一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，屬于超精密加工【技術領域】，該方法包括:將待拋光的具有微結構的樣品放在離子束刻蝕設備的腔體內的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側壁與樣品臺平面相互垂直;利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，并調節樣品臺到該傾斜角;使用離子束對樣品進行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉。利用本發明提供的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，能夠實現對微結構的側壁進行高精度的拋光。
【專利說明】一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，屬于超精密加工【技術領域】。
【背景技術】
[0002]拋光技術是使用物理機械、化學、電化學等作用降低物體表面粗糙度的加工方法。拋光技術應用范圍極其廣泛，比如汽車車身表面的拋光，地板的拋光，裝飾品表面的拋光等等。當表面能夠清晰的倒影出物體影像時，被稱為鏡面。如果使用均方根(RootMeanSquare,RMS)粗糙度來表征物體表面的光滑程度，鏡面的粗糙度在微米量級。鏡面拋光是更精密的拋光技術，主要在精密機械和光學工業中使用，使得拋光后的物體表面光滑并具有良好的反射效果。
[0003]最常見的且相對容易的是對具有開闊表面的物體進行拋光，通常使用硬質的磨料在被拋光物體表面高速摩擦使其光滑，拋光后達到的粗糙度對于特定的物質而言主要取決于拋光過程使用磨料的顆粒大小。開闊的硅表面經過拋光后，均方根粗糙度可以達到小于Inm的程度，已經接近原子級別的平整度。
[0004]對于非開闊表面的拋光，比如工件的孔洞內壁，也有許多拋光技術可以實現，比如化學拋光、電化學拋光、磁流體拋光等。化學拋光是靠化學試劑對樣品表面凹凸不平區域的選擇性溶解作用消除磨痕、浸蝕整平的一種方法。但是拋光液容易失效，溶液消耗快，拋光結果不是太佳，試樣的棱角易受蝕損，拋光面易出現微小波紋起伏。電化學拋光是以被拋工件為陽極，不溶性金屬為陰極，兩極同時浸入到電解槽中，通以直流電而產生有選擇性的陽極溶解，從而達到工件表面光亮度增大的效果。此拋光技術能夠實現降低粗糙度的原理目前在國際范圍內尚存在爭議。技術上，由于電解液的組成復雜、通用性差、使用壽命短和強腐蝕性等缺點，其應用范圍受到限制。工藝上影響電化學拋光的參數很多，不易找到正確的拋光參數。磁流體拋光技術是利用磁流變液在磁場中的流變特性進行零件表面加工的一種新型技術。通過調整設備，也可用于工件孔洞內壁的拋光。但同樣拋光參數很多，如工件進入磁流體拋光液中的深度、工件軸擺角、運動盤的速度、工件與運動盤形成的間隙大小、磁場強度等，對特殊的工件需花費較大時間去摸索工藝，并不非常成熟。目前很多學者也正在進一步研究此拋光方法。
[0005]離子束刻蝕是利用具有一定能量的離子轟擊材料表面，使材料原子發生濺射，從而達到刻蝕目的的一種手段。通常使用氬、氪、氙之類的惰性氣體，在真空腔內被電離后形成等離子體，然后由高電壓將離子引出并加速，使離子具有一定能量并呈束狀入射到待刻蝕表面，撞擊材料表面原子，發生濺射，達到刻蝕的目的。此刻蝕過程為純物理過程。用離子束刻蝕原理對物體表面進行拋光的技術即離子束拋光技術，是現代光學加工技術中非常先進的一種光學鏡面拋光技術，是原子量級上的無應力、非接觸式拋光工藝，是實現超光滑表面的重要手段。比如，使用離子束刻蝕設備對硅表面精細拋光，可實現0.2nm的粗糙度，拋光角度為60度。但這僅限于對開闊表面任意角度拋光。對于所要拋光平面為直孔的內壁，尤其是具有較大深寬比的孔內壁，拋光離子將不能以優化的某個角度進行入射轟擊，所以目前國際上尚無報道使用離子束刻蝕技術對微結構的側壁進行拋光。
[0006]而隨著超精密加工技術的發展，對微結構側壁進行拋光的需求越來越迫切。比如，應用在探空衛星上進行X射線成像的龍蝦眼型微孔光學器件，是利用大深寬比方孔內側壁對X射線的反光進行聚焦成像的，因此側壁粗糙度通常要納米量級才能對X光進行良好的反射。此器件的制備將依賴于微結構側壁的拋光技術。
[0007]目前使用的能夠對微結構側壁進行拋光的技術有化學拋光、電化學拋光、磁流體拋光等，但如上文所述，這些技術對于大深寬比側壁的拋光都存在技術上的困難。
[0008]本發明提出把用于平面拋光的離子束刻蝕技術應用于對微結構側壁的拋光，使側壁表面達到納米級的粗糙度。

【發明內容】

[0009](一 )要解決的技術問題
[0010]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，以使高精度拋光的離子束刻蝕技術應用在微結構側壁的拋光領域，實現對微結構，尤其是對具有大深寬比通孔側壁的高精度拋光。
[0011](二)技術方案
[0012]為達到上述目的，本發明提供了一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，包括:
[0013]步驟10:將待拋光的具有微結構的樣品放在離子束刻蝕設備的腔體內的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側壁與樣品臺平面相互垂直；
[0014]步驟20:利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，并調節樣品臺到該傾斜角；
