李佳慧，侯 溪，張 云，王 佳，鐘顯云

（1.中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都610209；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以先進(jìn)光源(Advanced Light Source,ALS)，深紫外光刻技術(shù)(Deep UltraViolet Lithography,DUVL)，極紫外光刻技術(shù)(Extreme Ultraviolet Lithography，EUVL)為代表的現(xiàn)代光學(xué)工程迫切需要具有超光滑無損表面的光學(xué)元件。以同步輻射和自由電子激光為代表的先進(jìn)光源裝置為實(shí)現(xiàn)更高的光束聚焦能力，對(duì)所用聚焦反射鏡不斷提出更為苛刻的表面粗糙度和面形精度要求[1-4]，例如：歐洲X射線自由電子激光裝置對(duì)其K-B(Kirkpatrick-Baez,KB)鏡面形精度要求高達(dá)2 nm P-V (Peak to Valley,P-V)，表面殘余斜率誤差不超過50 nrad RMS(Root Mean Square,RMS)[5]。在光刻領(lǐng)域，提高光刻分辨率的光學(xué)方法一般為減小曝光波長和增大投影物鏡的數(shù)值孔徑等。極紫外光刻技術(shù)應(yīng)用的曝光波長為13.5 nm，由于幾乎所有的光學(xué)材料對(duì)極紫外光都有很強(qiáng)的吸收性能，因此EUVL光學(xué)系統(tǒng)只能使用反射鏡，同時(shí)，為了提高反射率和分辨率，通過采用離軸結(jié)構(gòu)和復(fù)雜面形的曲面元件提高數(shù)值孔徑，這對(duì)光學(xué)制造技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。除此之外，EUVL對(duì)光刻物鏡不同頻段的表面粗糙度的要求也極為苛刻。例如：Carl Zeiss對(duì)其EUVL六鏡光刻物鏡要求如下[6]：空間波長為1μm~103μm的中頻粗糙度(Mid-Spatial Frequency Roughness,MSFR)應(yīng)小于140 pm RMS，空間波長小于1μm的高頻表面粗糙度(High-Spatial Frequency Roughness, HSFR)應(yīng)小于100 pm RMS。這使得光刻物鏡的制造技術(shù)步入亞納米階段。因此，亟需從原子尺度研究超光滑復(fù)雜曲面元件制造技術(shù)，探索超光滑制造技術(shù)新方法、新原理。

現(xiàn)代光學(xué)工程對(duì)于超光滑復(fù)雜曲面元件的制造能力提出了逼近物理極限的苛刻要求，另外難加工材料也一直是光學(xué)制造領(lǐng)域面臨的難題[7]。目前的超光滑拋光技術(shù)在殘余應(yīng)力層、亞表面損傷、邊緣效應(yīng)等方面還存在一定缺陷，無法滿足上述重大應(yīng)用對(duì)超光滑光學(xué)元件的需求。例如在射流拋光中，去除函數(shù)受壓力系統(tǒng)和沖擊距離的影響難以保持恒定；磁流變拋光技術(shù)對(duì)于中頻誤差的修正能力有限，規(guī)律的走刀路徑可能會(huì)導(dǎo)致加工后殘留中頻誤差；等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工主要用來修正低頻誤差，但對(duì)表面粗糙度的改善能力有限[8]。因此必須發(fā)展以提升光學(xué)元件表面粗糙度為目的，具有新加工原理能從原子尺度實(shí)現(xiàn)材料去除的超光滑拋光技術(shù)。

相對(duì)于其他超光滑加工技術(shù)，彈性發(fā)射加工技術(shù)能實(shí)現(xiàn)較高的加工精度，它基于化學(xué)和彈性流體動(dòng)力潤滑原理實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的材料去除，能在保持低頻面形誤差的情況下提升中高頻粗糙度[9-13]，幾乎不會(huì)引起光學(xué)元件表面晶體結(jié)構(gòu)缺陷[14]，可以實(shí)現(xiàn)曲面光學(xué)元件的超光滑加工[15]，廣泛應(yīng)用于各種材料的光學(xué)元件制造，如4H-SiC(0001)，ULE和Zerodur，SiC等[16]，是未來超精密光學(xué)制造的前沿研究方向。本文充分調(diào)研了彈性發(fā)射加工技術(shù)及裝備的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并展望了未來的可能發(fā)展方向。

2 彈性發(fā)射加工技術(shù)材料去除機(jī)理

彈性發(fā)射加工技術(shù)(Elastic Emission Machining，EEM)是由日本大阪大學(xué)的Mori等人在20世紀(jì)70年代提出的一種原子量級(jí)的超光滑拋光技術(shù)[17]?；驹砣鐖D1所示，光學(xué)元件和彈性變形恢復(fù)快的聚氨酯拋光工具浸泡在混合有納米級(jí)拋光顆粒的拋光液中，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)拋光工具旋轉(zhuǎn)促使拋光液形成流體動(dòng)壓流，流體作為載體帶動(dòng)拋光顆粒到達(dá)光學(xué)元件表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)材料去除，其材料去除機(jī)理主要包括流體特性、拋光顆粒運(yùn)動(dòng)特性和化學(xué)特性3方面。

