CN110238713B - 控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。先将硅片工件在微铣削机床上进行粗加工；制作研抛装置，工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液包含平均粒径为几十纳米至几微米的磨粒，磨粒内核为氧化铝内核，磨粒外壳为三价铈的氧化铈外壳；将研抛装置的工具头和硅片工件置于高压釜中，在高温、高压环境下进行加工；工具头在Z轴向靠近工件的方向做低速进给的同时由微型超声发生器驱动工具头及其底部的球体在工件上方做微小超声振动，研抛液中的复合磨粒受作用冲击工件，得到微半球凹模阵列。本发明大幅提升微半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，同时减少了对加工工具的磨损。

Description

控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。

背景技术

微棱镜光学器件自20世纪80年代末期发展起来后，因其反射性好、亮度高、耐久性好且材料成本较低，在光学界得到了广泛的应用。比如微棱镜反光膜由于比传统的棱镜型反光材料亮度更高、反射角度更广、工作更稳定，目前已经被广泛用于需要高亮度的道路交通安全领域，美国加州的高速公路上交通标志的边框和图标全部运用了钻石级微棱镜反光膜来提升夜间的可识别度。目前，只有美国的Avery Dennison,3M和日本电石工业株式会社等企业有能力制造微棱镜母模，但由于加工技术高、机床结构复杂，导致加工成本较高、加工效率低下。

鉴于时下微棱镜光学器件的需求量越来越大，目前的微棱镜母模制造技术已经不能满足微棱镜光学器件大批量、低成本且高精度的生产需求。当前对于加工微细凹半球结构的微棱镜母模较为成熟的方法主要是光刻技术，但光刻技术所需设备价格不菲，且只基于2D加工，很难加工出表面质量高的三维结构微棱镜母模。一些新兴的基于三维结构加工的研抛方法如微铣削、精密飞切等技术仍难以摆脱机床结构复杂、加工成本高或受制于硬脆原材料特性难以加工等缺陷。微细电火花加工、电解加工等方法则因加工精度较差，易产生工件表面崩裂等不良现象而难以满足高精度高表面质量的加工要求，且仍然效率低、成本高。因而目前尚未见报道出成熟、可靠、低成本且高效率的微细凹半球结构微棱镜母模加工方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，包括以下步骤：

S1、先将硅片工件在微铣削机床上进行粗加工；

S2、制作研抛装置：由超硬材料制成的变幅杆上端与微型超声发生器连接，变幅杆下端与可更换工具头相连接，工具头的底部加工阵列凹球坑，凹球坑的直径小于等于球体直径，在球体与阵列凹球坑之间均匀涂抹强力粘接剂，将球体粘接在球坑中；变幅杆由双电机驱动，可根据需要实现宏观和微观传动。

S3、工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液包含平均粒径为几十纳米至几微米的磨粒，磨粒内核为氧化铝内核，磨粒外壳为三价铈的氧化铈外壳；

S4、将研抛装置的工具头和硅片工件置于高压釜中，在高温、高压环境下进行加工；

S5、将预加工完毕的工件置于研抛装置的工具头下方，工具头在Z轴向靠近工件的方向做低速进给的同时由微型超声发生器驱动工具头及其底部的球体在工件上方做微小超声振动，研抛液中的复合磨粒受作用冲击工件，并结合工具头对硅片工件的锤击、微超声产生的空化作用和化学作用，得到微半球凹模阵列。

进一步的，S1中在硅片上生成m*n的凹球冠阵列，凹球冠阵列的球冠直径等于微半球凹模阵列半球的直径，球冠深度小于微半球凹模阵列半球的深度。

进一步的，研抛液溶剂为去离子水或煤油。

进一步的，高压釜上端通过法兰盘和密封圈与工具杆连接固定。

进一步的，工具头在硅片工件上方0-5毫米内做高频率超声振动。

进一步的，磨粒平均粒度为2微米。

进一步的，高压釜内温度为300-320摄氏度，高压釜内压力为12-14MPa。

进一步的，硅片工件为厚度2mm，凹球冠阵列的球冠直径为1mm，球冠高为400um。

采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明通过工具头的微超声振动，击打导向板中的球体，激发工具头和微凹模衬底工件(碳化硅片)之间的研抛液中的复合磨粒，高速冲击凹模衬底。整个加工过程在高温高压的环境下进行，大幅提高物化反应效率，同时结合超声空化气泡调控技术，促进空化作用向有利于材料去除的方向发展，结合自由发射球体对工件的锤击作用、研抛液中的复合磨粒对工件的冲击和物理化学作用等，实现工件材料的去除，大幅提升微半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，同时减少了对加工工具的磨损。

