DD262668A1 - Verfahren zur chemisch-mechanischen sauberkeitspolitur von caf tief 2-oberflaechen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Sauberkeitspolitur von CaF2, um optisch saubere, defektfreie CaF2-Oberflaechen fuer Passen besser l10 zeitsparend und unter Verwendung kostenguenstiger Poliermedien herzustellen. Das wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass Fe(III)-Verbindungen, die im Wasser hinreichend loeslich sind und Fe(III)-Ionen freisetzen bei gleichzeitiger Zufuhr mechanischer Energie ueber ein Polierwerkzeug mit poriger Oberflaechenhohlraumstruktur auf eine polykristalline Werkstueckoberflaeche einwirken, wobei die Polierleistung entscheidend durch die chemische Aufloesung des CaF2 und den Fe(III)-Ionengriff bestimmt wird sowie durch die Wahl der Anpresskraft des Werkzeuges, die Konzentration der Fe(III)-Ionenkonzentration im Wirkspalt, den verwendeten Poliermitteltraeger und den Zusatz von Tensidkomponenten steuerbar ist.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Sauberkeitspolitur von CaF₂-Oberflachen, die für Hochleistungsoptiken verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, mechanische, chemische, elektrochemische, plasmachemische und physikalische Verfahren zur Präzisionspolitur anorganischer Festkörperoberflächen einzusetzen. Bei der Erzeugung hochgenauer und sauberer Polierflächen auf CaF₂ ergeben sich wegen mechanischer und chemischer Anisotropie der zu bearbeitenden Kristallflächen Probleme, deren Ursachen einmal in der geringen Wasserlöslichkeit von 2,31CT⁴g/l des CaF₂ und dem damit verbundenen geringen chemischen Abtrag in wäßrigen Poliersuspensionen, zum anderen in der Härteanisotropie der CaF₂-Flächen und der damit bedingten Erzeugung von Kratz- und Rißspuren mit Vorzugsrichtung bei Einwirkung von Feststoffsuspensionen als Poliermedien liegen. Die für Hochleistungsoptiken wichtigen CaF₂-Bauteile mit optischen Funktionsflächen werden herkömmlich durch mechanische Politur hergestellt, wobei wäßrige Poliermittelsuspensionen aus anorganischen Oxiden, insbesondere Cr₂O3, ZrO₂, CeO₂, Fe₂Os, AI₂Ü3 und SiO₂, teilweise auch Diamantpulver zum Einsatz kommen (Physikalische Chemie der Glasoberfläche, Leipzig, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1981). Diese Poliermedien besitzen im mechanischen Polierprozeß eine meist kraft- bzw. energieübertragende Funktion vom Polierwerkzeug (Poliermittelträger, Maschine) auf die zu bearbeitende CaF₂-Fläche, sie greifen aber chemisch nur mittelbar in den Abtragvorgang ein, wobei als Poliermittelträger Peche verschiedener Härtezahl, synthetische Polymere auf Polyurethan-, Polyethylen- oder Epoxidbasis verwendet werden, die ebenso wie die kinematischen Bedingungen (Anpreßkraft, Umfangsgeschwindigkeit von Werkzeug und Werkstück) Einfluß auf die Polierrate nehmen. Die mechanische Politur mit diesen Poliermedien und -bedingungen gestattet keine effiziente Sauberkeitspolitur von CaF₂ und erzeugen keine hinreichend defektfreien optischen Oberflächen. Hartkornfreie chemisch-mechanische Polierverfahren für CaF₂ sind nicht bekannt. Es sind weiterhin eine Reihe von Verfahren bekannt, die eine Erhöhung der chemischen Auflösungsrate von CaF₂ betreffen, die aber nicht mit dem Ziel einer CaF₂-PoMtUr entwickelt wurden. Die chemische Auflösungsrate von CaF₂ kann dabei erhöht werden, wenn Angriffsmedien zum Einsatz-kommenydie die Fluoridionen entweder komplex markieren oder sie in Form von HF aus der Reaktionsmischung entfernen. So ist es bekannt, daß Beryllium- und Eisen-Ill-Verbindungen sehr stabile Fluoroberyllate bzw. Fluoroferrate bilden, mit Komplexbildungskonstanten, die größer als das Löslichkeitsprodukt von CaF₂ sind. Auf diese Weise kann die Auflösungsrate von CaF₂ bis zu drei Größenordnungen erhöht werden. In der US-PS 4157377 wird die Auflösung von CaF₂ in Mischungen von HF und Borsäure unter Bildung von Ca-Fluoroborat und in der SU-PS 539835 die Erhöhung der Auflösungsrate von CaF₂ durch Zusätze von HCI und SiO₂ beschrieben. Es ist auch die CaF₂-Auflösung in Schwefelsäure oder Schwefelsäure/HF-Mischungen mit dem Ziel der HF-Gewinnung bekannt (US-PS 4299289, DE-PS 2634498

