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

（長春理工大學　材料科學與工程學院，長春　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

（長春理工大學材料科學與工程學院，長春130022）

研究了具有不同取向CaF2晶體材料的表面加工特性問題。首先通過對具有不同取向CaF2晶體材料的表面進行精密加工實驗，研究了拋光過程中去除率與所加工表面晶向的關系；對所加工的表面質量進行測試，分析了晶體取向與表面拋光所獲得粗糙度的關系。結合CaF2晶體的結構與其物理特性，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量的結論。

機械拋光；CaF2晶體；去除率；表面粗糙度

CaF2光學晶體是一種綜合性能優異的光學材料，其透光范圍寬，可應用于紫外、可見、紅外等波段。在可見波段常利用其色差小的優點制造高檔相機的鏡頭；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的發展，CaF2晶體在紫外波段的應用優勢日益突出［1］，目前半導體光刻設備均采用紫外級CaF2晶體作為其主鏡頭材料。由于紫外光波長短，相應地對晶體加工表面的粗糙度有更高的要求，目前世界上半導體用紫外光刻設備中CaF2晶體鏡頭加工總量的80%是由德國蔡司公司半導體事業部來完成的，中國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晶體精密加工技術對CaF2晶體在紫外波段取得更好的使用有現實的意義。

由于CaF2晶體質地軟而且脆，對它進行加工具有很大的難度，有很多學者對CaF2晶體加工工藝進行了深入研究［2，3］，但對CaF2晶體加工特性與晶體取向的關系的研究開展的較少，如日本學者Namba Y等采用超精密加工和浮法拋光的方法對此進行了研究［4，5］，中國學者姜文彬對不同晶向的CaF2晶體超精切削過程進行了計算機仿真［6］。

研究采用高效研磨、古典拋光的方法對CaF2晶體取向與加工特性的關系進行了初步的研究，為下一步深入研究CaF2晶體超光滑表面的精密加工技術進行了有益的探索，對實際生產過程中CaF2晶體加工工藝的改進與提高提供有了有價值的借鑒。

1　實驗

1.1實驗用原料與設備

實驗選用的原料為采購自長春市科瑞光學公司的紫外級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的方法初步確定晶體方向，對晶錠進行粗定向和切割，然后采用丹東奧龍射線儀器公司的YX-2 型X射線定向儀對晶體進行精確定向，儀器的定向精度為±30"，經過精確定向后研磨，制備成尺寸為15mm×15mm×5mm的樣品方片。

精密研磨采用河南南陽中光學公司生產的HS-4型4軸高速精磨機，采用金剛石丸片作為固著磨料進行精密研磨實驗；采用無錫中光公司的JP040.2B型透鏡研拋機進行樣品拋光實驗，采用美國Nanotechnology公司Nano-R2TM型原子力顯微鏡檢測與表征所加工表面的粗糙度。

1.2實驗

1.2.1精磨去除率實驗

采用HS-4型4軸高速精磨機，采用W7粒度的金剛石丸片作為固著磨料進行精密研磨實驗。循環水的溫度設定為30℃，循環水內加有潤滑劑和腐蝕劑，在精密研磨時潤滑劑起到潤滑作用，腐蝕劑對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。主軸的轉速設定為180r/min，工件的壓力為1.5Kg/cm2，在此工藝條件下對每組9塊晶體樣品進行研磨，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。分別測定不同加工時長的去除總量，求出其去除率，并將研磨時間最長的實驗結果列于表1，表中顯示出隨著角度變化，精磨去除率的變化規律。

1.2.2表面粗糙度

采用古典拋光法拋光4組實驗樣品，每組9塊樣品按照3×3排列，成盤加工，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型透鏡研拋機進行樣品拋光實驗。環境溫度恒定在25℃，采用瀝青盤拋光，拋光瀝青為中國科學院長春光學精密機械研究所生產的0.75#瀝青拋光膠，拋光劑采用美國Engis公司的鉆石粉。

圖14　組樣品拋光表面的AFM圖

JP040.2B型透鏡研拋機擁有4個拋光機位，每個機位的轉速和擺速都是由獨立的變頻器控制的，這樣每個機位拋光一組樣品，拋光加工同時進行，采用的拋光壓力一致，通過變頻器將主軸轉速和上擺架擺速調成一致，這樣就確保了所有樣品具有相同的加工條件，經過6小時的拋光過程，獲得了表面質量較好的CaF2晶片，晶片的面型控制在0.5λ以內。通過AFM觀察其表面粗糙度，結構表明不同取向的晶體拋光加工后表面粗糙度也不盡相同，實驗結果如圖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　結果分析

