一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法，該方法充分考慮了氟化鈣晶體的材料特性及凹錐面異形結(jié)構(gòu)特性，將加工流程分為成型、面形精度提升、粗糙度提升三個(gè)環(huán)節(jié)并分別采用直線成型銑磨、金剛石車削技術(shù)及直線磁力棒磨削三種聯(lián)合工藝進(jìn)行加工，對(duì)氟化鈣凹錐的直線度、錐角度、面形精度、粗糙度等技術(shù)瓶頸進(jìn)行各個(gè)擊破。該聯(lián)合工藝加工效率高，錐角精度準(zhǔn)確，面形精度及粗糙度可控、穩(wěn)定，突破了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝無法加工氟化鈣凹錐異形曲面的技術(shù)瓶頸，為我國(guó)開展光刻機(jī)投影曝光光學(xué)系統(tǒng)的研制提供技術(shù)保障。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉納米精度精密加工的
，特別涉及一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法。
技術(shù)介紹
CaF2晶體材料具有無色透明，吸收系數(shù)低、抗損傷閾值高、滲透性高、無雙折射現(xiàn)象等光學(xué)優(yōu)勢(shì)，滲透范圍可以從紅外波長(zhǎng)(12μm)到紫外波長(zhǎng)(125nm)，在紅外系統(tǒng)及紫外系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，是193nm深紫外光刻系統(tǒng)透鏡最理想的光學(xué)材料之一。光學(xué)系統(tǒng)成像景深及成像分辨率是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，普通光學(xué)成像系統(tǒng)景深有限性的物理原因是由于光的衍射。如平行光入射普通光學(xué)成像系統(tǒng)，在焦點(diǎn)處形成一個(gè)很小的光斑，但隨著離焦位置(即光束傳播位置)的不同，衍射光斑的大小急劇變化。而軸錐鏡透鏡的成像特點(diǎn)是不同帶高的光線具有不同的像點(diǎn)位置，所以它能將軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線連續(xù)地會(huì)聚到沿軸線不同位置的點(diǎn)上，具有無衍射光的特性，是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提高系統(tǒng)景深的重要方法。軸錐鏡在光學(xué)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)主要有：(1)普通光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)隨離焦變化很快，給圖像復(fù)原造成很大的困難。而錐鏡產(chǎn)生的無衍射光束的中心光斑大小和形狀在一定范圍內(nèi)保持不變；(2)應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)常用縮小相對(duì)孔徑來增大景深，但會(huì)降低系統(tǒng)的空間分辨率，使圖像細(xì)節(jié)模糊。軸錐鏡由于具有線焦的特性，將其應(yīng)用于光學(xué)成像系統(tǒng)中可以增大系統(tǒng)的焦深；(3)軸錐鏡鏡組可隨著軸錐鏡單元之間間距的變化，產(chǎn)生的環(huán)形照明內(nèi)外環(huán)寬度也發(fā)生變化，軸錐鏡元件的中心的拐點(diǎn)(圓錐的尖端)可起到了分割光束的作用。隨著我國(guó)“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”的開展，CaF2軸錐鏡的研制作為投影光刻機(jī)照明系統(tǒng)的核心元件，決定了整個(gè)照明系統(tǒng)能力傳輸?shù)男阅?span style='display:none'>。因此，軸錐鏡的高精度加工是保障整個(gè)照明系統(tǒng)具有高分辨力、高能量傳輸、高成像系統(tǒng)景深的重要前提。在光刻照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，無衍射光學(xué)器件是由凸錐鏡及凹錐鏡互補(bǔ)構(gòu)成的軸錐鏡。經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)與研究，中科院光電所已經(jīng)完成了CaF2凸錐加工的工藝技術(shù)摸索，實(shí)現(xiàn)了CaF2凸錐的超光滑加工。