技术领域
[0001] 本申请涉及信息功能材料制备技术领域，尤其涉及一种氟化钙单晶材料的表面处理方法。
相关背景技术
[0002] 氟化钙晶体具有高透射范围(125nm～10μm)，以及优异的消色差和复消色差能力，作为紫外光学窗口材料被广泛应用于制造透镜，棱镜，和窗口等光学元件；并且，氟化钙晶体具有低折射率(1.43)，宽禁带(10eV)的特点，也被作为光子材料应用于光电器件中；而不论是哪种应用，都对氟化钙晶体表面粗糙度有着较高的要求。
[0003] 然而，氟化钙晶体具有硬度低(莫氏硬度为4级)，易碎，各向异性和较高的热膨胀系数等特性，导致对氟化钙的表面精细加工难度较大，单点金刚石车削和传统机械抛光不但会在氟化钙晶体表面产生脆性破裂和划痕等表面或亚表面损伤，同时会因为氟化钙晶体材料的各向异性导致去除速率各向异性，难以获得较高的面形精度。
具体实施方式
[0029] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0030] 需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了下述图示或下述描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0031] 本申请实施例针对现有技术中，氟化钙单晶材料硬度较低，难以得到高面型精度及高质量表面的问题，提供了一种氟化钙单晶材料的表面处理方法，首先对待处理氟化钙单晶材料进行化学机械抛光，其中采用的化学抛光液包括二氧化硅抛光液；之后对抛光后的氟化钙单晶材料进行多步清洗并干燥，得到具有高质量表面的目标氟化钙单晶材料；该表面处理方法通过化学机械抛光与多步清洗相结合，尤其适用于对硬度较低材料的表面处理，即适用于对氟化钙单晶材料的高精度表面处理，降低了氟化钙单晶材料表面的粗糙度和颗粒度，避免在加工过程中对氟化钙单晶材料表面造成脆性破裂和划痕等表面或亚表面损伤，提升氟化钙单晶材料的面型精度和表面质量，也有利于提升加工过程中的表面处理良率，减少氟化钙单晶材料的加工损耗，节省成本。
[0032] 下面对本发明实施例的技术方案进行详细介绍，参考说明书附图1，该氟化钙单晶材料的表面处理方法包括：
[0033] S1，对待处理氟化钙单晶材料进行化学机械抛光；
[0034] S2，对抛光后的氟化钙单晶材料进行多步清洗，并干燥，得到目标氟化钙单晶材料。
[0035] 其中，在S1步骤中，化学机械抛光是在一定压力和化学抛光液存在的情况下，待处理氟化钙单晶材料相对于抛光垫做相对运动，借助化学抛光液中纳米粒子磨料的研磨作用与氧化剂的腐蚀作用之间的有机结合，在被研磨的待处理氟化钙单晶材料表面形成光洁的高品质表面的工艺，能够有效去除待处理氟化钙单晶材料表面的凸起部分，提高待处理氟化钙单晶材料表面的平整度。
[0036] 具体地，在一些实施例中，化学机械抛光过程中采用的化学抛光液包括二氧化硅抛光液，该二氧化硅抛光液的磨料为二氧化硅颗粒，能够在液体中呈胶体形态，具有微细颗粒，能够在摩擦力的作用下对待处理氟化钙单晶材料表面进行高精度的抛光，且抛光过程可控且易控，使得表面粗糙度也可控，有利于提升抛光后的氟化钙单晶材料的抛光精度，进而有利于提升最终得到的目标氟化钙单晶材料的面型精度。
[0037] 在一些实施例中，在化学机械抛光步骤中，二氧化硅颗粒的粒径为125nm～225nm；可以理解地，该二氧化硅颗粒的粒径可以为125nm～225nm中的任意点值；示例性地，该二氧化硅颗粒的粒径可以为125nm，150nm，175nm，185nm，190nm，200nm，225nm等；如此，二氧化硅颗粒的粒径小，达到了纳米级别，既能够有效抛光，使得抛光效率和抛光效果得到控制，又避免了磨料过大对表面产生的划痕等表面或亚表面损伤。
