专利名称：全淹没射流抛光装置及方法
技术领域：
本发明属于光刻物镜光学制造技术领域，涉及一种新型的射流抛光装置和抛光方 式。
背景技术：
微电子专用关键设备是微电子技术的重要支撑，光刻物镜是微电子专用设备分布 重复投影光刻的关键核心部分，其性能直接决定了光刻微细图形传递能力，与微电子器件 超大规模化直接相关。光刻物镜光学元件的质量要求比其他高精度光学元件质量要高一个 数量级，例如，曲率半径小于或等于1 μ m，面形误差小于或等于λ/20 λ/100，rms均方 根值小于或等于λ/100 λ/300等，对光学元件外径、中心厚、曲率半径、破坏层、偏心、粗 糙度、面形PV值、RMS值等精度方面都提出极为苛刻的要求，对现有光学加工条件和技术提 出了极为严峻的挑战。鉴于对光刻物镜对光学元件的苛刻需求，对光刻物镜的光学加工技术正不断发展 和完善。目前已发展出各种计算机控制抛光技术。荷兰Delft大学的Oliver W. FShnle和 Hedser van Brug等提出一种新的抛光技术——射流抛光技术(Oliver W. Fahnle,Hedeser van Brug and HansJ. Frankena。"Fluid jet polishing of optical surfaces", Appl. Opt. ,37(28),6671-6673,1998)。该技术利用嘴混有磨料粒子的抛光液经液压系统泵的作 用，从喷嘴喷出的，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达到材料 去除的目的。实验结果显示，利用磨料射流技术加工玻璃表面，可以获得精度很高的光学 表面，其表面粗糙度能达到几纳米，说明磨料射流技术应用于精密光学制造方面是可行的。 ZEEKO公司最先对这种技术开发商业化，从最开始的液体喷射抛光FJP600样机，到现在推 出的IRP400、IRP600等系列具有射流抛光功能的产品，标志着液体喷射抛光技术正逐渐成 熟发展。现有射流抛光装置是在数控抛光机床上加装一个射流抛光头、一个液压系统和一 个抛光液回收系统，如zeeko公司的工RP600射流抛光系统。现有抛光方法是通过控制射 流抛光头使喷嘴倾斜一定角度绕一轴线旋转运动，在喷嘴旋转过程的同时，抛光液经泵加 速作用从喷嘴喷出，经过一段在空气中的自由射流运动后，冲击于工件表面，进行材料去除 抛光。这种现有的抛光装置和方法由于抛光头的旋转运动，使抛光系统的设计和抛光过程 的控制都更加复杂化，具有成本高和不易控制的特点。
发明内容
针对现有射流抛光装置和抛光方式的缺点，本发明的目的是解决现有技术的技术 问题，为此而提出一种新的全淹没射流抛光装置和抛光方法。为了实现本发明的目的，本发明的一方面提出全淹没射流抛光装置的技术解决方 案包括喷嘴、抛光液容器、待抛光工件、工件装夹、抛光液回收槽、数控抛光机床、数控计算 机、压力表、压力调节阀、增压泵、抛光液搅拌器、抛光液回收容器和多根液体管路；抛光液回收槽固定在数控抛光机床的工件台上；抛光液容器固定在抛光液回收槽上；工件装夹固 定在抛光液容器底端，待抛光工件置于工件装夹中并固接；喷嘴的一端固定在数控抛光机 床的抛光运动头中，喷嘴的另一端接在第五液体管路的一端；压力表的两接口分别固接有 第五液体管路的另一端和第四液体管路的一端；压力调节阀的两接口分别固接有第四液体 管路的另一端和第三液体管路的一端；增压泵两接口分别固接有第三液体管路的另一端和 第二液体管路的一端；第二液体管路的另一端固接在抛光液回收容器中；第一液体管路的 一端固接在抛光液回收槽的抛光液出口接口处，第一液体管路的另一端位于抛光液回收容 器中；抛光液搅拌器位于抛光液回收容器中，用于回收抛光液；数控计算机中含有控制软 件单元，控制软件单元调节在不同位置时喷嘴的出口与待抛光工件表面之间保持一距离， 通过控制软件单元操作控制喷嘴的坐标位置和停留时间，定量去除待抛光工件的材料。