而對(duì)于凹錐的面形精度及粗糙度提升，工藝技術(shù)方法具有更高的挑戰(zhàn)性，主要體現(xiàn)為：(1)CaF2凹錐鏡為軟性晶體材料，結(jié)構(gòu)異性，粗糙度及光潔度控制困難；(2)凹錐鏡母線在加工過程線速度不一致，中心區(qū)域線速度幾乎為零，現(xiàn)有工藝技術(shù)加工凹錐鏡時(shí)，母線直線度及中心區(qū)域破壞層無法控制；(3)CaF2軸錐鏡鏡面法線異向，鏡面曲率變化不一致，圓錐中心為拐點(diǎn)，加工軌跡受限，同時(shí)，加工過程無法保證去除效率的一致性及面形收斂的有效性；(4)為降低錐面的散射率，CaF2軸錐鏡的表面粗糙度要求為0.5nm以內(nèi)，限于CaF2軸錐鏡的異形結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)手段無法直接采用，國(guó)內(nèi)并無成熟、可靠的加工技術(shù)方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有的技術(shù)工藝加工CaF2凹錐的技術(shù)缺陷，提供一種可應(yīng)用于CaF2凹錐高效率、高精度要求的聯(lián)合技術(shù)工藝，從而為光刻物鏡照明系統(tǒng)的高精度研制提供技術(shù)保障。為解決上述問題，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法，根據(jù)氟化鈣凹錐的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道工藝流程，分別采用直線成型銑磨、金剛石車削工藝及直線磁力棒磨削三種工藝聯(lián)合實(shí)現(xiàn)；包括如下步驟：步驟一、所述直線成型銑磨：采用直線圓柱砂輪通過數(shù)控銑磨機(jī)床將最接近球半徑的氟化鈣凹面快速銑磨為氟化鈣凹錐鏡，錐角誤差θ≤0.1°，錐面直線度誤差≤2微米；步驟二、所述金剛石車削工藝：提升氟化鈣凹錐鏡面形精度及錐角度，采用金剛石車削技術(shù)使加工后的氟化鈣凹錐鏡面形精度峰谷值PV≤λ/8，錐角誤差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤25nm；步驟三、所述直線磁力棒磨削：提升氟化鈣凹錐鏡的表面粗糙度及控制凹錐鏡的面形精度，采用直線磁力棒磨削工藝使加工后的氟化鈣凹錐鏡面形精度峰谷值PV≤λ/6，錐角誤差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤0.5nm。更進(jìn)一步的，所述直線成型銑磨的圓柱砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪口徑≤12mm，砂輪銑磨轉(zhuǎn)速≥30000RPM。更進(jìn)一步的，所述直線磁力棒磨削是指基于外徑內(nèi)孔的奧氏不銹鋼圓筒與汝鐵硼磁棒構(gòu)成的直線磁力棒，采用雙相基載的磁流變拋光液吸附于其表面形成柔性拋光模并完成對(duì)氟化鈣凹錐的超光滑加工。更進(jìn)一步的，雙相基載的磁流變拋光液包括：羰基鐵粉、雙相基載液、添加劑、Ph添加劑以及磨料，各組分的質(zhì)量百比分別為83％-87％，10％-15％，1％-1.5％，1.2％-2％，0.01％-0.0.05％。更進(jìn)一步的，所述羰基鐵粉為表面積平均粒徑≤3微米的軟性鐵粉，雙相基載液由質(zhì)量比例約5：1：1的去離子水、乙二醇及二甲基甲酰胺組合，添加劑為苯甲酸納抗氧化劑及丙三醇保濕劑，ph調(diào)節(jié)劑為氫氧化鈉，磨料為50nm顆粒的金剛石磨削液。更進(jìn)一步的，所述直線磁力棒磨削技術(shù)的工藝參數(shù)為：拋光液切入深度0.5mm-1mm，直線磁力棒磨削速度3000RPM-4000RPM，汝鐵硼磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.25特斯拉-1.28特斯拉。更進(jìn)一步的，所述直線磁力棒磨削技術(shù)采用磁流體柔性去除特性，對(duì)氟化鈣凹錐鏡表面材料進(jìn)行均勻去除，加工軌跡為固定螺旋間隔為0.1-0.5mm；直線磁力棒磨削去除的氟化鈣凹錐表面材料深度為300納米-500納米。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：(1)本專利技術(shù)工藝充分考慮了氟化鈣晶體材料特性及凹錐面異形結(jié)構(gòu)等特性，將加工流程分為成型、面形精度提升、粗糙度提升三個(gè)環(huán)節(jié)并分別采用采用直線成型銑磨、金剛石車削技術(shù)及直線磁力棒磨削三種技術(shù)工藝聯(lián)合加工實(shí)現(xiàn)，對(duì)氟化鈣凹錐的錐角度、面形精度、粗糙度等技術(shù)瓶頸進(jìn)行各個(gè)擊破，具有加工效率高，錐角精度準(zhǔn)確，面形精度及粗糙度可控、穩(wěn)定，突破了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工藝無法加工氟化鈣凹錐異形曲面的技術(shù)瓶頸，為我國(guó)開展光刻機(jī)投影曝光光學(xué)系統(tǒng)的研制提供技術(shù)保障。(2)本專利技術(shù)是依據(jù)氟化鈣凹錐的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道加工流程而分別開展的直線成型銑磨、金剛石車削技術(shù)及直線磁力棒磨削三種聯(lián)合加工工藝，流程簡(jiǎn)單、技術(shù)緊湊、可靠性強(qiáng)，對(duì)光刻物鏡照明系統(tǒng)軸錐鏡的錐角、面形精度、粗糙度等技術(shù)瓶頸有較強(qiáng)的技術(shù)突破性。