CN107020549A - 实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统及其方法。其采用三级球面栅网实现了宽束冷阴极离子源离子束的引出、整形及聚焦，可通过栅网球面半径的尺寸来调节离子束焦点的位置；通过改变栅网上小孔分布图形及尺寸大小来调节束斑和束流大小；加速栅电位调节可有效控制离子运动轨迹，减少离子运动过程中的损失和栅网损耗。本发明可实现对加工表面进行定点去除，将推动国内离子束技术的工程化应用。

Description

实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统及其方法。

背景技术

在科学和工程技术领域，超精密光学元件的制造技术正在成为关注的热点，光学元件超精密化发展，是光学系统自身发展极限化所提出的要求。现代短波光学、强光光学、电子学、IC技术、信息存储技术及薄膜科学的发展对表面的要求则更为苛刻，一般称表面粗糙度优于纳米量级的表面为超光滑表面。常用的超光滑表面加工方法有浴法抛光、浮法抛光及延展性抛光等。此类加工方法虽可得到极低的表面粗糙度，但由于传统工艺主要采用接触式加工方式，即使可得到满足表面粗糙度要求的工件，但仍存在表面掩盖下的亚表面损伤，这些都会影响到光学元件的使用性能。

近年来，采用离子束抛光工艺加工超光滑表面引起了广泛的关注。离子束抛光在加工过程中不会对光学元件形成亚表面损伤，更重要的是相较传统抛光方法，离子束抛光能显著降低光学元件表面粗糙度，同时对加工表面面形误差可进行高精度的去除，以确保达到很高的面形精度。例如，德国IOM研究所于2004年，提出了一种间接性的离子束抛光技术，德国IOM研究所与日本尼康公司联合开展的极紫外光刻元件制造研究实例中，利用真空等离子体抛光技术结合离子束抛光，获得了粗糙度优于0.087nm的显著效果，代表了国际最先进的技术水平。在国内，真空离子束抛光技术领域的研究尚处于起步阶段，特别是在大口径超光滑光学表面加工领域，目前国内仅有西安工业大学、国防科技大学等少数几个单位展开基础研究。然而，离子束抛光技术在制造具有超低表面缺陷密度、超低光学损耗的大口径光学元件方面，具有其他技术不可替代的作用。然而，相关的设备装置研究集中在美国和德国，由于该技术可应用于激光核聚变、激光武器等敏感领域，这些国家在相关的设备及其开发技术领域仍然对于我国进行技术封锁，无法直接通过设备引进或者技术引进来予以突破。

目前，国内现有的离子束抛光工艺均采用发散或平行离子束设备，与传统抛光方法相比，此类离子源的抛光效率较低，而且并不能有效的定点加工消除加工表面的面型误差。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种实现离子束聚焦的栅网系统及其方法，本发明提出采用聚焦离子束栅网系统对宽束冷阴极离子源进行改良，实现大束流聚焦离子束引出，一方面提高离子束刻蚀效率，另一方面可对加工表面进行定点去除。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统，包括外壳、阳极、永磁体、阴极座和绝缘套，外壳内设置有阳极，阳极上设置有阳极固定环，阳极固定环通过阳极支撑杆与阴极座连接，阴极座上设置有阴极，阴极座上还设置有充气孔，阳极支撑杆与阴极座之间设置有绝缘套，所述的永磁体设置于外壳的外圆周上，其特征在于：还包括依次设置于外壳和永磁体一侧的屏栅、加速栅、接地栅和约束栅，所述的屏栅、加速栅、接地栅平行设置且之间分别设置绝缘陶瓷，所述的约束栅设置于接地栅的另一侧；

所述的约束栅的结构为圆柱形，圆柱形的轴向开设置圆锥形的通孔；所述的屏栅、加速栅和接地栅均为球面栅；屏栅和接地栅球面栅的圆周外设置有环状的装配槽，加速栅的球面栅的圆周外设置有与环状装配槽相配合的环状凸起；所述的屏栅、加速栅和接地栅的间距为0.25~2mm；屏栅、加速栅和接地栅的栅网小孔直径为0.5~2mm，相邻小孔中心距为1.5~2倍孔径；

所述的加速栅电位U_ACC调节范围为-50~-1000V。

所述的屏栅、加速栅、接地栅和约束栅的制备材料为溅射率低的等静压石墨、热解石墨、金属钼等材料。

所述的栅网小孔的开孔方式为平行开孔或球面法向开孔。

栅网球面半径范围80~250mm。

所述的绝缘陶瓷为陶瓷柱、陶瓷管和陶瓷球。

一种利用四级栅网系统实现清除杂散离子的方法为：等离子体在阳极区域内产生，并在屏栅表面形成等离子体鞘层，加速栅接负电位，等离子体中的正离子在阳极和加速栅的电场作用下被引出，通过调节加速栅上的电位高低对离子运动轨迹进行整形，降低离子在加速栅上的损耗，离子通过接地栅后出射形成离子束，由于三级栅网均为球面栅，离子出射后向球心位置运动，从而形成聚焦离子束，聚焦离子束在约束栅的作用下消除杂散离子，实现复杂工件表面的定点精确去除。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的四级栅网系统实现了离子束的聚焦，可提高离子束能量密度和工作效率，并可实现复杂工件表面的定点去除，例如球面、非球面以及自由曲面等；

