專利名稱：全淹沒射流拋光裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光刻物鏡光學(xué)制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型的射流拋光裝置和拋光方 式。
背景技術(shù)：
微電子專用關(guān)鍵設(shè)備是微電子技術(shù)的重要支撐，光刻物鏡是微電子專用設(shè)備分布 重復(fù)投影光刻的關(guān)鍵核心部分，其性能直接決定了光刻微細(xì)圖形傳遞能力，與微電子器件 超大規(guī)?；苯酉嚓P(guān)。光刻物鏡光學(xué)元件的質(zhì)量要求比其他高精度光學(xué)元件質(zhì)量要高一個 數(shù)量級，例如，曲率半徑小于或等于1 μ m，面形誤差小于或等于λ/20 λ/100，rms均方 根值小于或等于λ/100 λ/300等，對光學(xué)元件外徑、中心厚、曲率半徑、破壞層、偏心、粗 糙度、面形PV值、RMS值等精度方面都提出極為苛刻的要求，對現(xiàn)有光學(xué)加工條件和技術(shù)提 出了極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。鑒于對光刻物鏡對光學(xué)元件的苛刻需求，對光刻物鏡的光學(xué)加工技術(shù)正不斷發(fā)展 和完善。目前已發(fā)展出各種計算機(jī)控制拋光技術(shù)。荷蘭Delft大學(xué)的Oliver W. FShnle和 Hedser van Brug等提出一種新的拋光技術(shù)——射流拋光技術(shù)(Oliver W. Fahnle,Hedeser van Brug and HansJ. Frankena。"Fluid jet polishing of optical surfaces", Appl. Opt. ,37(28),6671-6673,1998)。該技術(shù)利用嘴混有磨料粒子的拋光液經(jīng)液壓系統(tǒng)泵的作 用，從噴嘴噴出的，高速作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞和剪切作用達(dá)到材料 去除的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用磨料射流技術(shù)加工玻璃表面，可以獲得精度很高的光學(xué) 表面，其表面粗糙度能達(dá)到幾納米，說明磨料射流技術(shù)應(yīng)用于精密光學(xué)制造方面是可行的。 ZEEKO公司最先對這種技術(shù)開發(fā)商業(yè)化，從最開始的液體噴射拋光FJP600樣機(jī)，到現(xiàn)在推 出的IRP400、IRP600等系列具有射流拋光功能的產(chǎn)品，標(biāo)志著液體噴射拋光技術(shù)正逐漸成 熟發(fā)展?，F(xiàn)有射流拋光裝置是在數(shù)控拋光機(jī)床上加裝一個射流拋光頭、一個液壓系統(tǒng)和一 個拋光液回收系統(tǒng)，如zeeko公司的工RP600射流拋光系統(tǒng)?，F(xiàn)有拋光方法是通過控制射 流拋光頭使噴嘴傾斜一定角度繞一軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，在噴嘴旋轉(zhuǎn)過程的同時，拋光液經(jīng)泵加 速作用從噴嘴噴出，經(jīng)過一段在空氣中的自由射流運(yùn)動后，沖擊于工件表面，進(jìn)行材料去除 拋光。這種現(xiàn)有的拋光裝置和方法由于拋光頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使拋光系統(tǒng)的設(shè)計和拋光過程 的控制都更加復(fù)雜化，具有成本高和不易控制的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有射流拋光裝置和拋光方式的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的技術(shù) 問題，為此而提出一種新的全淹沒射流拋光裝置和拋光方法。