MXPA03006434A - Herramienta hidrodinamica de flujo radial para el pulido y esmerilado de superficies opticas. - Google Patents

Abstract

Se presenta una herramienta util para el esmerilado y pulido fino o de alta precision de superficies opticas planas y curvas, asi como para el aplanado optico de superficies semiconductoras y metalicas sin entrar en contacto con ellas. Se trata de una herramienta sin partes moviles, fabricada en acero inoxidable y materiales ceramicos para algunas de sus partes. Por sus caracteristicas hidrodinamicas, se consiguen pulidos de calidad optica de muy alta precision, incluyendo las orillas. Produce un flujo de alta velocidad que se expande radial y paralelamente sobre la superficie de trabajo creando una huella de abrasion anular, estable, uniforme y repetible. Debido a su diseno permite realizar losprocesos para obtener una superficie optica, desde el esmerilado correctivo hasta el pulido fino sin cambiar de herramienta, evitando la friccion contra la superficie de trabajo, el desgaste y la deformacion de la misma. Realiza el pulido de membranas delgadas y no requiere de soportes rigidos o activos para la pieza de trabajo. Esta invencion facilita considerablemente el pulido optico y abate el costo respecto de otros metodos conocidos.

Description

Herramienta Hidrodinámica de Flujo Radial para el Pulido y Esmerilado de Superficies Ópticas.

Para efectos de esta solicitud de patente, los siguientes términos se entenderán de acuerdo con las descripciones que se enlistan a continuación: Generado.- Dar forma a una superficie en 3D (generalmente una ecuación matemática) sobre un objeto sólido por medio de herramientas abrasivas rígidas, flexibles o fluídicas. (error final «100 µ?t?) Esmerilado.- Proceso posterior al generado que consiste en la remoción del material superficial de un sólido por medio del roce, corte o impacto de partículas microscópicas sólidas de alta dureza, (error final 1-10µ??) Pulido fino.- Acabado final de una superficie especular en dónde el error superficial y la rugosidad son menores a 20nm.

Estabilidad.- La capacidad de la herramienta, objeto de esta invención, para mantener constante la huella de erosión durante su operación.

Repetibilidad.- La capacidad de la herramienta, objeto de esta invención, para mantener constante la huella de erosión durante varios ciclos de operación.

Uniformidad.- La capacidad de la herramienta, objeto de esta invención, para mantener constante la huella de erosión a lo largo del anillo.

Descripción La herramienta, objeto de la presente invención sirve para realizar el esmerilado correctivo y pulido fino sobre superficies de diversos materiales sin hacer contacto con ellas, mediante un fluido abrasivo de bajo costo y de un sistema de suspensión novedoso que permite trabajar áreas de superficies planas o curvas de hasta 2m de diámetro, con la ventaja de evitar la caída de las orillas durante el mismo proceso y evitando el desgaste y la deformación de la herramienta. Permite repetir el proceso a través del control y mantenimiento de los parámetros de operación tantas veces como sea necesario, consiguiendo altos niveles de precisión y de calidad en el pulido de superficies ópticas y semiconductoras, removiendo de 1 a 300nm por minuto, por cm2.

Esta herramienta permite realizar las mediciones y pruebas ¡nterferométricas de la calidad óptica de las superficies durante el proceso de pulido sin la necesidad de desmontar la pieza de trabajo.

Campo técnico La presente invención está inmersa en el campo del esmerilado correctivo y pulido de alta precisión, específicamente, para superficies ópticas y aplanado de superficies semiconductoras.

Antecedentes El proceso de pulido de calidad óptica, pulido fino o de alta precisión consiste en desbastar el material de la superficie a pulir para alisarla, así como para corregir su figura con precisiones de fracciones de longitud de onda.

