（光学工程专业论文）基于marangoni效应的数控化学抛光工艺研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 目前，代表国际研究热点的先进光学制造技术主要有：小工具数控抛光技术、 磁流变抛光技术和离子束加工技术等。这些制造技术批量化生产成本较高，并且 也有各自的工艺缺陷，如小工具抛光技术在加工过程中由于存在局部的机械应 力，无法加工超薄元件，且容易形成无法去除的亚表面缺陷；磁流交抛光技术容 易在被加工元件的表面留下金属碎屑，在强激光条件下不可以应用；离子束抛光 需要配备大型的真空罩，设备成本很高等。 本论文设计的数控化学抛光工艺借鉴小工具数控抛光基本工艺思想，利用 m a r a n g o n i 界面梯度效应对刻蚀过程进行控制。这种“数控化学抛光”采用液体 腐蚀的方法，能够有效避免工件受到机械应力影响，消除工件的亚表面缺陷，对 于在高光功率密度条件下工作的元件及超薄元件的加工具有重要意义，同时，工 艺简单，设备成本相对很低。 本论文首先介绍了当前主流的光学表面精密加工技术，对它们的优点和缺陷 进行了阐述。根据数控化学抛光技术的工艺原理，建立了数控化学抛光中的表面 张力模型和抛光理论模型。论文对光学元件的亚表面缺陷进行了深入的研究，从 成因分析到纵向变化规律，从微观形貌到定量分析，通过一系列的刻蚀实验和激 光损伤阈值实验揭示了亚表面缺陷层的结构，并以此为基础，设计了亚表面缺陷 的去除方案。 论文设计不同的实验，验证了m a r a n g o n i 界面梯度效应在不同刻蚀路径下的 存在和有效性。论文在完成定域刻蚀的基础上，通过实验数据拟合了化学抛光去 除函数曲线，并以该去除函数为依据，对大口径光学元件通过设计合理的刻蚀路 径，消除亚表面缺陷，完成了面型修复，获得了o 1 5 2 波长0 = 6 3 2 8r i m ) 的p v 值。 关键词：光学精密加工亚表面缺陷湿法刻蚀m a r a n g o n i 效应数控抛光 浙扛大学硕士论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a d v a n c e do p t i c a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e s h a v ea t t r a c t e dv a s t i n t e r e s t so fr e s e a r c h e r s ，s u c ha sc n c p o l i s h i n g , m r f ，a n di o nb e a mm o d i f i c a t i o n t e c h n o l o g y w h e r e a s ，a l lo ft h e s ep o l i s h i n gt e c h n o l o g i e sa r ee x p e n s i v ef o rb a t c h p r o d u c t i o n , a n dp r o c e s sd e f e c t sa r ep r e s e n t e di nt h e s ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e s t h e c n cw i t hs m a l lt o o lc a n tp r o c e s st h es u p e r - t h i nw o r k p i e e ef o r t h ep r e s e n c eo fl o c a l m e c h a n i c a ls t r e s sd u r i n gp r o c e s s i n ga n dc a ne a s i l yi n d u c es s d t h ew o r k p i e e e p o l i s h e db ym r f c a n tb eu s e di nh i g hi n t e n s i t yl a s e ra p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h e m e t a l l i cp a r t i c l e s a sf o ri o nb e a mm o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，l a r g ev a c u u mc h a m b e r s h o u l db ei n c l u d e d , w h i c hi sv e r ye x p e n s i v e t h ec n cc h e m i c a le t c h i n gt e c h n i q u ep r e s e n t e di nt h ep a p e rh a v eag o o dc o n t r o l o ft h ee t c h i n gp r o c e s su s i n gt h em a r a n g o n ie f f e c t , r e f e r r i n gt oc n cw i t hs m a l lt o o l t e