学术研究报告：弹性发射加工（EEM）实现超光滑低损伤表面的制造机理与应用

作者与发表信息

本研究由Weihao Ma（上海交通大学机械与动力工程学院）、Jiahui Li（浙江大学极端光子学与仪器国家重点实验室、杭州全球科技创新中心）、Xinquan Zhang（上海交通大学）、Mingjun Ren（上海交通大学）和Xi Hou（中国科学院光电技术研究所）合作完成，发表于Journal of Materials Processing Technology（2025年，卷338，文章编号118780）。

学术背景

研究领域：本研究属于超精密光学制造领域，聚焦于弹性发射加工（Elastic Emission Machining, EEM）技术的原子级材料去除机理及其在硬脆材料（如熔融石英、单晶硅）表面加工中的应用。

研究动机：现代光学技术（如极紫外光刻、先进光源）对光学元件的表面粗糙度（原子级）和亚表面损伤（Subsurface Damage, SSD）提出了严苛要求。传统机械加工（如磨削、抛光）易引入裂纹和残余应力，而EEM作为一种非接触、化学驱动的原子级去除技术，有望实现无损伤超光滑表面，但其表面生成机制尚未充分探索。

研究目标：
1. 揭示EEM通过多尺度抛光消除表面/亚表面缺陷的动态演化规律；
2. 阐明材料去除深度与表面质量的平衡机制；
3. 验证EEM在微结构光学元件和多种材料（熔融石英、单晶硅、ULE玻璃等）中的适用性。

研究流程与方法

实验设计

研究设计了四组实验（表1），涵盖以下方向：
1. Exp. 1：分析EEM抛光熔融石英表面形貌的演变规律（材料去除深度：10 nm、50 nm、100 nm）；
2. Exp. 2：研究微米级划痕缺陷的消除过程（去除深度：50 nm、100 nm、150 nm）；
3. Exp. 3：验证EEM对亚毫米微结构的保形抛光能力；
4. Exp. 4：评估EEM在单晶硅、ULE玻璃等材料上的抛光效果。

关键技术与设备

• EEM系统：采用直径80 mm的聚氨酯抛光轮，以100 nm二氧化硅（SiO₂）颗粒为抛光浆料，通过流体薄膜驱动颗粒与工件表面发生化学吸附（≡Si-O-X≡键桥形成），实现原子级去除（图1）。
  
• 表征手段：
  
  • 原子力显微镜（AFM）：测量表面粗糙度（分辨率256×256点）；
    
  • 激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）：检测亚表面荧光缺陷；
    
  • 拉曼光谱：分析残余应力与缺陷特征峰（如485 cm⁻¹和600 cm⁻¹峰）；
    
  • 透射电子显微镜（TEM）：观察单晶硅表面/内部晶格完整性。
    

创新方法

• 功率谱密度（PSD）分析：量化空间波长误差（纳米至微米级）的修正效果；
  
• 纳米压痕实验：揭示划痕区域残余应力的动态变化（图14）。
  

主要结果

1. 超光滑表面形成机制

• 表面缺陷消除：EEM优先去除凸起缺陷（图2），10 nm去除后表面粗糙度（Rq）从0.457 nm降至0.101 nm；
  
• 亚表面缺陷演化：50 nm去除后，凹坑型缺陷（含残余压应力）需更深去除（100 nm）才能完全消除（图3）；
  
• 残余应力分布：划痕底部因压缩硬化呈现高弹性模量（图4），而两侧软化层随去除深度增加逐渐暴露。
  

2. 微米划痕的动态消除

• 形貌演变：划痕宽度随去除深度线性增加，底部锯齿结构逐渐平坦化（图12）；
  
• 应力调控：150 nm去除后，划痕深度波动控制在1 nm内（图13）。
  

3. 多材料抛光性能

• 单晶硅：表面粗糙度从0.328 nm降至0.088 nm，TEM证实晶格无损伤（图18）；
  
• ULE玻璃：Rq从0.518 nm降至0.093 nm，PSD显示中高频误差显著改善（图19）；
  
• Zerodur：因晶相/玻璃相反应速率差异，表面粗糙度未显著降低，但无方向性纹理（图20）。
  

结论与价值

科学价值：
1. 首次系统阐明了EEM通过化学吸附实现原子级去除的机理，提出“材料去除深度-缺陷类型”的平衡模型；
2. 证实EEM可同时消除纳米级粗糙度和微米级空间波长误差，为光学元件极限制造提供新方法。

应用价值：
- 适用于极紫外光刻、X射线光学等高性能光学元件的无损伤加工；
- 对微结构器件的保形抛光具有潜在工程意义。

研究亮点

1. 多尺度表征：结合AFM、LSCM、拉曼光谱等，全面解析表面/亚表面缺陷演化；
   
2. 动态过程揭示：首次展示划痕缺陷在EEM抛光中的几何与应力响应规律；
   
3. 材料普适性：在熔融石英、单晶硅、ULE玻璃上均实现Rq <0.1 nm的超光滑表面。
   

其他重要发现

• 流体动力学优化：抛光间隙（5 μm）和颗粒分散性（超声处理30分钟）是保证均匀去除的关键；
  
• 化学吸附模型：≡Si-O-X≡键桥的断裂阈值能量决定了原子级去除效率（公式3）。
  

（注：全文术语首次出现时保留英文，如Subsurface Damage（亚表面损伤）、Power Spectral Density（功率谱密度）等。）