鄭才國， 陳慶川， 聶軍偉， 李民久， 陳美艷

（1.核工業(yè)西南物理研究院，成都610041；2.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂山614007）

0 引 言

石英玻璃具有抗激光損傷能力強、熱膨脹系數(shù)低、光譜特性好和抗熱震性能好等優(yōu)點，在航空航天大功率激光器和激光核聚變裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，石英玻璃是一種典型的高硬度、低斷裂韌性的硬脆難加工材料［1］。該光學(xué)元件加工的表面質(zhì)量將直接影響強激光系統(tǒng)的使用性能，在傳統(tǒng)的研拋加工工藝中，機械切削力的作用會使材料表面產(chǎn)生微裂紋和殘余應(yīng)力等亞表面損傷［2］，而離子束微細(xì)加工技術(shù)是通過具有一定能量的離子束射向加工工件表面，撞擊工件表面原子，實現(xiàn)原子量級無應(yīng)力、非接觸式精密加工，它具有良好的可控性、高加工精度，并且加工表面應(yīng)力和熱變形非常小，加工面潔凈無污染等特點［3］，加工精度達(dá)到納米、亞納米級。它具有傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢，受到了世界各國的高度重視，已成為光學(xué)元件的加工方法之一。

本文為避免傳統(tǒng)機械拋光加工方法對石英元件加工造成亞表面損傷，利用射頻等離子體對石英元件進行拋光加工，得到了不同工藝參數(shù)對拋光工件表面粗糙度的影響，實現(xiàn)了石英元件超光滑表面加工，同時也為硬質(zhì)材料表面的加工提供了一定的參考。

1 實驗系統(tǒng)與過程

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗在核工業(yè)西南物理研究院研制的大型射頻離子源及拋光刻蝕工藝調(diào)試平臺上進行。該設(shè)備平臺主要由線性離子源、控制系統(tǒng)、工作臺及真空抽氣系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其工作原理是在低氣壓條件下，通過高頻（13.56 MHz）的電流線圈產(chǎn)生磁場，再由交變的磁場感應(yīng)產(chǎn)生電場，從而產(chǎn)生低氣壓、高密度、有一定能量的離子束，然后撞擊到工件表面上，實現(xiàn)超光滑表面加工。

圖1 離子束拋光示意圖及離子束拋光實驗樣機

1.2 實驗過程

實驗石英樣品尺寸：直徑50 mm，厚度為4 mm，拋光實驗前，先用氫氟酸清潔樣品表面，并測試表面形貌。樣品到離子源的距離固定為110 mm，本底真空度為2.0 mPa，工作真空度為0.3 mPa。實驗前后基片的表面粗糙度均用原子力顯微鏡和干涉儀進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 離子束能量對表面粗糙度影響

離子束的能量范圍為200～800 eV，間隔為200 eV，離子束流固定在500 mA，以45°固定角入射，樣品距離離子源110 mm，工件旋轉(zhuǎn)，拋光時間為20 min。其結(jié)果如圖2所示。

圖2 表面粗糙度隨離子束能量變化曲線

從圖2可知，隨離子束能量的增加，表面粗糙度RMS先減小后增大，離子束能量200～600 eV范圍內(nèi)表面粗糙度得到明顯改善，這是離子束拋光能量的最佳范圍。當(dāng)離子束能量小于600 eV時，表面原子和入射離子交換能量，表面流動效應(yīng)占主導(dǎo)地位，表面趨于光滑；當(dāng)離子束能量為800 eV時，物理濺射效應(yīng)占主導(dǎo)地位，表面粗糙度增加。

不同離子束能量拋光后樣品表面形貌AFM測試如圖3所示。結(jié)果表明，離子束拋光后原始樣品表面上的點狀凸尖變光滑。在離子束能量從200 eV增加到600 eV的過程中，點狀凸起和凹坑之間的高度差趨于平緩，并且表面粗糙度降低；離子束能量為800 eV后，濺射效果明顯，表面形貌擾動被放大，引導(dǎo)表面生長，點狀凸起和凹坑之間的高度差增加，并且表面粗糙度增加。

圖3 AFM測試表面形貌

2.2 入射角對表面粗糙度的影響

離子束的能量固定500 eV，離子束束流固定400 mA，入射角設(shè)定在范圍15°～60°（離子束入射方向同樣品法線之間夾角），間隔15°，距離離子源110 mm，工件自轉(zhuǎn)，拋光時間為20 min。其結(jié)果如圖4所示。

圖4 表面粗糙度隨入射角變化曲線

圖4顯示了在不同入射角下拋光后樣品的表面粗糙度值，隨入射角的增加，表面粗糙度首先增加然后減小。根據(jù)B-H模型，利用不同曲率位置處的刻蝕速率關(guān)系來說明該變化規(guī)律：當(dāng)離子束入射角為15°時，樣品的表面粗糙度增加；隨入射角的增大，樣品凹坑處刻蝕速率逐漸降低，凸起處刻蝕速率逐漸增加，表面粗糙度逐漸降低；當(dāng)入射角增大到60°時，凹坑處刻蝕速率降到最小，表面平滑效果減弱。

入射角的優(yōu)化過程中，AFM測試樣品表面形貌表明，15°入射時，凹坑處濺射速率大于凸起處濺射速率，表面高度差異更明顯，并且凸起尺寸增加，通過離子束拋光后凸起尖端鈍化；隨著入射角的增大，表面趨于平緩，表面在45°入射時最平整；在60°入射時凸起基本消除，但是凹坑處濺射速率降到最低，表面平滑效果更差（見圖5）。

圖5 AFM測試表面形貌

2.3 拋光時間對表面粗糙度的影響

離子束流以45°入射，能量固定為500 eV，離子束束流固定為400 mA，試件距離離子源110 mm，對樣件拋光，工件旋轉(zhuǎn)，拋光時間范圍設(shè)定在15～90 min，間隔25 min，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 表面粗糙度隨拋光時間變化曲線

從圖6可以看出，離子束拋光過程中，隨拋光時間的增加，樣品的表面粗糙度先降低然后增加。這是因為在表面達(dá)到最佳光滑度之后，隨后的離子刻蝕又在平滑表面形成點狀自納米結(jié)構(gòu)，即分離的納米級凸起（如圖7中刻蝕65 min后樣品的表面形貌），并且表面粗糙度增加。最佳拋光時間范圍為15～40 min。

圖7 AFM測試表面形貌

3 結(jié) 論

由于石英玻璃的硬度高，采用常規(guī)的研拋加工可能會造成材料表面產(chǎn)生微裂紋和殘余應(yīng)力等亞表面損傷。通過大量的工藝試驗，研究了離子束拋光對石英玻璃表面粗糙度的影響，通過調(diào)節(jié)離子束能量、束流密度和入射角等工藝參數(shù)，得出對拋光效果的影響規(guī)律，試驗結(jié)果表明：

（1）隨著離子束能量的增加，表面粗糙度RMS先逐漸減小，然后突然增大，在200～600 eV的離子束能量范圍內(nèi)，表面粗糙度明顯提高，是離子束拋光的最佳能量范圍。

（2）離子束流最佳入射角范圍：45°～60°。

（3）隨著離子束拋光時間的增加，樣品表面粗糙度先減小后增大。最佳拋光時間范圍為15～40 min。