c h n o l o g y l i q u i de t e h a n ti su s e di nt h em e t h o do f c n cc h e m i c a le t c h i n g ，w h i c hc a l l e f f e c t i v e l ya v o i dt h em e c h a n i c a ls t r e s s a n dr e m o v et h es s d t h et e c h n o l o g yc a nb e e a s i l yi m p l e m e n t e dw i t hc h e a pe q u i p m e n t s ，w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h e p r o c e s so ft h ef i n eo p t i c a lc o m p o n e n t sa n df o rt h ec o m p o n e n t su s e du n d e rt h eh i 曲 、 o p t i c a lp o w e rd e n s i t y a d v a n c e du l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fo p t i c a lm a t e r i a li nt h ew o r l d i sr e v i e w e d , i n c l u d i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd e f e c t s m o d e l sf o r 蛐l f a c et e n s i o na n d c h e m i c a lp o l i s h i n ga r ep r e s e n t e db a s e do nt h et e c h n i c a lp r i n c i p l e so fc n cc h e m i c a l e t c h i n g d e t a i l e ds t u d i e s0 1 1s s do fo p t i c a lc o m p o n e n t sa r ep e r f o r m e d , i n c l u d i n gt h e c a u s e sa n dt h et h ev e r t i c a lv a r i a t i o n so ft h es s d ，t h r o u g hm i c r ot o p o g r a p h i e sa n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h es t r u c t u r e so fs s da r es t u d i e di nas e r i e so fs p e c i a l l y d e s i g n e de x p e r i m e n t sf o re t c h i n ga n dt h el a s e rd a m a g et h r e s h o l d t h e r e a f t e r , r e m o v a l s c h e m ef o rs s di sd e s i g n e d i ns p e c i a l l yd e s i g n e de x p e r i m e n t s ，i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tm a r a n g o n ie f f e c ti s p r e s e n t e di nd i f f e r e n te t c h i n gp a t h s o t h e rt h a nl o c a le t c h i n gs t u d i e s ，c h e m i c a l i l l 浙江大学硕士论文 p o l i s h i n gr e m o v a lf u n c t i o ni sf i t t e d e x p e r i m e n t a ld a t a , a n ds u r f a c er e f i n e m e n ti s a c c o m p l i s h e df o rl a r g eo p t i c a lc o m p o n e n t st h r o u g hw e l l - d e s i g n e de t c h i n gp a t h s ，t h e p - vv a l u ea sl o w 嬲o 1 5 2 ) , 0 , = 6 3 2 8 n m ) i sr e a c h e d , w i t h o u ts s db a s e do nt h ef i t t e d c h e m i c a lp o l i s h i n gr e m o v a lf u n c t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a lf i n em a c h i n i n g ，w e te t c h i n g ，m a r a n g o n ie f f e c t , s u b - s u r f a t e d e f e c t s ，c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n l x o l l e dp o l i s h i n g i v 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 随着精密光学系统在国防工程中的重要性越来越突出，对大量高精度的光 学元件的需求也日益迫切。