CN110187415B - 一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，解决了传统光学加工技术无法直接抛光新型柔性光学薄膜的问题。本发明提供的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，可以在不影响薄膜光学性能的情况下，快速高效地对柔性薄膜进行面形修正。本发明可以精确控制减薄区域与非减薄区域的界线，对准精度高，迭代次数少，减薄深度控制精度高，减薄掩蔽层制作方便，不会在光学件表面产生表面划痕或亚表面损伤，残余掩蔽层去除容易，工艺重复性好，无毒无害，也适用于传统无机刚性材料如二氧化硅、碳化硅等。

Description

一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法
技术领域
本发明属于光学超精密表面制造领域，具体涉及一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法。
背景技术
近年来，随着航空航天事业的蓬勃发展，社会生产飞速进步，人类对太空领域的探索热情越来越强烈，航空航天技术为人类观测太空、研究地球及整个浩瀚的宇宙空间作出了重大贡献。许多国家开始重视对航空航天技术以及空间光学的研究。空间望远镜、遥感侦察相机等大型空间系统为了获得对更远目标高成像质量和高分辨率的观测图像，提高对地分辨率，更大口径是最基本的要求。但是现有的传统大口径望远镜受限于传统镜坯材料的面质量密度，反射镜重量随口径加大急剧增加，对火箭的运载能力是很大的挑战，因此，需要减轻空间光学系统的重量来降低发射成本，这对空间光学系统镜片的材料及制造工艺提出一定要求。
薄膜光学以具有良好空间适应性的有机高分子柔性薄膜为光学元件镜坯，基底厚度可以低至十几微米，完全可以满足大口径空间光学系统镜片的轻量化要求。但是，这种全新的镜坯材料的光学制造工艺并不成熟，相比于传统刚性镜坯可以通过切削、磨削及各种精密抛光技术获得想要的面形，薄膜镜坯的光学加工并不能直接应用这些传统工艺。这是因为浴法抛光、磁流变抛光、磨料射流抛光等技术去除镜坯表面材料的原理都是磨料或抛光头对镜坯材料表面进行微小的摩擦与碰撞，由于刚性镜坯几何形状的确定性和表面分子的脆性及与抛光液的反应性，镜坯表面分子会由于摩擦产生的微区化学反应而脱离镜坯，从而实现工件表面材料的被去除。而薄膜镜坯不仅在几何形状上呈现柔性，会抵消掉本来用于去除表面分子的物理冲量，而且由于分子组成为长链柔性高分子，具有较低的表面硬度和稳定的化学性质，表面摩擦会形成不可控的划痕，分子也不易定量脱落。如果长时间对这样的柔性表面进行物理摩擦或轰击，有可能会引起薄膜材料光学性质的变化。比如长时间的离子束抛光会降低薄膜材料的透光率。
鉴于以上，提出适用于薄膜镜坯光学加工的面形修正方法，克服传统光学加工技术应用于新型薄膜镜坯面形修正的不足，温和去除薄膜光学材料表面分子，同时不影响薄膜镜坯的光学性能，有着十分迫切的需求。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提供一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，可以在不影响薄膜光学性能的情况下，快速高效地对柔性薄膜进行面形修正。该发明可以精确控制减薄区域与非减薄区域的界线，对准精度高，迭代次数少，减薄深度控制精度高，减薄掩蔽层制作方便，不会在光学件表面产生表面划痕或亚表面损伤，残余掩蔽层去除容易，工艺重复性好，无毒无害，也适用于传统无机刚性材料如二氧化硅、碳化硅等。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，包括以下步骤：
步骤1：将待修光学元件1固定到刚性镜框2上；
步骤2：在待修光学元件1上做出定位标记3，使用干涉仪测量待修光学元件1的面形数据；
