CN102896558A - 基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法，包括以下步骤：先采用化学机械抛光方法对氟化钙单晶先进行抛光，去除氟化钙表面的表面损伤和亚表面损伤，露出理想的原子层，获得超光滑的晶体表面；再采用离子束抛光方法对前述步骤获得的超光滑的晶体表面进行面形精度提升，实现纳米级或亚纳米级面形精度和超光滑表面的氟化钙晶体超精密加工。本发明的加工方法能充分利用化学机械抛光和离子束抛光两种技术手段各自的技术优势，且加工效率高、加工精度高、产品质量好。

Description

基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法

技术领域

本发明涉及氟化钙晶体的超精密加工技术领域，尤其涉及一种采用多种抛光方法相结合的氟化钙单晶超精密加工方法。

背景技术

氟化钙晶体在0.125nm～10μm波段具有优异的透射率，且具有优异的消色差和复消色差能力，被广泛地用于制造透镜、棱镜和窗口光学元件。特别是，随着光刻技术向着短波长转移，氟化钙以极高的紫外透射率、高的激光损伤阈值、低的双折射率和高的折射率均匀性，成为光刻系统和高能量紫外激光系统的首选透镜材料。优异的光学表面是获得高光学性能的基础。紫外波段的应用在要求氟化钙面形精度的同时，还要求极小的表面粗糙度，而且高的抗激光损伤阈值和紫外透射率要求没有亚表面损伤的超光滑表面。以193nm光刻物镜为例，要求表面粗糙度优于0.5nm rms，面形精度达纳米级。

然而，氟化钙晶体宏观硬度低、易破碎、各向异性、具有相对较高的热膨胀系数，这对超精密加工提出巨大挑战，紫外波段的氟化钙晶体超精密加工已成为制约我国深紫外光学系统发展的关键因素之一。传统的研磨抛光加工方法和单点金刚石切削难以获得理想的面形精度，加工后的氟化钙（111）晶面呈现三个高区和三个低区的扇形结构（称为“三瓣效应”），这是由于氟化钙的硬度与表面晶向有关，使得材料去除率呈现各向异性，且车削时存在脆性区域和塑性区域，脆性区域内容易产生微小破碎点，造成脆性损伤。此外，传统的研磨抛光液中抛光粉容易团聚，在质软的氟化钙表面会形成划痕、杂质嵌入等损伤。磁流变抛光技术可以通过改变局部区域的驻留时间或材料去除速率克服“三瓣效应”，但是它难以避免磁流变液中的铁粉和抛光粉嵌入抛光后的光学表面。浮法抛光和化学机械抛光是获得无损伤超光滑表面的理想方法，但是难以获得纳米面形精度的表面，尤其是球面和非球面已超出现有浮法抛光和化学机械抛光的加工范围。离子束抛光是获得纳米级甚至亚纳米级面形精度表面的最好方法，且不会产生表面和亚表面损伤，但离子束抛光难以同时去除初始表面形成的划痕、杂质嵌入、脆性破坏等损伤，这些损伤均难以通过现有技术去除。因此，单一使用上述方法均难以满足紫外波段对氟化钙高精度和超光滑表面要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能充分利用化学机械抛光和离子束抛光两种技术手段各自的技术优势、且加工效率高、加工精度高、产品质量好的基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法，包括以下步骤：

（1）化学机械抛光：采用化学机械抛光方法对氟化钙单晶先进行抛光，去除氟化钙表面的表面损伤和亚表面损伤，露出理想的原子层，获得超光滑的晶体表面；经化学机械抛光后的氟化钙晶体会具有一定的面形精度，一般来说，在化学机械抛光获得超光滑表面的前提下，应使抛光后晶体表面的面形精度尽可能提高，因为后续的离子束抛光的材料去除率相对较低，如果化学机械抛光后能够同时获得较高精度的面形误差，则可以大大减小后续离子束修形工艺中材料的去除量，提高加工效率，并且有效降低离子束抛光对表面粗糙度的破坏程度；

（2）离子束抛光：采用离子束抛光方法对步骤（1）获得的超光滑的晶体表面进行面形精度提升，离子束抛光过程中采用有利于表面粗糙度的工艺参数，以便在提升面形精度的同时，不破坏或者少破坏步骤（1）所获得的表面粗糙度，实现纳米级或亚纳米级面形精度和超光滑表面的氟化钙晶体超精密加工。