概括来说，国防激光系统对光学元件及其制造技术 主要有如下几方面的要求： ( 1 )高精度光学元件的制造应达到工业品级的要求，即批量化、光学质量 稳定、低成本。以神光- - i l l 激光装置为例，系统将使用约3 0 0 0 余件大口径光学 元件，传统的光学加工技术无法满足系统在精度、批量和成本等方面的高要求； ( 2 )要求光学元件表面有较低的亚表面缺陷( s u b s u r f a c cd e f e c t ) 。亚表面缺 陷是指在光学元件表面以下几十至几百纳米范围内由于加工造成的微裂纹或杂 质层，在高功率密度的系统中极易导致光学元件的损伤。传统的光学制造技术 很难避免亚表面损伤的形成； ( 3 )对新型元件提出了迫切的需求，如可校正系统静态像差的连续波前校 正板，这些元件的加工技术要求己突破了传统光学工艺的控制范围。因此，以 经验科学为主的传统光学制造技术己无法满足现代国防光学工程对光学元件的 要求，高精度激光光学元件的批量制造也己成为我国国防光学工程的瓶颈之一。 面对高精度和加工对象复杂性的需求，如何提高光学制造技术的可控性，以及 减低制造成本成为国际先进光学制造技术发展的核心。 1 2 光学表面精密加工技术概述 计算机技术和精密机械加工技术的发展，让“先进光学制造技术正由一门 经典的技艺发展为一门新的科学，其典型是用熟悉模型描述工艺工程，以计算 机数字控制为主导的可重复的、可确定性的和超精密加工，它集成了当代的光、 机、电、算、测、材、新为一体，融最新科技成果于一身，它不但服务于制造， 同时也不断形成自己的理论体系，发展成为光学科学和制造科学交叉的新领域 和新的学术分支0 1 。”光学制造技术中引入计算机数控技术( c o m p u t e r n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e d ，c n c ) ，不但加工精度大为提高，而且亚表面损伤小， 这对提高后续的抛光效率是非常有效的。采用c n c 技术的光学制造设备，通 过控制多轴的运动，可以直接加工出各种高精度的面型复杂的面型。这是传统 浙江大学硕士论文 的光学制造所无法达到的。 随着激光技术的发展，各种高精度的光学仪器应运而生，对光学元件的要 求越来越高，对超光滑表面的需求越来越多。世界各国都在积极研究新的加工 方法和技术。随着c n c 技术的广泛应用，光学精密抛光技术向着确定性发展。 各个国家对光学器件的超精密抛光加工进行了大量的研究工作，提出了许多新 的超精密加工方法，包括c h i c 抛光技术、离子束抛光、在线电解修整( e l e c t r o l y t i c i n - p r o c e s sd r e s s i n g , e l i d ) 磨削抛光、等离子体辅助抛光( p l a s m aa s s i s t e d c h e m i c a le t c h i n g ，p a c e ) ，磁流变抛光( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf i n i s h i n g ，m r f ) 、激 光抛光技术等。这些技术成功地实现了光学器件的超精密加工，达到了较高的 精度，是现在以至今后光学器件精密加工的主要方法。 1 c n c 抛光技术 c n c 抛光技术源于光学表面成型技术，用于解决非球面的研磨和抛光问 题。其思想是美国i t e k 公司的w j r u p p 在7 0 年代初期最先提出的t 2 1 。它是根 据面型检测数据，建立加工过程的控制模型，用计算机控制一个小磨头对光学 元件进行研磨或抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间和相对压力来控制 材料的去除量。这种加工方式大大提高了光学加工的效率，减少了加工工序， 实现了可重复的确定性加工。 随后世界上以美国为首的发达国家开始投入研究，主要有代表性的是美国 a r i z o n a 大学的光学中心( o s c ) 、r o c h e s t e r 大学的光学制造中心( c o m ) 、i t e k 公 司。i t e k 公司完成了世界上第一台计算机控制抛光机，为美国空军加工出一块 直径5 0 0 m m ，i ：3 5 的抛物反射镜，面型精度0 0 4 t t m ( r m s ) ，表面粗糙度小于5 n m ， 总加工周期为3 个月。由于当时受计算机技术和精密测量技术发展的制约，仍 无法实用化 2 1 。 9 0 年代以来，随着计算机控制技术和精密测量技术的飞跃发展，c n c 研 磨抛光技术进入实用化。