超光滑超精密玻璃拋光新技術(shù)

　　玻璃拋光歷史悠久，中世紀(jì)歐洲制造玻璃鏡時(shí)，采用了粗磨、細(xì)磨和拋光，我國(guó)乾隆玻璃的拋光質(zhì)量已很高。目前除了平板玻璃、器皿玻璃、藝術(shù)玻璃應(yīng)用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)外，先進(jìn)的光學(xué)制造、微光學(xué)制作、IT及光電子行業(yè)的基片制作均需要超光滑和超精密拋光技術(shù)，如平板顯示器(FPD)普通Genii型的粗糙度Ra<20nm，有源矩陣a-SiTFT和P-SiTFT基片玻璃的粗糙度均要求小于5nm。光盤和磁盤基片玻璃要求表面粗糙度為1?6nm，哈勃望遠(yuǎn)鏡的輕型主鏡拋光后粗糙度達(dá)12nm，這些超光滑和超精密要求，促進(jìn)了拋光新技術(shù)的發(fā)展。

　　超光滑拋光(Super-smoothpolishing)指拋光后表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)，從零點(diǎn)幾納米到幾十納米。超精密拋光(ultra-precisionpolishing)指拋光時(shí)精度是分子或原子級(jí)的拋除，也就是加工精度為納米級(jí)。超光滑拋光和超精密拋光是緊密聯(lián)系在一起的，但也略有區(qū)別，超光滑拋光著重于拋光后表面光滑程度，而超精密拋光后的面形達(dá)到原設(shè)計(jì)的精度，兩者均可用表面粗糙度來表示，近代的拋光新技術(shù)，使加工后玻璃表面粗糙度顯著降低，如采用浴法(BFP)拋光，玻璃表面粗糙度可達(dá)到0.27nm，浮法拋光表面粗糙度可小于0.2nm。

　　拋光新技術(shù)可分為接觸式拋光和非接觸式拋光兩大類型。接觸式拋光包括數(shù)控小工具拋光、應(yīng)力盤拋光、浴法拋光(BFP)、浮法拋光、磁流變拋光等。非接觸式拋光主要指離子束拋光、等離子體輔助拋光、電子束拋光和激光拋光。本文除了評(píng)述各種方法的特點(diǎn)外，重點(diǎn)闡述離子束拋光與電子束拋光。

　　1.接觸式拋光新技術(shù)

　　接觸式拋光是由傳統(tǒng)的拋光盤模式發(fā)展而來，與傳統(tǒng)的拋光相比，采用數(shù)字控制(CNC)機(jī)床運(yùn)行、新型的拋光工具(如應(yīng)力拋光盤、磁流變拋光盤)與納米級(jí)超細(xì)拋光劑。

　　數(shù)控小工具拋光技術(shù)是用計(jì)算機(jī)數(shù)控小工具拋光模(拋光頭)對(duì)玻璃表面進(jìn)行拋光，根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，通過拋光頭在玻璃表面上的運(yùn)動(dòng)途徑，相對(duì)應(yīng)力與駐留時(shí)間來控制拋除量，可以制備大中型非球面光學(xué)零件。此種拋光設(shè)備由拋光機(jī)床、實(shí)時(shí)干涉測(cè)量以及數(shù)字控制系統(tǒng)(CNC)組成。Itek公司制造的4m數(shù)控小工具拋光機(jī)，最大拋光玻璃鏡片直徑可達(dá)4m，拋光效率明顯提高，時(shí)間只用四周，而傳統(tǒng)經(jīng)典方法達(dá)到同樣效果需要1年。Parkm-Elmer采用此技術(shù)，拋光望遠(yuǎn)鏡鏡片，最終面形粗糙度為12nm。

　　應(yīng)力拋光盤技術(shù)(stressedlappolishing)系米用大尺寸剛性材料作為基盤，在周邊可變壓力作用下，盤的表面可隨時(shí)改變所需要的面形。在拋光過程中，安裝于應(yīng)力盤上驅(qū)動(dòng)器根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的變形盤相對(duì)鏡面位置和方向的指令，改變邊緣力矩的大小，使應(yīng)力盤始終與被拋光玻璃的非球面光學(xué)表面相匹配。

　　美國(guó)亞利桑那大學(xué)Steward天文臺(tái)大尺寸鏡片實(shí)驗(yàn)室用應(yīng)力盤拋光技術(shù)加工大尺寸高陡度非球面反射鏡，表面粗糙度達(dá)到全口徑20nm。