上述的超精密加工方法并不局限于氟化钙单晶材料，只要该材料可以适用化学机械抛光和离子束加工抛光即可，基于加工材料的不同，对应于化学机械抛光中相应选择不同的抛光液即可。

上述的氟化钙单晶超精密加工方法，所述化学机械抛光方法优选是指利用抛光液对氟化钙单晶工件表面先进行化学腐蚀，使工件表面形成一层软化层，再通过计算机控制光学表面成形方法（Computer Controlled Optical Surfacing，CCOS）去除该软化层即可。在前述优选的化学机械抛光方法中，其改进点特别体现在软化层的去除方式上，其有别于图1所示抛光硅片的传统化学机械抛光方法，本发明采用了CCOS技术进行软化层的去除。CCOS技术优选是指采用一远小于工件的抛光盘在计算机控制下以特定的路径和速度在工件表面上运动以修正面形误差；所述抛光盘具有三个直线轴和两个转动轴运动自由度，且所述抛光盘每一时刻只对工件表面的单个局部子孔径区域进行抛光，所述计算机通过控制抛光盘在单个局部子孔径区域内的驻留时间来控制其对工件表面的材料去除量，以达到修正面形误差、提高面形精度的目的。此外，通过对抛光盘运动的精确控制，可以实现对氟化钙单晶球面和非球面工件进行抛光，克服了传统化学机械抛光方法难以抛光氟化钙单晶非球面的缺陷。

上述的氟化钙单晶超精密加工方法，所述抛光液优选是指由标称直径为纳米级的石英粉配制的碱性胶状悬浮液。在碱性水溶液条件下，SiO₂对CaF₂产生化学腐蚀作用，在CaF₂晶体表面生成软化层，该软化层在机械作用下被去除，露出理想原子层，获得无损伤的超光滑晶体表面。具体来说，抛光液中的OH^－在氟化钙晶体表面与CaF₂中的F^—交换，形成-Ca-O-H基团，同时在抛光液中的SiO₂颗粒表面形成Si-O-H键；纳米级的SiO₂吸附在氟化钙晶体表面，Si-O-H键中的H⁺与晶体表面的Ca-O-H中的OH^－结合释放水分子，最终形成Si-O-Ca键的表面附着物质，该层物质在机械作用下被去除，露出理想原子层，获得无损伤的超光滑晶体表面。因此，采用上述优选的抛光液最后在工件表面形成的所述软化层主要由Si-O-Ca键的表面附着物质组成。

上述的氟化钙单晶超精密加工方法，所述的表面和亚表面损伤一般是指传统机械研磨抛光或单点金刚石车削加工方法在氟化钙单晶表面产生的（脆性、塑性）划痕、脆性微破碎或表面杂质嵌入等缺陷。

在后续的离子束抛光提升氟化钙面形精度的过程中，应当采用有利于表面质量提升的离子束抛光加工工艺参数，以便在获得高精度面形的同时，有效地保护化学机械抛光获得的氟化钙晶体超光滑表面不被破坏。所述的有利于表面质量提升的离子束加工工艺参数是指通过具体的实验研究离子束抛光工艺参数对化学机械抛光后氟化钙表面粗糙度的影响规律，并根据实验研究的结果进行优化选取的工艺参数。因此，在上述的氟化钙单晶超精密加工方法，所述离子束抛光方法中的工艺条件优选为：离子束入射角度优选为20°～60°（特别优选为40°），离子能量优选为300eV～700eV （特别优选为500eV），溅射深度采用能满足面形精度要求的最小溅射深度。其中，优化后的离子束入射角度在很大程度上将不再是沿着工件表面法线方向的0°角入射，在离子束修正面形误差时，将会采用固定的倾斜角度入射。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对深紫外光学系统（紫外波段）对氟化钙晶体高精度、超光滑无损表面的技术要求，采用了化学机械抛光技术和离子束抛光技术相结合的组合式加工工艺，以实现氟化钙单晶的高精度、超光滑表面加工。本发明的加工方法充分利用和结合了化学机械抛光和离子束抛光两种技术手段各自的技术优势，其不仅可以获得无表面和亚表面损伤的超光滑氟化钙表面，而且可以尽最大程度提升氟化钙表面的面形精度，实现对氟化钙单晶的超精密、高效率、高质量的加工。

