弹性发射光学制造技术研究进展

摘要：深紫外光刻、极紫外光刻和先进光源等现代光学工程需求牵引先进光学制造技术持续发展，要求超光滑光学元件表面粗糙度达到原子级水平以及表面全频段面形误差达到RMS(Root Mean Square)亚纳米量级甚至几十皮米，推动超光滑光学元件制造要求不断逼近物理极限。目前，对于如何实现上述超高精度要求的超光滑加工技术及装备仍然存在技术挑战。尤其对如何实现柱面，椭球面，超环面等复杂曲面的原子量级超光滑加工仍是国内外前沿研究方向。弹性发射加工技术是一种去除函数稳定，超低亚表面缺陷，面向原子级的超光滑加工方法，可以作为加工上述精度要求光学元件的手段。本文总结了弹性发射加工技术的国内外研究现状及最新进展，归纳了弹性发射加工技术的原理，包含流体特性、抛光颗粒运动特性和化学特性，弹性发射加工装备，影响弹性发射加工技术表面粗糙度提升和材料去除效率的因素，分析了弹性发射加工技术面临的问题，展望了未来的发展方向，期望为弹性发射加工技术进一步发展和应用提供一定的参考。

关键词：先进光学制造；超精密光学；超光滑加工技术；弹性发射加工技术

1.引言

随着科学技术的不断发展，以先进光源(Advanced Light Source, ALS)，深紫外光刻技术(Deep UltraViolet Lithography, DUVL)，极紫外光刻技术(Extreme Ultraviolet Lithography，EUVL)为代表的现代光学工程迫切需要具有超光滑无损表面的光学元件。以同步辐射和自由电子激光为代表的先进光源装置为实现更高的光束聚焦能力，对所用聚焦反射镜不断提出更为苛刻的表面粗糙度和面形精度要求，例如：欧洲X射线自由电子激光装置对其K-B (Kirkpatrick-Baez, K-B)镜面形精度要求高达2 nm P-V (Peak to Valley, P-V)，表面残余斜率误差不超过50 nrad RMS (Root Mean Square, RMS) [5]。在光刻领域，提高光刻分辨率的光学方法一般为减小曝光波长和增大投影物镜的数值孔径等。极紫外光刻技术应用的曝光波长为13.5 nm，由于几乎所有的光学材料对极紫外光都有很强的吸收性能，因此EUVL光学系统只能使用反射镜，同时，为了提高反射率和分辨率，通过采用离轴结构和复杂面形的曲面元件提高数值孔径，这对光学制造技术提出了挑战。除此之外，EUVL对光刻物镜不同频段的表面粗糙度的要求也极为苛刻。例如：Carl Zeiss对其EUVL六镜光刻物镜要求如下：空间波长为1 μm~103 μm的中频粗糙度(Mid-Spatial Frequency Roughness, MSFR)应小于140 pm RMS，空间波长小于1 μm的高频表面粗糙度(High-Spatial Frequency Roughness, HSFR)应小于100 pm RMS。这使得光刻物镜的制造技术步入亚纳米阶段。因此，亟需从原子尺度研究超光滑复杂曲面元件制造技术，探索超光滑制造技术新方法、新原理。

现代光学工程对于超光滑复杂曲面元件的制造能力提出了逼近物理极限的苛刻要求，另外难加工材料也一直是光学制造领域面临的难题[7]。目前的超光滑抛光技术在残余应力层、亚表面损伤、边缘效应等方面还存在一定缺陷，无法满足上述重大应用对超光滑光学元件的需求。例如在射流抛光中，去除函数受压力系统和冲击距离的影响难以保持恒定；磁流变抛光技术对于中频误差的修正能力有限，规律的走刀路径可能会导致加工后残留中频误差；等离子体化学蒸发加工主要用来修正低频误差，但对表面粗糙度的改善能力有限。因此必须发展以提升光学元件表面粗糙度为目的，具有新加工原理能从原子尺度实现材料去除的超光滑抛光技术。

相对于其他超光滑加工技术，弹性发射加工技术能实现较高的加工精度，它基于化学和弹性流体动力润滑原理实现原子级的材料去除，能在保持低频面形误差的情况下提升中高频粗糙度，几乎不会引起光学元件表面晶体结构缺陷，可以实现曲面光学元件的超光滑加工，广泛应用于各种材料的光学元件制造，如4H-SiC(0001)，ULE和Zerodur，SiC等，是未来超精密光学制造的前沿研究方向。本文充分调研了弹性发射加工技术及装备的国内外研究现状并展望了未来的可能发展方向。

2. 弹性发射加工技术材料去除机理

弹性发射加工技术(Elastic Emission Machining，EEM)是由日本大阪大学的Mori等人在20世纪70年代提出的一种原子量级的超光滑抛光技术。基本原理如图1所示，光学元件和弹性变形恢复快的聚氨酯抛光工具浸泡在混合有纳米级抛光颗粒的抛光液中，电动机带动抛光工具旋转促使抛光液形成流体动压流，流体作为载体带动抛光颗粒到达光学元件表面发生化学反应，从而实现原子量级材料去除，其材料去除机理主要包括流体特性、抛光颗粒运动特性和化学特性3方面。

图1.EEM基本原理

2.1 流体特性

流体是推动抛光颗粒运动的载体，流体表面形成的表面张力有助于保护抛光过程中光学元件免受外部污染物的影响，在浸没状态下，热传导可使抛光工具和光学元件处于同一温度状态，有助于获得光滑表面。流体为不可压缩牛顿流体，在抛光工具和工件之间会形成一层液膜，液膜的形成与抛光工具的转速、抛光液粘度、光学元件的粗糙度和抛光工具的形状有关，形成的液膜厚度可以用弹性流体动力润滑理论(Elasto-Hydrodynamic Lubricating, EHDL)求出，其厚度大于抛光颗粒直径，这有利于保护光学元件不被颗粒划伤，分布呈现马蹄形状。Cao等人通过仿真和实验研究了抛光工具载荷与液膜厚度的关系，证明了液膜的存在及液膜对抛光工具的影响。Zhang等人通过用胶体二氧化硅颗粒加工熔石英光学元件，发现材料去除函数轮廓与液膜厚度分布一致。

2.2 抛光颗粒的运动特性

抛光颗粒是决定光学元件发生材料去除的主要因素，研究抛光颗粒的运动状态是阐明材料去除机理必不可少的一环。首先，抛光颗粒必须要接触到光学元件表面，才能发生材料去除。Kanaoka等人对抛光颗粒进行受力分析，如图2所示。

图2. 抛光颗粒受力分析图

……

6. 结束语

弹性发射加工技术是从原子量级上提升光学元件表面中高频粗糙度的有效手段，可以实现超高精度平面和复杂曲面的制造，能够满足未来先进光源和极紫外光刻等现代光学工程对超光滑光学元件加工的精度要求。本文综述了弹性发射加工技术在材料去除机理、装置优化、加工特性和工艺规律4方面的技术发展方向与最新研究进展，展望了弹性发射加工技术可能的发展方向。

鉴于篇幅较长，本文仅为节选（中国光学 第14卷 第5期）。