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): 指導(dǎo)教師:魏宇峰無機(jī)非金屬材料工程張希艷主要內(nèi)容簡(jiǎn)述超光滑表面加工技術(shù)超光滑表面檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述簡(jiǎn)述近年來,空間光學(xué)、X射線學(xué)、紫外光學(xué)簡(jiǎn)述以及磁記錄、光學(xué)記錄、超大規(guī)模集成電 路等領(lǐng)域的發(fā)展,對(duì)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(jí)。通常把粗糙度為納米級(jí)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。超光滑光學(xué)元件可用于的高科技領(lǐng)域 軟X射線光學(xué)系統(tǒng)空間光學(xué)（天文望遠(yuǎn)鏡）強(qiáng)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 超光滑表面拋光機(jī)理1 機(jī)械磨削去

2、除材料2 物理碰撞方法去除材料原子3 化學(xué)方法去除工件表面原子實(shí)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1 浴法拋光目前，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(lán)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(guó)在20世紀(jì)60年代為發(fā)展遠(yuǎn)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 03nm的超光滑表面。星品8HQ

3、Pirww.GiWg CM1 浴法拋光1 浴法拋光浴法拋光示意圖2 拋光液1 液槽3 攪拌器4 拋光盤5 工件HPMS平面環(huán)型研磨拋光機(jī)（水中拋）2 浮法拋光2 浮法拋光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Rq<0.1nm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。浮法拋光機(jī)的機(jī)械構(gòu)造類似于定擺拋光機(jī)。鏡盤在磨盤上;電 動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸使磨盤旋轉(zhuǎn),鏡盤和工件因?yàn)槟ケP的作用而被動(dòng) 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(dòng)。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

4、之類，而是金屬錫，純度在 99.99%以上，錫盤厚度約20mmo錫盤是這樣制造的: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(xì)的螺線，進(jìn)給速度約0.3 mm /rev。IIIIIIIIIIIIIIIIIIIII2 浮法拋光田】再栓拋掘拭原理結(jié)構(gòu)2 浮法拋光9&0,2fH5rpn>Q3田】再栓拋掘拭原理結(jié)構(gòu)2 浮法拋光IIIIIIIII浮法拋光中機(jī)械切削作用不占主要地位。釆 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(dá)到來亞納米量級(jí),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(jìn)行的。浮法拋光過程中，鏡盤 與磨疵癥

5、是旋轉(zhuǎn)艇光液運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓£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(yùn)動(dòng)，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 忌，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(duì)零度時(shí)的理想 晶體，此時(shí)其內(nèi)能最低，各原子間結(jié)合能相同。實(shí)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

6、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。3 聚四氟乙烯拋光該方法是20世紀(jì)70年代。澳大利亞 計(jì)量實(shí)驗(yàn)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04nm 的粗糙度。3 聚四氟乙烯拋光1=在加工超光滑表面時(shí)，工件先進(jìn)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(dá)2/32/6。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(jī)械振 動(dòng)要小，拋晃機(jī)主舖擺速為38i7min。聚四氟乙 烯模具可拋光各種材料，

7、甚至用于較難拋光的材 料，如氟化鈣、氟化鋰、硅等聚四氟乙烯拋光盤具有抗老化、耐磨損、可長(zhǎng)時(shí)間保持 面型等優(yōu)點(diǎn)，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。4.離子束拋光III離子束拋光時(shí)在高真空環(huán)境下進(jìn)行的， 設(shè)備比較昂貴。它是用被加速的離子與 工件表面原子核直接產(chǎn)念彈性碰撞，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)。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。5.等離子體輔助拋光這是一種利用化學(xué)反應(yīng)來除去材料而實(shí)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(dá)面型精 度2/50,表面粗

8、糙度優(yōu)于0.5nmo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。等離子體輔助拋光從整體上講也是一種計(jì)算機(jī)控 制小磨頭拋光技術(shù)。不過，此時(shí)的拋光頭是由某 種氣體在射頻激勵(lì)離子激光器的作用下產(chǎn)生的活 桂等滋子體組成馬?；▽W(xué)活性的奢離子體與工件表面物質(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in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(gè)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(gè)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，

