小尺寸硅单晶异形平面抛光工艺研究.pdf

2023年 云光技术 第55卷 第1期 1 小尺寸硅单晶异形平面抛光工艺研究 谢启明1,2，施梦蝶1，吴应强1，应常宇1，范 威3，张步华1，郭春荣1，夏天兵1（1.云南北方光学科技有限公司，云南 昆明 650217；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3.长春理工大学，吉林 长春 130022）摘要：光学冷加工正朝着数控加工和高效加工方向发展，然而，传统的手工修抛工艺在某些特定的场合仍有其必要性和存在的合理性。本文针对单点金刚石飞切加工的小尺寸硅单晶异形平面光学元件表面质量不能满足使用要求的问题，通过对比手持旋转抛光头对固定工件抛光和手持工件采用古典抛光机抛光两种方式，研究不同手工抛光方式对硅单晶小尺寸异形平面表面质量的改善效果。实验发现当控制好抛光时间，操作手法适当时，两种方法对工件原有面形均不会造成显著变化，而对工件表面粗糙度 Ra 有明显改善。比较而言，手持抛光头抛光会在工件表面产生道子，采用抛光机抛光效率优于手持抛光头抛光，且工件表面质量满足使用要求。关键词：硅单晶；异形平面光学元件；抛光；单点金刚石飞切；表面质量 0 引言 随着光电技术的发展，异形光学元件在光电系统中被广泛应用。由于异形光学元件有着独特的结构优点，现在已成为各种光电产品重要组成部分，并且是航空、航天和军事领域不可或缺的部件1-2。热像仪作为光电系统的一个重要分支，自 20 世纪中叶诞生以来，由于卓越的夜视性能得到迅猛地发展，应用愈来愈普及。近十几年来，热像仪有向小型化、轻量化发展的趋势，需要对光路进行折叠，以充分利用空间3。通常折叠光路多采用平面镜反射来实现，这些平面镜常为非圆结构，也称为异形光学元件。平面反射镜之间的位置、角度关系如何保证，一直是重点和难点，运用一些结构特殊的异形光学元件可以有效解决这个难题。抛光作为光学元件镀膜前决定其面形和表面质量的一道重要工序，对获得高质量的光学元件极其重要，对尺寸较小的硅单晶异形平面光学元件，常用的火漆点胶上盘和沥青环形上盘都不适用，夹模上盘也有其局限性4，一般多采用传统的成盘抛光工艺进行加工。随着单点金刚石切削技术在国内的应用和普及，对红外晶体材料，如锗单晶、硅单晶、ZnS 和 ZnSe 等，单点金刚石切削可以获得满足红外光学系统要求的表面，因此成为一种可选的加工方法。硅单晶是一种金刚石结构的半导体晶体材料，导热性好，密度低，机械强度较好，化学性能稳定，折射率比较恒定，受温度影响小于锗，在 35 m 波段透明，主要用于加工红外透镜和窗口，也可用于整流罩的制造，少数情况还用于加工反射镜镜体5。硅单晶较锗轻，价格便宜，在红外中波的应用更具优势。但由于其硬度较锗大，加工难度大于锗，在单点金刚石切削加工时，对金刚石刀具磨损严重，工件表面会产生明显的彩环现象（见图 1），无法满足使用要求，需要设法提高其表面质量后方能应用于红外光学系统，因此必要时，修抛成为单点金刚石切削硅单晶的一个辅助工序。在通过修抛改善工件表面质量的同时，工件面形精度应得以保持，最好得到改善。相对于尺寸超过20 mm 的常规圆形光学元件，如何修抛小尺寸硅单晶异形平面光学元件成 为光学冷加工面临的一个挑战，目前，在国内尚未发现相关报道。2023年 云光技术 第55卷 第1期 2 1 常见的平面镜加工方法 最古老，也是最常用的平面镜加工方法就是抛光，抛光指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光是一个复杂的过程，影响其效率和质量的因素复杂，对操作者的经验、技术要求较高6。常见的平面镜抛光方法有古典抛光和平面环抛工艺。其特点是加工精度高，加工效率低。对小尺寸异形平面光学元件，可采用古典成盘抛光工艺进行加工。但对某些结构特殊的光学元件，难以采用成盘抛光工艺加工，因此有必要寻找新的方法来抛光异形光学元件。