3 2000 - 01 - 31收到初稿,2000 - 03 - 30修回物理学和高新技术超光滑表面及其制造技术的发展3高宏刚1 ,2 曹健林2 朱 镛1 陈创天1(1中国科学院北京人工晶体研究发展中心 北京 100080)(2中国科学院应用光学国家重点实验室 长春 130022)摘 要 超光滑表面制造技术是超精密加工技术的一个重要分支.通过介绍超光滑表面的特征、 应用及其制造技术的发展,希望给出超光滑表面技术的整体轮廓.在介绍超光滑表面的概念及其主要特征的基础上,通过典型例证指出了超光滑表面在软X射线光学、 激光陀螺等科技领域的重要应用.回顾了超光滑表面制造技术的发展过程,对各种超光滑表面加工原理与方法进行了简单描述与评价,最后提出了对超光滑表面制造技术的发展趋势的观点.关键词 超精密加工,超光滑表面,抛光,粗糙度THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF ULTRA2SMOOTH SURFACESGAO Hong2Gang1 ,2 CAO Jian2Lin2 ZHU Yong1 CHEN Chuang2Tian1(1 Beijing Center for Crystal R作为功能元件应具有高可靠性、 高频响、 高灵敏性.作为光学元件,为获得最高反射率,特别强 调表面低散射特性或极低粗糙度值;作为功能元件, 因多为脆硬或脆软晶体材料,相对于表面粗糙度而 言,更注重表面的晶格完整性.我们统称这两类表面 为超光滑表面(ultrasmooth surface) .超光滑表面具有以下主要特征: (1)表面粗糙度小于1 nm Ra ,对于光学元件,表面粗糙度小于1 nm RMS(粗糙度均方根值) ,具 有较低的表面波纹度以及较高的面形精度; (2)尽可能小的表面疵病与亚表面损伤;(3)表面残余的加工应力极小;(4)晶体表面具有完整的晶格结构,即表面无晶格错位. 超光滑表面在现代光学及光电子学科领域的作 用愈来愈重要,相应的超光滑加工技术也成为现代 超精密加工技术的重要组成部分.在以往的文献中 较少见到关于超光滑表面的专门论述.本文试图在 这一方面作一补充,简单阐述超光滑表面的应用,并对其制造技术原理与方法作一介绍.2 超光滑表面的应用不同的超光滑加工技术产生不同的超光滑表面·016·物理特征,而具有不同特征的超光滑表面应用于不同的 领域.以下是超光滑表面的一些重要应用.211 软X射线光学系统软X射线的波长范围为1—30 nm.该波段所有的材料对光都有强烈的吸收作用,因此光学系统多 为反射式.多层膜反射镜是软X射线光学系统的关键器件;反射率是这种元件最重要的指标.多层膜反射镜的镜面反射与Debye - Waller因子成正比,其反射率可写成如下形式[1]:R = R0D = R0exp-4π σsinθ λ2 ,其中R为实际反射率, R0为表面绝对光滑时的理想反射率, D为Debye - Waller因子,λ为入射波长,θ为掠入射角,σ为镜面粗糙度的均方根值.为 提高多层膜镜的反射率,一般要求σ/λ 99199 % ,其平面度优于0105μm ,表面粗糙度 1012W/ cm2;连续波超音速氧碘激光器(COIL)的输出功 率可达兆瓦级.普通反射镜因难以承受如此强的辐 照,表面会被烧灼而损坏,因此必须提高反射镜的抗 激光损伤阈值.镜面散射是造成表面破坏的重要原 因,而散射源于镜面的表面粗糙度及亚表面损 伤[5],因此只有使用超光滑表面才能提高反射镜的 抗激光损伤阈值.215 功能光电器件 功能光电器件通常是在功能晶体表面上通过MBE或CVD、PVD等方法生长薄膜实现的,如SOS 器件是在蓝宝石基板上生长硅膜.基板晶体的表面 粗糙度、 晶格完整性等直接影响膜层原子的排列方 式,因此要求基板表面具有极佳晶格完整性和低粗 糙度.