等離子拋光石英玻璃表面粗糙度研究

2020-05-16 07:52:02鄭才國陳慶川聶軍偉李民久陳美艷

實驗室研究與探索 2020年2期

鄭才國，陳慶川，聶軍偉，李民久，陳美艷

（1.核工業西南物理研究院，成都610041；2.成都理工大學工程技術學院，四川樂山614007）

0 引言

石英玻璃具有抗激光損傷能力強、熱膨脹系數低、光譜特性好和抗熱震性能好等優點，在航空航天大功率激光器和激光核聚變裝置中得到了廣泛的應用。但是，石英玻璃是一種典型的高硬度、低斷裂韌性的硬脆難加工材料［1］。該光學元件加工的表面質量將直接影響強激光系統的使用性能，在傳統的研拋加工工藝中，機械切削力的作用會使材料表面產生微裂紋和殘余應力等亞表面損傷［2］，而離子束微細加工技術是通過具有一定能量的離子束射向加工工件表面，撞擊工件表面原子，實現原子量級無應力、非接觸式精密加工，它具有良好的可控性、高加工精度，并且加工表面應力和熱變形非常小，加工面潔凈無污染等特點［3］，加工精度達到納米、亞納米級。它具有傳統工藝無法比擬的優勢，受到了世界各國的高度重視，已成為光學元件的加工方法之一。

本文為避免傳統機械拋光加工方法對石英元件加工造成亞表面損傷，利用射頻等離子體對石英元件進行拋光加工，得到了不同工藝參數對拋光工件表面粗糙度的影響，實現了石英元件超光滑表面加工，同時也為硬質材料表面的加工提供了一定的參考。

1 實驗系統與過程

1.1 實驗系統

實驗在核工業西南物理研究院研制的大型射頻離子源及拋光刻蝕工藝調試平臺上進行。該設備平臺主要由線性離子源、控制系統、工作臺及真空抽氣系統等組成，如圖1所示。其工作原理是在低氣壓條件下，通過高頻（13.56 MHz）的電流線圈產生磁場，再由交變的磁場感應產生電場，從而產生低氣壓、高密度、有一定能量的離子束，然后撞擊到工件表面上，實現超光滑表面加工。

圖1 離子束拋光示意圖及離子束拋光實驗樣機

1.2 實驗過程

實驗石英樣品尺寸：直徑50 mm，厚度為4 mm，拋光實驗前，先用氫氟酸清潔樣品表面，并測試表面形貌。樣品到離子源的距離固定為110 mm，本底真空度為2.0 mPa，工作真空度為0.3 mPa。實驗前后基片的表面粗糙度均用原子力顯微鏡和干涉儀進行檢測。

2 結果與討論

2.1 離子束能量對表面粗糙度影響

離子束的能量范圍為200～800 eV，間隔為200 eV，離子束流固定在500 mA，以45°固定角入射，樣品距離離子源110 mm，工件旋轉，拋光時間為20 min。其結果如圖2所示。

圖2 表面粗糙度隨離子束能量變化曲線

從圖2可知，隨離子束能量的增加，表面粗糙度RMS先減小后增大，離子束能量200～600 eV范圍內表面粗糙度得到明顯改善，這是離子束拋光能量的最佳范圍。當離子束能量小于600 eV時，表面原子和入射離子交換能量，表面流動效應占主導地位，表面趨于光滑；當離子束能量為800 eV時，物理濺射效應占主導地位，表面粗糙度增加。

不同離子束能量拋光后樣品表面形貌AFM測試如圖3所示。結果表明，離子束拋光后原始樣品表面上的點狀凸尖變光滑。在離子束能量從200 eV增加到600 eV的過程中，點狀凸起和凹坑之間的高度差趨于平緩，并且表面粗糙度降低；離子束能量為800 eV后，濺射效果明顯，表面形貌擾動被放大，引導表面生長，點狀凸起和凹坑之間的高度差增加，并且表面粗糙度增加。

圖3 AFM測試表面形貌

2.2 入射角對表面粗糙度的影響

離子束的能量固定500 eV，離子束束流固定400 mA，入射角設定在范圍15°～60°（離子束入射方向同樣品法線之間夾角），間隔15°，距離離子源110 mm，工件自轉，拋光時間為20 min。其結果如圖4所示。

圖4 表面粗糙度隨入射角變化曲線

圖4顯示了在不同入射角下拋光后樣品的表面粗糙度值，隨入射角的增加，表面粗糙度首先增加然后減小。根據B-H模型，利用不同曲率位置處的刻蝕速率關系來說明該變化規律：當離子束入射角為15°時，樣品的表面粗糙度增加；隨入射角的增大，樣品凹坑處刻蝕速率逐漸降低，凸起處刻蝕速率逐漸增加，表面粗糙度逐漸降低；當入射角增大到60°時，凹坑處刻蝕速率降到最小，表面平滑效果減弱。

入射角的優化過程中，AFM測試樣品表面形貌表明，15°入射時，凹坑處濺射速率大于凸起處濺射速率，表面高度差異更明顯，并且凸起尺寸增加，通過離子束拋光后凸起尖端鈍化；隨著入射角的增大，表面趨于平緩，表面在45°入射時最平整；在60°入射時凸起基本消除，但是凹坑處濺射速率降到最低，表面平滑效果更差（見圖5）。