磁流变抛光光学非球面元件表面误差的评价

正确评价抛光后光学非球面元件表面面形的波前畸变是确保实现光学非球面元件超精密制造的关键。该文提出了结合功率谱密度法和残余误差法并考虑非球面元件表面中频误差的综合评价方法。将提出的综合评价标准应用到磁流变数控抛光过程中,进一步明确了表面残余误差与抛光工艺参数之间的关系,建立了有效消除表面残余误差的抛光工艺规范。按照这一工艺规范制造出一块抛物面光学反射镜,其面形精度达到λ/30(λ=0.6328μm),残余误差为3λ/1000。该方法可为深入开展高精度磁流变抛光技术研究提供参考。     

超精密气囊工具抛光方法的研究

针对气囊数控抛光获得高精密非球曲面零件的方法,分析了气囊抛光实验样机的结构、运动控制系统组成、柔性气囊的构成以及气囊进动运动方式和气囊抛光的加工原理.研究了气囊抛光工艺扩展可行性以及抛光过程中控制工件面形、表面质量和处理边缘效应的方法.研究表明气囊抛光工艺具有可扩展性.在试制的实验样机上进行了工艺参数综合实验,实验结果表明:利用气囊抛光方法可以加工出超精密光滑的表面,该方法是加工和制造超精密光学表面的有效方法.     

超光滑表面抛光技术

超光滑表面抛光技术是超精密加工体系的一个重要组成部分，超光滑表面在国防和民用等领域都有着广泛的应用．文中介绍了超光滑表面的物理特征和应用，并根据抛光过程中工件与抛光盘之间的接触状态，将各种抛光方法分为直接接触、准接触和非接触3类，对每一种抛光方法作了总体的描述，详细地介绍了近年来发展的激光抛光技术和化学机械抛光技术及其超光滑表面抛光的加工机理，介绍了超光滑表面的测量和评价方法．     

砂轮约束磨粒喷射加工表面自相关性及功率谱分析

磨粒喷射精密光整加工是重要零件在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的的光整加工新工艺.试验在M7120磨床上完成,加工试样为Ra=0.2~0.6μm的#45钢,加工表面形貌和微观几何参数用SEM和TR200表面轮廓仪测量.应用随机过程中的相关性从自相关、功率谱密度函数两方面对磨削表面和光整加工表面进行了研究.分析结果表明,该加工方法明显提高了工件的表面质量,降低了工件的表面粗糙度并均化了波纹度.     

基于机器人技术控制大口径光学表面中频误差的方法

在分析中频误差形成原因的基础上,按照人工均匀修抛的工艺,提出了基于机器人技术控制大口径光学表面中频误差的方法,建立了机器人抛光的数学模型,研制了机器人加工工具。利用机器人对大口径光学表面进行了抛光实验,实验结果表明功率谱密度(power spectral density,PSD)明显减小,在0.2 mm-1处的值由24.15 nm2·mm降到2.61 nm2·mm,说明机器人抛光方法行之有效。     

蓝宝石衬底铜抛-CMP加工技术

针对蓝宝石衬底超精密加工存在的抛光表面不稳定问题,对蓝宝石衬底铜抛-化学机械抛光(CMP)加工技术进行研究,系统探讨铜抛与CMP的抛光压力、转速和抛光时间对蓝宝石衬底表面质量及加工效率的影响.综合评价各表面质量指标,结果表明:在满足表面质量对抛光工艺要求的前提下,采用铜抛的最佳工艺参数为铜抛压力98.0 kPa,转速55 r·min^-1,铜抛时间30 min;化学机械抛光的最佳工艺参数为抛光压力215.6 kPa,转速60 r·min^-1,抛光时间120 min,由此可获得高质量、无损伤的蓝宝石衬底抛光表面.     

超高精度大直径硅片表面超声浮动抛光

为了提高大直径硅片表面质量,利用超声浮动抛光加工宏观磨削力、磨削应力、磨削热小,对加工材料表面损伤低的特点,再结合相关磨料对超高精度大直径硅片表面进行超声浮动抛光加工.在工作机理研究的基础上,对大直径硅片超声浮动抛光加工进行了实验研究,优化了其工作参数,获得了满意的效果,为该技术的实际应用奠定了理论与实验基础.     

