ポスター - 国立天文台

日本天文学会2010年春季年会(広島大) B25b
エッチングによる TMT主鏡ガラス材の
サブサーフェスダメージ層除去
秋田谷 洋 （あきたや ひろし） 国立天文台・ELTプロジェクト室
山下 卓也、大島 紀夫、家 正則、他ELTプロジェクト室メンバー(国立天文台)
舞原 俊憲、所 仁志、高橋 啓介(ナノオプトニクス研究所)
2. エッチング試験
TMTの主鏡製作に向けて : Thirty Meter Telescope (TMT; 図1)は、
2018年の完成を目指し、ハワイ島マウナケア山に国際協力による建設
を計画している、口径30mの光赤外線望遠鏡である。TMTの主鏡は、
1.44m径の六角形非球面分割鏡を492枚敷き詰めて製作する(図2)。
国立天文台ELTプロジェクト室は、日本がTMT主鏡の製作を分担する
ことを目指し、鏡面加工の実証試験を進めている。
極低膨張ガラス材
オハラ クリアセラム-Z HSなど
非球面高精度研削
大型精密研削機
~0.5-1μm 精度の形状出し
subsurface damage(SSD)除去
研磨 or フッ酸エッチング
10-20μm程度のダメージ層除去
図1: Thirty Meter Telescope(TMT)
最終研磨 (& 六角形切断)
研磨(方式未定)
測定 (方式未定)
~34nm形状、2nm rmsの面出し
30m
鏡面完成(反射膜蒸着etc.へ)
図3: TMT主鏡製造プロセス案
図2: 分割鏡配置図
Hed & Edwards (1987)
図4 : subsurface damage(SSD)
Fine et al. (2005)
3. 結果と考察
#1200 研削サンプル
x (mm)
x (mm)
図6 : エッチング後の断面形状測定 (研削直
後の低周波形状は差し引き済み)
大きなえぐれ
幅~20μm
図7 : エッチング処理面
エッジのマイクロスコー
プ拡大像
研削のみ
500μm
エッチング実施
(20μm深さ)
50 x 50 mm
エッチング処理
100mm
#3000
エッチング面
１０ｍｍ
図9 : 砥石回転方向に垂直な方向の断面形状
研削面
#1200
#3000
実線 :
エッチング面
点線 :
研削面
深さ(μm)
深さ(μm)
図10 : 断面形状(砥石回転に垂直方向; 40mm長さ)に対する深
さの頻度分布。#3000では最大深さ~2.6μm。>2μm深さの占める
割合は全体の0.4%、1-2μmは4.8%。#1200では最大深さ11μm。
6-11μm深さの占める割合 0.5%。
4. まとめ
x100
#3000
x20
#1200
エッジ部分は
エッチング後も鋭
い形状を保ってい
る(図7)。
TMT分割鏡の
面取り幅
~0.35mm内で、
十分良好な形状
である。
#3000研削サンプル
(#1200研削サンプルも同様)
x100
(100μm sq.)
図8 : サンプル表面のマイクロスコープによる拡大像。砥石回転は水平方向。
(3) エッジ形状
20
μm
８ μm
頻度 (log)
x20
(500μm sq.)
x100
(100μm sq.)
(1)研削面
エッチング
処理
x20
(500μm sq.)