附图说明

图1是本发明工具头的结构原理图。

图2是本发明导向板装置的结构图。

图3是本发明超硬杆半球凹模阵列超声发射加工装置的整体结构图和工作原理图。

图4是本发明超硬杆半球凹模阵列超声发射加工装置的结构总图。

具体实施方式

结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。

本发明先采用加工技术成熟、效率高，但加工精度较低的微铣削法对硅片工件进行粗加工，生成需要的微半球凹模阵列的大致形状，再使用超精密研抛装置对半成品硅片工件进行精加工，通过球体14的微超声振动，激发研抛液中的复合磨粒高速冲击凹模衬底，并结合微超声产生的空化作用和工具头12对硅片工件的物理锤击，最终完成微半球凹模的精加工。精加工过程始终在由特质高压釜营造的高温高压环境下进行，并采用温度传感器41结合反馈温控系统，保证加工过程的稳定、高效、安全。这种高温高压复合加工方法大幅提升微半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，并且由于在微铣削粗加工过程中已经完成了大部分材料去除，在微超声精加工过程中所需的材料去除量很小，有效降低了对精加工工具的磨损。

温控压力容器内研抛微半球凹模阵列的复合加工方法，所述研抛方法包括如下步骤：

将原始硅片工件置于微铣削机床上先进行预加工，利用直径约为10微米的精密铣刀在硅片工件上铣削出4*4粗加工的凹球冠阵列，球冠直径980um，球冠深390um，凹模阵列的表面精度和质量不作要求。经过微铣削粗加工的微半球凹模阵列虽然表面质量和精度不高、可能存在少量表面缺陷，但成品的大致形状已经形成，完成了复合加工的第一步，为第二步用以下超声加工法精密加工打好了基础。

所述研抛装置如图1包括变幅杆11、工具头12、阵列凹球坑13、球体14，变幅杆11主体由钛合金材料制成，其上端与微型超声发生器相连接，下端与可更换的工具头12相连接。变幅杆11由双电机驱动，可根据具体需要进行宏观和微观传动。在工具头12底部加工出直径同下述球体直径，即1mm，且表面一致性好的2*2阵列凹半球球坑。

所述球体14采用传统的塑性球体，材料为超硬的碳化钨，直径为1mm。布置2*2个球体，在球体和阵列凹球坑13之间均匀涂抹粘接剂，将每个球体的一半置于凹球坑中，并通过上述强力粘接剂粘接。

球体14与硅片工件间充满研抛液，研抛液溶剂选用去离子水，研抛液内加稳定剂和分散剂防止磨料沉淀和聚团。磨粒选用硬度极大的金刚石磨粒，其平均粒度约为5um。

将研抛装置的工具头12和硅片工件等置于高压釜40中，高压釜40上端通过法兰盘和密封圈与工具杆连接固定。高压釜40为316不锈钢材质。高压釜40下端通过密封圈密封连接在工作台上，高压釜40底部设用于加热的电阻丝，两侧连接压缩机管道，压缩机输出13MPa高压氮气经管道通入釜内，电阻丝通电持续加热至约320摄氏度后降低功率稳定保温，在约320摄氏度、13MPa的环境下进行加工。在高压釜40中设置温度传感器41，连接PID反馈控制系统，在加工过程中温度传感器41不断实时监测高压釜40中温度并反馈给温控系统，以调节釜内温度在安全且能促进物化反应进行的范围内。

如图2，工具头12在硅片工件上方0-5mm距离内做高频率超声振动，频率达到或超过16kHz，振幅为1-2um，并在Z轴向靠近硅片工件的方向做缓慢的进给运动，每次进给量为1um。在工具头12和硅片工件旁加装微米级激光视觉定位装置30检测并调控工具头12与硅片工件的相对位置以防加工时发生位置偏移。加工时由于工具头12的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会冲击研抛液，使其中的复合磨粒高速冲击凹模衬底并伴随微超声产生的空化作用与工具头12物理锤击，最终实现微半球凹模阵列的精加工。由于在微铣削粗加工过程中已经完成了大部分材料去除，在微超声精加工过程中所需的材料去除量很小，有效降低了对精加工装置磨损。

本实例中，硅片工件为厚度2mm，在此硅片工件上通过材料去除的方法加工形成阵列微半球凹模，期望加工出的凹模直径为1mm，球冠高为400um。由于凹模形状为半球壳，故要求其有极好的球度，凹模边缘位于硅片工件顶部且与硅片工件顶部过渡平滑，阵列中的凹模形状和尺寸一致。

