CN103495907A - 一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法 - Google Patents

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    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes

Abstract

本发明公开了一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，属于超精密加工技术领域，该方法包括:将待抛光的具有微结构的样品放在离子束刻蚀设备的腔体内的样品台上，并利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，且使样品的待抛光侧壁与样品台平面相互垂直;利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，并调节样品台到该倾斜角;使用离子束对样品进行刻蚀，且在刻蚀过程中样品台始终自转。利用本发明提供的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，能够实现对微结构的侧壁进行高精度的抛光。

Description

一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法
技术领域
本发明涉及一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，属于超精密加工技术领域。
背景技术
抛光技术是使用物理机械、化学、电化学等作用降低物体表面粗糙度的加工方法。抛光技术应用范围极其广泛，比如汽车车身表面的抛光，地板的抛光，装饰品表面的抛光等等。当表面能够清晰的倒影出物体影像时，被称为镜面。如果使用均方根(RootMeanSquare，RMS)粗糙度来表征物体表面的光滑程度，镜面的粗糙度在微米量级。镜面抛光是更精密的抛光技术，主要在精密机械和光学工业中使用，使得抛光后的物体表面光滑并具有良好的反射效果。
最常见的且相对容易的是对具有开阔表面的物体进行抛光，通常使用硬质的磨料在被抛光物体表面高速摩擦使其光滑，抛光后达到的粗糙度对于特定的物质而言主要取决于抛光过程使用磨料的颗粒大小。开阔的硅表面经过抛光后，均方根粗糙度可以达到小于1nm的程度，已经接近原子级别的平整度。
对于非开阔表面的抛光，比如工件的孔洞内壁，也有许多抛光技术可以实现，比如化学抛光、电化学抛光、磁流体抛光等。化学抛光是靠化学试剂对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平的一种方法。但是抛光液容易失效，溶液消耗快，抛光结果不是太佳，试样的棱角易受蚀损，抛光面易出现微小波纹起伏。电化学抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。此抛光技术能够实现降低粗糙度的原理目前在国际范围内尚存在争议。技术上，由于电解液的组成复杂、通用性差、使用寿命短和强腐蚀性等缺点，其应用范围受到限制。工艺上影响电化学抛光的参数很多，不易找到正确的抛光参数。磁流体抛光技术是利用磁流变液在磁场中的流变特性进行零件表面加工的一种新型技术。通过调整设备，也可用于工件孔洞内壁的抛光。但同样抛光参数很多，如工件进入磁流体抛光液中的深度、工件轴摆角、运动盘的速度、工件与运动盘形成的间隙大小、磁场强度等，对特殊的工件需花费较大时间去摸索工艺，并不非常成熟。目前很多学者也正在进一步研究此抛光方法。
离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材料表面，使材料原子发生溅射，从而达到刻蚀目的的一种手段。通常使用氩、氪、氙之类的惰性气体，在真空腔内被电离后形成等离子体，然后由高电压将离子引出并加速，使离子具有一定能量并呈束状入射到待刻蚀表面，撞击材料表面原子，发生溅射，达到刻蚀的目的。此刻蚀过程为纯物理过程。用离子束刻蚀原理对物体表面进行抛光的技术即离子束抛光技术，是现代光学加工技术中非常先进的一种光学镜面抛光技术，是原子量级上的无应力、非接触式抛光工艺，是实现超光滑表面的重要手段。比如，使用离子束刻蚀设备对硅表面精细抛光，可实现0.2nm的粗糙度，抛光角度为60度。但这仅限于对开阔表面任意角度抛光。对于所要抛光平面为直孔的内壁，尤其是具有较大深宽比的孔内壁，抛光离子将不能以优化的某个角度进行入射轰击，所以目前国际上尚无报道使用离子束刻蚀技术对微结构的侧壁进行抛光。
而随着超精密加工技术的发展，对微结构侧壁进行抛光的需求越来越迫切。比如，应用在探空卫星上进行X射线成像的龙虾眼型微孔光学器件，是利用大深宽比方孔内侧壁对X射线的反光进行聚焦成像的，因此侧壁粗糙度通常要纳米量级才能对X光进行良好的反射。此器件的制备将依赖于微结构侧壁的抛光技术。
目前使用的能够对微结构侧壁进行抛光的技术有化学抛光、电化学抛光、磁流体抛光等，但如上文所述，这些技术对于大深宽比侧壁的抛光都存在技术上的困难。
本发明提出把用于平面抛光的离子束刻蚀技术应用于对微结构侧壁的抛光，使侧壁表面达到纳米级的粗糙度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，以使高精度抛光的离子束刻蚀技术应用在微结构侧壁的抛光领域，实现对微结构，尤其是对具有大深宽比通孔侧壁的高精度抛光。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，包括:
