CN108032145B - 射频离子源工作参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种射频离子源工作参数优化方法，包括：获取光学镜面误差信息，并确定去除函数最优半宽尺寸；选择离子源前端出口尺寸；通过法拉第杯对离子源的离子束流进行测量；自动调整射频电源功率和工作气体流量，其中控制系统与离子源连接并用于控制离子源的射频电源功率和工作气体流量；根据法拉第杯扫描结果选择电流最大值时对应的射频电源功率和工作气体流量；控制系统自动调整离子源工作参数，并根据法拉第杯扫描结果选择电流值最大时对应的加速电压值；固定上述离子源工作参数，进行法拉第杯扫描；通过法拉第杯扫描计算得到去除函数信息；仿真计算判断去除函数是否满足工作需求，若否则重新对离子源的离子束流进行测量，若是则优化结束。

Description

射频离子源工作参数优化方法
技术领域
本发明涉及光学镜面离子束抛光技术领域，特别涉及一种够对射频离子源的工作参数进行自动优化，根据待加工表面的误差分布特征，获得最优去除函数，提高加工效率及单次加工收敛率的射频离子源工作参数优化方法。
背景技术
目前用于光学镜面离子束抛光的离子源主要包括射频型离子源和考夫曼型离子源，其中射频离子源工作更稳定、性能更优越，是最主要的用于光学加工的离子源。决定其去除函数特性的工作参数主要包括：工作气体流量G、输出射频功率Wrf、离子能量电压VI、离子加速电压Vacc、中和电流I、工作距离d以及出射束流口径Db。从离子源中出射的离子束流具有一定的空间分布，即在离子源出口前端不同位置处具有不同的离子浓度分布。
调整射频离子源的相关工作参数，能够改变离子束流的空间分布，从而改变离子束流对应的去除函数。不同的光学表面上误差分布特征彼此不同，需要针对误差特征优化去除函数以提升离子束抛光效率及收敛率，因此离子束抛光前需要对射频离子源的工作参数进行优化以获得最优的去除函数。但是目前国内外相关单位设计的离子束抛光装置不能智能优化离子源工作参数，只能凭借操作人员的经验判断设置操作参数，在实际加工过程中优化参数效率很低且操作复杂。
离子束抛光光学表面之前需要针对光学表面误差特征进行去除函数优化，光学表面残差的频段特征决定了去除函数半宽尺寸的最佳范围，同时，为提升加工效率，加工过程中希望去除函数的峰值去除率尽量大，加工前需要调整射频离子源的工作参数来控制去除函数相关性质的变化。但是能够影响离子源去除函数性质的工作参数较多，需要逐一优化，这一过程往往费时费力影响加工效率。现阶段以德国NTG公司系列产品为代表的离子束抛光机均没有射频离子源工作参数智能优化功能，仅依靠操作人员的经验选取工作参数并进行优化判断。
本发明采用的智能优化系统能够对射频离子源的工作参数进行自动优化，根据待加工表面的误差分布特征，获得最优去除函数，提高加工效率及单次加工收敛率。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种够对射频离子源的工作参数进行自动优化，根据待加工表面的误差分布特征，获得最优去除函数，提高加工效率及单次加工收敛率的射频离子源工作参数优化方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种射频离子源工作参数优化方法，用于离子源对光学镜面进行离子束抛光，包括如下步骤：
步骤(1)：获取光学镜面误差信息，并确定去除函数最优半宽尺寸；
步骤(2)：选择离子源前端出口尺寸，并以此进行离子源的其他工作参数的优化；
步骤(3)：通过法拉第杯对离子源的离子束流进行测量；
步骤(4)：控制系统自动调整射频电源功率和工作气体流量，其中控制系统与离子源连接并用于控制离子源的射频电源功率和工作气体流量；
步骤(5)：控制系统自动调整离子源工作参数；
步骤(6)：固定上述离子源工作参数，进行法拉第杯扫描；
步骤(7)：通过法拉第杯扫描计算得到去除函数信息；
步骤(8)：仿真计算判断去除函数是否满足工作需求，若否则回到步骤(3)，若是则优化结束。
步骤(1)中，对镜面误差进行频谱分析，结合镜面口径尺寸和误差空间波长来分别划定镜面误差内的高、中、低频误差频段。
步骤(1)中，镜面误差的高、中、低频误差频段，通过离散傅里叶频谱表示，即通过式(1)表示：
其中，S为面形误差离散傅里叶变换，R和I分别为傅里叶变换的实部和虚部，空间域fx和频率域fy采样分辨率的关系通过式(2)和式(3)表示：
在对镜面频段误差进行分析后，可以划定镜面误差里高、中、低频误差的空间波长特征，并以此为根据选择所需要的离子束去除函数信息。(根据奈奎斯特频率理论，针对不同频段误差选择不同的去除函数信息)。
