基于材料弹性域去除的超光滑表面加工关键技术研究
目录
摘要 (i)
Abstract (iii)
第一章绪论 (1)
1.1 课题来源与研究背景 (1)
1.1.1 课题来源 (1)
1.1.2 研究背景 (1)
1.2 国内外研究现状 (5)
1.2.1 超光滑表面加工方法综述 (5)
1.2.2 弹性域去除机理研究现状 (11)
1.3 论文研究的主要内容 (12)
第二章光学材料弹性域去除机理研究 (15)
2.1 表层原子键能弱化机制 (15)
2.1.1 光学元件表面羟基化过程 (15)
2.1.2 纳米抛光液物理化学特性 (19)
2.1.3 光学元件表层原子键能弱化反应 (21)
2.2 光学材料加工弹性接触模型 (26)
2.2.1 光学材料弹性接触实验分析 (26)
2.2.2 光学材料弹性接触临界条件 (28)
2.3 弹性域去除机制的实验验证 (29)
2.3.1 纳米抛光颗粒运动轨迹 (30)
2.3.2 纳米抛光颗粒与光学元件表面的碰撞模型 (32)
2.3.3 纳米抛光颗粒弹性域射流加工效果 (35)
2.3.4 弹性域去除实现的证据 (37)
2.4 不同纳米抛光颗粒的材料去除特性 (40)
2.4.1 纳米氧化铈抛光颗粒 (40)
2.4.2 纳米氧化硅抛光颗粒 (44)
2.5 本章小结 (46)
第三章弹性域流体动压超光滑加工装置设计 (48)
3.1 弹性域流体动压超光滑加工系统的提出 (48)
3.1.1 现有加工方式对弹性域超光滑加工的局限性 (48)
3.1.2 弹性域流体动压超光滑加工原理 (49)
3.2 弹性域流体动压超光滑加工模型的建立 (51)
3.2.1 流体动压超光滑加工理论分析 (51)
3.2.2 流体动压超光滑加工模型研究 (53)
3.3 加工系统关键机构设计 (55)
3.3.1 流体动压超光滑加工系统的组成 (55)
3.3.2 多轴运动平台 (56)
3.3.3 流体动压超光滑加工的抛光头优化设计 (57)
3.4 加工装置的性能测试 (59)
3.4.1 抛光轮旋转精度测试 (60)
3.4.2 抛光头温度稳定性测试 (61)
3.4.3 加工能力测试 (62)
3.5 本章小结 (64)
第四章流体动压超光滑加工的加工特性研究 (66)
4.1 材料去除模型 (66)
4.1.1 材料去除理论分析 (66)
4.1.2 流体动力学仿真分析 (68)
4.1.3 实验建模分析 (70)
4.2 表面形貌演变规律 (72)
4.2.1 传统抛光的表面和亚表面模型 (72)
4.2.2 表面微观形貌随深度变化规律 (73)
4.2.3 表面质量随深度变化规律 (75)
4.2.4 表面结构特性对超光滑加工性能的影响 (76)
4.3 表面性能评价 (77)
4.3.1 HF刻蚀表面/亚表面质量分析 (77)
4.3.2 纳米压痕表面物理性能分析 (79)
4.4 本章总结 (81)
第五章流体动压超光滑加工工艺规律研究 (83)
5.1 工艺参数影响规律 (83)
5.1.1 抛光轮浸没深度对材料去除速率的影响 (83)
5.1.2 抛光轮转速对材料去除速率的影响 (85)
5.1.3 抛光间隙对材料去除速率的影响 (86)
5.1.4 工艺参数综合影响分析 (87)
5.2 微细抛光纹路的控制 (88)
5.2.1 微细抛光纹路产生机理 (89)
5.2.2 微细抛光纹路抑制策略 (91)
5.3 本章小结 (96)
第六章流体动压超光滑表面加工实验 (98)
6.1 不同材料可加工性的实验探索 (98)
6.1.1 单晶硅 (98)
6.1.2 单晶石英 (99)
6.1.3 非晶硅酸盐玻璃 (100)
6.1.4 微晶玻璃 (101)
6.2 不同前期工艺表面质量提升实验 (103)
6.2.1 离子束加工表面质量提升实验 (103)
6.2.2 磁流变加工表面质量提升实验 (104)
6.3 圆形平面镜全频域控制实验 (105)
