超光滑表面加工技術(shù)

1、超光滑表面加工技術(shù)學(xué)生姓名: 專 業(yè): 無機非金屬材料工程指導(dǎo)教師：1主要內(nèi)容簡述一超光滑表面加工技術(shù)二超光滑表面檢測技術(shù)三簡述 近年來，空間光學(xué)、X射線學(xué)、紫外光學(xué)以及磁記錄、光學(xué)記錄、超大規(guī)模集成電路等領(lǐng)域的發(fā)展，對上述光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件提出了極精確面型和超光滑表面的加工要求，其表面粗糙度在納米級。通常把粗糙度為納米級的表面稱為超光滑表面。超光滑表面加工技術(shù)，即超光滑拋光，相當(dāng)于原子、分子水平上的加工。軟X射線光學(xué)系統(tǒng)空間光學(xué)（天文望遠鏡）強激光系統(tǒng)（諧振腔反射鏡面）集成電路基板大容量光盤磁頭加工超光滑光學(xué)元件可用于的高科技領(lǐng)域簡述 超光滑表面拋光機理 1.機械磨削去除材料 2.物理碰撞方

2、法去除材料原子 3.化學(xué)方法去除工件表面原子 實際上，超光滑表面拋光過程，材料去除并不只是其中的一種方式，多數(shù)情況下是三種去除方式的共同作用，只是某一種方式表現(xiàn)得更為明顯而已簡述2.超光滑表面加工技術(shù) 目前，超光滑光學(xué)元件常用的材料有玻璃、晶體、陶瓷及某些金屬，如熔石英、微晶玻璃、藍寶石、鋁合金、無氧銅、單晶硅等。所以獲得超光滑表面的加工技術(shù)有很多。1.浴法拋光2.浮法拋光3.聚四氟乙烯拋光4.離子束拋光5.等離子體輔助拋光6.磨粒彈性濺射拋光7.磁流變拋光浴法拋光是美國在20世紀(jì)60年代為發(fā)展遠紫外光學(xué)而研究的一種超光滑加工方法。此法在熔石英上獲得了粗糙度為0.3nm的超光滑表面。 1.浴法

3、拋光 浴法拋光示意圖 1.浴法拋光231451.液槽2.拋光液3.攪拌器4.拋光盤5.工件 1.浴法拋光FP是日本大阪大學(xué)南波教授為加工拋光磁頭材料在1977年提出的。該方法已經(jīng)獲得表面粗糙度Rq0.1nm超光滑表面，是目前超光滑表面加工技術(shù)中，工件表面粗糙度最小的方法。 2.浮法拋光浮法拋光機的機械構(gòu)造類似于定擺拋光機。鏡盤在磨盤上;電動機驅(qū)動主軸使磨盤旋轉(zhuǎn),鏡盤和工件因為磨盤的作用而被動地繞自身工作軸旋轉(zhuǎn);但由于鏡盤工件軸是固定的,工件不在磨盤上往復(fù)擺動。磨盤與工件均浸于拋光液中。磨盤材料不是通常的瀝青或聚氨脂或毛氈之類 ,而是金屬錫 ,純度在99.99%以上,錫盤厚度約20mm。錫盤是這

4、樣制造的:先用鋼刀在錫盤上車出2mm寬的螺線或同心圓;再用鉆石車刀在盤面車出更精細的螺線,進給速度約 0.3 mm /rev 。 2.浮法拋光 2.浮法拋光 2.浮法拋光 浮法拋光中機械切削作用不占主要地位。采用較軟的或較硬的磨料均可獲得超光滑表面 ,并且表面粗糙度可達到來亞納米量級,接近原子尺寸 ,這說明浮法拋光中,工件材料的去除是在原子水平上進行的。浮法拋光過程 中,鏡盤與磨盤穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),拋光液運動產(chǎn)生的動壓力,使鏡盤與磨盤之 間有數(shù)微米厚的液膜,磨料微位在這層液膜中運動,與工件表面不斷碰撞;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 。 熱力學(xué)理論認(rèn)為,固體最穩(wěn)定態(tài)是絕對零

