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(lái)美國(guó)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程，建立完整的數(shù)學(xué)模型比較困難，因此需要通過(guò)改變液體出口尺度和液柱的多孔分割方式來(lái)制作小尺度的化學(xué)磨頭。考慮到CPP元件面形的復(fù)雜性，為了能夠通過(guò)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(guò)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(guò)程中將基片定位好后，根據(jù)CPP的設(shè)計(jì)要求，來(lái)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(guò)程中，刻蝕溶液的溫度對(duì)加工過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)±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(lái)看，利用化學(xué)拋光工藝制造CPP是一種可行的方案。