屈 睿，李朝將，孫元成，張曉強(qiáng)，金 鑫，李紹良，左 鎮(zhèn)

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院·北京·100081;2.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司·北京·100024;3.上海航天控制技術(shù)研究所 上海慣性工程技術(shù)研究中心·上?！?01109)

0 引 言

石英玻璃是由二氧化硅單一組分構(gòu)成的特種工業(yè)技術(shù)玻璃，具有一系列特殊的物理和化學(xué)性能，并被新材料領(lǐng)域?qū)＜易u(yù)為“玻璃之王”。由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，石英玻璃具有優(yōu)異的光學(xué)、物理和化學(xué)特性，如高強(qiáng)度、耐高溫性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性。其被廣泛應(yīng)用于光纖通信、航空航天、激光核技術(shù)、半導(dǎo)體、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域。

石英玻璃器件的加工流程一般包括切割、研磨、拋光等工序，由于其屬于脆性材料，上述加工工序容易造成其表面質(zhì)量變差(劃傷、麻點(diǎn)、粗糙度)和亞表面損傷。石英玻璃元件的表面加工質(zhì)量直接制約著整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)及相關(guān)裝備的分辨率、精度、穩(wěn)定性和可靠性等性能。表面、亞表面損傷會(huì)對(duì)元件性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如鍍層質(zhì)量、傳輸性能和由激光引起的損傷閾值降低，尤其會(huì)縮短高功率激光系統(tǒng)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、軍事和航天等領(lǐng)域所用器件的使用壽命。

隨著光學(xué)加工制造技術(shù)的不斷發(fā)展，新型光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件的精度有了更高的要求。在傳統(tǒng)的拋光工藝中，機(jī)械切削力的作用會(huì)使材料表面產(chǎn)生微裂紋和殘余應(yīng)力等亞表面損傷，故無應(yīng)力及非接觸式的納米級(jí)超精密加工已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域中的重要研究方向。

本文介紹了石英玻璃表面超精密拋光的常用方法，首先分別闡述了氣囊、磁流變等現(xiàn)代超精密加工技術(shù)的原理及其發(fā)展歷程，然后比較了各種方法的優(yōu)勢(shì)與不足，著重介紹了等離子體拋光工藝的發(fā)展，最后對(duì)等離子加工技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。

1 石英玻璃拋光技術(shù)

1.1 氣囊拋光

氣囊拋光(Bonnet Polishing，BP)是倫敦光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Walker等在20世紀(jì)90年代提出的一種拋光方法，該實(shí)驗(yàn)室與Zeeko公司合作開發(fā)了IRP系列氣囊拋光機(jī)床，為氣囊拋光技術(shù)的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)。球形氣囊內(nèi)部充氣，外部粘附一層聚氨酯拋光墊，可與被拋光的工件表面實(shí)現(xiàn)良好的貼合。氣囊由內(nèi)部電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)整充氣壓力及主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到對(duì)表面進(jìn)行修形及定量去除的目的。

Zeeko公司利用IRP系列拋光機(jī)床接連取得成果，其加工直徑范圍可達(dá)200～2400mm。Walker等利用該機(jī)床在100s內(nèi)去除材料500nm的情況下，得到的BK7玻璃試樣的表面粗糙度

R

達(dá)3nm，在另一研磨至800粒度的樣品上實(shí)現(xiàn)了

R

=2.4nm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的朱傳睿利用五軸混聯(lián)氣囊，對(duì)氣囊拋光路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并對(duì) K9 材料的光學(xué)玻璃進(jìn)行了拋光，獲得了

R

為6nm的光滑鏡面。

氣囊拋光適用于加工平面及曲率存在變化的工件，其拋光區(qū)材料去除相對(duì)均勻且無序。在加工過程中，通過調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部的氣壓，可以實(shí)時(shí)控制工件的表面質(zhì)量。由于氣囊與工件表面接觸面積連續(xù)可控，因此不需要更換不同直徑的拋研工具，便可實(shí)現(xiàn)全過程加工。但是，工具與工件的接觸面積較小，加工效率較低。同時(shí)，在拋光過程中，氣囊容易受到外界因素的影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。此外，由于需要數(shù)控技術(shù)控制拋光工具的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致了對(duì)機(jī)床精度的要求較高，設(shè)備造價(jià)昂貴，且拋光加工時(shí)間較長，容易產(chǎn)生中高頻誤差。氣囊還受限于控制技術(shù)，不易達(dá)到理想的加工條件，無法準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)加工模型。因此，氣囊拋光法難以被應(yīng)用于復(fù)雜曲率的光學(xué)元件的高精度確定性拋光。

1.2 磁流變拋光

白俄羅斯的Kordonski和美國羅切斯特大學(xué)光學(xué)制造中心(Center for Optics Manufacturing，COM)共同提出了磁流變拋光技術(shù)(Magnetorheological Finishing，MRF)。通電時(shí)產(chǎn)生的高梯度磁場(chǎng)，使得分布在拋光液中的磁性顆粒瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)?Bingham 流體，在拋光輪表面形成“柔性拋光膜”，黏度及硬度大大提高。被拋光工件在其與拋光液接觸的區(qū)域受到拋光膜的高剪切作用，達(dá)到去除工件材料的目的。當(dāng)撤去磁場(chǎng)后,磁流變液可立即恢復(fù)原狀。