5、度時的理想晶體,此時其內(nèi)能最低 ,各原子間結(jié)合能相 同。實際上的固體 ,其每一面層都存在晶格缺陷。固體的相互作用緣于其存在晶格缺陷的結(jié)構(gòu)。物體表面原子間的結(jié)合能正 比于該原子周圍的同等原子數(shù) 目,換言之,不同面層原子因其位置而有不同的結(jié)合能。具體到被拋光工件而言 ,其外表層原子數(shù)顯然少于內(nèi)部各面層原子數(shù),這樣外表層原子間的結(jié)合力就比其主體內(nèi)部的原子弱。同樣的道理,外表層原子的結(jié)合能不是一致均勻分布的。這就是說外表面層的原子 比內(nèi)部原子容易去除。 2.浮法拋光 該方法是20世紀(jì)70年代。澳大利亞計量實驗室為拋光法布里-珀羅干涉儀所用高精度光學(xué)元件而提出來的。該方法已經(jīng)在多種材料商獲得0.4nm的

6、粗糙度。 3.聚四氟乙烯拋光 在加工超光滑表面時，工件先進行預(yù)拋光，使用瀝青拋光盤，拋至表面無任何明顯疵病，徑向磨痕完全去除，平面度達 。換用聚四氟乙烯拋光模具，采用浴法拋光的方法，模具的直徑是工件的34倍。采用大盤拋小工件可獲得比拋光模具好得多的表面。拋光速度要慢，機械振動要小，拋光機主軸擺速為38r/min。聚四氟乙烯模具可拋光各種材料，甚至用于較難拋光的材料，如氟化鈣、氟化鋰、硅等 3.聚四氟乙烯拋光聚四氟乙烯拋光盤具有抗老化、耐磨損、可長時間保持面型等優(yōu)點，即可用于傳統(tǒng)拋光，又可用于浴法拋光。其關(guān)鍵是模具制造。 離子束拋光時在高真空環(huán)境下進行的，設(shè)備比較昂貴。它是用被加速的離子與工件表

7、面原子核直接產(chǎn)生彈性碰撞，將能量直接傳給工件材料的原子，使其逸出表面從而將材料去除，是一種典型的用物理碰撞方法驚醒拋光技術(shù)。 4. 離子束拋光目前，人們利用這一技術(shù)已加工直徑0.5、粗糙度0.6nm的表面。 這是一種利用化學(xué)反應(yīng)來除去材料而實現(xiàn)超光滑拋光的方法。該方法始于20世紀(jì)90年代，現(xiàn)在水平已達面型精度 ，表面粗糙度優(yōu)于0.5nm。加工范圍廣，適用于各種尺寸和面形，是一種很有前途的超精加工方法。 5. 等離子體輔助拋光等離子體輔助拋光從整體上講也是一種計算機控制小磨頭拋光技術(shù)。不過，此時的拋光頭是由某種氣體在射頻激勵離子激光器的作用下產(chǎn)生的活性等離子體組成的?；瘜W(xué)活性的等離子體與工件表面

8、物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)的混合氣體，并有排氣孔排出，從而使材料去除 等離子體輔助拋光設(shè)備由三部分組成：可編程位置控制系統(tǒng)。拋光過程是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)的控制過程。拋光頭位于工件表面上方幾毫米處垂直于被加工表面，由一個5軸CNC來控制，以滿足不同表面需要。通過控制拋光頭的相關(guān)參數(shù)可使拋光頭的去除函數(shù)形狀在拋光過程中改變，更加有效提高收斂速度。利用材料去除量控制設(shè)備可實時監(jiān)控表面的去除量，進而實現(xiàn)閉環(huán)控制。其中材料去除量是駐留時間的函數(shù)，控制精度可達1%. 5. 等離子體輔助拋光 該方法是1979年由日本大阪大學(xué)的莫里等人發(fā)展的一種非接觸式超光滑表面加工方法，可用于半導(dǎo)體材料，玻璃材料和硅、鍺，