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的一方面提出全淹沒射流拋光裝置的技術(shù)解決方 案包括噴嘴、拋光液容器、待拋光工件、工件裝夾、拋光液回收槽、數(shù)控拋光機(jī)床、數(shù)控計算 機(jī)、壓力表、壓力調(diào)節(jié)閥、增壓泵、拋光液攪拌器、拋光液回收容器和多根液體管路；拋光液回收槽固定在數(shù)控拋光機(jī)床的工件臺上；拋光液容器固定在拋光液回收槽上；工件裝夾固 定在拋光液容器底端，待拋光工件置于工件裝夾中并固接；噴嘴的一端固定在數(shù)控拋光機(jī) 床的拋光運(yùn)動頭中，噴嘴的另一端接在第五液體管路的一端；壓力表的兩接口分別固接有 第五液體管路的另一端和第四液體管路的一端；壓力調(diào)節(jié)閥的兩接口分別固接有第四液體 管路的另一端和第三液體管路的一端；增壓泵兩接口分別固接有第三液體管路的另一端和 第二液體管路的一端；第二液體管路的另一端固接在拋光液回收容器中；第一液體管路的 一端固接在拋光液回收槽的拋光液出口接口處，第一液體管路的另一端位于拋光液回收容 器中；拋光液攪拌器位于拋光液回收容器中，用于回收拋光液；數(shù)控計算機(jī)中含有控制軟 件單元，控制軟件單元調(diào)節(jié)在不同位置時噴嘴的出口與待拋光工件表面之間保持一距離， 通過控制軟件單元操作控制噴嘴的坐標(biāo)位置和停留時間，定量去除待拋光工件的材料。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明的另一方面提出全淹沒射流拋光方法，本發(fā)明的 方法解決技術(shù)問題的技術(shù)方案的步驟如下步驟Sl 把待拋光工件裝夾在拋光液容器中，調(diào)節(jié)工件裝夾，使待拋光工件的最 頂端距拋光液容器的頂端30 60mm，數(shù)控計算機(jī)調(diào)節(jié)數(shù)控拋光機(jī)床上的噴嘴的坐標(biāo)位置， 使噴嘴出口距工件表面某拋光點(diǎn)的距離控制在噴嘴出口 口徑的5倍至6倍左右；步驟S2 注入拋光液把拋光液注入拋光液容器中，至拋光液容器裝滿為止，待拋 光工件和噴嘴出口全部淹沒在拋光液中；步驟S3 啟動液壓部，開始淹沒射流拋光啟動增壓泵使拋光液加速，調(diào)節(jié)壓力調(diào) 節(jié)閥，使液體壓力控制在0. 3MPa 2MPa ；步驟S4 數(shù)控計算機(jī)控制待拋光工件的全淹沒射流拋光通過數(shù)控計算機(jī)調(diào)節(jié)在 不同位置時噴嘴的出口與待拋光工件表面之間保持一距離；控制拋光駐留時間從而實(shí)現(xiàn)材 料的定量去除，對待拋光工件進(jìn)行全淹沒射流拋光。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明在光學(xué)元件加工過程中，使用全淹沒射流拋光裝置對光學(xué)元件進(jìn)行全 淹沒射流拋光方法拋光，能獲得有利于拋光迭代收斂的材料去除函數(shù)，從而獲得更高的拋 光精度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，降低射流拋光系統(tǒng)成本和系統(tǒng)拋光控制難度，不需要使用一個拋 光頭控制裝置控制噴嘴的傾斜旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來達(dá)到理想的去除函數(shù)的目的，而是采用全淹沒射 流拋光方法，改變拋光的材料去除機(jī)理，使去除函數(shù)理想化?