小振幅兆声对硅片化学机械抛光效果的影响

为了改善硅片化学机械抛光效果,提高硅片表面质量,一小振幅兆声振子引入化学机械抛光系统,通过对比表面粗糙度大小和分布,发现该振子对改善硅片化学机械抛光效果有明显促进作用。测试表明:振子频率为1.7 MHz,中心最大振幅约为70 nm;硅片表面振动频率为1.7 MHz,中心最大振幅小于10 nm;该振子独立抛光时,未发现硅片表面粗糙度明显降低,但它能引起抛光液微流动,使储存在抛光垫窠室中更多的抛光液进入接触区参与抛光。无振动抛光时,硅片中心区域抛光液供给不足,造成该区抛光效果较差;兆声致微流动能有效缓解这种不足,改善硅片中心区域抛光效果,不仅如此,它还能有效降低其他区域的表面粗糙度。与无振动抛光的硅片相比,经过兆声辅助抛光的硅片,表面粗糙度更小,分布更均匀。     

抛光垫使用寿命对硅单晶片抛光质量影响的研究

化学机械抛光技术已经在超大规模集成电路制造中得到广泛应用,主要用于加工超光滑无损伤的硅单晶衬底和对晶片进行局部和全局平坦化。虽然在化学机械抛光技术中影响硅片抛光效果的因素有很多,但抛光垫是影响抛光效果的关键因素之一。研究了抛光垫使用时间和相应时间硅片的抛光效果之间的关系,指出可通过在抛光过程中控制抛光垫的使用时间,对抛光的工艺参数进行更好的调整。     

硅片抛光的接触压强分布与宏观形貌创成机理

为了获得单晶硅片化学机械抛光过程中的接触压强分布及其对基片平面度的影响规律,从化学机械抛光的实际出发,建立了抛光过程的接触力学模型和数学模型.利用有限元方法对接触压强分布进行了计算和分析,并利用抛光实验对计算结果进行了验证;获得了化学机械抛光过程硅片与抛光垫之间的接触表面压强分布形态,以及抛光垫的物理参数对压强分布的影响规律,确定了接触压强分布形态和硅片平面度误差的关系.结果表明,接触压强的分布是不均匀的,而且在硅片外径邻域内接触压强最大,从而导致被加工硅片产生平面度误差和塌边现象.合理地选择抛光垫的弹性模量和泊松比,可以改善接触表面压强分布的均匀性,从而使硅片有效区域的平面度变得更好.     

超精密非球面磨削加工微振动试验系统研究

分析超精密磨削加工中砂轮微小振动对工件表面质量的影响,建立磨削中振动引起工件表面轮廓误差的数学模型,设计相应的超精密磨削加工微振动试验系统,用以模拟磨削过程中砂轮径向、横向的微小振动和摆动.结果表明:合理选择砂轮振动频率或工件主轴转速能有效提高工件表面精度,降低表面波纹度.     

超声椭圆振动-化学机械复合抛光硅片实验研究

在研制超声椭圆振动-化学机械复合抛光硅片实验装置基础上,进一步开展了抛光压力P,抛光点速度v及抛光液供给量Q等可控工艺参数对硅片抛光表面粗糙度、表面形貌和材料去除率影响的有无超声椭圆振动辅助抛光的对比实验研究.实验结果表明:抛光工具的超声椭圆振动有利于抛光垫保持良好的表面形貌和抛光区获得良好的工作状况,提高硅片材料的去除率;抛光压力对抛光质量的影响最大,抛光速度次之,抛光液供给量影响最小;在最佳抛光效果情况下,可使硅片抛光表面粗糙度值由传统抛光法所获得的Ra0.077ìm降到超声辅助抛光法的Ra0.042 ìm,材料去除率最多可提高18%,并且工件表面形貌有明显改善.     

基于分形维数的光学表面质量评价及响应曲面模型

针对光学元件表面的微观形貌结构呈现出随机性、无序性和多尺度性,反映出一种非平稳的随机过程.针对这一问题,利用光学元件表面具有微观结构上的统计自相似性特征,首先通过结构函数法计算光学表面的分形维数,分析了分形维数与表面传统评价参数峰谷(PV)值近似线性的关系,验证了可以利用分形维数来评价光学元件表面精度;其次,建立了分形维数与抛光参数的响应曲面回归模型,为了通过控制显著性较强的抛光参数来获取更好的光学元件表面质量,评价了各抛光参数对分形维数的影响权重.     

