大尺寸硅镜超光滑表面加工的面型控制

    随着高功率化学激光技术发展的需要,在要求激光器的谐振腔能够提取更多能量的同时,对腔镜本身也提出了低吸收、低散射(小于10-4)要求。提高光束质量要求腔镜的整体和局部面型与设计值一致,因而也要求系统中的镜片面型具有高精度。建立良好的可操作性强的加工工艺,也有利于提高硅镜加工效率。

    用柔性抛光模和化学抛光剂可以生产接近完美的无划痕和破坏层的硅片,然而却很难产生或控制高精度光学面型。

    采用机械-化学抛光方法[1]加工的表面其晶格完美,可达到表面无划痕,无微破裂,无污点,无错位和无嵌入磨料。用相差显微镜、电子显微镜和X射线衍射外形仪测量表面显示无缺陷,表明在抛光过程中没有引入化学腐蚀导致的破坏层或晶核错位。

    在采用机械-化学抛光法时,我们使用二氧化硅溶胶抛光剂,研磨料粒度平均为4nm,均匀性好;颗粒具有多棱角性,易于碎裂且碎裂后仍表现多棱角性;在单晶硅基片与抛光剂颗粒中,硅原子在晶格缺陷间的移动不会引入镜子污染。二氧化硅溶胶抛光剂具有这些优异的光学加工特性,因此用二氧化硅溶胶抛光剂可达到高的材料去除率、机械化学抛光表面特性和光滑光学表面,但对于大尺寸高精度面型硅镜的加工与控制却需要进一步地探讨。

   1  工艺探索

    硅镜的超光滑加工面型控制,既要保证表面的超光滑又要控制高精度的面型,因而难度很大。加工大尺寸的基片,当对其面型精度要求较高时,最适宜的加工方法是在环抛机上进行。因为在原理上它相当于是在整个胶盘面积S总上取平均值,然后取加工零件面积大小的一块,但其表面粗糙度却难保证,目前我们正在实验中。这里,我们利用一台南京仪表机械厂产的H016型四轴透镜研磨机加工,其最大加工范围是120mm。

    实验基片是北京有色金属研究总院生长的直拉型单晶硅,解离面是(1,1,1)方向。我们利用比较成熟的工艺,采用二氧化硅水溶胶抛光剂[2]、一号胶盘和必要的工艺过程就可保证表面的超光滑[3](表面粗糙度均方根值小于等于0.5nm)。

    众所周知,光学加工中各工序必须严格分开[4],以避免磨料相互污染,尤其在初抛光与精抛光之间更应注意避免空气传播的悬浮微粒污染。应该在初抛光后将胶盘和零件上全部散落的磨料清除干净,这将大大缩短抛光时间。在流水下轻刷胶盘以去除任何散落的磨料,接着加入能够浸没胶盘和硅基片表面的更细的磨料。这是得到超光滑表面的必要保证。

    超光滑及高精度面型的获得主要取决于最后的精抛光过程,从粗加工到精抛光前的过程类似常规加工,在这里仅讨论精抛光工艺。下面以直径200mm的硅镜为例来讨论控制面型的加工工艺: