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Word文档格式.docx
《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Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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Word文档格式.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
（1）消除亚表面缺陷；
（2）无损检测亚表面缺陷。
解题流程
1Pro/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
2Pro/Innovator求解过程
2.1工况介绍:
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，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/Φ200mm;
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JP65.1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/Φ200mm，等厚小于0.02mm的精度要求。
抛光参数实验：
抛光去除量在20~30um，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Φ80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/Φ200mm；
曲率半径的矢高偏差≤0.03m/Φ200mm；
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，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
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）Howtopreventproducingofflaws?
（2）Howtopreventproducingofmicroflaws?
（3）Howtopreventproducingofdefects?
（4）Howtopreventleadingofmicroflaws?
（5）Howtopreventleadingofdefects?
（6）Howtopreventleadingofsubsurfacedefects?
（7）Howtopreventproducingofsubsurfacedefects?
（8）Thereisinsufficientdetectionofdefects.Howtoincreasedetectionofdefects?
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:
abradeopticcomponent
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,SurfacecontouringbycontrolledapplicationofprocessingfluidusingMarangonieffect,04/29/2003
专利权人:
TheRegentsoftheUniversityofCaliofornia（Oakland,CA）
发明人:
Rushford;
MichaelC.（Livermore,CA）;
Britten;
JeraldA.（Oakley,CA）
相关问题-解决方案扩展:
Howtoassistwetchemicaletching?
（2）离子移植法有助于湿化学品蚀刻
assistwetchemicaletching
特例方案
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。
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。
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。
该方法可控制且成本低。
美国专利#6090300,Ion-implantationassistedwetchemicaletchingofIII-Vnitridesandalloys,07/18/2000
XeroxCorporation（Stamford,CT）
Walker;
Jack（Sunnyvale,CA）;
Goetz;
Werner（PaloAlto,CA）;
Johnson;
NobleM.（MenloPark,CA）;
Bour;
DavidP.（Cupertino,CA）;
Paoli;
ThomasL.（LosAltos,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
detection<
AND>
defect
关键词（布尔逻辑）查询
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。
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。
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。
美国专利#5898492,Surfaceinspectiontoolusingreflectedandscatteredlight,04/27/1999
InternationalBusinessMachinesCorporation（Armonk,NY,UnitedStatesofAmerica）
Imaino,WayneIsami（SanJose,CA,UnitedStatesofAmerica）;
Latta,MiltonRussell（SanJose,CA,UnitedStatesofAmerica）
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
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。
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。
在暗场照明模式下，一个可检测缺陷的最小尺寸，至少比明场照明模式小4倍。
美国专利#4595289,Inspectionsystemutilizingdark-fieldillumination,06/17/1986
AT&
TBellLaboratories（MurrayHill,NJ,UnitedStatesofAmerica）
Feldman,Martin（NewProvidence,NJ,UnitedStatesofAmerica）;
Wilson,LynnO.（NewProvidence,NJ,UnitedStatesofAmerica）
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确定理想化的最终结果和物理矛盾
3.1IFR1
3.2强化IFR1
3.3宏观上描述物理矛盾
3.4微观上描述物理矛盾
3.5IFR2
3.6运用标准解
4调用物场资源
5运用知识库
6变换或替换问题
7评价方案
方案2：
使用粒度更小的抛光液
使用效果见右图
不足：
消除大部分缺陷，存在缺陷消除不足
方案3：
千级洁净度的空气
待验证
方案4：
不断过滤的循环水
8运用已得到的方案
9分析解决问题的整个流程
（1）问题模型
（2）标准解1.2.2
（3）组件向微观级发展
系统名称：
消除亚表面缺陷的抛光工艺技术系统
组件：
抛光机床、磨盘、光学元件、抛光液
技术矛盾：
再抛光过程中，消除缺陷同时产生新的缺陷。
目的：
消除缺陷但不产生新缺陷
磨盘、抛光液体、光学元件
S1:
光学元件S2:
抛光液S3:
磨盘
不添加任何辅助设备，实现目的。
添加X元素，消除有害作用
标准解1.2.2，消除系统中有害作用，可引入S1和S2的变形的解决方案。
抛光过程中，抛光液与元件的接触区域。
T1：
本次加工时间段
T2:
本次加工结束到下次加工开始时
工具：
抛光液作用对象：
光学元件
空气
振动，水
X元素：
不使系统复杂，也不引起有害现象，使抛光过程不产生新缺陷。
考虑系统内资源：
抛光液，光学元件
抛光过程消除缺陷，不引入新的缺陷。
抛光过程，抛光液颗粒足够小，消除划痕、裂纹和坑点，但不会引入新的划痕等。
（1）依靠抛光液自身消除遗留缺陷，不带入新缺陷。
（2）考虑空气自身减弱带入新缺陷的有害作用。
（3）考虑水自身减弱带入新缺陷的有害作用。
S4:
（1）颗粒更小的抛光液（工具的变体）
（2）空气的洁净度达千级（环境资源）
（3）纯净度跟高的水（超系统组件）
升级会员 