Los métodos convencionales de pulido, también conocidos como métodos de pulido clásico (R.N. Wilson "Reflecting Telescope Optics II, Manufacture, Testing, Alignment, Modern Techniques" Springer Verlag,1999. y Wilson S. R., et al. SPIE Vol. 966, 74, 1988) utilizan principalmente herramientas de contacto fabricadas con materiales elásticos (brea, poliuretano, etc.) que se amoldan con precisión a la superficie a pulir, ejerciendo rozamiento a través de una capa de abrasivo en suspensión. Estos procedimientos de pulido tienden a ser artesanales y tardados, y deforman las herramientas de pulido debido a la temperatura y torsión que se generan durante el proceso, con el consecuente desgaste de la herramienta en la que se incrusta el abrasivo y el material removido.

Estos métodos se superaron utilizando herramientas del tipo "stressed lap" que consisten en herramientas que se deforman activamente para pulir superficies asféricas con mayor facilidad. Sin embargo, son métodos complejos y una de sus limitaciones importantes consiste en que no es posible trabajar con precisión los bordes de las superficies, obteniendo lo que se conoce en el campo de la óptica como superficies con orillas caídas.

Existen otros métodos modernos que se emplean para el pulido fino de superficies ópticas, como el pulido por medio de un cañón de iones (Ion Beam Figuríng), el pulido por medio de fluidos magnetoreológicos y el pulido por chorros (jets) fluídicos (Fluid Jet Polishing, FJP). Las características y limitaciones de cada uno se describen a continuación: El pulido por medio de un cañón de iones (Ion Beam Figuríng), USP 5,969,368 y USP 5,786,236 , se basa en el bombardeo de la superficie a pulir con un haz colimado de iones de un gas inerte que producen la remoción de material. Sí bien con este método se pueden pulir superficies esféricas, incluyendo las orillas de las superficies de trabajo, las superficies mantienen un grado de microrugosidad considerable al final del proceso como consecuencia del choque perpendicular de los iones con la superficie. Con esta tecnología solamente se puede realizar el pulido fino de una superficie previamente preparada y esmerilada. El proceso es iterativo basado en el mapa de error de la superficie de trabajo, corrigiendo las imperfecciones. Este método requiere de una cámara de vacío, cuando menos, del tamaño de la pieza a pulir por lo que resulta costosa y compleja.

El método de pulido por medio de fluidos magnetoreológicos, USP 5,971 ,835 y USP 6,106, 380, consiste en confinar un fluido magnético con abrasivo sobre el área perimetral de un cilindro rotatorio que, por influencia de un campo magnético, se endurece generando una herramienta de pulido. El pulido se consigue moviendo controladamente la pieza a pulir sobre el fluido magnetoreológico que circula sobre el cilindro rotatorio. Otra variante de este método es colimar un flujo de líquido magnetoreológico abrasivo por medio de un campo magnético y hacerlo chocar con la superficie de trabajo. Aunque con este método se genera una huella anular en la superficie a pulir, las áreas que se pueden trabajar son muy pequeñas (menores a 5mm), por lo que esta tecnología se limita al pulido de superficies de aplicaciones industriales de óptica pequeña como lentes de microscopios o lentes de cámaras fotográficas y resulta costosa.

El pulido por jet fluídico (FJP), Booij, S.M., et al., Optical Engineering, August 2002, Vol. 41 , No. 8, pp. 1926-1931 y Booij, S.M., et al., I. OF&T conference, Tucson, June 2002, pp. 52-54. y O. Fahnle et al., Appl. Opt. 38, 6771-6773 (1998), es la primera tecnología de pulido basada en fluidos. Desbasta la superficie a pulir mediante un haz de fluido abrasivo. El chorro se dirige a la superficie a través de una tobera colocada a un cierto ángulo y distancia respecto de la superficie de trabajo. Este método de pulido presenta características limitadas debido a que la huella de erosión que se genera es unidireccional y carece de simetría axial. Las superficies que se pueden trabajar son pequeñas y la herramienta resulta limitada para satisfacer las necesidades de pulido de alta precisión en los campos de la óptica de grandes superficies.