由于锗、硅、ZnS 和 ZnSe 等晶体材料，及铜、铝等有色金属都可以采用单点金刚石切削技术直接加工，诞生于 20 世纪 60 年代的单点金刚石切削技术，很快在红外光学得到广泛应用，单点金刚石机床已成为红外光学制造企业的标配。采用单点金刚石飞切（single point diamond flying cut）技术可以在复杂结构的平面光学元件（如二维转鼓）加工中，获得满意的加工效果7，因此单点金刚石飞切也成为一种红外平面光学元件的常用加工方法。2 实验过程 实验采用手持旋转抛光头对固定工件抛光和手持工件采用古典抛光机抛光两种方式进行，抛光表面为长方形，抛光前经单点金刚石飞切加工，面形大约控制到 PV2 光圈，IRR2 光圈；表面粗糙度 Ra 大约在 1030 nm 之间。为对比两种抛光方法的优劣，将样品分为 A、B 两组，A 组 3 件，B 组 4 件。A 组采用手持旋转抛光头抛光，B 组采用古典抛光机抛光。抛光前用 Taylor-Hobson 轮廓仪测量样品表面粗糙度，用 Zygo 激光干涉仪测量面形精度。抛光过程中不断测量样品粗糙度和面形精度，直到目视观察彩环现象消失，记录抛光时间、样品完工后的粗糙度和面形精度。2.1 抛光前的准备 准备用于手持旋转抛光的工具和毛毡抛光头，以及用于古典抛光机抛光的设备和抛光盘。2.1.1 粗糙度检测 用 FTS-S6 型轮廓仪对修抛前 A、B 两组样品表面粗糙度进行检测。测量时使轮廓仪探针从样品平面中部划过取样，检测结果见表 1，图 2 为样品的典型粗糙度曲线。2.1.2 面形检测 用 GPI-4XP 型 Zygo 干涉仪对修抛前 A、B 两组样品的面形进行检测，结果见表 1，图 3 为样品的典型面形检测图。2.2 手持旋转抛光头抛光 2.2.1 抛光头端面抛光 将毛毡抛光头置入氧化物抛光液充分浸泡，然后安装于旋转工具上。将样品 A1用瞬干胶粘接在玻璃底座上，手持旋转工具，用抛光头的端面在样品表面来回移动抛光，抛光共进行 3 次，每次 1 min。根据修抛前的面形测试，面形呈现两边高中间低的特征，预计先抛到两边，最后抛到中央。图 1 硅单晶飞切表面彩环现象 小尺寸硅单晶异形平面抛光工艺研究 谢启明，施梦蝶，吴应强，等 3 表 1 粗糙度和面形检测结果 编号 Ra/nm PV/光圈 IRR/光圈 A1 20.9 1.471 1.81 A2 20.1 1.472 1.70 A3 27.1 1.784 2.06 B1 14.8 1.105 1.28 B2 12.9 1.431 1.58 B3 5.9 0.412 0.48 B4 9.1 0.769 0.89 图 2 样品典型粗糙度测量曲线 图 3 样品典型干涉仪面形图：(a)三维形貌；(b)干涉条纹；(c)PV 值；(d)IRR 值 首个 1 min 后，彩环无明显变化，继续 2 次 1 min 抛光后，样品中间部位彩环变浅，同时表面产生大量粗道子。中部彩环颜色变浅，说明先抛到中间相对低凹部分，面形精度恶化。随后的面形检测验证了此判断（面形检测结果见图 4，修抛前后的面形对比见表 2），PV 值和 IRR 值都有所增加。2023年 云光技术 第55卷 第1期 4 图 4 端面抛光干涉仪面形图：(a)三维形貌；(b)干涉条纹；(c)PV 值；(d)IRR 值 表 2 端面抛光面形检测结果（单位：光圈）PV 值 IRR 值 修抛前 修抛后 修抛前 修抛后 1.471 1.818 1.81 2.20 分析认为，由于抛光头端面面积明显小于样品面积，导致手持旋转抛光头抛光时，中间部分材料去除速度大于边缘部分，使原来面形低凹的部分变得更低，没有达到保持面形的目的。2.2.2 抛光头柱面抛光 同样将毛毡抛光头置入氧化物抛光液充分浸泡，然后安装于旋转工具上。手持旋转工具，继续对样品 A1抛光，和此前不同的是，这次改用抛光头的柱面对样品抛光。由于抛光头柱面长度可以覆盖样品宽度方向，因此只需在样品表面长度方向来回扫描，以实现对样品的整面抛光。