(3)本專利技術(shù)的所涉及的直線成型銑磨、直線磁力棒磨加工工具為直線圓柱結(jié)構(gòu)，通過對(duì)凹錐母線的直線磨削而達(dá)到鏡面均勻去除，對(duì)錐角的適用范圍大，突破了現(xiàn)有數(shù)控磨頭無法深入于凹錐鏡面加工的技術(shù)瓶頸；(4)本專利技術(shù)的所涉及的磁流體拋光液是雙相基載拋光液，剪切屈服應(yīng)力強(qiáng)，適用汝鐵硼構(gòu)成的永久磁場(chǎng)，對(duì)晶體材料的粗糙度提升及超光滑加工具有較大的突破性及穩(wěn)定性。附圖說明圖1為直線圓柱砂輪銑磨CaF2凹錐示意圖，其中，11為圓柱銑磨砂輪，12為凹錐最接近球曲面，13為成型后凹錐，14為工件轉(zhuǎn)臺(tái)；圖2為金剛石車削及直線磁力棒磨削CaF2凹錐后粗糙度變換；圖3為直線磁力棒磨削CaF2凹錐過程示意圖，其中，21為直線磁力棒，22為汝鐵硼磁棒，23為磁流體拋光液，24為氟化鈣凹錐，25為轉(zhuǎn)臺(tái)；圖4為直線磁力棒磨削CaF2凹錐過程的磁流體拋光液切入深度與粗糙度間的關(guān)系；圖5為直線磁力棒磨削CaF2凹錐過程的磨削速度與粗糙度間的關(guān)系；圖6為CaF2凹錐實(shí)驗(yàn)件通過金剛石車削、直線磁力棒磨削后的粗糙度演變。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步的解釋。本專利技術(shù)一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法，其特征在于：根據(jù)氟化鈣凹錐的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道工藝流程，分別采用直線成型銑磨、金剛石車削工藝及直線磁力棒磨削三種工藝方法聯(lián)合加工實(shí)現(xiàn)；包括如下步驟：步驟一、所述直線成型銑磨：采用直線圓柱砂輪通過數(shù)控銑磨機(jī)床將最接近球半徑的氟化鈣凹面快速銑磨為氟化鈣凹錐鏡，錐角誤差θ≤0.1°，錐面直線度誤差≤2微米；步驟二、所述金剛石車削工藝：提升氟化鈣凹錐鏡面形精度及錐角度，采用金剛石車削技術(shù)使加工后的氟化鈣凹錐鏡面形精度峰谷值PV≤λ/8，錐角誤差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤25nm；步驟三、所述直線磁力棒磨削：提升氟化鈣凹錐鏡的表面粗糙度及控制凹錐鏡的面形精度，采用直線磁力棒磨削工藝使加工后的氟化鈣凹錐鏡面形精度峰谷值PV≤λ/6，錐角誤差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤0.5nm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法，其特征在于：根據(jù)氟化鈣凹錐的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道工藝流程，分別采用直線成型銑磨、金剛石車削工藝及直線磁力棒磨削三種工藝方法聯(lián)合加工實(shí)現(xiàn)；包括如下步驟：步驟一、所述直線成型銑磨：采用直線圓柱砂輪通過數(shù)控銑磨機(jī)床將最接近球半徑的氟化鈣凹面快速銑磨為氟化鈣凹錐鏡，錐角誤差θ≤0.1°，錐面直線度誤差≤2微米；步驟二、所述金剛石車削工藝：提升氟化鈣凹錐鏡面形精度及錐角度，采用金剛石車削技術(shù)使加工后的氟化鈣凹錐鏡面形精度峰谷值PV≤λ/8，錐角誤差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤25nm；步驟三、所述直線磁力棒磨削：提升氟化鈣凹錐鏡的表面粗糙度及控制凹錐鏡的面形精度，采用直線磁力棒磨削工藝使加工后的氟化鈣凹錐鏡面形精度峰谷值PV≤λ/6，錐角誤差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤0.5nm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法，其特征在于：所述直線成型銑磨的圓柱砂輪為樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪口徑≤12mm，砂輪銑磨轉(zhuǎn)速≥30000RPM。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于氟化鈣凹錐鏡高效加工的聯(lián)合工藝方法，其特征在于：所述直線磁力棒磨削是指基于外徑內(nèi)孔的奧氏不銹鋼圓筒與汝鐵硼磁棒構(gòu)成的直線磁力棒，采用雙相基載的磁流變拋光液吸附于其表面形...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鐘顯云，張郅昂，楊金山，陳強(qiáng)，李良紅，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51