1、 用戶案例項目名稱：大口徑光學元件冷加工工藝改進分析項目單位 電子科技大學單位網站： 注：內部資料項目單位：電子科技大學所屬行業：制造業案例描述：大口徑光學元件在冷加工完成后可以獲得很高的表面質量，但是在亞表面層往往隱藏了大量的缺陷。因此，需要改進工藝達到消除亞表面缺陷的目的。通過Pro/Innovator和ARIZ算法求解，此問題得到4個的解決方案。關鍵詞：光學元件、表面質量，亞表面缺陷，冷加工，檢測問題描述：1. 工作原理 大口徑光學元件的冷加工工藝包括銑磨、精磨、初拋和精拋等工序，目的是獲取很高的表面質量，但是在亞表面層往往隱藏了大量的缺陷。2. 主要問題 拋光工序會形成亞表面缺陷，同時

2、不能用光學方法直接觀察到的亞表面缺陷。 3. 問題發生的條件 拋光工序在去除舊劃痕的同時，不斷地引入新劃痕，然后被覆蓋，形成亞表面缺陷。 4. 初步思路或類似問題的解決方案 快速拋光、磁流變拋光。5. 待解決的問題 （1）拋光工藝不帶入新的亞表面缺陷；（2）能檢測亞表面缺陷。 6. 對新技術系統的要求 （1） 消除亞表面缺陷；（2） 無損檢測亞表面缺陷。解題流程1 Pro/Innovator解題流程運用Pro/Innovator模塊（圖1），包括系統分析、問題樹、三軸分析、知識庫本題目屬于工藝質量改進范疇。 圖2 解題流程 2 Pro/Innovator求解過程2.1 工況介紹:大口徑光學元件

3、的冷加工工藝包括銑磨、精磨、初拋和精拋等工序，亞表面缺陷的檢測手段不足，并且目前工藝去除亞表面的效果不理想。（1）大口徑平面元件工藝定型完成平面銑磨試驗，實現了元件的外形尺寸快速成型，包括大面、側面的銑磨，確定了加工工藝參數。側面銑磨效率（180#砂輪），最大進刀量2mm，銑磨速度30mm/min；平面銑磨效率（180#砂輪）， UBK7玻璃：0.10mm/min，熔石英玻璃：0.08mm/min側面銑磨垂直度優于90±2.5;側面平行度小于0.10mm;工作面面形0.02mm/200mm;等厚0.02mm，達到初設的加工效率和技術指標要求，同時提高了元件的加工質量的一致性。 采用J

4、P65.1單軸機，進行了各粒度金剛砂磨料精磨實驗，達到精磨面形小于5um/200mm，等厚小于0.02mm的精度要求。拋光參數實驗：拋光去除量在2030um，片放窗口元件的小批量驗證，面形精度達到要求。在2m級環拋設備上進行了片放類和腔反類元件試生產和工藝驗證工作，通過預埋在2.5米環拋機瀝青中的溫度傳感器定期測量潔凈水和瀝青內部的溫度，對溫度對面形控制的影響進行了評估。并通過環拋面形實時監控系統的研究，跟蹤面形變化規律，用于指導元件的面形修正，實現了單次透射波前畸變PV值達到初設的技術要求，在現有設備和數控工藝軟件基礎上，以拋光盤尺寸參數為核心進行拋光參數組合設計和確定去除實驗，研究不同尺寸

5、拋光盤對不同波長面形誤差的修正能力及對表面質量的影響，得到各種尺寸磨盤在不同拋光參數組合下的去除函數模型，對現有數控工藝軟件固化的加工參數庫進行有效地補充優化。通過實驗得到了80磨盤較優化的呈高斯曲線分布的去除函數模型。（2）大口徑球面透鏡工藝定型采用范成法銑磨球面方式，確定了工藝參數調整規范和調整精度要求，完成球面成型后的中心厚測量和等厚測量方法的驗證。 中心厚測量方法 等厚測量方法使用了窗玻璃和K9玻璃進行了多種銑磨參數組合試驗，圖所示為球面銑磨過程圖，最終確定了生產加工工藝參數的選擇，達到要求銑磨效率。通過試驗和生產驗證，加工后的球面面形偏差0.03mm/200mm；曲率半徑的矢高偏差0

6、.03m/200mm；中心厚偏差±0.2mm；等厚偏差0.05mm，達到了初設要求。球面精磨，以機械夾持上盤代替以前的加熱粘結上盤。減少了元件加熱上盤等輔助時間，并通過機械夾持進行對心調節，使加工過程和加工精度更加可控。并采用了電動控制調整結構進行輔助等厚測量，實現了x，y，z向平移的電動平移，通過改進了方形元件的定位方式，使邊緣線接觸改為點接觸，減小了元件邊緣對測量的影響，測量表的復位重復精度不大于3um。 此過程在加工精度達到了設計要求，等厚差控制、加工時間和加工效率達到設計要求。在目前JP650單軸機上進行了球面的快速拋亮和精拋光驗證，面形和曲率半徑是通過球面樣板進行精度傳遞，