[0038] 在一些实施例中，该步骤中采用的二氧化硅抛光液的pH为9～12；可以理解地，该二氧化硅抛光液的pH可以为9～12中的任意点值；示例性地，该二氧化硅抛光液的pH可以为9，10，10.5，11，12；如此，该二氧化硅抛光液呈碱性，且二氧化硅磨料的化学性质较为稳定，能够在利用磨料机械作用对待处理氟化钙单晶材料表面进行平坦化的同时，避免化学抛光液对待处理氟化钙单晶材料表面的凹陷部分进一步造成腐蚀而导致的表面粗糙度失控，有利于提升抛光后的氟化钙单晶材料的面型精度。
[0039] 具体地，在一些实施例中，在化学机械抛光过程中采用的抛光垫包括阻尼软质抛光垫，阻尼软质抛光垫的延展率为6.0～6.6％；可以理解地，该阻尼软质抛光垫的延展率可以为6.0～6.6％中的任意点值；示例性地，该阻尼软质抛光垫的延展率可以为6.0％，6.1％，6.3％，6.5％，6.6％等；如此，该阻尼软质抛光垫一方面能够通过多孔结构和纤维绒毛加快化学抛光液的输送，并传导压力至待处理氟化钙单晶材料的表面进行有效抛光，提升抛光可靠性，另一方面，能够分散抛光机转速，避免转速过高造成的过多热量引起氟化钙单晶材料表面失真受损，也避免抛光垫硬度过大在化学机械抛光过程中对待处理氟化钙单晶材料的表面额外造成划痕，在提高抛光效果的同时保护氟化钙单晶材料表面，有利于获得高面型精度、高质量的目标氟化钙单晶材料表面；在一些优选实施例中，该阻尼软质抛光垫为黑绒布软质抛光垫。
[0040] 具体地，化学机械抛光步骤通过抛光机进行，抛光机中位于待处理氟化钙单晶材料下方的第一抛光盘的转速为50RPM～90RPM，位于待处理氟化钙单晶材料上方的第二抛光2 2
盘的转速为40RPM～80RPM，压力为120g/cm～180g/cm ；可以理解地，第一抛光盘的转速可以为50RPM～90RPM中的任意点值，第二抛光盘的转速可以为40RPM～80RPM中的任意点值，
2 2
压力可以为120g/cm～180g/cm中的任意点值，此处不再枚举；通过第一抛光盘和第二抛光盘的转速以及压力之间的相互配合，能够有效控制化学机械抛光过程的抛光效率，使得化学抛光液能够在阻尼软质抛光垫上均匀分布，对表面进行充分抛光，提升抛光过程的有效性和稳定性，同时避免磨料划过待处理氟化钙单晶材料中低硬度的表面产生额外划痕而造成非期望的表面损伤，有利于提升抛光过程的精确性，提升抛光后的氟化钙单晶材料表面的面型精度和质量。
[0041] 具体地，在化学机械抛光的过程中，氟化钙单晶材料的去除速率为1nm/min～30nm/min；可以理解地，该去除速率可以为1nm/min～30nm/min中的任意点值；示例性地，该去除速率可以为1nm/min，10nm/min，18nm/min，23nm/min，30nm/min等，去除速率较慢，尤其适用于薄膜材料的抛光，以避免去除速率过快而无法有效控制氟化钙单晶材料表面的精度，相比于通过传统物理擦拭和刷洗等方法进行抛光，也能够有效避免磨料对氟化钙单晶材料中硬度较低的表面造成划伤。
[0042] 具体地，在多步清洗过程中，对抛光后的氟化钙单晶材料依次采用SC1溶液、去离子水、乙醇、酸性溶液和二流体去离子水进行清洗，以有效去除氟化钙单晶材料表面的外来吸附物以及残留的化学抛光液磨料，有效降低目标氟化钙单晶材料表面的颗粒度。