步骤10:将待抛光的具有微结构的样品放在离子束刻蚀设备的腔体内的样品台上，并利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，且使样品的待抛光侧壁与样品台平面相互垂直;
步骤20:利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，并调节样品台到该倾斜角;
步骤30:使用离子束对样品进行刻蚀，且在刻蚀过程中样品台始终自转。
上述方案中，步骤10中所述待抛光的具有微结构的样品，微结构指轴线互相平行的通孔，尤其是孔径小于1毫米，深宽比大于1的通孔。进一步地，通孔垂直于轴的截面可以是任意形状的二维图形，不限于圆孔或方孔等。
上述方案中，步骤10中所述利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，该距离用以保证被抛光下来的材料能够被顺利排出通孔，防止堆积在样品台表面以致阻碍后续抛光下来材料的顺利排出。
上述方案中，步骤20中所述利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，具体计算方法如下:假设样品中所有的孔的最大深宽比是R，则样品台所需的倾斜角的范围是0～θ，θ=arctan(1/R)，θ单位是度。
上述方案中，步骤20中所述调节样品台到该倾斜角，调节方法为:使样品台的轴线方向与离子束入射方向(通常为竖直方向)的夹角为倾斜角。
上述方案中，步骤30中所述在刻蚀过程中样品台始终自转，自转为样品台绕着自己的轴线旋转。
(三)有益效果
利用本发明提供的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，能够实现对微结构的侧壁进行高精度的抛光。对侧壁进行抛光相比较对开阔平面进行抛光有更高的技术难度，但是随着科技的发展，人们对工件孔壁的粗糙度提出了越来越高的要求，比如用于探空的X射线成像光学器件。这类高端光学零件加工涉及超精密加工技术。目前可以用来进行内壁抛光的技术有化学抛光、电化学抛光、磁流体抛光等，但是在实现大深宽比通孔内壁的抛光上，这些技术都存在困难。化学抛光抛光液容易失效，溶液消耗快，抛光结果不是太佳，试样的棱角易受蚀损，抛光面易出现微小波纹起伏。电化学抛光技术能够实现降低粗糙度的原理目前在国际范围内尚存在争议，技术上，由于电解液的组成复杂、通用性差、使用寿命短和强腐蚀性等缺点，其应用范围受到限制;工艺上影响电化学抛光的参数很多，不易找到正确的抛光参数。对于磁流体抛光技术而言同样调试参数很多，如工件进入磁流体抛光液中的深度、工件轴摆角、运动盘的速度、工件与运动盘形成的间隙大小、磁场强度等，对特殊的工件需花费较大时间去摸索工艺。离子束抛光技术，是现代光学加工技术中非常先进的一种光学镜面抛光技术，是原子量级上的无应力、非接触式抛光工艺，是实现超光滑表面的重要手段。使用离子束刻蚀技术对微结构侧壁进行抛光，原理简单，不需要复杂的刻蚀源，只需要高纯的惰性气体;安装样品后，抛光过程可由电脑自动控制，花费很少的人力即可完成，并且抛光工艺控制性好、重复性高，主要的抛光参数不多，容易摸索优化的抛光条件;离子束在抛光过程中不会导致杂质嵌入，加工后镜面无污染;副产物无污染。
附图说明
图1是本发明提供的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法流程图。
图2是依照本发明实施例的将样品放置在离子束刻蚀腔内样品台上时的示意图。
图3是依照本发明实施例的金属镍正方形通孔侧壁表面原子力显微扫描图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
下面首先介绍本发明的实现原理，本发明能够实现利用离子束刻蚀技术对微结构侧壁的抛光，其原理如下:在真空室里利用被加速的高能离子束与待抛光样品表面原子直接产生碰撞，将粒子能量传递给待抛光材料的原子，使其逸出表面，在原子量级上将材料去除，从而达到刻蚀目的。当离子束以一定角度入射到样品表面时，表面的凸起部分将优先被轰击，凹陷部分被遮挡。经过样品的自转，凸起部分会逐渐的均匀的被去除，与凹陷部分的高度趋于一致，达到抛光的目的。微结构通常具有较大的深宽比，离子束不能以任意角度入射到侧壁表面。利用微结构的深宽比参数，计算出允许的离子束入射的最大角度，来选取样品台倾斜角，即抛光过程中(样品台始终自转)微结构侧壁表面与离子束方向的最小夹角。在此倾斜角范围内，入射离子束可以轰击到全部侧壁表面，实现抛光。此倾斜角范围内的允许角度，不一定是该表面在任意角度下可以被抛光到最佳粗糙度的最优化角度，但有实验数据证明，对于5°的倾斜角，能够把RMS粗糙度10～20nm的表面抛光到在10x10μm2范围内小于5nm的水平。此粗糙度使用原子力显微方法获得。附图3为在上述条件下抛光后的侧壁表面原子力显微扫描图。
图1示出了本发明提供的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法流程图，该方法包括以下步骤:
步骤10:将待抛光的具有微结构的样品放在离子束刻蚀设备的腔体内的样品台上，并利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，且使样品的待抛光侧壁与样品台平面相互垂直;