圖1 EEM基本原理Fig.1 The basic principle of EEM

2.1 流體特性

流體是推動(dòng)拋光顆粒運(yùn)動(dòng)的載體，流體表面形成的表面張力有助于保護(hù)拋光過程中光學(xué)元件免受外部污染物的影響，在浸沒狀態(tài)下，熱傳導(dǎo)可使拋光工具和光學(xué)元件處于同一溫度狀態(tài)，有助于獲得光滑表面[18]。流體為不可壓縮牛頓流體[19]，在拋光工具和工件之間會(huì)形成一層液膜，液膜的形成與拋光工具的轉(zhuǎn)速、拋光液粘度、光學(xué)元件的粗糙度和拋光工具的形狀有關(guān)[7]，形成的液膜厚度可以用彈性流體動(dòng)力潤滑理論(Elasto-Hydrodynamic Lubricating,EHDL)求出[20]，其厚度大于拋光顆粒直徑，這有利于保護(hù)光學(xué)元件不被顆粒劃傷，分布呈現(xiàn)馬蹄形狀[21]。Cao等人通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了拋光工具載荷與液膜厚度的關(guān)系，證明了液膜的存在及液膜對(duì)拋光工具的影響[22]。Zhang等人通過用膠體二氧化硅顆粒加工熔石英光學(xué)元件，發(fā)現(xiàn)材料去除函數(shù)輪廓與液膜厚度分布一致[21]。

2.2 拋光顆粒的運(yùn)動(dòng)特性

拋光顆粒是決定光學(xué)元件發(fā)生材料去除的主要因素，研究拋光顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是闡明材料去除機(jī)理必不可少的一環(huán)。首先，拋光顆粒必須要接觸到光學(xué)元件表面，才能發(fā)生材料去除。Kanaoka等人對(duì)拋光顆粒進(jìn)行受力分析[23-24]，如圖2所示。

圖2 拋光顆粒受力分析圖Fig.2 Force analysis diagram of polishing particles

當(dāng)滿足式(1)的條件時(shí)，拋光顆粒才會(huì)到達(dá)光學(xué)元件表面。

其中FG為重力，F(xiàn)D為由于拋光顆粒和流體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的斯托克斯阻力，F(xiàn)B為指向拋光輪的浮力，F(xiàn)L為由于速度梯度產(chǎn)生的Suffman升力。

大連理工大學(xué)徐興芹基于固液兩相流理論進(jìn)一步研究了拋光顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡[25]，發(fā)現(xiàn)拋光顆粒到達(dá)光學(xué)元件表面主要集中在拋光工具最低點(diǎn)的前段位置。日本大阪大學(xué)Mori推導(dǎo)出單個(gè)拋光顆粒的運(yùn)動(dòng)方程[26,27]，采用Runge-Kutta算法計(jì)算得到了拋光顆粒運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解，并計(jì)算了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，粒徑為0.6μm的ZrO2拋光顆粒在加工過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖3所示。其中D為距離光學(xué)元件表面中心的距離，N為作用的拋光顆粒數(shù)目，KE為拋光顆粒動(dòng)能，ED為能量密度。通過計(jì)算，顆粒到達(dá)光學(xué)元件表面處的動(dòng)能遠(yuǎn)小于材料去除所需能量[28]，因此除物理碰撞外，EEM還存在拋光顆粒與光學(xué)元件相互作用的化學(xué) 反應(yīng)。

圖3 拋光顆粒作用數(shù)目、動(dòng)能、動(dòng)能密度分布圖[26]Fig.3 The number,kinetic energy, kinetic energy density distributions of polishing particles[26]

材料去除量與顆粒達(dá)到光學(xué)元件表面的數(shù)目和作用面積成正比，圖4是ZrO2顆粒加工Si(111)光學(xué)元件的材料去除深度?？梢钥闯霾牧先コ⒉粚?duì)稱，這是因?yàn)榈竭_(dá)出口處的顆粒由于具有更大的相對(duì)垂直速度而直接被彈回，因此不發(fā)生材料去除。拋光顆粒到達(dá)光學(xué)元件表面后會(huì)優(yōu)先從表面凸起的位置開始去除材料[12]，在剪切力驅(qū)動(dòng)下與光學(xué)元件發(fā)生物理化學(xué)吸附[27]，并逐步進(jìn)給最后離開光學(xué)元件表面，并且由于拋光顆粒在光學(xué)元件表面上的移動(dòng)距離大于顆粒粒徑[29]，因此所修正的空間波長范圍會(huì)大于顆粒粒徑，所以在修正高頻誤差時(shí)，應(yīng)盡量選擇直徑較小的拋光顆粒。

圖4 材料去除量[27]Fig.4 Material removal depth[27]

