2. 中国科学院 国家天文台, 北京 100012;
3. 中国科学院 太阳活动重点实验室 (国家天文台), 北京 100012
2. National Astronomical Observatories, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, P. R. China;
3. Key Laboratory of Solar Activity, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, P. R. China
CdSe晶体是性能优异的红外非线性光学晶体材料，它是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，属于6 mm点群和P63mc空间群[1, 2]，其突出特点是具有较宽的红外透明波段 (0.75~25 μm)、大的非线性系数 (d31=18 pm/V)、较高的激光损伤阈值、较低的吸收系数 (在1~10 μm范围内 < 0.01 cm-2) 和适宜的双折射，可在红外波段进行频率转换；同时，CdSe晶体具有化学稳定性好、不潮解、机械强度适中、加工性能好等优点，被广泛应用于红外探测、红外遥感、红外监测和激光通讯等[3-6]。值得关注的是，在中远红外波段CdSe单晶体双折射率在0.018~0.019之间，非常适合用于制作波片。特别是相对于其它多组份人工晶体而言，CdSe材料更容易获得大口径优质单晶体，从而可以获得大口径波片，因此在中红外高分辨率偏振成像观测领域也具有突出的优势。中红外波片的应用将在红外偏振测量发挥重要作用，成为军事、遥感、天文观测等领域的前沿和热点，因而对其制作工艺的研究具有重要的应用价值。
由于CdSe晶体的脆性分层结构特性，使其在中红外波片制备过程中，晶片表面易产生损伤层、划痕及结构缺陷等，会严重影响波片的光学性能以及系统成像质量[7]。所以波片制备过程中，波片的表面处理尤其是抛光工艺对最终器件的性能有着重要的影响。20世纪60年代以前，半导体晶片抛光大都采用机械抛光，通过机械运动用磨料磨去晶片的凸起部分，可得到镜面表面。机械抛光工艺虽简单，表面的平整度也较好；但抛光时间较长，材料消耗较大，抛光后的表面还常残存细小的机械损伤[8, 9]。而化学抛光方法虽然速度快，抛光后的晶片表面没有机械损伤，但缺点是平整度较差。我们对比了利用传统机械抛光法与化学抛光法对波片表面处理的抛光效果，在大量抛光实验的基础上，发现将两种方法相结合，采用以弱碱性溶液 (NaOH，pH≈8) 和刚玉粉的混合液为抛光液的化学机械抛光方法，能够有效提高CdSe波片抛光效果，获得了符合器件制作要求的波片厚度和表面态。
1 波片的制备实验室采用改进的垂直无籽晶气相升华法[10-13]，利用双温区生长炉，设置生长源区温度为1100 ℃，结晶区温度为1075 ℃，以2.8 mm/day的生长速率进行CdSe晶体生长[14-16]。如图 1所示，生长得到的CdSe晶体，尺寸较大，达ϕ30×40 mm3，晶体的生长界面接近平界面。对CdSe晶体的解理面进行X射线衍射分析，X射线衍射图谱以及回摆曲线如图 2所示。图谱出现 (001) 面的三级衍射峰，谱峰尖锐、峰形对称性好，说明晶体的结晶性能好。
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图 1 无籽晶气相升华法生长的CdSe单晶体 Fig.1 CdSe grown by unseeded vapor sublimation method |
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图 2 CdSe单晶体 (001) 面X射线衍射 Fig.2 X-ray diffraction pattern for (001) face of CdSe |
中红外波片的切割，需要精确的确定光轴方向。因此对 (001) 面进行精修，并作出回摆测试。回摆谱线如图 3所示。沿光轴方向对CdSe晶体进行定向切割，并用Al2O3粉末为研磨料进行研磨，得到尺寸为20×20×3 mm3的CdSe中红外波片初胚，如图 4所示。
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图 3 CdSe (001) 面回摆曲线 Fig.3 Rocking curve for the (001) face of CdSe |
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图 4 CdSe中红外波片初胚 Fig.4 The primary mid-infrared wave plate of CdSe |