抛光共进行 7 次，除第 7 次抛光时间为 6 min 外，其余每次 2 min。边抛光边观察，必要时对粗糙度和面形均进行检测，详细过程见表 3。和端面抛光不同的是，沿长度方向，边缘部分彩环减弱，说明先抛到边缘部分，如图 5 所示。表 3 A1样品柱面抛光结果 抛光时间/min Ra/nm PV(光圈)IRR(光圈)说明 2 无明显变化 4 10.2 1.818 2.2 彩环面积有所减小 6 边缘彩环有所减少，短细道子增多 8 较上一步无明显变化 10 5.9 1.755 2.03 增加粉浓度，局部彩环明显减少 12 5.1 1.787 2.07 彩环面积进一步减小 18 4.5 1.679 1.95 表面基本无彩环，整面分布短细道子 图 5 柱面抛光效果 小尺寸硅单晶异形平面抛光工艺研究 谢启明，施梦蝶，吴应强，等 5 根据表 3，可以得到粗糙度、PV 和 IRR 随时间的变化趋势，见图 6。不难发现，随着抛光时间的增加，表面粗糙度逐渐下降。由于抛光头柱面长度覆盖样品宽度方向，因此表面凸起部分的材料去除效率大于中间低凹部分材料去除效率。对比图 1、图 5 可明显观察到，沿长度方向两边的彩环已基本消除，而中部彩环依然保持，说明先抛到两边凸起部分。故面形同样随着抛光时间的增加，PV 和 IRR 都呈现减小趋势，符合预期。但是，如何去除表面产生的短细道子，是仍需解决的问题。接着，继续对 A2、A3两件样品采用抛光头柱面抛光，在此过程中，研究改变抛光头转速、力度和驻留时间等因素对抛光的影响，结果见表 4、表 5。2.2.3 小结 综合 A 组三件样品的抛光实验，采用旋转抛光头抛光，可以得到以下结论。1）端面抛光和柱面抛光都可以在较短时间内改善单点金刚石飞切加工的硅单晶表面粗糙度，同时表面会新增细道子。2）比较而言，柱面抛光更易于实现表面材料的均匀去除，达到保持原有面形精度，甚至面形精度略有改善的目的。3）随着抛光头使用时间增加，细道子有减弱的可能。4）抛光头转速、力度和驻留时间等因素对表面粗糙度影响不大，但改变抛光力度和驻留时间，会破坏原有的面形精度，和本研究的预期不符。2.3 采用古典抛光机手持抛光 沥青和聚氨酯都是古典抛光常用的抛光辅料，传统的古典抛光工艺更倾向于采用沥青抛光模，并在精抛阶段改用阻尼布抛光。聚氨酯更多用于高效抛光。表 4 A2样品柱面抛光结果 抛光时间/min Ra/nm PV(光圈)IRR(光圈)说明 2 彩环无明显变化 4 边缘部分彩环减弱，出现细道子 6 边缘彩环继续减弱，中部彩环颜色变浅，绒道子增加 8 22.8 1.684 1.95 减小抛光头转速，中部彩环继续减弱 10 中部彩环继续减弱 12 边缘部分彩环消失 14 4.9 1.903 2.21 在彩环残留部位增加抛光时间，加重力度抛光，除个别部位残留彩环外，整面基本抛完，但分布有细道子 图 6 Ra、PV 和 IRR 随时间的变化趋势 2023年 云光技术 第55卷 第1期 6 表 5 A3样品柱面抛光结果 抛光时间/min Ra/nm PV(光圈)IRR(光圈)说明 2 彩环无明显变化 4 局部彩环减弱，出现细道子 6 彩环减弱部分面积增大 10 彩环减弱部分面积继续增大 13 彩环减弱部分面积继续增大 15 5.7 2.201 2.50 仅少部位残留明显彩环 19 仅极少数部位残留彩环 23 4.2 3.265 3.70 在彩环残留部位增加抛光时间，加重力度抛光，整面基本抛完。细道子较 A1、A2程度减弱。本研究的目的是改善小尺寸异形单晶硅平面元件的表面质量，同时保持或改善原有面形精度。如果选用具备一定弹性和厚度的抛光垫，抛光时抛光垫对原有面形有自适应的效果，可以跟随原有面形进行抛光，即可达到保持原有面形的目的。为此选择具有一定厚度的阻尼布抛光样品。作为对比，考虑采用聚氨酯对样品抛光。聚氨酯抛光垫表面为多孔结构，抛光粉颗粒能停留其中，从而提高抛光效率。