CN102672550A

CN102672550A - 应用于离子束抛光工艺的离子束确定性添加装置及离子束抛光系统

Info

Publication number: CN102672550A
Application number: CN2012101359489A
Authority: CN
Inventors: 戴一帆; 李圣怡; 廖文林; 解旭辉; 周林; 袁征
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102672550B

Abstract

本发明公开了一种应用于离子束抛光系统的离子束确定性添加装置，包括支撑架、支撑架中装设的离子源和受该离子源发出的离子束轰击的靶材，支撑架包括有固定靶材的靶材固定夹具，支撑架上设置有用于截取靶材溅射原子流的光阑；支撑架底部装设有用于安装至离子束抛光系统的安装法兰。本发明还公开了一种离子束抛光系统，包括真空室以及相互连接的运动系统和离子源系统，离子束抛光系统中设有前述添加装置，正对添加装置的离子束发射方向布置有材料去除工艺用夹具，正对添加装置的溅射原子流方向布置有材料添加工艺用夹具。本发明的装置结构简单、制作安装方便，可有效改善光学元件的表面粗糙度、修正光学镜面中高频误差。

Description

应用于离子束抛光工艺的离子束确定性添加装置及离子束抛光系统

技术领域

本发明属于光学元件的离子束抛光加工技术领域，尤其涉及一种离子束确定性添加装置及离子束抛光系统。

背景技术

随着光学系统性能的不断提升，光学零件的精度要求越来越高，对现代光学制造技术提出了新的挑战。以极紫外光刻（EUVL）技术为例，构成极紫外光刻（EUVL）系统镜面不同频段的误差对成像质量影响机制各不相同，要求全频段误差的均方根值全部控制在亚纳米范围，对现代光学制造技术提出了最为苛刻的要求。

现代光学零件加工较之传统加工的一个突破性进展是利用计算机控制的“小磨头”进行抛光的光学表面成型技术（CCOS），其基本思想是利用小工具抛光头代替手工抛光，实现误差高点的定量去除，从而能够提高光学镜面的面形收敛效率。离子束修形技术就是基于CCOS成型原理，利用物理溅射效应实现被加工表面材料的纳米精度去除。其非接触式的加工方式克服了传统抛光加工过程中的边缘效应、刀具磨损和压力负载等缺点，并且加工过程具有高确定性和高稳定性，这使得离子束修形技术在加工不同材质和形状的光学材料时，具有明显的经济效应和质量优势。目前Carl Zeiss公司通过研究提出的离子束修形技术是最接近光刻物镜要求的最终加工手段，其充分体现了离子束确定性修形技术的加工性能。

然而，随着光学系统对光学零件加工精度要求的不断提高，对离子束抛光技术提出了新的挑战。

首先，离子束抛光过程中的粗糙度变化机理及规律尚不明确，缺乏系统的理论解释和实验研究。有实验表明在离子束抛光过程中，材料表面粗糙度不会得到改善反而还会出现潜在的增加，也有实验表明离子束抛光导致了粗糙度值的降低，但是粗糙度的改善也是非常有限的。为了有效地改善表面质量，NTGL公司提出了一种利用涂抹牺牲层的方法，在合适的入射角条件轰击下可降低镜面表面的粗糙度，应用该方法将熔石英的表面粗糙度由0.53nm RMS降低到0.25nm RMS，但是这种涂抹方法和入射角的选择较为困难，而且无法保证面形精度的提高。

其次，随着加工精度的不断提高，离子束抛光技术面临着修正中高频误差成分的问题，为了去除不同频率成分的误差高点，可以控制去除函数束径从几十毫米变化到几毫米范围内，去除函数束径的减小拓宽了其频率范围，提高了误差修正能力。德国IOM研究所、意大利布雷西亚天文台和国防科技大学都对细小离子束修正中高频误差的方法进行了相关的研究，其主要研究工作聚焦于如何获取细小束径和进行初步的验证实验。但是，束径的减小是有限的，还需要考虑定位误差和加工时间等因素。

