精钻加工在微光学制造业中的应用外文翻译资料

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精钻加工在微光学制造业中的应用

M.A.Davies,C.J.Evans,S.R.Patterson,R.Vohra,B.CC.Bergner

美国北卡罗莱纳大学夏洛特分校精密计量中心

美国北卡罗来纳大学夏洛特分校光电子与通信中心

摘要

用金刚石来加工形成微米或纳米级的精密表面和精密图案这一使用方法历史可以追溯到几个世纪前。大约一个世纪之前，金刚石已被使用于半自动机械制造中的划线机、受电弓和回转修饰等多种“金刚车削”工艺。在传统的工艺机械加工制造中，常见材料（如铁合金）的性能较差，限制了金刚石的使用。单晶金刚石的市场作用决定于它的边缘锐度和生产出接近光学工艺加工出来的材料的能力，如铝、铜及其合金。然而，由于机器的局限性，至今为止，金刚石加工仍然是一种新颖性的工艺，机器技术开发上设备和商业应用的一种融合，导致了现代金刚石车削工艺的形成。目前，大多数机器能通过表面抛光加工生产出5nm或者或者更小的微米级的轮廓表面。宏观上来看，三轴技术和金刚石车削是一门非常发达的技术；微米级或者亚微米级的尺度特征的加工是单晶金刚石车削工艺一种崭新而又能够迅速发展的应用。这项技术在微光学复制中的作用尚未完全定义。

关键词：金刚石车削，金刚石微铣削，微光学复制

1.引言

10mu;m到100mu;m范围内的微光学是促进通信、医疗成像/诊断和检测系统科技技术的关键。微光学制造的进展一直被测试和计量方面的瓶颈所阻碍，目前，光刻技术占工业生产的的主导地位，迫使设备配置向二维化和比例降低化转型。不像在电子学中，三维精度形式才是光学所必要的，精密装配对性能起到关键性作用。能够大规模生产完全集成设备的新制造平台是必要的，考虑到成本效益，任何实际的方法都必须具备快速和能并行生产的功能，已经提出了一种方法是微模型，想要的模型能通过二进制或加强技术的光刻法、灰度光刻技术、LIGA技术以及电子束光刻技术和机械加工生产出来，标准化的光刻过程能够直接运用于光学材料或模具制造，从电子工业多年的经验看来，它们都是良好可行的。然而，由于深入领域的限制，它们生产的二维结构的纵横比有限，尽管“弯曲”的表面

可以用二进制结构或者步骤来估计，但是这种结构的效率是有限的。灰度光刻技术可以产生连续的三维分布，LIGA技术结构能够产生较大的长宽比，但是目前的光刻技术并不能实现这些功能的组合体。在灰度光刻技术中必须通过严格的过程反馈来控制轮廓，LIGA技术也是有限的，因为它们需要同步辐射，电子束光刻技术虽然能在纳米尺度上产生精确的结构，但是需要一个建立庞大的三维结构，这又不符合成本效益。

一种用于制造微光子元件的替代方法是单晶金刚石加工，在最近的一篇文章[1]中提出了以下声明:

虽然有可能被夸大了，但是对于微观光学模具的超精密加工受到越来越重要的关注，这是个不争的事实。很明显，金刚石加工为微模型成形提供了一些重要的优势，然而，可能性很大的是，微光学中存在问题的解决方案最可能就是现有技术的恰当组合。例如，二元光学特别适用于光刻技术（技术）；而宏观尺度轮廓表面与微米或纳米表面结构/模式的加工，则可能需要金刚石加工技术结合光刻技术。从工业中制造相似设备得需要不同的制造方法这一调查显示来看，很明显，这片领域的制造方法是不成熟的，成熟工业的特点应该是类似的产品有着类似的制造技术。

Brinksmeier[2]认为，微型器件制造过程能被分为微系统技术（MST)和微工程技术（MET）两种技术类型，MST是由MEMS（微电子机械系统）极其产品和设备组成，而MET则大多是由机械部件、微型模具和微结构表面组成。MET技术是非常适合在电子工业发展应用并且日渐突出，例如照片光刻、硅微机械加工中的湿法刻蚀和薄膜沉积技术都要运用这一技术。另一方面，由于它本身越来越多元化的三维机构，MET技术就更加适合项精密加工和微雕刻加工等机械加工。同时，Brinksmeier 还将他自己提出的能量辅助工艺如激光工艺定义为第三类过程，这些过程有利于与MST和MET技术的生产。在这一点上，去记录现行制造工艺中装备设计对设计者的依赖程度是有趣的，你会发现，在我们的工业产品和生产技术的调查报告中明显的说明了非常相似（如果不完全相同）的产品也是通过完全不同的的流程生产出来的。当然，一些设计者对于现行加工过程的看法可能是正确的，也有些观点由于有限的研究是不完整的；同样重要的是，因为知识产权的限制在各工业界引起的非技术性的进化动力。

