CN114057411A

CN114057411A - 一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法

Info

Publication number: CN114057411A
Application number: CN202111308585.XA
Authority: CN
Inventors: 瓦西里·卡涅夫斯基; 谢尔希·科列诺夫; 瓦列里·格里戈鲁克; 张昊; 斯杰里马赫·亚历山大
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2022-02-18
Also published as: WO2023077563A1

Abstract

本发明公开了一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，该方法包括以下步骤：确定样品待加工表面的粗糙度参数；将样品放置于透明基板的顶面上；在样品的待加工表面涂覆含有氯分子的水溶液，并使水溶液的折射率小于样品的折射率；从透明基板外侧向样品的待加工表面发射相干单色线偏振辐射光，使相干单色线偏振辐射光从入光面垂直入射；保持相干单色线偏振辐射光对样品的待加工表面照射预定时间，实现对待加工表面的抛光处理。上述方法能够降低近场抛光所需的辐射功率。

Description

一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法

技术领域

本发明涉及石英表面微纳加工、近场光辅助化学抛光技术领域，具体涉及一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法。

背景技术

光学技术在光纤、全息、集成光学和光子学等领域的发展，导致其对材料质量和光学元件制造精度的要求不断提高。许多光学元件的一个重要特性就是表面粗糙度的水平。目前主要采用化学机械抛光法和真空等离子体化学蚀刻法来降低表面粗糙度。在光学表面加工技术不断探索过程中，近场光学抛光技术成为最新、最有效的将石英表面抛光至亚纳米量级的方法。纳米抛光石英粗糙表面的方法属于材料加工(表面)领域，即，属于生产适用于光学新方向(如集成光学、光子学和激光技术)仪表时可能用到的石英表面的纳米抛光。

近场光学纳米抛光方法是将石英的粗糙表面浸入含有氯分子的介质中，采用一定功率和波长的光直接照射，在石英粗糙表面形成一个消逝场。近场光学辐射形成的消逝场由于石英粗糙表面的凸起和沟槽的存在而不均匀。电磁场的电分量位于凸起附近，与表面平坦区域相比，电场强度增加。当石英表面凸起附近的电场强度高于临界值时，氯分子在高电场强度的区域发生光解作用，形成氯原子及氯离子，它们在外部电场中极化，并被石英粗糙表面凸起部分吸引，在凸起部分与石英相互作用，从而导致石英凸起表面的局部蚀刻，从而降低了其粗糙度。由于表面凸起的高度越大，其附近形成的电场强度越强，蚀刻越明显，最终实现表面的趋于平坦。

现有技术中，用于抛光石英表面的光学近场抛光法的原理示意图可参考图1，具体抛光过程为：将粗糙的石英表面浸入含有分子氯的介质中，采用激光从溶液侧照射石英的粗糙表面，在石英上方形成消逝场；粗糙的石英表面1上覆盖有含分子氯的溶液2，用激光器4的光束3从溶液侧照射石英表面1；当石英上方消逝场的电场分量强度超过临界值(阈值)时，氯分子发生光解，释放出来的氯原子与石英相互作用，使石英发生腐蚀，石英表面的蚀刻速率取决于电场强度超过阈值的幅度。由于石英表面1具有待降低表面粗糙度的凸起5，在溶液中靠近“溶液-石英”界面的消逝场是不均匀的。在凸起5附近的电场强度总是大于石英表面1平坦部分的电场强度。因此，在表面的蚀刻过程中，凸起5部分的蚀刻速度要比平面部分快，最终形成趋于一致的平坦表面，降低了石英表面1的表面粗糙度。

但是，因为入射到石英表面的辐射光束3只有一小部分参与到石英表面上方的消逝场的形成，导致现有光学近场抛光法的实现需要高功率的激光辐射。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，能够降低近场抛光所需的辐射功率。

本发明采用以下具体技术方案：

一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，确定样品待加工表面的粗糙度参数；

步骤二，将样品放置于透明基板的顶面上，样品的顶面为待加工表面；透明基板与样品采用相同材料制成，并在透明基板的一端设置有倾斜的入光面，入光面与透明基板的顶面之间形成夹角，夹角大于等于样品的全内反射临界角；

步骤三，在样品的待加工表面涂覆含有氯分子的水溶液，并使水溶液的折射率小于样品的折射率；

步骤四，从透明基板外侧向样品的待加工表面发射相干单色线偏振辐射光，使相干单色线偏振辐射光从入光面垂直入射，并使相干单色线偏振辐射光的波长大于氯分子的吸收极限波长、且辐射功率密度大于氯分子的吸收极限功率密度；