隨后，Kordonski等利用磁流變技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得BK7非球面光學(xué)元件的

R

達(dá)到了1nm，熔石英球面元件

R

降至0.8nm，面形精度降至0.09μm。隨著技術(shù)改進(jìn)，COM在5～10min內(nèi)，將初始面形精度為 30nm左右的熔石英降到1nm左右。隨后，COM公司與QED公司合作，制造了Q22系列磁流變拋光機(jī)床，并成功將其實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。國防科技大學(xué)戴一帆等基于稀疏矩陣的駐留時(shí)間算法在K9平面玻璃上進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過一次迭代修形(4.39min)，其面形精度由初始的峰谷值PV=0.144

λ

(

λ

=632.8 nm)、均方根值RMS=0.031

λ

改善為PV=0.06

λ

、RMS=0.01

λ

，

R

達(dá)到了0.345nm。

與傳統(tǒng)加工方法相比，磁流變拋光加工光學(xué)表面不會(huì)隨著應(yīng)力的改變而發(fā)生形變，且在加工期間幾乎不產(chǎn)生表面損傷，能夠獲得很高的表面質(zhì)量。由磁流變效應(yīng)形成的拋光頭不會(huì)出現(xiàn)磨損，因此其去除函數(shù)完整且連續(xù)。此外，拋光液可循環(huán)使用，磨料可實(shí)時(shí)更新。然而，磁流變拋光方向單一，可能會(huì)給表面引入劃痕，影響表面質(zhì)量，同時(shí)其拋光斑點(diǎn)小，材料去除效率低。由于拋光輪半徑的限制，磁流變技術(shù)不能加工曲率半徑較小的曲面。

1.3 彈性發(fā)射拋光

彈性發(fā)射加工(Elastic Emission Machining，EEM)是由日本大阪大學(xué)Mori等提出的一種拋光方法。其原理是將聚氨酯回轉(zhuǎn)球與工件一起置于含微細(xì)粉末粒子的懸浮液中，利用回轉(zhuǎn)球與工件表面之間產(chǎn)生的流體潤滑現(xiàn)象，使得磨粒以近似水平的角度轟擊工件表面凸起部分，以達(dá)到整平的效果。該技術(shù)屬于非接觸拋光，工件與拋光盤在拋光過程中不發(fā)生接觸，僅用拋光液中的微細(xì)粒子沖擊工件表面，以獲得加工表面完美結(jié)晶性和精確形狀，其去除量為幾個(gè)到幾十個(gè)原子級(jí)。

大阪大學(xué)一直致力于EEM技術(shù)的研究和發(fā)展。Yamauchi等設(shè)計(jì)了一種噴嘴型的EEM頭，其可在工作表面產(chǎn)生高剪切速率的超純水流。在石英玻璃上進(jìn)行試驗(yàn)后，其在大于0.3mm的整個(gè)表面波長范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了1nm的面型精度(PV=1nm)=。Kanaoka等利用EEM技術(shù)制造了EUV高精度光學(xué)鏡。在兩種低熱膨脹材料(超低膨脹玻璃和微晶玻璃)的EEM實(shí)驗(yàn)加工中，

R

表面粗糙度降低到了0.1nm。大連理工大學(xué)的徐興芹針對(duì)彈性發(fā)射加工過程中材料去除的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)搭建了一臺(tái)基于圓形輪的彈性發(fā)射加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)磨粒群在拋光液中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了理論分析和建模仿真，以K9玻璃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

由于彈性發(fā)射拋光原理的特殊性，回轉(zhuǎn)球與工件表面間的間隙大小由流體動(dòng)壓效應(yīng)決定。只要懸浮液流動(dòng)狀態(tài)與微細(xì)粉末的分布狀況穩(wěn)定，單位時(shí)間內(nèi)的工件去除量亦穩(wěn)定。同時(shí)，機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍大，液體動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)，可以獲得超光滑、低損傷的表面。但是，彈性發(fā)射的拋光過程依賴于設(shè)備轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，且需要對(duì)拋光液進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)充，成本較高。由于其機(jī)理的限制，彈性發(fā)射僅適用于平坦或逐漸彎曲的表面，不能加工復(fù)雜曲率球面或常規(guī)球面。

1.4 離子束拋光

20世紀(jì)60年代，Meinel發(fā)現(xiàn)了經(jīng)離子束加工后的光學(xué)材料表面粗糙度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，遂將離子束拋光(Ion Beam Polishing，IBP)引入了光學(xué)領(lǐng)域。該技術(shù)利用離子束濺射原理完成去除加工，通過加速器獲得高能離子束并撞擊材料表面，使得大部分能量傳遞給材料表層內(nèi)的原子。受撞擊的原子同時(shí)向周圍原子傳遞能量，產(chǎn)生原子聯(lián)級(jí)運(yùn)動(dòng)，原子直接或因多次撞擊而濺射脫落。脫落的原子宏觀上形成了工件材料的去除，達(dá)到原子級(jí)拋光的目的。