[0015]步驟30:使用離子束對樣品進行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉。
[0016]上述方案中，步驟10中所述待拋光的具有微結構的樣品，微結構指軸線互相平行的通孔，尤其是孔徑小于I毫米，深寬比大于I的通孔。進一步地，通孔垂直于軸的截面可以是任意形狀的二維圖形，不限于圓孔或方孔等。
[0017]上述方案中，步驟10中所述利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，該距離用以保證被拋光下來的材料能夠被順利排出通孔，防止堆積在樣品臺表面以致阻礙后續拋光下來材料的順利排出。
[0018]上述方案中，步驟20中所述利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，具體計算方法如下:假設樣品中所有的孔的最大深寬比是R，則樣品臺所需的傾斜角的范圍是O?θ，Θ =arctan(l/R), Θ單位是度。
[0019]上述方案中，步驟20中所述調節樣品臺到該傾斜角，調節方法為:使樣品臺的軸線方向與離子束入射方向(通常為豎直方向)的夾角為傾斜角。
[0020]上述方案中，步驟30中所述在刻蝕過程中樣品臺始終自轉，自轉為樣品臺繞著自己的軸線旋轉。
[0021](三)有益效果[0022]利用本發明提供的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，能夠實現對微結構的側壁進行高精度的拋光。對側壁進行拋光相比較對開闊平面進行拋光有更高的技術難度，但是隨著科技的發展，人們對工件孔壁的粗糙度提出了越來越高的要求，比如用于探空的X射線成像光學器件。這類高端光學零件加工涉及超精密加工技術。目前可以用來進行內壁拋光的技術有化學拋光、電化學拋光、磁流體拋光等，但是在實現大深寬比通孔內壁的拋光上，這些技術都存在困難。化學拋光拋光液容易失效，溶液消耗快，拋光結果不是太佳，試樣的棱角易受蝕損，拋光面易出現微小波紋起伏。電化學拋光技術能夠實現降低粗糙度的原理目前在國際范圍內尚存在爭議，技術上，由于電解液的組成復雜、通用性差、使用壽命短和強腐蝕性等缺點，其應用范圍受到限制；工藝上影響電化學拋光的參數很多，不易找到正確的拋光參數。對于磁流體拋光技術而言同樣調試參數很多，如工件進入磁流體拋光液中的深度、工件軸擺角、運動盤的速度、工件與運動盤形成的間隙大小、磁場強度等，對特殊的工件需花費較大時間去摸索工藝。離子束拋光技術，是現代光學加工技術中非常先進的一種光學鏡面拋光技術，是原子量級上的無應力、非接觸式拋光工藝，是實現超光滑表面的重要手段。使用離子束刻蝕技術對微結構側壁進行拋光，原理簡單，不需要復雜的刻蝕源，只需要高純的惰性氣體；安裝樣品后，拋光過程可由電腦自動控制，花費很少的人力即可完成，并且拋光工藝控制性好、重復性高，主要的拋光參數不多，容易摸索優化的拋光條件；離子束在拋光過程中不會導致雜質嵌入，加工后鏡面無污染；副產物無污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發明提供的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法流程圖。
[0024]圖2是依照本發明實施例的將樣品放置在離子束刻蝕腔內樣品臺上時的示意圖。
[0025]圖3是依照本發明實施例的金屬鎳正方形通孔側壁表面原子力顯微掃描圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本發明進一步詳細說明。
[0027]下面首先介紹本發明的實現原理，本發明能夠實現利用離子束刻蝕技術對微結構側壁的拋光，其原理如下:在真空室里利用被加速的高能離子束與待拋光樣品表面原子直接產生碰撞，將粒子能量傳遞給待拋光材料的原子，使其逸出表面，在原子量級上將材料去除，從而達到刻蝕目的。當離子束以一定角度入射到樣品表面時，表面的凸起部分將優先被轟擊，凹陷部分被遮擋。經過樣品的自轉，凸起部分會逐漸的均勻的被去除，與凹陷部分的高度趨于一致，達到拋光的目的。微結構通常具有較大的深寬比，離子束不能以任意角度入射到側壁表面。利用微結構的深寬比參數，計算出允許的離子束入射的最大角度，來選取樣品臺傾斜角，即拋光過程中(樣品臺始終自轉)微結構側壁表面與離子束方向的最小夾角。在此傾斜角范圍內，入射離子束可以轟擊到全部側壁表面，實現拋光。此傾斜角范圍內的允許角度，不一定是該表面在任意角度下可以被拋光到最佳粗糙度的最優化角度，但有實驗數據證明，對于5°的傾斜角，能夠把RMS粗糙度10?20nm的表面拋光到在10x10 μ m2范圍內小于5nm的水平。此粗糙度使用原子力顯微方法獲得。附圖3為在上述條件下拋光后的側壁表面原子力顯微掃描圖。[0028]圖1示出了本發明提供的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0029]步驟10:將待拋光的具有微結構的樣品放在離子束刻蝕設備的腔體內的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側壁與樣品臺平面相互垂直；
[0030]在本步驟中，所述待拋光的具有微結構的樣品，微結構指軸線互相平行的通孔，尤其是孔徑小于I毫米，深寬比大于I的通孔。進一步地，通孔垂直于軸的截面可以是任意形狀的二維圖形，不限于圓孔或方孔等。所述利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，該距離用以保證被拋光下來的材料能夠被順利排出通孔，防止堆積在樣品臺表面以致阻礙后續拋光下來材料的順利排出。