为了实现这种阵列微半球凹模的精细加工，原理为：先将硅片工件置入微铣削工具下，利用微铣削机床的精密铣刀铣出微半球凹模阵列的大致形状，再通过超精密工具头12的微超声振动，使工具头12底部的球体激发工具头12和微凹模衬底工件(硅片工件)之间的研抛液中的复合磨粒，高速冲击凹模衬底。结合工具头12对硅片工件的锤击作用、研抛液中的复合磨粒对硅片工件的冲击和物理化学作用等，实现硅片工件材料的去除，大幅提升微半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性。

温控压力容器内研抛微半球凹模阵列的复合加工装置的组成结构、装配方法与工作原理如图1、图2和图3所示。所述研抛装置如图1包括变幅杆11、工具头12、阵列凹球坑13、球体14，变幅杆11主体由钛合金材料制成，其上端与微型超声发生器相连接，下端与工具头12相连接。变幅杆11由双电机驱动，可根据具体需要进行宏观传动和微观传动。在工具头12底部镀层内加工出表面一致性好的2*2阵列凹半球球坑，凹半球直径等于下述球体直径，为1mm。所述球体14采用传统的塑性球体，材料为超硬的碳化钨，直径为1mm。布置2*2个球体，在球体和阵列凹球坑13之间充满粘接剂，将每个球体的一半置于凹球坑中。

如图2，工具头12在硅片工件上方0-5mm距离内做高频率超声振动，频率达到或超过16kHz，振幅为1-2um，并在Z轴向靠近硅片工件的方向做缓慢的进给运动，每次进给量为1um。在工具头12和硅片工件旁加装微米级激光视觉定位装置30检测并调控工具头12与硅片工件的相对位置以防加工时发生位置偏移。加工时由于工具头12的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会冲击研抛液，使其中的复合磨粒高速冲击凹模衬底并伴随微超声产生的空化作用与工具头12物理锤击，最终实现微半球凹模阵列的精加工。

为解决加工过程中球体和工具头12底部的磨损问题，所采用的技术方案包括：

第一种方案，运用复合加工的方法，先由微铣削机床的精密铣刀加工出微半球凹模阵列的大致形状，完成绝大部分的材料去除，大幅减少精加工时需要的材料去除量，保护超声精加工研抛装置免受过度磨损。

第二种方案：球体采用传统的塑性球体，球体材料可选硬度很大的合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等，使用硬度很大的材料可有效减少球体的磨损。

第三种方案：运用高温高压环境和温度监控系统，大幅提高加工效率，缩短加工时间，也就减少了工具的工作时间，降低了每次加工的工具磨损。

除此之外，由于超声精加工研抛装置的工具头12采用可更换设计，即使受到过度磨损也可方便地更换新的工具头12继续投入工作。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、先将硅片工件在微铣削机床上进行粗加工；先由微铣削机床的精密铣刀加工出微半球凹模阵列的大致形状，完成绝大部分的材料去除；

S2、制作研抛装置：由超硬材料制成的变幅杆上端与微型超声发生器连接，变幅杆下端与可更换工具头相连接，工具头的底部加工阵列凹球坑，凹球坑的直径小于等于球体直径，在球体与阵列凹球坑之间均匀涂抹强力粘接剂，将球体粘接在球坑中；球体采用塑性球体，为合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷其中的一项；

S3、工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液包含平均粒径为几十纳米至几微米的磨粒，磨粒内核为氧化铝内核，磨粒外壳为三价铈的氧化铈外壳；

S4、将研抛装置的工具头和硅片工件置于高压釜中，采用高温高压环境和温度监控系统，在高温、高压环境下进行加工，高压釜内温度为300-320摄氏度，高压釜内压力为12-14MPa；

S5、将预加工完毕的工件置于研抛装置的工具头下方，工具头在Z轴向靠近工件的方向做低速进给的同时由微型超声发生器驱动工具头及其底部的球体在工件上方做微小超声振动，研抛液中的复合磨粒受作用冲击工件，并结合工具头对硅片工件的锤击、微超声产生的空化作用和化学作用，得到微半球凹模阵列。

2.如权利要求1所述的控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，S1中在硅片上生成m*n的凹球冠阵列，凹球冠阵列的球冠直径等于微半球凹模阵列半球的直径，球冠深度小于微半球凹模阵列半球的深度。

3.如权利要求1所述的控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，研抛液溶剂为去离子水或煤油。

4.如权利要求1所述的控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，高压釜上端通过法兰盘和密封圈与工具杆连接固定。

5.如权利要求1所述的控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，工具头在硅片工件上方0-5毫米内做高频率超声振动。

6.如权利要求1所述的控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，磨粒平均粒度为2微米。

7.如权利要求3所述的控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，其特征在于，硅片工件为厚度2mm，凹球冠阵列的球冠直径为1mm，球冠高为400um。

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