Kodak公司的Allen等利用離子束技術(shù)對(duì)超低膨脹玻璃進(jìn)行了四次迭代加工，面型精度可達(dá)PV=0.17

λ

、RMS=0.015

λ

。日本航空電子工業(yè)有限公司中央研究實(shí)驗(yàn)室的Bourelle等人提出了一種基于離子束加工的氣體團(tuán)簇離子束化學(xué)機(jī)械拋光方法。這種新方法采用SF反應(yīng)性氣體團(tuán)轟擊SiO表面，使得

R

達(dá)到了0.3nm。國防科技大學(xué)的舒誼等探究了離子束入射角度對(duì)表面粗糙度的影響，得出了垂直入射表面質(zhì)量較差、傾斜入射可以改善表面粗糙度的結(jié)論。在入射角為45°時(shí)進(jìn)行拋光，熔石英樣品的表面粗糙度

R

由拋光前的(0.92±0.06)nm下降至(0.48±0.04)nm。

離子束拋光作為一種非接觸式、原子量級(jí)的去除加工方法，使被加工表面不產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且無邊緣效應(yīng)。此外，該技術(shù)的去除函數(shù)為穩(wěn)定的高斯分布，故去除率及去除量均精準(zhǔn)可控，且不會(huì)產(chǎn)生刀具磨損，是一種近乎完美的加工方式。但是，離子源的產(chǎn)生需要真空，且大尺寸的工件需要在一定規(guī)模的真空艙內(nèi)才可實(shí)現(xiàn)加工。大尺寸的工件在高真空度中難以實(shí)現(xiàn)，這成為了限制離子束加工大口徑光學(xué)元件的因素之一。此外，由于離子束原子級(jí)別的去除能力導(dǎo)致了其去除效率低下，去除效率的通常峰值只有每秒幾個(gè)納米至幾十個(gè)納米。若工件初始面型精度較差，在經(jīng)過離子束拋光后反而不能形成可觀的表面。同時(shí)，拋光過程中的離子動(dòng)能使得工件表面溫度升高，因此離子束拋光技術(shù)不能加工膨脹系數(shù)較高的脆性材料。

此外，化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)技術(shù)也可被用于石英玻璃材料的拋光，是全局化的拋光技術(shù)。該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于集成電路制造領(lǐng)域，可用于晶圓的全局表面平坦化，并可被逐步推廣至電子、光學(xué)等零件的表面精密拋光。關(guān)于上述相關(guān)應(yīng)用，已有較多文獻(xiàn)介紹，在此不做贅述。

2 石英玻璃等離子體拋光技術(shù)

等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，是受熱效應(yīng)影響而相互碰撞電離的氣體分子、原子的產(chǎn)物。等離子體含有大量正負(fù)離子及中性粒子，但其總體呈電中性。此外，等離子體還具有極強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)特性，故可被廣泛應(yīng)用于各種刻蝕拋光領(lǐng)域。該技術(shù)利用反應(yīng)氣體生成的自由基，與硅基光學(xué)表面原子發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物可作為揮發(fā)性分子被去除。同時(shí)，凸起處原子層相比其他位置優(yōu)先被移除，隨著加工的進(jìn)行，最終在宏觀上達(dá)到表面光整的目的。

等離子在拋光石英玻璃等光學(xué)元件時(shí)，一般以化學(xué)反應(yīng)為主。在實(shí)際操作中，通常以四氟化碳(CF)或六氟化硫(SF)作為反應(yīng)氣體，但這些氣體分子不足以與底物直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此只能將其首先解離成反應(yīng)性基團(tuán)。反應(yīng)性基團(tuán)難以被直接電離，故還會(huì)添加惰性氣體，如氦氣(He)，以及輔助氣體，如氧氣(O)，使得反應(yīng)氣體在惰性氣體電離氛圍內(nèi)被迫電離。

等離子體拋光石英步驟可總結(jié)為:

(1)反應(yīng)基的形成;(2)反應(yīng)基接觸石英表面；(3)石英表面原子層與反應(yīng)基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；(4)反應(yīng)氣態(tài)產(chǎn)物分子的形成；(5)反應(yīng)氣態(tài)產(chǎn)物分子的揮發(fā)。

以用SF拋光石英為例，主要反應(yīng)如下:

(1)

(2)

式中,帶有上標(biāo)星號(hào)的F表示其為強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)活性的氟自由基；SF6-(

n

=1～5)分別表示SF在高能電子撞擊下生成的分解產(chǎn)物，如SF、SF等。

由反應(yīng)方程式可知，等離子狀態(tài)下的SF分子不斷電離生成離子和活性自由基，并與石英表面原子發(fā)生反應(yīng)，最終生成的氣態(tài)產(chǎn)物SiF揮發(fā)，脫離表面。然而，SF分子并不可一步實(shí)現(xiàn)完全電離，而是分步電離。從微觀上分析，SF分子由1個(gè)S原子和6個(gè)F原子通過6個(gè)化學(xué)鍵組成，而電離過程實(shí)際是化學(xué)鍵的不斷斷裂，故反應(yīng)的伴隨產(chǎn)物包括SF、SF等。

