CN105364666B - 微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法 - Google Patents

微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法，步骤包括：1)采用离子束抛光技术对微晶材料光学表面进行抛光加工，直至面形精度达到指定的面形精度制造要求；2)利用离子束确定性材料添加方法在微晶材料光学表面生成一层易于平滑加工的材料层，覆盖微晶材料光学表面在抛光加工后形成的颗粒状微结构；3)采用离子束抛光技术对已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面进行抛光加工，直至面形精度达到超光滑加工的要求。本发明能够避免离子束直接加工微晶材料产生的微结构使得高频粗糙度的恶化、解决微晶材料光学表面超高精度、超光滑表面加工的难题，具有加工面形精度高、加工效率高、易于实现的优点。

Description

微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法
技术领域
本发明涉及光学元件加工技术领域，具体涉及一种微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法。
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，低频面形误差的周期大约为1mm以上，会给光学系统带来各种像差；中频粗糙度的周期大约在1mm～1μm之间，主要影响成像的对比度；高频粗糙度的周期小于1μm，主要影响系统的反射率。EUVL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。
离子束修形技术利用物理溅射效应实现被加工表面材料的纳米精度去除，其高确定性、高稳定性和非接触的加工方式，使得离子束抛光方法在很多方面都优于传统抛光技术。目前德国Carl Zeiss公司通过研究指出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能力。
微晶具有非常良好的长时机械和热稳定性，例如德国SCHOTT公司生产的Zerodur微晶材料，由于其接近于零的热膨胀系数，通常被选作为极紫外光学物镜等高性能光学零件的备选材料。Zerodur微晶材料由75％的玻璃材料(SiO2)和25％的陶瓷材料(β-结晶石)均匀混合而成，其中β-结晶石相的晶体大小约为50nm。在室温下，玻璃材料的热膨胀系数为正，陶瓷材料为负，使得其在一定的温度范围内其两相的平均热膨胀系数为零。但是，作为晶体和非晶体材料的混合物，Zerodur在离子束最后精抛阶段过程中非晶体相的刻蚀速率小于晶体相的刻蚀速率，使得颗粒状的晶体相暴露在微晶材料表面，导致表面微结构的产生，从而使得高频粗糙度恶化。
由此可见，离子束抛光方法是目前实现高性能光学零件纳米/亚纳米面形精度加工非常有效的手段，但是离子束抛光会使微晶表面高频误差恶化，很难在获得超高精度面形精度的同时实现表面的超光滑加工，给光刻物镜等高性能光学零件的加工带来了很大的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够避免离子束直接加工微晶材料产生的微结构使得高频粗糙度的恶化、解决微晶材料光学表面超高精度、超光滑表面加工的难题，加工面形精度高、加工效率高、易于实现的微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法，步骤包括：
1)采用离子束抛光技术对微晶材料光学表面进行抛光加工，直至微晶材料光学表面的面形精度达到指定的面形精度制造要求；
2)利用离子束确定性材料添加方法在微晶材料光学表面生成一层易于平滑加工的材料层，使易于平滑加工的材料层覆盖微晶材料光学表面在抛光加工后形成的颗粒状微结构；
3)采用离子束抛光技术对已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面进行抛光加工，直至已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面的面形精度达到超光滑加工的要求。
优选地，所述步骤1)中指定的面形精度制造要求具体是指消除微晶材料光学表面的表面周期为1mm以上的误差。
优选地，所述步骤2)中易于平滑加工的材料层具体是指Si层或SiO2层。
优选地，所述步骤3)中超光滑加工的要求具体是指通过抛光加工使得微晶材料光学表面的表面误差周期小于1μm的高频粗糙度、微晶材料光学表面的粗糙度值优于0.15nmRMS。
本发明微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法具有下述优点：微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法利用离子束确定性材料添加方法在高面形精度的微晶材料表面生成一层易于平滑加工的材料层，然后采用离子束抛光对该材料添加层进行平滑加工，从而实现微晶光学零件的超高精度、超光滑加工，首先利用离子束抛光技术对微晶光学表面进行加工，以修正表面低频面形误差(低频面形误差就是表面周期为1mm以上的误差，通常也简称为面形误差，或者宏观尺度误差)；其次利用离子束确定性材料添加方法在微晶材料表面生成一层易于平滑加工的材料层，以覆盖离子束抛光在修正低频面形误差时产生的颗粒状微观结构(微结构的尺度约为50nm左右)，而且离子束确定性材料添加方法在此过程能够保持甚至提高面形精度，其与离子束抛光技术不同，不是通过去除误差高点修正面形误差，而是确定性地往误差低点添加材料来修正面形误差；最后采用离子束抛光技术对添加的易于平滑加工的材料层进行加工，进一步改善面形精度的同时，实现微晶光学零件的超光滑加工，避免了离子束直接加工微晶材料产生的微结构使得高频粗糙度的恶化，解决了微晶材料光学表面超高精度、超光滑表面加工的难题，具有原理简单、加工精度高的优点，同时采用离子束材料添加技术在微晶表面确定性地生成一层易于平滑的材料层，能够在保持甚至提升面形误差的同时，还对表面质量进行一定的改善，具有加工面形精度高、加工效率高、易于实现的优点。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中微晶材料光学表面的初始微观形貌图。
