一种聚合物微结构的超精密制造方法

技术领域

本发明涉及聚合物制造技术领域，具体涉及一种聚合物微结构的超精密制造方法。

背景技术

新一代高端装备向着精密化，信息化及小型化一体化的趋势发展，对高精度制造提出了更高的要求，复杂微小构件是装备系统的核心关键构件，复杂微小构件制造构型及精度的实现性即制造能力，直接影响其使用性能，最终影响设备系统的性能，对于装备的升级起到决定性作用。

微小构件的尺寸在毫米至厘米级，微小构件上待加工的微结构尺寸为微米至纳米级，制造精度要求亚微米级，表面质量达纳米级，尤其是对于特殊难加工材料，如聚合物材料，不导电，具有一定的黏性而溅射率较低，微结构难成型，加工难度较大。

然而，目前我国的单一的制造方法，如超精密切削，塑性成形，申请号为CN201511009069.1《一种超声辅助静电诱导聚合物表面微结构成型方法及装置》公开的电加工等制造技术受制于制造原理及制造响应能力的限制，无法实现上述精度及表面质量要求。

因此，需要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种加工效率、加工精度以及表面质量均较高的聚合物微结构的超精密制造方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种聚合物微结构的超精密制造方法，其特征在于：包括

步骤S1、采用金刚石铣削接触式工艺对聚合物表面进行加工，以实现对微结构的毫微级控形；

步骤S2、对步骤S1得到的聚合物微结构采用激光束非接触式工艺，实现微米级调形；

步骤S3、在步骤S2得到的聚合物外设置导电层，导电层具有使聚合物的微结构外露的镂空部，然后采用非接触式离子束加工，离子束直接对聚合物微结构进行纳米级精调。

为了便于对微结构进行精调，所述导电层与聚合物邻近微结构的区域表面贴合。如此，导电层与微结构距离较近而便于消除电荷积累，从而有利于保证加工精度。

导电层可以有多种设计方法，优选地，为了加工结束后将导电层与聚合物分离，所述导电层采用金属罩，厚度为微米级，所述聚合物位于金属罩内。金属罩的厚度具体是采用200-500微米。

金属罩的材料可以有多种，优选地，为了更好地与被加工材料有较好的保形性，采用具有高延展性及塑性的材料，所述金属罩采用铜或者银材质。

为了同时兼顾加工精度和防止聚合物热解，在所述步骤S2中，激光束对聚合物微结构进行调形时采用飞秒激光系统，平均激光功率为1-5W，最小光斑尺寸为1-3μm。通过采用飞秒激光系统使聚合物达到微米级的加工精度，同时能量较低，这样聚合物不容易热解。如果激光功率及光斑尺寸过大，会产生大量的热量，导致样品表面烧灼、热解。

离子束的加工参数有多种选择，优选地，所述步骤S3中，离子束采用双束系统，电压为10-30kv,束流为1pA-65nA，束流调控角度为小于等于90度。如此，束径纳米级，适用于微结构精调。

铣削的加工参数可以有多种，优选地，在所述步骤S1中，铣削时选用直径小于100微米的微铣刀，主轴转速范围8000-60000/rpm，加工深度范围小于等于40微米，进给速率为0.005-0.200mm/s。因为直径大于100微米，无法实现微小区域的加工，并且容易产生大尺寸缺陷。如果转速过高，进给速率过大，产生热量积聚并不易分散，容易导致样品热熔变形。

导电层的设置方式可以有多种，优选地，所述导电层为通过化学气相沉积得到的金刚石涂层。涂层的厚度为50-80nm，能起到导电效果，便于电子束观察。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)多种加工工艺集成制造，兼具效率与精度，先采用铣削接触式工艺以实现毫微级控形，这样可以较为快速地得到面形轮廓近似的结构，加工效率较高，接着采用激光束非接触式工艺实现微米级调形，得到较高精度的面形，最后采用非接触式离子束进行纳米级精调，最终达到需要的极高精度要求及表面质量(极低粗糙度)要求；

(2)采用离子束时，因为聚合物不导电而容易积累电荷，积累的电荷会影响离子束中离子的运动方向和影响聚合物的绝缘性能，通过设置导电层，能防止电荷累积在聚合物表面，从而提高加工精度和表面质量。

附图说明

图1为本发明实施例的制造方法的流程图；

图2为本发明实施例步骤S2中采用激光束微区调形工艺的示意图；

图3为本发明实施例步骤S3中采用离子束微区精调工艺的示意图；

图4为具有类似特征结构的金属导电球罩的示意图；

图5为本发明实施例的制造方法对应的集成制造系统。

具体实施方式

以下结合附图实施例对发明作进一步详细描述。

如图1～图5所示，为本发明的聚合物微结构的超精密制造方法的一个优选实施例，以微球表面制造球状凹坑结构特征结构为例，加工轮廓精度要求小于0.5微米，表面粗糙度低于10nm。当然，本发明的制造方法也适用于制造其它形状的微结构。

