[发明专利]控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法

说明书

本发明公开了控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。先将硅片工件在微铣削机床上进行粗加工；制作研抛装置，工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液包含平均粒径为几十纳米至几微米的磨粒，磨粒内核为氧化铝内核，磨粒外壳为三价铈的氧化铈外壳；将研抛装置的工具头和硅片工件置于高压釜中，在高温、高压环境下进行加工；工具头在Z轴向靠近工件的方向做低速进给的同时由微型超声发生器驱动工具头及其底部的球体在工件上方做微小超声振动，研抛液中的复合磨粒受作用冲击工件，得到微半球凹模阵列。本发明大幅提升微半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，同时减少了对加工工具的磨损。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。

背景技术

微棱镜光学器件自20世纪80年代末期发展起来后，因其反射性好、亮度高、耐久性好且材料成本较低，在光学界得到了广泛的应用。比如微棱镜反光膜由于比传统的棱镜型反光材料亮度更高、反射角度更广、工作更稳定，目前已经被广泛用于需要高亮度的道路交通安全领域，美国加州的高速公路上交通标志的边框和图标全部运用了钻石级微棱镜反光膜来提升夜间的可识别度。目前，只有美国的Avery Dennison,3M和日本电石工业株式会社等企业有能力制造微棱镜母模，但由于加工技术高、机床结构复杂，导致加工成本较高、加工效率低下。

鉴于时下微棱镜光学器件的需求量越来越大，目前的微棱镜母模制造技术已经不能满足微棱镜光学器件大批量、低成本且高精度的生产需求。当前对于加工微细凹半球结构的微棱镜母模较为成熟的方法主要是光刻技术，但光刻技术所需设备价格不菲，且只基于2D加工，很难加工出表面质量高的三维结构微棱镜母模。一些新兴的基于三维结构加工的研抛方法如微铣削、精密飞切等技术仍难以摆脱机床结构复杂、加工成本高或受制于硬脆原材料特性难以加工等缺陷。微细电火花加工、电解加工等方法则因加工精度较差，易产生工件表面崩裂等不良现象而难以满足高精度高表面质量的加工要求，且仍然效率低、成本高。因而目前尚未见报道出成熟、可靠、低成本且高效率的微细凹半球结构微棱镜母模加工方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

控温控压研抛微半球凹模阵列的加工方法，包括以下步骤：

S1、先将硅片工件在微铣削机床上进行粗加工；

S2、制作研抛装置：由超硬材料制成的变幅杆上端与微型超声发生器连接，变幅杆下端与可更换工具头相连接，工具头的底部加工阵列凹球坑，凹球坑的直径小于等于球体直径，在球体与阵列凹球坑之间均匀涂抹强力粘接剂，将球体粘接在球坑中；变幅杆由双电机驱动，可根据需要实现宏观和微观传动。

S3、工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液包含平均粒径为几十纳米至几微米的磨粒，磨粒内核为氧化铝内核，磨粒外壳为三价铈的氧化铈外壳；

S4、将研抛装置的工具头和硅片工件置于高压釜中，在高温、高压环境下进行加工；

S5、将预加工完毕的工件置于研抛装置的工具头下方，工具头在Z轴向靠近工件的方向做低速进给的同时由微型超声发生器驱动工具头及其底部的球体在工件上方做微小超声振动，研抛液中的复合磨粒受作用冲击工件，并结合工具头对硅片工件的锤击、微超声产生的空化作用和化学作用，得到微半球凹模阵列。

进一步的，S1中在硅片上生成m*n的凹球冠阵列，凹球冠阵列的球冠直径等于微半球凹模阵列半球的直径，球冠深度小于微半球凹模阵列半球的深度。

进一步的，研抛液溶剂为去离子水或煤油。

进一步的，高压釜上端通过法兰盘和密封圈与工具杆连接固定。

进一步的，工具头在硅片工件上方0-5毫米内做高频率超声振动。