本发明可通过设计栅网上小孔分布图形及尺寸大小来实现各种图形化加工，特别是针对一些自由曲面的加工过程，可做到精确的定点去除；

本发明加速栅电位调节可有效控制离子运动轨迹，减少离子运动过程中的损失和栅网损耗；

本发明采用约束栅对聚焦离子束进行杂散离子的消除，一方面可降低石墨栅网对工件的表面污染；另一方面可提高加工精度，消除杂散离子对工件表面刻蚀而引入的误差。

附图说明

图1为宽束冷阴极离子源实现聚焦离子束的结构示意图；

图2为球面半径150mm的屏栅设计图，开孔对角线长度40mm；

图3为图2的左视图；

图4为图形对角线长度为20mm的栅网设计图；

图5为图3的左视图；

图6为平行开孔结构示意图；

图7为球面法向开孔的结构示意图；

图中：1—约束栅，2—接地栅，3—绝缘陶瓷，4—加速栅，5—屏栅，6—永磁体，7—阳极，8—阳极固定环，9—外壳，10—充气孔，11—阳极支撑杆，12—阴极座，13—阴极，14—绝缘套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种利用四级栅网系统实现清除杂散离子的方法：等离子体在阳极7区域内产生，并在屏栅5表面形成等离子体鞘层，加速栅4接负电位，等离子体中的正离子在阳极7和加速栅4的电场作用下被引出，通过调节加速栅4上的电位高低对离子运动轨迹进行整形，降低离子在加速栅4上的损耗，离子通过接地栅2后出射形成离子束，由于三级栅网均为球面栅，离子出射后向球心位置运动，从而形成聚焦离子束，聚焦离子束在约束栅1的作用下消除杂散离子，实现复杂工件表面的定点精确去除。

一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统（参见图1），包括外壳9、阳极7、永磁体6、阴极座12和绝缘套14，外壳9内设置有阳极7，阳极7上设置有阳极固定环8，阳极固定环8通过阳极支撑杆11与阴极座12连接，阴极座12上设置有阴极13，阴极座12上还设置有充气孔10，阳极支撑杆11与阴极座12之间设置有绝缘套14，所述的永磁体6设置于外壳9的外圆周上，其特征在于：还包括依次设置于外壳9和永磁体6一侧的屏栅5、加速栅4、接地栅2和约束栅1，所述的屏栅5、加速栅4、接地栅2平行设置且之间分别设置绝缘陶瓷3，所述的约束栅1设置于接地栅2的另一侧；

所述的约束栅1的结构为圆柱形，圆柱形的轴向开设置圆锥形的通孔；所述的屏栅5、加速栅4和接地栅2均为球面栅；屏栅5和接地栅2的结构相同，其球面栅的圆周外设置有环状的装配槽，加速栅4的球面栅的圆周外设置有与环状装配槽相配合的环状凸起；所述的屏栅5、加速栅4和接地栅2的间距为0.25~2mm；屏栅5、加速栅4和接地栅2的栅网小孔直径为0.5~2mm，相邻小孔中心距为1.5~2倍孔径；

约束栅1的长度根据聚焦离子束的实测焦点位置确定，约束栅实际长度小于离子束焦距5~10mm，约束栅1与接地栅2接触处的开孔直径由屏栅5、加速栅4及接地栅2的实际开孔图形对角线尺寸相等，约束栅1出口处的直径大于2~3mm或等于实际聚焦离子束束斑尺寸；

所述的栅网小孔的分布图形为圆形、椭圆形或任意多边形排布方式，图形尺寸可根据实际加工需求和离子源窗口尺寸大小进行调节；

所述的加速栅电位U_ACC调节范围为-50~-1000V。

所述的屏栅5、加速栅4、接地栅2和约束栅1的制备材料为溅射率低的等静压石墨、热解石墨、金属钼等材料。

所述的栅网小孔的开孔方式为平行开孔或球面法向开孔。

所述的离子束焦点位置通过栅网球面半径尺寸调节，也可通过球面半径尺寸不同的屏栅和加速栅的匹配来调节，栅网球面半径范围80~250mm。

所述的绝缘陶瓷为陶瓷柱、陶瓷管和陶瓷球。

实施例1，采用等静压石墨栅网；屏栅、加速栅和接地栅球面半径均为80mm；栅网间距0.25mm；栅网小孔直径0.5mm，小孔中心距2倍直径，即1mm；平行开孔方式，小孔正六边形排布，图形对角线长度40mm；栅网间采用陶瓷球绝缘；测得离子束的焦点位置在距离接地栅平面80mm处，束斑直径15mm，由此确定，约束栅入口直径40mm，出口直径15mm，长度70mm；加速电压-100V；离子源工作参数为：阳极电压1000V，气体流量15SCCM，工作气压5×10^-2Pa；实测束流大小为32.7mA。