　　浴法拋光(Bowl-FeedPolishing)簡(jiǎn)稱BFP方法[6]，也稱水中拋光法，玻璃和拋光模同時(shí)都浸在拋光液的拋光方法，拋光時(shí)產(chǎn)生摩擦熱均可擴(kuò)散到拋光液中，不致使玻璃和拋光工具的溫度升高很多，玻璃的熱變形和拋光模的塑性流動(dòng)達(dá)到極小，從而可用純浙青作為拋光模對(duì)玻璃進(jìn)行拋光，使玻璃表面非常光滑。拋光時(shí)采用極細(xì)的拋光粉和很低的拋光壓力，拋光最后階段還可用稀釋的拋光液或清水拋光，均有利于降低表面粗糙度。

　　以超細(xì)氧化鋁粉為拋光劑，采用浴法拋光工藝，不同品種玻璃拋光后的粗糙度分別為：火石玻璃(F4)0.76nm，硼桂酸鹽玻璃(Duran50)0.16nm，溶融石英玻璃0.34nm。

　　浮法拋光(floatpolishing)[7][8]指拋光模與被拋光玻璃之間保持有厚度數(shù)倍于拋光粉顆粒尺寸的液體層；換言之，玻璃在幾微米厚的拋光液薄層上被拋光，拋光模采用硬度比平常用浙青或樹脂更高的材料如錫制成，玻璃與拋光模之間相對(duì)速度很大，達(dá)1.5?2.5m/s;而壓力為70?500Pa，較一般拋光盤壓力高十幾倍；拋光劑用CnOs或MgO。拋光過程中，拋光劑在離心力作用下，在液體膜內(nèi)沿徑向不斷碰撞玻璃，以原子或分子級(jí)不斷拋除玻璃。

　　Corning公司用浮法拋光對(duì)溶融石英玻璃(ULE)和Schott公司的低膨脹微晶玻璃(Zerodur)進(jìn)行拋光，表面的粗糙度都小于0.2nm。

　　磁流變拋光(magnetorhelogicalfinishing)[9][w]是利用磁流變拋光液在磁場(chǎng)中的磁流變形成柔性拋光模，對(duì)玻璃表面進(jìn)行拋光。磁流變拋光液為黏塑性介質(zhì)，當(dāng)按一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，連綿不斷切過玻璃表面時(shí)，磁流變拋光液中的拋光粉，借助玻璃與磁流體之間的壓延與剪切變形力實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃表面的拋除。

　　采用磁流變拋光方法在不到2min的拋光時(shí)間，就使玻璃表面面形偏差達(dá)到m0，粗糙度小于1mm。20世紀(jì)末即已制造生產(chǎn)出商用Q22型計(jì)算機(jī)控制磁流拋光機(jī)供應(yīng)市場(chǎng)。

　　2.非接觸式拋光

　　非接觸式拋光打破了用拋光工具接觸玻璃表面拋除的模式，采用了高能量密度束流進(jìn)行拋光或用等離子體輔助拋光。高能量密度束流指高達(dá)108?109W/cm2功率密度的離子束、電子束和激光束，其中已實(shí)際應(yīng)用的為離子束。

　　離子束拋光是將惰性氣體如Ar、Kr、Xe及N原子在真空度為1.33Pa條件下用高頻或放電等方法使其成為離子，再用20?25KeV的電壓加速，然后撞擊到放在真空度為1.33x10_3Pa真空室的玻璃表面，從而使玻璃以原子級(jí)被拋除。

　　離子束拋光是20世紀(jì)末光學(xué)玻璃制造上的創(chuàng)新，1990年美國(guó)EastmanKodak公司即研究了實(shí)用化的計(jì)算機(jī)控制的Kodak2.5m五束數(shù)控離子束拋光系統(tǒng)，將直徑1.3m熔融石英(ULF)鏡面拋光，對(duì)直徑1.3m花瓣形離軸非球面鏡加工精度達(dá)到0.01^m。

　　由于離子束拋光需要專門的離子拋光機(jī)，本文作者曾將國(guó)內(nèi)常見的離子注入機(jī)進(jìn)行離子束拋光，采用束流能量25keV，束流強(qiáng)度150^A/cm2，劑量為1x1014ions/cm2和1x1017ions/cm2的N+離子對(duì)鈉鈣玻璃和中鉛玻璃進(jìn)行離子束拋光，拋光前后玻璃表面形貌用MEF3型金相顯微鏡觀察并拍攝照片。

