1基本原理

 

　　數(shù)控化學(xué)拋光技術(shù)的基礎(chǔ)Marangoni界面效應(yīng)，其基本原理如1所示，這一物理效應(yīng)在光學(xué)工業(yè)上的應(yīng)用始于1990年，當(dāng)時(shí)Leenaars Huethorst提出了“Marangoni干燥”的原理，其基本思想就是采用可揮發(fā)的乙醇類蒸汽噴射光學(xué)表面，由于乙醇揮發(fā)形成的的溫度梯度（即Marangoni表面張力梯度）迅速將使液膜表面產(chǎn)生收縮，從而達(dá)到干燥表面的目的，這樣就避免了加熱干燥或離心旋轉(zhuǎn)的方法去除液膜，容易在光學(xué)表面上形成污染的缺點(diǎn)。后來美國LLNL將這一效應(yīng)用于衍射光學(xué)元件制造中，利用乙醇揮發(fā)形成的表面張力梯度來控制HF腐蝕液在熔石英表面的刻蝕區(qū)域和刻蝕速度，從而完成高精度衍射光學(xué)元件的加工。

 

　　從1可看出，數(shù)控化學(xué)拋光技術(shù)借鑒了小工具數(shù)控拋光的基本工藝思想，采用濕法化學(xué)刻蝕的機(jī)理，這樣工藝參數(shù)可控性強(qiáng)。另外由于使用腐蝕液對(duì)基片進(jìn)行柔性加工，因此加工過程中不會(huì)產(chǎn)生附加的機(jī)械接觸應(yīng)力及摩擦熱應(yīng)力，也不會(huì)形成亞表面缺陷。

 

　　數(shù)控化學(xué)拋光理論模型的建立，也是基于Preston假設(shè)其中：h是某一個(gè)點(diǎn)上材料表面的高度，K是一個(gè)由材料特性與溫度等因素決定的比例常數(shù)，v是t時(shí)刻化學(xué)刻蝕頭在材料表面一個(gè)點(diǎn)上的移動(dòng)速度，s是t時(shí)刻該點(diǎn)所處位置溶液的濃度。因此當(dāng)已知某一區(qū)域的刻蝕速度和溶液濃度后，根據(jù)作用時(shí)間t就可以計(jì)算出表面材料的去除量加工經(jīng)過時(shí)間t后材料的表面高度。

 

　　2制造設(shè)備及工藝流程

 

　　數(shù)控化學(xué)拋光設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)如2所示，2（a）中虛線框內(nèi)的是加工過程中的核心，即化學(xué)刻蝕部分。由于CPP元件面型比較復(fù)雜，空間周期較小且具有隨機(jī)變化的特征，相位深度較大，這使得制造過程遠(yuǎn)比普通光學(xué)元件要困難。有效的加工首先要確保有一套合適的刻蝕頭，即化學(xué)磨頭。該化學(xué)磨頭首先要在加工過程中保證有效的空間周期，同時(shí)必須有很好的刻蝕函數(shù)形狀。

 

　　由于化學(xué)磨頭的形成是比較復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，建立完整的數(shù)學(xué)模型比較困難，因此需要通過改變液體出口尺度和液柱的多孔分割方式來制作小尺度的化學(xué)磨頭?？紤]到CPP元件面形的復(fù)雜性，為了能夠通過刻蝕有效地獲得元件表面的細(xì)節(jié)特征，首先要求刻蝕頭尺寸盡可能小。另外，為了減小刻蝕過程中可能導(dǎo)致的誤差積累，要求刻蝕區(qū)域具有陡邊的特點(diǎn)。根據(jù)這種設(shè)計(jì)思路，我們制作出的化學(xué)磨頭的尺寸為5 mm，刻蝕函數(shù)具有矩形函數(shù)的形式，如3所示。

 

　　在加工過程中將基片定位好后，根據(jù)CPP的設(shè)計(jì)要求，來選擇合適尺寸的磨頭對(duì)基片進(jìn)行刻蝕。

 

　　對(duì)于光學(xué)玻璃類元件有效的化學(xué)刻蝕溶液為氫氟酸水溶液體系。氫氟酸水溶液在濃度較大的情況下具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，這不僅對(duì)工作環(huán)境造成污染，同時(shí)對(duì)被加工基片表面也會(huì)造成不可控的刻蝕污染。因此我們需要制備一個(gè)氫氟酸濃度較低，刻蝕速率較高，溶液體系相對(duì)穩(wěn)定的刻蝕溶液體系。