2.3 化學(xué)特性

化學(xué)是在分子和原子水平上研究物質(zhì)的學(xué)科，若能在加工過程中基于化學(xué)原理通過相互作用力促使目標(biāo)原子發(fā)生材料去除而不影響相鄰原子，則有利于獲得超低缺陷的表面。由于EEM加工的光學(xué)元件的發(fā)光光譜和化學(xué)加工獲得的發(fā)光光譜一致[26]，國內(nèi)外研究人員開始研究EEM中的化學(xué)特性。日本大阪大學(xué)Yamauchia[30]等人研究發(fā)現(xiàn)材料去除過程如圖5所示，游離在拋光液中的OH-離子會(huì)吸附到納米拋光顆粒表面和光學(xué)元件表面，攜帶有OH-離子的拋光顆粒和光學(xué)元件表面在接觸過程中，會(huì)脫去水分子結(jié)合到一起，此時(shí)由不同材料組成的交界面處，局部電荷上升[31]，界面處的氧原子是具有很高電負(fù)性的氧原子，因此光學(xué)元件表面第一層和第二層的原子之間的價(jià)電子會(huì)被界面氧原子捕獲，使得第一層和第二層原子間的結(jié)合力減弱[30]。日本大阪大學(xué)Inagaki等人采用分子動(dòng)力學(xué)模擬連接處的原子區(qū)域[32]，如圖6所示，通過計(jì)算1,2,3處的結(jié)合能得到數(shù)字3處結(jié)合能最小，因此若發(fā)生分離首先斷裂數(shù)字3處的化學(xué)鍵，所以當(dāng)氧原子受到流體剪切力的作用時(shí)會(huì)帶走光學(xué)元件表面第一層的原子形成材料去除。不同拋光顆粒對(duì)不同材料光學(xué)元件的第一、二層原子之間的弱化程度不同。ZrO2拋光顆粒對(duì)Si光學(xué)元件的弱化程度大于Ge光學(xué)元件[31]；對(duì)于Si光學(xué)元件，ZrO2拋光顆粒對(duì)其弱化程度大于SiO2拋光顆粒[32]；疏松欠氧型納米氧化硅拋光顆粒隨著氧原子的減少，鍵能逐漸增加，更容易撕裂光學(xué)元件表面第一層原子實(shí)現(xiàn)材料去除[33]。這證實(shí)了加工性能很大程度上取決于拋光顆粒與光學(xué)元件的匹配程度，拋光顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)材料去除也有重要影響。

圖5 納米拋光顆粒與光學(xué)元件的相互作用示意圖[30]Fig.5 Interactions between surfaces of nano polishing particles and workpiece[30]

圖6 分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)構(gòu)的原子區(qū)域[32]Fig.6 Region of atoms which is structurally optimized by molecular dynamics[32]

對(duì)光學(xué)元件表面不同位置處進(jìn)行選擇性去除是決定表面質(zhì)量的因素之一。宋孝宗分析了拋光顆粒與光學(xué)元件表面的吸附過程[34]，位于表面凸起“峰”處的原子鍵能較弱，化學(xué)活性高于“面”或“谷”，所以“峰”處原子更容易與OH?離子發(fā)生化學(xué)吸附，易與納米拋光顆粒之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

對(duì)于EEM中是否存在化學(xué)反應(yīng)還需要進(jìn)行定性分析。Peng等人采用多種光譜手段分析加工前后拋光顆粒的化學(xué)成分組成[35]，發(fā)現(xiàn)納米氧化鈰拋光顆粒在加工石英玻璃后可以檢測出Ge-O-Si吸收峰和Si成分，證明EEM中化學(xué)反應(yīng)的存在。

3 彈性發(fā)射加工技術(shù)和加工裝置

EEM加工裝置設(shè)計(jì)與EEM理論探索并行至關(guān)重要。EEM加工裝置主要包含拋光系統(tǒng)、間隙控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)。拋光間隙改變會(huì)影響拋光顆粒運(yùn)動(dòng)特性、光學(xué)元件表面所受剪切力等，因此加工過程中的間隙變化對(duì)材料去除具有重大影響，提升間隙控制精度有利于提升光學(xué)元件表面粗糙度。國內(nèi)外研究人員采用多種方式調(diào)控間隙控制系統(tǒng)，本文按照是否能對(duì)拋光間隙進(jìn)行自主反饋并使調(diào)節(jié)間隙維持恒定將其分為間隙自適應(yīng)EEM和間隙非自適應(yīng)EEM加工裝置，發(fā)展歷程如圖7所示。為精準(zhǔn)加工自由曲面，研究人員設(shè)計(jì)了多種拋光工具，這些拋光工具對(duì)流體的驅(qū)動(dòng)方式不同，表1總結(jié)了不同類型拋光工具的特點(diǎn)。

表1 彈性發(fā)射加工技術(shù)流體驅(qū)動(dòng)方式[9, 19, 26, 43, 44]Tab.1 Fluid-driven methods of elastic emission machining[9, 19, 26, 43, 44]