2.1精密研磨的去除率規律

表1　相同加工參數下不同晶體取向的研磨去除率

結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程主要物理過程為脆性破裂，塑性去除過程不起主導作用，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晶體結構的影響。

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量

測試結果還表明，隨著待加工表面與晶體（111）面所成角度增加時，去除率隨之增加。目前從表1的數據分析中還無法得出去除率隨角度的變化是線性的還是加速變化的，需要進一步增加實驗樣品數量，減小取樣角度間隔，并通過進一步實驗探查其規律。

2.2拋光表面粗糙度與晶體方向的關系

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°角時得到的AFM圖，圖中顯示其最高點與最低點之差Ry最大為3.2nm，表2為采用軟件分析得出的結果：在所測量面積上的平均粗糙度Sa為0.3364nm，Sa代表所測面積上偏差的算術平均值，所測均方根Sq為0.4572nm，Sq代表均方根粗糙度，即偏差平方之和的平方根，更能反應粗糙度的綜合情況。所測十點平均粗糙度Sz是2.5569nm為代表所測面積上5個最高點和5個最低點的平均偏差，該指標不是國際上廣泛使用的指標。Range Sr為最高點與最低點之高度差，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軟件對其對應的粗糙度進行分析的結果：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軟件對其對應的粗糙度進行分析的結果：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軟件對其對應的粗糙度進行分析的結果：Sa為0.8152nm，Sq為1.0637nm。實驗結果表明光表面與晶體（111）面成0°角時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°角對應樣品的原子力顯微鏡表面形貌圖。

拋光的過程是一個復雜的過程，主要加工為脆性破裂與塑性去除相結合的過程，在拋光的剛剛開始的階段，由于開始拋光時，晶體的表面粗糙度比較大，是經過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的過程。

隨著拋光過程的進行，表面粗糙度的進一步降低，拋光液能夠在晶體表面和拋光膠膠盤之間形成一層液膜，雖然這時仍然有磨料起到脆性破裂的作用，但塑性去除已經占主導作用，以剪切力為主導的加工過程，對具有最致密Ca2+排列的（111）面而言，具有最好的拋光效果。

2.3其他因素對拋光結果的影響

影響拋光過程的因素非常多，4組樣品均嚴格按照相同的加工條件進行加工實驗的，但在其他加工條件下是否還能夠得到同樣的規律和趨勢，有待進一步實驗。例如采用恒定25℃的拋光溫度，溫度高會產生粘盤現象，并且溫度高塑性去除作用會加??；拋光瀝青中含有-COOH基團，能與晶體表面發生化學反應，形成界面化學鍵，這與瀝青的材質、加工的溫度、磨料溶液的酸堿度等都有關系；磨料溶液的加入總量與頻率，溶液內含有鉆石粉的濃度都會對實驗結果產生一定的影響；晶體內部的缺陷對加工表面質量也有很大的影響。所以要獲得高品質、超光滑的CaF2晶體表面是一件非常復雜的工作，還有很多問題需要深入研究。

3　結論與展望

實驗結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為（111）面，所以紫外光刻設備主鏡頭CaF2晶體材料取向應為通光方向垂直于晶體毛坯的（111）面。在Ⅳ—Ⅵ族半導體外延生長中，如對晶格的適配無特殊的要求，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。

提出的結論對成盤加工CaF2晶體窗口片有一定指導意義，實驗結果表明成盤加工的CaF2晶體平面鏡最好具有相同或相近的取向，否則在加工過程中由于去除率的不同而無法獲得平面度好的表面，同時也無法保證拋光表面的平行度。由于選取（111）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格毛坯。

在加工用于紫外波段的大尺寸球面透鏡時，由于與球面上各點相切的面與（111）面呈一定的角度，依據所研究的實驗結論，在加工過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，針對此采取一定的技術措施才能加工出質量滿足紫外光刻要求的大透鏡，這是要進一步研究的課題。采用的晶體方向的選取是以（111）面為基準切取的，并沒有考慮和其他晶面，如（100）、（110）所成角度的關系，為獲得超光滑表面，進一步研究和其他特征晶面的關系也非常必要，在這一方面有待進一步深入研究。

［1］ 蘇良碧，董永軍，楊衛橋，等.CaF2晶體的生長與光學性能［J］.人工晶體學報，2004，33（1）：88-91.

［2］ 段安鋒，范翊，劉景和，等.CaF2晶體及加工技術研究［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2007，30（02）：97-99.

［3］ 段安鋒，范翊，劉景和，等.CaF2晶體及加工技術研究［C］.第14屆全國晶體生長與材料學術會議論文集，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：哈爾濱工業大學，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

長春市科技支撐計劃項目（11KZ44）；長春理工大學國家大學生創新創業訓練計劃項目（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