玻璃材料化学机械抛光再沉积层形成机制及其对光学元件性能影响研究

The near-surface redeposition layer forms during the polishing process of optical glasses, It is the key point to study the chemical mechanism in CMP (chemical mechanical polishing) and improve the properties of optical opponents. This project will aim at the redeposition. Based on the chemical reaction kinetics, diffusion kinetics and tight-bonding chemical molecular, the properties and formation mechanism will be studied by the systematic characterization of redeposition. The effects of redeposition on the properties of super-smooth, optical, anti-laser will discussed, too. This project will broaden the implication of optical components by CMP in some new fields and it will bring an effective guidance on the fabrication of high-performance optical components.

玻璃材料在化学机械抛光过程中，会因为摩擦热化学过程形成抛光再沉积层，其是探寻抛光中化学机理的关键，亦是限制光学元件在不同领域拓展应用及相关性能达到较高水平的瓶颈。本项目以再沉积层为研究对象，通过对再沉积层力学、组成、键合特性等性质的全面表征，根据化学反应动力学、扩散动力学、紧束缚化学分子动力学深入研究再沉积层的特性及形成机理，从而了解再沉积层对光学元件表面超光滑特性、光学特性、抗损伤特性等的影响。为玻璃材料光学元件在新领域的拓展应用及制造超光滑、高抗性、高精度光学表面提供有益参考。

该项目旨在研究硅酸盐玻璃材料抛光再沉积层的形成机理及其对光学元件表面性能的影响。为此，本项目通过多种微观材料表征手段对不同制备条件下的再沉积层进行表征和分析，明确了再沉积层的微观结构和物化特性，发现其表面含有大量因水解反应引入的Ce元素，以此为示踪剂，确定了再沉积层的尺度为百纳米量级。通过实验验证和理论分析，确定了影响再沉积层特性的化学活性参量：对于基底材料而言，活性参量主要为碱（土）金属离子，对于抛光膜层而言，活性参量为活性基团，这些高活性参量可以促进基底材料的水解和抛光再沉积层的形成，从而使再沉积层厚度更深，并且具有更大的杂质元素浓度。另外再沉积层可以减小磨料在抛光过程对基底材料的有效切深，更容易获得较好的表面质量；基于Si-O键的水解反应和Arrhenius方程建立了再沉积层形成的化学模型，较好地解释了再沉积层形成的化学动力学过程，以化学反应活化能Ea和反应速率k为媒介解释了活性参量对再沉积层特性影响机制。开展了再沉积层对熔石英元件三倍频损伤性能影响研究，结果表明，再沉积层中因含有大量的杂质元素会强烈吸收三倍频激光导致元件抗损伤性能降低。利用HF湿法刻蚀、KOH湿法刻蚀、离子束刻蚀等后处理工艺可以有效去除再沉积层的杂质，消除再沉积层对元件抗损伤性能的影响，大幅提升元件的损伤阈值。但无论何种后处理工艺，都会暴露前级产生的亚表面缺陷，缺陷的密度和尺度和前序抛光工艺密切相关。以上工作均按照基金计划执行，所得成果与经验可为后续研究展开提供帮助，具有十分重要的基础科学价值，也具有一定的工程应用前景。