不同晶向CaF2晶體表面精密加工特性研究

杜京倫，陳寬林，楊帆，段恒利，潘斐，劉偉俊，張電，臧春雨

（長(zhǎng)春理工大學(xué)　材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春　130022）

不同晶向CaF2晶體表面精密加工特性研究

杜京倫，陳寬林，楊帆，段恒利，潘斐，劉偉俊，張電，臧春雨

（長(zhǎng)春理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

研究了具有不同取向CaF2晶體材料的表面加工特性問(wèn)題。首先通過(guò)對(duì)具有不同取向CaF2晶體材料的表面進(jìn)行精密加工實(shí)驗(yàn)，研究了拋光過(guò)程中去除率與所加工表面晶向的關(guān)系；對(duì)所加工的表面質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，分析了晶體取向與表面拋光所獲得粗糙度的關(guān)系。結(jié)合CaF2晶體的結(jié)構(gòu)與其物理特性，討論了造成不同取向CaF2晶體材料表面加工特性差異的原因，得出了（111）晶面在相同加工條件下可獲得最佳拋光質(zhì)量的結(jié)論。

機(jī)械拋光；CaF2晶體；去除率；表面粗糙度

CaF2光學(xué)晶體是一種綜合性能優(yōu)異的光學(xué)材料，其透光范圍寬，可應(yīng)用于紫外、可見(jiàn)、紅外等波段。在可見(jiàn)波段常利用其色差小的優(yōu)點(diǎn)制造高檔相機(jī)的鏡頭；在紅外波段常常用作紅外窗口材料。近些年由于紫外光刻技術(shù)的發(fā)展，CaF2晶體在紫外波段的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日益突出［1］，目前半導(dǎo)體光刻設(shè)備均采用紫外級(jí)CaF2晶體作為其主鏡頭材料。由于紫外光波長(zhǎng)短，相應(yīng)地對(duì)晶體加工表面的粗糙度有更高的要求，目前世界上半導(dǎo)體用紫外光刻設(shè)備中CaF2晶體鏡頭加工總量的80%是由德國(guó)蔡司公司半導(dǎo)體事業(yè)部來(lái)完成的，中國(guó)這方面的研制工作才剛剛起步，深入研究紫外波段使用的CaF2晶體精密加工技術(shù)對(duì)CaF2晶體在紫外波段取得更好的使用有現(xiàn)實(shí)的意義。

由于CaF2晶體質(zhì)地軟而且脆，對(duì)它進(jìn)行加工具有很大的難度，有很多學(xué)者對(duì)CaF2晶體加工工藝進(jìn)行了深入研究［2，3］，但對(duì)CaF2晶體加工特性與晶體取向的關(guān)系的研究開(kāi)展的較少，如日本學(xué)者Namba Y等采用超精密加工和浮法拋光的方法對(duì)此進(jìn)行了研究［4，5］，中國(guó)學(xué)者姜文彬?qū)Σ煌虻腃aF2晶體超精切削過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真［6］。

研究采用高效研磨、古典拋光的方法對(duì)CaF2晶體取向與加工特性的關(guān)系進(jìn)行了初步的研究，為下一步深入研究CaF2晶體超光滑表面的精密加工技術(shù)進(jìn)行了有益的探索，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中CaF2晶體加工工藝的改進(jìn)與提高提供有了有價(jià)值的借鑒。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)用原料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用的原料為采購(gòu)自長(zhǎng)春市科瑞光學(xué)公司的紫外級(jí)CaF2晶體毛坯，晶錠直徑90mm，晶體在200nm處的透光率大于90%。首先采用以解理面為基準(zhǔn)的方法初步確定晶體方向，對(duì)晶錠進(jìn)行粗定向和切割，然后采用丹東奧龍射線(xiàn)儀器公司的YX-2 型X射線(xiàn)定向儀對(duì)晶體進(jìn)行精確定向，儀器的定向精度為±30"，經(jīng)過(guò)精確定向后研磨，制備成尺寸為15mm×15mm×5mm的樣品方片。

精密研磨采用河南南陽(yáng)中光學(xué)公司生產(chǎn)的HS-4型4軸高速精磨機(jī)，采用金剛石丸片作為固著磨料進(jìn)行精密研磨實(shí)驗(yàn)；采用無(wú)錫中光公司的JP040.2B型透鏡研拋機(jī)進(jìn)行樣品拋光實(shí)驗(yàn)，采用美國(guó)Nanotechnology公司Nano-R2TM型原子力顯微鏡檢測(cè)與表征所加工表面的粗糙度。