r o c h e s t e r 大学的光学制造中心的d o n a l dg o l i n i 和 s t e p h e nj a c o b s 提出了微量磨削技术( m i c r o - g r i n d i n g ) ，即在细磨工序和抛光工序 之间增加微量磨削过程，采用精心的散粒金刚石磨料对工件进行研磨，在短时 间内使研磨阶段的面型误差下降到0 4 1 m a ( r m s ) 下，亚表面破坏层深度小于 2 1 m a 。微量磨削大大提高了收敛效率。 2 浙江大学硕士论文 虽然c n c 抛光技术取得了很大的发展，现在很多公司能够提供高精度的 c n c 数控设备，如德国的o p t o t e c h ，l o h ，美国的q e d t e c h n o l o g i e s ，英国的 z e e k o 等。但要实现其最初的设想，将该技术发展成为c a d c a m 一体化的、 非专家可操作的先进光学加工制造系统仍有一段路要走。 2 离子束加工 离子束加工是把中性离子在电场中加速，将这种高速的离子束射向工作表 面，利用离子束的力学作用撞击工件表面的原子或分子，将能量直接传给工件 材料的原子或分子，使其逸出表面从而将材料去除1 3 】。离子束加工采用离子碰 撞的方法，可以实现以原子为计量单位的纳米级加工，得到质量较高的加工表 面。1 9 8 7 年，美国学者w i l s o n 等人用a r + 、k r + 离子束对石英玻璃、微晶玻璃 等进行了表面精整加工，在直径为0 3 m 的工件上得到了面型精度为1 7 0 n m ， 表面粗糙度值为0 6 n m 的超精密表面。l o m ( t h ei n s t i t u t ef o rs u r f a c em o d i f i c a t i o n ) l e i p z i g 大学和n t g l ( n a n o t e c h n o l o g i ei 上i p z i gc , m b h ) 在这方面获得了进展，图 1 1 【4 】是离子束加工过程的工作图和扫描途径。通过5 维运动控制系统控制离子 束扫描路径中各点的驻留时间来控制在该处的表面去除量。 ( a ) 离子束抛光的工作示意图( ”扫描路径 图1 1 离子束加工过程的工作图和扫描途径 离子束抛光的加工范围较广，对工件尺寸没有严格控制，并且可以加工球 面、非球面和非对称面型。离子束抛光可以获得面型精度o 0 1 5 x ，表面粗糙度 优于o 6 r i m 的表面。但是这种加工方法需要有一套复杂的离子束产生设备，大 且昂贵的真空系统，如图1 - 2 所示是i o m n t g l 研发实验室的离子束加工设备 3 浙江大学硕士论文 u p f a - 1 4 。同时，离子束抛光仍存在着生产率低，加工过程不易控制，加工材 料有限等缺点，还有待进一步研究解决。 ( a ) u p f a 一1 结构图( b ) 外形图 图1 - 2n t g l 研发实验室的离子柬抛光设备u p f a - 1 3 等离子体辅助抛光 与离子束抛光机理恰好相反，p a c e 技术是通过化学反应来达到去除材料 的目的【5 】；这也是一种非接触式抛光技术，被加工工件不会产生机械变形或亚 表面破坏层。 光 气孔 图1 - 3p a c e 抛光示意图【3 】 p a c e 是在真空环境下进行。如图1 3 所示，工作时，化学气体在射频( r f ) 激励离子激光器作用下产生活性等离子体，活性等离子体与工件表面材料发生 化学反应，生成易挥发的混合气体，从排气孔中排除，从而将工件表面材料去 4 浙江大学硕士论文 除1 6 】。常规方法租加工后的工件，不仅表面粗糙而且亚表面有破坏层。对这样 的工件进行p a c e 抛光，由于只有表面化学反应而不会产生机械损伤，所以在 实现面形加工的同时，只要工件表面材料的去除深度足够消除亚表面破坏层， 就可以获得较好的表面粗糙度。表l 列出几种材料和相应抛光气体及化学反应 式1 6 】。 表l - l 几种材料及其抛光气体及化学方程式 p a c e 加工具有抛光效率高，工作不受机械压力，没有机械变形，加工完 成面无亚表面破坏，无污染，加工球面和非球面难易相当等优点。目前 p e r k i n e l m e r 公司用该技术已在直径o 5 m l m 的非球面上加工出面形精度小于 1 ，5 眠，粗糙度小于0 5 r i m 的表面。p a c e 实现了超精密加工，然而其适用范围 比较狭隘，对于反应方程式未知的材料无法加工，而且加工过程难以控制。 4 在线电解修整磨削抛光 e i d 蘑削技术是日本理化学研究所大森整等人于1 9 8 7 年提出的磨削新工 艺。它是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮 和工具电极之间浇注电解磨削液并加上直流脉冲电源，通过电解磨削液。利用 电解过程中的阳极溶解效应，砂轮表层的金属基体被电解去除，露出崭新锋利 的磨粒，同时形成一层氧化膜附着于砂轮表面，抑制砂轮过度电解，从而使砂 轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以，该技术利用金属基砂轮进行 磨削加工的同时，利用电解方法对砂轮进行修整，保持了砂轮的面形，从而达 到超精密镜面磨削【7 一l 。 