(2)エッチング面
エッチング
非処理
#3000 研削サンプル
表2 : フッ酸エッチング
処理液
フッ酸
処理面大 50mm x 50mm (残り半分
きさ
はマスク)
処理厚
面あたり約20μm 厚
加工者
(株) 関島光学目盛工業所
1,5 μm
#1200
エッチング面
20μm除去
所要時間
200 秒
235 秒
事前研削
粒度
#3000
#1200
部分的に深い溝や窪みは生じているが(後述)、サ
ンプル全体にわたる大局的な形状の崩れは~1μm
以内であった(図6)。研削形状精度(~0.5-1μm)と同
程度、除去深さ(~20μm)と比較して十分小さい。
20μm
表1 : 測定サンプル・事前研削
材質
極低膨張ガラス クリアセラム-Z
HS・TMTグレード (オハラ)
大きさ
50mm x 100mm x 5mm厚
研削砥 粒度#1200(砥粒径~12μm)、
石
#3000(同~5μm) 2種
研削機 N2C-1300D および SGU-52
(ナガセインテグレックス社製)
加工者 ナノオプトニクス研究所
図5 : 測定サンプル
表面粗さは若干悪化している(表4)。
部分的に、深い溝・窪みが発生している(#3000で深
さ最大2.6μm、#1200で最大~11μm)（図8-10)。窪
み・溝が占める面積はわずかではあるが、研削形状
精度より深いため問題となる。
溝・窪みは砥石回転方
表4 : 表面粗さ(rms)
向に連なっている(図11)。 研削粒 表面粗さ(rms)
エッチング前→後
研削面に存在する微小な 度
溝や窪みが、エッチングに #3000 0.06μm→0.29μm
よって深く成長したものと #1200 0.3μm→0.6μm
見られる。
(a) #3000研削
(b) #1200研削
(2) 一様性 – 大局的な形状
3次元測定機
NH3-SP
本研究の目的 : フッ酸エッチングは、SSD層を高速に溶解し
て除去するため高効率の手法と見込まれる。一方で、以下の
課題がある。
1. 事前の研削形状・面粗さを崩さない一様な除去
2. 1.5m大の部材を扱える大型処理槽の実現 (現有設備は
φ70cmまで対応化)
そこで本研究では、フッ酸エッチングの有用性を検証する手
始めとして、小さな研削サンプルに対してエッチング処理を施
し、上記課題のうち、「1.一様な除去」について、現有設備での
達成精度を評価した。
極低膨張ガラス材の小サンプルの両
面を事前に研削加工した。2種の研削条
件でサンプルを2枚作成した(表1)。
そのうち半分の領域について、フッ酸
エッチング処理を行ない(表2、図5)、加
工面の評価を行った。
(4) 一様性 – 局所的な形状
表3 : エッチング処理所要時間
20μmの除去に対して
約3-4分で処理が完了し
た(表3)。研磨(2週間
/(枚・10μm))に比べて非
常に高速度である。
エッチングによるSSD除去 : SSDの除去には、SSD層を研磨
で丹念に取り除く方法が主に採られてきた。しかし、TMT分割
鏡のように、大型で多数の鏡面を加工する場合、加工時間が多
大となる(例えば、除去速度0.5mm3/minの磁気粘弾流体研磨
機の場合10μm除去に約2週間/枚)。そこで我々は、高効率の
SSD除去法としてフッ酸エッチングに注目した。
エッチング面
(1) 処理速度
Subsurface Damage(SSD)の発生: 現在想定しているTMT
主鏡鏡面加工プロセスは図3の通りである。そのうち、非球面形
状加工で用いる研削加工によって、ガラス材の表面下にサブ
サーフェスダメージ(subsurface damage=SSD)と呼ばれる、微
細な破砕構造が生じる(図4)。想定している研削条件では、最大
で20μm程度の深さのSSDが生じると見込まれる。
SSDは、鏡に対して、経年変形・破壊や反射蒸着膜の劣化な
どの悪影響を及ぼす。よって、後に続く工程で完全に取り除かな
ければならない。
50mm
1. 本研究の背景と目的
100μm
図11 : #3000研削・非
エッチング面(左側)とエッ
チング面(右側; ~20μm
深さ)の境界部分。非エッ
チング面の淡い溝がエッ
チング面の太い溝につな
がっている。
小ガラス研削サンプルに対して、20μm深さ
表5 : フッ酸エッチング処理面評価まとめ
のフッ酸エッチングを行い、処理面の評価を
#3000
#1200
行った(表5)。
研削面
研削面
 処理速度、処理の大局的な一様性、エッ
処理速度
200秒
235 秒
ジ形状は良好。
~1μm
~1μm
一様性(大局的)
 部分的に、研削形状精度を超える深さの 一様性(局所的) 溝・窪みあり 溝・窪みあり
溝・窪みが生じる。
溝・窪みの最大
2.6μm
11μm
フッ酸エッチングをSSD処理法として確立す 到達深さ
るためには、深い溝・窪みの深さを軽減する
<0.5μmまで <0.5μmまで
必要がある。これらは、研削面の微小な傷が
平坦
平坦
エッジ形状
原因となっているとみられる。よって、解決の
稀なえぐれ
稀なえぐれ
~20μm
~20μm
ためには研削面の質の向上 (研削条件改善、
研削前の若干の研磨)が有効と考えられる。
評価
◎
○
△～×
◎
* 連絡先
-----------------------------------------------181-8588 東京都三鷹市大沢2-21-1
自然科学研究機構 国立天文台
ELTプロジェクト室 研究員
秋田谷 洋 (AKITAYA, Hiroshi)
E-mail : hiroshi.akitaya [atmark] nao.ac.jp
Tel : 0422-34-3524
Fax : 0422-34-3527
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