3.1 間隙自適應(yīng)EEM加工裝置

Mori等人最初用十字彈簧調(diào)控EEM加工間隙（圖7(a)）[31]，十字彈簧為兩根相互交叉的彈片，具有無靜摩擦，彈簧常數(shù)可調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。裝置重心經(jīng)過十字彈簧的幾何中心，豎直彈片用于承受裝置重力，當(dāng)間隙變化時(shí)結(jié)合負(fù)載支撐桿，水平彈簧所受的軸向力和橫向力均會(huì)發(fā)生改變，從而快速變形調(diào)節(jié)長度使間隙保持恒定值[36]。但是十字彈簧的設(shè)計(jì)需要考慮剛度與強(qiáng)度和懸掛在彈簧上的裝置的重量并精準(zhǔn)判斷出裝置的重心，且當(dāng)間隙精度要求很高時(shí)，十字彈簧的應(yīng)力應(yīng)變之間存在遲滯現(xiàn)象。因此十字彈簧較難在承受裝置重力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的精準(zhǔn)及快速響應(yīng)。此外，由于電機(jī)與旋轉(zhuǎn)軸連接，電機(jī)振動(dòng)會(huì)影響拋光球的穩(wěn)定性，因此難以保證流體穩(wěn)定流動(dòng)。

Mori利用浮力原理提出氣浮式EEM加工裝置[37]（圖7(b)），該裝置整體豎直放置，能較好地支撐重力，旋轉(zhuǎn)軸水平放置，光學(xué)元件放置于氣浮球的工作臺(tái)上，當(dāng)拋光間隙改變時(shí)，氣浮球會(huì)通過改變空氣量調(diào)節(jié)浮力，從而改變工件臺(tái)位置以保持拋光間隙恒定。該裝置利用工件臺(tái)的移動(dòng)改變間隙，避免了主軸旋轉(zhuǎn)與微小移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行引起的運(yùn)動(dòng)干涉，但是該裝置中軸承全部位于拋光液中，因此容易發(fā)生腐蝕，影響旋轉(zhuǎn)精度并且難以維護(hù)。

為消除傾斜式EEM中電機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致的拋光球擺動(dòng)，十字彈簧遲滯現(xiàn)象導(dǎo)致的間隙控制精度低和旋轉(zhuǎn)軸壽命短的問題，Mori利用力的平衡提出滑動(dòng)式EEM加工裝置[38]（圖7(c)），將十字彈簧改為安裝框，通過空氣軸承連接旋轉(zhuǎn)軸，以延長旋轉(zhuǎn)軸使用壽命，采用柔性接頭避免拋光球擺動(dòng)。但是當(dāng)拋光間隙變化時(shí)，壓力的改變會(huì)破壞最初滑塊與滑輪建立的平衡，因此滑塊會(huì)發(fā)生微小位移從而使得壓力與間隙保持不變。

上述裝置均未實(shí)現(xiàn)對(duì)拋光間隙的數(shù)字化精準(zhǔn)控制，吉林大學(xué)張富[39]和朱崇濤[40]通過壓電疊堆和杠桿支點(diǎn)結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)控制拋光間隙(圖7(d))。該裝置將拋光區(qū)域壓力的改變反饋到壓電疊堆使其產(chǎn)生微米量級(jí)的位移，從而實(shí)時(shí)控制拋光工具與光學(xué)元件之間的間隙，提高了加工裝置的柔順性，但該裝置壓電疊堆和旋轉(zhuǎn)軸連接可能會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。

3.2 間隙非自適應(yīng)EEM加工裝置

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為簡化拋光裝置，出現(xiàn)了采用計(jì)算機(jī)輔助方式實(shí)現(xiàn)定間隙的拋光過程。吉林大學(xué)張恩忠[41]通過采用一種六自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人倒裝在天花板上控制拋光間隙(圖7(e))，XY工作臺(tái)提供加工過程中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。國防科技大學(xué)彭文強(qiáng)[11]采用五軸聯(lián)動(dòng)型機(jī)床控制拋光間隙(圖7(g))，該機(jī)床通過采用不同的運(yùn)動(dòng)路徑可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同口徑不同類型表面的超光滑表面加工。

圖7 彈性發(fā)射加工裝置的發(fā)展歷程[11,31, 36-42]Fig.7 The development of apparatus in EEM[11,31, 36-42]

中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所王君林[42]等人設(shè)計(jì)了一種叉式支撐的拋光裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，有利于采用數(shù)控機(jī)床配合調(diào)節(jié)拋光間隙，加工時(shí)拋光液采用噴頭供給方式，避免了拋光輪浸泡在拋光液中不利于精度控制的缺點(diǎn)（圖7(f)），拋光輪可以與光學(xué)元件接觸進(jìn)行粗加工，精加工過程可以通過調(diào)節(jié)間隙使拋光過程變?yōu)榉墙佑|式，該裝置應(yīng)用范圍較廣，粗精加工可以在同一機(jī)床上完成，節(jié)省成本和時(shí)間。

就加工效果而言，間隙自適應(yīng)拋光會(huì)獲得更光滑的表面，但是裝置較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)的反饋方式需要實(shí)時(shí)補(bǔ)償加工位置變化時(shí)由定位誤差引起的微小間隙變化。相較于間隙自適應(yīng)拋光，間隙非自適應(yīng)裝置簡單，易于操作，但是對(duì)裝置的定位精度要求高，設(shè)備也會(huì)較為昂貴。

4 彈性發(fā)射加工技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用

在材料去除機(jī)理和裝置逐漸完善后，國內(nèi)外研究人員主要聚焦于如何提升彈性發(fā)射加工技術(shù)表面質(zhì)量和材料去除效率并將其應(yīng)用到超光滑光刻物鏡和高精度X射線離軸橢球反射鏡之上。