und 2544572, FR-PS 1343841). Die Kinetik der CaF₂-Auflösung in H₂SO₄ wird hauptsächlich durch die Bildung und Ablagerung von CaSO₄ bzw. CaSO₄ · 2H₂O Schichten auf CaF₂ und den damit verbundenen diffusionskontrollierten Angriff der Säure bestimmt. Alle diese genannten Verfahren haben nur eine Steigerung der CaF₂-Auflösung zum Ziel, nicht aber eine Anwendung der Medien zur Politur. Eine Kombination von chemischer und mechanischer Politur zur Erzeugung sauberer Oberflächen bei gleichzeitig hoher Polierrate ist hauptsächlich für anorganische Gläser, Halbleitermaterialien und Alkalihalogenidkristalle bekannt. Bei der chemischen Politur ist die chemische Auflösung dominant zur Entfernung von Reaktionsprodukten, zum Abtransport von frischer Angriffslösung sowie zur Steuerung der Formbildung, dabei ist eine begleitende mechanische Einwirkung erforderlich. In der SU-PS 907046 wird eine CaF₂-PoMtUr mit einer Mischung aus Wasser, SiO₂-Ölsäure, Ethanol und NH₃ beschrieben, mit einer Suspensionsdichte von 0,947g/cm³. Mit dieser Suspension sollen nach 2h Polierzeit Rauhtiefen von 0,008μηι auf CaF₂-Oberflächen erreichbar sein. Neben den langen Polierzeiten ist die geforderte Teilchengröße für SiO₂ (Durchmesser rund 0,27pm) nachteilig.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine chemisch-mechanische Sauberkeitspolitur für CaF₂-Oberflächen zu erhalten, die es gestattet, unter Verwendung kostengünstiger Ausgangsstoffe optisch saubere, defektfreie CaF₂-Oberflächen zeitsparend und mit hoher Oberflächensauberkeit zu erhalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hartkornfreies chemisch-mechanisches Polierverfahren für CaF₂-Oberflachen mit guten poliertechnischen Eigenschaften zu entwickeln, das außer einer gezielten Steuerung der chemischen Angriffsrate bei der mechanischen Politur auch die Angriffslösung speichern und Auflösungsprodukte aufnehmen kann. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur chemisch-mechanischen Sauberkeitspolitur von CaF₂-Oberflächen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch eine mechanische Vorpolitur mit einer geeigneten Festkörpersuspension (beispielsweise Cr₂Os) eine polykristalline Oberflächenschicht erzeugt wird, die durch eine anschließende Feinpolitur mit einer sauren Fe(lll)-Salzlösung ohne Feststoffzusatz sauber und anisotropiefrei chemisch-mechanisch auspoliert wird. Die Grundlage dafür ist die große Komplexbildungskonstante von Fe(lll)-Fluorkomplexen, die die Löslichkeit von CaF₂- im Vergleich zu reinem Wasser um zwei bis fünf Größenanordnungen steigern kann, weil die Fe(lll)-Ionen die Fluoridionen sofort aus dem Lösungsgleichgewicht entfernen und dadurch auch die Auflösungsgeschwindigkeit von CaF₂Um den Faktor 1O⁺³ gesteigert wird. Andererseits ist auch bekannt, daß ein statischer Angriff derartiger Lösungen auf poly- oder einkristalline CaF₂-Flächen bereits nach kurzer Einwirkungszeit infolge chemischer Anisotropie, d. h. Flächenspezifik des chemischen Angriffs, zur Bildung von Ätzfiguren auf der Oberfläche führt. Deshalb müssen die flächenspezifischen Auflösungsraten durch eine begleitende mechanische Bewegung über ein vermittelndes Polierwerkzeug nivelliert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die chemisch-mechanische Politur auf der polykristallinen CaF₂-Fläche erfolgt. Diese Oberflächenschicht kann durch eine herkömmliche Vorpolitur mit einer Feststoffpoliersuspension erzeugt und während einer anschließend chemisch-mechanischen Politur durch ein geeignetes Polierwerkzeug erhalten werden. Durch die Wahl der Lösungskonzentration der Fe(lll)-Salzlösung und durch Zusatz grenzflächenaktiver Medien, wie Alkoholen, ist eine Steuerung der chemischen Angriffsrate möglich, wobei die Tensidzusätze besonders reaktive Ätzzentren der Oberfläche (Kratzer, Risse) durch Bildung adsorptiver Deckschichten schützen. Die anschließende mechanische Politur erfolgt vorzugsweise mit einem Polierwerkzeug, daß die Angriffslösungspeichert und gleichzeitig die Auflösungsprodukte aufnimmt. Als besonders geeignet sind Poliermittelträger mit definierter Hohlraumstruktur, beispielsweise natürliche oder synthetische Filze (Pechpoliermittelträger mit Polierkruste, eingelagerte Oxide) oder feinporige, für Lösungen aufnahmefähige synthetische Poliermittelträger. Das Fe(III)-SaIz kann auch in einem synthetischen Poliermittelträger eingebunden und durch Wasserzufuhr im Prozeß freigesetzt werden. Die durch die gewählten kinematischen Polierbedingungen erzeugte mechanische Energie wird durch das Polierwerkzeug auf die CaF₂-Oberfläche übertragen und wirkt auflösungsfördernd auf die Berührungsflächen. Mit steigender Anpreßkraft des Werkzeuges erhöht sich die Abtragsleistung proportional. Der Anpreßdruck kann vorteilhaft zwischen ON/cm² und 2 ON/cm² variiert werden. Die übertragene mechanische Energie bedingt als freie Energie im Wirkspalt zwischen CaF₂-Oberflache, Werkzeug und Angriffsmedium zum einen eine Verschiebung des Auflösungsgleichgewichtes, zum anderen eine Erhöhung der Auflösungsrate, Dadurch werden /