步骤五，保持相干单色线偏振辐射光对样品的待加工表面照射预定时间，实现对待加工表面的抛光处理。

更进一步地，还包括：

步骤六，检测抛光后样品表面的粗糙度；

步骤七，当抛光后样品表面的粗糙度不满足要求时，则重复步骤三到步骤六。

更进一步地，含有氯分子的水溶液为次氯酸钠水溶液或次氯酸钙水溶液。

更进一步地，预定时间为10min～15min。

更进一步地，透明基板为石英制成。

更进一步地，相干单色线偏振辐射光的波长大于500nm。

更进一步地，相干单色线偏振辐射光的波长为650nm。

更进一步地，相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度大于0.03W/cm²。

更进一步地，相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度为0.05W/cm²。

更进一步地，相干单色线偏振辐射光为由激光器发射的激光。

有益效果：

本发明降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法对于待加工样品的表面具有以下要求：待加工表面在近场抛光加工前应具有较好的表面粗糙度，例如：凸起高度不超过10nm；采用本发明的光学近场抛光法能够降低石英表面粗糙度至亚纳米量级，所需辐射功率为现有光学近场抛光法所需辐射功率的九分之一，大大降低其辐射功率需求，节约能源。

附图说明

图1为现有技术光学近场抛光法的原理示意图；

图2为本发明实施例采用光学近场抛光法降低石英表面粗糙度的原理示意图；

图3为本发明的降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法的流程图；

图4给出了不同凸起高度条件下，石英表面凸起区域的电场强度模量E相对表面轮廓相关长度σ的分布情况；

图5给出了不同表面轮廓相关长度条件下，石英表面凸起区域的电场强度模量E相对表面凸起高度h的分布情况。

现有技术：1-石英，2-溶液，3-光束，4-激光器，5-凸起

本发明：21-样品，22-透明基板，23-水溶液，24-相干单色线偏振辐射光，25-激光器，26-待加工表面，27-凸起，28-入光面

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图3所示，本发明实施例提供了一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，该方法可以包括以下具体步骤：

步骤一S10，确定样品21待加工表面26的粗糙度参数；样品21，即待加工工件，如：石英或石英类制品；粗糙度参数包括轮廓算数平均偏差Ra、轮廓均方根偏差Rq和轮廓平均宽度Sm；

步骤二S20，将样品21放置于透明基板22的顶面上，样品21的顶面为待加工表面26；透明基板22与样品21采用相同材料制成，并在透明基板22的一端设置有倾斜的入光面28，入光面28与透明基板22的顶面之间形成夹角a，夹角a大于等于样品21的待加工表面26的全内反射临界角θcr；如图2结构所示，在对样品21进行光学近场抛光之前，透明基板22用于对样品21进行支承，以使样品21的待加工表面26暴露在顶部以便在待加工表面26涂覆含有氯分子的水溶液23，同时，透明基板22用于为样品21提供光学近场抛光所需要的光线，透明基板22的一端具有倾斜的入光面28，透明基板22的入光面28与透明基板22的顶面之间形成的夹角a大于等于样品21的待加工表面26的全内反射临界角θcr；样品21可以为石英或石英类制品，对应地，透明基板22为石英或石英类材料制成；

步骤三S30，在样品21的待加工表面26涂覆含有氯分子的水溶液23，并使水溶液23的折射率小于样品21的折射率；如图2结构所示，在对样品21进行光学近场抛光之前，需要在样品21的待加工表面26，即样品21的顶面涂覆水溶液23，水溶液23中含有氯分子，为了充分利用光线，需要使光线从样品21入射到水溶液23时能够发生全内反射，则必须要使水溶液23的折射率小于或等于样品21的折射率；光线发生全反射的条件为：光线从光密介质进入光疏介质且入射角大于或等于临界角；含有氯分子的水溶液23可以为次氯酸钠水溶液或次氯酸钙水溶液；

步骤四S40，从透明基板22外侧向样品21的待加工表面26发射相干单色线偏振辐射光24，使相干单色线偏振辐射光24从入光面28垂直入射，并使相干单色线偏振辐射光24的波长大于氯分子的吸收极限波长、且辐射功率密度大于氯分子的吸收极限功率密度；相干单色线偏振辐射光24可以为由激光器25发射的激光；由于氯分子的吸收极限波长为400nm，因此，相干单色线偏振辐射光24的波长大于400nm，如：相干单色线偏振辐射光24的波长可以为500nm、650nm、800nm、1000nm；由于氯分子的吸收极限功率密度为0.03W/cm²，因此，相干单色线偏振辐射光24的辐射功率密度大于0.03W/cm²，如：相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度为0.04W/cm²、0.05W/cm²、0.06W/cm²、0.08W/cm²；如图2结构所示，在对样品21进行光学近场抛光时，需要向样品21的待加工表面26照射相干单色线偏振辐射光24，相干单色线偏振辐射光24从入光面28进入透明基板22，并且相干单色线偏振辐射光24与入光面28垂直，光线透过透明基板22和样品21能够到达待加工表面26，并在样品21与水溶液23的界面处发生全内反射；

步骤五S50，保持相干单色线偏振辐射光24对样品21的待加工表面26照射预定时间，实现对待加工表面26的抛光处理；预定时间可以为10min～15min，如：10min、11min、12min、13min、14min、15min；

步骤六S60，检测抛光后样品21表面的粗糙度，并将检测结果与目标值进行比较，当抛光后样品21表面的粗糙度满足目标值，即，抛光处理结果满足要求时，则结束该样品21的表面抛光处理；

