專利名稱：一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在許多領(lǐng)域中提出了加工超光滑表面的要求，這種表面不僅要具備較高的面形精度和較低的表面粗糙度，同時(shí)要具有完整的表面晶格排布，消除加工損傷層。近年來出現(xiàn)了不少超光滑表面加工技術(shù)，但這些方法在去除表面微凸起、凹坑和納米級精細(xì)劃痕等微缺陷方面都有其不足之處，要么是加工效率不高，要么是其表面粗糙度控制的不夠低，難以進(jìn)一步降低表面粗糙度獲得無缺陷的超光滑表面。于是，本發(fā)明的目的是針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法，實(shí)現(xiàn)無表面損傷的精密光學(xué)表面制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了保持光化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)勢，減少不必要的機(jī)械摩擦，同時(shí)為了解決上述問題的不足，從平滑表面微結(jié)構(gòu)、降低表面粗糙度入手，提供了一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法。該方法可有效的平滑表面微結(jié)構(gòu)，降低表面粗糙度，具有針對性強(qiáng)、簡單易行的特點(diǎn)。本發(fā)明提出的自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法，所述方法通過近場光學(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括激光器1、快門2、凸透鏡3、XYZ平臺(tái)4、半導(dǎo)體激光器7、探測器8、探測器位置控制單元9、計(jì)算機(jī)10、XYZ平臺(tái)控制器11和反應(yīng)室12，XYZ平臺(tái)4上設(shè)有反應(yīng)室12，反應(yīng)室12 —側(cè)下部設(shè)有減壓器和電磁閥，用于充入氯氣，上部設(shè)有擴(kuò)散泵和冷卻阱，用于排 出氣體，激光器I的出光口通過快門2對準(zhǔn)凸透鏡3的進(jìn)光口，凸透鏡3的出光口對準(zhǔn)反應(yīng)室12的進(jìn)光口，半導(dǎo)體激光器7連接探測器8，探測器8連接探測器位置控制單元9的輸入端，探測器位置控制單元9的輸出端連接計(jì)算機(jī)10輸入端，用以檢測基板是否平整，計(jì)算機(jī)10輸出端連接XYZ平臺(tái)控制器11，XYZ平臺(tái)4通過XYZ平臺(tái)控制器11進(jìn)行控制；具體步驟如下:
(1)對反應(yīng)室抽真空，真空度為10_3pa，隨后充入10pa-200pa的氯氣；
(2)選用離子源對基板表面清洗5分鐘，控制氧離子流量為30 50SCCm，氬離子流量為5 30sccm，電壓為200V 600V，電流為300mA 1000mA。(3)將清洗后的基板放入反應(yīng)室12。(4)選用氬離子激光器I作為光源，其波長為300-700nm，功率密度為0.25-0.35
2,打開快門2后，入射光于自由空間經(jīng)過凸透鏡3耦合至反應(yīng)室12。(5)步驟(4)中的入射光垂直入射于基板，此時(shí)納米尺度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光學(xué)近場，導(dǎo)致CZ2分子與基板原子進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)。一旦表面微結(jié)構(gòu)消失、光學(xué)近場消失、反應(yīng)也將停止。(6)半導(dǎo)體激光器7的光線經(jīng)基板反射到探測器8，通過探測器位置控制單元9后連接到計(jì)算機(jī)10，以便觀察基板是否平整。(7)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室12冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。本發(fā)明中，所述基板可以是光學(xué)玻璃，或可以是單晶硅等光學(xué)晶體。本發(fā)明利用基板微結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生光學(xué)近場，導(dǎo)致Ci2分子與微結(jié)構(gòu)表面原子發(fā)生
光化學(xué)反應(yīng)。其原理是:基板表面分子受熱激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，一方面，光電子轉(zhuǎn)移到氯的自由基(氯原子)而產(chǎn)生氯離子，氯離子擴(kuò)散到Si的晶格中與之發(fā)生反應(yīng)，而且光產(chǎn)生于