为了实现本发明的目的，本发明的另一方面提出全淹没射流抛光方法，本发明的 方法解决技术问题的技术方案的步骤如下步骤Sl 把待抛光工件装夹在抛光液容器中，调节工件装夹，使待抛光工件的最 顶端距抛光液容器的顶端30 60mm，数控计算机调节数控抛光机床上的喷嘴的坐标位置， 使喷嘴出口距工件表面某抛光点的距离控制在喷嘴出口 口径的5倍至6倍左右；步骤S2 注入抛光液把抛光液注入抛光液容器中，至抛光液容器装满为止，待抛 光工件和喷嘴出口全部淹没在抛光液中；步骤S3 启动液压部，开始淹没射流抛光启动增压泵使抛光液加速，调节压力调 节阀，使液体压力控制在0. 3MPa 2MPa ；步骤S4 数控计算机控制待抛光工件的全淹没射流抛光通过数控计算机调节在 不同位置时喷嘴的出口与待抛光工件表面之间保持一距离；控制抛光驻留时间从而实现材 料的定量去除，对待抛光工件进行全淹没射流抛光。本发明与现有技术相比的优点在于(1)本发明在光学元件加工过程中，使用全淹没射流抛光装置对光学元件进行全 淹没射流抛光方法抛光，能获得有利于抛光迭代收敛的材料去除函数，从而获得更高的抛 光精度。本发明结构简单，降低射流抛光系统成本和系统抛光控制难度，不需要使用一个抛 光头控制装置控制喷嘴的倾斜旋转运动来达到理想的去除函数的目的，而是采用全淹没射 流抛光方法，改变抛光的材料去除机理，使去除函数理想化。现有射流抛光方法的材料去除 机理是通过抛光液的冲击作用和冲击后的壁面流动的剪切作用来实现材料的去除抛光，由 于剪切作用的材料去除大于冲击作用的去除，使得抛光去除函数不是呈理想的高斯型曲线 分布，而是呈M形状分布。采用全淹没射流抛光方法，由于抛光液冲击待抛光工件后受周围 流体的阻力作用，壁面剪切作用减弱，材料的去除主要受抛光液的冲击作用，去除函数呈中 心有最大去除的近似理想的高斯曲线分布；(2)本发明采用全淹没射流抛光方法，相比现有技术的抛光方法，抛光液高速冲击 待抛光工件表面后，会向四周反弹溅射，溅射出来的抛光液一方面会污染数控抛光机床，另 一方面会溅射到操作人员身上，并且水雾被操作人员吸收，危害人体健康，再次会损失抛光 液；采用本法明方法后，全淹没射流抛光基本没有抛光液的反弹溅射，使得操作更加安全， 抛光液也没有损失。
图1为本发明全淹没射流装置系统示意图；图2为本发明全淹没射流数控抛光程序抛光控制流程图；图3本发明全淹没射流抛光方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。喷嘴1、抛光液容器2、待抛光工件3、工件装夹4、数控抛光机床6、数控计算机7、 液压部和抛光液回收部，其中液压部包括压力表8、压力调节阀9、增压泵10和多液体管路。抛光液回收部用来回收抛光液以循环使用包括抛光液回收槽5、抛光液搅拌器 11、抛光液回收容器12和液体管路。多液体管路包括第一液体管路131、第二液体管路132、 第三液体管路133、第四液体管路134和第五液体管路135。所述压力表8是具有液体压力 检测作用的压力表。所述压力调节阀9具有液体压力调控作用的压力控制阀。所述增压泵 10是具有液体加压作用的泵。实施例一结合图1全淹没射流装置系统说明本实施例，本实施方式包括喷嘴1、 抛光液容器2、待抛光工件3、工件装夹4、抛光液回收槽5、数控抛光机床6、数控计算机7、 压力表8、压力调节阀9、增压泵10、抛光液搅拌器11、抛光液回收容器12和若干液体管路 131至135。