2.历史展望

早在几个世纪之前，就开始用天然金刚石使硬质材料成形。从16世纪以来，钻石受电弓、机械控制和机械裁决补偿以及分裂引擎的应用就说明了可以通过纯粹的机械装置来产生非常精密的线间距。关于Norbert的光学显微镜校准光栅的制作，下面由Evans提出的声明就阐明了机械方法和光学方法在精密特种加工方面的潜在竞争:

“Norbert 改编了Fraunhofer 的想法，制造出用不同间距的线条带组成的试验板；然后随着显微镜的改进，Norbert 推出了更细间距的测试板，始终走在其他显微学者的前面一步，直到他无意中超过了光学显微镜的理论极限”。

甚至早在18世纪和19世纪的时候，光学显微镜对衍射光栅和测试光栅的需要（其中许多是由富有的业余爱好者使用）带动了划线机的发展，以至于能够用间隔小于1微米的线条生成平行线。早在1880年，Fasdolt宣称已拥有一个划线引擎，能在1英寸的宽度范围产生100万线条，也就是说线间距仅为25nm ,这是多么不可思议。它是通过使用用显微镜读机械传动装置上对应位置的刻度，根据读数错误的重复性，一个自定义的校正系统则会移除驱动上周期性的线间距缺陷。在1940年，干涉仪和伺服电机的反馈系统取代了机械矫正，这项技术然后被使用于软件误差校正以至于目前能够用出有数千毫米级别的线条的主光栅通过复制技术进行大量的生产。根据研究表明，类似直线电机、精密静压导轨、玻璃秤和电子反馈控制等新型设备，它拥有着无摩擦的单轴系统，所以其产品的精确度超过了早期的划线引擎。

虽然衍射光栅可以说是最早的用于机械生产的微型光学元件的例子，划线机却并没有直接演变成为现代金刚石车削。要实现划线这一功能，机械所需要的最重要的机械特征就是能够用精确的间距产生准确的平行线。这样，虽然大量的精力被投入到消除由于不完美驱动产生的机械周期性误差中，但是如果曲线局部保持平行，那么其他部分的细小误差就不那么重要了，甚至是出现线性偏差也是可以谅解的。鉴于现代金刚石机使用一个以局部塑性变形为基础的切割方法，故它也可以打磨修改材料，在磨具中划线技术和超精密机器的组合使用形成微波导技术的可能是非常吸引人的。

据我们所知，最早提出关于单晶体金刚石车削的在1779年，Ramsden[13]通过一个发动机，用金刚石区切割淬火处理的钢钉；后来在1901年,金刚石车削被蔡司[9]公司使用产生了一种表面光洁度的改进技术而用于美学目的；在1929年，Bauch[14]指出可以通过金刚石反复的操作实现万分之一英寸的精确度和近似于完美镜片的加工；在第二次世界大战时期，Cooke和Phillips[9]发明了关于施密特金属板的精密车削的方法；在20世纪50年代，Rank Taylor Hobson 也发明了用金刚石破碎玻璃和其他材料的精密机械；Benjamin 说，自从1950 年Herbert[16]在英国Mullard 报道将单晶体金刚石刀具通过机械的静压主轴在电脑磁盘上以完成比50nm更好的加工以来，非球面生产就一直在Bell 和 Howell这两个地方持续存在。

自从精密加工被引用到武器试验室来，加速了以下这些领域相关技术的进展：（1）机械设计，包括非接触式主轴轴承（主要是空气轴承）；（2）静压方式；（3）非接触式驱动系统；（4）机床轴上位移测量干涉仪的一体化；（5）计算机数控技术；（6）重复误差数值补偿；（7）环境温度与振动的精确控制。在20世纪50年代到60年代，由于精密半球壳检测在武器方面的应用，设计出了坐标测量机，这为最现代化商用金刚石车削机的设计带来了动力[3].许多国防应用与私营部门平行发展着，所以在很多领域出现了技术的重叠，比如红外线望远镜成像系统、前视红外系统（FLIR）、夜视仪和电脑磁盘扫描仪。在1970年以后，在工业和能源武器实验中有着许多并行发展而又相互影响的技术，由于飞利浦在努力保持紧凑磁盘和激光视觉组成的光学系统的独立生产，所以在冷战时期，有免疫性的未受经济波动的影响，此外，诸多美国能源实验室特别是LLNL和Y-12则一直持续发展着，这对工业的长期影响是巨大的。

（a)

(b)