 

　　在HF溶液中加入NH4F配制成緩沖HF溶液（BHF）能夠在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定溶液的H +濃度，保持溶液的pH值，因此能夠穩(wěn)定溶液刻蝕速率。少量加入NH 4F可以提高溶液中的HF2-離子濃度，同時(shí)引入的NH4+離子對(duì)反應(yīng)具有一定的催化作用，能使反應(yīng)速度明顯增加。為了尋找合適的添加量，我們針對(duì)5%的氫氟酸溶液展開了具體的實(shí)驗(yàn)。4為NH4F實(shí)驗(yàn)曲線，從圖中可以看出當(dāng)NH 4F加入量不大時(shí)刻蝕速率隨添加量的變化成正比例關(guān)系，當(dāng)加入量在10%～13%之間達(dá)到*大值，隨后刻蝕速率趨于飽和。相應(yīng)的沒加入NH4F的溶液相比，加入10%～13%的NH4 F能夠使刻蝕速率提高3.5倍左右。因此選擇這個(gè)區(qū)間作為工作區(qū)間有利于控制CPP基片的刻蝕。

 

　　另外，拋光過程中，刻蝕溶液的溫度對(duì)加工過程也有影響，采用5%的HF溶液在20℃時(shí)的刻蝕速度為25.6 nm/min，當(dāng)溫度波動(dòng)1℃時(shí)，刻蝕速度會(huì)變動(dòng)2 nm/min.如果恒溫條件為±1℃，那么可控制的刻蝕速率相對(duì)誤差為±7.8%，因此我們必須進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制。

 

　　根據(jù)CPP設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備特征與前期的工藝實(shí)驗(yàn)，確定了大口徑CPP元件的制造流程，如6所示。

 

　　3元件制造結(jié)果

 

　　根據(jù)所設(shè)計(jì)的工藝流程，我們針對(duì)不同口徑的CPP元件進(jìn)行了加工，本文給出其中兩個(gè)典型結(jié)果。圖7是300 mm×300 mm口徑的方形CPP的設(shè)計(jì)與制造結(jié)果，其中干涉儀檢測(cè)樣品的透射波前得到的是一個(gè)反向波前數(shù)據(jù)。是Ф320口徑的圓形CPP設(shè)計(jì)與制造結(jié)果。

 

　　比較兩個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，可以看出兩個(gè)CPP不但具有完全不同的形狀（方形和圓形），而且兩個(gè)元件的表面形貌變化特征也不同。方型CPP的表面相位起伏有比較明顯的方向性，其周期變化不同方向明顯不同。而圓口徑CPP面形則沒有明顯方向性。但從*終干涉檢測(cè)的結(jié)果來看，不同特征的CPP元件都可以利用化學(xué)拋光方法得到有效加工。

 

　　4結(jié)論

 

　　根據(jù)ICF系統(tǒng)光束勻滑的需求，利用化學(xué)拋光方法來對(duì)大口徑CPP元件進(jìn)行面形加工。在MARANGONI原理的基礎(chǔ)上，分析了這種制造方法的特點(diǎn)，并分析了化學(xué)刻蝕的去除函數(shù)。結(jié)合CPP元件的面形特征，設(shè)計(jì)了化學(xué)磨頭，對(duì)其刻蝕函數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了提高刻蝕溶液的穩(wěn)定性和刻蝕速度，在HF溶液中添加了NH4F，通過實(shí)驗(yàn)比較了不同添加濃度對(duì)應(yīng)的刻蝕速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)NH4F的添加濃度為10%～13%時(shí)，刻蝕速率*高。另外針對(duì)加工過程中的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即溶液溫度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明1oC的溫度波動(dòng)會(huì)給刻蝕速率的控制帶來±7.8%的相對(duì)誤差，因此在具體設(shè)備中必須加上可靠的溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計(jì)了加工工藝流程，并制造了不同形狀和面型特征的CPP元件。從制造結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果的比較來看，利用化學(xué)拋光工藝制造CPP是一種可行的方案。