另一方面,许多功能晶体材料,如碲镉汞、 锑化 铟、 磷化铟以及砷化镓等,硬度都很低,只有采用加 工单位为原子级的超光滑加工技术才能获得高质量 的表面.216 光学窗口 蓝宝石是用于中波红外(3—5μm)窗口的理想 材料.由于加工后的蓝宝石镜片内的残余应力会影 响光传播波前,必须对抛光后的镜片进行退火处理, 以消除其加工应力;而采用超光滑技术加工的蓝宝 石镜片,不仅粗糙度可达013 nm RMS ,而且残余应 力极小,其光传播波前误差由常规工艺程序加工后 的λ/20降为λ/40[6].3 超光滑表面制造技术的发展在常规加工技术中,能够获得最低表面粗糙度 的方法是光学抛光.研磨、 抛光属于散粒抛光粉加工 范畴,是人类社会发展中最古老的加工方法,也是最 常用的制造光滑镜面的技术.然而要获得超光滑表 面,必须对原有的加工技术进行变革或采用新原理 的加工方法,于是就产生了以降低元件表面粗糙度 为主要目标的超光滑加工技术.各国从60年代开始 研究制造超光滑表面的技术.随着人们对亚纳米量 级光滑表面形成机理认识的深入和超光滑检测技术 水平的提高,出现了许多应用化学、 磁学、 流体力学 和能量场原理加工超光滑表面的新方法.311 传统的超光滑抛光方法 简单的超光滑抛光是对表面传统光学抛光的变·116·29卷(2000年) 10期革,其特征是沿用结构简单的摆动式抛光机,而对抛 光模层材料、 抛光粉以及抛光液供给方式加以改进. 沿用至今的常规光学表面制造方法是采用沥青、 松香作为抛光模层的古典法抛光,操作者每隔一段时 间往抛光模上加入少量抛光液,这种抛光液供给方 式通常被称为 “fresh feed”.这种方法的缺点是平面 度与亚纳米级粗糙度要求往往不能同时满足.1966年,R.Dietz改变抛光液供给方式,采用浸 液抛光(bowl feed) ,将沥青抛光模浸没于抛光液中,获得了粗糙度小于013 nm RMS的表面[7]. 抛光模层材料与抛光质量有很大关系. A. J.Leistner[8]采用聚四氟乙烯(Teflon)抛光模,成功地 获得了平面度为λ/200的元件.与沥青抛光模相 比,Teflon抛光模不仅有利于保持工件面形,而且对许多材料都可以实现粗糙度小于014 nm RMS的表 面粗糙度,并可以有效地抑止元件表面的波纹度和 亚表面损伤,从而减小元件的表面散射.采用材质细 腻的碳氟化合物泡沫塑料或者纯锡制成抛光模抛光 熔石英、 蓝宝石单晶等,也可获得亚纳米级的光滑表面. 精细抛光粉对超光滑抛光极为重要.在材料的 原子量级去除中,不可忽视抛光粉的化学作用. R.Mclntosh在浸液抛光中使用胶体氧化硅抛光液和沥 青抛光模,获得了粗糙度为016 nm RMS的硅表面[9].粒度为数纳米的超微细金刚石(UFD)粉是近 年来用炸药爆轰方法合成的新型纳米材料. 1995 年,N. Chkhalo等在常规加工设备上使用UFD粉抛 光X射线光学元件,使其粗糙度由1 nm降为012—013 nm[10].312 新原理加工法 在超光滑抛光中,导致工件表面材料去除的原 因为抛光中工件、 抛光粉、 抛光模及抛光液间的机械 作用和化学作用.前者是指抛光粉颗粒锋锐的棱角 对工件的切削作用以及与工件表面的摩擦;后者是指抛光液对工件表面的溶解或在工件表面形成一层 易去除的薄膜.事实上,超光滑抛光是这两种作用的 复合,只是不同方法侧重点不同.由于工件材料以原 子级被去除,故其加工效率很低.为提高超光滑表面 加工的精度和效率,人们进行了大量研究工作,提出了许多新的加工方法. 森勇藏( Y. Mori)提出了EEM (elastic emissionmachining)加工法[11],这种方法的基本点是采用抛 光液浸没工件方式,利用聚氨酯小球在工件表面高 速旋转,二者之间产生约1μm厚的液膜;聚氨酯小球带动抛光液中粒度为数十纳米的抛光粉颗粒,在 液膜中以极高的速度碰撞工件表面,从而使工件表 面产生原子级弹性破坏,导致材料的去除.用EEM法加工的软X射线反射镜,表面粗糙度可达011 nmRMS. 