　　鈉鈣硅酸鹽玻璃用傳統(tǒng)機(jī)械拋光的表面形貌如圖1所示，表面存在形狀不規(guī)則、間距不一、深淺不同的溝槽，用劑量1x1017ions/cm2的N+離子拋光后的形貌如圖2所示，拋光溝槽分布比較均勻，溝槽之間的間距縮短，溝槽深度減小。

　　中鉛晶質(zhì)玻璃用傳統(tǒng)化學(xué)拋光后的表面形貌如圖3所示，觀察到玻璃表面仍有殘留氟化物鹽類附著物。圖4為劑量1x1014ions/cm2的N+離子束拋光后的中鉛玻璃表面，殘留的氟化物鹽類已去除，有表面產(chǎn)生離子束轟擊的溝槽，溝槽間距為100?130nm，分布較均勻。當(dāng)離子束拋光的劑量增加到1x1017ions/cm2時(shí)，拋光后的表面如圖5所示，溝槽變得很細(xì)而密集，間距只有幾十納米，離子束拋光效果較好。中鉛玻璃的硬度為4240MPa，而鈉鈣玻璃硬度為4935MPa，中鉛玻璃的硬度較低，故離子束拋光效果尤佳。另一方面鈉鈣玻璃中堿金屬含量比中鉛玻璃要高，而堿金屬離子容易被濺射，在同一劑量下進(jìn)行離子束拋光，鈉鈣玻璃形成的溝槽比中鉛玻璃要寬和深。離子束拋光時(shí)，入射的離子轟擊玻璃表面對(duì)玻璃原子進(jìn)行彈性碰撞，入射離子一部分被派射，另一部分注入到玻璃表面中。玻璃表面原子(離子)受離子轟擊后，有一些原子(離子)立即被濺射出來，即首次濺射原子(離子)，還有一些原子被注入離子轟擊后產(chǎn)生位移，位移的原子(離子)再被濺射出來，成為二次濺射原子(離子)。

　　由于離子束拋光主要依靠濺射玻璃表面原子(離子)而拋除的，所以會(huì)引起玻璃表面成分、結(jié)構(gòu)和折射率的變化，也會(huì)有表面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)折射率變化有嚴(yán)格要求的玻璃材料，要慎用此方法。

　　電子束拋光是利用高速的電子束經(jīng)聚集線圈和偏轉(zhuǎn)線圈后進(jìn)入玻璃表面一定深度，與表面成分中原子核和電子發(fā)生相互作用，其能量傳遞主要通過電子與玻璃表面層成分中原子碰撞，所傳遞能量以熱能的形式傳遞給表面原子，使玻璃表面溫度迅速升高，達(dá)到軟化點(diǎn)以上熔融溫度，由于表面張力作用形成自由表面，達(dá)到拋光目的。

　　電子束拋光的能量非常重要，能量過高，反而使表面形成缺陷。本文作者采用不同能量脈沖電子束對(duì)磷硼酸鹽玻璃進(jìn)行試驗(yàn)[15]。電子束能量分別為19.869keV和23.807keV，束流為102?103A/cm2，束流面積750px2，脈沖0.8?2嘩，能量密度1?6J/cm2的電子束與玻璃表面相互作用后的表面形貌顯微照片如圖6和7所示，圖6電子束能量為19.869keV，圖7電子束能量為23.807keV。用Zygo5022-3D激光表面粗糙度測(cè)定儀測(cè)出電子束能量19.869keV與玻璃作用后，玻璃表面粗糙度僅為幾個(gè)納米，而電子束能量23.807keV與玻璃作用后玻璃表面粗糙度高達(dá)200nm，再結(jié)合顯微照片來對(duì)比，充分說明電子束能量密度過大，與玻璃表面作用時(shí)，能量沉積太大，玻璃表面加熱和冷卻過快，導(dǎo)致Griffith裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，產(chǎn)生樹枝狀交叉裂紋，顯微硬度也有所下降，顯然高能量電子束并不適合玻璃拋光。