Oberflächenerhebungen schneller auflösend abgetragen und eine Glättung erreicht. Als Fe(III)-SaIz sind vorzugsweise Verbindungen mit guter Wasserlöslichkeit (FeCI₃, Fe(NO₃J₃) einsetzbar, deren Anionen mit Ca²⁺-lonen keine schwerlöslichen Verbindungen bilden. Mit steigender Konzentration der Fe(lll)-Salzlösung nimmt die Auflösungsrate annähernd linear zu. Günstige Lösungskonzentrationen liegen im Bereich zwischen 0,02 Mol/l und 1 Mol/l (bezogen auf Fe(lll)-Ionen). Zusätze von primären, sekundären und tertiären Alkoholen, Diolen oder Triolen und Kohlenstoffzahlen n-5 vermindert gezielt die Abtragungsrate für CaF₂, wobei günstige Zusatzmengen 25 Mol-% nicht überschreiten sollten. Die Fe(lll)-Salzlösung kann in einer Umlaufzuführung in die Polierzone gefördert werden. Der Verbrauch der Lösung ist an ihrer Entfärbung colorimetrisch quantitativ bestimmbar. Bei Verwendung synthetischer Poliermittelträger mit eingebettetem Fe(III)-SaIz ist die einzubringende Menge so zu dosieren, daß die durch Wasserzufuhr entstehende Lösungskonzentration im Wirkspalt die o.g. Wirkmenge an Fe(lll)-Ionen von 1 Mol/l nicht übersteigt. Es können hierebenfallszur Steuerung der chemischen Angriffsrate Alkohol/Wassermischungen zugesetzt werden. Als Fe(lll)-Salze können auch basische Fe(lll)-Sulfate in synthetische Poliermittelträger als Füllstoff eingebracht werden. Durch Zufuhr von H₂O werden diese im Wirkspalt unter partieller Bildung von Fe(lll)-Ionen zerstört und wirken wie beschrieben als Fluorid-Ionenfänger. Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bisher bekannten mechanischen Polierverfahren für CaF₂-Oberflächen Vorteile hinsichtlich des Kostenaufwandes zur Herstellung des Poliermittels, der problemlosen Umlaufzufuhr (Absatzerscheinungen treten nicht auf) und der gezielten Steuerbarkeit des Glättungsvorganges der CaF₂-Flächen. Weiterhin

lassen sich mit dem neuen Verfahren sehr saubere Oberflächen an sphärischen und ebenen Bauteilen mit anisotropiefreien Passen besser als λ/15 erzeugen, die im elektronenmikroskopischen Bild im Gegensatz zu mechanisch unter Verwendung von Polieroxiden polierten Flächen keine Defekte und Ablagerungen aufweisen. Dieser zweistufige Polierprozeß mit mechanischer Vorpolitur und einer chemisch-mechanischen Feinpolitur ist vorteilhaft, weil der Übergang von der Vorpolitur in die Feinpoliturphase ohne Unterbrechung oder Werkzeugwechsel möglich ist. Die Fe(lll)-Salze sind außerdem wesentlich kostengünstiger als die Ausgangsstoffe für die Polieroxide. An die Reinheit der Fe(lll)-Salze werden keine besonderen Anforderungen gestellt, es können auch Mutterlaugen verwendet werden, die bei der Fe(lll)-Salzherstellung anfallen. Damit entfallen aufwendige Präparationstechniken zur Herstellung von Poliermitteln (Cr₂C>3,2rO2 usw.) mit bestimmter Konstruktur- und Größenverteilung.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend soll die Erfindung an 4 Beispielen näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel 1