步骤3：改变定位标记3的位置，直至定位标记3完全位于不减薄区域4或减薄区域5内；
步骤4：在面形测量数据分析软件中读出面形数据的x、y、z值，选定一个z值，令此z值的连线为减薄区域5和不减薄区域4的分界线；
步骤5：在待修光学元件1表面制作掩蔽层6，并基于步骤4中减薄区域5和不减薄区域4的分布对待修光学元件1表面进行区域划分，划分时与待修光学元件1上的定位标记3进行对准，划分后减薄区域5没有掩蔽层覆盖，不减薄区域4上有掩蔽层覆盖；
步骤6：移除步骤2中做出的定位标记3；
步骤7：将制备好掩蔽层6的待修光学元件1放入反应离子刻蚀设备，选择合理的刻蚀气体及刻蚀参数，对减薄区域5进行减薄；
步骤8：去除待修光学元件1表面的掩蔽层6，测量待修光学元件1的面形数据；
步骤9：重复步骤2至步骤8，直至待修光学元件1的面形符合使用要求。
进一步地，步骤1中所述待修光学元件1的材质包括但不限于聚酰亚胺、聚对苯二甲酸二甲酯等柔性光学薄膜和二氧化硅、碳化硅等刚性光学基底。
进一步地，步骤1中所述待修光学元件1的表面可带有衍射微结构或反射层。
进一步地，步骤2中所述待修光学元件1的面形数据为透射波前误差或反射波前误差，其中包含有定位标记3的形状、尺寸与位置信息。
进一步地，步骤2中所述定位标记3的数量不少于3个，任意标记之间的距离不小于待修光学元件1的半径。
进一步地，步骤4中所述z值应满足zmin+H减薄<z<zmax-H减薄，其中，zmin为波前数据中的最小z值，zmax为波前数据中的最大z值，H减薄为减薄深度。
进一步地，步骤5中所述对准，包括但不限于肉眼对准、显微镜对准。
进一步地，步骤5中所述掩蔽层6，可以紧密覆盖在待修光学元件1表面，也可以悬浮在其表面上0.5mm距离以内，其材质包括但不限于光刻胶、柔性薄膜以及特制的掩蔽工装。
进一步地，步骤5中所述划分，包括但不限于紫外光刻显影、薄膜裁剪以及掩蔽工装设计与加工。
进一步地，步骤7中所述减薄，减薄深度满足以下关系：
Figure GDA0002483948110000031
其中H减薄为减薄深度，ν掩蔽为掩蔽层6刻蚀速率，ν基底为待修光学元件1表面刻蚀速率，H掩蔽为掩蔽层6厚度。
本发明的有益效果是：
(1)对光学元件表面材料的去除主要依赖并行大面积干法化学反应刻蚀，去除过程不受基底物理性质和物理状态影响，去除速率远超单点串行物理去除方法，去除精度可达纳米量级，远高于切削、磨削等传统工艺，大幅提高了加工效率，整个去除过程基底表面温度温和，光学元件的光学性能不受影响，解决了现有刚性光学基底抛光技术无法直接应用于柔性薄膜光学镜坯抛光的技术难题；
(2)对非减薄区域的保护可以采用光刻胶掩蔽层保护方法，旋涂形成的掩蔽层涂覆方便，均匀完整，不会在基底上产生表面划痕或亚表面损伤，不影响光学元件表面光洁度，减薄区域与非减薄区域的划分可以基于光刻微细加工方法，界线轮廓定位精度高，光刻胶掩蔽层去除便捷，简单的溶剂浸泡与清洗即可去除残余掩蔽层，不会在光学零件表面留下印记；
(3)测量所得面形波前图与实际减薄区域的定位可采用显微镜对准方法，对准精度可达微米量级，高精度的定位对准减少了面形修正迭代次数，提高了加工效率；
(4)反应离子刻蚀与光刻曝光工艺都是光学微细加工中的成熟工艺，基于此二者的光学元件面形修正工艺性能稳定，适用于多种平面及小矢高曲面光学镜面基底，通过选择合理的刻蚀气体，完全可以完成传统光学镜面如二氧化硅、碳化硅乃至陶瓷、金属材料的面形修正。
附图说明