e l i d 磨削工艺很好地解决了金属砂轮的钝化和修整难题，保持了砂轮的 锋利性。而其最大的特点在于，采用粗粒度的e i i d 技术可代替通常的磨削技术。 采用l p r n m 0 a n 的微磨粒可代替一般的超精密磨削和研磨。用0 1 l a m - l p m 超微 s 浙江大学硕士论文 粒砂轮的e i i d 技术可进行超精密镜面磨削，可代替抛光加工。这能有效提高工 件的加工效率和精度。该技术诞生以来虽然只有十几年，但已受到各国的重视， 在许多方面特别是各种材料的超精密镜面磨削上获得极大的成功。现已生产出 粒度为0 5 r i m 的以钴粉作结合剂的金刚石砂轮，磨削的表面粗糙度为o 5 n m 。 达到了较高的加工精度【9 1 。 e l i d 磨削技术可以实现对脆性材料表面的超精密加工，但是加工过程中 仍存在砂轮表面氧化膜或砂轮表面层未电解物质被压入工件表面，形成表面层 釉化。以及电解磨削液的配比等问题，这些还有待于进一步的研究。 5 磁流变抛光 磁流变最初是白俄罗斯的研究人员提出来，后由美国的r o c h e s t e r 大学的光 学加工中心( c o m ) 发展为使用的技术【1 0 i 。 它是由磁性颗粒、基液和稳定剂组成的悬浮液，如羰基铁( c a r b o n y li r o n , c i ) 、基液和延迟铁的氧化的稳定剂组成的悬浮液1 1 j 。磁流变效应，是磁流变 液在不加磁场时是可流动的液体，而在强磁场的作用下，其流变特性发生急剧 的转变，表现为类似固体的性质，撤掉磁场时又恢复其流动特性的现象。磁流 变抛光技术，正是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑 行为的柔性“小磨头”的快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从 而使工件表面材料被去除。 图l - 4 是磁流变抛光原理的示意图。工件安装在运动盘工具上方的固定距 离处。磁极安装在运动盘面的下方，在工具和工件的空隙间形成梯度磁场。当 磁流变经过工件时，在工具面上受磁场牵引作用。液体获得了工具的动能，并 变得很硬，成为一个小口径抛光工具。通过计算机控制确定工件的旋转和摆动 过程中的驻留时间来控制材料的去除率。1 9 9 9 年，q e dt e c h n o l o g i e s 报导了对 非球面采用磁流变抛光进行两次抛光，得到的非球面的面型误差为o 6 0 1 8 1 t m , 粗糙度1 0 a ( r m s ) 1 0 1 。现在q e dt e c h n o l o g i e s 应用磁流变技术与德国的s c h n e i d e r 合作推出了商用化的q 2 2 磁流变加工系统，据称加工关于最接近比较球面的最 大偏差为4 0 0 m 的非球面，经过3 0 分钟的抛光可得到的非球面的p - v 值为 1 4 a 1 2 1 。 6 浙江大学硕士论文 ( a ) 磁流变抛光原理示意图1 1 0 l ( b ) 磁流变抛光工作过程示意图1 1 3 l 图卜4 磁流变抛光原理示意图 磁流变抛光方法具有传统非定型沥青或化合物抛光无法替代的优点，它与 计算机控制精密研磨的组合，重新定义了精密光学工业的加工能力和竞争范围。 磁流变加工技术是目前而言比较理想的面型加工技术，其最大的优点是不存在 工具磨损的问题，加工精度高；其抛光工具利用磁流变体的特殊特性，不会产 生亚表面缺陷。但其抛光速度很慢，一般都是在采用磁流变抛光前首先用其他 抛光方法进行预抛光。不过虽然磁流变抛光技术已经商用化，但是其价格昂贵， 成本很高。同时，因为细微磁性颗粒的存在，让使用磁流变抛光技术加工的高 精度光学零件在强激光领域的应用受到一定的限制。 6 等离子化学蒸发加工 n i k o n o s a k a 大学提出的等离子化学蒸发加工法( c h e m i c a lv a p o r i z a t i o n m a c h i n i n g , c v m ) 是一种利用原子化学反应获得超精密表面的抛光技术闻。化 学气体在中空的电极( 喷嘴) 中在射频( 1 心) 激励作用下产生活性等离子体， 注入到工件表面，与工件表面原子发生化学反应生成挥发的混合气体来实现材 料的去除。该方法可以应用到熔石英、石英晶体和单晶硅。其装置如图1 5 所 示。由于等离子体与表面原子作用需要大约3 0 秒才能达到平衡，所以去除率与 驻留时问是非线性关系。等离子局限在电极附近，通过校准、复杂的控制和工 件与电极的运动实现工件表面的补偿抛光。控制工件表面与喷嘴之间的距离小 于0 s m m 并严格控制气压，其去除率可以稳定在士3 之间。有报导称用该方法 将1 6 0 r a m1 ：3 径的熔石英玻璃进行3 8 小时的抛光，得到了o 1 3 p r o 的p v 值和 o 0 1 7 9 m 的r m s 阁该方法可以获得高精度的光学表面，但是其设备非常复杂， 7 新江大学硕士论文 并且加工材料有限，对于反应方程式未知的材料无法加工。不过在硅芯片加工 和半导体曝光装置用的非球面透镜加工等领域将有望应用c v m 技术。 晰d h l d ( a ) c v m 的表面去除原理( b ) c v m 工作模式示意图 图1 - 5c v m 工作原理和示意图1 1 q 7 激光抛光技术 激光抛光技术是一种新的抛光技术，其抛光机理本质上是激光与材料的相 互作用。