利用等離子體與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)材料的去除，其加工屬于化學(xué)去除，不會(huì)在光學(xué)表面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力、表面及亞表面機(jī)械損傷層。最初的等離子體拋光技術(shù)可獲得近似無損的光學(xué)表面，但其對(duì)工作條件的要求較為苛刻，需要真空環(huán)境。隨后研發(fā)的大氣等離子體技術(shù)無需真空條件，能夠在常溫常壓下產(chǎn)生均勻的大面積等離子體，且具有很高的化學(xué)反應(yīng)速率。

按照大氣等離子體產(chǎn)生的方式，等離子體光學(xué)加工技術(shù)可分為微波等離子體(Micro-Wave Plasma, MWP)、電容耦合等離子體(Capacitively Coupled Plasma，CCP)和電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma，ICP)。近年來，國內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)等離子體光學(xué)加工進(jìn)行了探索與嘗試，研究出了不同種類的等離子體加工方法。后文將對(duì)大氣等離子體的加工應(yīng)用領(lǐng)域、加工方法以及國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行具體介紹。

2.1 等離子體輔助化學(xué)刻蝕

等離子體輔助化學(xué)刻蝕(Plasma Assisted Chemical Etching, PACE)由休斯·丹伯里光學(xué)系統(tǒng)的Bollinger和Zarowin等于1988年提出，是最早將等離子體應(yīng)用于光學(xué)元件制造的加工方法。PACE的整個(gè)加工過程處于真空或低壓環(huán)境(133～1330Pa)，在多孔電極和工件之間建立高壓射頻等離子放電，將反應(yīng)氣體激活為活性離子和中性粒子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件的加工。其加工過程示意圖和加工裝置圖如圖1所示。

(a)PACE加工示意圖

(b)PACE加工裝置圖圖1 PACE加工示意圖及其裝置Fig.1 The schematic and device of PACE

Zarowin等發(fā)現(xiàn)當(dāng)離子能量小于10eV時(shí)，等離子體可以避免離子濺射損壞表面，同時(shí)仍具有拋光效果。此外，他們利用傅里葉變換在給定去除量和去除效率的條件下計(jì)算出了在硅晶片表面上的駐留時(shí)間。試樣拋光后，

R

表面質(zhì)量低于10nm，且未引入表面損傷。研究人員還對(duì)PACE和離子銑削(Ion Milling，IM)進(jìn)行了比較。得出的結(jié)論是，PACE的去除速率大于10 (mm/min)，是IM的103倍，經(jīng)過等離子體拋光后SiO的

R

小于1.0nm。IM雖能達(dá)到同等精度，但對(duì)元件初始表面質(zhì)量有著較高要求。且因?yàn)樵蚊残甭实牟煌?，IM拋光后光滑的表面會(huì)保持光滑，而粗糙的表面將變得更粗糙。OCA應(yīng)用光學(xué)的Scott在Bollinger的基礎(chǔ)上，研究了PACE的去除深度，使處理后的硅表面符合低散射光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。硅晶片初始

R

在10～20nm的前提下，獲得的最終

R

表面粗糙度低至1.5nm。

2.2 等離子體噴射加工

德國萊比錫表面改性研究所的Arnold等于2001年研發(fā)了等離子體噴射加工技術(shù)(Plasma Jet Machining, PJM)。如圖2所示，惰性氣體(氬氣)和反應(yīng)性氣體混合物分別被引入到壓力為100Pa的真空室噴嘴入口處。反應(yīng)性氣體在等離子體中解離，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)性氟自由基和其他高反應(yīng)性物質(zhì)。在出口處，通過微波場(chǎng)與氣流之間的相互作用，產(chǎn)生了直徑約為12mm、長度最大為50mm的軸向?qū)ΨQ反應(yīng)等離子體射流。

(a)PJM加工示意圖

(b)PJM加工裝置圖2 等離子體噴射加工裝置Fig.2 The schematic and device of PJM

Arnold深入研究了PJM的熱效應(yīng)。當(dāng)?shù)入x子射流在材料表面按照特定路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，在掃描過程中轉(zhuǎn)移到材料表面的熱量會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工件被連續(xù)加熱。這說明材料的去除不僅取決于駐留時(shí)間(掃描速度)，還取決于等離子射流在工件上的運(yùn)動(dòng)路徑及其所產(chǎn)生的環(huán)境熱耦合。研究人員通過有限元分析模擬了溫度分布，計(jì)算出了局部刻蝕速率，進(jìn)而獲得了更為精確的駐留時(shí)間。如圖3和圖4所示，通過0.5mm半峰全寬(FWHM)等離子體射流在SiC樣品上進(jìn)行加工，使得初始面型精度PV為672nm、RMS為94nm。工件在經(jīng)過三次PJM迭代(1h加工)后，PV變?yōu)?5nm，RMS變?yōu)?.5nm。

圖3 移動(dòng)等離子體射流源的有限元示意圖Fig. 3 The FEM of the experimental setup with moving plasma jet source

(a)未加工原始形貌

(b)PJM加工后形貌圖4 SiC試樣原始形貌圖和經(jīng)過3次PJM迭代后的形貌圖Fig.4 The original interferogram and 3 PJM cycles of the SiC surface