9、可獲得玻璃Rq=0.5nm和單晶硅表面Rq1nm的粗糙度。 6. 磨粒彈射濺射拋光 6. 磨粒彈射濺射拋光基本原理：用細磨料顆粒與工件表面碰撞，如果其應(yīng)力場的大小比材料原先存在的缺陷之間的距離還小的話，就能產(chǎn)生晶格數(shù)量級的彈性破壞，以致不會留下產(chǎn)生彈性變形的表層。材料中原先存在的點狀缺陷之間的間隔大約為1um，在此間隔內(nèi)，材料的結(jié)構(gòu)和強度可認(rèn)為是理想的。如果機械加工產(chǎn)生的破壞作用范圍小于該區(qū)間，原先存在的缺陷就不發(fā)生作用，就能實現(xiàn)從晶體上原子級去除的彈性破壞 微粒磨料顆粒工件表面的方式： 6. 磨粒彈射濺射拋光振動碰撞。由轉(zhuǎn)動圓盤進行的循環(huán)碰撞用氣流進行的循環(huán)碰撞靜電加速的離子碰撞它是利用磁流

10、變拋光液在磁場中的磁流變特性進行拋光的一種新方法。磁流變拋光是磁流變拋光液在磁場作用下，在拋光區(qū)域內(nèi)形成的具有一定硬度和形狀精度的“小磨頭”，代替了傳統(tǒng)拋光時的拋光膜。在磁場作用下，磁流變拋光液變硬，粘度變大，而且“小磨頭”的形狀和硬度可由磁場實時控制，而影響拋光區(qū)穩(wěn)定的其他因素都固定不變。這樣，既能通過控制磁場來控制拋光區(qū)的大小和形狀，由能保證在一定磁場強度下拋光區(qū)的穩(wěn)定性。這些特點是傳統(tǒng)拋光無法比擬的 7. 磁流變拋光磁流變拋光示意圖 7. 磁流變拋光NS123451.工件2.磁流變拋光液3.運動盤4.拋光點5.磁極 7. 磁流變拋光被拋光工件位于運動盤上方，并與運動盤成一很小的固定不變的

11、距離，于是工件和運動盤表面之間形成了一個凹空隙。磁極置于工件和運動盤的下方，并且在工件和運動盤所形成的小間隙附近形成一個高梯度磁場。運動盤內(nèi)盛有磁流變拋光液，當(dāng)磁流變拋光液隨運動盤一起運動到工件與運動盤所形成的小空隙附近時，磁流變拋光液在梯度磁場作用下，按著一定規(guī)律聚結(jié)、變硬，形成近似于高斯曲面的毫米級的凸起，這是一種特殊的介質(zhì)，它在工件和拋光機盤間的小空隙中以較高速度運動時，對工件與之接觸的區(qū)域產(chǎn)生很大的剪切力，使工件表面材料快速地被去除。超光滑表面檢測技術(shù)測量方法： 接觸法優(yōu)點：所有儀器有很高的縱向和橫向的分辨率缺點：接觸被測表面，易造成表面劃傷非接觸法優(yōu)點：利用干涉、散射原理測量，不接觸

12、表面缺點：有些儀器測量精度不夠TOPO3D粗糙度測量儀ZYGO5500超精密表面粗糙測量儀臨界角法變位測量超光滑表面檢測技術(shù)TOPO3D粗糙度測量儀超光滑表面檢測技術(shù)這是美國WYKO公司生產(chǎn)的光學(xué)面形儀。目前，世界各國普遍用它來檢測超光滑表面粗糙度。這種儀器室應(yīng)用相移干涉技術(shù)原理來測量表面粗糙度。利用壓電陶瓷傳感器進行掃描，用CCD面陣作接收器，通過接口電路由計算機進行數(shù)據(jù)處理，最后打印出所需各種數(shù)據(jù)。該儀器軟件先進，功能齊全，測量精度可達0.1nm。ZYGO5500超精密表面粗糙測量儀超光滑表面檢測技術(shù)它是用光學(xué)外差干涉法來測量表面粗糙度的儀器，干涉儀系統(tǒng)由防震臺、激光器干涉儀、空氣軸承回轉(zhuǎn)臺、編碼器和光電探測器構(gòu)成。氦氖激光器發(fā)出兩個不同頻率，其頻率差保持為250HZ的平行的偏振光。光線經(jīng)準(zhǔn)直后通過可變換的中性濾光片。光線經(jīng)反射系統(tǒng)進如干涉儀。光線經(jīng)干涉后，光線在被測表面成像。兩束光的相位差反應(yīng)了被測表面上兩點之間的高度差。由于參考光是從同一點反射的，因此相位差的變化、掃描位置的高度變化就表示了表面的粗糙度。臨界角法變位測量超光滑表面檢測技