激光与材料相互作用有两种效果：热作用和光化学作用。所以激光抛 光分热抛光和冷抛光【1 6 1 。热抛光一般采用连续长波长激光光源，如1 0 6 9 i n 的 y a g 激光器和波长1 0 6 p m 的c 0 2 激光器，基于激光与材料相互作用的热效应， 通过熔化、蒸发等过程实现表面材料的去除。热抛光由于热效应过程产生的热 应力大，被抛光表面容易产生裂纹，抛光效果不是很好，抛光达到的级别也不 高。冷抛光一般采用短脉冲短波长的紫外准分子激光器或者飞秒脉冲激光器， 由于脉冲宽度窄，热效应可以忽略，主要通过光化学分解作用，即材料吸收光 子后，材料的化学键被打断或者晶格结构被破坏，实现表面材料的剥离。冷抛 光由于热效应非常小可忽略，所以不会产生裂纹，适合精密抛光，尤其适合硬 脆材料。 激光抛光系统主要由激光器、光束均匀器、面型检测反馈系统、三维工作 台、计算机控制系统组成。通过实时面型检测，反馈控制激光光束与材料作用 的时间或者脉冲个数或者变焦聚焦系统来改变光能量密度1 1 6 1 。激光抛光是非接 触式抛光，通过计算机控制能够加工各种面型，抛光时不需要辅助药剂，对环 境污染小，抛光精度高，可达纳米、亚纳米级，可实现微细抛光。虽然激光抛 s 浙江大学硕士论文 光有着很多的优点，但是其抛光成本很高，而且由于其材料的剥离量小，所以 耗时长，效率很低。另外由于其对抛光过程中的检测技术和控制技术要求相当 高，所以目前实现起来比较困难，其发展还有赖于现有的抛光技术和工艺的改 进和发展。 1 3 数控化学抛光工艺的研究意义 利用前文所述的光学表面超精密加工技术加工的大口径光学元件，在强激光 领域有着重要而广泛的运用。对于高功率固体激光装置，作为惯性约束聚变( i c f ) 的驱动器是其重要应用之一【讯。有效地控制靶区光束分布是研制高功率激光驱动 器的基本要求。在这类巨型高功率固体激光装置中，使用了数以千计的大口径光 学元件，由于光学元件自身制造误差的累积，以及大口径光学元件在装夹中产生 的变形等原因，使得系统不可避免地呈现出较大的静态波前畸变，这种波前误差 直接影响着系统的光束质量以及靶面的可聚焦能量。 目前，对此类波前畸变的校正主要采用了两种方法：一是采用自适应光学技 术，即根据哈特曼波前传感器探测的波前误差，由变形反射镜来实时校正整个系 统的波前畸变。这种技术的优点是不但能校正系统的静态波前畸变，而且可以通 过对系统光路的检测实时地调整、修正系统的动态波前误差。对于i c f 脉冲式的 激光装置，自适应光学系统主要是根据前次发射的波前结果来修正下一次发射。 但采用变形反射镜实现波前校正也存在着工程化应用的缺点，主要是系统造价很 高，其校正精度受变形反射镜子孔径多少的限制，而子孔径的增加必将进一步增 高费用。另一方面，引入自适应系统后，必然增加了整个激光装置的复杂程度。 第二种方法是采用衍射光学元件来校正系统波前误差，目前主要是在激光器的终 端光学系统中引入衍射型的非连续波前校正器。从光学原理上分析，衍射光学元 件能实现任意的波面校正，其存在的主要问题是大口径衍射光学元件的制造技术 和微结构在强激光光束中的散射和破坏等。目前，国内尚无制造此类大型衍射光 学元件的能力。如何获得低成本、高精度的位相校正器件，以降低系统的静态波 前畸变，对i c f 高功率固体激光装置研制有着重要的意义。 通过理论模拟研究，可以知道影响高功率固体激光装置聚焦理论的波前误差 主要表现为低频分量上，即空间尺度为数十毫米的波前畸变。因此，如果采用一 个理想可控的数控抛光工具，基于系统测试波前，对低频误差分量进行校正，那 9 浙江大学硕士论文 么将大幅度地提高系统的光学性能。采用计算机控制的小工具数控抛光是可选择 的技术之一。刚性的小工具头在比工件小的多的范围内对工件抛光，用计算机控 制这个很小的磨头在不同位置的驻留时间，就可以控制被加工件各处的抛光去除 量。但小工具数控抛光技术也存在一些技术困难，首先，由于其加工原理是对一 局部区域进行线性近似，抛光过程的定量性仍对去除函数的实验精度有较大的依 赖性，而且很难在线测量；其次，数控抛光过程容易形成小尺度的碎带误差，在 高功率激光应用中可能形成严重的非线性增长，从而形成损伤；最后，抛光过程 中使用了抛光粉等辅料，容易造成光学表面的亚表面缺陷( s u b s u r f a c ed e f e c t ) ，在 高功率密度的系统中也易导致光学元件的损伤。因此，寻找可控性强、加工机制 单纯且无亚表面缺陷的抛光头是此项技术能否应用于强激光系统的关键。 基于以上需求背景及技术设想，数控化学抛光工艺借鉴小工具数控抛光基本 工艺思想，利用m a r a n g o n i 界面梯度效应对刻蚀过程进行控制，这种“数控化学 抛光”采用液体腐蚀的方法，能够有效避免工件受到机械应力影响，消除工件的 亚表面缺陷，对于在高光功率密度条件下工作的元件及超薄元件的加工具有重要 意义。 1 4 本论文主要的研究工作和课题来源 1 4 1 研究内容 论文针对一种新型的精密光学元件加工方法数控化学抛光工艺进行研究，这 种数控化学抛光工艺借鉴了小工具数控抛光的基本工艺思想，提出了湿法刻蚀的 化学机理，基于m a r a n g o n i 效应，利用界面梯度效应发生器来控制刻蚀过程，利 用三维数控机床来控制刻蚀头的运动，可以消除光学原件的亚表面缺陷，完成大 口径光学元件的面型修复。 