6.3.1 低频面形控制 (106)
6.3.2 中频粗糙度控制 (108)
6.3.3 高频粗糙度控制 (109)
6.4 石英玻璃激光诱导损伤阈值提升初步实验 (110)
6.4.1 阈值测试系统 (110)
6.4.2 阈值结果与分析 (111)
6.5 本章小结 (113)
第七章总结与展望 (114)
7.1 全文总结 (114)
7.2 研究展望 (116)
致谢 (118)
参考文献 (120)
作者在学期间取得的学术成果 (129)
表目录
表2.1 射流抛光实验参数 (33)
表2.2 不同粒径抛光颗粒的相关载荷大小 (34)
表2.3 加工前后纳米氧化铈抛光颗粒表面的元素组成 (39)
表2.4 不同结构中Si-O-Si键角与Si-O键强的相对关系 (45)
表3.1 抛光轮形状误差测量结果 (59)
表5.1 流体动压超光滑加工工艺参数 (94)
图目录
图1.1 EUVL物镜系统及其加工精度 (2)
图1.2 材料脆性和塑性去除机理示意图 (3)
图1.3 磁流变抛光原理示意图 (6)
图1.4 微射流抛光装置 (7)
图1.5 离子束抛光原理示意图 (8)
图1.6 等离子体化学气化抛光材料去除机理示意图 (9)
图1.7 弹性发射加工装置及去除机理示意图 (10)
图1.8 化学机械磨削加工系统及典型加工结果 (11)
图2.1 石英玻璃体结构与表面结构的能带隙 (16)
图2.2 石英玻璃表面不饱和结构示意图 (16)
图2.3 石英玻璃表面羟基化过程 (17)
图2.4 红外光谱仪实物图及对石英玻璃的光谱分析结果 (18)
图2.5 纳米抛光颗粒扫描电子显微镜(SEM)观测结果 (19)
图2.6 不同类型抛光液的相对稳定性 (21)
图2.7 纳米抛光颗粒与光学元件表面的化学吸附过程示意图 (22)
图2.8 界面化学反应辅助加工的表面材料去除过程示意图 (23)
图2.9 光学元件粗糙表面结构示意图 (23)
图2.10 光学元件原子去除概率与相对剪切能量之间的关系 (24)
图2.11 纳米压痕载荷-位移曲线 (27)
图2.12 纳米压痕仪及不同载荷作用下对石英玻璃的加载-位移曲线 (28)
图2.13 纳米抛光颗粒与光学元件表面的接触模型 (29)
图2.14 不同角度下不同粒径抛光颗粒的射流运动轨迹 (31)
图2.15 射流抛光流线运动轨迹的流体动力学仿真结果 (32)
图2.16 抛光颗粒运动轨迹模型 (32)
图2.17 不同粒径抛光颗粒加工前后的表面形貌 (34)
图2.18 不同粒径抛光液作用下的材料去除速率 (35)
图2.19 New View 700表面粗糙度测试结果 (36)
图2.20加工前后表面原子力显微镜测试结果 (37)
图2.21 加工前后纳米氧化铈FTIR分析结果 (38)
图2.22 加工前后纳米氧化铈和石英玻璃的XRD分析结果 (38)
图2.23 加工前后纳米氧化铈抛光颗粒的XPS分析结果 (40)
图2.24 不同组分纳米氧化铈抛光液的颜色 (42)
图2.25 不同组份纳米氧化铈抛光液的材料去除速率 (43)
图2.26 纳米氧化铈的材料去除稳定性 (44)
图2.27 SiO2的不同欠氧结构的分子动力仿真结果 (45)
图2.28 纳米氧化硅的材料去除稳定性 (46)
图3.1 传统加工过程中抛光颗粒与光学元件表面接触示意图 (48)
图3.2 流体动压超光滑加工原理示意图 (50)
图3.3 流体动压超光滑加工的流体动力学仿真结果 (53)
图3.4 流体动压超光滑加工中纳米抛光颗粒与光学元件表面作用模型 (53)
图3.5 流体动压超光滑加工系统实物图 (55)
图3.6 多轴运动平台结构简图 (56)
图3.7 流体动压超光滑加工抛光头三维结构与实物照片 (57)
图3.8 抛光轮结构及实物图 (59)
图3.9 抛光轮旋转精度现场检测照片 (60)
图3.10 抛光轮不同转速条件下的径向跳动 (61)
图3.11 抛光轮不同转速条件下的轴向跳动 (61)