步骤(2)中，选择离子源前端出口尺寸，包括：将去除函数尺寸初步控制在某一尺寸范围之内，然后根据离子光学系统焦距选择初始工作距离，此外离子源的其他工作参数包括：射频电源功率、工作气体流量、加速电压值。
步骤(3)中，法拉第杯扫描过程是将离子源中心对准法拉第杯中心进行电流测量。
步骤(3)中，加工过程中利用法拉第杯扫描获得从离子源发射出的离子束流的空间浓度分布特征。
步骤(3)中，由离子源出射的离子束流在其工作截面内的浓度可以通过法拉第杯扫描过程获取，由离子源出射的离子束流呈汇聚式分布，对其进行截断需要结合实际的束流分布，设所需截断的束径为d1，则需要在束流截断处离子浓度在直径为d1的范围内达到总数的90％以上。
步骤(3)中，离子束流在工作截面内的浓度分布通常呈高斯型，如式4所示
其中J0为镜面上束流截面内离子浓度峰值，σi和μi分别为束流截面内离子浓度在x、y方向上的高斯分布系数。
控制系统自动调整离子源工作参数，包括：根据法拉第杯扫描结果选择电流最大值时对应的射频电源功率、工作气体流量及加速电压值。
本发明的有益效果在于：本发明能够对射频离子源的工作参数进行自动优化，根据待加工表面的误差分布特征，获得最优去除函数，提高加工效率及单次加工收敛率。
附图说明
图1为本发明射频离子源工作参数优化方法的流程框图。
图2为法拉第杯扫描的示意图。
图3为射频离子源工作参数优化系统的示意图。
图4为离子束抛光的示意图。
图5为离子束轰击材料去除示意图。
图6为待加工光学镜面误差示意图。
图7a为待加工光学镜面误差低频成份示意图。
图7b为待加工光学镜面误差中频成份示意图。
图7c为待加工光学镜面误差高频成份示意图。
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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
首先对本发明中出现的几个技术特征的术语进行解释：射频离子源指利用射频线圈将功率耦合到工作气体，从而使工作气体激发，获得等离子体的装置；光学表面离子束抛光指应用具有一定能量和空间分布的离子束流轰击待加工表面，以实现对指定表面的确定性材料去除；去除函数是指在离子束抛光过程中，离子束流驻留在去除点单位时间内实现的材料去除量及其分布；法拉第杯指能够测量带电粒子空间分布的专用测量装置；法拉第杯扫描指对离子源发射出的离子束流进行测量，得到以电流值表示的离子束流空间分布。
首先参考图1，本发明实施例提供的射频离子源工作参数优化方法，用于离子源对光学镜面进行离子束抛光，包括如下步骤：
步骤(1)：获取光学镜面误差信息，并确定去除函数最优半宽尺寸；
步骤(2)：选择离子源前端出口尺寸，并以此进行离子源的其他工作参数的优化；
步骤(3)：通过法拉第杯对离子源的离子束流进行测量；
步骤(4)：控制系统自动调整射频电源功率和工作气体流量，其中控制系统与离子源连接并用于控制离子源的射频电源功率和工作气体流量；
步骤(5)：控制系统自动调整离子源工作参数；
步骤(6)：固定上述离子源工作参数，进行法拉第杯扫描；
步骤(7)：通过法拉第杯扫描计算得到去除函数信息；
步骤(8)：仿真计算判断去除函数是否满足工作需求，若否则回到步骤(3)，若是则优化结束。
需要说明的是，如图4和5所示，离子束抛光光学表面过程中材料去除原理是，具有一定能量与空间分布的离子束流入射到镜面上，在镜面产生离子溅射效应以实现原子量级的精准材料去除。材料去除过程中可以通过调节离子束流性质来控制去除函数变化。如图2所示，加工过程中可以利用法拉第扫描获得从离子源发射出的离子束流的空间浓度分布特征，并以此为基础计算得到其在特定材料表面上所产生的去除函数信息。
步骤(1)中，如图6、7a、7b、7c所示，对镜面误差进行频谱分析，结合镜面口径尺寸和误差空间波长来分别划定镜面误差内的高、中、低频误差频段。
步骤(1)中，镜面误差的高、中、低频误差频段，通过离散傅里叶频谱表示，即通过式(1)表示：
其中，S为面形误差离散傅里叶变换，R和I分别为傅里叶变换的实部和虚部，空间域fx和频率域fy采样分辨率的关系通过式(2)和式(3)表示：
在对镜面频段误差进行分析后，可以划定镜面误差里高、中、低频误差的空间波长特征，并以此为根据选择所需要的离子束去除函数信息。根据奈奎斯特频率理论，针对不同频段误差选择不同的去除函数信息。因此首先调整离子源前端出口尺寸，将去除函数尺寸初步控制在某一尺寸范围之内，然后根据离子光学系统焦距选择初始工作距离，并以此为初始位置进行离子源其他工作参数的优化。
步骤(2)中，选择离子源前端出口尺寸，包括：将去除函数尺寸初步控制在某一尺寸范围之内，然后根据离子光学系统焦距选择初始工作距离，此外离子源的其他工作参数包括：射频电源功率、工作气体流量、加速电压值。
步骤(3)中，法拉第杯扫描过程是将离子源中心对准法拉第杯中心进行电流测量。