图1为一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法的流程图，其中，图1(a)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法样品准备工艺步骤示意图；图1(b)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法定位标记制作及面形检测工艺步骤示意图；图1(c)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法定位标记位置修正前示意图；图1(d)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法定位标记位置修正后示意图；图1(e)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法掩蔽层制作及减薄区域划分工艺步骤示意图；图1(f)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法定位标记去除工艺步骤示意图；图1(g)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法反应离子刻蚀减薄工艺步骤示意图；图1(h)为基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法去除残余掩蔽层及面形检测工艺步骤示意图。
图2为实施例中定位标记和对准标记示意图，其中，图2(a)为定位标记示意图，图2(b)为对准标记示意图(黑色为不透光部分)。
图3为实施例1中400mm口径薄膜光学镜坯面形修正前后透射波前数据，其中，图3(a)为修正前的透射面形，图3(b)为修正后的透射面形。
图4为实施例2中390mm口径石英光学镜坯面形修正前后反射波前数据，其中，图4(a)为修正前的反射面形，图4(b)为修正后的反射面形。
图5为实施例2中掩蔽工装安装示意图。
其中：1—待修光学元件；2—刚性镜框；3—定位标记；4—不减薄区域；5—减薄区域；6—掩蔽层；7—限位柱。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明做详细说明。
实施例1：本实施例以400毫米口径聚酰亚胺薄膜光学镜坯透射波前面形修正为实施例，结合基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法示意图的图1(a)-图1(h)，详细说明基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法的原理和工艺步骤。
实施例中薄膜光学镜坯的一些工艺参数设置如下：待修光学元件1为25微米厚度聚酰亚胺薄膜，刚性镜框2为不锈钢材质，镜坯口径为400毫米，400毫米口径初始透射波前数据PV大于0.951个波长，rms大于0.166个波长，掩蔽层光刻胶为AZ1500，旋涂厚度为500纳米，反应离子刻蚀减薄气体为氧气和三氟甲烷，流量比例为10：1，刻蚀功率1500瓦，刻蚀腔压3.0帕，刻蚀设备为国产单频容性耦合反应离子刻蚀设备。
具体工艺过程包括：
步骤1：将待修光学元件1固定到刚性镜框2上，刚性镜框2上设置有夹持装置，配合粘接用光学胶水，可以防止待修光学元件1的水平位移；
步骤2：将定位标记3打印到透明PET薄膜上，定位标记3为交叉十字线，如图2(a)所示，十字线线宽2.5毫米，线长4毫米，印有定位标记3的PET薄膜被剪裁成5毫米×5毫米大小，粘贴到2毫米×10毫米的透明胶带上，然后固定到待修光学元件1背面边缘处，标记一共3个，彼此之间的距离不小于200毫米，之后使用干涉仪测量待修光学元件1的透射波前数据，波前数据中定位标记3的位置由于不透光显示无数据，无数据区域的轮廓即为定位标记3的轮廓；
步骤3：对比透射波前面形图，根据已有定位标记3的相对位置，选择新的定位标记3的位置，使新的定位标记3位置位于减薄区域5内，依步骤2中的操作固定新的定位标记3，并移除不在减薄区域5内的原有定位标记3，再次测量待修光学元件1的透射波前数据，使测得的波前图中定位标记3位于减薄区域5内；
