陈光宇教授课件1--项目汇报光学元件冷加工工艺(应用案例)

1、 用户案例项目名称：大口径光学元件冷加工工艺改进分析项目单位 电子科技大学单位网站： 注：内部资料项目单位：电子科技大学所属行业：制造业案例描述：大口径光学元件在冷加工完成后可以获得很高的表面质量，但是在亚表面层往往隐藏了大量的缺陷。因此，需要改进工艺达到消除亚表面缺陷的目的。通过Pro/Innovator和ARIZ算法求解，此问题得到4个的解决方案。关键词：光学元件、表面质量，亚表面缺陷，冷加工，检测问题描述：1. 工作原理 大口径光学元件的冷加工工艺包括铣磨、精磨、初抛和精抛等工序，目的是获取很高的表面质量，但是在亚表面层往往隐藏了大量的缺陷。2. 主要问题 抛光工序会形成亚表面缺陷，同时

2、不能用光学方法直接观察到的亚表面缺陷。 3. 问题发生的条件 抛光工序在去除旧划痕的同时，不断地引入新划痕，然后被覆盖，形成亚表面缺陷。 4. 初步思路或类似问题的解决方案 快速抛光、磁流变抛光。5. 待解决的问题 （1）抛光工艺不带入新的亚表面缺陷；（2）能检测亚表面缺陷。 6. 对新技术系统的要求 （1） 消除亚表面缺陷；（2） 无损检测亚表面缺陷。解题流程1 Pro/Innovator解题流程运用Pro/Innovator模块（图1），包括系统分析、问题树、三轴分析、知识库本题目属于工艺质量改进范畴。 图2 解题流程 2 Pro/Innovator求解过程2.1 工况介绍:大口径光学元件

3、的冷加工工艺包括铣磨、精磨、初抛和精抛等工序，亚表面缺陷的检测手段不足，并且目前工艺去除亚表面的效果不理想。（1）大口径平面元件工艺定型完成平面铣磨试验，实现了元件的外形尺寸快速成型，包括大面、侧面的铣磨，确定了加工工艺参数。侧面铣磨效率（180#砂轮），最大进刀量2mm，铣磨速度30mm/min；平面铣磨效率（180#砂轮）， UBK7玻璃：0.10mm/min，熔石英玻璃：0.08mm/min侧面铣磨垂直度优于90±2.5;侧面平行度小于0.10mm;工作面面形0.02mm/200mm;等厚0.02mm，达到初设的加工效率和技术指标要求，同时提高了元件的加工质量的一致性。 采用J

4、P65.1单轴机，进行了各粒度金刚砂磨料精磨实验，达到精磨面形小于5um/200mm，等厚小于0.02mm的精度要求。抛光参数实验：抛光去除量在2030um，片放窗口元件的小批量验证，面形精度达到要求。在2m级环抛设备上进行了片放类和腔反类元件试生产和工艺验证工作，通过预埋在2.5米环抛机沥青中的温度传感器定期测量洁净水和沥青内部的温度，对温度对面形控制的影响进行了评估。并通过环抛面形实时监控系统的研究，跟踪面形变化规律，用于指导元件的面形修正，实现了单次透射波前畸变PV值达到初设的技术要求，在现有设备和数控工艺软件基础上，以抛光盘尺寸参数为核心进行抛光参数组合设计和确定去除实验，研究不同尺寸

5、抛光盘对不同波长面形误差的修正能力及对表面质量的影响，得到各种尺寸磨盘在不同抛光参数组合下的去除函数模型，对现有数控工艺软件固化的加工参数库进行有效地补充优化。通过实验得到了80磨盘较优化的呈高斯曲线分布的去除函数模型。（2）大口径球面透镜工艺定型采用范成法铣磨球面方式，确定了工艺参数调整规范和调整精度要求，完成球面成型后的中心厚测量和等厚测量方法的验证。 中心厚测量方法 等厚测量方法使用了窗玻璃和K9玻璃进行了多种铣磨参数组合试验，图所示为球面铣磨过程图，最终确定了生产加工工艺参数的选择，达到要求铣磨效率。通过试验和生产验证，加工后的球面面形偏差0.03mm/200mm；曲率半径的矢高偏差0

6、.03m/200mm；中心厚偏差±0.2mm；等厚偏差0.05mm，达到了初设要求。球面精磨，以机械夹持上盘代替以前的加热粘结上盘。减少了元件加热上盘等辅助时间，并通过机械夹持进行对心调节，使加工过程和加工精度更加可控。并采用了电动控制调整结构进行辅助等厚测量，实现了x，y，z向平移的电动平移，通过改进了方形元件的定位方式，使边缘线接触改为点接触，减小了元件边缘对测量的影响，测量表的复位重复精度不大于3um。 此过程在加工精度达到了设计要求，等厚差控制、加工时间和加工效率达到设计要求。在目前JP650单轴机上进行了球面的快速抛亮和精抛光验证，面形和曲率半径是通过球面样板进行精度传递，