Paetzelt等提出了大氣等離子流加工(Atmospheric Plasma Jet Machining，APJM)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2.45GHz頻率的微波能量驅(qū)動(dòng)，安裝在五軸數(shù)控機(jī)床上。其出口噴嘴的內(nèi)徑為0.75mm，采用中空陰極模式的介質(zhì)阻擋放電，以形成等離子體射流。該系統(tǒng)以135W的微波功率進(jìn)行拋光，成功將初始

R

表面粗糙度為551 nm的細(xì)磨熔融石英加工至0.64 nm，將表面粗糙度均方根

R

加工至0.27nm。

Arnold等還對(duì)其他材料(如超低膨脹玻璃)進(jìn)行了研究，并證明其適用于PJM加工。對(duì)直徑為100mm的平面工件進(jìn)行拋光后，面型精度RMS值降低至2.3nm；對(duì)另一直徑為200mm、曲率半徑為 650mm的凹球面工件進(jìn)行拋光后，RMS值降低了75%，最終值達(dá)到了2.8nm。

目前，研究人員針對(duì)N-BK7光學(xué)玻璃拋光也進(jìn)行了研究。該玻璃除包含二氧化硅外，還含有堿金屬氧化物。在室溫加工過程中，等離子體產(chǎn)生的氟自由基與N-BK7的金屬成分發(fā)生化學(xué)相互作用，導(dǎo)致形成的非揮發(fā)性化合物(如KF、NaF等)作為殘留層被保留在表面。殘留層的存在抑制甚至終止了局部表面的去除，使蝕刻速率在徑向尺寸上分布不均勻且變化劇烈。在350 °C的高溫環(huán)境下經(jīng)充分預(yù)熱后再完成加工，殘留層的結(jié)構(gòu)從室溫下的致密封閉層變?yōu)楦邷叵碌亩嗫讓?，這使得去除函數(shù)恢復(fù)了高斯形態(tài)分布。因此，氟原子可以穿透到達(dá)N-BK7的界面層并進(jìn)行蝕刻。

2.3 等離子化學(xué)蒸發(fā)加工

日本大阪大學(xué)的Mori等于1993年提出了等離子化學(xué)蒸發(fā)加工(Plasma Chemical Vaporization Machining，PCVM)的雛形。反應(yīng)氣體在150MHz高頻射頻等離子體中被激發(fā)并產(chǎn)生反應(yīng)性自由基，其基本加工機(jī)理與傳統(tǒng)的等離子蝕刻相同。與以往不同的是，等離子體是在高壓(10Pa)條件下產(chǎn)生的，因此電極表面會(huì)產(chǎn)生高密度的反應(yīng)性自由基。在Si單晶及石英玻璃上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，均取得了

R

為0.5nm的良好表面。隨后，Takino等開發(fā)了一種基于PCVM的光學(xué)表面拋光設(shè)備，如圖5所示。等離子體在管電極的尖端周圍產(chǎn)生，生成的反應(yīng)氣體自由基會(huì)與工件表面發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，該設(shè)備通過計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)控制，通過已成功推導(dǎo)的去除函數(shù)來指導(dǎo)進(jìn)給速度和進(jìn)給路徑，并精準(zhǔn)控制去除深度。實(shí)驗(yàn)表明，拋光后的石英玻璃在200mm的測(cè)量長度上獲得的

R

為0.54nm。

圖5 加工曲面的PCVM示意圖Fig.5 The schematic of PCVM for curved surfaces

Mori等研究了各種不同形狀的電極，并提出了帶高速旋轉(zhuǎn)電極的PCVM，如圖6所示。該設(shè)備基于電容耦合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過由150MHz高頻射頻激發(fā)的反應(yīng)氣體基團(tuán)在數(shù)百微米的加工間隙中與工件表面發(fā)生反應(yīng)。此外，電極可以通過旋轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)冷卻，這降低了等離子體產(chǎn)生的熱效應(yīng)。研究人員討論了去除深度與表面粗糙度之間的關(guān)系。在去除深度約為50mm的情況下，由實(shí)驗(yàn)加工的硅晶片獲得的

R

為1.4nm，同時(shí)缺陷密度達(dá)到了機(jī)械拋光或氬離子濺射加工表面的1/100。

圖6 各種旋轉(zhuǎn)電極示意圖Fig.6 The schematic of various rotary electrodes

Mori等還研究了PCVM與EEM的復(fù)合加工。通過EEM加工可輕松獲得原子級(jí)的平面質(zhì)量，但其去除速度較低，故可選用PCVM作為EEM精加工的前道預(yù)處理工序。與傳統(tǒng)的磨削方式相比，其具有更高的去除率。經(jīng)基于旋轉(zhuǎn)電極的PCVM處理過的表面精度可達(dá)PV=3.5nm、RMS=0.52nm，而經(jīng)后續(xù)EEM工藝加工后為PV=2.0nm、RMS=0.27nm。

在前述實(shí)驗(yàn)中，工件去除速度與等離子體的進(jìn)給速度呈非線性關(guān)系，故駐留時(shí)間的計(jì)算極其復(fù)雜。Takino等研究了一種去除策略，將所去除區(qū)域等價(jià)為若干工件薄層的疊加。這種策略以恒定的進(jìn)給速率掃描工件表面，避免了非線性關(guān)系的復(fù)雜計(jì)算。隨后，在90mm的平坦表面和直徑為160mm的非球面石英玻璃上進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