Problema Técnico En el campo de la óptica de alta precisión y en el de la microelectrónica, específicamente, en lo que se refiere al aplanado óptico de superficies semiconductoras, el esmerilado y pulido de alta precisión se realiza con distintas técnicas modernas que, sin embargo tienen una serie de limitaciones: Pulido Clásico: . Solamente es posible trabajar materiales de alta dureza. . Las superficies a trabajar se deforman por la presión que las herramientas ejercen sobre ellas, requiriendo de soportes rígidos para las mismas. . Tienden a dejar la orilla caída debido al material semi-rígido de contacto y a la falta de soporte de la herramienta en el borde. . Es necesario cambiar el tamaño de la herramienta para hacer correcciones zonales. . Funcionan con máquinas armónicas que no tienen las ventajas de una máquina cartesiana, como el pulido fuera de eje.

Pulido por FJP: . Hasta ahora no es posible pulir superficies de gran tamaño (t>~1-8m). . Las tasas de remoción de material son entre 100 y 1000 veces menores a las que se consiguen con la herramienta, objeto de esta invención. . Con el cilindro rotatorio, no es posible generar una huella de erosión anular uniforme en el plano de incidencia, es decir, no hay simetría radial y el trazo es distinto en la dirección "x" al de la dirección "y", lo cual complica el manejo, tanto de la herramienta como de la pieza a pulir.

Pulido por fluidos magnetoreológicos: . La principal desventaja de este método es que genera una huella de erosión de un tamaño muy reducido. . No es posible generar una huella de erosión anular uniforme en el plano de incidencia, es decir, no hay simetría radial y el trazo es distinto en la dirección "x" al de la dirección "y", lo cual complica el manejo, tanto de la herramienta como de la pieza a pulir.

Pulido por haz de iones: • Se requiere de una cámara de vacío, cuando menos, del tamaño de la superficie a pulir.

. No es posible realizar pruebas ópticas interferométricas durante el proceso de pulido, lo cual complica el proceso iterativo de pulido/prueba. . La microrugosidad en la superficie se mantiene prácticamente intacta debido a la incidencia ortogonal del haz sobre la superficie.

Una de las limitaciones importantes de la tecnología disponible en lo que al proceso de esmerilado-pulido fino se refiere, estriba en que es indispensable utilizar más de una tecnología para conseguir el acabado de alta precisión de una superficie. Actualmente, estas técnicas se realizan en distintos puntos geográficos, lo cual complica el proceso e incrementa el costo de una manera importante.

Esta invención resuelve o mejora los problemas de la tecnología disponible y se consiguen distintas ventajas respecto de las técnicas antes mencionadas.

Descripción detallada de la Invención. Esta invención es una herramienta hidrodinámica de flujo radial para el esmerilado fino y pulido de superficies ópticas y de superficies semiconductoras, con la que se consigue un pulido de calidad óptica sin entrar en contacto con las superficies de trabajo. Esta herramienta suministra un fluido con partículas abrasivas en suspensión que es propulsado por medio de un gas comprimido (aire) que le imprime energía cinética rotacional, expulsando la mezcla abrasiva radial y paralelamente hacia la superficie de trabajo, de tal forma que las partículas abrasivas solamente la rozan.

La herramienta, objeto de esta invención es útil para el esmerilado correctivo y pulido fino o de alta precisión de superficies ópticas planas o curvas, limpieza de superficies lisas, incluyendo las recubiertas con películas delgadas o metálicas, de diversos materiales rígidos y semi-rígidos de mediana a alta dureza así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras, metálicas y plásticas. Se trata de una herramienta sin partes móviles, fabricada en acero inoxidable y materiales cerámicos de alta resistencia a la erosión para algunas de sus partes.

Con esta herramienta se pueden trabajar áreas mayores a 1 m de diámetro; sin embargo se pueden utilizar arreglos geométricos de dos o más herramientas para trabajar superficies mayores. El amplio espectro de tamaños de las huellas de erosión que se obtienen con estas herramientas, las hacen idóneas para trabajar superficies en aplicaciones de alta precisión tanto de óptica pequeña como de grandes áreas, así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras.