4.1 彈性發(fā)射加工技術(shù)表面粗糙度提升

在彈性發(fā)射加工中，決定最終光學(xué)元件表面粗糙度的因素有很多，如圖8所示，分析和研究彈性發(fā)射加工工藝參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化對(duì)提高拋光性能至關(guān)重要。子量級(jí)的材料去除，獲得較好的表面質(zhì)量[47]。

圖8 影響加工表面粗糙度提升的因素[11,26,28,44-47]Fig.8 Factors affecting the improvement of surface roughness in EEM[11,26,28,44-47]

不同拋光顆粒具有不同的穩(wěn)定性，彭文強(qiáng)從材料去除穩(wěn)定性方面證實(shí)當(dāng)拋光顆粒加工光學(xué)元件后會(huì)引入光學(xué)元件表面原子，從而影響拋光顆粒的化學(xué)性能，削弱其與光學(xué)元件后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)[11]。并通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)在加工石英玻璃時(shí)，具有相同組成元素的納米SiO2是理想的拋光顆粒，其材料去除穩(wěn)定性有利于保障光學(xué)元件獲得理想的表面質(zhì)量。

4.1.1 拋光顆粒對(duì)表面粗糙度提升的影響

拋光顆粒粒徑和入射角度會(huì)影響光學(xué)元件表面應(yīng)力場的形狀及強(qiáng)度，從而影響加工效果。當(dāng)粒徑和入射角度均較小時(shí)，可以在不引入晶格缺陷的情況下完成加工，拋光顆粒以近乎平行的角度入射到光學(xué)元件表面，在彈性域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原

4.1.2 超純水參數(shù)對(duì)表面粗糙度提升的影響

超純水中溶解氧濃度大于10 ppb時(shí)，均會(huì)對(duì)光學(xué)元件表面造成氧化，并且氧化層厚度分布與光學(xué)元件表面的流動(dòng)潤滑狀態(tài)有關(guān)，拋光液入口處氧化層厚度最大[46]，而且在堿性溶液中氧化速度加快，因此為提升光學(xué)元件表面質(zhì)量，應(yīng)在一定范圍內(nèi)減少拋光液中溶解氧濃度與pH值。若在含有溶解氧的超純水中加入一定量的SiO2顆粒[48]，可以有效抑制光學(xué)元件表面氧化。

4.1.3 光學(xué)元件與拋光輪轉(zhuǎn)動(dòng)方式對(duì)表面粗糙度提升的影響

彭文強(qiáng)[11]從不同去除深度表面粗糙度的原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)觀測到彈性發(fā)射加工技術(shù)對(duì)表面結(jié)構(gòu)缺陷去除的方向具有一定的選擇性：與拋光輪旋轉(zhuǎn)軸平行的方向性缺陷在加工中最容易被去除；而與拋光輪旋轉(zhuǎn)軸垂直的缺陷方向?yàn)樵摷夹g(shù)加工時(shí)最不敏感方向。

日本尼康公司Kanaoka[28]等人，通過旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件，使拋光顆粒實(shí)現(xiàn)定向的平均流動(dòng)，抑制周期性規(guī)則紋路的產(chǎn)生，如圖9所示，將由傳統(tǒng)EEM所加工光學(xué)元件的RMS從0.11 nm減小到0.05 nm，該精度是目前國內(nèi)外報(bào)道的最高精度。

圖9 光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)式EEM[28]Fig.9 Workpiece rotating type EEM[28]

為了解決光學(xué)元件旋轉(zhuǎn)只能在中心區(qū)域內(nèi)抑制紋路產(chǎn)生，無法在整個(gè)光學(xué)元件上抑制周期性紋路的缺點(diǎn)，宋辭等人開發(fā)了一種雙轉(zhuǎn)輪式EEM裝置（圖10）[49]，主要包含公轉(zhuǎn)單元以及自轉(zhuǎn)單元，采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制，該裝置可以讓拋光輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞加工中心點(diǎn)進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，擾亂拋光顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)將由徑向跳動(dòng)和切削刀紋共同引起的微細(xì)紋路均勻化，從而提升光學(xué)元件表面質(zhì)量。通過在石英玻璃上對(duì)拋光間隙、自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化，得到RMS為0.080 1 nm的超光滑表面[44]。

圖10 雙轉(zhuǎn)輪式EEM加工裝置[44]Fig.10 Illustration of dual-rotor type EEM[44]

4.1.4 去除深度對(duì)表面粗糙度提升的影響

Mori等人開發(fā)了用于X射線反射鏡的EEM裝備[45]，采用改變?nèi)コ疃鹊姆绞教岣吖鈱W(xué)元件表面質(zhì)量，當(dāng)去除深度達(dá)到8 nm時(shí)，可使光學(xué)元件的RMS從0.18 nm減小到0.08 nm，LEED(Low-Energy Electron Diffraction)和SPV(Surface PhotoVoltage)光譜觀察未發(fā)現(xiàn)該表面有晶體損傷層。該裝備加工的反射鏡在日本同步輻射裝置SPring-8的BL29XU光束線中進(jìn)行了評(píng)估，獲得了非常平穩(wěn)的光強(qiáng)分布。

