【摘 要】
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单晶硅反射镜在高功率激光系统中有着广泛的应用。单晶硅表层特定原子结构（即功能序构层）直接影响单晶硅负载能力水平。目前存在功能序构层结构对负载能力影响机理不明确、精抛光过程中单晶硅表面负载能力变化较大等问题,导致其负载能力难以确定性提高。针对上述问题,本文从单晶硅功能序构层结构光学性质仿真、功能序构层引入及调控等方面进行了深入研究,提出了基于功能序构层调控的单晶硅反射镜高负载能力制造新工艺,对于实现
【基金项目】
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“多场耦合控制磨料状态的新一代光电晶片超光滑平坦化加工”,“XX 高技术专项”；
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单晶硅反射镜在高功率激光系统中有着广泛的应用。单晶硅表层特定原子结构（即功能序构层）直接影响单晶硅负载能力水平。目前存在功能序构层结构对负载能力影响机理不明确、精抛光过程中单晶硅表面负载能力变化较大等问题,导致其负载能力难以确定性提高。针对上述问题,本文从单晶硅功能序构层结构光学性质仿真、功能序构层引入及调控等方面进行了深入研究,提出了基于功能序构层调控的单晶硅反射镜高负载能力制造新工艺,对于实现单晶硅反射镜高负载能力制造具有重要的指导意义。主要研究内容和结论如下:（1）基于Materials Studio材料学仿真软件研究了单晶硅不同厚度空位功能序构层光学性质影响规律,揭示了空位功能基元对单晶硅光学性质的影响机理。结果表明,表面空位层厚度约为1nm时,反射率提升最为明显,但吸收系数也最高。利用离子束工艺（IBF）引入了空位层,进行了仿真结果的初步验证。结果表明,离子束引入的空位层使350 nm～750 nm波段单晶硅表面反射率增加约3%～5%,而较厚的非晶结构,也会使光热吸收增加0.269 ppm,降低表面负载能力。因此,单一的离子束工艺处理结果仅能小幅增加反射率,无法有效提升负载能力。（2）针对IBF工艺使反射率小幅提升但负载能力下降的问题,优化工艺参数并提出了IBF工艺与浸没式化学机械抛光（Flood-CMP）组合迭代工艺,调控功能序构层结构,实现了负载能力提升。根据SRIM离子入射能量仿真,优选了900 e V离子电压实现功能基元引入。基于Perston方程使用弱加工参数,实现了小区域内纳米级材料去除。研究表明,空位层厚度约1 nm时,且空位层与临界层总体厚度约2nm时,反射率提升效果最为明显（300 nm～1500 nm波段提升了约5%～15%）,光热弱吸收值控制在0.116 ppm,因此,通过优化后的组合迭代工艺,调控至最优功能序构层结构,大幅提升了表面反射率,同时保证了较低的热吸收水平,实现了负载能力提升。（3）在前文研究的基础上,开发了新型单晶硅高负载能力制造工艺。提出了浸没式CMP+IBF迭代加工控制总体非晶层厚度的改性制造策略,确定了离子束与CMP抛光的工艺参数,采用该工艺控性抛光单晶硅柱面反射镜,最终面形PV值达到0.244λ,面形RMS值为0.026λ,表面粗糙度可达到RMS 0.26 nm以下,同工艺实验件1200 nm～1500 nm波段表面反射率为55%,光热弱吸收值为0.128 ppm,满足高功率光学系统要求。
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