一种超薄石英片的精密加工方法技术

本发明专利技术提供一种超薄石英片的精密加工方法，属于光学加工领域。该方法首先将石英毛坯材料放入退火炉中进行精密退火。其次，将毛坯B面粘接于载物盘上，通过磨削和研磨工艺对A面进行减薄加工，减薄指定厚度后对A面抛光去除研磨损伤层；修整A面面形，将其表面质量以及面形精度加工至最终指标要求；再对加工表面进行腐蚀，去除抛光影响层。最后，零件下盘，将加工好的A面光胶到光胶垫板上，采用相同方法加工B面。本发明专利技术是一种低成本、高效率、高精度的超薄石英片加工方法，成品不会因为材料去除后的内应力变化而产生变形；本发明专利技术有效解决了超薄石英材料精密加工中的核心难题—应力变形问题，另外本发明专利技术的实施无需依赖高精度机床，适应于批量生产。

A Precision Processing Method for Ultra-thin Quartz Sheets

The invention provides a precision processing method for ultra-thin quartz sheets, which belongs to the field of optical processing. First, the quartz blank material is put into the annealing furnace for precise annealing. Secondly, the B surface of the blank is bonded to the load plate, and the A surface is thinned by grinding and grinding process. After thinning the specified thickness, the abrasive layer is removed by polishing the A surface; the A surface is trimmed, and its surface quality and surface accuracy are processed to the final target requirements; then the machined surface is corroded to remove the polishing influence layer. Finally, in the lower plate of the part, the processed A-side photoresist is applied to the photoresist pad, and the B-side is processed by the same method. The invention is a low-cost, high-efficiency and high-precision ultra-thin quartz wafer processing method, and the finished product will not be deformed due to the change of internal stress after material removal; the invention effectively solves the core problem of stress deformation in the precision processing of ultra-thin quartz material; moreover, the implementation of the invention does not rely on high-precision machine tools, and is suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种超薄石英片的精密加工方法
本专利技术属于光学加工领域，涉及一种超薄石英材料的精密加工方法。
技术介绍