7、而球面樣板通常采用刀口儀進行陰影檢測。實現了球面拋光過程，球面面形偏差、表面粗糙度以及焦距偏差和同一類透鏡的焦距一致性偏差和初設拋光效率達到要求。（3）元件在冷加工過程中產生的缺陷可直接觀察到的表面疵病不能用光學方法直接觀察到的亞表面缺陷這些缺陷如裂紋、劃痕、坑點和殘留雜質會強烈地調制或吸收激光，使得局部場強過高，導致元件被損現有的加工能力可以將其數量控制在較低的水平，從而減低其對元件損傷能力帶來的影響目前難以實現有效的控制和去除2.2 系統分析:功能模型包括10個組件，見圖3功能模型圖3 第一級功能模型2.3 組件價值分析: 略。2.4 問題分解:由功能分析產生如下問題：（1） How to

8、 prevent producing of flaws?（2） How to prevent producing of micro flaws?（3） How to prevent producing of defects?（4） How to prevent leading of micro flaws?（5） How to prevent leading of defects?（6） How to prevent leading of subsurface defects?（7） How to prevent producing of subsurface defects?（8） Ther

9、e is insufficient detection of defects. How to increase detection of defects?2.4.1 問題1的三軸分析2.4.2 問題2的三軸分析2.4.3 問題3的三軸分析2.4.4 問題8的三軸分析2.5 解決方案: 以TRIZ工具為內核，以知識庫（專利庫）為支撐，在本體論的引導下，形成解決問題的多組方案。2.5.1 問題1解決方案 （1）揮發性有機化合物存在下的濕法化學蝕刻制造光學表面查詢表達式: abrade optic component查詢方式: 功能結構化查詢解決方案近似程度: 類比方案問題描述: 小的拋光工具（旋轉

10、拋光墊）被用于制造光學表面。這個方法并不適合于制造非常薄的光學表面，因為產生的局部機械應力會引起加工件變形，甚至引起斷裂。更有甚者，拋光是一個昂貴和重復性差的過程。因此需要一種方法去制造光學表面。方案描述: 為了制造光學表面，建議在揮發性有機化合物存在下使用濕法化學蝕刻的方法。蝕刻溶液（例如，氫氟酸緩沖溶液）從一個垂直的從下往上接近表面的管子中出來，向上供給至表面。光學表面是親水的。蝕刻溶液形成了一個圓形的潤濕區，沿著管的外表面向下流。在液體附著到固體表面的半月面附近處，溶液是相對靜止的。可揮發性的有機物被導向到半月面處。有機化合物溶解在蝕刻溶液中。這就使液體表面張力極大的降低。表面張力降低的

11、結果是一個表面張力梯度形成于半月面中。與吸收于自由表面流體附近的連續更新區域周圍的可揮發性有機化合物相比，更高濃度的可揮發性有機化合物吸收于鄰近于固體表面的半月面處。表面張力沿著這個方向增加。表面張力梯度造成在半月面區域中的液體向著離開固體表面而朝著下落的液膜的方向流動 （馬朗貢尼 效應）。這種流動阻止了蝕刻水溶液到親水表面的毛細作用。潤濕的區域保持恒定的尺寸和形狀。蝕刻除去了潤濕區中光學表面上的材料。光學表面因此而形成。通過這種方法，揮發性有機化合物存在下的濕法化學蝕刻能夠制造光學表面。附加信息: 該方法制造了大（長軸大于5 厘米），薄（厚度小于1 毫米）的玻璃片材，具有與光學公差相適應的平

12、整度。乙醇和異丙醇作為揮發性有機化合物而被使用。動畫: 參考專利: 美國專利# 6555017, Surface contouring by controlled application of processing fluid using Marangoni effect, 04/29/2003專利權人: The Regents of the University of Caliofornia (Oakland, CA)發明人: Rushford; Michael C. (Livermore, CA); Britten; Jerald A. (Oakley, CA)相關問題-解決方案擴展: H

13、ow to assist wet chemical etching?（2）離子移植法有助于濕化學品蝕刻查詢表達式: assist wet chemical etching 查詢方式: 功能結構化查詢解決方案近似程度: 特例方案問題描述: 從化學性質上來講，A3B5氮化合物，例如GaN，可抵抗半導體工業中使用的大多數酸和堿。因此，有必要開發這些物質的有效蝕刻方法。方案描述: 建議按照下列方案實現A3B5氮化合物蝕刻方法。用具有所須布局的保護性面罩覆蓋在薄膜上，然后移入攙雜劑。將面罩取走，在蝕刻液（通常是堿溶液）中將氮化合物薄膜蝕刻。要將進入薄膜減的雜質減到最小，從氮化合物的元素中選擇移入的離子。

14、蝕刻攙雜劑集中的區域比未處理區域的蝕刻速度快。蝕刻深度由移入到氮化合物中的能量、質量和移入離子的劑量確定。因此，A3B5氮化合物可以生成各種結構。附加信息: 該方法可控制且成本低。動畫: 參考專利: 美國專利# 6090300, Ion-implantation assisted wet chemical etching of III-V nitrides and alloys, 07/18/2000專利權人: Xerox Corporation (Stamford, CT)發明人: Walker; Jack (Sunnyvale, CA); Goetz; Werner (Palo Alto,

