基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法

摘要

本发明涉及一种基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法。其特征是，先利用超声产生水雾，与洁净干燥气体混合成为洁净水雾气体；在抛光头压在晶体表面上，通洁净水雾气体，晶体表面接触到潮湿气体部分微量水解，形成一层溶解层；然后将抛光头旋转，抛光垫将高点溶解层去除；真空源将多余潮湿气体吸走；抛光头进行小区域局部抛光，保证抛光在局部区域的均匀性；最后，根据由材料去除率函数R(r，θ)和各点去除量H(x，y)求得的驻留时间函数，抛光工具在计算机控制下抛光，实现晶体表面全局平坦化。本方法不使用传统意义上的抛光液，无需在抛光结束后对晶体表面进行清洗；加工过程中无机械加工应力，是一种真正意义上的无损伤微纳加工方法。

主权项

1.一种基于超声雾化水汽的KDP晶体微纳潮解超精密抛光方法，其特征在于该方法包含以下步骤：步骤一：利用超声产生水雾(3)，超声震荡频率1.7MHz-2.4MHz，产生粒径0.1-1微米的水雾颗粒；压缩空气经过滤精度0.01μm的精密过滤器过滤后，不含粉尘和杂质，成为洁净干燥气体(2)；利用洁净干燥气体(2)高速流过时对周围气体产生吸附力的空吸作用，将水雾(3)吸入到管路中，使洁净干燥气体(2)和水雾(3)混合，成为洁净潮湿气体，水雾颗粒均匀分散在气相中；通过控制水雾(3)的产生量和洁净干燥气体(2)的流量，随抛光的进行随时调节洁净潮湿气体的相对湿度；步骤二：将抛光头(4)压在被抛光晶体(6)上，压强大小为5kPa-50kPa；抛光垫(5)粘在抛光头(4)的下部；抛光垫(5)与被抛光晶体(6)接触；抛光垫(5)上开有沟槽，使抛光头(4)中心孔与其四周孔道连接；洁净干燥气体(2)和水雾(3)混合后的洁净潮湿气体从抛光垫(5)的中心孔通出，接触被抛光晶体，晶体表面接触到潮湿气体的部分发生微量潮解，在晶体表面形成一层溶解层(9)；溶解层(9)将晶体表面与潮湿气体隔绝开，防止了晶体进一步潮解；潮湿气体流量0.5L/min-40L/min；步骤三：启动抛光头(4)控制开关，抛光头(4)开始旋转；KDP晶体表面高点的溶解层(9)与抛光垫(5)接触；在抛光垫(5)旋转的机械作用下，高点的溶解层(9)被抛光垫(5)去除，晶体高点材料重新裸露在潮湿空气中，继续发生潮解作用，溶解层(9)再被抛光垫(5)旋转的机械作用去除，高点逐渐降低，在局部实现高点的选择性去除；局部低凹点的溶解层(9)与抛光垫(5)开始时不接触，直到高点降低至低凹点溶解层(9)与抛光垫(5)接触，溶解层(9)被去除，实现晶体被抛光区域的平坦化；多余的潮湿气体沿抛光垫(5)上沟槽流入抛光头(4)外环孔道，被真空源(1)及时吸走；步骤四：半径为r0的抛光头(4)以10r/min-300r/min的速度自传，进行小区域逐点局部抛光；抛光头的运动采用行星运动，在自传的同时以10r/min-200r/min的速度公转，公转轨迹半径为e，r₀≥e；步骤五：在抛光过程中，抛光工具停留在晶体表面一点A(x，y)(12)进行抛光，在该点的驻留时间为t_xy；(x，y)是以抛光头公转圆心为坐标原点，建立的坐标系下点A的坐标；通过事先测量待加工晶体表面形貌，获得各点需要的去除量H(x，y)，然后应用下列材料潮解去除率函数公式①，并根据公式②，求解出抛光工具在晶体表面任意点(x，y)的驻留时间t_xy，从而确定抛光工具的运行轨迹规划；抛光工具在计算机控制下在晶体表面运动和抛光，实现晶体表面全局平坦化；$R(r,\theta )=\mathrm{KPs\omega }\sqrt{\frac{r_{\beta }}{\sigma }}{\int }_{{\alpha }_1}^{{\alpha }_2}\sqrt{{(n_{\mathrm{rot}}\pm n_{\mathrm{rev}})}^2{r}^2+{\left(n_{\mathrm{rot}}e\right)}^2-2(n_{\mathrm{rot}}\pm n_{\mathrm{rev}})n_{\mathrm{rot}}\mathrm{er}\cos (\theta -\alpha )}\mathrm{d\alpha }$①∫∫R_xy(r，θ)t_xydxdy＝H(x，y)    ②式中：K是常数；r是A点到抛光头公转运动圆心的距离；e为公转轨迹半径；P为加载压力；α₁＝θ-cos^-1[(e²+r²-r₀²)/(2er)]；α₂＝θ+cos^-1[(e²+r²-r₀²)/(2er)]；s为KDP晶体在水中的溶解度；ω为相对湿度；n_rot抛光头自转速度；n_rev抛光头公转速度；α抛光头自转圆心和公转圆心的连线与水平方向的夹角；θ为A点和抛光头公转圆心的连线与水平方向的夹角；为A点和抛光头自转圆心的连线与水平方向的夹角；r_β为抛光垫表面粗糙峰顶部曲率半径的平均值；σ为抛光垫表面粗糙度方差。