再次，虽然离子束抛光技术具有原子分子量级的材料可控去除能力，但对于误差高点和低点的材料去除效率几乎是一样的。在进行纳米精度的加工中很难将误差低点去除掉，难以实现大误差梯度的去除加工。为了解决这一问题，通常需要与其他加工工艺相结合，但是无法保证在去除大梯度误差的同时，保证其它区域的面形精度，而且所需要的加工时间会大大增加。

因此，以单一误差高点去除为机理的离子束抛光方法已经难以实现全频段面形误差的一致收敛和大梯度误差的去除加工，目前尚未有能有效解决高精度光学镜面加工中所存在的上述问题的加工工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、制作安装方便、可有效改善光学元件的表面粗糙度、修正光学镜面中高频误差的应用于离子束抛光工艺的离子束确定性添加装置以及离子束抛光系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种应用于离子束抛光工艺的离子束确定性添加装置，所述离子束确定性添加装置包括支撑架、支撑架中装设的离子源和受该离子源发出的离子束轰击的靶材，所述支撑架包括有固定所述靶材的靶材固定夹具，所述支撑架上设置有用于截取靶材溅射原子流的光阑（靶材溅射原子流是使用离子束轰击靶材溅射出的材料原子流，亦即溅射原子通量，其分布规律会受到离子束抛光加工参数的影响）；所述支撑架底部装设有用于安装至所述离子束抛光系统的安装法兰。该离子束确定性添加装置的主要工作原理为：利用离子束轰击靶材，使其向待加工工件发送具有一定能量的溅射原子流，经过光阑后即可获取实验需求的添加函数，再根据抛光加工中确定的添加驻留时间控制添加装置实现光栅扫描运动，以对待加工工件的面形误差低点处进行确定性添加，进而在误差低点形成一层起保护作用的牺牲层。

上述的离子束确定性添加装置中，所述光阑优选为设置于所述靶材前方的带孔钼板（一般置于靶材和光学镜面之间）。所述光阑主要用于截取部分的靶材溅射原子流，以改变添加装置中添加函数（添加函数是相对于离子束确定抛光中的去除函数而言）的尺寸大小和添加速率。

上述的离子束确定性添加装置中，所述靶材固定夹具上优选开设有腰形孔，所述靶材通过接头装设于腰形孔中。靶材是通过圆孔和腰形孔使用螺栓固定，靶材旋转角度时，圆孔一端相当于旋转中心，那么靶材另一端的位置会变化，通过设置腰形孔便可根据需要调节靶材的旋转角度，从而控制离子束轰击靶材的入射角。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种离子束抛光系统，包括真空室、设于真空室内的运动系统和离子源系统，所述运动系统和离子源系统相互连接，所述离子束抛光系统中还设有上述的离子束确定性添加装置（离子束确定性添加装置的离子源包含于所述离子源系统中，离子束确定性添加装置装设于所述离子源系统上），正对所述离子束确定性添加装置的离子束发射方向布置有材料去除工艺用夹具，正对所述离子束确定性添加装置的溅射原子流方向布置有材料添加工艺用夹具。

上述的离子束抛光系统中，所述材料去除工艺用夹具优选位于所述离子束确定性添加装置的上方，所述材料添加工艺用夹具优选位于所述离子束确定性添加装置的前方，装夹到所述材料去除工艺用夹具上的待加工光学元件与装夹到所述材料添加工艺用夹具上的待加工光学元件相互保持垂直，这种布置方式便于两种加工方法中机床的运动，也就是驻留时间的实现。

上述的离子束抛光系统中，所述真空室优选由上真空罩和下真空罩拼接组成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1. 将本发明的添加装置及离子束抛光系统应用于材料添加与去除相结合的离子束抛光工艺后，能够在待加工镜面的面形误差低点形成一层保护性牺牲层，能够有效地去除大梯度误差，避免了抛光工艺中因形成过分低点而造成抛光工作量显著增大的问题，很大程度上提高了抛光加工的收敛效率。