同时这样的结构可以减少光学元件与抛光垫的实际接触面积,利于抛光液在两者间的流动，散热效果好，所以采用聚氨酯抛光，光学元件的面形、光圈稳定8，被广泛应用于硅单晶及其他光学元件的抛光。2.3.1 阻尼布抛光 将阻尼布修剪成圆形，粘贴在平面抛光模上（见图 7），再将其旋在古典抛光机主轴上，手持B1样品进行抛光。抛光 3 min 后，目视检查彩环基本消除，测试表明粗糙度 Ra 从 14.8 nm 降低到 5 nm，面形精度从修抛前的 PV1.105 光圈和 IRR1.28 光圈，变为抛光后 PV1.090 光圈和 IRR1.26光圈（见表 6），符合预期。2.3.2 聚氨酯抛光 将 B2样品用聚氨酯抛光，抛光模见图 7，仍按约 2 min 的间隔，边抛边观察和检测，结果见表 7。经过 1.5 min 抛光，基本消除彩环。同时发现模子大小对面形影响较大；抛光粉浓度对粗糙度影响较大。按优化后的模子尺寸和抛光粉浓度对 B3和 B4进行抛光，均取得理想效果（详见表 7）。(a)阻尼布抛光模 (b)聚氨酯抛光模 图 7 抛光模 小尺寸硅单晶异形平面抛光工艺研究 谢启明，施梦蝶，吴应强，等 7 表 6 阻尼布抛光结果 粗糙度 Ra PV 值 IRR 值 修抛前 修抛后 修抛前 修抛后 修抛前 修抛后 14.8 nm 5 nm 1.105 光圈 1.090 光圈 1.28 光圈 1.26 光圈 表 7 B 组样品抛光结果 样品编号 抛光时间/min Ra/nm PV(光圈)IRR(光圈)说明 B2 1.5 5.9 1.301 1.51 彩环消除，表面出现若干道子 3.5 18.5 0.651 0.75 改用小模子抛光，面形保持，粗糙度增大 5.5 3.7 0.766 0.89 改变抛光液浓度，粗糙度改善，面形基本保持，彩环消除 B3 2 5.3 0.497 0.58 粗糙度改善，面形保持，彩环消除 B4 1.5 8.2 0.518 0.60 粗糙度改善，面形保持，彩环消除 2.3.3 小结 1）采用阻尼布或聚氨酯抛光，数分钟内样品粗糙度明显改善，面形基本保持；2）聚氨酯抛光的模子大小对面形影响较大，抛光粉浓度对表面粗糙度影响较大。3 结论 针对单点金刚石飞切加工的小尺寸硅单晶异形平面光学元件表面质量不能满足使用要求的问题，尝试新的解决方案。对比手持旋转抛光头对固定工件抛光和手持工件采用古典抛光机抛光两种方式，发现当控制好抛光时间，且操作手法适当时，两种方法对工件原有面形均不会造成显著变化，而对工件表面粗糙度 Ra 有明显改善。比较而言，采用古典抛光机抛光，无论是阻尼布还是聚氨酯抛光都获得理想效果，表面没有产生道子，且效率显著优于手持旋转抛光头抛光。需要说明的是手工修抛对操作者的技术水平要求较高，不适合批量生产。但对某些结构特殊，难以采用成盘上盘抛光加工的小尺寸异形光学元件，手工修抛提供了一个解决方案；对单点金刚石飞切加工的小尺寸异形硅单晶光学元件，采用古典抛光机手工抛光不失为一种改善表面质量的后处理方法和有效手段。参考文献：1 肖令权.异形光学元件加工技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.2 Rietdorf J,Stelzer E.Special Optical ElementsM.New York:Springer Science+Business Media,2006.3 郭春荣,王嘉兴,谢启明.小尺寸 ZnSe 直角屋脊棱镜的加工工艺J.云光技术,2018,50(1):21-24.4 谢启明,耿朝红,尹国良,等.采用夹模上盘技术抛光锗窗J.新技术新工艺,2021(8):18-22.5 余怀之.红外光学材料M.北京:国防工业出版设,2015.6 鞠云祥.光学零件制造技术M.南京:江苏教育出版社,2003.7 谢启明,李茂忠,陈俊其,等.锗晶体二维转鼓单点金刚石飞切工艺的研究J.新技术新工艺,2009(3):22-24.8 李亚国,王健,许乔,等.光学元件聚氨酯抛光特性研究J.光电工程,2008(11):139-144.