[0031]步驟20:利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，并調節樣品臺到該傾斜角；
[0032]在本步驟中，所述利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，具體計算方法如下:假設樣品中所有的孔的最大深寬比是R，則樣品臺所需的傾斜角的范圍是O~θ，Θ =arctan(l/R), Θ單位是度。所述調節樣品臺到該傾斜角,調節方法為:使樣品臺的軸線方向與離子束入射方向(通常為豎直方向)的夾角為傾斜角。
[0033]步驟30:使用離子束對樣品進行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉；
[0034]在本步驟中，所述在刻蝕過程中樣品臺始終自轉，自轉為樣品臺繞著自己的軸線旋轉。`
[0035]基于圖1所示的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法流程圖，以下給出實施例1，實施例1具體如下:
[0036]步驟1:把待拋光的樣品放在樣品托上，樣品托固定在離子束刻蝕系統真空腔內的樣品臺上，如圖2所不。樣品是厚度240 μ m、面積略大于Icm2的正方形金屬鎳片,在樣品中央，有一個正方形通孔的陣列，重復單元為邊長40 μ m的正方形通孔，間距10 μ m,周期為200X200。樣品底面與樣品臺之間距離為5mm。
[0037]為了更清晰直觀的示出樣品放在刻蝕腔內的狀態，圖2示出了樣品放在刻蝕腔內的示意圖。樣品臺軸線方向與豎直方向的夾角為傾斜角。高能離子束由上方豎直向下入射到樣品表面。刻蝕過程中，樣品跟隨樣品臺一起自轉。
[0038]步驟2:計算樣品臺的傾斜角。方孔邊長40μπι，深度240μπι，深寬比為6，則Θ =arctan(l/R)=arctan(l/6) ^ 9.5° ,即傾斜角可調范圍是O~9.5°。調節樣品臺傾斜角到5° ;
[0039]步驟3:開啟離子束刻蝕系統，使用如下參數對樣品進行刻蝕:離子束能量400eV，離子束束流密度0.5mA/cm2，加速電壓180V，樣品臺自轉角速度1.5rad/s，刻蝕時間60分鐘。
[0040]樣品方孔側壁的原始RMS粗糙度10~20nm，按照上述方法拋光后的RMS粗糙度在隨機選取的IOX 10 μ HI2范圍內進行測試，達到4.4nm，如圖3所示。此圖為原子力顯微掃描圖。由此可以看出，利用本發明提供的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，能夠實現對微結構的側壁進行高精度的拋光。
[0041]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，包括: 步驟10:將待拋光的具有微結構的樣品放在離子束刻蝕設備的腔體內的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側壁與樣品臺平面相互垂直； 步驟20:利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，并調節樣品臺到該傾斜角； 步驟30:使用離子束對樣品進行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉。
2.根據權利要求1所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，步驟10中所述待拋光的具有微結構的樣品，微結構指軸線互相平行的通孔。
3.根據權利要求2所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，該通孔的孔徑小于I毫米，深寬比大于I。
4.根據權利要求2所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，該通孔垂直于軸的截面是任意形狀的二維圖形。
5.根據權利要求4所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，該任意形狀的二維圖形至少為圓孔或方孔。
6.根據權利要求1所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，步驟10中所述利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，該距離用以保證被拋光下來的材料能夠被順利排出通孔，防止堆積在樣品臺表面以致阻礙后續拋光下來材料的順利排出。
7.根據權利要求1所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，步驟20中所述利用待拋光的具有微結構的樣品的深寬比計算出樣品臺所需的傾斜角，具體計算方法如下:假設樣品中所有的孔的最大深寬比是R，則樣品臺所需的傾斜角的范圍是 O ?θ, Θ =arctan(1/R), Θ 單位是度。
8.根據權利要求1所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，步驟20中所述調節樣品臺到該傾斜角，調節方法為:使樣品臺的軸線方向與離子束入射方向的夾角為傾斜角。
9.根據權利要求1所述的利用離子束刻蝕技術拋光微結構側壁的方法，其特征在于，步驟30中所述在刻蝕過程中樣品臺始終自轉，自轉為樣品臺繞著自己的軸線旋轉。
【文檔編號】B24B1/00GK103495907SQ201310439401
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】張天沖, 伊福廷, 王波, 劉靜, 張新帥 申請人:中國科學院高能物理研究所