2. 将本发明的添加装置及离子束抛光系统应用于材料添加与去除相结合的离子束抛光工艺后，能够实现待加工镜面面形全频段误差的一致收敛，可以在较短时间内实现光学镜面的高精度加工，是一种高效的光学零件加工设备。

总体而言，本发明的添加装置及离子束抛光系统不仅结构简单、制作安装方便，而且还可有效地改善光学元件的表面粗糙度，延拓了离子束抛光加工的性能，解决了离子束高精度光学零件加工发展过程中不能修正面形中高频误差和改善表面粗糙度的瓶颈。

附图说明

图1为本发明实施例中离子束确定性添加装置进行材料添加的原理图。

图2 为本发明实施例中离子束确定性添加装置的结构示意图。

图3为本发明实施例中离子束抛光系统的结构示意图。

图4为本发明实施例中添加函数实验前实验样件的初始面形图。

图5为本发明实施例中添加函数实验后实验样件的面形图。

图6为本发明实施例中获取添加函数时材料添加量的分布图。

图7为本发明实施例中添加函数的分布图。

图8为本发明实施例中添加函数分别沿x和y方向的轮廓图。

图9为本发明实施例中测得的待加工镜面的初始面形图。

图10为本发明实施例中材料添加后待加工工件的面形图。

图11为本发明实施例中迭代抛光加工完成后待加工工件的面形图。

图12 为本发明实施例的离子束抛光加工过程面形误差收敛的PSD曲线。

图13为本发明实施例中待加工工件表面初始粗糙度测量图。

图14为本发明实施例中材料添加后待加工工件的粗糙度测量图。

图15为本发明实施例中迭代抛光加工后待加工工件的粗糙度测量图。

图16 为本发明实施例的离子束抛光加工过程粗糙度变化的PSD曲线。

图例说明：

1. 离子束确定性添加装置； 11. 靶材； 12. 光阑； 13. 安装法兰； 14. 支撑架； 15. 靶材固定夹具； 16. 腰形孔； 17. 添加函数； 2. 离子源系统； 20. 离子源； 3. 真空室； 31. 下真空罩； 32. 上真空罩； 4. 运动系统； 5. 材料去除工艺用夹具； 6. 材料添加工艺用夹具； 7. 待加工光学元件； 8. 保护性牺牲层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例：

一种如图1和图2所示的应用于离子束抛光工艺的离子束确定性添加装置，该离子束确定性添加装置1包括支撑架14、支撑架14中装设的离子源20和受该离子源20发出的离子束轰击的靶材11，支撑架14包括有固定靶材11的靶材固定夹具15，靶材固定夹具15上开设有一扇形的腰形孔16，靶材通过接头装设于腰形孔16中，通过腰形孔16可以调节靶材11的倾斜角度（即改变离子束的入射角），本实施例中离子束的入射角为45°，还可以根据需要更换靶材11的种类。支撑架14上设置有用于截取靶材溅射原子流的光阑12，光阑12为设置于靶材11前方的带孔钼板；光阑12主要是用于截取溅射的原子通量，获得确定性材料添加过程的添加函数17，可以根据需要改变光阑12的大小，以调整添加函数17的束径。支撑架14底部装设有用于安装至离子束抛光系统的安装法兰13。其中，离子源20、靶材11和光阑12的相对位置是固定的。

本实施例的离子束确定性添加装置的工作原理如图1和图3所示：材料添加过程开始前，待加工光学元件7通过材料添加工艺用夹具6侧向装夹，光阑12与镜面的距离保持不变，利用离子源20发射离子束轰击靶材11，使靶材11向材料添加工艺用夹具6上装夹的待加工光学元件7发送具有一定能量的溅射原子通量，经过光阑12后获取实验需求的添加函数17，通过求解得到的添加驻留时间控制离子束确定性添加装置1实现光栅扫描运动，以实现对面形误差低点处进行确定性添加，形成保护性牺牲层8。离子束轰击靶材11的能量通过离子源20控制，可以根据需要做相应地调节，本实施例中离子束的束能为1KeV。