R

分別為0.30nm和0.37nm。

Yamamura等研究了數(shù)控PCVM和數(shù)控EEM的復(fù)合加工。實(shí)驗(yàn)對(duì)K-B聚焦單元的橢圓鏡進(jìn)行了拋光，先后通過旋轉(zhuǎn)電極型PCVM、管狀電極型PCVM和EEM分別去除了表面波長為10mm、1mm、0.1mm的幾何誤差。最終，在波長范圍大于0.5mm時(shí)，面型精度PV超過了3nm。

大阪大學(xué)的Sun等聚焦了氬-乙醇混合載氣的等離子體化學(xué)汽化加工。氦氣雖然是大氣等離子體常用的輔助氣體，但其成本高昂且貯藏有限，研究人員選擇了利用氬氣代替氦氣。在大氣壓下，氬等離子體不穩(wěn)定，添加少量的乙醇則可以產(chǎn)生穩(wěn)定且分布均勻的輝光放電等離子體。如圖7所示，在不添加乙醇的情況下，氬的高擊穿電壓將形成絲狀電弧流，由局部電弧放電而導(dǎo)致的高溫使得石英片容易出現(xiàn)破裂。添加乙醇后，可形成穩(wěn)定的輝光放電等離子體，拋光后的石英片表面更加均勻。

(a)不添加乙醇

(b)添加乙醇圖7 不同氣體成分的PCVM石英晶片F(xiàn)ig.7 Different gas composition PCVM on quartz crystal

2.4 反應(yīng)原子等離子體技術(shù)

1999年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了反應(yīng)原子等離子體技術(shù)(Reactive Atomic Plasma Technology, RAPT)。隨后，英國克蘭菲爾德大學(xué)與美國RAPT公司合作，開展了應(yīng)用RAPT技術(shù)對(duì)各種光學(xué)材料表面進(jìn)行去除的實(shí)驗(yàn)。如圖8所示，RAPT技術(shù)的原理為使用感應(yīng)耦合的射頻源在大氣壓下激發(fā)氬等離子體。將輔助氣體Ar和反應(yīng)氣體CF分別通入石英管，在下方生成活性自由氟基團(tuán)。在超低膨脹玻璃上進(jìn)行的試驗(yàn)表明，其最高去除速率高達(dá)0.55 mm/s，而當(dāng)時(shí)已知的大氣壓等離子體去除速率僅有0.019mm/s。

圖8 RAPT原理示意圖Fig.8 The schematic of RAPT

常規(guī)的機(jī)械研磨會(huì)給光學(xué)材料帶來殘余應(yīng)力，致使材料表面出現(xiàn)缺陷或裂紋。Verma等發(fā)現(xiàn)經(jīng)由RAPT技術(shù)處理后的光學(xué)表面可以揭示亞表面損傷并使之減輕。對(duì)SiC玻璃進(jìn)行應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，RAPT技術(shù)能夠降低殘余應(yīng)力，同時(shí)改善表面質(zhì)量。Subrahmanyan等利用RAPT技術(shù)多次迭代加工了凸透鏡。傳統(tǒng)的拋光迭代算法完全受表面幾何誤差控制，隨著迭代次數(shù)的增加，表面殘余應(yīng)力累計(jì)儲(chǔ)存大量應(yīng)變能，會(huì)對(duì)工件造成不可預(yù)估的損害。RAPT技術(shù)因其無接觸加工的優(yōu)勢(shì)，不會(huì)給表面帶來殘余應(yīng)力。對(duì)直徑為200mm的拋物面鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多次迭代修正后，

R

表面質(zhì)量低于1nm，并可在不到3周的時(shí)間內(nèi)被加工至0.33nm。處理結(jié)果顯示，若對(duì)工件繼續(xù)加工，

R

可能低至0.010nm。

RAPT公司隨后開發(fā)了Helios系列機(jī)床，如圖9所示。該機(jī)床的優(yōu)勢(shì)在于多個(gè)等離子體炬可同時(shí)工作，提高了光學(xué)鏡面大規(guī)模加工的速度。例如，Helios 1200可以在10h內(nèi)，在直徑為2m的光學(xué)元件上去除厚度為1μm的材料。在直徑為100mm的熔融石英透鏡上進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過兩次時(shí)長為12min的迭代，成功將初始面型精度(PV、RMS分別為0.443λ、0.124λ)降至0.076λ、0.015λ，且無邊緣效應(yīng)產(chǎn)生。

圖9 Helios 1200機(jī)床Fig.9 Helios 1200 machine tool

隨后，研究人員利用Helios機(jī)床進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。Castelli等對(duì)直徑為400mm、曲率半徑為3m的球面超低膨脹玻璃反射鏡進(jìn)行了試驗(yàn)。在第一次迭代后，成功將面型精度RMS減少了2μm以上，并且在經(jīng)過了2.5h內(nèi)的三次迭代后，實(shí)現(xiàn)了

λ

/15的精度，最終達(dá)到了

λ

/20，整個(gè)過程的收斂率達(dá)到了92%。Jourdain等對(duì)直徑為400mm、初始面型精度PV約為2.3μm的超低膨脹玻璃球面鏡進(jìn)行了試驗(yàn)， 其在2.5h內(nèi)被拋光至RMS=