抛光液回收槽5固定在数控抛光机床6的工件台上；抛光液容器2固定在抛光 液回收槽5上；工件装夹4固定在抛光液容器2底端，待抛光工件3置于工件装夹4中并固 接；喷嘴1的一端固定在数控抛光机床6的抛光运动头中，喷嘴1的另一端接在第五液体 管路135的一端；压力表8的两接口分别固接有第五液体管路135的另一端和第四液体管 路134的一端；压力调节阀9的两接口分别固接有第四液体管路134的另一端和第三液体 管路133的一端；增压泵10两接口分别固接有第三液体管路133的另一端和第二液体管路 132的一端；第二液体管路132的另一端固接在抛光液回收容器12中；第一液体管路131 的一端固接在抛光液回收槽5的抛光液出口接口处，第一液体管路131的另一端位于抛光 液回收容器12中；数控计算机7中含有控制软件单元，控制软件单元调节在不同位置时喷 嘴1的出口与待抛光工件3表面之间保持一距离，通过控制软件单元操作控制喷嘴1的坐 标位置和停留时间，定量去除待抛光工件3的材料。如图2示出全淹没射流数控抛光程序抛光控制流程图，通过对待抛光工件3的检 测面形与预期面形比较，选择抛光参数，带入去除函数计算驻留时间分布，通过控制软件单 元形成机床文件，从而实现对应抛光工件3不同位置点的不同材料去除，抛光工件3面形与 预期面形相比的高点进行更多时间的材料去除抛光，抛光工件3面形与预期面形相比的无 差别的点进行跳过不抛光去除。实施例二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的数控机床和数控系统选用 中科院光电所研发的CCOSSOOmm抛光机床和数控系统，喷嘴1为柱形喷嘴，喷嘴1选用 LECHLER品牌的柱形喷嘴，喷嘴1固定在数控抛光机床6的抛光头上，在数控计算机7的指 令下，喷嘴1能实现X、Y、Z三个方向的运动，本实施方式的增压泵10可选用德国verder公司的VAlO型号隔膜泵，本实施方式的抛光液回收部包括抛光液回收容器12和抛光液搅拌 器11，抛光液搅拌器11可使用一个常规电机装上搅拌叶片实现。抛光液搅拌器11位于抛 光液回收容器12中，用于回收抛光液。实施例三结合图1和图3说明本实施例，本实施例是通过以下步骤实现的步骤Sl 按具体实施例一固接好各个部件后，把待抛光工件3通过工件装夹4装 夹在抛光液容器2中，调节工件装夹4，使待抛光工件3的最顶端距抛光液容器2的顶端 30 60mm，数控计算机7调节数控抛光机床6上的喷嘴1的坐标位置，使喷嘴1的出口距 工件表面某抛光点的距离控制在喷嘴1的出口 口径的5倍至6倍左右；步骤S2 把抛光液注入抛光液容器2中，至抛光液容器2装满为止，待抛光工件3 和喷嘴1的出口全部淹没在抛光液中，并在抛光液回收容器12中注入适量的抛光液；步骤S3 启动增压泵10，使抛光液加速，调节压力调节阀9，使液体压力控制在 0. 3MPa 2MPa ；步骤S4 抛光液从经增压泵10的加速作用从喷嘴1射出，在抛光液容器2中的抛 光液中经过一段淹没自由射流，然后冲击于待抛光工件3表面，进行待抛光工件3的全淹没 射流抛光去除，在抛光过程中，通过数控计算机7调节在不同位置时喷嘴1的出口与待抛光 工件3表面之间保持一定距离；控制抛光驻留时间从而实现材料的定量去除，进行全淹没 射流抛光。抛光液从抛光液回收槽5通过第一液体管路131回收到抛光液回收容器12中， 进行循环利用。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在 本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.