浮法拋光超光滑表面加工技術(shù)

摘要

浮法拋光技術(shù)首先出現(xiàn)于日本，是加工超光滑表面的先進(jìn)技術(shù)之一。本文介紹用浮法拋光加工超光滑表面的機(jī)械結(jié)構(gòu)和加工 過(guò)程，與傳統(tǒng)的瀝青拋光方法進(jìn)行比較，分析材料去除機(jī)理。最后簡(jiǎn)單介紹我國(guó)研究浮法拋光技術(shù)的進(jìn)展。

正文

一、浮法拋光技術(shù)的產(chǎn)生與現(xiàn)狀

光學(xué)零件的加工基本包括切割成型、研磨、拋光三道工序；最終的光學(xué)表面質(zhì)量由拋光決定，因此拋光是最重要的工序。通常高質(zhì)量光滑表面的拋光是以瀝青或纖維等彈性材料作磨盤(pán)，配以?huà)伖庖夯蜓心ジ鄟?lái)達(dá)到技術(shù)要求。

近年來(lái)，光學(xué)及微電子學(xué)極大地推動(dòng)了光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展。大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路對(duì)所用基片(通常為硅、鍺等材料)的表面精度提出了很高的要求；短波段光學(xué)的發(fā)展尤其是強(qiáng)激光技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的要求極為苛刻。表面粗糙度低于1nm rms的超光滑表面加工技術(shù)已成為光學(xué)及微電子學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性的光學(xué)加工方法是不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的光學(xué)、電子學(xué)要求的。國(guó)內(nèi)外已有許多科學(xué)家在探索加工高精度超光滑表面的各種技術(shù)。一般原子直徑小于0.3nm，而超光滑表面微觀起伏的均方根值為幾個(gè)原子的尺寸，因此實(shí)現(xiàn)超光滑表面加工的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)表面材料原子量級(jí)的去除。

1997年，日本大坂大學(xué)的難波義治教授發(fā)明了浮法拋光(Float Polishing)加工超光滑表面技術(shù)。通過(guò)使用這項(xiàng)技術(shù)，可使剛玉單晶的平面面形達(dá)到λ/20，表面粗糙度低于1nm Rz。1987年的研究報(bào)告表明，使用浮法技術(shù)進(jìn)行多種材料的拋光實(shí)驗(yàn)，對(duì)φ180mm的工作，可以達(dá)到表面粗糙度優(yōu)于o.2nm rms，平面度優(yōu)于λ/20=0.03μm。

目前在日本，浮法拋光技術(shù)應(yīng)用很廣泛，尤其是用于錄音機(jī)、錄像機(jī)或計(jì)算機(jī)的磁頭生產(chǎn)；每年有2500萬(wàn)個(gè)磁頭就是采用這項(xiàng)技術(shù)制造的。近年來(lái)，德國(guó)也在研究類(lèi)似拋光技術(shù)。德國(guó)Ulm大學(xué)的歐威(O. Weis)研究表明，對(duì)白寶石材料的φ7mm的工件進(jìn)行拋光，30分鐘后達(dá)到表面粗糙度小于0.05nm的結(jié)果。

將浮法拋光樣品與普通拋光樣品比較可以發(fā)現(xiàn)浮法拋光有許多優(yōu)點(diǎn)。普通瀝青式拋光使用硬度大于工件的磨料，也可以獲得所謂超光滑表面的粗糙度指標(biāo)，但對(duì)磨盤(pán)的平面度的修正很有講究，這影響到被拋光工件的面形。普通拋光后的工件，其邊緣幾何尺寸總不太好，經(jīng)常有塌邊或翹邊現(xiàn)象；并且在高倍顯微鏡下可以看到表面有塑性畸變層。

應(yīng)用浮法拋光法技術(shù)獲得的超光滑表面，不僅具有較好的表面粗糙度和邊緣幾何形狀，而且拋光晶體面有理想完好的晶格，亞表面沒(méi)有破壞層，并且由拋光引起的表面殘余應(yīng)力極小。