步骤4：在面形数据分析软件中读出面形数据的x、y、z值，x、y为横轴与纵轴坐标，z则表示某点面形误差大小，选定一个z值，令zmin+H减薄<z<zmax-H减薄，其中，zmin为波前数据中的最小z值，zmax为波前数据中的最大z值，H减薄为减薄深度，本实施例中，H减薄≤50纳米，所选定的z值的连线为减薄区域5和不减薄区域4的分界线，z值小于选定z值的区域为减薄区域5，z值大于选定z值的区域为不减薄区域4，并将减薄区域5和不减薄区域4的分布转化为光刻掩模中透光与不透光的区域分布，减薄区域5对应光刻掩模中透光区域，不减薄区域4对应光刻掩模中不透光的区域；
步骤5：在待修光学元件1表面均匀旋涂光刻胶层，并利用步骤4中设计的光刻掩模对待修光学元件1表面进行曝光，曝光时间30秒，光源波长365纳米，曝光功率4毫焦每平方厘米，曝光前通过肉眼对准和显微镜对准使掩模板上的对准标记与待修光学元件1上的定位标记3重合，定位标记3的黑色十字线恰好位于对准标记中白色十字线位置；
步骤6：对曝光后的待修光学元件1显影，显影液为300MIF，显影时间30s，减薄区域5的光刻胶被去除，不减薄区域4的光刻胶被保留，定位标记3对应区域的光刻胶也被保留；
步骤7：在显微镜下找到定位标记3对应区域的光刻胶，使用蘸了丙酮的细棉签小心地擦拭待修光学元件1表面定位标记3对应区域，直至定位标记3对应区域的光刻胶被完全清除，整个减薄区域5内均无光刻胶存在，之后移除待修光学元件1背面的定位标记3；
步骤8：将制备好减薄掩蔽层的待修光学元件1放入反应离子刻蚀设备，以前述刻蚀参数减薄待修光学元件1，由于减薄深度和光刻胶层的厚度满足下式：
Figure GDA0002483948110000051
减薄区域5的厚度被减薄，不减薄区域4由于光刻胶层的遮挡，厚度不发生变化；
步骤9：使用丙酮除去待修光学元件1表面残余的光刻胶，用氮气吹干后测量待修光学元件1的透射波前数据；
步骤10：重复步骤2至步骤9，直至待修光学元件1的透射波前数据PV小于250nm，RMS小于20nm；
实施例2：本实施例以390毫米口径石英光学镜坯反射波前面形修正为实施例，结合基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法示意图的图1(a)-图1(h)，详细说明基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法的原理和工艺步骤。
实施例中石英光学镜坯的一些工艺参数设置如下：待修光学元件1为13毫米厚度石英，刚性镜框2为不锈钢材质，镜坯口径为390毫米，390毫米口径初始反射波前数据PV大于1.093个波长，rms大于0.235个波长，掩蔽层光刻胶为AZ3100，旋涂厚度为900纳米，反应离子刻蚀减薄气体为氧气和三氟甲烷，流量比例为1：5，刻蚀功率1300瓦，刻蚀腔压2.0帕，刻蚀设备为国产单频容性耦合反应离子刻蚀设备。
具体工艺过程包括：
步骤1：将待修光学元件1固定到刚性镜框2上，刚性镜框2上设置有夹持装置，配合粘接用光学胶水，可以防止待修光学元件1的水平位移；
步骤2：在待修光学元件1正面边缘处使用黑色记号笔画出定位标记3，标记一共3个，彼此之间的距离不小于200毫米，之后使用干涉仪测量待修光学元件1的反射波前数据，波前数据中定位标记3的位置由于反射率不同显示无数据，无数据区域的轮廓即为定位标记3的轮廓；
步骤3：对比反射波前面形图，根据已有定位标记3的相对位置，选择新的定位标记3的位置，使新的定位标记3位置位于不减薄区域4内，依步骤2中的操作画出新的定位标记3，并擦除不在不减薄区域4内的原有定位标记3，再次测量待修光学元件1的反射波前数据，使测得的波前图中定位标记3位于不减薄区域4内；