Si表面的電場可以使Cl-擴(kuò)散加強(qiáng)加快反應(yīng)。另一方面，對于近場而言，場強(qiáng)是不確定的有一定的空間梯度，分子軌道的改變和分子的極化導(dǎo)致了分子的振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生聲子，此時(shí)光子、電子、聲子構(gòu)成虛擬的EPP(exciton-phonon-polariton)粒子具有很強(qiáng)的能量用以光化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。而一旦納米級表面微結(jié)構(gòu)消失不足以引起分子晶格的振動(dòng)、光學(xué)近場消失、反應(yīng)也將停止。綜上所述，自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法最終可有效地降低光學(xué)器件表面粗糙度。本發(fā)明的技術(shù)效果如下:
1.可以有效的降低表面粗糙度，不需要機(jī)械接觸，獲得無缺陷的超光滑表面。2.可以有效提高加工效率。不需要其他機(jī)械輔助設(shè)備，光化反應(yīng)使刻蝕速率加快。3.本發(fā)明方法簡單易行、針對性強(qiáng)、品質(zhì)高，在整個(gè)刻蝕過程中反應(yīng)自動(dòng)停止不需要人為的控制。


圖1為一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法的工藝流程圖。圖1中標(biāo)號:1為激光器,2為快門，3為凸透鏡,4為XYZ平臺(tái)，5為減壓器和電磁閥，6為擴(kuò)散泵和冷卻阱，7為半導(dǎo)體激光器，8為探測器，9為探測器位置控制單元，10為計(jì)算機(jī)，11為XYZ平臺(tái)控制器，12為反應(yīng)室。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1:
(I)以單晶硅為基板，實(shí)驗(yàn)開始前首先要對反應(yīng)室12進(jìn)行抽真空，真空度為10_3帕斯卡。(2)隨后充入的氯氣，氯氣的氣壓為10-200帕斯卡，通過一個(gè)減壓器和電磁閥的控制保持反應(yīng)室一直充入氯氣，擴(kuò)散泵和冷卻阱則是用于排出氣體，以保持反應(yīng)室處于一個(gè)氣體的流動(dòng)狀態(tài)。(3)選用離子源對基板表面清 洗5分鐘，控制氧離子流量為30 50SCCm，氬離子流量為5 30sccm，電壓為200V 600V，電流為300mA 1000mA。(4)激光器I選用氬離子激光器(波長為300_700nm，功率密度為0.25-0.35 w/cm2 )，打開快門2后，入射光于自由空間經(jīng)過凸透鏡3耦合至反應(yīng)室12。(5)上述(4)中的入射光入射到基板，此時(shí)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，一旦表面微結(jié)構(gòu)消失，光化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)停止。(6)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室12冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。將經(jīng)過此方法刻蝕的基板與刻蝕之前的基板對比研究發(fā)現(xiàn)，方均根粗糙度由
1.5nm下降至0.5nm ;基板橫截面剖面圖的峰谷值也從之前的2.2nm下降至0.8nm,它的光學(xué)特性完全符合使用要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。實(shí)施例2:
(I)以碳化硅為基板，實(shí)驗(yàn)開始前首先要對反應(yīng)室進(jìn)行抽真空，真空度為10_3帕斯卡。(2)隨后充入的氯氣，氯氣的氣壓為10-200帕斯卡，通過一個(gè)減壓器和電磁閥的控制保持反應(yīng)室一直充入氯氣，擴(kuò)散泵和冷卻阱則是用于排出氣體，以保持反應(yīng)室處于一個(gè)氣體的流動(dòng)狀態(tài)。(3)選用離子源對基板表面清洗5分鐘，控制氧離子流量為30 50SCCm，氬離子流量為5 30sccm，電壓為200V 600V，電流為300mA 1000mA。(4)激光器I選用氬離子激光器(波長為300_700nm，功率密度為
0.25-0.35 w/cm2 )，打開快門2后，入射光于自由空間經(jīng)過凸透鏡3耦合至反應(yīng)室12。