利用微粒流对工件表面的碰撞作用,P. Baker 发展了早期用于粗加工的射流加工方法,提出了flow polishing方法.精细抛光粉颗粒混在高速水流 中射向工件,极微量去除表面材料;通过精确控制射流速度、 喷射角度等,可对多种材料的复杂表面实现 超光滑抛光,工件表面粗糙度达011 nm RMS[12]. 从化学作用的角度出发,L. Bollinger提出了PACE(plasma assisted chemical etching)技术[13].PACE设备类似于计算机数控抛光(CCNP)装置,只是由非接触等离子体侵蚀头替代了机械磨头.等离 子体与工件表面物质发生化学反应,生成气相反应 物并被排走.在加工中,等离子体产生低能能量流, 以低能离子和活泼中性物质存在;控制这一能量流 可以很好地控制化学反应的速度,必要时还可以实现离子束对表面的碰撞,以提高材料的去除率.PACE可以很好地解决普通CCNP抛光中的塌边效 应问题,并可制造出近乎无亚表面损伤的超光滑表 面. 与PACE完全不同,离子束抛光依赖中性离子流对工件表面原子的物理碰撞.关于离子束抛光的 工作早在60年代就有报道,但去除率很低;80年代 末,由于采用Kaufman离子源,可以产生低能大离 子流,提高了离子束抛光的去除率.313 非接触抛光近年来,晶体的应用需求增长很快,并且出现了 许多新型功能晶体.多数晶体的硬度较光学玻璃低, 其元件对表面完整性有特殊要求.在常规抛光中,工 件与抛光模处于接触状态;抛光模通过抛光粉颗粒 施加给工件表面的力,是造成晶体表面损伤、 破坏其表面晶格完整的主要原因.为减小施加给工件的抛 光力,出现了以保证晶体表面完整性为主要目的的 非接触抛光方法,即抛光中工件不与抛光模接触.J. Gormley提 出 了hydroplane polishing方 法[14]:工件在化学侵蚀液液面上高速旋转,借助于液体动压使工件浮在液面上,如同滑板滑行在水面 上一样,从而达到工件表面被均匀侵蚀的目的.人们 曾用这种抛光方法获得了InP、HgCdTe等晶体的完 整晶面. 浜口( T. Hamaguchi)[15]在工件旋转轴上使用·216·物理一对同极相对的永久磁体,利用磁铁间的斥力使工 件与抛光模表面间产生间隙.抛光中,工件与抛光模 在抛光液中相对运动,两平行的表面因伯努利作用而相互吸引,使器件的间隙减小.这项技术有利于工 件表面的平整化. 河西敏雄( T. Kasai)提出了P - MAC抛光 法[16].采用特殊夹具,在同一加工表面上同时抛光 不同硬度的工件.不同硬度材料的去除率不同;随抛 光时间的延续,低硬度的工件因去除量较大,表面与抛光模间的接触状态由直接接触逐渐变化为准接触 至非接触,抛光力也相应地由大渐变为零,从而获得 无损表面. 渡边纯二(Watanabe Junji)[17]利用动压轴承的原理,在抛光模上设计出与其工作面成一定角度的扇形槽.抛光中,抛光液充满扇形槽;楔角的存在使 工件相对于抛光模运动时,在其接触面上产生动压, 从而使两表面间出现一层液膜,实现了对大口径平 面基板的无损非接触抛光.314 场效应辅助加工近年来,利用场效应的辅助抛光技术发展很快, 主要针对复杂形状表面的镜面加工;虽然多数不以 获得亚纳米级光滑表面为目标,但当其中某些技术 得到发展后,有望用于超光滑加工. 进村武男(T. Shinmura)发展了MAF(magneticabrasive finishing)技术[18],采用由铁磁性材料和氧 化铝合成的磁性抛光粉.在磁场作用下,磁性抛光粉 在磁极间形成抛光粉刷;通过控制磁场强度可以改 变抛光粉刷施加在工件上的作用力.这种方法可以 用于加工各种形状的表面,包括平面、 曲面、 内孔和外圆等.N. Umehara发展了MFP(magnetic fluid polish2ing)技术[19]. MFP将普通抛光粉混合在磁性流体 内,工件与非磁浮板均浸没于磁性抛。