实施例2（参见图2和图3），采用热解石墨栅网；屏栅球面半径150mm、加速栅和接地栅球面半径均为100mm；栅网间距0.5mm；栅网小孔直径1mm，小孔中心距1.5倍直径，即1.5mm；平行开孔方式，小孔正六边形排布，图形对角线长度40mm；栅网间采用陶瓷柱绝缘；测得离子束的焦点位置在距离接地栅平面85mm处，束斑直径20mm，由此确定，约束栅入口直径40mm，出口直径20mm，长度75mm；加速电压-200V；离子源工作参数为：阳极电压1000V，气体流量15SCCM，工作气压5×10^-2Pa；实测束流大小为31.4mA。

实施例3（参见图4和图5），采用金属钼栅网；屏栅、加速栅和接地栅球面半径均为250mm；栅网间距0.5mm；栅网小孔直径1mm，小孔中心距2倍直径，即2mm；平行开孔方式（参见图6），小孔正六边形排布，图形对角线长度20mm；栅网间采用陶瓷管绝缘；测得离子束的焦点位置在距离接地栅平面25mm处，束斑直径8mm，由此确定，约束栅入口直径20mm，出口直径10mm，长度20mm；加速电压-1000V；离子源工作参数为：阳极电压1000V，气体流量15SCCM，工作气压5×10^-2Pa；实测束流大小为9.8mA。

实施例4，采用等静压石墨栅网；屏栅、加速栅和接地栅球面半径均为100mm；栅网间距0.5mm；栅网小孔直径1mm，小孔中心距1.5倍直径，即1.5mm；球面法向开孔方式（参见图7），小孔正六边形排布，图形对角线长度40mm；栅网间采用陶瓷球绝缘；测得离子束的焦点位置在距离接地栅平面75mm处，束斑直径12mm，由此确定，约束栅入口直径40mm，出口直径15mm，长度65mm；加速电压-500V；离子源工作参数为：阳极电压1000V，气体流量15SCCM，工作气压5×10^-2Pa；实测束流大小为34.6mA。

上述实施例1-4均可实现离子束的聚焦。

综上所述，本发明不仅可以实现大束流聚焦离子束引出，还可以通过控制栅网的球面半径、开孔图形尺寸以及开孔方式来调节离子束焦点位置、束斑和束流大小，可实现对加工表面进行定点去除。本发明将推动国内离子束抛光技术的工程化应用。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统，包括外壳（9）、阳极（7）、永磁体（6）、阴极座（12）和绝缘套（14），外壳（9）内设置有阳极（7），阳极（7）上设置有阳极固定环（8），阳极固定环（8）通过阳极支撑杆（11）与阴极座（12）连接，阴极座（12）上设置有阴极（13），阴极座（12）上还设置有充气孔（10），阳极支撑杆（11）与阴极座（12）之间设置有绝缘套（14），所述的永磁体（6）设置于外壳（9）的外圆周上，其特征在于：还包括依次设置于外壳（9）和永磁体（6）一侧的屏栅（5）、加速栅（4）、接地栅（2）和约束栅（1），所述的屏栅（5）、加速栅（4）、接地栅（2）平行设置且之间分别设置绝缘陶瓷（3），所述的约束栅（1）设置于接地栅（2）的另一侧；

所述的约束栅（1）的结构为圆柱形，圆柱形的轴向开设置圆锥形的通孔；所述的屏栅（5）、加速栅（4）和接地栅（2）均为球面栅；屏栅（5）和接地栅（2）球面栅的圆周外设置有环状的装配槽，加速栅（4）的球面栅的圆周外设置有与环状装配槽相配合的环状凸起；所述的屏栅（5）、加速栅（4）和接地栅（2）的间距为0.25~2mm；屏栅（5）、加速栅（4）和接地栅（2）的栅网小孔直径为0.5~2mm，相邻小孔中心距为1.5~2倍孔径；

所述的加速栅电位U_ACC调节范围为-50~-1000V。

2.根据权利要求1所述的一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统，其特征在于：所述的屏栅（5）、加速栅（4）、接地栅（2）和约束栅（1）的制备材料为溅射率低的等静压石墨、热解石墨、金属钼等材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统，其特征在于：所述的栅网小孔的开孔方式为平行开孔或球面法向开孔。

4.根据权利要求3所述的一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统，其特征在于：栅网球面半径范围80~250mm。

5.根据权利要求4所述的一种实现定点去除的聚焦离子束四级栅网系统，其特征在于：所述的绝缘陶瓷为陶瓷柱、陶瓷管和陶瓷球。

6.如权利要求1所述的一种利用四级栅网系统实现清除杂散离子的方法，其特征在于：等离子体在阳极（7）区域内产生，并在屏栅（5）表面形成等离子体鞘层，加速栅（4）接负电位，等离子体中的正离子在阳极（7）和加速栅（4）的电场作用下被引出，通过调节加速栅（4）上的电位高低对离子运动轨迹进行整形，降低离子在加速栅（4）上的损耗，离子通过接地栅（2）后出射形成离子束，由于三级栅网均为球面栅，离子出射后向球心位置运动，从而形成聚焦离子束，聚焦离子束在约束栅（1）的作用下消除杂散离子，实现复杂工件表面的定点精确去除。