随着现代科学技术的快速发展，超薄石英片广泛地应用于高精密光学系统、光电系统及精密机械系统，如激光器件、光刻掩膜板、陀螺振子、谐振式加速度计力敏元件、平面光学元件以及透射性太赫兹元件等。目前，对高精度光学零件的加工方法主要有沥青环抛法、双面抛光法、离子束修形以及磁流变抛光等抛光工艺。超薄光学零件在加工中的主要难题在于各种变形，包括胶结变形、热变形、应力变形等。采用沥青环抛法一般配合“增厚”、“光胶”等手段加工超薄零件，可以有效地减小胶结变形和热变形的影响，但是没有解决应力变形的问题；双面抛光法需要使用保持架带动零件与研磨盘进行相对运动，保持架厚度必须小于零件厚度，当厚度小于一定程度时，一方面保持架会因强度不足被撕裂，另一方面零件极易窜出保持架导致挤碎；离子束修形是目前精度最高的加工方法，可以实现原子级表面材料去除，但是存在加工效率低，加工成本昂贵等缺点，不适用批量化生产；磁流变抛光技术可以加工较高的表面质量及面形精度，但是无法解决超薄零件下盘后的变形问题，另一方面特种抛光设备复杂昂贵，要求位置精度极高，并不适用超薄零件的高精度批量加工。专利CN103847032A介绍了一种大口径超薄石英晶片的生产工艺，采用光胶板液蜡粘接法解决晶片加工过程中变形严重和不易控制的特点。但是由于蜡层固化收缩的影响，即使蜡层涂抹均匀也无法避免胶结变形，同时该生产工艺并没有应力变形的有效控制手段。专利CN102528645A介绍了一种大尺寸超薄石英玻璃片双面抛光加工方法，利用平模或者平板将产生热变形的游星轮处理平整，防止超薄石英玻璃片窜出，提高工艺的成品率。该工艺方法利用双面抛光的方法加工超薄零件，避免了胶结导致的变形，但是无法降低应力导致的变形。另外，该工艺方法需要频繁地观察和修整游星轮，一方面过于依赖工人经验，另一方面大幅延长加工时间，增加工人工作强度。专利CN101456668A介绍了一种高精度超薄玻璃基片制备工艺，通过抛光液组分和工艺参数的优化，使用双面抛光法得到厚度1.6mm和厚度2.3mm玻璃基片的高精度加工方法。但是该工艺中没有考虑应力变形的影响，难以满足纳米级精度的指标要求；并且当零件减薄至百微米级厚度时，双面抛光法难以进行加工。综上，超薄石英片加工中的应力变形还没有得到有效地解决。影响超薄石英材料变形的应力问题主要有两方面：1)加工表面的损伤层应力；2)减薄过程中的内应力释放。本专利技术提供一种超薄石英材料精密加工方法，可以有效地减小超薄零件应力变形，适用于纳米级精度、批量化超薄石英基片的生产加工。
技术实现思路
本专利技术需要解决技术问题是超薄石英材料加工中的应力变形现象，旨在提供一种低成本、高效率、高精度的超薄石英材料加工方法，达到精密光学、机械、电子系统元件纳米级面形精度的指标要求。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种超薄石英片的精密加工方法，包括如下步骤：第一步，选取初始径厚比为5～15的石英毛坯材料。第二步，将石英毛坯材料放入退火炉中进行精密退火。退火过程分为4个阶段：1)升温阶段，快速将毛坯加热到材料的退火温度区间；2)保温阶段，在退火温度区间保温足够长时间，消除毛坯内应力；3)慢降阶段，缓慢降温至材料应变点温度；4)快降阶段，即当毛坯温度完全降至应变点以下后，关闭退火炉，使零件随炉冷却至室温。所述的升温阶段，最高升温速率设为220℃/min，实际升温速率不高于最高升温速率即可；退火温度区间是在材料的应变点温度Te(粘度η＝1013.6Pa·s)与退火点温度Ta(粘度η＝1012Pa·s)之间，一般为990℃～1200℃。所述的保温阶段，保温时间不小于t＝520a2(min)，其中a为零件厚度的一半，单位厘米。所述的慢降阶段，降温速率不高于第三步，将毛坯B面粘接于载物盘上，通过磨削和研磨工艺对A面进行减薄加工，将厚度减薄0.5(h0-h)，其中h0为零件初始厚度，h为零件指标厚度。减薄指定厚度后，采用氧化铈或二氧化硅抛光液与聚氨酯抛光垫对A面进行抛光，去除研磨损伤层。第四步，使用沥青环抛的方式修整A面面形，将A面的表面质量以及面形精度加工至最终指标要求。第五步，对加工表面进行腐蚀，去除抛光影响层。配制专用的腐蚀液，成分为：5％wt.氢氟酸，15％wt.氟化铵及80％wt.去离子水，腐蚀A面5min，去除抛光损伤层。第六步，零件下盘，将加工好的A面光胶到光胶垫板上，采用步骤3所述方法加工B面。第七步，采用第四步所述方法加工B面。第八步，采用第五步所述方法加工B面。本专利技术的有益效果为：采用本专利技术的工艺方法加工的超薄石英材料，成品厚度关于毛坯中间面对称，内应力形成的力与力矩均为零，因此超薄片不会因为材料去除后的内应力变化而产生变形；加工表面抛光后进行腐蚀处理，去除表面的加工损伤层，消除加工表面的损伤层应力。