一种适用于提升氟化钙凹锥镜粗糙度的磁流体加工工具及加工方法与流程

本发明涉纳米精度精密加工的技术领域，特别涉及一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的磁流体工具设计及方法。

背景技术：

极大规模集成电路的发展已成为电子信息产业的基石，光刻机作为集成电路的主要刻蚀设备，经历了曝光波长从436nm、365nm、246nm的近紫外进入到193nm的深紫外及13.2nm极紫外。高密度集成化集成电路的光刻机研制对国防安全、科技进步有重要意义，直接影响到我国未来的战略地位。

光刻照明系统是光刻机投影曝光光学系统的核心部件，其功能主要是为掩模面提供均匀照明、控制曝光剂量和实现离轴照明模式。照明光学体统中普通光学成像系统景深有限性的物理原因是由于光的衍射，随着离焦位置(即光束传播位置)的不同，衍射光斑的大小急剧变化，而平行光入射轴锥镜产生的无衍射光束具有中心光斑在一定范围内保持不变的特性。当球面波照射轴锥镜时，所产生的衍射光斑在一定的范围内缓慢变化。为提高照明系统的光束整形效率，需采用衍射元件及轴锥镜组合，通过调节轴锥镜的相干因子，以提高光束整形单元的变焦能力。轴锥镜在像距内产生的衍射光束近似为零阶贝塞尔函数，在无衍射成像中仅改变系统的相位，其中心光斑半径基本不变，是无衍射光学成像的重要器件，其在照明光学系统中的优势主要有：

(1)传统光学成像时，点扩散函数随离焦变化很快，给图像复原造成很大的困难。而锥镜产生的无衍射光束的中心光斑大小和形状在一定范围内保持不变；

(2)应用光学系统常用缩小相对孔径来增大景深，但会降低系统的空间分辨率，使图像细节模糊。轴锥镜由于具有线焦的特性，将其应用于光学成像系统中可以增大系统的焦深；

(3)轴锥镜镜组可随着轴锥镜单元之间间距的变化，产生的环形照明内外环宽度也发生变化，轴锥镜元件的中心的拐点(圆锥的尖端)可起到了分割光束的作用。

因此，轴锥镜在整个光刻照明系统成像中具有非常重要的地位，轴锥镜的高精度加工是保障整个照明系统具有高分辨力、高能量传输、高成像系统景深的重要前提。

CaF₂晶体材料可以从紫外波长(125nm)到红外波长(12μm)，同时还有相差补偿功能，具有无色透明，吸收系数低、抗损伤阈值高、渗透性高、无双折射现象等光学优势。CaF₂轴锥镜是深紫外(DUV)、极紫外(EUV)光刻照明系统的必不可少的关键器件之一。

经过多年的实验与研究，中科院光电所已经完成了CaF₂凸锥加工的工艺技术摸索，实现了CaF₂凸锥的超光滑加工。而对于凹锥的面形精度及粗糙度提升，工艺技术方法具有更高的挑战性，主要体现为：

(1)凹锥镜母线在加工过程线速度不一致，中心区域线速度几乎为零，现有工艺技术加工凹锥镜时，母线直线度及中心区域破坏层无法控制；

(2)凹锥曲面为异形结构，镜面曲率变化不一致，凹锥中心为拐点，无法对整面进行均匀平滑；

(3)凹锥中心区域相对口径较深，加工轨迹受限，同时，现有的加工磨头无法应用于凹锥镜面加加工。

基于上述考虑，满足凹锥镜加工最基本的方法为对加工距离要求不严格的非接触式柔性流体轰击技术，如射流加工技术或离子束加工技术。如现有的光刻系统凹锥深度为20-40mm，采用加工距离大于40mm的轰击方式即可满足加工条件。

以英国Zeeko科研机构为代表发展的射流加工技术是通过将混有磨料的抛光液高压轰击于工件镜面，加工距离为1mm-80mm。轰击流束口径为0.1mm-2mm。该小口径抛光斑可对镜面的2mm-5mm空间频率误差进行有效修形，但喷射的磨削颗粒均匀度、浓度难以控制，现有的技术手段只能满足粗糙度Rq2nm-4nm加工，因此，该技术方法无法实现光刻机照明系统轴锥镜的超光滑加工要求。