，F(xiàn)有射流拋光方法的材料去除 機(jī)理是通過拋光液的沖擊作用和沖擊后的壁面流動的剪切作用來實(shí)現(xiàn)材料的去除拋光，由 于剪切作用的材料去除大于沖擊作用的去除，使得拋光去除函數(shù)不是呈理想的高斯型曲線 分布，而是呈M形狀分布。采用全淹沒射流拋光方法，由于拋光液沖擊待拋光工件后受周圍 流體的阻力作用，壁面剪切作用減弱，材料的去除主要受拋光液的沖擊作用，去除函數(shù)呈中 心有最大去除的近似理想的高斯曲線分布；(2)本發(fā)明采用全淹沒射流拋光方法，相比現(xiàn)有技術(shù)的拋光方法，拋光液高速沖擊 待拋光工件表面后，會向四周反彈濺射，濺射出來的拋光液一方面會污染數(shù)控拋光機(jī)床，另 一方面會濺射到操作人員身上，并且水霧被操作人員吸收，危害人體健康，再次會損失拋光 液；采用本法明方法后，全淹沒射流拋光基本沒有拋光液的反彈濺射，使得操作更加安全， 拋光液也沒有損失。


圖1為本發(fā)明全淹沒射流裝置系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明全淹沒射流數(shù)控拋光程序拋光控制流程圖；圖3本發(fā)明全淹沒射流拋光方法流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。噴嘴1、拋光液容器2、待拋光工件3、工件裝夾4、數(shù)控拋光機(jī)床6、數(shù)控計算機(jī)7、 液壓部和拋光液回收部，其中液壓部包括壓力表8、壓力調(diào)節(jié)閥9、增壓泵10和多液體管路。拋光液回收部用來回收拋光液以循環(huán)使用包括拋光液回收槽5、拋光液攪拌器 11、拋光液回收容器12和液體管路。多液體管路包括第一液體管路131、第二液體管路132、 第三液體管路133、第四液體管路134和第五液體管路135。所述壓力表8是具有液體壓力 檢測作用的壓力表。所述壓力調(diào)節(jié)閥9具有液體壓力調(diào)控作用的壓力控制閥。所述增壓泵 10是具有液體加壓作用的泵。實(shí)施例一結(jié)合圖1全淹沒射流裝置系統(tǒng)說明本實(shí)施例，本實(shí)施方式包括噴嘴1、 拋光液容器2、待拋光工件3、工件裝夾4、拋光液回收槽5、數(shù)控拋光機(jī)床6、數(shù)控計算機(jī)7、 壓力表8、壓力調(diào)節(jié)閥9、增壓泵10、拋光液攪拌器11、拋光液回收容器12和若干液體管路 131至135。拋光液回收槽5固定在數(shù)控拋光機(jī)床6的工件臺上；拋光液容器2固定在拋光 液回收槽5上；工件裝夾4固定在拋光液容器2底端，待拋光工件3置于工件裝夾4中并固 接；噴嘴1的一端固定在數(shù)控拋光機(jī)床6的拋光運(yùn)動頭中，噴嘴1的另一端接在第五液體 管路135的一端；壓力表8的兩接口分別固接有第五液體管路135的另一端和第四液體管 路134的一端；壓力調(diào)節(jié)閥9的兩接口分別固接有第四液體管路134的另一端和第三液體 管路133的一端；增壓泵10兩接口分別固接有第三液體管路133的另一端和第二液體管路 132的一端；第二液體管路132的另一端固接在拋光液回收容器12中；第一液體管路131 的一端固接在拋光液回收槽5的拋光液出口接口處，第一液體管路131的另一端位于拋光 液回收容器12中；數(shù)控計算機(jī)7中含有控制軟件單元，控制軟件單元調(diào)節(jié)在不同位置時噴 嘴1的出口與待拋光工件3表面之間保持一距離，通過控制軟件單元操作控制噴嘴1的坐 標(biāo)位置和停留時間，定量去除待拋光工件3的材料。如圖2示出全淹沒射流數(shù)控拋光程序拋光控制流程圖，通過對待拋光工件3的檢 測面形與預(yù)期面形比較，選擇拋光參數(shù)，帶入去除函數(shù)計算駐留時間分布，通過控制軟件單 元形成機(jī)床文件，從而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)拋光工件3不同位置點(diǎn)的不同材料去除，拋光工件3面形與 預(yù)期面形相比的高點(diǎn)進(jìn)行更多時間的材料去除拋光，拋光工件3面形與預(yù)期面形相比的無 差別的點(diǎn)進(jìn)行跳過不拋光去除。