图3为本发明实施例中微晶材料光学表面经步骤1)加工后的微观形貌图。
图4为本发明实施例中离子束确定性材料添加方法的原理示意图。
图5为本发明实施例中微晶材料光学表面添加材料层后的微观形貌图。
图6为本发明实施例中步骤3)抛光的原理示意图。
图7为本发明实施例中微晶材料光学表面经步骤3)加工后的微观形貌图。
图例说明：1、离子源；2、离子束；3靶材；4、光阑；5、粒子束；6、材料层；7、微晶材料。
具体实施方式
如图1所示，本实施例微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法的步骤包括：
1)采用离子束抛光技术对微晶材料光学表面进行抛光加工，直至微晶材料光学表面的面形精度达到指定的面形精度制造要求；本实施例中，步骤1)中指定的面形精度制造要求具体是指消除微晶材料光学表面的表面周期为1mm以上的误差。
如图2所示，微晶材料光学表面的初始粗糙度值为0.18nm RMS，采用离子束抛光技术对待加工微晶光学表面进行反复迭代加工，使得低频面形误差收敛到了1nm RMS以下，达到了预定的面形精度制造要求，然而其表面产生了颗粒状的微结构，使得高频的粗糙度值增大到了0.49nm RMS，如图3所示。
2)利用离子束确定性材料添加方法在微晶材料光学表面生成一层易于平滑加工的材料层，使易于平滑加工的材料层覆盖微晶材料光学表面在抛光加工后形成的颗粒状微结构；本实施例中，步骤2)中易于平滑加工的材料层具体是指Si层，此外也可根据需要采用SiO2层。
如图4所示，离子源1发出的离子束2通过一片光阑4中部的小孔击中靶材3产生粒子束5，粒子束5经过另一片光阑4中部的小孔堆积在微晶材料光学表面，从而在微晶材料7的表面上堆积形成易于平滑加工的材料层6。本实施例中，靶材3采用Si材料，微晶材料光学表面生成一层易于平滑加工的材料层6后，表面粗糙度值减小为0.25nm RMS，如图5所示。
3)采用离子束抛光技术对已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面进行抛光加工，直至已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面的面形精度达到超光滑加工的要求。本实施例中，步骤3)中超光滑加工的要求具体是指通过抛光加工使得微晶材料光学表面的表面误差周期小于1μm的高频粗糙度、微晶材料光学表面的粗糙度值优于0.15nmRMS。
如图6所示，离子源1发出的离子束2通过光阑4中部的小孔击中在微晶材料7的表面上堆积形成的材料层6，从而对材料层6进行离子束抛光。本实施例采用离子束抛光技术对已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面进行抛光加工时，由于微晶材料光学表面易于平滑加工的材料层的存在，因此使得抛光加工实质上是对易于平滑加工的材料层进行加工，在进一步提高面形精度的同时，对该材料层进行了平滑加工。本实施例中，步骤3)处理完毕后，使得微晶材料光学表面的表面粗糙度值减小到了0.11nm RMS，如图7所示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法，其特征在于步骤包括：
1)采用离子束抛光技术对微晶材料光学表面进行抛光加工，直至微晶材料光学表面的面形精度达到指定的面形精度制造要求；
2)利用离子束确定性材料添加方法在微晶材料光学表面生成一层易于平滑加工的材料层，使易于平滑加工的材料层覆盖微晶材料光学表面在抛光加工后形成的颗粒状微结构；
3)采用离子束抛光技术对已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面进行抛光加工，直至已生成的易于平滑加工的材料层的微晶材料光学表面的面形精度达到超光滑加工的要求。
2.根据权利要求1所述的微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法，其特征在于，所述步骤1)中指定的面形精度制造要求具体是指消除微晶材料光学表面的表面周期为1mm以上的误差。
3.根据权利要求1或2所述的微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法，其特征在于，所述步骤2)中易于平滑加工的材料层具体是指Si层或SiO2层。
4.根据权利要求3所述的微晶材料光学表面的离子束超光滑加工方法，其特征在于，所述步骤3)中超光滑加工的要求具体是指通过抛光加工使得微晶材料光学表面的表面误差周期小于1μm的高频粗糙度、微晶材料光学表面的粗糙度值优于0.15nm RMS。
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