图1：（a)法兰克纳米导轨；(b)Precitech 五轴加工中心；

(c)穆尔纳米科技350 五轴加工中心和大型先进自由光学曲面加工

微金刚石加工工艺中的其他关键组成部分发展很慢，尤其是加工工具，1950年，开发了一种能使金刚石达到理论上的边缘锐度的抛光技术，随着化学机械抛光技术在有限的基础上被使用，宏观尺度的机械加工就并没有什么地方需要去改善了。如图片2所示是用化学机械抛光一种金刚石刃口；机械研磨工具利用抛光液中的研磨料加工能出现更为明显的线性结构，用一个好的化学机械抛光工具和机器，就有可能实现接近精度2纳米左右（实际上最好的记录是1纳米）的表面加工。然而，微光学特性的产生，让那些金刚石工具制造者能够制造微尺度的工具以便达到理论上的边缘锐度。私营部门和一些学术机构（主要在欧洲）引导着模具在廉价光学聚合物微结构表面加工的发展，这些机构推动了小比例金刚石工具、铣刀和钻头的加速发展。

图2：高倍率光学成像下的商用金刚石刀具边缘

3.机器功用

微型光学元件和模具的超精密加工需要结合（1）加工技术；（2）刀具：（3）环境控制；（4）合适的材料，这些将在下面讨论：

3.1 机器功用

不少业内人士认为，随着直线电机技术的发展，超精密加工将会从根本上改进，静压导轨和玻璃秤现在有8.6纳米的分辨率。由于粘性摩擦引起的不可重复的错误这一问题困扰了精密仪器设计师近一个世纪，而这一组合技术则降低了这一错误出现的可能性。单轴直线定位精度的商业规格是有300毫米的导程，就是假设在一个控制良好的热环境中，每200纳米将出现50纳米的重复[12]。长期以来使用这些机器的经验表明，这些数据只是保守估计。但是，要达到这种水平的性能是有一定的条件的:(1)结构和计量回路的精确分离；(2)环境温度控制在0.005摄氏度；(3)无源元件的CET(膨胀系数)低；(4)所有轴的干涉反馈的分辨率为0.6纳米[25]。在最佳条件下，LLNL（美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室）精密工程研究车床用无氧高导铜实现了了1纳米左右的表面加工，这一点说明了在拥有足够的资金或技术支持下，能实现某一程度的生产。

然而，因为微光学元件的生产，线形球面定位精度并不总是和其他元件相关。例如，对于一个微透镜阵列，相对而非绝对位置特征是他的关键参数，因此，在检审阅运用于微光学生产的机械设备时，关键是要明白制造误差的来源和类型，并思考能否通过相对简单后续的操作或更正来消除这些错误，此外，如果光镜要重复使用，随后的复制过程将会是最后组件中错误的主要来源，目前，全球大多数公司都有能生产具有光学性能的轮廓表面的完全可编程五轴机床，有代表性的例子就是如图1所示的机床。在衡量环境控制成本的要求下，构建一个高精度的机械加工设备是很有必要的。

3.2工具

金刚石车削的性能一定程度上取决于通过机械加工或者化学机械加工的金刚石去产生非常锋利的边缘的能力，这很可能是通过几个世纪的审判和误差分析得出的结果。然而，由于刃口半径太小，无法通过光学显微镜测量（如图2所示），直到最近才可以肯定行的去测量得出单晶体金刚石工具的实际边缘轮廓。

根据Lucca等人[26]的说法是，刚磨的单晶体金刚石刀具的刃口半径可以从几百纳米的商用刀具下降到的几十纳米的专用刀具；这些刃口半径是通过使用一个原子力显微镜测量出来的，并为金刚石刀具的真正锐度提供了有价值的数据。SEM（标准电子组件）扫描图像的其他数据表明，商用刀具的刃口半径通常为10到50纳米，对于生产更复杂的曲面的需求，推动了形式多样化刀具的发展，在这种情况下，一个有着所需要形状的刀具，即使是微米级，也能从刀具转移到工件，划线机中通过一个金刚石形式的刀具生产透镜就是这样的一个例子[11]。Takeuch 等人[7]演示了通过使用三角形刀具用多轴划线机去生产微槽群；他们指出能用这种方法生成全息光学元件（HOE）,其他形式刀具的典型应用则是用极其锋利的刀具进行快速切削，如图4所示,要实现各种型材的三角形通道加工，取决于所用到的工具的角度和主轴相对工件的角度，然后通过旋转工件和切削通道，产生不同的模式，这是现阶段以相当低的成本制造聚合物反光带和薄板的首选方法。图3所示的是粘合塑料片材用于道路标志的一个例子[27],合适的刀具将是超精密加工能够成功的广泛运用的关键。在微型光学阵中，精密成形刀具的发展要求复杂的几何形式，这让刀具制造变得很有挑战性，在微米和纳米级复杂光学形式的的发展中，能够有更多可控和科学的方法才是关键。

Figure 3:Pyramid array generated by mold produced by the flycutting operation

图3：快速切削磨具形成金字塔阵列

Figure 4:flycutting

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