1.2實(shí)驗(yàn)

1.2.1精磨去除率實(shí)驗(yàn)

采用HS-4型4軸高速精磨機(jī)，采用W7粒度的金剛石丸片作為固著磨料進(jìn)行精密研磨實(shí)驗(yàn)。循環(huán)水的溫度設(shè)定為30℃，循環(huán)水內(nèi)加有潤(rùn)滑劑和腐蝕劑，在精密研磨時(shí)潤(rùn)滑劑起到潤(rùn)滑作用，腐蝕劑對(duì)金剛石丸片的基體起到腐蝕作用，使新的金剛石顆粒不斷露頭，起到自銳作用。主軸的轉(zhuǎn)速設(shè)定為180r/min，工件的壓力為1.5Kg/cm2，在此工藝條件下對(duì)每組9塊晶體樣品進(jìn)行研磨，一共4組樣品，其待加工表面分別與晶體（111）面成0°、5°、10°、15°角。分別測(cè)定不同加工時(shí)長(zhǎng)的去除總量，求出其去除率，并將研磨時(shí)間最長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1，表中顯示出隨著角度變化，精磨去除率的變化規(guī)律。

1.2.2表面粗糙度

采用古典拋光法拋光4組實(shí)驗(yàn)樣品，每組9塊樣品按照3×3排列，成盤(pán)加工，排列整齊并用熱膠固定好，樣品陣列的總尺寸為54mm×54mm，采用JP040.2B型透鏡研拋機(jī)進(jìn)行樣品拋光實(shí)驗(yàn)。環(huán)境溫度恒定在25℃，采用瀝青盤(pán)拋光，拋光瀝青為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所生產(chǎn)的0.75#瀝青拋光膠，拋光劑采用美國(guó)Engis公司的鉆石粉。

圖14　組樣品拋光表面的AFM圖

JP040.2B型透鏡研拋機(jī)擁有4個(gè)拋光機(jī)位，每個(gè)機(jī)位的轉(zhuǎn)速和擺速都是由獨(dú)立的變頻器控制的，這樣每個(gè)機(jī)位拋光一組樣品，拋光加工同時(shí)進(jìn)行，采用的拋光壓力一致，通過(guò)變頻器將主軸轉(zhuǎn)速和上擺架擺速調(diào)成一致，這樣就確保了所有樣品具有相同的加工條件，經(jīng)過(guò)6小時(shí)的拋光過(guò)程，獲得了表面質(zhì)量較好的CaF2晶片，晶片的面型控制在0.5λ以?xún)?nèi)。通過(guò)AFM觀察其表面粗糙度，結(jié)構(gòu)表明不同取向的晶體拋光加工后表面粗糙度也不盡相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，分別為與（111）面分別成0°角、5°角、10°角、15°角表面拋光后的AFM圖。

2　結(jié)果分析

2.1精密研磨的去除率規(guī)律

表1　相同加工參數(shù)下不同晶體取向的研磨去除率

結(jié)果表明精密研磨的去除率隨著晶體加工面與晶體（111）面所成角度的增加而變大。精密研磨的材料去除過(guò)程主要物理過(guò)程為脆性破裂，塑性去除過(guò)程不起主導(dǎo)作用，決定去除率差異的原因主要為CaF2晶體的各向異性，即研磨去除率主要受CaF2晶體結(jié)構(gòu)的影響。

圖2　與（111）面成0°角的拋光表面

表2　與（111）面成0°角的拋光表面的粗糙度測(cè)量

圖3　與（111）面成5°角的拋光表面

表3　與（111）面成5°角的拋光表面的粗糙度測(cè)量

圖4　與（111）面成10°角的拋光表面

表4　與（111）面成10°角的拋光表面的粗糙度測(cè)量

圖5　與（111）面成15°角的拋光表面

表5　與（111）面成15°角的拋光表面的粗糙度測(cè)量

測(cè)試結(jié)果還表明，隨著待加工表面與晶體（111）面所成角度增加時(shí)，去除率隨之增加。目前從表1的數(shù)據(jù)分析中還無(wú)法得出去除率隨角度的變化是線(xiàn)性的還是加速變化的，需要進(jìn)一步增加實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量，減小取樣角度間隔，并通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探查其規(guī)律。