除上述4個(gè)影響因素外，由于EEM是基于拋光顆粒和光學(xué)元件表面的化學(xué)作用實(shí)現(xiàn)的材料去除，故應(yīng)嚴(yán)格控制加工過程中的環(huán)境條件，避免引入其他雜質(zhì)導(dǎo)致無法達(dá)到預(yù)期的表面粗糙度[16]。

4.2 彈性發(fā)射加工技術(shù)材料去除效率發(fā)展現(xiàn)狀

彈性發(fā)射加工材料去除效率與光學(xué)元件表面的流體對(duì)光學(xué)元件產(chǎn)生的剪切力成正比[50]，其剪切力公式為：

其中μ是粘度，r是拋光輪半徑，ω是拋光輪轉(zhuǎn)速，h為液膜厚度。當(dāng)流體的潤滑狀態(tài)改變時(shí)，剪切力與各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化：

其中“IR”代表等粘剛性，“IE”代表等粘彈性，“VE”代表粘彈性，μ0是拋光液在大氣中的粘度，ξ是壓力粘度系數(shù)，p是載荷，E是有效彈性模量，C為各種狀態(tài)下刀具和光學(xué)元件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，研究材料去除效率與各個(gè)參數(shù)的關(guān)系在一定程度上可以轉(zhuǎn)換為研究剪切力與各參數(shù)之間的關(guān)系，上述公式對(duì)實(shí)驗(yàn)操作具有一定的指導(dǎo)意義。

彈性發(fā)射加工屬于原子量級(jí)的材料去除，所以在理論上材料去除效率較低。因此主要作為超高精度光學(xué)元件制造工藝路線中最后的超光滑拋光方法。在彈性發(fā)射加工技術(shù)提出初期，國內(nèi)外研究主要集中在提升光學(xué)元件表面粗糙度上，近些年，關(guān)于提高材料去除效率的研究相繼出現(xiàn)。

4.2.1 拋光顆粒對(duì)材料去除效率的影響

徐興芹[25]通過實(shí)驗(yàn)得到拋光顆粒濃度增加，材料去除效率增大，但是增加速度會(huì)逐漸變緩，因?yàn)閽伖忸w粒濃度增加會(huì)導(dǎo)致拋光顆粒之間的碰撞概率增大，減小拋光顆粒與光學(xué)元件碰撞的概率，因此材料去除效率雖然會(huì)增加但增速緩慢。Kubota等人研究了顆粒形貌對(duì)材料去除效率的影響，采用表面積大的團(tuán)聚形拋光顆粒和球形拋光顆粒加工Si(111)表面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，團(tuán)聚形拋光顆粒材料去除效率提高，但是對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度的加工能力低于球形拋光顆粒[51]。除此之外，不同種類的拋光顆粒與不同材料的光學(xué)元件作用，材料去除效率也會(huì)變化，同時(shí)光學(xué)元件材料的晶向不同，去除效率也會(huì)發(fā)生變化[27]，這表明材料去除效率很大程度上取決于拋光顆粒與光學(xué)元件的匹配程度。

表2 用不同形狀的拋光顆粒加工光學(xué)表面前后的表面質(zhì)量和材料去除效率[51]Tab.2 Surface quality and material removal rate of preprocessed and EEM processed surfaces for polishing particles with different shapes[51]

4.2.2 拋光間隙對(duì)材料去除效率的影響

流體動(dòng)壓驅(qū)動(dòng)拋光顆粒與光學(xué)元件表面接觸，剪切力驅(qū)動(dòng)拋光顆粒與光學(xué)元件表面發(fā)生材料去除。隨著拋光間隙減小，流體動(dòng)壓力在拋光輪寬度方向上的兩個(gè)峰值會(huì)逐漸分開但大小幾乎不變[52]，剪切力峰值會(huì)增大[53]。Kim采用有限元方法建模分析了拋光液的流體特性和運(yùn)動(dòng)行為[19]，模擬結(jié)果表明：拋光間隙減小會(huì)使流體速度增大，從而增加了拋光顆粒與光學(xué)元件接觸的數(shù)目，從而提高材料去除效率。

在噴嘴式EEM中，通過改變噴嘴規(guī)格（例如寬度、角度和拋光間隙）可以控制與光學(xué)元件表面接觸的流體速度分布和形成的拋光斑點(diǎn)的輪廓，從而影響材料去除效率[54]。

EEM材料去除效率很大程度上取決于拋光顆粒與光學(xué)元件的匹配程度，若光學(xué)元件材料的晶向發(fā)生變化，其匹配程度也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)光學(xué)元件和拋光液匹配好時(shí)，材料去除效率與剪切力相關(guān)，表3列出了與剪切力相關(guān)的參數(shù)，并將這些參數(shù)分為4類。各種加工參數(shù)與剪切力之間的關(guān)系與所處流體潤滑狀態(tài)有關(guān)，表4是部分參數(shù)與剪切力在不同流體潤滑狀態(tài)下的關(guān)系，因此應(yīng)該選擇合適的加工參數(shù)組合讓流體的潤滑狀態(tài)與剪切力的共同作用效果達(dá)到最佳。