La herramienta, objeto de esta invención, es modular e intercambiable. Se conforma de secciones cilindricas maquinadas en acero inoxidable o cerámica que conforman cada etapa (Fig. 1). Un conjunto de tornillos colocados en la periferia del cuerpo fijan todos los módulos a manera de pila.

La herramienta consta de: un módulo mezclador (A), un módulo de una o más cámaras de aceleración rotacional (B), un sistema de suspensión aerostático (C), un actuador de garganta (D), una tobera de salida (E), una tobera radial divergente (F) y un anillo recuperador de materiales (G).

El módulo mezclador (A) permite controlar la densidad del fluido mediante una cavidad porosa (H).

Las cámaras de aceleración (B) constan, a su vez, de una o más cavidades cilindricas (I), caracterizadas por una geometría optimizada en función de la hidrodinámica, en cuya periferia se encuentran maquinados un conjunto de inyectores de potencia (J).

El sistema de suspensión aerostático (C) genera un colchón de fluido que ajusta la posición de la herramienta a la superficie (K), por medio de un conjunto de zapatas aerostáticas .

Opcionalmente un actuador de garganta (D) que consta de un inyector perimetral continuo que controla el diámetro de la tobera de salida.

La tobera de salida (E) es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica, caracterizado por su geometría optimizada en función de la hidrodinámica, compuesto por una garganta y un activador de chorro, que a su vez, está formado por un inyector periférico continuo, un estator y un anillo de distribución.

La tobera radial divergente (F) es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica caracterizado por su geometría optimizada para producir un flujo radial uniforme y paralelo hacia la superficie de trabajo (K), de tal forma que las partículas abrasivas solamente la rocen.

El anillo recuperador de materiales (G) recoge el material abrasivo residual durante el proceso de pulido, por medio de un mecanismo de succión.

La herramienta (I) de la Fig. 2, objeto de esta invención, se alimenta con un sistema hidroneumático y de control que está conformado por un subsistema de líquido (A) y uno de gas (B). El primero consta de un contenedor con agitador permanente (C), una bomba adecuada, una línea hidráulica con retorno, un regulador de presión y una electro-válvula. El subsistema de alimentación de gas consta de un tanque (D), un compresor, tres ramales con sus respectivos reguladores de presión (E, F y G) y tres sub-ramales provistos con restrictores de flujo variable (H).

Para la operación de la herramienta se puede utilizar un sistema de control que se muestra en la Figura 3. La herramienta (A) se instala en una máquina (B) de tipo cartesiano o polar controlada numéricamente (E). El sistema incluye tanques de suministro (C) y una serie de sensores y transductores (H) que permiten la regulación de todos los parámetros operativos de la herramienta, sobre la superficie de trabajo (G), a través de un sistema de control (D). Un sistema de cómputo (F) se encarga de coordinar tanto la herramienta, como la máquina por medio de una ¡nterfaz de usuario.

Ejemplos. Esta nueva herramienta de pulido radial hidrodinámica que permite pulir localmente superficies ópticas con un desgaste controlado, se ha sometido a una serie pruebas de desempeño, utilizando distintos tipos y tamaños de abrasivos a distintas velocidades y considerando diferentes alturas de la herramienta respecto de la superficie a pulir. A continuación se muestran los resultados experimentales que se consiguieron con esta herramienta sobre diferentes superficies de entre 15 y 20cm de diámetro: En la Figura 4 se muestra el laboratorio de pulido en el que se efectuaron las pruebas con la herramienta, objeto de la presente invención. El recuadro localizado en la parte superior izquierda de dicha figura muestra un acercamiento de la máquina de pulido con la herramienta instalada. En esta misma figura también se muestra una máquina r-?-? sobre la que está instalada la herramienta, motivo de esta invención. Todo el arreglo de pulido se encuentra dentro de una cubierta hermética transparente. Se muestran las líneas de alimentación, recipiente de descarga y el sistema de control.