德国IOM科研机构为代表发展的离子束加工技术是通过真空电离氩原子实行离子轰击工件镜面，加工距离可达到为5mm-50mm，轰击束斑可达到5mm-100mm。IOM技术人员采用牺牲层加工技术实现了光学元件粗糙度提升。然而，离子束加工束斑为聚焦光束，对于凹锥异形曲面，容易造成中心区域的衍射及中心区域镜面的污染，无法实现中心区域面形的准确去除及粗糙度提升。

尽管柔性流体轰击技术能应用于凹锥镜的加工，但其技术工艺并不能解决提升CaF₂晶体粗糙度的技术难题。而以美国QED公司发展的磁流变加工技术是通过柔性磁流体在外加磁场中形成柔性抛光模以实现镜面材料的剪切去除，相对于柔性流体轰击技术，柔性磁流体为载体的抛光模可实现光学镜面的超光滑加工。目前QED制备的纳米粒度磁流变液可实现CaF₂材料粗糙度低于0.3nm的超光滑加工。但该技术缺陷为磨头与工件镜面距离低于1.2mm。中科院光电技术研究所采用自主研制的磁流变抛光液及抛光工艺已完成CaF₂凹锥镜的超光滑加工，而对于凹锥镜，现有的磁流变磨头却无法深入于凹锥镜面。

根据凹锥异形曲面的结构特性及前期的CaF₂凹锥镜的加工经验，本发明借鉴于柔性磁流体的超光滑加工能力开展了磁流体工具设计及工艺方法研究，CaF₂凹锥粗糙度通过近70小时加工，表面粗糙度从25nm提升为0.5nm，面形精度从PV(峰谷值)从1.3微米提升为0.4微米，锥面角度误差为5角秒。实验证明，本发明的磁流体磁力棒及工艺方法可实现氟化钙凹锥的面形精度提升及超光滑加工。在极大规模集成电路的光刻机照明系统轴锥镜的研制中具有重要价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有的技术工艺加工无法应用于CaF₂凹锥镜加工的技术缺陷，提供一种可应用于CaF₂凹锥镜高效率、高精度提高粗糙度的技术工艺，从而为光刻物镜照明系统的高精度研制提供技术保障。该发明充分考虑了氟化钙晶体材料的材料特性及凹锥面异形结构等特性，基于磁流体加工技术采用直线磁力棒对氟化钙凹锥进行均匀磨削，消除氟化钙凹锥面的亚表面破坏层及表面中高频，提升凹锥面的表面粗糙度。本发明对氟化钙凹锥面的面形、锥角具有较强的控制性，对氟化钙凹锥面的表面粗糙度具有较强的提升性，突破了国内现有工艺无法加工凹锥异形曲面的技术瓶颈，为我国开展光刻机投影曝光光学系统的研制提供技术保障。

为解决上述问题，本发明是采用以下技术方案实现的：

一种适用于提升氟化钙凹锥镜粗糙度的磁流体加工工具：磁流体加工工具包括直角法兰盘、电机变向器、直线棒、汝铁硼磁棒、导向杆、基准杆和塑形棒；其中，

所述的直角法兰盘上端固定于机床铣磨轴基座上，同时，电机变向器固定于直角法兰盘底端，电机变向器转轴与机床铣磨轴连接，即将机床铣磨轴的垂直转向构成水平转向；

所述的直线棒为外径12mm、内径8mm的直筒，材料为奥氏不锈钢材料，其安装于电机变向器内孔；

所述的磁流体工具的导磁材料为汝铁硼磁棒，磁场强度为1.25-1.28特斯拉，磁极为磁棒的两端，汝铁硼磁棒嵌入于直线棒内，组合构成直线磁力棒；

所述的导向杆表面具有凹滑槽，并通过螺栓安装于电机变向器侧面；

所述的基准杆固定于导向杆凹滑槽，可通过移动基准杆来调节塑形棒与直线棒的距离；

所述的塑形棒安装固定于基准杆中心孔，并通过螺栓从侧面固定。

其中，所述的塑形棒为碳化钨材料，用于对磁流变液塑形。

本发明还提供一种适用于提升氟化钙凹锥镜粗糙度的磁流体加工方法，利用上述的适用于提升氟化钙凹锥镜粗糙度的磁流体加工工具，所述的整套磁流体加工工具需安装于一台具备X、Z、A、C联动轴的数控机床上进行开展，X轴为水平轴、Z轴为垂直轴、绕X轴旋转是A轴、绕Z轴旋转是C轴，待加工的氟化钙凹锥镜安装于转台C轴上，待加工的氟化钙凹锥镜(10)轴线与C轴重合，待加工的氟化钙凹锥镜加工前需根据锥角度将转台进行A轴倾斜，确保待加工的氟化钙凹锥镜的凹锥母线与直线棒水平平行；

