1基本原理

 

　　數控化學拋光技術的基礎Marangoni界面效應，其基本原理如1所示，這一物理效應在光學工業上的應用始于1990年，當時Leenaars Huethorst提出了“Marangoni干燥”的原理，其基本思想就是采用可揮發的乙醇類蒸汽噴射光學表面，由于乙醇揮發形成的的溫度梯度（即Marangoni表面張力梯度）迅速將使液膜表面產生收縮，從而達到干燥表面的目的，這樣就避免了加熱干燥或離心旋轉的方法去除液膜，容易在光學表面上形成污染的缺點。后來美國LLNL將這一效應用于衍射光學元件制造中，利用乙醇揮發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域和刻蝕速度，從而完成高精度衍射光學元件的加工。

 

　　從1可看出，數控化學拋光技術借鑒了小工具數控拋光的基本工藝思想，采用濕法化學刻蝕的機理，這樣工藝參數可控性強。另外由于使用腐蝕液對基片進行柔性加工，因此加工過程中不會產生附加的機械接觸應力及摩擦熱應力，也不會形成亞表面缺陷。

 

　　數控化學拋光理論模型的建立，也是基于Preston假設其中：h是某一個點上材料表面的高度，K是一個由材料特性與溫度等因素決定的比例常數，v是t時刻化學刻蝕頭在材料表面一個點上的移動速度，s是t時刻該點所處位置溶液的濃度。因此當已知某一區域的刻蝕速度和溶液濃度后，根據作用時間t就可以計算出表面材料的去除量加工經過時間t后材料的表面高度。

 

　　2制造設備及工藝流程

 

　　數控化學拋光設備的總體結構如2所示，2（a）中虛線框內的是加工過程中的核心，即化學刻蝕部分。由于CPP元件面型比較復雜，空間周期較小且具有隨機變化的特征，相位深度較大，這使得制造過程遠比普通光學元件要困難。有效的加工首先要確保有一套合適的刻蝕頭，即化學磨頭。該化學磨頭首先要在加工過程中保證有效的空間周期，同時必須有很好的刻蝕函數形狀。

 

　　由于化學磨頭的形成是比較復雜的動力學過程，建立完整的數學模型比較困難，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磨頭。考慮到CPP元件面形的復雜性，為了能夠通過刻蝕有效地獲得元件表面的細節特征，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致的誤差積累，要求刻蝕區域具有陡邊的特點。根據這種設計思路，我們制作出的化學磨頭的尺寸為5 mm，刻蝕函數具有矩形函數的形式，如3所示。

 

　　在加工過程中將基片定位好后，根據CPP的設計要求，來選擇合適尺寸的磨頭對基片進行刻蝕。

 

　　對于光學玻璃類元件有效的化學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的揮發性，這不僅對工作環境造成污染，同時對被加工基片表面也會造成不可控的刻蝕污染。因此我們需要制備一個氫氟酸濃度較低，刻蝕速率較高，溶液體系相對穩定的刻蝕溶液體系。

 

　　在HF溶液中加入NH4F配制成緩沖HF溶液（BHF）能夠在一定范圍內穩定溶液的H +濃度，保持溶液的pH值，因此能夠穩定溶液刻蝕速率。少量加入NH 4F可以提高溶液中的HF2-離子濃度，同時引入的NH4+離子對反應具有一定的催化作用，能使反應速度明顯增加。為了尋找合適的添加量，我們針對5%的氫氟酸溶液展開了具體的實驗。4為NH4F實驗曲線，從圖中可以看出當NH 4F加入量不大時刻蝕速率隨添加量的變化成正比例關系，當加入量在10%～13%之間達到*大值，隨后刻蝕速率趨于飽和。相應的沒加入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。因此選擇這個區間作為工作區間有利于控制CPP基片的刻蝕。

 

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

 

　　根據CPP設計要求，結合現有設備特征與前期的工藝實驗，確定了大口徑CPP元件的制造流程，如6所示。

 

　　3元件制造結果

 

　　根據所設計的工藝流程，我們針對不同口徑的CPP元件進行了加工，本文給出其中兩個典型結果。圖7是300 mm×300 mm口徑的方形CPP的設計與制造結果，其中干涉儀檢測樣品的透射波前得到的是一個反向波前數據。是Ф320口徑的圓形CPP設計與制造結果。

 

　　比較兩個設計結果，可以看出兩個CPP不但具有完全不同的形狀（方形和圓形），而且兩個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*終干涉檢測的結果來看，不同特征的CPP元件都可以利用化學拋光方法得到有效加工。

 

　　4結論

 

　　根據ICF系統光束勻滑的需求，利用化學拋光方法來對大口徑CPP元件進行面形加工。在MARANGONI原理的基礎上，分析了這種制造方法的特點，并分析了化學刻蝕的去除函數。結合CPP元件的面形特征，設計了化學磨頭，對其刻蝕函數進行了實驗測試。為了提高刻蝕溶液的穩定性和刻蝕速度，在HF溶液中添加了NH4F，通過實驗比較了不同添加濃度對應的刻蝕速率。實驗結果表明，當NH4F的添加濃度為10%～13%時，刻蝕速率*高。另外針對加工過程中的另一個關鍵參數，即溶液溫度的影響進行了實驗分析，結果表明1oC的溫度波動會給刻蝕速率的控制帶來±7.8%的相對誤差，因此在具體設備中必須加上可靠的溫度控制系統。根據現有設備，設計了加工工藝流程，并制造了不同形狀和面型特征的CPP元件。從制造結果與設計結果的比較來看，利用化學拋光工藝制造CPP是一種可行的方案。