附图说明

图1为传统化学机械抛光原理示意图。

图2为本发明化学机械抛光原理示意图。

图3为本发明实施例的化学机械抛光过程中氟化钙晶体表面粗糙度随材料去除深度增加的演化图。

图4为本发明实施例中化学机械抛光前氟化钙晶体表面粗糙度检测结果。

图5为本发明实施例中化学机械抛光后氟化钙晶体表面粗糙度检测结果。

图6为本发明实施例中化学机械抛光前、后的PSD曲线比较图。

图7为本发明实施例中离子束溅射深度对氟化钙晶体表面粗糙度的影响曲线。

图8为本发明实施例中离子束入射角度对氟化钙晶体表面粗糙度的影响曲线。

图9为本发明实施例中离子束抛光前氟化钙晶体表面粗糙度检测结果。

图10为本发明实施例中离子束抛光后氟化钙晶体表面粗糙度检测结果。

图11为本发明实施例中离子束抛光前氟化钙晶体面形精度检测结果。

图12为本发明实施例中离子束抛光后氟化钙晶体面形精度检测结果。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

一种本发明的基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法，加工对象为直径100mm（有效口径90mm）、厚度10mm的CaF₂（111）平面工件（两块工件进行平行试验，其中一块用于工艺参数优化），本实施例的加工方法包括以下步骤：

1. 化学机械抛光：

本实施例采用的化学机械抛光方法是指利用抛光液对经过机械抛光的初始CaF₂（111）平面工件表面先进行化学腐蚀，使工件表面形成一层软化层，再通过计算机控制光学表面成形方法去除该软化层即可。本发明化学机械抛光的原理如图2所示。本实施例中的计算机控制光学表面成形方法是指采用一远小于工件的抛光模（即抛光盘）在计算机控制下以特定的路径和速度在工件表面上运动以修正面形误差。本实施例的抛光模为55#软沥青抛光模，沥青抛光模表面刻有交错的微细凹槽，本实施例的沥青抛光模具有三个直线轴和两个转动轴运动自由度，且抛光模每一时刻只对工件表面的单个局部子孔径区域进行抛光，计算机通过控制抛光模在单个局部子孔径区域内的驻留时间来控制其对工件表面的材料去除量，以达到修正面形误差、提高面形精度的目的。本发明采用的抛光液为纳米级SiO₂抛光粉配制的质量百分比为6%的碱性胶状悬浮抛光液（pH=10）。

图3示出了在本实施例化学机械抛光作用下，工件表面粗糙度及表面形貌随去除深度增加的演化图。由图3可见，经机械抛光过程后的初始CaF₂（111）工件表面形成有大量的表面和亚表面损伤。在光学轮廓仪下观测到初始CaF₂（111）工件表面存在此前机械抛光中抛光粉产生的大量划痕，这些划痕被机械抛光中产生的再沉积层覆盖；随着再沉积层在本步骤的化学机械抛光过程中被逐步去除，其亚表面损伤也逐渐暴露出来，划痕变大变深，表面粗糙度逐渐增加，并在损伤完全暴露时达到最大值（参见图3中的峰值）；由于表面凸起区域的抛光压力大，材料去除率大，随着化学机械抛光去除深度的不断增加，之前充分暴露出的划痕逐渐变浅变细，表面粗糙度达到最大值后亦逐渐减小；当氟化钙表面的表面损伤层和亚表面损伤层被完全去除后，理想的原子层暴露出来，并获得了超光滑表面。

图4、图5分别示出了本实施例化学机械抛光前、后氟化钙表面粗糙度经Zygo New View 700白光干涉仪10X镜头（0.94×0.7mm²）测量结果。由图4可见，化学机械抛光前的表面粗糙度高达0.82nm rms、0.569 nm Ra（0.94×0.7 mm²）；由图5可见，经过本实施例的化学机械抛光后工件表面粗糙度降为0.277nm rms、0.218 nm Ra（0.94×0.7 mm²），且表面无划痕。

经化学机械抛光后的工件具有一定的面形精度，一般来说，在化学机械抛光获得超光滑表面的前提下，应使抛光后工件表面的面形精度尽可能提高，因为后续的离子束抛光的材料去除率相对较低，如果化学机械抛光后能够同时获得较高精度的面形误差，则可以大大减小后续离子束修形工艺中材料的去除量，提高加工效率。图6示出了化学机械抛光前后工件表面粗糙度的PSD曲线，由图6可见，化学机械抛光后的表面粗糙度的PSD曲线明显低于化学机械抛光前的表面粗糙度的PSD曲线，这也说明本实施例的化学机械抛光适合于获得超光滑的氟化钙晶体表面。

2. 离子束抛光：

采用离子束抛光方法对步骤1获得的超光滑的氟化钙（111）晶体表面进行面形精度提升，实现纳米级或亚纳米级面形精度的氟化钙表面。在用离子束提升面形质量的过程中，应避免或减小对超光滑表面的破坏，而入射角度和材料去除深度等工艺参数对工件表面粗糙度有重要影响。为此，我们对离子束入射角度和溅射深度与氟化钙表面粗糙度的关系进行了深入的实验研究。我们在自研的离子束抛光机床KDIBF650-5V上进行，入射角度分别设定为0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°，离子束径为18mm，每组参数扫描区域为20×25 mm²，入射离子能量设定为500 eV。

图7示出了不同入射角度下氟化钙表面粗糙度随离子束轰击表面溅射深度的演化曲线，由图7可见，随着材料去除深度的增加，氟化钙晶体表面粗糙度变得粗糙。

图8示出了不同溅射深度下氟化钙表面粗糙度随离子束入射角度变化的演化曲线。由图8可以看出，离子束以 40°角入射时，表面粗糙度变化最小，随着入射角度向40°以外的低角度和高角度延伸，则表面变得更加粗糙，可见，离子束以40°角入射抛光有利于超光滑表面的保持。

因此，在利用离子束抛光提升氟化钙单晶面形精度时采用离子束与氟化钙表面法线成40°角倾斜入射，离子束抛光对象为上述有效口径为90 mm、厚度10mm的氟化钙（111）晶体表面，晶体已通过步骤1的化学机械抛光。所用离子束入射离子能量为500 eV，工作压强为2.1×10^-2 Pa。由图9和图10可见，离子束抛光前后的表面粗糙度由0.268 nm rms、0.21 nm Ra变化为0.281 nm rms、0.22 nm Ra，测量区域为0.94×0.7 mm²；由图11和图12可见，离子束抛光前后面形精度由原先的169.69 nm PV、41.24 nm rms 收敛到13.14 nm PV、1.06 nm rms。

综上，经过本实施例的组合式加工，最后得了高精度、超光滑的氟化钙晶体表面，这说明本发明所提出的化学机械抛光与离子束抛光相结合的加工工艺方法有效地实现了氟化钙晶体的超精密加工。

Claims (6)

1.一种基于化学机械抛光和离子束抛光组合工艺的氟化钙单晶超精密加工方法，包括以下步骤：

（1）化学机械抛光：采用化学机械抛光方法对氟化钙单晶先进行抛光，去除氟化钙表面的表面损伤和亚表面损伤，露出理想的原子层，获得超光滑的晶体表面； 

（2）离子束抛光：采用离子束抛光方法对步骤（1）获得的超光滑的晶体表面进行面形精度提升，实现纳米级或亚纳米级面形精度和超光滑表面的氟化钙晶体超精密加工。

2.根据权利要求1所述的氟化钙单晶超精密加工方法，其特征在于，所述化学机械抛光方法是指利用抛光液对氟化钙单晶工件表面先进行化学腐蚀，使工件表面形成一层软化层，再通过计算机控制光学表面成形方法去除该软化层即可。

3.根据权利要求2所述的氟化钙单晶超精密加工方法，其特征在于，所述计算机控制光学表面成形方法是指采用一远小于工件的抛光盘在计算机控制下以特定的路径和速度在工件表面上运动以修正面形误差，所述抛光盘具有三个直线轴和两个转动轴运动自由度，且所述抛光盘每一时刻只对工件表面的单个局部子孔径区域进行抛光，所述计算机通过控制抛光盘在单个局部子孔径区域内的驻留时间来控制其对工件表面的材料去除量。

4.根据权利要求2所述的氟化钙单晶超精密加工方法，其特征在于，所述抛光液是指由标称直径为纳米级的石英粉配制的碱性胶状悬浮液。

5.根据权利要求1所述的氟化钙单晶超精密加工方法，其特征在于，所述的表面和亚表面损伤是指传统机械研磨抛光或单点金刚石车削加工方法在氟化钙单晶表面产生的划痕、脆性微破碎或表面杂质嵌入缺陷。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的氟化钙单晶超精密加工方法，其特征在于，离子束抛光方法中的工艺条件为：离子束入射角度为20°～60°，离子能量为300eV～700eV，溅射深度采用能满足面形精度要求的最小溅射深度。

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