聚合物微结构的超精密制造方法在一个集成制造系统(图5)中完成，具体是先在区域5对微小构件进行加工前全表面表征与检测评价，使用轮廓仪及原子力显微镜；然后，通过三段工艺进行加工。具体如下。

步骤S1、为复合工艺中阶段1接触式加工。通过启用图5中区域4的激光定位系统，对微小构件进行定位安装，采用真空吸附系统进行定位安装，再采用金刚石铣削接触式工艺对聚合物表面进行加工，以实现对微结构的毫微级控形。铣削时选用直径小于100微米的微铣刀，主轴转速范围8000/rpm，加工深度范围40微米，进给速率为0.005mm/s。接着，集成系统中开启双向输运滑道1-5，进入区域5，对加工后形貌进行检测，检测结果与最终要求加工的进行比对，对加工的工艺参数进行优化，检测后加工，反复迭代，直到与目标轮廓误差控制在3-8％，表面粗糙度低于50μm。

步骤S2、通过双向滑道2-5，开始复合工艺中的阶段2，对步骤S1得到的聚合物微结构采用激光束非接触式工艺，实现微米级调形。激光束对聚合物微结构进行调形时采用飞秒激光系统，平均激光功率为1W，最小光斑尺寸为1μm。通过调控激光功率及光斑尺寸，对阶段1中的样品微结构进行横纵向调形，检测后加工，反复迭代，直到与目标轮廓误差控制在1-3％，表面粗糙度20nm-1μm。

步骤S3、在步骤S2得到的聚合物外设置导电层，导电层具有使聚合物的微结构外露的镂空部，优选地，镂空部的大小和形状与聚合物的待制造的微结构大小和形状基本一致，然后采用非接触式离子束加工，离子束直接对聚合物微结构进行全方位多角度纳米级精调。离子束采用双束系统，电压为10kv,束流为1pA，束流调控角度为90度。优选地，导电层与聚合物邻近微结构的区域表面贴合(也就是导电层的镂空部与微结构对应，导电层的其余区域与聚合物的其余区域贴合)，导电层采用金属罩，厚度为微米级，聚合物位于金属罩内，金属罩采用铜或者银材质，制造结束后，金属罩可移除。轮廓仪及原子力显微镜检测后加工，直到与目标轮廓误差控制在小于1％，表面粗糙度低于10nm。

离子束精调工艺具体步骤为：(1)用Quick Loader放置聚合物样品，将样品放入样品室。(2)打开电子束，在SEM模式下调节图像至最佳。(3)选择特征点，分步倾斜样品台至52°，调节Z轴，把特征点移动至优中心。(4)打开离子束，在FIB模式下调节图像至最佳；调节Z轴，把样品移动至共聚点，该位置在4mm左右。(5)在FIB模式下，选择合适的加工位置。(6)待加工微区域的大小、深度等参数可根据需求进行设置。

采用本实施例的方法在微球表面加工球状凹坑特征结构时，加工轮廓精度要求小于0.5微米，表面粗糙度低于10nm，由于加工工艺与检测集成制造，一个结构需要0.5-1小时，兼具效率与精度，而采用现有技术中单一的超精密切削，塑性成形，电加工等方法时，加工与检测分离，至少0.5天，12小时，并且加工精度和表面粗糙度均较低。

实施例2：

与实施例1的加工方法基本相同，区别在于：

步骤S1、铣削时微铣刀的主轴转速范围10000/rpm，加工深度范围30微米，进给速率为0.100mm/s。

步骤S2、飞秒激光系统的平均激光功率为2W，最小光斑尺寸为2μm。

步骤S3、离子束采用电压为20kv,束流为30n A，束流调控角度为50度。

实施例3：

与实施例1的加工方法基本相同，区别在于：

步骤S1、铣削时微铣刀的主轴转速范围60000/rpm，加工深度范围20微米，进给速率为0.200mm/s。

步骤S2、飞秒激光系统的平均激光功率为5W，最小光斑尺寸为3μm。

步骤S3、离子束采用电压为30kv,束流为65n A，束流调控角度为60度。

实施例4：

与实施例1的加工方法基本相同，区别在于：本实施例中的导电层为通过化学气相沉积得到的金刚石涂层。涂层的厚度为50-80nm，能起到导电效果，便于电子束观察。涂层较薄纳米级，离子束加工后，无需去除。