剪切增稠抛光加工Si_3N_4陶瓷的试验研究

基于剪切增稠抛光(STP)的加工原理分析Si3N4陶瓷超精密加工的控制策略,考察所制备的含有立方氮化硼(CBN)磨粒的剪切增稠抛光液的流变行为,分析工件抛光前后表面形貌变化及表层应力状态,研究其抛光特性.结果表明:抛光液具有可逆的剪切增稠与稀化效应,可达到STP加工工艺用抛光液的要求;改变磨粒粒径,可以控制Si3N4加工效率与表面质量,且材料去除量和表面粗糙度的理论值能够反映试验值的变化;STP加工Si3N4为持续微切削的"柔性抛光",初期为脆性剪切、粘着磨损去除,后期为塑性去除;当磨粒粒径达到纳米级时,表层应力状态由初始残余拉应力变为压应力,说明STP不仅能高效去除原有表面损伤层而且新引入的损伤小;随着抛光时间的延长,去除量先快速增大而后趋缓;抛光90 min后,去除率由初期的5.00~2.40μm/h降至3.24~2.04μm/h,表面粗糙度Ra由108.9~111.1nm降至22.0~10.7nm;抛光150min后,Ra可降至9.6~7.2 nm,实现了Si3N4陶瓷粗抛后的精密抛光.     

基于AFM单晶硅台阶线边缘粗糙度、顶表面和底表面粗糙度的测量

采用原子力显微镜以TOP-DOWN方式测量单晶硅刻线单侧形貌.提出以单次扫描线上5个最低测量值的平均值为高度参考点且各条扫描线参考高度在统计意义下相等,校正(原子力显微镜)AFM压电驱动器高度方向非线性.通过NIST高度算法和直方图方法相结合确定样本边缘表面、顶表面和底部表面范围.顶表面和底表面各扫描线的功率谱密度(PSD)、均方根值(RMS)基本一致.对于边缘粗糙度而言,RMS随测量高度增加而减小;PSD随高度增加主导频率范围略有降低但变化不明显.     

中等粒度纳米金刚石用于磁头抛光的工艺

采用浮动块研磨抛光机,研究中等粒度纳米金刚石抛光液用于硬盘磁头抛光时其颗粒大小及其悬浮液的分散稳定性与磁头表面质量的关系,以及抛光各工序、运行参数与表面质量的关系.磁头表面质量采用原子力显微镜观测分析.通过对抛光过程运行参数的正交实验,对中等粒度纳米金刚石用于磁头抛光的工艺过程进行优化.实验结果表明:磁头表面粗糙度随着金刚石粒径的减小而减小,但二者并不呈线性关系;抛光液的分散稳定性比抛光液颗粒粒径更能影响表面划痕的深度;精研磨能有效去除表面划痕;而抛光能有效降低表面粗糙度,但其对划痕的消除不如精磨有效;各参数对表面粗糙度和划痕的影响程度不同,但是优化后参数取值相同.     

基于点云的超精密铣削加工三维表面形貌仿真

基于刀刃扫掠点点云方式,提出一种超精密加工三维表面形貌模型.通过对加工部分刀刃在加工过程中的运动学描述,将三维表面形貌用离散点云数据表达.根据加工曲面信息和采样点数目对仿真区域进行划分并建立随动包容盒,对包容盒内数据进行数值分析和空间变换计算以获得工件三维表面形貌.算法仿真与表面轮廓仪测量结果表明：该仿真算法能够表征超精密铣削加工下工件表面双向残留高度特征,并体现出刀具切入相位角对表面形貌的影响,为三维表面形貌超精密加工提供了一种新的思路.     

GeSb2Te4相变薄膜表面形貌的分形特征

在Si（111）基底上用磁控溅射法以不同射频功率制备GeSb2Te4薄膜，利用高度相关函数法对薄膜的原子力显微镜图像进行分形计算，得到表面形貌的分形维．结果表明，分形维的大小与薄膜表面质量成正比，而表面粗糙度不能全面描述薄膜表面形貌；溅射功率对薄膜表面微观结构有直接影响，在一定范围内，增大溅射功率可以提高薄膜表面质量，但超过一定值后，又会降低薄膜表面质量．并指出利用分形维可以优化溅射工艺参数．     

STM用于超精机械加工表面微观形貌检测与分析的研究

通过自行研制扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，以下简称STM)检测了超精机械加工试件表面微观形貌，生成三维立体形貌图，对微观形貌图进行分析，了解相关的加工机理及微观表面形貌缺陷发生的原因，为提高超精加工表面质量及优化加工工艺过程提供了一些参考依据。     

PDMS表面形貌调控Au/PDMS褶皱图案的实验

采用超精密车削技术来调控Au/PDMS双层结构形成规则有序的锯齿状褶皱图案.以超精密车削技术在铝合金样品表面上加工的条纹图形,经复制模铸得到了聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底表面上的反相结构.用离子溅射方法在PDMS基底表面沉积一层20-50 nm厚的Au膜,在冷却过程中Au/PDMS褶皱图案与基底形貌相互作用,从而成功地调控出规则有序、波长可控的锯齿状褶皱图案.经实验分析,PDMS基底形貌与褶皱图案之间的耦合作用是形成锯齿状褶皱的主要原因.