论文在第二章首先对刻蚀技术的应用进行了简单阐述，对化学刻蚀的反应机 理进行了详细论述。对于化学刻蚀，刻蚀液的配方对刻蚀过程有着至关重要的影 响。一方面影响刻蚀效率，同时对刻蚀精度也有决定性影响。因此，在第三章中， 论文参考已有的研究成果，从光栅刻蚀和集成电路刻蚀相关研究中吸取经验，通 过一系列实验验证，获取了数控化学刻蚀中刻蚀的合理配方。 在第二章节，论文对m a r a n g o n i 效应进行了深入分析研究，建立表面张力模 l o 浙江大学颈士论文 型，为界面梯度效应发生器的设计奠定基础。同时，借鉴数控小工具去除函数模 型，参考普林斯顿假设，构建了数控化学抛光函数模型，为后续的刻蚀函数的研 究和刻蚀路径的设计提供了理论参考和依据。 在第三章中，论文设计了数控化学抛光的实验平台，对整个刻蚀流程从硬件 到软件进行了详细说明，为下一步的实验研究做好准备。 在论文的第四章和第五章，论文开展了一系列的实验研究和验证。首先在第 四章中深入分析了亚表面缺陷。论文参考美国l l n l 亚表面层理论模型，探讨了 亚表面缺陷的成因，并以系列实验揭示了亚表面缺陷的结构和微观形貌。同时， 研究了亚表面缺陷与激光损伤阈值的关系。在此基础上了，论文设计了亚表面缺 陷的去除方案。 在第五章中，论文首先进行了系列实验，通过实验验i 正7 m a r a n g o n i 效应在 定点刻蚀、直线刻蚀、曲线刻蚀以及纵向刻蚀中的存在性和影响。根据以上实验 结果，结合数控化学抛光工艺的实际，论文对刻蚀稳定性和定域刻蚀进行研究， 得到一定实验条件下的刻蚀去除函数。以此为基础，论文通过优化刻蚀路径，论 文完成了大口径面型修复的研究任务，取得了预期精度。 在论文第六章的总结和展望部分，对论文的研究工作和创新点进行了概括， 并指出论文的进一步研究工作是将在线干涉测量技术引入已完成的研究成果中， 使数控化学抛光成为完备的工艺。 1 4 2 课题来源 本课题是国家自然科技基金资助项目，是同成都精密光学工程研究中心的 合作研究项目。 浙江大学硕士论文 第二章数控化学抛光相关原理 刻蚀技术是数控化学抛光工艺的基础，对它的深入了解是课题研究工作的开 端。本章首先简单介绍刻蚀技术中的干法刻蚀和湿法刻蚀的特点和应用，对于应 用于数控化学抛光工艺中的湿法刻蚀的反应机理则详细阐述。m a r a n g o n i 效应是 数控化学抛光工艺的核心，论文建立了m a r 锄g i 效应下的表面张力模型，并根 据普林斯顿假设，构建了数控化学抛光函数模型，为实验平台的设计和建立奠定 了理论基础。 2 1 刻蚀技术 刻蚀是精密加工技术的一个重要组成部分，从总体上来说，刻蚀可分为干法 刻蚀和湿法刻蚀两种。 2 1 1 干法刻蚀及其应用 干法刻蚀又分为物理性刻蚀与化学性刻蚀。研。物理性刻蚀是利用辉光放电将 气体如氩解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，使其轰击在被刻蚀物体 表面上，将被刻蚀物质原子击出。此过程完全是物理上的能量转移，因此称为物 理性刻蚀。其特色在于有很好的方向性，并可获得接近垂直的刻蚀轮廓。但由于 离子是全面均匀地溅射在晶片上的，光刻胶与欲刻蚀材料两者会同时被刻蚀，因 而刻蚀选择性偏低，而且被击出的物质并非挥发性物质，这些物质容易再沉积在 被刻蚀薄膜表面及侧壁上。因此，以完全物理方式的干刻蚀方法，在超大规模集 成制造过程中很少被使用。 而化学性刻蚀，或称等离子刻蚀，是利用等离子将刻蚀气体解离产生带电离 子、分子、电子及反应性很强的原子团的，此原予团扩散到被刻蚀薄膜表面，与 被刻蚀薄膜表面原子反应形成具有挥发性的生成物，并被真空设备抽离反应腔。 由于此反应完全利用化学反应完成，故谓之为化学性刻蚀。此刻蚀方式与湿法刻 蚀类似，只是反应物的状态从液态变成了气态，且以等离子来促进反应速度。所 以化学性干法刻蚀与湿法刻蚀具有类似的优缺点，对掩膜、基底有较高的选择比， 且也有各向同性刻蚀现象。在半导体制程中，纯化学刻蚀通常在刻蚀不需图形转 换的步骤中应用，如用于光刻胶的去除。 使用最广泛的方法是结合物理性的离子轰击与化学反应的刻蚀。此法兼具各 1 2 浙江大学硕士论文 向异性与高刻蚀选择比的双重优点，刻蚀主要由化学反应来完成，这样可以获得 高选择比。加入离子轰击的作用是：将被刻蚀材质表面的原子键破坏，以加速反 应速度；将再沉积于被刻蚀表面的产物或聚合物打掉，以便使被刻蚀表面能再与 刻蚀气体接触。而各向异性刻蚀的形成靠再沉积的产物或聚合物，沉积在刻蚀图 形上，在表面的沉积物可以被离子打掉，刻蚀可继续进行，而侧壁上的沉积物因 未受离子轰击而被保留下来，这样便可阻隔刻蚀表面与反应气体的接触，使侧壁 不受刻蚀而实现各向异性刻蚀。 干法刻蚀技术在其发展过程中，大大促进了微电子学的发展和超大规模集成 电路的生产，近些年来在光电子器件和量子器件、m e m s 1 靶的制作中也起到了重 要作用。 2 1 2 湿法刻蚀及其应用 湿法刻蚀是指使用液体化学溶液腐蚀掉加工件表面一定深度的物质，此方法 是各项同性刻蚀。湿法刻蚀所用化学溶剂通常为各类酸碱溶液。在早期的集成电 路制造中，湿法腐蚀是主要的刻蚀方法。其优点和缺点都十分明显。其优点在于 工艺步骤简单、易于实现。对掩蔽层和底层材料的选择比很高。