實(shí)施例二 結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)選用 中科院光電所研發(fā)的CCOSSOOmm拋光機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，噴嘴1為柱形噴嘴，噴嘴1選用 LECHLER品牌的柱形噴嘴，噴嘴1固定在數(shù)控拋光機(jī)床6的拋光頭上，在數(shù)控計算機(jī)7的指 令下，噴嘴1能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個方向的運(yùn)動，本實(shí)施方式的增壓泵10可選用德國verder公司的VAlO型號隔膜泵，本實(shí)施方式的拋光液回收部包括拋光液回收容器12和拋光液攪拌 器11，拋光液攪拌器11可使用一個常規(guī)電機(jī)裝上攪拌葉片實(shí)現(xiàn)。拋光液攪拌器11位于拋 光液回收容器12中，用于回收拋光液。實(shí)施例三結(jié)合圖1和圖3說明本實(shí)施例，本實(shí)施例是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟Sl 按具體實(shí)施例一固接好各個部件后，把待拋光工件3通過工件裝夾4裝 夾在拋光液容器2中，調(diào)節(jié)工件裝夾4，使待拋光工件3的最頂端距拋光液容器2的頂端 30 60mm，數(shù)控計算機(jī)7調(diào)節(jié)數(shù)控拋光機(jī)床6上的噴嘴1的坐標(biāo)位置，使噴嘴1的出口距 工件表面某拋光點(diǎn)的距離控制在噴嘴1的出口 口徑的5倍至6倍左右；步驟S2 把拋光液注入拋光液容器2中，至拋光液容器2裝滿為止，待拋光工件3 和噴嘴1的出口全部淹沒在拋光液中，并在拋光液回收容器12中注入適量的拋光液；步驟S3 啟動增壓泵10，使拋光液加速，調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥9，使液體壓力控制在 0. 3MPa 2MPa ；步驟S4 拋光液從經(jīng)增壓泵10的加速作用從噴嘴1射出，在拋光液容器2中的拋 光液中經(jīng)過一段淹沒自由射流，然后沖擊于待拋光工件3表面，進(jìn)行待拋光工件3的全淹沒 射流拋光去除，在拋光過程中，通過數(shù)控計算機(jī)7調(diào)節(jié)在不同位置時噴嘴1的出口與待拋光 工件3表面之間保持一定距離；控制拋光駐留時間從而實(shí)現(xiàn)材料的定量去除，進(jìn)行全淹沒 射流拋光。拋光液從拋光液回收槽5通過第一液體管路131回收到拋光液回收容器12中， 進(jìn)行循環(huán)利用。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.全淹沒射流拋光方法和裝置，其特征在于包括噴嘴(1)、拋光液容器O)、待拋光工 件(3)、工件裝夾G)、拋光液回收槽(5)、數(shù)控拋光機(jī)床(6)、數(shù)控計算機(jī)(7)、壓力表(8)、 壓力調(diào)節(jié)閥(9)、增壓泵(10)、拋光液攪拌器(11)、拋光液回收容器(1 和多根液體管路 (131至13 ，拋光液回收槽(5)固定在數(shù)控拋光機(jī)床(6)的工件臺上；拋光液容器O)固 定在拋光液回收槽( 上；工件裝夾(4)固定在拋光液容器( 的底端，待拋光工件(3)置 于工件裝夾(4)中并固接；噴嘴(1)的一端固定在數(shù)控拋光機(jī)床(6)的拋光運(yùn)動頭中，噴嘴(I)的另一端接在第五液體管路(13 的一端；壓力表(8)的兩接口分別固接有第五液體 管路(13 的另一端和第四液體管路的一端；壓力調(diào)節(jié)閥(9)的兩接口分別固接有第四液 