7、而球面样板通常采用刀口仪进行阴影检测。实现了球面抛光过程，球面面形偏差、表面粗糙度以及焦距偏差和同一类透镜的焦距一致性偏差和初设抛光效率达到要求。（3）元件在冷加工过程中产生的缺陷可直接观察到的表面疵病不能用光学方法直接观察到的亚表面缺陷这些缺陷如裂纹、划痕、坑点和残留杂质会强烈地调制或吸收激光，使得局部场强过高，导致元件被损现有的加工能力可以将其数量控制在较低的水平，从而减低其对元件损伤能力带来的影响目前难以实现有效的控制和去除2.2 系统分析:功能模型包括10个组件，见图3功能模型图3 第一级功能模型2.3 组件价值分析: 略。2.4 问题分解:由功能分析产生如下问题：（1） How to

8、 prevent producing of flaws?（2） How to prevent producing of micro flaws?（3） How to prevent producing of defects?（4） How to prevent leading of micro flaws?（5） How to prevent leading of defects?（6） How to prevent leading of subsurface defects?（7） How to prevent producing of subsurface defects?（8） Ther

9、e is insufficient detection of defects. How to increase detection of defects?2.4.1 问题1的三轴分析2.4.2 问题2的三轴分析2.4.3 问题3的三轴分析2.4.4 问题8的三轴分析2.5 解决方案: 以TRIZ工具为内核，以知识库（专利库）为支撑，在本体论的引导下，形成解决问题的多组方案。2.5.1 问题1解决方案 （1）挥发性有机化合物存在下的湿法化学蚀刻制造光学表面查询表达式: abrade optic component查询方式: 功能结构化查询解决方案近似程度: 类比方案问题描述: 小的抛光工具（旋转

10、抛光垫）被用于制造光学表面。这个方法并不适合于制造非常薄的光学表面，因为产生的局部机械应力会引起加工件变形，甚至引起断裂。更有甚者，抛光是一个昂贵和重复性差的过程。因此需要一种方法去制造光学表面。方案描述: 为了制造光学表面，建议在挥发性有机化合物存在下使用湿法化学蚀刻的方法。蚀刻溶液（例如，氢氟酸缓冲溶液）从一个垂直的从下往上接近表面的管子中出来，向上供给至表面。光学表面是亲水的。蚀刻溶液形成了一个圆形的润湿区，沿着管的外表面向下流。在液体附着到固体表面的半月面附近处，溶液是相对静止的。可挥发性的有机物被导向到半月面处。有机化合物溶解在蚀刻溶液中。这就使液体表面张力极大的降低。表面张力降低的

11、结果是一个表面张力梯度形成于半月面中。与吸收于自由表面流体附近的连续更新区域周围的可挥发性有机化合物相比，更高浓度的可挥发性有机化合物吸收于邻近于固体表面的半月面处。表面张力沿着这个方向增加。表面张力梯度造成在半月面区域中的液体向着离开固体表面而朝着下落的液膜的方向流动 （马朗贡尼 效应）。这种流动阻止了蚀刻水溶液到亲水表面的毛细作用。润湿的区域保持恒定的尺寸和形状。蚀刻除去了润湿区中光学表面上的材料。光学表面因此而形成。通过这种方法，挥发性有机化合物存在下的湿法化学蚀刻能够制造光学表面。附加信息: 该方法制造了大（长轴大于5 厘米），薄（厚度小于1 毫米）的玻璃片材，具有与光学公差相适应的平

12、整度。乙醇和异丙醇作为挥发性有机化合物而被使用。动画: 参考专利: 美国专利# 6555017, Surface contouring by controlled application of processing fluid using Marangoni effect, 04/29/2003专利权人: The Regents of the University of Caliofornia (Oakland, CA)发明人: Rushford; Michael C. (Livermore, CA); Britten; Jerald A. (Oakley, CA)相关问题-解决方案扩展: H

13、ow to assist wet chemical etching?（2）离子移植法有助于湿化学品蚀刻查询表达式: assist wet chemical etching 查询方式: 功能结构化查询解决方案近似程度: 特例方案问题描述: 从化学性质上来讲，A3B5氮化合物，例如GaN，可抵抗半导体工业中使用的大多数酸和碱。因此，有必要开发这些物质的有效蚀刻方法。方案描述: 建议按照下列方案实现A3B5氮化合物蚀刻方法。用具有所须布局的保护性面罩覆盖在薄膜上，然后移入搀杂剂。将面罩取走，在蚀刻液（通常是碱溶液）中将氮化合物薄膜蚀刻。要将进入薄膜减的杂质减到最小，从氮化合物的元素中选择移入的离子。

14、蚀刻搀杂剂集中的区域比未处理区域的蚀刻速度快。蚀刻深度由移入到氮化合物中的能量、质量和移入离子的剂量确定。因此，A3B5氮化合物可以生成各种结构。附加信息: 该方法可控制且成本低。动画: 参考专利: 美国专利# 6090300, Ion-implantation assisted wet chemical etching of III-V nitrides and alloys, 07/18/2000专利权人: Xerox Corporation (Stamford, CT)发明人: Walker; Jack (Sunnyvale, CA); Goetz; Werner (Palo Alto,