9、更加 有效提高收斂速度。利用材料去除量控制設(shè)備可 實(shí)時(shí)監(jiān)控表面的去除量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。其 中材料去除量是駐留時(shí)間的函數(shù)，控制精度可達(dá) 1%6.磨粒彈射濺射拋光該方法是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、錯(cuò)，可獲得玻璃Rq=0.5nm和單晶硅表面Rq<1nm的粗糙度o6.磨粒彈射濺射拋光基本原理:用細(xì)磨料顆粒與工件表面碰撞，如果其應(yīng)力場(chǎng)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(jí)的彈性破壞，以致不會(huì)留下產(chǎn)生彈性變形的表層。材 料中原先存在的點(diǎn)狀缺陷之間的間隔大約為1um,在此間 隔內(nèi)，材料的

10、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度可認(rèn)為是理想的。如果機(jī)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(shí)現(xiàn)從晶體上原子級(jí)去除的彈性破壞6.磨粒彈射濺射拋光微粒磨料顆粒工件表面的方式: 振動(dòng)碰撞。由轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤進(jìn)行的循環(huán)碰撞 用氣流進(jìn)行的循環(huán)碰撞 靜電加速的離子碰撞7.磁流變拋光7.磁流變拋光111JJ它是利用磁流變拋光液在磁場(chǎng)中的磁流變特性進(jìn) 行拋光的一種新方法。磁流變拋光是磁流變拋光 液在磁場(chǎng)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(shí)的拋光膜。在磁場(chǎng)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(chǎng)實(shí)時(shí)控制，而影響拋光區(qū)穩(wěn)定的其他

11、因素都固 定不變。這樣，既能通過控制磁場(chǎng)來控制拋光區(qū) 的大小和形狀，由能保證在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下拋光 區(qū)的穩(wěn)定性。這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)拋光無法比擬的磁流變拋光示意圖5 磁極532磁流變拋光液3運(yùn)動(dòng)盤4拋光點(diǎn)7.磁流變拋光IIIIIIMl被拋光工件位于運(yùn)動(dòng)盤上方，并與運(yùn)動(dòng)盤成一很小 的固定不變的距離，于是工件和運(yùn)動(dòng)盤表面之間形 成了一個(gè)凹空隙。磁極置于工件和運(yùn)動(dòng)盤的下方， 并且在工件和運(yùn)動(dòng)盤所形成的小間隙附近形成一個(gè) 高梯度磁場(chǎng)。運(yùn)動(dòng)盤內(nèi)盛有磁流變拋光液，當(dāng)磁流 變拋免液隨運(yùn)動(dòng)盤一起運(yùn)動(dòng)到工件與運(yùn)動(dòng)盤所形成 的小空隙附近時(shí)，磁流變拋光液在梯度磁場(chǎng)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

12、級(jí)的凸起，這是一種特殊的介質(zhì)，它在工件和 拋光機(jī)盤間的小空隙中以較高速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)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(cè)技術(shù)測(cè)量方法:接觸法優(yōu)點(diǎn)：所有儀器有很高的縱向和橫向的分辨率缺點(diǎn)：接觸被測(cè)表面，易造成表面劃傷非接觸法優(yōu)點(diǎn)：利用干涉、散射原理測(cè)量，不接觸表面缺點(diǎn)：有些儀器測(cè)量精度不夠 T0P03D粗糙度測(cè)量?jī)x ZYG05500超精密表面粗糙測(cè)量?jī)x臨界角法變位測(cè)量T0P03D粗糙度測(cè)量?jī)x這是美國(guó)WYKO公司生產(chǎn)的光學(xué)面形儀。目前，世 界各國(guó)普遍用它來檢測(cè)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(cè)量表面粗糙度。利 用壓電陶瓷傳感器進(jìn)行掃描

13、，用CCD面陣作接收器, 通過接口電路由計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)，功能齊全，測(cè)量 精度可達(dá)0.1nm。超光滑表面檢測(cè)技術(shù)ZYG05500超精密表面粗糙測(cè)量?jī)x它是用光學(xué)外差干涉法來測(cè)量表面粗糙度的儀器，干涉儀 系統(tǒng)由防震臺(tái)、激光器干涉儀、空氣軸承回轉(zhuǎn)臺(tái)、編碼器 和光電探測(cè)器構(gòu)成。氮氤激光器發(fā)出兩個(gè)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(jìn)如干涉儀。光線經(jīng)干涉后，光線在被測(cè) 表面成像。兩束光的相位差反應(yīng)了被測(cè)表面上兩點(diǎn)之間的 高度差。由于參考光是從同一點(diǎn)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