在本步骤中，所述待抛光的具有微结构的样品，微结构指轴线互相平行的通孔，尤其是孔径小于1毫米，深宽比大于1的通孔。进一步地，通孔垂直于轴的截面可以是任意形状的二维图形，不限于圆孔或方孔等。所述利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，该距离用以保证被抛光下来的材料能够被顺利排出通孔，防止堆积在样品台表面以致阻碍后续抛光下来材料的顺利排出。
步骤20:利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，并调节样品台到该倾斜角;
在本步骤中，所述利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，具体计算方法如下:假设样品中所有的孔的最大深宽比是R，则样品台所需的倾斜角的范围是0～θ，θ=arctan(1/R)，θ单位是度。所述调节样品台到该倾斜角，调节方法为:使样品台的轴线方向与离子束入射方向(通常为竖直方向)的夹角为倾斜角。
步骤30:使用离子束对样品进行刻蚀，且在刻蚀过程中样品台始终自转;
在本步骤中，所述在刻蚀过程中样品台始终自转，自转为样品台绕着自己的轴线旋转。
基于图1所示的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法流程图，以下给出实施例1，实施例1具体如下:
步骤1:把待抛光的样品放在样品托上，样品托固定在离子束刻蚀系统真空腔内的样品台上，如图2所示。样品是厚度240μm、面积略大于1cm2的正方形金属镍片，在样品中央，有一个正方形通孔的阵列，重复单元为边长40μm的正方形通孔，间距10μm，周期为200×200。样品底面与样品台之间距离为5mm。
为了更清晰直观的示出样品放在刻蚀腔内的状态，图2示出了样品放在刻蚀腔内的示意图。样品台轴线方向与竖直方向的夹角为倾斜角。高能离子束由上方竖直向下入射到样品表面。刻蚀过程中，样品跟随样品台一起自转。
步骤2:计算样品台的倾斜角。方孔边长40μm，深度240μm，深宽比为6，则θ=arctan(1/R)=arctan(1/6)≈9.5°，即倾斜角可调范围是0～9.5°。调节样品台倾斜角到5°;
步骤3:开启离子束刻蚀系统，使用如下参数对样品进行刻蚀:离子束能量400eV，离子束束流密度0.5mA/cm2，加速电压180V，样品台自转角速度1.5rad/s，刻蚀时间60分钟。
样品方孔侧壁的原始RMS粗糙度10～20nm，按照上述方法抛光后的RMS粗糙度在随机选取的10×10μm2范围内进行测试，达到4.4nm，如图3所示。此图为原子力显微扫描图。由此可以看出，利用本发明提供的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，能够实现对微结构的侧壁进行高精度的抛光。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，包括:
步骤10:将待抛光的具有微结构的样品放在离子束刻蚀设备的腔体内的样品台上，并利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，且使样品的待抛光侧壁与样品台平面相互垂直;
步骤20:利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，并调节样品台到该倾斜角;
步骤30:使用离子束对样品进行刻蚀，且在刻蚀过程中样品台始终自转。
2.根据权利要求1所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，步骤10中所述待抛光的具有微结构的样品，微结构指轴线互相平行的通孔。
3.根据权利要求2所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，该通孔的孔径小于1毫米，深宽比大于1。
4.根据权利要求2所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，该通孔垂直于轴的截面是任意形状的二维图形。
5.根据权利要求4所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，该任意形状的二维图形至少为圆孔或方孔。
6.根据权利要求1所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，步骤10中所述利用样品托使样品的底面与样品台之间有一定距离，该距离用以保证被抛光下来的材料能够被顺利排出通孔，防止堆积在样品台表面以致阻碍后续抛光下来材料的顺利排出。
7.根据权利要求1所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，步骤20中所述利用待抛光的具有微结构的样品的深宽比计算出样品台所需的倾斜角，具体计算方法如下:假设样品中所有的孔的最大深宽比是R，则样品台所需的倾斜角的范围是0～θ，θ=arctan(1/R)，θ单位是度。
8.根据权利要求1所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，步骤20中所述调节样品台到该倾斜角，调节方法为:使样品台的轴线方向与离子束入射方向的夹角为倾斜角。
9.根据权利要求1所述的利用离子束刻蚀技术抛光微结构侧壁的方法，其特征在于，步骤30中所述在刻蚀过程中样品台始终自转，自转为样品台绕着自己的轴线旋转。
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