[0043] 具体地，如图2中S21步骤所示，在一些示例性的实施方式中，对抛光后的氟化钙单晶材料进行多步清洗过程中，首先通过SC1溶液对抛光后的氟化钙单晶材料进行清洗10min～20min，通过SC1溶液的强氧化性将抛光后的氟化钙单晶材料表面的污染物转化为易于溶解和移除的物质，初步去除大分子污染物，以降低表面污染物的去除难度，提升清洗有效性和洁净度。
[0044] 在一些实施例中，该SC1溶液包括体积比为1:1:5～1:1:10的双氧水、氨水和去离子水，双氧水(H2O2)的质量分数为20％～40％，氨水(NH4OH)的质量分数为20％～40％，即该SC1溶液由质量分数为20％～40％的双氧水、质量分数为20％～40％的氨水和去离子水按照1:1:5～1:1:10的体积比配制而成；其中，H2O2起到氧化剂的作用，能够将表面污染物氧化为CO2和H2O，将无机污染物氧化为溶解态或离子态，而NH4OH起到络合作用，能够与金属离子形成络合物，使金属离子变得稳定并易于溶解，从而促进氟化钙单晶材料表面污染物的去除。
[0045] 可以理解地，双氧水的质量分数可以为20％～40％中的任意点值，氨水的质量分数可以为20％～40％中的任意点值，双氧水、氨水和去离子水的体积比可以为1:1:5～1:1:10中的任意点值；示例性地，双氧水的质量分数可以为20％，25％，30％，35％，40％等；氨水的质量分数可以为20％，25％，28％，30％，32％，35％，40％等；双氧水、氨水和去离子水的体积比可以为1:1:5，1:1:6，1:1:7，1:1:8，1:1:10等；通过该SC1溶液，能够加快清洗效率，提升清洗洁净度，有利于提升最终的目标氟化钙单晶材料的面型精度和表面质量。
[0046] 接着，如图2中S22步骤所示，通过去离子水对SC1溶液清洗后的氟化钙单晶材料进行冲洗，冲洗时间为10min～20min，以去除氟化钙单晶材料表面残留的SC1溶液，避免残留溶液在后续清洗过程中对氟化钙单晶材料造成额外腐蚀而影响目标氟化钙单晶材料的表面质量。
[0047] 接着，在一些示例性的实施方式中，如图3中S203步骤所示，在采用去离子水清洗之后，并且在后续采用乙醇清洗之前，还对抛光后的氟化钙单晶材料进行超声清洗，超声清洗的时间为10min～20min，即对依次经过SC1清洗和去离子水冲洗后的氟化钙单晶材料进行超声清洗，以利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对氟化钙单晶材料表面的液体和污染物产生直接或间接的作用，使表面的污染物被分散、乳化、剥离而达到清洗目的，进一步提升氟化钙单晶材料表面的清洗充分性。
[0048] 在一些示例性的实施方式中，超声清洗过程中采用的频率为15kHz～20kHz；可以理解地，该频率可以为15kHz～20kHz中的任意点值，此处不再枚举；该超声清洗过程中采用的清洗液包括质量分数为90％～100％的丙酮；可以理解地，该丙酮的质量分数可以为90％～100％中的任意点值，此处不再枚举；则该超声清洗过程能够有效去除表面污染物，同时避免对低硬度的氟化钙单晶材料表面造成划伤或腐蚀等表面损伤，清洗可靠性高。
[0049] 接着，如图2中S23步骤所示，将冲洗后的氟化钙单晶材料浸泡于乙醇中；或者如图3中S23步骤所示，将经过超声清洗的氟化钙单晶材料浸泡于乙醇中；乙醇相比于去离子水具有更强的极性，能够更好地溶解于氟化钙单晶材料表面的有机物和无机物中，并将有机物和无机物溶解解离，使表面更加光洁透明，进一步提升氟化钙单晶材料表面的清洗充分性，有利于降低目标氟化钙单晶材料的表面颗粒度。