由于CdSe波片初胚经过切割、研磨后表面产生了损伤层、划痕及结构缺陷等，会严重影响中红外波片的光学性能。利用原子力显微镜对波片表面进行观测，结果如图 5所示。由图 5可以看出，切割研磨得到的CdSe波片初胚表面粗糙度较高，存在大量凹坑与划痕。为了提高CdSe中红外波片的光学质量，需要对波片初胚表面进行抛光处理。传统抛光方式采用机械抛光，抛光仪器采用ZYP2000旋转摆动重力式研磨抛光机，抛光液采用0.5 μm的刚玉粉和去离子水按照1:10的比例配制，并搅拌均匀。调节抛光盘的转速控到60 rpm，按照每10分钟6.5 mL的速度加入抛光液，持续抛光约2 h。经过机械抛光，CdSe波片肉眼观察较为平整，但金相显微镜下观察，CdSe波片表面存在较多的划痕、陷坑等结构，如图 6(a)，抛光效果不佳。
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图 5 抛光前波片表面原子力显微镜图像 Fig.5 The AFM image of the surface of the unpolished wave plate |
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图 6 不同抛光工艺下波片表面的金相显微镜图像 (a) 传统机械抛光工艺; (b) 化学机械抛光工艺 Fig.6 Metallographic microscope images of the wave plate surfaces with various polishing methods (a) traditional mechanicalpolishing method; (b) chemistry mechanical polishing method |
为提高抛光质量，将化学机械抛光工艺引入CdSe波片抛光工艺中。抛光液为弱碱性溶液 (NaOH，pH≈8) 和刚玉粉 (0.5 μm，浓度10%) 混合液，调节抛光盘的转速控到60 rpm，按照每10分钟6.5 mL的速度加入抛光液，持续抛光约1.5 h。抛光前后的晶相显微照片如图 6(b)所示。由图可看出这种抛光方法得到的表面的划痕降低了很多，陷坑也比较少。
图 7给出了原子力显微镜的观测结果，划痕明显减少，粗糙度明显降低。弱的酸碱性对刚玉粉可以起到一定的软化作用，减小抛光粉的棱角，使其颗粒比较圆滑，从而获得较好的抛光效果。采用化学机械抛光法对CdSe中红外波片进行抛光，提高了晶片的抛光速率，减少了晶片表面的划痕和结构缺陷，获得了符合波片制作要求的晶片厚度和表面态。
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图 7 化学机械抛光后波片表面原子力显微镜图像 Fig.7 The AFM image of the surface of wave plate with chemical mechanical polishing |
将化学机械抛光后的波片，采用傅里叶红外光谱仪进行红外透过率测试，结果如图 8所示。
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图 8 CdSe中红外波片的红外透过率光谱 Fig.8 The infrared transmittance of the CdSe wave plate |
从图 8中可以看出, 晶体在2~20 μm波段有较高的透过率，达到70%，接近其理论透过率[17]，表明CdSe晶体中的自由载流子和沉淀物或夹杂含量较少，表面粗糙度较低，能够满足中红外波片的制备要求，这一结果表明化学机械抛光方法适用于CdSe中红外波片的表面处理工艺。
3 结论利用改进的垂直无籽晶气相升华法生长得到了尺寸为ϕ30×40 mm3硒化镉单晶体。利用X射线衍射仪确定晶体的 (001) 面，经过切割得到得到尺寸为20×20×3 mm3的CdSe中红外波片初胚。为了减少中红外波片表面的表面产生的损伤层、划痕及结构缺陷，采用不同的抛光工艺对波片进行表面处理。结果表明，以弱碱性溶液 (NaOH，pH≈8) 和刚玉粉 (0.5 μm，浓度10%) 混合液为抛光液的化学机械抛光，使得波片表面划痕减少，粗糙度明显降低。傅里叶红外测试表明，在2~20 μm波段硒化镉晶体有较高的透过率，达到70%，能够满足制备中红外波片对晶体的要求。
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