全淹没射流抛光方法和装置，其特征在于包括喷嘴(1)、抛光液容器O)、待抛光工 件(3)、工件装夹G)、抛光液回收槽(5)、数控抛光机床(6)、数控计算机(7)、压力表(8)、 压力调节阀(9)、增压泵(10)、抛光液搅拌器(11)、抛光液回收容器(1 和多根液体管路 (131至13 ，抛光液回收槽(5)固定在数控抛光机床(6)的工件台上；抛光液容器O)固 定在抛光液回收槽( 上；工件装夹(4)固定在抛光液容器( 的底端，待抛光工件(3)置 于工件装夹(4)中并固接；喷嘴(1)的一端固定在数控抛光机床(6)的抛光运动头中，喷嘴(I)的另一端接在第五液体管路(13 的一端；压力表(8)的两接口分别固接有第五液体 管路(13 的另一端和第四液体管路的一端；压力调节阀(9)的两接口分别固接有第四液 体管路(134)的另一端和第三液体管路(13 的一端；增压泵(10)两接口分别固接有第三 液体管路(133)的另一端和第二液体管路(132)的一端；第二液体管路(132)的另一端固 接在抛光液回收容器(1 中；第一液体管路(131)的一端固接在抛光液回收槽( 的抛光 液出口接口处，第一液体管路(131)的另一端位于抛光液回收容器(1 中；抛光液搅拌器(II)位于抛光液回收容器中(12)，用于回收抛光液；数控计算机(7)中含有控制软件单元， 控制软件单元调节在不同位置时喷嘴(1)的出口与待抛光工件C3)表面之间保持一距离， 通过控制软件单元操作控制喷嘴(1)的坐标位置和停留时间，定量去除待抛光工件(3)的 材料。
2.根据权利要求1所述全淹没射流抛光装置，其特征在于，所述压力表(8)是具有液体 压力检测作用的压力表。
3.根据权利要求1所述全淹没射流抛光装置，其特征在于，所述压力调节阀(9)具有液 体压力调控作用的压力控制阀。
4.根据权利要求1所述全淹没射流抛光装置，其特征在于，所述增压泵(10)是具有液 体加压作用的泵。
5.一种使用权利要求1所述全淹没射流抛光装置的全淹没射流抛光方法，其特征在 于，全淹没射流抛光的步骤如下步骤Sl 把待抛光工件装夹在抛光液容器中，调节工件装夹，使待抛光工件的最顶端 距抛光液容器的顶端30 60mm，数控计算机调节数控抛光机床上的喷嘴的坐标位置，使喷 嘴出口距工件表面某抛光点的距离控制在喷嘴出口 口径的5倍至6倍左右；步骤S2 注入抛光液把抛光液注入抛光液容器中，至抛光液容器装满为止，待抛光工 件和喷嘴出口全部淹没在抛光液中；步骤S3 启动液压部，开始淹没射流抛光启动增压泵使抛光液加速，调节压力调节 阀，使液体压力控制在0. 3MPa 2MPa ；步骤S4 数控计算机控制待抛光工件的全淹没射流抛光是通过数控计算机调节在不 同位置时喷嘴的出口与待抛光工件表面之间保持一距离；控制抛光驻留时间从而实现材料 的定量去除，对待抛光工件进行全淹没射流抛光。
全文摘要
本发明是一种全淹没射流抛光装置及方法，装置包括喷嘴、抛光液容器、待抛光工件、工件装夹、抛光液回收槽、数控抛光机床、数控计算机、压力表、压力调节阀、增压泵、抛光液搅拌器、抛光液回收容器和多根液体管路，工件装夹固定在抛光液容器的底端，待抛光工件置于工件装夹中并固接；喷嘴的一端固定在数控抛光机床的抛光运动头中，数控计算机控制喷嘴的坐标位置和停留时间，定量去除待抛光工件的材料。方法是待抛光工件装夹在抛光液容器中，把抛光液注入抛光液容器中，待抛光工件和喷嘴出口全部淹没在抛光液中；启动液压部开始淹没射流抛光；数控计算机调节喷嘴与待抛光工件表面之间的距离；控制抛光驻留时间实现定量去除材料。
文档编号B24C1/08GK102120314SQ20101058683
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者万勇建, 伍凡, 施春燕, 范斌, 袁家虎, 雷柏平 申请人:中国科学院光电技术研究所