其中，所述的氟化钙凹锥镜加工工艺参数为：C轴自传速度为5-10RPM，直线棒转速为4000-6000RPM，X轴进给速度为800-1000mm/min，Z轴进给速度为30-50mm/min，磁流变液厚度为3mm，压切深度为1mm，磁流变液更换时间为30min-50min。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、本发明是依据氟化钙晶体的材料特性及凹锥面异形结构特性，依据磁流体柔性抛光技术可实现氟化钙超光滑加工的技术优势，开展的一种适用于氟化钙凹锥粗糙度提升的磁流体加工工具；

2、本发明的所涉及的凹锥结构简单，工艺技术稳定，加工能力强，适用于任意角度的凹锥结构；

3、本发明的磁流体工具及方法解决了国内无法加工CaF2凹锥的技术现状，为我国光刻物镜照明系统的研制提供了技术保障。

附图说明

图1为应用于CaF₂凹锥镜加工的磁流体加工工具示意图；

图2为直角法兰与电机变向器连接示意图；

图3为汝铁硼磁棒于直线磁力棒构成的直线磁力棒示意图；

图4为基准杆与导向杆的连接方式示意图；

图5为磁流体工具加工CaF₂镜的过程示意图；

图6为磁流体工具加工CaF₂实验件的粗糙度演变。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施方式对本发明做进一步的解释：

如图1所示，本发明的氟化钙凹锥镜粗糙度的磁流体工具主要包括：直角法兰盘1、电机变向器2、直线棒3、汝铁硼磁棒4、导向杆5、基准杆6、塑形棒7；

如图2所示，所述的直角法兰盘1上端固定于机床铣磨轴基座8上，同时，电机变向器2固定于直角法兰盘1底端，电机变向器转轴与机床铣磨轴9连接，即将机床铣磨轴9的垂直转向构成水平转向；

如图3所示，所述的直线棒3为外径12mm、内径8mm的直筒，材料为奥氏不锈钢材料，其安装于电机变向器2内孔；

如图3所示，所述的磁流体工具的导磁材料为汝铁硼磁棒4，磁场强度为1.25-1.28特斯拉。磁极为磁棒的两端，汝铁硼磁棒4嵌入于直线棒3内，组合构成直线磁力棒；

所述的导向杆4表面具有凹滑槽，并通过螺栓安装于电机变向器2侧面；

如图4所示，所述的基准杆6固定于导向杆凹滑槽，可上下调节塑形棒7与直线棒3的距离；

如图4所示，所述的塑形棒7安装固定于基准杆6中心孔，并通过螺栓从侧面固定，塑形棒7为碳化钨材料，主要用于对磁流变液进行塑形；

如图5所示，所述的整套工磁流体工具需安装于一台具备X、Z、A、C联动轴的数控机床上进行开展，氟化钙凹锥镜10安装于转台C轴上，氟化钙凹锥镜加工前需根据锥角度将转台进行A轴倾斜，确保凹锥母线与直线棒水平平行；

所述的氟化钙凹锥镜加工工艺参数为：C轴自传速度为5-10RPM，直线棒转速为4000-6000RPM，X轴进给速度为800-1000mm/min，Z轴进给速度为30-50mm/min，磁流变液厚度为3mm，压切深度为1mm，磁流变液更换时间为30min-50min。通过上述工艺技术方法，对一块锥角为140度的凹锥CaF2材料进行粗糙度提升，通过6个周期，共70小时的加工，粗糙度Rq由25nm提升为0.5nm，面形精度PV(峰谷值)从1.3微米提升为0.4微米，锥面角度误差为5角秒，如图6所示。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。