图3.12 抛光头温度随时间变化关系 (62)
图3.13 流体动压超光滑加工前后表面的New View 700测试结果 (63)
图3.14 流体动压超光滑加工前后表面原子力显微镜测试结果 (63)
图4.1 流体动力学仿真模型 (69)
图4.2 不同间隙作用下流体动压分布 (69)
图4.3 不同间隙作用下流体剪切力分布 (69)
图4.4 不同间隙下定点抛光实验结果 (71)
图4.5 传统抛光的表面/亚表面损伤模型 (72)
图4.6 波纹表面流体剪切力分布仿真结果 (73)
图4.7 流体动压超光滑加工表面材料去除过程 (73)
图4.8 线性渐变扫描速度加工区域的测试结果 (74)
图4.9 不同去除深度表面形貌的原子力显微镜观测结果 (74)
图4.10 表面粗糙度随深度变化的关系图 (75)
图4.11 不同去除深度表面的PSD曲线分析 (75)
图4.12 表面缺陷的方向性示意图 (76)
图4.13 不同缺陷类型表面的流体剪切力分布 (76)
图4.14 未加工与加工表面HF刻蚀前后的New View 700观测结果 (78)
图4.15 未加工与加工表面HF刻蚀前后的原子力显微镜观测结果 (79)
图4.16加工与未加工表面不同载荷下纳米压痕载荷-位移曲线 (80)
图5.1 球形与平面光学元件浸没润滑模型 (84)
图5.2 抛光轮不同浸没状态下的仿真模型 (84)
图5.3 不同浸没状态下流体动压和剪切力变化仿真结果 (85)
图5.4 峰值去除速率与抛光轮转速的关系 (85)
图5.5 光学元件表面最大流体剪切力和动压随转速变化的关系 (86)
图5.6 峰值除速率与抛光间隙的关系 (86)
图5.7 光学元件表面最大流体剪切力和动压随抛光间隙变化的关系 (87)
图5.8 不同工艺参数与材料峰值去除效率的关系图 (88)
图5.9 加工表面微细抛光纹路形貌 (88)
图5.10 抛光轮表面结构测量结果 (89)
图5.11 光滑与粗糙表面抛光轮仿真模型 (89)
图5.12 光滑表面抛光轮作用下光学元件表面流体剪切力和动压分布 (90)
图5.13 粗糙表面抛光轮作用下光学元件表面流体剪切力和动压分布 (90)
图5.14 粗糙表面抛光轮作用下的动压润滑模型 (91)
图5.15 流体动压对传统抛光表面加工结果 (92)
图5.16 离子束对传统抛光表面的加工结果 (93)
图5.17 离子束对传统加工表面的抛光模型 (94)
图5.18 不同抛光间隙作用下表面的加工结果 (95)
图5.19 抛光轮公转运动模型 (95)
图5.20 抛光轮公转定点加工表面的测试结果 (96)
图6.1 流体动压超光滑加工对硅片表面加工前后结果 (99)
图6.2 流体动压超光滑加工对单晶石英表面加工前后结果 (100)
图6.3 流体动压超光滑加工对石英玻璃表面加工前后结果 (101)
图6.4 流体动压超光滑加工对微晶玻璃表面加工前后结果 (102)
图6.5 微晶玻璃结构模型 (102)
图6.6 微晶玻璃表面改性示意图 (103)
图6.7 流体动压超光滑加工对离子束加工表面质量的提升结果 (104)
图6.8 流体动压超光滑加工对磁流变加工表面质量的提升结果 (105)
图6.9 全频域表面误差控制工艺流程图 (105)
图6.10 不同阶段低频面形误差以及相应PSD曲线分析 (107)
图6.11 流体动压超光滑加工中装夹预紧力对光学元件变形影响示意图 (107)
图6.12 小夹紧力作用下流体动压超光滑加工前后表面面形 (107)
图6.13 不同阶段中频粗糙度及相应的PSD曲线分析 (108)
图6.14 不同加工阶段高频表面粗糙度测量结果 (109)
图6.15 不同阶段高频粗糙度PSD曲线分析 (110)
图6.16 损伤阈值测试原理图 (111)
图6.17 样件1和样件2表面的原子力观测结果 (112)
图6.18 样件1和样件2损伤阈值比较 (112)