Las Figuras 5 y 6 muestran un foucaltgrama y un interferograma de la huella de erosión estática experimental obtenidas con esta herramienta, respectivamente.

La Figura 7 muestra el resultado del perfil transversal de erosión de un conjunto de ranuras circulares grabadas con esta herramienta para confrontar su desempeño con el modelo teórico. Las Figuras 8 y 9 muestran los diversos métodos ópticos para medir la superficie de la Figura 7. Un interferograma y un foucaltgrama muestran los resultados de los surcos obtenidos en estas pruebas.

La herramienta, motivo de esta invención, permite el pulido de superficies asféricas como es el caso de una supeficie correctora Schmidt. La Figura 10 muestra una simulación numérica de una supeficie de este tipo, con la cual se programó el controlador de la herramienta para su generación. La Figura 11 muestra el resultado de la imagen del frente de onda reconstruido por computadora y analizado interferométricamente de la supeficie Schmidt pulida con esta herramienta. La precisión de esta superficie es de 13nm RMS. Las manchas que se observan corresponden a errores en la desenvoltura de fase, es decir, no corresponden al frente de onda.

En la Figura 12 se muestra un micro-interferograma de una superficie pulida con esta herramienta. El micro-interferómetro que se utilizó es capaz de detectar errores en la superficie de hasta 2nm. La distorsión en las franjas representa una microrugosidad de aproximadamente 25nm RMS al utilizar partículas abrasivas de 5µ?t?.

En la Figura 13 se muestra el análisis de la distorsión de franjas interferométricas sobre las superficies pulidas con esta herramienta, utilizando partículas abrasivas de distintos tamaños y materiales. El último muestra el perfil de una franja para una placa de referencia óptica.

Claims (7)

Reivindicaciones.

1. Herramienta para el esmerilado y pulido fino o de alta precisión de superficies ópticas planas o curvas, así como para el aplanado óptico de superficies semiconductoras y metálicas que comprende de: varias secciones cilindricas de acero inoxidable o cerámica previamente maquinadas, que a su vez, se acoplan mediante un conjunto de tornillos colocados en la periferia del cuerpo y que consta de: un módulo mezclador, un módulo de una o más cámaras de aceleración rotacional, un sistema de suspensión aerostático, un actuador de garganta, una tobera de salida y una tobera radial divergente.

2. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el módulo mezclador permite controlar la densidad del fluido mediante una cavidad porosa adecuada.

3. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde las cámaras de aceleración constan, a su vez, de una o más cavidades cilindricas caracterizadas por una geometría optimizada en función de la hidrodinámica y en cuya periferia se encuentran maquinados un conjunto de inyectores de potencia.

4. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el sistema de suspensión aerostático genera un colchón de fluido que ajusta la posición de la herramienta a la superficie, por medio de un conjunto de zapatas aerostáticas.

5. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde un actuador de garganta que consta de un inyector perimetral continuo puede controlar el diámetro de la tobera de salida.

6. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la tobera de salida es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica, caracterizado por su geometría optimizada en función de la hidrodinámica, compuesto por una garganta y un activador de chorro, que a su vez, está formado por un inyector periférico continuo, un estator y un anillo de distribución.

7. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la tobera radial divergente es un dispositivo de acero inoxidable o cerámica, caracterizado por su geometría optimizada en función de la hidrodinámica que produce un flujo radial uniforme y paralelo hacia la superficie de trabajo de tal forma, que las partículas abrasivas solamente la rozan. Herramienta de conformidad con la reivindicación 1 , en donde el anillo recuperador de materiales recoge el material abrasivo residual durante el proceso de pulido, por medio de un mecanismo de succión. Uso de la herramienta mencionada en la reivindicación 1 para el esmerilado correctivo, pulido fino y limpieza de superficies lisas, incluyendo las recubiertas con películas delgadas o metálicas, de diversos materiales rígidos y semi-rígidos de mediana a alta dureza así como para el pulido y aplanado de superficies semiconductoras.