15、 CA); Johnson; Noble M. (Menlo Park, CA); Bour; David P. (Cupertino, CA); Paoli; Thomas L. (Los Altos, CA)2.5.2 問題8解決方案 （1）光散射測量防止表面缺陷的錯誤檢測查詢表達式: detection <AND> defect查詢方式: 關鍵詞 (布爾邏輯)查詢解決方案近似程度: 問題描述: 測試磁盤質量時要檢查其表面。基于磁性法的測試是一個極其緩慢的過程。光學測試涉及到測量表面反射的光，雖然是一個非常有效的方法，但可能導致對缺陷的錯誤檢測。在反射光中處理表面圖像時，沉降在

16、表面上的微粒可能被當作磁盤缺陷進行處理。需要一個方法對防止表面缺陷的錯誤檢測。方案描述: 為了防止對表面缺陷的錯誤檢測，建議采用光散射測量。光束定向到要檢查的表面區上。除了反射探測器之外，還用散射探測器測量鈍角散射。表面缺陷和微粒對光的散射不同：缺陷散射的光強度有一個依賴于散射角的頂點，微粒散射強度對角度的依賴關系是一個較為平滑的曲線。因而，缺陷散射錐會是銳角，微粒散射錐會是鈍角。通過測量光散射和建立反射光和散射光的磁盤圖像就可以區分表面缺陷和粘附的微粒。因而，光散射測量可以防止對表面缺陷的錯誤檢測。附加信息: 激光器用作光源。選擇光束入射到表面上的方向，使其非常接近于垂直。動畫: 參考專利:

17、 美國專利# 5898492, Surface inspection tool using reflected and scattered light, 04/27/1999專利權人: International Business Machines Corporation (Armonk, NY, United States of America)發明人: Imaino, Wayne Isami (San Jose, CA, United States of America); Latta, Milton Russell (San Jose, CA, United States of Amer

18、ica)類比方案:酸蝕工藝結合干涉儀檢測（2）暗場照明提高光刻掩膜缺陷的可檢測性查詢表達式: detection <AND> defect查詢方式: 關鍵詞 (布爾邏輯)查詢解決方案近似程度: 問題描述: 在集成電路晶圓及光刻掩模的制造中，須執行缺陷的檢測。為此，對一個光刻掩模的一個被檢測部分，進行明場照明。缺陷使光線發生散射。無散射的透射光被一個顯微鏡物鏡收集，進而被聚焦至一個光檢測器陣列上，光刻掩模被照明部分的影像，由此陣列進行記錄。一個比較信號，從所得信號中被減去。信號間的差異，可反映出缺陷結構。比較信號可從掩模的不同部分中獲取，或者從軟件中獲取。此方法的主要缺點，是須要分析

19、的信號改變過小，這一改變由缺陷引入至基本信號中。需要一種方法，來消除此缺點，并提高光刻掩膜缺陷的可檢測性。方案描述: 要提高光刻掩膜缺陷的可檢測性，建議應用光刻掩膜的暗場照明。將光線導至被檢測光刻掩模上，且保證鏡面反射光線，不會落至集光裝置的入口孔闌內。在光刻掩膜的缺陷上，光線發生散射。散射光被一個顯微鏡物鏡收集，進而被聚焦至一個光檢測器陣列上。與明場照明情形類似，比較信號被減去，以得到有用信號。由于被記錄的信號僅包含缺陷的相關信息，因而缺陷檢測的誤差，以及一個可檢測缺陷的最小尺寸，均被減小。這樣，暗場照明提高了光刻掩膜缺陷的可檢測性。附加信息: 在暗場照明模式下，一個可檢測缺陷的最小尺寸，至

20、少比明場照明模式小4倍。動畫: 參考專利: 美國專利# 4595289, Inspectionsystem utilizing dark-field illumination, 06/17/1986專利權人: AT & T Bell Laboratories (Murray Hill, NJ, United States of America)發明人: Feldman, Martin (New Providence, NJ, United States of America); Wilson, Lynn O. (New Providence, NJ, United States of

21、America)2.6 方案匯總: 本案運用Pro/Innovator的<系統分析>、<問題分解>、<解決方案>、<創系原理>、<專利查詢>等模塊，引用知識庫解決方案4個，其中專利庫解決方案6個。考慮采用成本因素，擬采用現有檢測技術和酸蝕工藝相結合。 解決方案（Solution）方案1 酸蝕工藝結合干涉儀檢測圖1 初始檢測結果圖2 酸蝕工藝后檢測結果采用ARIZ求解其他解決方案步驟1 分析問題1.1 描述最小問題1.2 確定組件對1,3 技術矛盾示意圖1.4 選取主要技術矛盾1.5 激化矛盾1.6 建立問題模型1.7 嘗試用標準解解決問題2分析問題模型2.1確定操作區域2.2 確定操作時間2.3 確定物場資源 系統內資源 外界環境資源 超系統資源3