表3 影響剪切力的因素Tab.3 Factors affecting shear stress in EEM

表 4參數(shù)與剪切力在不同狀態(tài)下的關(guān)系Tab.4 The relationship of parameters with shear stress in different conditions

4.3 彈性發(fā)射加工技術(shù)應(yīng)用

彈性發(fā)射加工技術(shù)早期以日本大阪大學(xué)的研究為主，主要探索彈性發(fā)射加工技術(shù)的材料去除機(jī)理，后期更多的聚焦于彈性發(fā)射加工技術(shù)的表面質(zhì)量和材料去除效率提升上。表5是彈性發(fā)射加工技術(shù)在表面粗糙度和材料去除效率方面的研究現(xiàn)狀。

表5 彈性發(fā)射加工技術(shù)在表面粗糙度和材料去除效率方面的研究現(xiàn)狀[10, 12, 14, 24, 45, 51, 55]Tab.5 Research status of surface roughness and material removal rates in EEM[10,12, 14,24, 45,51, 55]

近些年來，彈性發(fā)射加工技術(shù)在日本應(yīng)用較為廣泛，大阪大學(xué)聯(lián)合尼康公司、JTEC公司等開發(fā)了相應(yīng)裝備[56]，應(yīng)用于日本同步輻射裝置和極紫外光刻領(lǐng)域所需反射鏡的制造，并采用EEM技術(shù)為英國第三代同步輻射光源加工出具有多條橫向分離結(jié)構(gòu)的橢球反射鏡以快速改變聚焦光斑的尺寸和形狀，該反射鏡經(jīng)過鉆石光源光束測試線B16進(jìn)行測試，獲得了3種不同的聚焦光束尺寸[57]。除此之外，JTEC公司為歐洲同步輻射設(shè)施提供了橢圓柱基板以及EEM加工的短半徑光學(xué)元件[58]。歐洲同步加速器BESSY-1和X射線自由電子激光裝置目前也已應(yīng)用了由EEM制造的斜率誤差為50 nrad RMS的反射鏡，反射鏡長度可達(dá)900 mm[59]。先進(jìn)光源中X射線的聚焦光斑尺寸在逐漸減小，日本同步輻射研究中心利用等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工技術(shù)結(jié)合彈性發(fā)射加工技術(shù)后處理融合反射鏡表面鍍膜的方式逐步實(shí)現(xiàn)了反射鏡的超光滑加工[60-64]，尤其是實(shí)現(xiàn)了超高精度的柱面、非球面柱面、橢球面、具有橢圓和雙曲線形狀的共體反射鏡、深型非球面鏡等復(fù)雜曲面元件的制造[65,66]，并成功應(yīng)用于同步輻射光束線上，使聚焦光斑尺寸由亞微米過渡到納米。在未來的發(fā)展中，聚焦光斑尺寸甚至可能達(dá)到亞納米[67]，對(duì)先進(jìn)光學(xué)制造的挑戰(zhàn)會(huì)更加嚴(yán)峻。

在光刻領(lǐng)域，隨著光源波長的逐漸減小，對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度和形狀等要求也隨之提高。在極紫外光刻領(lǐng)域，尼康公司采用磁流變拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)、等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工、彈性發(fā)射加工技術(shù)等技術(shù)的特定組合實(shí)現(xiàn)了全頻段范圍內(nèi)超高精度的光學(xué)元件制造[68]。彈性發(fā)射加工技術(shù)具有在保持低頻面形誤差的同時(shí)提高中高頻粗糙度的能力，采用離子束拋光修正低頻面形誤差、彈性發(fā)射加工技術(shù)提高中高頻粗糙度的組合工藝路線已制造出低頻面形誤差、中頻粗糙度和高頻粗糙度分別為27 pm RMS，70 pm RMS，66 pm RMS的非球面鏡[69]。

總體來說，以先進(jìn)光源和極紫外光刻技術(shù)為代表的重大工程需求對(duì)超精密光學(xué)制造技術(shù)提出了苛刻要求，特別是需要在解決前道工序存留的劃痕、麻點(diǎn)、亞表面損傷等缺陷的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了原子量級(jí)的超光滑加工。

5 彈性發(fā)射加工技術(shù)的發(fā)展方向

彈性發(fā)射加工技術(shù)相對(duì)于其他超光滑拋光技術(shù)在材料去除原理上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，原子層面上的材料去除使得其原理溯源最終會(huì)歸結(jié)為分子動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)等多種前沿研究方向的交叉融合。其自上世紀(jì)提出以來，歷經(jīng)了40年的發(fā)展，但是還未像磁流變拋光、氣囊拋光等超光滑加工技術(shù)那樣形成完整的工藝流程與裝備。這與其難以闡明的材料去除機(jī)理有很大關(guān)系。我國彈性發(fā)射技術(shù)相關(guān)研究起步較晚，目前主要集中在機(jī)理研究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和基礎(chǔ)裝置搭建初期階段，在裝備與應(yīng)用方面相對(duì)國外還存在一定差距?；趶椥园l(fā)射加工技術(shù)原理上的先進(jìn)性，深入開展其相關(guān)研究可以為先進(jìn)光源、極紫外光刻等超精密光學(xué)提供一種有效的技術(shù)手段。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，彈性發(fā)射加工技術(shù)未來可能的發(fā)展方向有如下幾方面：