步骤七S70，当抛光后样品21表面的粗糙度不满足要求时，则重复步骤三S30到步骤六S60，继续循环执行上述步骤，直至抛光处理结果满足要求时为止。

上述降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，通过从透明基板22侧面的倾斜入光面28、以临界角照射“石英-溶液”界面，且在样品21的待加工表面26涂覆含有氯分子的饱和溶液，使得在待加工表面26的凸起27上方可直接形成强度最大的消逝场，在光照作用下，分子氯发生光解离作用，使样品21表面的凸起27被蚀刻，使石英等样品21表面的粗糙度降低至亚纳米量级，消逝场是在“尖端”效应和全内反射现象共同作用下形成的，使得采用该方法所获得的消逝场强度大于现有光学近场抛光法中获得的消逝场强度，能够减小石英等样品21表面纳米抛光过程所必需的光强度，同样的消逝场强度可以通过较低功率的辐照实现，从而降低抛光所需辐射功率，使得采用包括上述步骤的方法所需辐射功率仅为现有光学近场抛光法所需辐射功率的九分之一，降低了抛光所需辐射功率，节约能源。

采用本发明实施例的降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法具体过程可以为：将样品21-石英片放置在具有倾斜入光面28的透明基板22-石英片的表面上，样品21的上表面覆盖有一层薄薄的含有氯分子的水溶液23-分子氯饱和溶液，通过激光器25的光束照射，光束先穿过透明基板22-石英片的倾斜侧入光面28，然后穿过样品21-石英片的厚度，激光器25的光束的角度a等于临界角θcr，这可以保证光束在样品21-石英片内发生全内反射；由于粗糙的石英表面存在凸起27，在水溶液23中靠近“溶液-石英”界面的消逝场是不均匀的，且该场是在“尖端”效应和全内反射现象共同作用下形成的，因此该消逝场的强度大于一般光学近场抛光法中消逝场的强度。

图4示意了覆盖有一层水溶液23的石英粗糙表面的凸起27区域电场强度模量E相对表面轮廓相关长度σ(即表面轮廓峰谷位置距离的平均值)的分布情况：曲线7和曲线9均对应样品21表面凸起27高度h为1nm，曲线8和曲线10对应样品21表面凸起27高度h为5nm；曲线7和曲线8对应采用本方法从透明基板22侧面的入光面28以全内反射临界角度照射条件；曲线9和曲线10对应采用现有技术的光学近场抛光法从样品21顶部水溶液23一侧照射的条件；通过图4中曲线7、曲线8、曲线9和曲线10可以看到，在参数表面轮廓相关长度σ的研究范围内，其它条件相同时，采用本发明的方法从透明基板22一侧照射时的凸起27区域电场强度模量E与采用现有技术从水溶液23一侧照射时的凸起27区域电场强度模量E之比约等于3，即，在相同光照度条件下采用本发明的方法所产生的电场强度为采用现有技术的光学近场抛光法所产生的电场强度的3倍，大大提升了抛光效率。

图5示意了覆盖有一层水溶液23的样品21表面凸起27区域电场强度模量E相对表面凸起27高度h的分布情况：曲线11和曲线13均对应石英表面凸起27的表面轮廓相关长度σ为6.75nm，曲线12和曲线14对应样品21表面凸起27的表面轮廓相关长度σ为13.5nm；曲线11和曲线12对应采用本方法从透明基板22侧面的入光面28以全内反射临界角度照射条件；曲线13和曲线14对应采用现有技术的光学近场抛光法从样品21顶部水溶液23一侧照射的条件；对比图5中曲线11、曲线12、曲线13和曲线14，可以发现，在参数凸起27高度h的研究范围内，其它条件相同时，对于采用本发明从透明基板22一侧入光面28照射和采用现有技术从样品21顶部的水溶液23一侧照射的情况，电场强度模量E之比约等于3，即，使用本发明的方法在相同光照度条件下所产生的电场强度是现有技术中光学近场抛光法所产生电场强度的3倍，大大提升了抛光效率。

考虑到样品21表面凸起27区域的电磁波功率与电场强度的平方成正比，从图4和图5给出的计算结果，可以确定：为了获得相同的抛光效果，使用本发明的方法所需的光源辐射功率为现有技术中光学近场抛光法所需辐射功率的九分之一，大幅度降低了抛光的辐射功率需求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种降低石英表面粗糙度至亚纳米量级的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，确定样品待加工表面的粗糙度参数；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤六，检测抛光后样品表面的粗糙度；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，含有氯分子的水溶液为次氯酸钠水溶液或次氯酸钙水溶液。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，预定时间为10min～15min。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，透明基板为石英制成。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相干单色线偏振辐射光的波长大于500nm。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，相干单色线偏振辐射光的波长为650nm。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度大于0.03W/cm²。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，相干单色线偏振辐射光的辐射功率密度为0.05W/cm²。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相干单色线偏振辐射光为由激光器发射的激光。