Eine CaFa-Planfläche (Durchmesser 50 mm) wird auf einer Hebelmaschine mit einer Cr₂0₃-Wassersuspension mit einem Poliermittelträger (Härtezahl H:25SH§30) 1,5 h vorpoliert (Anpreßkraft ρ = 0,5 N/cm²; Umdrehung des Werkstückes U = 75min"¹) und dabei eine polykristalline Oberflächenschicht erzeugt. Anschließend erfolgt eine chemisch-mechanische Politur durch tropfenweise Zugabe einer 0,3 molaren FeCl3-Lösung (Tropfgeschwindigkeit 20ml/h) bei verringerter Werkstückumdrehung (U = 50 min"¹) und gleicher Anpreßkraft. Nach 30 min chemischer Politur verbleibt eine sehr saubere, kratzer- und rißfreie Oberfläche mit einer Passe von.λ/15.

Ausführungsbeispiel 2

Eine sphärische CaF₂-Fläche(d = 80mm,R = 225mm)wird wieim Ausführungsbeispiel 1 vorpoliert. Die chemisch-mechanische Politur erfolgt mit einer 1 molaren FeCI₃Lösung mit5Vol.-%lsopropanol (Tropfgeschwindigkeit 30ml/h; U = 13 min"¹; ρ = 0,75 N · cm²). Nach 15min ergibt sich eine sehr saubere Oberfläche mit einer Passe von λ/15.

Ausführungsbeispiel 3

Eine entsprechend dem Ausführungsbeispiel 1 vorpolierte Planfläche von CaF₂ (d = 50mm) wird auf einem mit basischem Fe(lll)-Sulfat [K Fe₃(SO₄J₂ (OH)₆] gefüllten Pech-Poliermittelträger (Füllstoffmenge 10%) durch Zugabe von Wasser poliert (U = 35min~¹ · ρ = 1 N/cm²) und nach 1 h eine sehr saubere Oberfläche (Passe: λ/10) erreicht.

Ausführungsbeispiel 4

Eine entsprechend dem Ausführungsbeispiel 1 vorpolierte sphärische CaF₂-Fläche (d = 80mm; R = 225mm) wird mit einer synthetischen Polierfolie (poröse OF-Struktur) unter Zugabe einer 0,3 molaren FeCI₃-Lösung auf einer Hebelmaschine chemischmechanisch poliert (p = 0,55 N/cm²; U = 23min"¹). Nach 1 h erhält man eine sehr saubere Oberfläche (Passe: λ/17).

Claims (8)

1. Verfahren zur chemisch-mechanischen Sauberkeitspolitur von CaF₂-Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß Fe(lll)-Ionen aus Salzlösungen oder durch Freisetzen mit Wasser aus mit sauren Fe(lll)-Salzen gefüllten Poliermittelträgern unter gleichzeitiger mechanischer Einwirkung eines porösen, oberflächenstrukturierten Polierwerkzeuges eingesetzt werden und einen glättenden Abtrag auf geläppten, rauhen oder vorpolierten CaF₂-Oberflächen bewirken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine konventionelle Vorpolitur oder im chemisch-mechanischen Polierprozeß durch Wahl der Polierbedingungen auf einkristallinen CaF₂-Oberflächen eine polykristalline Oberflächenschicht erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fe(lll)-Verbindungen Salze eingesetzt werden, die bei Zugabe von Wasser Fe(lll)-Ionen in einer Konzentration bis vorzugsweise 20 Mol/l im Wirkspalt der CaF₂-Fläche kontinuierlich freisetzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fe(lll)-Salze entweder durch Zutropfen von Lösungen auf das Werkstück bzw. den Poliermittelträger oder durch Einbettung in fester Phase oder durch Tränken des Poliermittelträgers eingesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zusatz grenzflächenaktiver Medien zum wäßrigen Poliermedium der chemische Angriff der Fe(III)-Verbindungen steuerbar wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Polierwerkzeuge natürliche und synthetische Materialien mit poriger oder meanderartiger Oberflächenhohlraumstruktur eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der chemisch-mechanischen Bearbeitung eine Werkstück- und Werkzeugdrehzahl insbesondere zwischen 1 bis 1 000 U/min und eine Anpreßkraft zwischen 0 N/cm² und 20 N/cm² vorteilhaft variiert werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise Werkzeuge verwendet werden, deren wirksamer Durchmesser kleiner ist als der zu bearbeitende Durchmesser, wobei mit diesen Werkzeugen beliebige Oberflächenprofile erhalten werden können.