2.2拋光表面粗糙度與晶體方向的關(guān)系

圖1顯示了4組拋光完成表面的AFM圖，圖1 （a）為拋光表面與晶體（111）面成0°角時(shí)得到的AFM圖，圖中顯示其最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之差Ry最大為3.2nm，表2為采用軟件分析得出的結(jié)果：在所測(cè)量面積上的平均粗糙度Sa為0.3364nm，Sa代表所測(cè)面積上偏差的算術(shù)平均值，所測(cè)均方根Sq為0.4572nm，Sq代表均方根粗糙度，即偏差平方之和的平方根，更能反應(yīng)粗糙度的綜合情況。所測(cè)十點(diǎn)平均粗糙度Sz是2.5569nm為代表所測(cè)面積上5個(gè)最高點(diǎn)和5個(gè)最低點(diǎn)的平均偏差，該指標(biāo)不是國(guó)際上廣泛使用的指標(biāo)。Range Sr為最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之高度差，與圖1中的Ry相同。該晶片與其他角度拋光面粗糙度相比具有最好的表面粗糙度；圖1（b）為拋光表面與晶體（111）面成5°角時(shí)得到的AFM圖，圖中顯示其Ry最大為6.03nm，表3為采用AFM軟件對(duì)其對(duì)應(yīng)的粗糙度進(jìn)行分析的結(jié)果：Sa為0.5902nm，Sq為0.7735nm。圖1（c）為拋光表面與晶體（111）面成10°角時(shí)得到的AFM圖，圖中顯示其Ry最大為6.39nm，表4為采用AFM軟件對(duì)其對(duì)應(yīng)的粗糙度進(jìn)行分析的結(jié)果：Sa為0.5880nm，Sq為0.7727nm。圖1（d）為拋光表面與晶體（111）面成15°角時(shí)得到的AFM圖，圖中顯示其Ry最大為8.77nm，表5為采用AFM軟件對(duì)其對(duì)應(yīng)的粗糙度進(jìn)行分析的結(jié)果：Sa為0.8152nm，Sq為1.0637nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光表面與晶體（111）面成0°角時(shí)具有最佳的表面粗糙度，即外部條件完全相同的條件下，晶體（111）面能夠獲得最佳的表面粗糙度。圖2、圖3、圖4以及圖5分別為與（111）面成0°、5°、10°以及15°角對(duì)應(yīng)樣品的原子力顯微鏡表面形貌圖。

拋光的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要加工為脆性破裂與塑性去除相結(jié)合的過(guò)程，在拋光的剛剛開(kāi)始的階段，由于開(kāi)始拋光時(shí)，晶體的表面粗糙度比較大，是經(jīng)過(guò)W7金剛石丸片精密研磨的表面，該階段的拋光去除與研磨階段相同，依舊是以脆性破裂占主導(dǎo)的過(guò)程。

隨著拋光過(guò)程的進(jìn)行，表面粗糙度的進(jìn)一步降低，拋光液能夠在晶體表面和拋光膠膠盤(pán)之間形成一層液膜，雖然這時(shí)仍然有磨料起到脆性破裂的作用，但塑性去除已經(jīng)占主導(dǎo)作用，以剪切力為主導(dǎo)的加工過(guò)程，對(duì)具有最致密Ca2+排列的（111）面而言，具有最好的拋光效果。

2.3其他因素對(duì)拋光結(jié)果的影響

影響拋光過(guò)程的因素非常多，4組樣品均嚴(yán)格按照相同的加工條件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)的，但在其他加工條件下是否還能夠得到同樣的規(guī)律和趨勢(shì)，有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。例如采用恒定25℃的拋光溫度，溫度高會(huì)產(chǎn)生粘盤(pán)現(xiàn)象，并且溫度高塑性去除作用會(huì)加劇；拋光瀝青中含有-COOH基團(tuán)，能與晶體表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成界面化學(xué)鍵，這與瀝青的材質(zhì)、加工的溫度、磨料溶液的酸堿度等都有關(guān)系；磨料溶液的加入總量與頻率，溶液內(nèi)含有鉆石粉的濃度都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響；晶體內(nèi)部的缺陷對(duì)加工表面質(zhì)量也有很大的影響。所以要獲得高品質(zhì)、超光滑的CaF2晶體表面是一件非常復(fù)雜的工作，還有很多問(wèn)題需要深入研究。