15、 CA); Johnson; Noble M. (Menlo Park, CA); Bour; David P. (Cupertino, CA); Paoli; Thomas L. (Los Altos, CA)2.5.2 问题8解决方案 （1）光散射测量防止表面缺陷的错误检测查询表达式: detection <AND> defect查询方式: 关键词 (布尔逻辑)查询解决方案近似程度: 问题描述: 测试磁盘质量时要检查其表面。基于磁性法的测试是一个极其缓慢的过程。光学测试涉及到测量表面反射的光，虽然是一个非常有效的方法，但可能导致对缺陷的错误检测。在反射光中处理表面图像时，沉降在

16、表面上的微粒可能被当作磁盘缺陷进行处理。需要一个方法对防止表面缺陷的错误检测。方案描述: 为了防止对表面缺陷的错误检测，建议采用光散射测量。光束定向到要检查的表面区上。除了反射探测器之外，还用散射探测器测量钝角散射。表面缺陷和微粒对光的散射不同：缺陷散射的光强度有一个依赖于散射角的顶点，微粒散射强度对角度的依赖关系是一个较为平滑的曲线。因而，缺陷散射锥会是锐角，微粒散射锥会是钝角。通过测量光散射和建立反射光和散射光的磁盘图像就可以区分表面缺陷和粘附的微粒。因而，光散射测量可以防止对表面缺陷的错误检测。附加信息: 激光器用作光源。选择光束入射到表面上的方向，使其非常接近于垂直。动画: 参考专利:

17、 美国专利# 5898492, Surface inspection tool using reflected and scattered light, 04/27/1999专利权人: International Business Machines Corporation (Armonk, NY, United States of America)发明人: Imaino, Wayne Isami (San Jose, CA, United States of America); Latta, Milton Russell (San Jose, CA, United States of Amer

18、ica)类比方案:酸蚀工艺结合干涉仪检测（2）暗场照明提高光刻掩膜缺陷的可检测性查询表达式: detection <AND> defect查询方式: 关键词 (布尔逻辑)查询解决方案近似程度: 问题描述: 在集成电路晶圆及光刻掩模的制造中，须执行缺陷的检测。为此，对一个光刻掩模的一个被检测部分，进行明场照明。缺陷使光线发生散射。无散射的透射光被一个显微镜物镜收集，进而被聚焦至一个光检测器阵列上，光刻掩模被照明部分的影像，由此阵列进行记录。一个比较信号，从所得信号中被减去。信号间的差异，可反映出缺陷结构。比较信号可从掩模的不同部分中获取，或者从软件中获取。此方法的主要缺点，是须要分析

19、的信号改变过小，这一改变由缺陷引入至基本信号中。需要一种方法，来消除此缺点，并提高光刻掩膜缺陷的可检测性。方案描述: 要提高光刻掩膜缺陷的可检测性，建议应用光刻掩膜的暗场照明。将光线导至被检测光刻掩模上，且保证镜面反射光线，不会落至集光装置的入口孔阑内。在光刻掩膜的缺陷上，光线发生散射。散射光被一个显微镜物镜收集，进而被聚焦至一个光检测器阵列上。与明场照明情形类似，比较信号被减去，以得到有用信号。由于被记录的信号仅包含缺陷的相关信息，因而缺陷检测的误差，以及一个可检测缺陷的最小尺寸，均被减小。这样，暗场照明提高了光刻掩膜缺陷的可检测性。附加信息: 在暗场照明模式下，一个可检测缺陷的最小尺寸，至

20、少比明场照明模式小4倍。动画: 参考专利: 美国专利# 4595289, Inspectionsystem utilizing dark-field illumination, 06/17/1986专利权人: AT & T Bell Laboratories (Murray Hill, NJ, United States of America)发明人: Feldman, Martin (New Providence, NJ, United States of America); Wilson, Lynn O. (New Providence, NJ, United States of

21、America)2.6 方案汇总: 本案运用Pro/Innovator的<系统分析>、<问题分解>、<解决方案>、<创系原理>、<专利查询>等模块，引用知识库解决方案4个，其中专利库解决方案6个。考虑采用成本因素，拟采用现有检测技术和酸蚀工艺相结合。 解决方案（Solution）方案1 酸蚀工艺结合干涉仪检测图1 初始检测结果图2 酸蚀工艺后检测结果采用ARIZ求解其他解决方案步骤1 分析问题1.1 描述最小问题1.2 确定组件对1,3 技术矛盾示意图1.4 选取主要技术矛盾1.5 激化矛盾1.6 建立问题模型1.7 尝试用标准解解决问题2分析问题模型2.1确定操作区域2.2 确定操作时间2.3 确定物场资源 系统内资源 外界环境资源 超系统资源3