一种图3所示的本发明的离子束抛光系统，包括真空室3（真空室3由上真空罩32和下真空罩31拼接组成）、设于真空室3内的（XYZ）运动系统4和离子源系统2，运动系统4和离子源系统2相互连接，离子源系统2上方连接有上述的离子束确定性添加装置1，运动系统4的x、y和z轴可带动离子束确定性添加装置1进行运动。正对离子束确定性添加装置1的离子束发射方向布置有材料去除工艺用夹具5，正对离子束确定性添加装置1的溅射原子流方向布置有材料添加工艺用夹具6。材料去除工艺用夹具5位于离子束确定性添加装置1的上方，材料添加工艺用夹具6位于离子束确定性添加装置1的前方，装夹到材料去除工艺用夹具5上的待加工光学元件7与装夹到材料添加工艺用夹具6上的待加工光学元件7在空间保持垂直。材料添加时待加工光学元件7安装在材料添加工艺用夹具6上；当进行材料去除抛光时，可拆除离子束确定性添加装置1，并将完成材料添加后的待加工光学元件7安装在材料去除工艺用夹具5上。加工过程中的驻留时间都是通过控制机床运动系统4来实现。

将本实施例的离子束抛光系统应用于光学镜面的纳米精度加工，本实施例中，待加工工件为Φ100mm的石英平面（有效口径为Φ90mm），镜面的初始面形误差RMS值为110.2nm PV，23.0nm RMS（参见图9），该加工过程具体包括以下步骤：

（1）获取添加函数：取一与待加工工件同样材料的实验样件，使用波面干涉仪测量该实验样件的初始面形误差分布如图4所示；设定材料添加时间为5min，使用装设有上述离子束确定性添加装置的离子束抛光系统对实验样件给定点进行材料添加；然后再使用波面干涉仪对材料添加后的面形误差进行测量，测量结果如图5所示；对材料添加前后测量获得的面形作差得到材料添加量，如图6所示；再用材料添加量除以设定的材料添加时间即获取得到添加函数A(x,y)；添加函数是相对于离子束确定抛光中的去除函数而言，由于添加过程中由离子源发射出的离子的能量和流量是设定不变的，所以添加函数同样具有很好的稳定性；为了更精确地获得添加函数，本实施例中通过获得的四个添加函数求平均的方法得到下一步求解添加驻留时间时使用的添加函数，如图7所示，添加函数束径为28.3mm；图8为本发明实施例中添加函数分别沿x和y方向的轮廓图。

（2）添加驻留时间的确定：利用波面干涉仪测量所述待加工工件的初始面形误差，测量结果如图9所示，记为E(x,y)，以E(x,y)取反后的数值作为待加工工件添加过程的材料添加量E_A(x,y)，再根据二维卷积公式E_A(x,y)=A(x,y)*T_A(x,y)，确定出添加驻留时间T_A(x,y)；驻留时间的确定主要是基于CCOS成型原理，即材料添加量E_A(x,y)是添加函数A(x,y)与添加驻留时间T_A(x,y)的二维卷积，通过该卷积公式求解即可获得添加驻留时间；由于材料添加和去除是两个完全相反的加工过程，为了使添加过程与材料去除过程的驻留时间程序共用，将期望的材料去除量（即待加工工件的面形误差E(x,y)）的符号取反，再根据-E(x,y)=A(x,y)*T_A(x,y)即可确定出添加驻留时间T_A(x,y)。

（3）确定性添加控制：根据上述步骤（2）确定的添加驻留时间T_A(x,y)，使用本实施例的离子束抛光系统对待加工工件进行确定性添加控制（添加控制的具体过程可参见上文添加装置的工作原理部分），使得待加工工件的面形误差低点处形成一层如图10所示的保护性牺牲层（在面形误差低点处形成的起保护作用的材料层，在材料去除控制环节需要完全去除），确定性材料添加过程仅经过一次迭代加工，耗时27.5min，其面形误差收敛到了49.9nm PV，6.5nm RMS，收敛比达到了3.54，可见待加工工件的初始面形误差低点基本得到了修正。