3　結(jié)論與展望

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析均表明，為使CaF2晶體加工獲得最佳的表面粗糙度，晶體加工面的最佳取向?yàn)椋?11）面，所以紫外光刻設(shè)備主鏡頭CaF2晶體材料取向應(yīng)為通光方向垂直于晶體毛坯的（111）面。在Ⅳ—Ⅵ族半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)中，如對(duì)晶格的適配無(wú)特殊的要求，最好采用（111）面的CaF2晶體基片，這種取向的晶體具有最佳的表面粗糙度。

提出的結(jié)論對(duì)成盤(pán)加工CaF2晶體窗口片有一定指導(dǎo)意義，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明成盤(pán)加工的CaF2晶體平面鏡最好具有相同或相近的取向，否則在加工過(guò)程中由于去除率的不同而無(wú)法獲得平面度好的表面，同時(shí)也無(wú)法保證拋光表面的平行度。由于選?。?11）面的晶體毛坯成本較高，所以可以采用同一塊晶錠平行切割的方法獲得取向一致的晶體規(guī)格毛坯。

在加工用于紫外波段的大尺寸球面透鏡時(shí)，由于與球面上各點(diǎn)相切的面與（111）面呈一定的角度，依據(jù)所研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在加工過(guò)程中中心與邊緣的加工特性就有微小的差異，去除率、表面粗糙度等都不一樣，針對(duì)此采取一定的技術(shù)措施才能加工出質(zhì)量滿(mǎn)足紫外光刻要求的大透鏡，這是要進(jìn)一步研究的課題。采用的晶體方向的選取是以（111）面為基準(zhǔn)切取的，并沒(méi)有考慮和其他晶面，如（100）、（110）所成角度的關(guān)系，為獲得超光滑表面，進(jìn)一步研究和其他特征晶面的關(guān)系也非常必要，在這一方面有待進(jìn)一步深入研究。

［1］ 蘇良碧，董永軍，楊衛(wèi)橋，等.CaF2晶體的生長(zhǎng)與光學(xué)性能［J］.人工晶體學(xué)報(bào)，2004，33（1）：88-91.

［2］ 段安鋒，范翊，劉景和，等.CaF2晶體及加工技術(shù)研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30（02）：97-99.

［3］ 段安鋒，范翊，劉景和，等.CaF2晶體及加工技術(shù)研究［C］.第14屆全國(guó)晶體生長(zhǎng)與材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2006.

［4］Namba Y，Yoshida T，Yoshida S，et al.Surfaces of Calcium Fluoride single crystals ground with an ultra-precision surface grinder［J］.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2005，54（1）：503-506.

［5］ Namba Y，Ohnishi N，Yoshida S，et al.Ultra-precision float polishing of Calcium Fluoride single crystals for deep ultra violet applications［J］.Annals of the CIRP，2004，53（1）：459-462.

［6］ 姜文彬.CaF2晶體各向異性特性分析及切削仿真［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

Study on the Process Characteristics for the CaF2Crystal with Different Orientations

DU Jinglun，CHEN Kuanlin，YANG Fan，DUAN Hengli，PAN Fei，LIU Weijun，ZHANG Dian，ZANG Chunyu
（School of Materials Science and Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Studied the surface processing characteristics of the CaF2crystal material with different orientation.First，the relation between the polishing removal rate and the crystal orientations was investigated.Furthermore，through the measurements for the roughness of the processing surface，found the surface roughness were changing with the crystal orientation.The polishing experiments showed that the（111）surface could obtain the best polishing roughness under the same processing parameters.Based on the crystal structure and its physical property，the reason why the process characteristics were variant to the crystal orientations was analyzed.

mechanical polishing，CaF2crystal，removal ratio，surface roughness

TB321

A

1672-9870（2015）05-0068-04

2015-07-17

長(zhǎng)春市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（11KZ44）；長(zhǎng)春理工大學(xué)國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2012S40）

杜京倫（1992-），男，本科，E-mail：dujinglun08@126.com

臧春雨（1967-），男，博士，講師，E-mail：zangchunyu@sina.cn