一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法，该方法充分考虑了氟化钙晶体的材料特性及凹锥面异形结构特性，将加工流程分为成型、面形精度提升、粗糙度提升三个环节并分别采用直线成型铣磨、金刚石车削技术及直线磁力棒磨削三种联合工艺进行加工，对氟化钙凹锥的直线度、锥角度、面形精度、粗糙度等技术瓶颈进行各个击破。该联合工艺加工效率高，锥角精度准确，面形精度及粗糙度可控、稳定，突破了国内现有工艺无法加工氟化钙凹锥异形曲面的技术瓶颈，为我国开展光刻机投影曝光光学系统的研制提供技术保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉纳米精度精密加工的
，特别涉及一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法。
技术介绍
CaF2晶体材料具有无色透明，吸收系数低、抗损伤阈值高、渗透性高、无双折射现象等光学优势，渗透范围可以从红外波长(12μm)到紫外波长(125nm)，在红外系统及紫外系统中具有广泛的应用，是193nm深紫外光刻系统透镜最理想的光学材料之一。光学系统成像景深及成像分辨率是光学系统设计的两项重要指标，普通光学成像系统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学成像系统，在焦点处形成一个很小的光斑，但随着离焦位置(即光束传播位置)的不同，衍射光斑的大小急剧变化。而轴锥镜透镜的成像特点是不同带高的光线具有不同的像点位置，所以它能将轴上点光源发出的光线连续地会聚到沿轴线不同位置的点上，具有无衍射光的特性，是光学系统设计中提高系统景深的重要方法。轴锥镜在光学系统中的优势主要有：(1)普通光学系统成像时，点扩散函数随离焦变化很快，给图像复原造成很大的困难。而锥镜产生的无衍射光束的中心光斑大小和形状在一定范围内保持不变；(2)应用光学系统常用缩小相对孔径来增大景深，但会降低系统的空间分辨率，使图像细节模糊。轴锥镜由于具有线焦的特性，将其应用于光学成像系统中可以增大系统的焦深；(3)轴锥镜镜组可随着轴锥镜单元之间间距的变化，产生的环形照明内外环宽度也发生变化，轴锥镜元件的中心的拐点(圆锥的尖端)可起到了分割光束的作用。随着我国“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”的开展，CaF2轴锥镜的研制作为投影光刻机照明系统的核心元件，决定了整个照明系统能力传输的性能。因此，轴锥镜的高精度加工是保障整个照明系统具有高分辨力、高能量传输、高成像系统景深的重要前提。在光刻照明系统结构中，无衍射光学器件是由凸锥镜及凹锥镜互补构成的轴锥镜。经过多年的实验与研究，中科院光电所已经完成了CaF2凸锥加工的工艺技术摸索，实现了CaF2凸锥的超光滑加工。而对于凹锥的面形精度及粗糙度提升，工艺技术方法具有更高的挑战性，主要体现为：(1)CaF2凹锥镜为软性晶体材料，结构异性，粗糙度及光洁度控制困难；(2)凹锥镜母线在加工过程线速度不一致，中心区域线速度几乎为零，现有工艺技术加工凹锥镜时，母线直线度及中心区域破坏层无法控制；(3)CaF2轴锥镜镜面法线异向，镜面曲率变化不一致，圆锥中心为拐点，加工轨迹受限，同时，加工过程无法保证去除效率的一致性及面形收敛的有效性；(4)为降低锥面的散射率，CaF2轴锥镜的表面粗糙度要求为0.5nm以内，限于CaF2轴锥镜的异形结构，传统手段无法直接采用，国内并无成熟、可靠的加工技术方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有的技术工艺加工CaF2凹锥的技术缺陷，提供一种可应用于CaF2凹锥高效率、高精度要求的联合技术工艺，从而为光刻物镜照明系统的高精度研制提供技术保障。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法，根据氟化钙凹锥的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道工艺流程，分别采用直线成型铣磨、金刚石车削工艺及直线磁力棒磨削三种工艺联合实现；包括如下步骤：步骤一、所述直线成型铣磨：采用直线圆柱砂轮通过数控铣磨机床将最接近球半径的氟化钙凹面快速铣磨为氟化钙凹锥镜，锥角误差θ≤0.1°，锥面直线度误差≤2微米；步骤二、所述金刚石车削工艺：提升氟化钙凹锥镜面形精度及锥角度，采用金刚石车削技术使加工后的氟化钙凹锥镜面形精度峰谷值PV≤λ/8，锥角误差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤25nm；步骤三、所述直线磁力棒磨削：提升氟化钙凹锥镜的表面粗糙度及控制凹锥镜的面形精度，采用直线磁力棒磨削工艺使加工后的氟化钙凹锥镜面形精度峰谷值PV≤λ/6，锥角误差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤0.5nm。更进一步的，所述直线成型铣磨的圆柱砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮口径≤12mm，砂轮铣磨转速≥30000RPM。更进一步的，所述直线磁力棒磨削是指基于外径内孔的奥氏不锈钢圆筒与汝铁硼磁棒构成的直线磁力棒，采用双相基载的磁流变抛光液吸附于其表面形成柔性抛光模并完成对氟化钙凹锥的超光滑加工。更进一步的，双相基载的磁流变抛光液包括：羰基铁粉、双相基载液、添加剂、Ph添加剂以及磨料，各组分的质量百比分别为83％-87％，10％-15％，1％-1.5％，1.2％-2％，0.01％-0.0.05％。更进一步的，所述羰基铁粉为表面积平均粒径≤3微米的软性铁粉，双相基载液由质量比例约5：1：1的去离子水、乙二醇及二甲基甲酰胺组合，添加剂为苯甲酸纳抗氧化剂及丙三醇保湿剂，ph调节剂为氢氧化钠，磨料为50nm颗粒的金刚石磨削液。更进一步的，所述直线磁力棒磨削技术的工艺参数为：抛光液切入深度0.5mm-1mm，直线磁力棒磨削速度3000RPM-4000RPM，汝铁硼磁场强度为1.25特斯拉-1.28特斯拉。更进一步的，所述直线磁力棒磨削技术采用磁流体柔性去除特性，对氟化钙凹锥镜表面材料进行均匀去除，加工轨迹为固定螺旋间隔为0.1-0.5mm；直线磁力棒磨削去除的氟化钙凹锥表面材料深度为300纳米-500纳米。与现有技术相比，本专利技术的优点为：(1)本专利技术工艺充分考虑了氟化钙晶体材料特性及凹锥面异形结构等特性，将加工流程分为成型、面形精度提升、粗糙度提升三个环节并分别采用采用直线成型铣磨、金刚石车削技术及直线磁力棒磨削三种技术工艺联合加工实现，对氟化钙凹锥的锥角度、面形精度、粗糙度等技术瓶颈进行各个击破，具有加工效率高，锥角精度准确，面形精度及粗糙度可控、稳定，突破了国内现有工艺无法加工氟化钙凹锥异形曲面的技术瓶颈，为我国开展光刻机投影曝光光学系统的研制提供技术保障。(2)本专利技术是依据氟化钙凹锥的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道加工流程而分别开展的直线成型铣磨、金刚石车削技术及直线磁力棒磨削三种联合加工工艺，流程简单、技术紧凑、可靠性强，对光刻物镜照明系统轴锥镜的锥角、面形精度、粗糙度等技术瓶颈有较强的技术突破性。(3)本专利技术的所涉及的直线成型铣磨、直线磁力棒磨加工工具为直线圆柱结构，通过对凹锥母线的直线磨削而达到镜面均匀去除，对锥角的适用范围大，突破了现有数控磨头无法深入于凹锥镜面加工的技术瓶颈；(4)本专利技术的所涉及的磁流体抛光液是双相基载抛光液，剪切屈服应力强，适用汝铁硼构成的永久磁场，对晶体材料的粗糙度提升及超光滑加工具有较大的突破性及稳定性。附图说明图1为直线圆柱砂轮铣磨CaF2凹锥示意图，其中，11为圆柱铣磨砂轮，12为凹锥最接近球曲面，13为成型后凹锥，14为工件转台；图2为金刚石车削及直线磁力棒磨削CaF2凹锥后粗糙度变换；图3为直线磁力棒磨削CaF2凹锥过程示意图，其中，21为直线磁力棒，22为汝铁硼磁棒，23为磁流体抛光液，24为氟化钙凹锥，25为转台；图4为直线磁力棒磨削CaF2凹锥过程的磁流体抛光液切入深度与粗糙度间的关系；图5为直线磁力棒磨削CaF2凹锥过程的磨削速度与粗糙度间的关系；图6为CaF2凹锥实验件通过金刚石车削、直线磁力棒磨削后的粗糙度演变。具体实施方式以下结合附图以及具体实施方式对本专利技术做进一步的解释。本专利技术一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法，其特征在于：根据氟化钙凹锥的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道工艺流程，分别采用直线成型铣磨、金刚石车削工艺及直线磁力棒磨削三种工艺方法联合加工实现；包括如下步骤：步骤一、所述直线成型铣磨：采用直线圆柱砂轮通过数控铣磨机床将最接近球半径的氟化钙凹面快速铣磨为氟化钙凹锥镜，锥角误差θ≤0.1°，锥面直线度误差≤2微米；步骤二、所述金刚石车削工艺：提升氟化钙凹锥镜面形精度及锥角度，采用金刚石车削技术使加工后的氟化钙凹锥镜面形精度峰谷值PV≤λ/8，锥角误差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤25nm；步骤三、所述直线磁力棒磨削：提升氟化钙凹锥镜的表面粗糙度及控制凹锥镜的面形精度，采用直线磁力棒磨削工艺使加工后的氟化钙凹锥镜面形精度峰谷值PV≤λ/6，锥角误差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤0.5nm。

【技术特征摘要】
1.一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法，其特征在于：根据氟化钙凹锥的成型、面形精度提升、粗糙度提升三道工艺流程，分别采用直线成型铣磨、金刚石车削工艺及直线磁力棒磨削三种工艺方法联合加工实现；包括如下步骤：步骤一、所述直线成型铣磨：采用直线圆柱砂轮通过数控铣磨机床将最接近球半径的氟化钙凹面快速铣磨为氟化钙凹锥镜，锥角误差θ≤0.1°，锥面直线度误差≤2微米；步骤二、所述金刚石车削工艺：提升氟化钙凹锥镜面形精度及锥角度，采用金刚石车削技术使加工后的氟化钙凹锥镜面形精度峰谷值PV≤λ/8，锥角误差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤25nm；步骤三、所述直线磁力棒磨削：提升氟化钙凹锥镜的表面粗糙度及控制凹锥镜的面形精度，采用直线磁力棒磨削工艺使加工后的氟化钙凹锥镜面形精度峰谷值PV≤λ/6，锥角误差θ≤0.003°，粗糙度Rq≤0.5nm。2.根据权利要求1所述的一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法，其特征在于：所述直线成型铣磨的圆柱砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，砂轮口径≤12mm，砂轮铣磨转速≥30000RPM。3.根据权利要求1所述的一种适用于氟化钙凹锥镜高效加工的联合工艺方法，其特征在于：所述直线磁力棒磨削是指基于外径内孔的奥氏不锈钢圆筒与汝铁硼磁棒构成的直线磁力棒，采用双相基载的磁流变抛光液吸附于其表面形...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟显云，张郅昂，杨金山，陈强，李良红，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51