[0050] 接着，如图2中S24步骤所示，将将抛光后的氟化钙单晶材料浸泡于酸性溶液中，也就是将经过乙醇浸泡后的氟化钙单晶材料转移至酸性溶液中浸泡；其中，酸性溶液包括氢氟酸溶液，具有优秀的腐蚀性和溶解性，能够进一步去除表面残留的有机物和金属杂质，例如油脂、润滑剂、铁和铜等，也进一步去除残留的化学抛光液磨料颗粒，避免残留物留在氟化钙单晶材料表面对氟化钙单晶材料的性能以及具有该氟化钙单晶材料的器件的性能造成不良影响。
[0051] 具体地，该酸性溶液中氢氟酸与去离子水溶剂的质量比为1:40～1:60，浸泡时间为3min～6min；可以理解地，该氢氟酸与去离子水溶剂的质量比可以为1:40～1:60中的任意点值，浸泡时间可以为3min～6min中的任意点值，此处不再枚举；如此，既能够有效去除表面污染物，又能够避免对氟化钙单晶材料表面造成额外腐蚀等损伤，有利于提升目标氟化钙单晶材料的面型精度和表面质量。
[0052] 之后，如图2中S25步骤所示，通过二流体去离子水对酸性溶液浸泡后的氟化钙单晶材料进行冲洗，冲洗时间为5～10min，即对酸性溶液浸泡后的氟化钙单晶材料进行二流体清洗，在该过程中采用的二流体去离子水为去离子水混合高压气体，利用高速水气流动的动能和冲击力，将表面的污垢剥离和清除(即水气二流体清洗)，以进一步提升冲洗的洁净程度，降低表面颗粒度；最后，将经过二流体去离子水冲洗的氟化钙单晶材料烘干即可得到目标氟化钙单晶材料，操作简单方便，表面的面型精度高，表面质量也高。
[0053] 具体地，通过该表面处理方法制得的目标氟化钙单晶材料表面的粗糙度小于等于2
0.3nm，目标氟化钙单晶材料表面的颗粒度小于等于300个/μm ，此处的颗粒度代表每平方微米范围内检测到的颗粒残留量，数值越小，说明该目标氟化钙单晶材料的表面质量越高；
并且，只有通过上述化学机械抛光过程和依次采用SC1溶液、去离子水、乙醇、酸性溶液和二
2
流体去离子水进行清洗才能够达到小于等于0.3nm的表面粗糙度和小于等于300个/μm 的颗粒度；可以理解地，该粗糙度可以为小于等于0.3nm的任意点值，该颗粒度也可以为小于
2
等于300个/μm的任意点值，此处不再枚举；如此，通过化学机械抛光和多步清洗相结合的表面处理方法，得到了具有低表面粗糙度和低颗粒度的高质量氟化钙单晶材料表面，能够推动氟化钙单晶材料的表面超高精度处理，促进氟化钙单晶材料在多领域内的应用。
[0054] 本申请还提供了一种目标氟化钙单晶材料，具有通过该氟化钙单晶材料的表面处理方法得到的高质量目标氟化钙单晶材料表面。
[0055] 本申请还提供了一种光电器件，具有如上所述的目标氟化钙单晶材料，或者具有通过如上所述的表面处理方法制得的目标氟化钙单晶材料，表面质量高。
[0056] 以下基于上述技术方案介绍本发明的具体实施例。
[0057] 实施例1
[0058] 本实施例提供的氟化钙单晶材料的表面处理方法包括：
[0059] 对待处理氟化钙单晶材料进行化学机械抛光；在化学机械抛光过程中采用的化学抛光液为pH＝9的二氧化硅抛光液，二氧化硅颗粒的粒径为220nm，并采用延展率为6.0％的黑绒布软质抛光垫；设定抛光机中第一抛光盘的转速为50RPM，第二抛光盘的转速为80RPM，2
压力为120g/cm；
[0060] 通过SC1溶液对抛光后的氟化钙单晶材料清洗10min；该SC1溶液由质量分数为20％的双氧水、质量分数为40％的氨水和去离子水按照1:1:5的体积比配制而成；
[0061] 通过去离子水对SC1溶液清洗后的氟化钙单晶材料冲洗10min；
