[发明专利]一种大口径光学元件的等离子体刻蚀方法

说明书

本发明公开一种大口径光学元件的等离子体刻蚀方法，该方法借鉴了射频磁控溅射镀膜技术中的射频反常辉光放电方式，可形成高密度大面积的等离子体，利用该装置耦合正交磁场的定向移动，可驱动等离子体产生定向的运动，实现光学元件表面由线及面的加工。引入活性气体被电离激发，利用真空系统固有的气体分配器所产生的流导场，引导自由基作用于工件表面，亦会带来材料刻蚀效率的提高。而通过射频电场的参数（如功率等），磁场的参数（如各磁极大小的变化，包括平衡和非平衡模式以及磁极定向移动的速度等），以及气体相关参数（包括气体的种类，流量和压力等），可对等离子体的种类，密度和分布进行精确的调控，实现了光学元件表面的高效率大面积等离子体抛光。

技术领域

本发明涉及对光学元件和半导体材料进行等离子体刻蚀加工技术领域，具体涉及一种大口径光学元件的等离子体刻蚀方法。

背景技术

随着光学元件尺寸口径的扩大和材料的拓展，也带来了一系列新的挑战和问题，主要表现在如下几个方面，其一是加工口径达到米级，“惯性约束核聚变”光学工程上需要边长430×430mm非球面光学元件近千件，在神光III高功率激光装置中最大的光学元件口径可达630mm，战术激光武器的物镜需要Φ460mm非球面光学镜片，空间探测系统需要900mm以上非球面光学镜片，2018年中国科学家成功研制了直径4.03米口径高精度单体碳化硅非球面反射镜，光学元件口径的增大，可有效地提高光学系统衍射极限分辨率，但也相应地使元件的径厚比极大地提高，材料径厚比越大，越难于机械加工，极易造成工件的变形和破裂。其二是在光学元件初始的成型、切削和铣磨过程中，刚性的机械加工，会在元件表面几微米到几十微米形成损伤层，表面缺陷的形成会增加光学元件的光学损耗，影响到光学传输质量，特别地，表面损伤会极大地影响元件的抗激光损伤性能。

针对上面所说的第二个问题，等离子体刻蚀技术被认为是可能高效率去除大口径光学元件损伤层加工方法，其中包括PACE技术和常压等离子体加工技术两种。但具体工程实践中发现，虽然PACE技术在对元件表面和亚表面缺陷层消除方面，具有极高的工作效率，但由于等离子体发生器电极尺寸的限制和等离子体均匀性的问题，导致该技术尚无法对中大口径光学元件进行加工。常压等离子体方法可在大气环境下，采用计算机控制技术由点及面对大口径光学元件进行无损伤的加工，但是，在加工过程中，元件表面累积的温升效应会导致材料的化学效率不稳定，无法实现材料的确定性去除，而化学反应后生成物在光学元件表面的二次吸附，会极大地影响元件表面质量，降低加工效率，需要辅助于其他保形加工方法对二次附着物进行去除，从而延长加工周期，造成了时间和经济成本的增加。

发明内容

本发明提供了一种大口径光学元件的等离子体刻蚀方法，可实现对大口径光学元件高效率快速加工的方法，同时可以有效去除元件的损伤层，并最终提升其抗激光损伤性能。

为实现以上技术目标，本发明采用以下技术方案：本发明提供了一种大口径光学元件的等离子体刻蚀方法，包括如下步骤：

步骤一、将经过粗磨加工的光学元件放置于真空度为8.0×10^-4~2.0×10^-3Pa的真空室内，再通入高纯度氩气将真空室的真空度降至0.5~10Pa，启动射频电源，将氩气电离；

步骤二、工作区域形成“W”形的刻蚀区；

步骤三、真空室内冲入洁净氮气至大气状态，去除光学元件，对加工区域的去除斑进行测量，获得去除函数和材料的去除效率；

步骤四、再次安装需加工光学元件，抽真空至2.0×10^-3Pa，充入高纯度氩气后开启射频电源，将氩气电离；

步骤五、待工作稳定后导入活性气体，磁极位于真空室外、光学元件的下方，根据步骤三提供的数据，从光学元件的一端开始，以设定速度同步移动气体分配器和磁极，使等离子体加工区域和磁场加工区域重叠，实现对光学元件表面的加工；