輕質(zhì)碳化硅平面反射鏡超光滑光學加工

輕質(zhì)碳化硅平面反射鏡超光滑光學加工

半導體器件的制備隨著空間應用技術(shù)、激光技術(shù)和能源開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，對耐熱強結(jié)材料的需求越來越少。如:航天器的噴嘴、空間遙感器上的光學系統(tǒng)、航天相機以及在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照條件下的半導體器件及紫外探測器等。非氧化物系新型材料碳化硅(siliconcarbide(SiC))具有較高的彈性模量、適中的密度、較小的熱膨脹系數(shù)、較高的導熱系數(shù)和耐熱沖擊性、高的比剛度、高度的尺寸穩(wěn)定性及熱性能與機械性能的各向同性等一系列優(yōu)良的物理化學性能,使世界各航天大國的研究者均將其列為空間光學遙感器優(yōu)選的反射鏡材料我國在SiC材料的研究方面基本上與國際同步,由于SiC的莫氏硬度高(莫氏硬度為9.25,接近金剛石硬度)1精細研磨粗拋光劑的制備SiC的光學加工流程和一般光學零件的加工工序大致相同,其工藝流程為:毛坯的燒結(jié)成型粗磨磨平精細研磨粗拋光超光滑拋光檢測。以下分別對各個加工流程進行介紹。1.1c織物的燃燒為了滿足航天儀器輕量化要求,直接將SiC毛坯燒結(jié)成圖1所示的結(jié)構(gòu)。燒結(jié)材料致密性的好壞通過對工件進行光學加工,所能達到的表面粗糙度、表面面形精度和表面質(zhì)量來加以驗證。1.2工件表面磨削面間粗磨磨平采用的是對研方法,即用兩塊相同反應燒結(jié)的SiC進行對研,對研時分別加入不同粒徑的散粒SiC磨料依次進行研磨,加工過程中用刀刃平尺檢驗整個工件表面的磨削情況,刀刃平尺與工件磨削面之間應無光線漏過。1.3鐵盤面形貌檢測此道工序的目的是為了進一步提高工件粗磨面形精度,降低表面粗糙度,有效地去除粗磨給工件表面所留下的凹凸層和下表面破壞層。采用更細的散粒SiC磨料,在鑄鐵磨盤上進行精細研磨。因鑄鐵盤的硬度(莫氏硬度為7.5-8)比SiC的硬度小,所以在精細研磨過程中用刀刃平尺隨時對鑄鐵盤表面的磨削情況加以檢測,發(fā)現(xiàn)鑄鐵盤變凹、變凸應及時進行修正。一般通過修改鑄鐵盤表面面形、調(diào)整工件磨削位置和機頭的擺幅大小來控制工件表面面形;也可將工件表面大致粗拋光,待表面略有光澤時用自準直干涉儀檢驗工件表面的面形情況,根據(jù)檢測結(jié)果返回到鑄鐵盤上進行修正。為了給拋光工序提供更好的工件表面質(zhì)量,在用細散粒SiC磨料進行精細研磨過程中,注意控制水和磨料的濃度,特別是加入最后一次磨料時,應待磨料充分磨細后才將工件取下,從而使精細研磨后的工件表面無劃痕、表面細膩無麻點。1.4工件面形的調(diào)整工件開始進行粗拋光時,機床轉(zhuǎn)速、工件壓力可以略大些,所取參數(shù)值為30r/min和40N,拋光盤采用硬度較高的摻入松香的瀝青盤。因SiC的硬度高,與拋光其它材料的工件相比,面形變化要緩慢些,一般情況下一個小時左右,用干涉儀檢驗面形變化情況,并根據(jù)檢驗結(jié)果及時調(diào)整上、下盤位置和拋光機機頭擺幅的大小來修正工件面形。粗拋光磨料選用的是金剛石微粉,在拋光過程中應盡可能的少加磨料,每一次加入的磨料完全磨細以后,檢驗工件表面的面形變化情況,對機床進行調(diào)整后再加入磨料進行拋光。隨著對工件表面面形的逐步修正,光圈不斷減少,工件表面拋光為凹1個光圈左右時進入下一道工序。1.5拋光液粗糙度值超光滑拋光的目的是在保證工件表面面形的情況下,降低工件表面粗糙度值。采用浴法拋光法對SiC表面進行超光滑拋光,其浴法拋光原理如圖2所示由于超光滑拋光是依賴磨料精細度的機械磨削、利用物理和化學方法去除工件表面原子達到工件表面的超低粗糙度值。實際在拋光過程中,拋光膠盤的軟硬和厚薄、機床轉(zhuǎn)速、工件壓力大小、拋光磨料的粒徑大小和均勻性以及拋光液的酸堿性、拋光液粘度、拋光液溫度等諸多工藝因素均對拋光工件表面粗糙度值有其重要的影響。如拋光液粘度將直接影響拋光液的流動性和傳熱性。拋光液的粘度增加,則流動性減小,傳熱性降低,使拋光液分布不均勻,從而造成工件表面去除率不均勻,大大降低工件表面質(zhì)量2表面粗糙度和面形精度通過ZYGONew2000粗糙度儀和ZYGO干涉儀檢測,反應燒結(jié)的輕質(zhì)SiC平面反射鏡的表面粗糙度RMS值達0.75-0.93nm(測量區(qū)域為690ìm×510ìm)(見圖4),面形精度RMS值為0.011波長(見圖5)。3sic平面光學反射鏡的產(chǎn)品化近幾年,世界各航天大國都在進行各種輕質(zhì)SiC反射鏡制備技術(shù)和光學加工技術(shù)等方面的研究并取得了驚人的成績,其中美國的POCO公司、EastmanKodak公司、LittonItek公司等已經(jīng)逐步實現(xiàn)Sic平面光學反射鏡的產(chǎn)品化我們采用連續(xù)拋光機的原理,結(jié)合超光滑表面加工的浴法拋光法,通過對反應燒結(jié)SiC這種高硬度材料的分析,合理選擇拋光磨盤材料和加工輔料,優(yōu)化各個工藝參數(shù),探索出適合硬質(zhì)材料光學元件表面的超光滑、高精度面形的加工工藝方法。碳化硅的超射鏡加工技術(shù)通過對小口徑反應燒結(jié)輕質(zhì)碳化硅平面反射鏡超光滑表面工