（4）去除驻留时间的确定：利用波面干涉仪测量上述步骤（3）后待加工工件的面形误差，测量结果记为E′(x,y)，以E′(x,y)作为待加工工件去除过程的材料去除量E_F(x,y)，再根据二维卷积公式E_F(x,y)=R(x,y)*T_F(x,y)，确定出去除驻留时间T_F(x,y)；其中R(x,y)为常规方法获取的去除函数，去除函数的束径为5.4mm；去除驻留时间的确定同样是基于CCOS成型原理，即材料去除量E_F(x,y)是去除函数R(x,y)与去除驻留时间T_F(x,y)的二维卷积，通过该卷积公式求解即可获得去除驻留时间。

（5）确定性去除控制：根据上述步骤（4）确定的去除驻留时间T_F(x,y)，使用本实施例的离子束抛光系统对待加工工件进行确定性去除控制，确定性材料去除过程共经过三次迭代加工直至去除保护性牺牲层，耗时35.5min，其面形误差收敛到了10.4nm PV，1.3nm RMS，其收敛比达到了5.0，完成待加工工件光学镜面纳米精度的加工。

本实施例最后的加工结果如图11所示，本实施例的离子束抛光加工过程总计用时63.0min，其总的收敛效率达到了17.7，这充分说明本实施例的离子束抛光系统应用于离子束材料添加和去除联合工艺过程具有很高的确定性，可以获得很高的加工收敛效率。图12给出了本实施例加工前后待加工工件面形误差的PSD曲线，比较各条曲线可以看出：联合工艺可以对各频段的面形误差进行消除和抑制，对中高频成分具有有效的修正能力。

本实施例中，通过使用白光干涉仪测量了抛光加工前后及各阶段的表面粗糙度值，测量结果如图13～图15所示，由图可知，应用本发明离子束抛光系统后的抛光工艺对表面粗糙度的改善是非常显著的，由初始的0.78nm Ra下降到了0.44nm Ra，说明材料添加过程对高频误差成分具有修正能力，经过材料去除工艺后，粗糙度的变化并不明显，只是稍有改善。图16给出加工前后粗糙度变化的PSD曲线，这同样说明添加与去除的联合工艺对误差高频段也具有一致的修正能力。

Claims

1.一种应用于离子束抛光系统的离子束确定性添加装置，其特征在于：所述离子束确定性添加装置包括支撑架、支撑架中装设的离子源和受该离子源发出的离子束轰击的靶材，所述支撑架包括有固定所述靶材的靶材固定夹具，所述支撑架上设置有用于截取靶材溅射原子流的光阑；所述支撑架底部装设有用于安装至所述离子束抛光系统的安装法兰。

2.根据权利要求1所述的离子束确定性添加装置，其特征在于：所述光阑为设置于所述靶材前方的带孔钼板。

3.根据权利要求1或2所述的离子束确定性添加装置，其特征在于：所述靶材固定夹具上开设有腰形孔，所述靶材通过接头装设于腰形孔中。

4.一种离子束抛光系统，包括真空室、设于真空室内的运动系统和离子源系统，所述运动系统和离子源系统相互连接，其特征在于：所述离子束抛光系统中还设有权利要求1～3中任一项所述的离子束确定性添加装置，正对所述离子束确定性添加装置的离子束发射方向布置有材料去除工艺用夹具，正对所述离子束确定性添加装置的溅射原子流方向布置有材料添加工艺用夹具。

5.根据权利要求4所述的离子束抛光系统，其特征在于：所述材料去除工艺用夹具位于所述离子束确定性添加装置的上方，所述材料添加工艺用夹具位于所述离子束确定性添加装置的前方，装夹到所述材料去除工艺用夹具上的待加工光学元件与装夹到所述材料添加工艺用夹具上的待加工光学元件相互保持垂直。

6.根据权利要求4或5所述的离子束抛光系统，其特征在于：所述真空室由上真空罩和下真空罩拼接组成。