(5)上述(4)中的入射光入射到基板，此時(shí)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，一旦表面微結(jié)構(gòu)消失，光化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)停止。(6)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室12冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。將經(jīng)過此方法刻蝕的基板與刻蝕之前的基板對比研究發(fā)現(xiàn)，方均根粗糙度由
1.7nm下降至0.6nm ;基板橫截面剖面圖的峰谷值也從之前的2.6nm下降至0.8nm,它的光學(xué)特性完全符合使用要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法，其特征在于所述方法通過近場光學(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括激光器(I)、快門(2)、凸透鏡(3)、XYZ平臺(tái)(4)、半導(dǎo)體激光器(7)、探測器(8)、探測器位置控制單元(9)、計(jì)算機(jī)(10)、XYZ平臺(tái)控制器(11)和反應(yīng)室(12)，XYZ平臺(tái)(4)上設(shè)有反應(yīng)室(12)，反應(yīng)室(12) —側(cè)下部設(shè)有減壓器和電磁閥，用于充入氯氣，上部設(shè)有擴(kuò)散泵和冷卻講，用于排出氣體，激光器(I)的出光口通過快門⑵對準(zhǔn)凸透鏡⑶的進(jìn)光口，凸透鏡⑶的出光口對準(zhǔn)反應(yīng)室(12)的進(jìn)光口，半導(dǎo)體激光器(7)連接探測器(8)，探測器(8)連接探測器位置控制單元(9)的輸入端，探測器位置控制單元(9)的輸出端連接計(jì)算機(jī)(10)輸入端，用以檢測基板是否平整，計(jì)算機(jī)(10)輸出端連接XYZ平臺(tái)控制器(11)，XYZ平臺(tái)(4)通過XYZ平臺(tái)控制器(11)進(jìn)行控制；具體步驟如下: (1)對反應(yīng)室抽真空，真空度為10_3pa，隨后充入10pa-200pa的氯氣； (2)選用離子源對基板表面清洗5分鐘，控制氧離子流量為30 50SCCm，氬離子流量為5 30sccm，電壓為200V 600V，電流為300mA IOOOmA ； (3)將清洗后的基 板放入反應(yīng)室； (4)選用氬離子激光器作為光源，其波長為300-700nm，功率密度為0.25-0.35w/cm2 ,打開快門后，入射光于自由空間經(jīng)過凸透鏡耦合至反應(yīng)室； (5)步驟(4)中的入射光垂直入射于基板，此時(shí)納米尺度的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光學(xué)近場，導(dǎo)致Cl2分子與基板原子進(jìn)行選擇性光化學(xué)反應(yīng)；一旦表面微結(jié)構(gòu)消失、光學(xué)近場消失、反應(yīng)也將停止； (6)半導(dǎo)體激光器的光線經(jīng)基板反射到探測器，通過探測器位置控制單元后連接到計(jì)算機(jī)，以便觀察基板是否平整； (7)待反應(yīng)結(jié)束、反應(yīng)室冷卻至室溫后取出刻蝕好的基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法，其特征在于所述基板是光學(xué)玻璃或光學(xué)晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法，該方法屬于光學(xué)器件加工領(lǐng)域，主要針對常規(guī)的超精密光學(xué)器件制作技術(shù)要么是加工效率不高，要么是其表面粗糙度控制的不夠低，難以有效地平滑表面微結(jié)構(gòu)。自由空間傳輸?shù)慕鼒龉鈱W(xué)誘導(dǎo)表面微結(jié)構(gòu)平滑方法是基于自由空間在激光輔助下發(fā)生的選擇性化學(xué)反應(yīng)，去除表面的納米凸起、凹坑和劃痕等表面微結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)在表面微結(jié)構(gòu)消失時(shí)光化學(xué)反應(yīng)自動(dòng)停止，從而獲得超光滑表面。此方法不僅大大的降低了光學(xué)器件表面的粗糙度，而且具有針對性強(qiáng)、品質(zhì)高、簡單易行的特點(diǎn)。
文檔編號C23F4/00GK103205753SQ20131006677
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者沈正祥, 孫曉雁, 徐旭東, 王曉強(qiáng), 馬彬, 王占山 申請人:同濟(jì)大學(xué)