机理主要扩展为4种:磨粒磨损机制、流体润滑机 制、原子/分子去除机制和化学作用机制。光学元件 快速抛光技术一个显著特点就是拥有较高的材料去 除率,其是基于较大的加工压力和较大的相对速度 来实现的,光学元件和抛光垫的接触属于完全接 触 “ 。据此,快速抛光与CMP不同之处在于 CMP更多考虑了化学因素,而在光学元件的快速抛 光过程中,基于磨粒磨损机制的机械磨削作用在材 料去除中占据主导地位,流体润滑和化学作用相对 较小。 1.2快速抛光材料去除模型 Luo等 基于磨粒磨损机制,认为元件和抛光 垫直接接触且达到稳定接触状态,并进一步研究元 件和抛光垫的实际接触面积、单颗参与去除材料有 效磨粒受力、材料去除的有效磨粒数和单颗有效磨 粒切除体积等因素,提出建立抛光材料去除模型所 需3个前提条件:规律性分布的抛光垫表面峰点,抛 光颗粒粒度正态分布,抛光颗粒、元件、抛光垫之间 的塑性形变。通过对这3个前提条件验证,从而建 立抛光材料去除模型 ’ :
MRR=P AVN= , 、÷ ( ) n[1一 (z)], (1)
…^1 w, 式中:MRR是材料去除量;P 是元件的密度;△V是 单颗有效磨粒瞬时切除体积;N是接触区内有效磨