步骤(3)中，加工过程中利用法拉第杯扫描获得从离子源发射出的离子束流的空间浓度分布特征。
步骤(3)中，由离子源出射的离子束流在其工作截面内的浓度可以通过法拉第杯扫描过程获取，由离子源出射的离子束流呈汇聚式分布，对其进行截断需要结合实际的束流分布，设所需截断的束径为d1，则需要在束流截断处离子浓度在直径为d1的范围内达到总数的90％以上。
步骤(3)中，离子束流在工作截面内的浓度分布通常呈高斯型，如式4所示
中J0为镜面上束流截面内离子浓度峰值，σi和μi分别为束流截面内离子浓度在x、y方向上的高斯分布系数。
控制系统自动调整离子源工作参数，包括：根据法拉第杯扫描结果选择电流最大值时对应的射频电源功率、工作气体流量及加速电压值。
智能优化离子源工作参数的系统结构如图3所示，图3中1为射频离子源，2为离子源运动轴系统，3为法拉第杯，4为电脑控制系统。离子源参数调整、轴系统运动和法拉第杯扫描数据处理均由控制电脑处理。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种射频离子源工作参数优化方法，用于离子源对光学镜面进行离子束抛光，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：获取光学镜面误差信息，并确定去除函数最优半宽尺寸；
步骤(2)：选择离子源前端出口尺寸，并以此进行离子源的其他工作参数的优化；
步骤(3)：通过法拉第杯对离子源的离子束流进行测量；
步骤(4)：控制系统自动调整射频电源功率和工作气体流量，其中控制系统与离子源连接并用于控制离子源的射频电源功率和工作气体流量；
步骤(5)：控制系统自动调整离子源工作参数；
步骤(6)：固定上述离子源工作参数，进行法拉第杯扫描；
步骤(7)：通过法拉第杯扫描计算得到去除函数信息；
步骤(8)：仿真计算判断去除函数是否满足工作需求，若否则回到步骤(3)，若是则优化结束；
所述步骤(1)中，对镜面误差进行频谱分析，结合镜面口径尺寸和误差空间波长来分别划定镜面误差内的高、中、低频误差频段；
镜面误差的高、中、低频误差频段，通过离散傅里叶频谱表示；
在对镜面频段误差进行分析后，可以划定镜面误差里高、中、低频误差的空间波长特征，并以此为根据选择所需要的离子束去除函数信息。
2.如权利要求1所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(1)中，镜面误差的高、中、低频误差频段，通过离散傅里叶频谱表示，即通过式(1)表示：
其中，S为面形误差离散傅里叶变换，R和I分别为傅里叶变换的实部和虚部，空间域fx和频率域fy采样分辨率的关系通过式(2)和式(3)表示：
M、N分别是镜面上沿着X、Y方向上的检测采样点数量。
3.如权利要求1所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(2)中，选择离子源前端出口尺寸，包括：将去除函数尺寸初步控制在某一尺寸范围之内，然后根据离子光学系统焦距选择初始工作距离，此外离子源的其他工作参数包括：射频电源功率、工作气体流量、加速电压值。
4.如权利要求1所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(3)中，法拉第杯扫描过程是将离子源中心对准法拉第杯中心进行电流测量。
5.如权利要求4所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(3)中，加工过程中利用法拉第杯扫描获得从离子源发射出的离子束流的空间浓度分布特征。
6.如权利要求5所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(3)中，由离子源出射的离子束流在其工作截面内的浓度可以通过法拉第杯扫描过程获取，由离子源出射的离子束流呈汇聚式分布，对其进行截断需要结合实际的束流分布，设所需截断的束径为d1，则需要在束流截断处离子浓度在直径为d1的范围内达到总数的90％以上。
7.如权利要求5所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(3)中，离子束流在工作截面内的浓度分布通常呈高斯型，如式（ 4） 所示：
其中J0为镜面上束流截面内离子浓度峰值，σi和μi分别为束流截面内离子浓度在x、y方向上的高斯分布系数。
8.如权利要求4所述的射频离子源工作参数优化方法，其特征在于，步骤(3)以及步骤(5)中：控制系统自动调整离子源工作参数，包括：根据法拉第杯扫描结果选择电流最大值时对应的射频电源功率、工作气体流量及加速电压值。
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