1基本原理

 

　　数控化学抛光技术的基础Marangoni界面效应，其基本原理如1所示，这一物理效应在光学工业上的应用始于1990年，当时Leenaars Huethorst提出了“Marangoni干燥”的原理，其基本思想就是采用可挥发的乙醇类蒸汽喷射光学表面，由于乙醇挥发形成的的温度梯度（即Marangoni表面张力梯度）迅速将使液膜表面产生收缩，从而达到干燥表面的目的，这样就避免了加热干燥或离心旋转的方法去除液膜，容易在光学表面上形成污染的缺点。后来美国LLNL将这一效应用于衍射光学元件制造中，利用乙醇挥发形成的表面张力梯度来控制HF腐蚀液在熔石英表面的刻蚀区域和刻蚀速度，从而完成高精度衍射光学元件的加工。

 

　　从1可看出，数控化学抛光技术借鉴了小工具数控抛光的基本工艺思想，采用湿法化学刻蚀的机理，这样工艺参数可控性强。另外由于使用腐蚀液对基片进行柔性加工，因此加工过程中不会产生附加的机械接触应力及摩擦热应力，也不会形成亚表面缺陷。

 

　　数控化学抛光理论模型的建立，也是基于Preston假设其中：h是某一个点上材料表面的高度，K是一个由材料特性与温度等因素决定的比例常数，v是t时刻化学刻蚀头在材料表面一个点上的移动速度，s是t时刻该点所处位置溶液的浓度。因此当已知某一区域的刻蚀速度和溶液浓度后，根据作用时间t就可以计算出表面材料的去除量加工经过时间t后材料的表面高度。

 

　　2制造设备及工艺流程

 

　　数控化学抛光设备的总体结构如2所示，2（a）中虚线框内的是加工过程中的核心，即化学刻蚀部分。由于CPP元件面型比较复杂，空间周期较小且具有随机变化的特征，相位深度较大，这使得制造过程远比普通光学元件要困难。有效的加工首先要确保有一套合适的刻蚀头，即化学磨头。该化学磨头首先要在加工过程中保证有效的空间周期，同时必须有很好的刻蚀函数形状。

 

　　由于化学磨头的形成是比较复杂的动力学过程，建立完整的数学模型比较困难，因此需要通过改变液体出口尺度和液柱的多孔分割方式来制作小尺度的化学磨头。考虑到CPP元件面形的复杂性，为了能够通过刻蚀有效地获得元件表面的细节特征，首先要求刻蚀头尺寸尽可能小。另外，为了减小刻蚀过程中可能导致的误差积累，要求刻蚀区域具有陡边的特点。根据这种设计思路，我们制作出的化学磨头的尺寸为5 mm，刻蚀函数具有矩形函数的形式，如3所示。

 

　　在加工过程中将基片定位好后，根据CPP的设计要求，来选择合适尺寸的磨头对基片进行刻蚀。

 

　　对于光学玻璃类元件有效的化学刻蚀溶液为氢氟酸水溶液体系。氢氟酸水溶液在浓度较大的情况下具有较强的挥发性，这不仅对工作环境造成污染，同时对被加工基片表面也会造成不可控的刻蚀污染。因此我们需要制备一个氢氟酸浓度较低，刻蚀速率较高，溶液体系相对稳定的刻蚀溶液体系。

 

　　在HF溶液中加入NH4F配制成缓冲HF溶液（BHF）能够在一定范围内稳定溶液的H +浓度，保持溶液的pH值，因此能够稳定溶液刻蚀速率。少量加入NH 4F可以提高溶液中的HF2-离子浓度，同时引入的NH4+离子对反应具有一定的催化作用，能使反应速度明显增加。为了寻找合适的添加量，我们针对5%的氢氟酸溶液展开了具体的实验。4为NH4F实验曲线，从图中可以看出当NH 4F加入量不大时刻蚀速率随添加量的变化成正比例关系，当加入量在10%～13%之间达到*大值，随后刻蚀速率趋于饱和。相应的没加入NH4F的溶液相比，加入10%～13%的NH4 F能够使刻蚀速率提高3.5倍左右。因此选择这个区间作为工作区间有利于控制CPP基片的刻蚀。

 

　　另外，抛光过程中，刻蚀溶液的温度对加工过程也有影响，采用5%的HF溶液在20℃时的刻蚀速度为25.6 nm/min，当温度波动1℃时，刻蚀速度会变动2 nm/min.如果恒温条件为±1℃，那么可控制的刻蚀速率相对误差为±7.8%，因此我们必须进行严格的温度控制。

 

　　根据CPP设计要求，结合现有设备特征与前期的工艺实验，确定了大口径CPP元件的制造流程，如6所示。

 

　　3元件制造结果

 

　　根据所设计的工艺流程，我们针对不同口径的CPP元件进行了加工，本文给出其中两个典型结果。图7是300 mm×300 mm口径的方形CPP的设计与制造结果，其中干涉仪检测样品的透射波前得到的是一个反向波前数据。是Ф320口径的圆形CPP设计与制造结果。

 

　　比较两个设计结果，可以看出两个CPP不但具有*不同的形状（方形和圆形），而且两个元件的表面形貌变化特征也不同。方型CPP的表面相位起伏有比较明显的方向性，其周期变化不同方向明显不同。而圆口径CPP面形则没有明显方向性。但从*终干涉检测的结果来看，不同特征的CPP元件都可以利用化学抛光方法得到有效加工。

 

　　4结论

 

　　根据ICF系统光束匀滑的需求，利用化学抛光方法来对大口径CPP元件进行面形加工。在MARANGONI原理的基础上，分析了这种制造方法的特点，并分析了化学刻蚀的去除函数。结合CPP元件的面形特征，设计了化学磨头，对其刻蚀函数进行了实验测试。为了提高刻蚀溶液的稳定性和刻蚀速度，在HF溶液中添加了NH4F，通过实验比较了不同添加浓度对应的刻蚀速率。实验结果表明，当NH4F的添加浓度为10%～13%时，刻蚀速率*高。另外针对加工过程中的另一个关键参数，即溶液温度的影响进行了实验分析，结果表明1oC的温度波动会给刻蚀速率的控制带来±7.8%的相对误差，因此在具体设备中必须加上可靠的温度控制系统。根据现有设备，设计了加工工艺流程，并制造了不同形状和面型特征的CPP元件。从制造结果与设计结果的比较来看，利用化学抛光工艺制造CPP是一种可行的方案。