因此，本专利技术有效地解决了超薄石英材料精密加工中的核心难题—应力变形问题，同时本专利技术的实施无需依赖高精度机床，适应于批量生产，是一种低成本、高效率、高精度的超薄石英片加工方法。具体实施方式下面通过具体实施方式，对本专利技术进行进一步的详细描述。该专利技术加工方法实施包括以下步骤：第一步，选取初始直径30mm，厚度3mm的石英毛坯材料。第二步，将石英毛坯放入退火炉中进行精密退火。退火过程分为4个阶段：1)升温阶段，升温速率设定500℃/h，升温至1100℃；2)保温阶段，保温温度1100℃，保温时间120min；3)慢降阶段，降温速率设定为20℃/h，降温至950℃，降温时间450min；4)快降阶段，关闭退火炉，使零件随炉冷却至室温。零件并列摆放在陶瓷盘上，侧面用石英棉包裹隔热，为保证毛坯上下表面降温速率基本一致，在上表面也用相同材质陶瓷盘盖住。退火后毛坯内部在沿轴向，呈二次抛物线分布的面内应力，应力分布关于中间面对称，表现为“外压内拉”。第三步，将毛坯B面粘接于载物盘上，使用铸铁盘与氧化铝研磨液研磨A面，将厚度减薄1.35mm。研磨工艺参数为：抛光粉粒径5μm氧化铝，质量分数6％，研磨盘选用铸铁盘，压力0.14MPa，研磨盘转速80rpm。减薄后，对A面抛光至表面粗糙度Sa＜1nm，去除研磨损伤层。工艺参数为：抛光粉粒径0.5μm氧化铈，质量分数6％，抛光垫为聚氨酯材料，压力0.14MPa，研磨盘转速80rpm。第四步，使用沥青环抛的方式修整A面面形，将A面加工至表面粗糙度Sa＜1nm，面形精度工艺参数为：研磨盘材料为沥青，抛光粉粒径0.5μm氧化铈，质量分数6％，压力为工件自重，研磨盘转速5～10rpm.第五步，配制专用的腐蚀液，成分为：5％wt.氢氟酸，15％wt.氟化铵及80％wt.去离子水，腐蚀A面5min，去除抛光损伤层。第六步，零件下盘，将加工好的A面光胶到光胶垫板上，采用步骤3所述工艺加工B面。第七步，采用步骤4所述工艺加工B面。第八步，采用步骤5所述工艺加工B面。按照实施例中工艺流程加工石英材料，可以得到直径30mm，厚度0.3mm超薄石英基片，其加工质量可以达到：表面粗糙度Sa小于1nm，反射面形PV＜0.25λ(λ＝632nm)，透射面形PV＜0.1λ。以上所述实施例仅表达本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超薄石英片的精密加工方法，其特征在于，该加工方法于包括如下步骤：第一步，选取初始径厚比为5～15的石英毛坯材料；第二步，将石英毛坯材料放入退火炉中进行精密退火；退火过程分为4个阶段：1)升温阶段，快速将毛坯加热到材料的退火温度区间，退火温度区间在材料应变点温度Te与退火点温度Ta之间；2)保温阶段，在退火温度区间保温消除毛坯内应力，其中保温时间不小于t＝520a

【技术特征摘要】
1.一种超薄石英片的精密加工方法，其特征在于，该加工方法于包括如下步骤：第一步，选取初始径厚比为5～15的石英毛坯材料；第二步，将石英毛坯材料放入退火炉中进行精密退火；退火过程分为4个阶段：1)升温阶段，快速将毛坯加热到材料的退火温度区间，退火温度区间在材料应变点温度Te与退火点温度Ta之间；2)保温阶段，在退火温度区间保温消除毛坯内应力，其中保温时间不小于t＝520a2(min)，其中a为零件厚度的一半，单位厘米；3)慢降阶段，缓慢降温至材料应变点温度；4)快降阶段，关闭退火炉，使零件随炉冷却至室温；第三步，将毛坯B面粘接于载物盘上，通过磨削和研磨工艺对A面进行减薄加工，将厚度减薄0.5(h0-h)，其中h0为零件初始厚度，h为零件指标厚度；减薄指定厚度后，对A面进行抛光，去除研磨损伤层；第四步，修整A面面形，将A面的表面质量以及面形精度加工至最终指标要求；第五步，对加工表面进行腐蚀，去除抛光影响层；第六步，零件下盘，将加工好的A面光胶到光胶垫板上，采用步骤3所述方法加工B面；第七步，采用第四步所述方法加工B面；第八步，采用第五步所述方法加工B面。2.根据权利要求1所述的一种超薄石英片的精密加工方法，其特征在于，第二步所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周平，韩晓龙，金洙吉，慕卿，康仁科，朱祥龙，郭东明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21