缺点是刻蚀精度 较低，由于它是各向同性腐蚀可以产生钻蚀，很难得到较为陡直的腐蚀侧壁，可 控性、重复性差，而且腐蚀，污染环境。当被腐蚀膜层厚度与器件的最小图形尺 寸可以相比较时，器件己不能承受湿法腐蚀的钻蚀影响。 湿法刻蚀是许多工艺步骤的重要组成部分，其应用主要包括：形成腐蚀图形 ( 如形成台面结构用于器件隔离、形成栅凹槽用于改进器件特性等) 、表面清洁、 化学抛光、减薄芯片厚度、去除损伤层、此案时材料的缺陷和损伤等1 2 0 。湿法刻 蚀是通过发生在材料表面的化学反应进行的，为产生这些反应，腐蚀液必须到达 材料表面、必须与材料发生适当的反应以及反应生成物能够及时移走。 在集成电路和微光学元件的加工工艺中，等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、感 应耦合等离子体刻蚀( i c p ) 等干法刻蚀与湿法刻蚀相比较，具有各向异性刻蚀， 对刻蚀图形的分辨率高等明显优点，因而在特征尺寸为亚微米的光刻中，干法刻 蚀占着主导地位。然而湿法刻蚀相对于干法刻蚀而言，却具有以下优点：一是工 艺简单，成本便宜；二是有较好的选择性和均匀性；三是可以加工干法刻蚀无法 加工的大面积衍射光学元件。因此湿法刻蚀特别适用于制作大宽深比的大面积衍 浙江大学硕士论文 射光学元件1 2 1 1 。 湿法刻蚀技术在微流控器件 2 2 1 、衍射光学器件鲫、半导体工艺 2 4 1 等方面都 有着较为广泛的应用。 湿法刻蚀因为其广泛的应用技术较为成熟，在刻蚀机理及刻蚀特性等方面已 经有完备的理论成果和实验数据，结合数控化学抛光工艺对刻蚀液的具体需要进 行相关研究，可以加快课题的研究进程。 2 2 湿法刻蚀的反应原理 2 2 1 反应机理 光学元件材料常用的是k 9 玻璃和熔石英玻璃。其成分均为d 2 ，化学湿 法刻蚀中常用月：j r 酸作为刻蚀光学元件的试剂，它们发生的化学反应如下瞄l ： d 2 + 6 h f 专h 2 s i f 6 + 2 皿d( 2 一1 ) h f 是一种弱酸，通常情况下在水溶液中只能部分电离，存在下列平衡： h f 4 - h + + f 一 ( 2 2 ) h f + f 一r - h 且巧 ( 2 - 3 ) 因此溶液中有日+ 、，一、月耳离子和皿f 分子等粒子存在，在浓度较高的 溶液中还有少量的高阶络合离子巩，二存在。它们的浓度由溶液体系所处的状 态而定。棚p 溶液中真正能与s i o , 反应的有届譬、脚p 和少量的日。，二，反应 过程中且巧离子溶解研d 2 的速度远大于月f 分子。f 一不参加反应，h + 也不直 接参加反应，但具有定的催化作用。 船分子、尼巧和日+ 离子的吸附过程决定了反应速率。丘巧离子吸附在 石英基片的甲硅醇基( s s i o h ) 上，h f 分子吸附在临近的甲硅醇基团 ( ；s i o h ) 上，日+ 离子吸附在基片表面硅氧烷单元的“桥”氧( 研一0 一s i ) 上。 f 一离子在水f 扮s i 0 2 表面以= - s i - o s i f 方式吸附。胛和爿：巧的吸附要增 强硅氧烷单元的“桥”氧( 一0 一s i ) ，这将导致单位时间中更多的s i 一0 键断 裂，这实际上就是一种“催化作用”。因此刻蚀速度由吸附基团引起的对硅氧键 1 4 浙江大学硬士论文 的破坏速度所决定。 2 2 2 氢氟酸特性 氢氟酸是氟化氢气体的水溶液，为无色透明至淡黄色冒烟液体，有刺激性 气味。分子式胛2 风0 ，相对密度1 1 5 i 1 8 ，沸点1 1 2 2 0 c ( 按重量百分比计 为3 8 2 ) ，是一种弱酸口5 】。 氢氟酸对皮肤有强烈刺激性和腐蚀性。在湿法刻蚀实验中，要特别注意对 h f 酸的防护工作。倘若翩9 酸和皮肤接触，应立即用大量流水作长时间彻底冲 洗，尽快地稀释和冲去氢氟酸。 2 2 3 刻蚀液配方对刻蚀速率的影响 从舰酸溶液的刻蚀机理知道日+ 离子、且巧离子、月f 分子以及少量的高 阶络合离子峨，磊离子与& d 2 的作用机理是不一样的，因此可以通过添加某些 试剂来调剂这些离子、分子的浓度，从而是反应向着需要方向进行。通过分析 和实验验证刻蚀溶液h f 浓度增加会明显的加快整个反应的速度。强酸h c i 、 h n 0 3 、h ：s o , 等会对反应造成较大的影响，加入量很少会对反应起促进作用， 加入量过多会对反应其抑制作用例。 h p 溶液中加) k n h 4 f 配置成缓冲职溶液( b 搬) 是半导体加工工艺中常 用的一种方法。缓冲溶液能够在一定范围内稳定溶液的氢离子浓度，保持溶液 的p h 值，即使是加入酸或碱也可以保持基本不便。因此加入f 能够稳定 溶液，使刻蚀重复性好。 图2 1 是b h f 溶液的实验曲线图，其中溶液的p h 值通过酸性试纸测试所 得。可以看出当n h f 加入量不大时可以使刻蚀速率显著增加，加入量在一定 范围内刻蚀速度达到最大值并且基本保持不变，继续增加m l ，浓度刻蚀速度 缓慢下降。这是因为加入少量n h f 可以提高f 一离子浓度，使方程( 2 - 3 ) 的化学 平衡向右移，也就是说可以提高e 耳离子浓度，使反应速度明显增加。同时引 入的脚：离子对反应具有一定的催化作用。随着乩，加入量的增加，对反应 1 5 浙江大学硬士论文 的促进作用逐渐变小。加入量达到一定值后反应速率最快，并且在一定范围内 基本保持不变，此时溶液的有效刻蚀成份几乎全部由e f 构成。随着加入量的 进一步变大，反应速度