體管路(134)的另一端和第三液體管路(13 的一端；增壓泵(10)兩接口分別固接有第三 液體管路(133)的另一端和第二液體管路(132)的一端；第二液體管路(132)的另一端固 接在拋光液回收容器(1 中；第一液體管路(131)的一端固接在拋光液回收槽( 的拋光 液出口接口處，第一液體管路(131)的另一端位于拋光液回收容器(1 中；拋光液攪拌器(II)位于拋光液回收容器中(12)，用于回收拋光液；數(shù)控計算機(jī)(7)中含有控制軟件單元， 控制軟件單元調(diào)節(jié)在不同位置時噴嘴(1)的出口與待拋光工件C3)表面之間保持一距離， 通過控制軟件單元操作控制噴嘴(1)的坐標(biāo)位置和停留時間，定量去除待拋光工件(3)的 材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述全淹沒射流拋光裝置，其特征在于，所述壓力表(8)是具有液體 壓力檢測作用的壓力表。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述全淹沒射流拋光裝置，其特征在于，所述壓力調(diào)節(jié)閥(9)具有液 體壓力調(diào)控作用的壓力控制閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述全淹沒射流拋光裝置，其特征在于，所述增壓泵(10)是具有液 體加壓作用的泵。
5.一種使用權(quán)利要求1所述全淹沒射流拋光裝置的全淹沒射流拋光方法，其特征在 于，全淹沒射流拋光的步驟如下步驟Sl 把待拋光工件裝夾在拋光液容器中，調(diào)節(jié)工件裝夾，使待拋光工件的最頂端 距拋光液容器的頂端30 60mm，數(shù)控計算機(jī)調(diào)節(jié)數(shù)控拋光機(jī)床上的噴嘴的坐標(biāo)位置，使噴 嘴出口距工件表面某拋光點(diǎn)的距離控制在噴嘴出口 口徑的5倍至6倍左右；步驟S2 注入拋光液把拋光液注入拋光液容器中，至拋光液容器裝滿為止，待拋光工 件和噴嘴出口全部淹沒在拋光液中；步驟S3 啟動液壓部，開始淹沒射流拋光啟動增壓泵使拋光液加速，調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié) 閥，使液體壓力控制在0. 3MPa 2MPa ；步驟S4 數(shù)控計算機(jī)控制待拋光工件的全淹沒射流拋光是通過數(shù)控計算機(jī)調(diào)節(jié)在不 同位置時噴嘴的出口與待拋光工件表面之間保持一距離；控制拋光駐留時間從而實(shí)現(xiàn)材料 的定量去除，對待拋光工件進(jìn)行全淹沒射流拋光。
全文摘要
本發(fā)明是一種全淹沒射流拋光裝置及方法，裝置包括噴嘴、拋光液容器、待拋光工件、工件裝夾、拋光液回收槽、數(shù)控拋光機(jī)床、數(shù)控計算機(jī)、壓力表、壓力調(diào)節(jié)閥、增壓泵、拋光液攪拌器、拋光液回收容器和多根液體管路，工件裝夾固定在拋光液容器的底端，待拋光工件置于工件裝夾中并固接；噴嘴的一端固定在數(shù)控拋光機(jī)床的拋光運(yùn)動頭中，數(shù)控計算機(jī)控制噴嘴的坐標(biāo)位置和停留時間，定量去除待拋光工件的材料。方法是待拋光工件裝夾在拋光液容器中，把拋光液注入拋光液容器中，待拋光工件和噴嘴出口全部淹沒在拋光液中；啟動液壓部開始淹沒射流拋光；數(shù)控計算機(jī)調(diào)節(jié)噴嘴與待拋光工件表面之間的距離；控制拋光駐留時間實(shí)現(xiàn)定量去除材料。
文檔編號B24C1/08GK102120314SQ20101058683
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者萬勇建, 伍凡, 施春燕, 范斌, 袁家虎, 雷柏平 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所