　　激光拋光也是利用高能量密度激光束輻照玻璃，導(dǎo)致玻璃表面瞬時(shí)熔融，由于熔融玻璃表面張力作用，使表面光滑平坦。為了防止玻璃表面冷卻過快產(chǎn)生永久應(yīng)力，還需要采用微波加熱。激光波長(zhǎng)為10.6^m易被玻璃吸收，激光器功率為200W，束斑直徑8mm。輔助加熱用微波功率2kW，頻率2.45GHz。用紅外溫度計(jì)測(cè)量玻璃表面和玻璃體內(nèi)溫度。

　　當(dāng)玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg為455°C，拋光時(shí)控制表面溫度為700°C，嚴(yán)格控制表面溫度和內(nèi)部溫度的相差值，防止產(chǎn)生永久應(yīng)力。拋光時(shí)玻璃樣品旋轉(zhuǎn)，激光作x-y方向掃描，并根據(jù)紅外測(cè)量出的表面溫度來控制激光的加熱。拋光時(shí)間很短，從幾秒到幾十秒，拋光質(zhì)量很高，可達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量。等離子體輔助拋光(?人。均[17]是在等離子體激勵(lì)下的化學(xué)反應(yīng)而拋除玻璃表面，實(shí)質(zhì)上是一種化學(xué)拋光，與傳統(tǒng)化學(xué)拋光不同的是反應(yīng)物和生成物均為氣體，而且是在射頻(rf)激勵(lì)下生成活性粒子體，此活性粒子體與玻璃表面成分反應(yīng)，生成易揮發(fā)性氣體而排出，達(dá)到表面拋光的目的。

　　石英玻璃可用CF4為拋光氣體，拋光時(shí)與玻璃反應(yīng)產(chǎn)生SiF4與C02，在真空下進(jìn)行，不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生亞表面破壞，拋光球面和非球面難易程度相當(dāng)。Perkin-Elmer公司已用此方法拋光了小0.5~1m非球面光學(xué)玻璃鏡片，粗糙度小于0.5nm。

　　3.結(jié)論

　　為了達(dá)到超高精密度和極低粗糙度的要求，無論接觸式和非接觸式拋光均首先建立數(shù)學(xué)模型，再確定計(jì)算工具的路線及駐留方程，由計(jì)算機(jī)控制的執(zhí)行元件進(jìn)行加工，并及時(shí)進(jìn)行表面測(cè)量再與預(yù)期面形進(jìn)行比較，然后反饋到計(jì)算機(jī)，修正拋光路線與駐留方程，通過操作控制帶由執(zhí)行元件進(jìn)行加工，如此周而復(fù)始地循環(huán)直到預(yù)期的面形精度與粗糙度為止。

　　除了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以外，拋光面形的測(cè)量非常重要，只有測(cè)量精確，才能精密拋光，近年來發(fā)展了利用相移技術(shù)和外差干涉技術(shù)，測(cè)量超光滑表面的粗糙度，如美國(guó)WYK0公司的T0R0-3D，美國(guó)ZYZ0公司的MAXIM_3D和ZYG0-5500。掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)也可用來測(cè)量表面粗糙度。

　　在接觸式拋光技術(shù)中，磁流變拋光(RMF)特別適合于非球面等復(fù)雜面形，拋光時(shí)間比較短，可在幾分鐘內(nèi)使拋光面形偏差值達(dá)到，粗糙度小于1nm，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　非接觸式拋光中，除激光外，離子束、電子束以及等離子輔助拋光，樣品均需要放在真空室內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是減少了污染，缺點(diǎn)是拋光產(chǎn)品尺寸受到真空室大小的限制。

　　電子束和激光拋光均系瞬間加熱表面拋光，拋光時(shí)間僅有幾秒到十秒，加熱和冷卻速度更快，使玻璃表面急熱急冷而易開裂，同時(shí)也易使表面輕微變形，為防止急熱急冷，可采用微波輔助加熱等措施，但亞表面層結(jié)構(gòu)變化很難防止，加之設(shè)備復(fù)雜，影響了推廣。

　　離子束為濺射拋光，表面不會(huì)變形和產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力和裂紋，不需要輔助加熱，只要控制離子束的能量和劑量，可將離子束對(duì)玻璃表面影響降到最低。國(guó)外已建造大型離子束拋光機(jī)，特別適用于非球面及花瓣形等復(fù)雜面形。

　　離子束拋光和等離子體輔助拋光均為非接觸式拋光技術(shù)的發(fā)展方向。