高准确度玻璃光学元件的CMP技术研究

　　0　引言

　　现代短波光学、强光光学、电子学及薄膜科学的发展对光学表面提出了更高的要求,其明显特性是表面粗糙度小于1 nm.这类表面作为光学元件应具有高反射率、高面形准确度、低粗糙度及高强度,特别强调表面低散射特性或极低粗糙度值,一般被称为超光滑表面[1].超光滑表面在现代光学及光电子领域的作用越来越重要,相应的超光滑加工技术也成为现代超精密加工技术的重要组成部分.

　　化学机械抛光是是机械磨削和化学腐蚀的组合技术.它借助超微粒子的研磨作用以及抛光研磨液的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦表面[2-3].化学作用即指抛光液与玻璃发生化学反应生成溶于水的物质,并降低损伤层;机械作用则是磨料在一定的压力下通过机械作用把玻璃表面的生成物除去,并被流动的抛光浆料带走,使被抛光表面重新裸露.化学与机械作用相互配合,使反应能继续下去,只有在化学作用与机械作用达到一个很精细的平衡时,才能实现表面低损伤高平整.

　　在玻璃加工行业,CMP的应用较少,特别在玻璃光学元件的超光滑表面加工中的应用目前还没有看到.

　　1　CMP加工微晶玻璃原理

　　微晶玻璃是一种具有良好的力学物理性能和在较高温度下的化学稳定性的光学材料.它具有晶粒结构,这不同于玻璃,但它的晶粒比陶瓷的晶粒更细,所以也被称为陶瓷玻璃或晶化玻璃.微晶玻璃由结晶相和玻璃相组成,光学上使用的微晶玻璃要求具有较高的透明度和很低的线胀系数,其主晶相是β-石英固溶体[4].

　　根据摩擦化学的相关理论,抛光过程中,磨粒与微晶玻璃局部接触点处会产生高温高压,导致一系列复杂的摩擦化学反应.与热化学反应相比,摩擦化学反应所需要的自由能仅为热化学反应活化自由能的1%~10%,在某些极端的摩擦状况下甚至可以观察到热化学反应条件下所不能进行的摩擦化学反应[5].具体在微晶玻璃的CMP过程中,微晶玻璃表面凸出部分在抛光垫接触压力与磨料机械摩擦共同作用下产生局部高温,使得水和微晶玻璃表面反应分子发生化学反应,造成Si-O键的断裂,并加速微晶玻璃凸出部分软质Si(OH)4层形成.而且磨粒对微晶玻璃表面施加的应力和摩擦热有助于微晶玻璃的塑性变形,加快软质层的磨料磨损,以利于化学作用的进一步反应.这样微晶玻璃表面凸出部分在原子或分子尺度上优先去除,表现出表面高低去除速率差.通过反复的水合软化-磨除过程,实现微晶玻璃的全面平坦化.

　　一般在超光滑加工领域,最常使用的是古典抛光方式.古典抛光加工的表面平整,表面光洁度好,粗糙度也可以做到很好.但古典抛光加工效率较低,而且对操作者的技术水平要求较高.