(1)完善彈性發(fā)射加工技術(shù)原子量級(jí)材料去除機(jī)理理論：目前對(duì)材料去除機(jī)理的研究主要是通過實(shí)驗(yàn)和仿真，沒有具體的化學(xué)、物理原理和數(shù)學(xué)模型公式，這對(duì)彈性發(fā)射加工技術(shù)的運(yùn)用造成一定困難。要想使彈性發(fā)射加工技術(shù)發(fā)揮其原子去除優(yōu)勢(shì)，結(jié)合彈性力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)知識(shí)，利用未知參數(shù)盡可能少的具體理論公式、數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)模型描述拋光顆粒與光學(xué)元件的相互作用過程，清晰闡明彈性發(fā)射加工技術(shù)的材料去除機(jī)理是不可或缺的基石，唯有將基石打牢才能更好地優(yōu)化彈性發(fā)射加工技術(shù)的相關(guān)工藝。

(2)設(shè)計(jì)彈性發(fā)射加工技術(shù)可控高斯型拋光工具：為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面的穩(wěn)定確定性去除，開發(fā)能與光學(xué)表面形狀高度匹配的拋光工具至關(guān)重要。算法優(yōu)化疊加控制程序保證拋光工具在具有高斯型去除函數(shù)輪廓時(shí)穩(wěn)定進(jìn)給以實(shí)現(xiàn)確定性拋光，這是提升光學(xué)元件表面質(zhì)量關(guān)鍵一環(huán)。

(3)建立彈性發(fā)射加工技術(shù)表面粗糙度和材料去除效率預(yù)測模型：預(yù)測表面粗糙度和材料去除效率是決定成本的重要因素，若能建立多工藝參數(shù)材料去除基本模型，結(jié)合補(bǔ)償算法，聯(lián)系深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析建立表面粗糙度預(yù)測和材料去除效率模型用于指導(dǎo)超高精度光學(xué)元件制造對(duì)實(shí)現(xiàn)超光滑光學(xué)元件廣泛應(yīng)用以及快速制造具有重要意義。

(4)研究彈性發(fā)射加工技術(shù)離軸非球面關(guān)鍵技術(shù)：為實(shí)現(xiàn)彈性發(fā)射加工技術(shù)在高端光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用，需研究離軸非球面彈性發(fā)射光學(xué)制造理論及工藝路線。通過提煉離軸非球面彈性發(fā)射光學(xué)制造中的關(guān)鍵理論，結(jié)合相應(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式建立材料去除基本模型，編寫特定表面輪廓優(yōu)化算法，變曲率去除函數(shù)建模與補(bǔ)償算法，建立動(dòng)態(tài)駐留時(shí)間模型及算法，探索離軸非球面彈性發(fā)射制造工藝路線，為高端光學(xué)系統(tǒng)中離軸非球面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

(5)彈性發(fā)射加工技術(shù)超光滑表面發(fā)展方向：實(shí)現(xiàn)超光滑復(fù)雜曲面光學(xué)元件精密制造是彈性發(fā)射加工技術(shù)未來的發(fā)展方向，完整的工藝路線和裝備結(jié)合工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)離軸非球面、異形鏡等復(fù)雜曲面光學(xué)元件的中高頻誤差抑制，對(duì)推動(dòng)先進(jìn)光源和極紫外光刻技術(shù)等重大工程實(shí)施具有重要意義。

(6)研制彈性發(fā)射加工技術(shù)裝備：為實(shí)現(xiàn)對(duì)多種形式光學(xué)元件的智能化確定性去除，彈性發(fā)射加工技術(shù)設(shè)備研制需要包含眾多模塊（圖11），對(duì)如此多的模塊進(jìn)行集成會(huì)涉及物理、先進(jìn)制造、精密機(jī)械、智能控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息感知與處理智能算法和大數(shù)據(jù)等多種學(xué)科的交叉融合。力學(xué)、傳感、精密機(jī)械、自動(dòng)化結(jié)合智能控制能夠通過更合理的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)提高對(duì)拋光間隙的控制能力。智能算法結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠提高裝備的加工性能。

圖11 彈性發(fā)射加工裝備Fig.11 EEM system equipment

6 結(jié)束語

彈性發(fā)射加工技術(shù)是從原子量級(jí)上提升光學(xué)元件表面中高頻粗糙度的有效手段，可以實(shí)現(xiàn)超高精度平面和復(fù)雜曲面的制造，能夠滿足未來先進(jìn)光源和極紫外光刻等現(xiàn)代光學(xué)工程對(duì)超光滑光學(xué)元件加工的精度要求。本文綜述了彈性發(fā)射加工技術(shù)在材料去除機(jī)理、裝置優(yōu)化、加工特性和工藝規(guī)律4方面的技術(shù)發(fā)展方向與最新研究進(jìn)展，展望了彈性發(fā)射加工技術(shù)可能的發(fā)展方向。