[0062] 对冲洗后的氟化钙单晶材料超声清洗10min；在超声清洗过程中采用的频率为15kHz，清洗液为质量分数为90％的丙酮；
[0063] 将超声清洗后的氟化钙单晶材料浸泡于乙醇中；
[0064] 再将氟化钙单晶材料转移至氢氟酸溶液中浸泡5min；其中，氢氟酸与去离子水溶剂的质量比为1:60；
[0065] 通过二流体去离子水对氢氟酸溶液浸泡后的氟化钙单晶材料冲洗5min，得到目标氟化钙单晶材料。
[0066] 本实施例制得的目标氟化钙单晶材料表面的粗糙度为0.29nm，颗粒度为282个/μ2
m。
[0067] 实施例2
[0068] 本实施例提供的氟化钙单晶材料的表面处理方法包括：
[0069] 对待处理氟化钙单晶材料进行化学机械抛光；在化学机械抛光过程中采用的化学抛光液为pH＝12的二氧化硅抛光液，二氧化硅颗粒的粒径为200nm，并采用延展率为6.6％的黑绒布软质抛光垫；设定抛光机中第一抛光盘的转速为90RPM，第二抛光盘的转速为2
40RPM，压力为150g/cm；
[0070] 通过SC1溶液对抛光后的氟化钙单晶材料清洗15min；该SC1溶液由质量分数为40％的双氧水、质量分数为30％的氨水和去离子水按照1:1:10的体积比配制而成；
[0071] 通过去离子水对SC1溶液清洗后的氟化钙单晶材料冲洗15min；
[0072] 对冲洗后的氟化钙单晶材料超声清洗15min；在超声清洗过程中采用的频率为18kHz，清洗液为质量分数为100％的丙酮；
[0073] 将超声清洗后的氟化钙单晶材料浸泡于乙醇中；
[0074] 再将氟化钙单晶材料转移至氢氟酸溶液中浸泡3min；其中，氢氟酸与去离子水溶剂的质量比为1:60；
[0075] 通过二流体去离子水对氢氟酸溶液浸泡后的氟化钙单晶材料冲洗8min，得到目标氟化钙单晶材料。
[0076] 本实施例制得的目标氟化钙单晶材料表面的粗糙度为0.13nm，颗粒度为217个/μ2
m。
[0077] 实施例3
[0078] 本实施例提供的氟化钙单晶材料的表面处理方法包括：
[0079] 对待处理氟化钙单晶材料进行化学机械抛光；在化学机械抛光过程中采用的化学抛光液为pH＝10的二氧化硅抛光液，二氧化硅颗粒的粒径为125nm，并采用延展率为6.6％的黑绒布软质抛光垫；设定抛光机中第一抛光盘的转速为55RPM，第二抛光盘的转速为2
60RPM，压力为180g/cm；
[0080] 通过SC1溶液对抛光后的氟化钙单晶材料清洗20min；该SC1溶液由质量分数为30％的双氧水、质量分数为20％的氨水和去离子水按照1:1:8的体积比配制而成；
[0081] 通过去离子水对SC1溶液清洗后的氟化钙单晶材料冲洗20min；
[0082] 对冲洗后的氟化钙单晶材料超声清洗20min；在超声清洗过程中采用的频率为20kHz，清洗液为质量分数为98％的丙酮；
[0083] 将超声清洗后的氟化钙单晶材料浸泡于乙醇中；
[0084] 再将氟化钙单晶材料转移至氢氟酸溶液中浸泡6min；其中，氢氟酸与去离子水溶剂的质量比为1:40；
[0085] 通过二流体去离子水对氢氟酸溶液浸泡后的氟化钙单晶材料冲洗10min，得到目标氟化钙单晶材料。
[0086] 本实施例制得的目标氟化钙单晶材料表面的粗糙度为0.21nm，颗粒度为197个/μ2
m。
[0087] 以上所描述的仅为本申请的一些实施例而已，并不用于限制本申请，本行业的技术人员应当了解，本申请还会有各种变化和改进，任何依照本申请所做的修改、等同替换和改进都落入本申请所要求的保护的范围内。