λ

/15、PV=280nm。

Bennet等利用微波誘導(dǎo)等離子體，將由微波激發(fā)的等離子炬安裝在了現(xiàn)有的Helios機(jī)床上。該設(shè)備具有在300mm×300mm大小的光學(xué)元件上快速拋光的能力。如圖10所示，等離子炬通過同軸電纜連接到微波固態(tài)電源，電磁頻率為2.5GHz，最小微波功率為50W，工作時(shí)可將該值增加到100W。石英管內(nèi)通有氬氣，內(nèi)徑為4mm，外徑為6mm。相關(guān)實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中。

圖10 微波等離子體炬設(shè)備示意圖Fig.10 The schematic of MIP experimental setup

2.5 國內(nèi)大氣等離子體加工技術(shù)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王波等于2005年開始研究大氣等離子體加工技術(shù)(Atmosphere Pressure Plasma Processing，APPP)，并研制了大氣等離子體五軸加工機(jī)床。Zhang等人利用APPP，以電容耦合射頻作為激發(fā)源，開發(fā)了等離子體炬設(shè)備。在加工過程中，將He氣體和CF氣體充分混合，通過射頻電源電離，反應(yīng)氣體在等離子體中被激發(fā)，以生成高密度和高能量的反應(yīng)性自由基。生成的反應(yīng)性自由基與工件的表面原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而以原子量級(jí)去除材料。由于加工過程的本質(zhì)是化學(xué)過程，因此APPP避免了通常在機(jī)械加工過程中常出現(xiàn)的各種表面或亞表面缺陷。在硅片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了理論分析預(yù)測(cè)的表面溫度梯度，去除輪廓也與流場(chǎng)仿真模型非常吻合。在去除速度為32mm/min的前提下，最終達(dá)到了

R

=0.6nm。

此外，Zhang等還通過量子化學(xué)模擬對(duì)大氣等離子體拋光過程中超光滑表面的形成機(jī)理做出了分析。量子化學(xué)模擬可用于研究原子之間的相互作用。對(duì)單個(gè)Si-F鍵合過程的仿真表明，凸Si模型和凹Si模型之間的結(jié)合能相差0.2eV，這表明凸結(jié)構(gòu)的反應(yīng)概率高于凹結(jié)構(gòu)。如圖11所示，凸結(jié)構(gòu)與氟原子的有效接觸面積較大，而其局部原子構(gòu)型的阻擋能力較弱。自由基原子在轟擊表面時(shí)首先接觸表面上方的凸形表面，然后擴(kuò)散進(jìn)入表面下方的凹形部分，而自由基的密度在與凸形表面反應(yīng)后降低。因此，凸形表面優(yōu)先被去除，且去除速率大于凹處。隨著加工的進(jìn)行，表面逐漸整平。此外，模擬證明游離的最外層電子有助于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，因此新鮮的表面可能對(duì)APPP的拋光更為有利。

(a)凸結(jié)構(gòu)模型

(b)凹結(jié)構(gòu)模型

Jin等研究了經(jīng)大氣壓等離子體處理后熔融石英材料的表面特性。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)看似光滑的石英表面的最頂層發(fā)生等離子體蝕刻時(shí)，微裂紋、凹坑等表層損傷被揭示。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，單個(gè)裂縫橫向外擴(kuò)發(fā)展，形成了單個(gè)凹坑。相鄰凹坑間的合并形成了尺寸更大的凹坑，這種合并解釋了APPP可以減少亞表層損傷及提高表面質(zhì)量的原因。對(duì)于具有高裂紋密度的表面，APPP可以有效消除亞表面損傷。此外，XPS結(jié)果表明，在CF等離子體電離過程中產(chǎn)生的少量自由基(包括C-CF和CF-CF)，可以在拋光過程中被引入到熔融石英材料的表面。其中，碳氟自由基C-CF的相對(duì)濃度與表面粗糙度隨去除深度的變化趨勢(shì)相同。

Xin等基于實(shí)驗(yàn)和水平集算法(Level Set Method, LSM)，通過2D/3D LSM揭示了APPP加工中不同表面損傷特征下的損傷消除過程。二維建模表明，損傷密度對(duì)表面質(zhì)量的影響大于損傷深度。由于等離子體各向同性刻蝕的性質(zhì)，具有相似深度的裂紋會(huì)相互合并。如圖12所示，隨著APPP加工的進(jìn)行，表面平坦化的過程為：表面裂紋開裂形成凹坑，不同深度的凹坑合并為新的凹坑，最后形成光滑且無損傷的表面。此外，若裂紋密度較高，裂紋的外擴(kuò)與凹坑的合并可能同時(shí)發(fā)生。

圖12 等離子拋光過程示意圖Fig.12 The schematic drawing of plasma processing procedure

國防科技大學(xué)的戴作財(cái)研究了電感耦合等離子體加工熔石英的熱效應(yīng)。在分析加工熱量產(chǎn)生、傳遞及熔石英表面溫度場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，探究了抑制或減弱局部熱效應(yīng)和全局熱效應(yīng)的策略，以實(shí)現(xiàn)熔石英光學(xué)鏡面的高效加工。經(jīng)過時(shí)長為36min的三次迭代修形，熔石英的面型精度被收斂到PV=1.189

λ

、RMS=0.269

λ

。此外，還分析了磨削及研磨損傷的產(chǎn)生機(jī)理，通過劃痕、中位裂紋及側(cè)向裂紋的演變實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了等離子體高效去除熔石英表面脆性劃痕及亞表面損傷的能力。陳恒研究了電感耦合等離子體加工熔石英元件的去除函數(shù)的時(shí)變非線性，提出了脈沖迭代的駐留時(shí)間補(bǔ)償算法和光滑下降面型誤差延拓方法。隨后，利用上述理論在100mm的方鏡上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在17min內(nèi)使面型精度RMS從0.854

λ

下降到了0.122

λ

。中國建筑材料科學(xué)研究總院進(jìn)行了石英玻璃電感耦合高頻等離子體的拋光研究。孫元成等通過改變氣體組分，研究了有無 SiCl加入時(shí)不同組分氣體對(duì)高頻等離子體溫度的影響，并進(jìn)一步討論了O、Ar對(duì)石英玻璃表面的影響。實(shí)驗(yàn)采用了工作頻率為2.6MHz、輸入功率為80kW的電感耦合高頻等離子體發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)表明，O對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的阻力更小。O含量越高，等離子體電子溫度越高，越可促進(jìn)Si結(jié)合為 SiO。無論是否加入 SiCl原料，等離子體的電子溫度均隨Ar 氣體含量的增加而輕微提高，這是由于電離狀態(tài)下Ar的熱容較低、其對(duì)電子動(dòng)能的損耗較少所致。Zhang等以大氣壓下、功率為36kW、CF為工作氣體的電感耦合等離子體進(jìn)行了熔融石英拋光實(shí)驗(yàn)，研究了CF流量對(duì)熔融石英的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用高功率感應(yīng)耦合等離子體處理熔融石英的材料去除是高溫熔化、化學(xué)刻蝕蒸發(fā)和高能離子轟擊的綜合作用的結(jié)果。隨著CF流量的增加，熔融石英樣品的表面變得更加粗糙，這是由于等離子體蝕刻拓展了表面下的微裂紋并形成了凹坑。南方科技大學(xué)、中國科學(xué)院等其他國內(nèi)科研院所也進(jìn)行了針對(duì)等離子體拋光相關(guān)技術(shù)的研究。南方科技大學(xué)的Li等提出了一種基于等離子體的各向同性蝕刻拋光(Plasma Isotropic Etching Polish, Plasma-IEP)技術(shù)。通過感應(yīng)耦合等離子體對(duì)SiO進(jìn)行了各向同性蝕刻拋光，表面平滑的過程包括了凹坑的形成、重疊和合并。石英玻璃在被拋光30min后，其面粗糙度

S

從270.6nm減小到了17.4nm。Fang等基于等離子體的原子選擇性刻蝕(Plasma Atom Selective Etching, PASE)拋光了硅晶片。PASE可以在高溫下選擇性去除帶有更多Si原子的懸空化學(xué)鍵，以達(dá)到整平的目的。實(shí)驗(yàn)證明，在5min內(nèi)，Si(100)表面的

S

從195nm降低到了1.0nm以下。

3 結(jié) 論

本文闡述了多種超精密拋光方法，重點(diǎn)論述了石英玻璃等離子體拋光技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。目前，大氣等離子體拋光技術(shù)是一種趨勢(shì)，其減少了抽真空的步驟，降低了設(shè)備成本。拋光的工件材料包括了普通熔石英玻璃、超低膨脹玻璃、BK7玻璃等各種硅基材料光學(xué)元件；拋光的面型覆蓋了標(biāo)準(zhǔn)平面、凹凸透鏡、正弦表面、孔狀表面直至自由表面。為了加工微小型或復(fù)雜曲率表面，研究人員也進(jìn)行了針對(duì)電極形狀的改進(jìn)，并針對(duì)等離子體的熱效應(yīng)進(jìn)行了針對(duì)駐留時(shí)間、掃描路徑、進(jìn)給速度等的一系列仿真和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。未來，石英玻璃的等離子體拋光將呈現(xiàn)出如下發(fā)展趨勢(shì)：

(1)等離子體復(fù)合拋光：鑒于等離子體的拋光效率和質(zhì)量，其需要與其他工藝結(jié)合，并進(jìn)行復(fù)合拋光。為了削減拋光時(shí)間，需要在等離子體被加工前引入前道工序，提前產(chǎn)生具備一定質(zhì)量精度的表面；為了追求更為光滑的表面，引入了后序拋光技術(shù)。

(2)拋光機(jī)理仿真研究：由等離子體引發(fā)的熱效應(yīng)是制約表面質(zhì)量提升的最重要的因素，已有許多工作者為了消除其帶來的不利影響利用仿真優(yōu)化加工，可利用分子動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等對(duì)熱效應(yīng)的影響進(jìn)行深入研究。

此外，綠色化、智能化也是當(dāng)今世界的發(fā)展方向，反應(yīng)氣體成分及加工產(chǎn)生氣體的無污染化，高柔性等離子體智能規(guī)劃軌跡和在線補(bǔ)償機(jī)床等，都具有工程研究價(jià)值。