步骤4：在面形数据分析软件中读出面形数据的x、y、z值，x、y为横轴与纵轴坐标，z则表示某点面形误差大小，选定一个z值，令zmin+H减薄<z<zmax-H减薄，其中，zmin为波前数据中的最小z值，zmax为波前数据中的最大z值，H减薄为减薄深度，本实施例中，H减薄≤30纳米，所选定的z值的连线为减薄区域5和不减薄区域4的分界线，z值大于选定z值的区域为减薄区域5，z值小于选定z值的区域为不减薄区域4，并将减薄区域5和不减薄区域4的分布转化为掩蔽层中镂空与遮蔽的区域分布，减薄区域5对应掩蔽层中镂空区域，不减薄区域4对应掩蔽层中遮蔽的区域，掩蔽层材质透明，对准标记的位置与波前图中定位标记3的位置相对应，位于不减薄区域4中；
步骤5：在待修光学元件1上方安装掩蔽工装，如图5所示，掩蔽工装由限位安装部分和掩蔽层部分组成，限位柱集成在不锈钢圆环上作为限位安装部分，圆环的内径恰好大于待修光学元件1的外径，首先将限位柱安装到待修光学元件外侧，然后将步骤4中设计并加工好的掩蔽层安装到限位柱上，之后通过肉眼对准掩蔽层上的对准标记和待修光学元件1上的定位标记，调整掩蔽层的方向，直至标记重合，对准后，调节掩蔽层的高度与水平度，直至掩蔽层下表面与待修光学元件1上表面距离小于0.5毫米；
步骤6：将待修光学元件1和掩蔽工装放入反应离子刻蚀设备，以前述刻蚀参数减薄待修光学元件1，由于减薄深度和掩蔽层的厚度满足下式：
Figure GDA0002483948110000071
减薄区域5的厚度被减薄，不减薄区域4由于掩蔽层的遮挡，厚度不发生变化；
步骤9：移去掩蔽工装，测量待修光学元件1的透射波前数据；
步骤10：重复步骤2至步骤9，直至待修光学元件1的透射波前数据PV小于300nm，RMS小于15nm。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将待修光学元件(1)固定到刚性镜框(2)上；
步骤2：在待修光学元件(1)上做出定位标记(3)，使用干涉仪测量待修光学元件(1)的面形数据；
步骤3：改变定位标记(3)的位置，直至定位标记(3)完全位于不减薄区域(4)或减薄区域(5)内；
步骤4：在面形测量数据分析软件中读出面形数据中所有点的x、y、z值，x、y为横轴与纵轴坐标，每一个z值则表示每一个点面形误差大小，选定一个z值，选定的z值应满足zmin+H减薄<z<zmax-H减薄，其中，zmin为波前数据中的最小z值，zmax为波前数据中的最大z值，H减薄为减薄深度， 令所有z值等于选定的z值的点的连线为减薄区域(5)和不减薄区域(4)的分界线；
步骤5：在待修光学元件(1)表面制作掩蔽层(6)，并基于步骤4中减薄区域(5)和不减薄区域(4)的分布对待修光学元件(1)表面进行区域划分，划分时与待修光学元件(1)上的定位标记(3)进行对准，划分后减薄区域(5)没有掩蔽层覆盖，不减薄区域(4)上有掩蔽层覆盖；
步骤6：移除步骤3中做出的定位标记(3)；
步骤7：将制备好掩蔽层(6)的待修光学元件(1)放入反应离子刻蚀设备，选择合理的刻蚀气体及刻蚀参数，对减薄区域(5)进行减薄；
步骤8：去除待修光学元件(1)表面的掩蔽层(6)，测量待修光学元件(1)的面形数据；
步骤9：重复步骤2至步骤8，直至待修光学元件(1)的面形符合使用要求；
步骤2中所述待修光学元件(1)的面形数据为透射波前误差或反射波前误差，其中包含有定位标记(3)的形状、尺寸与位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：步骤1中所述待修光学元件(1)为包括聚酰亚胺或聚对苯二甲酸二甲酯的柔性光学薄膜，或所述待修光学元件(1)为包括二氧化硅或碳化硅的刚性光学基底。
3.根据权利要求1所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：步骤1中所述待修光学元件(1)的表面设置有衍射微结构或反射层。
4.根据权利要求1所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：步骤2中所述定位标记(3)的数量不少于3个，任意两个定位标记之间的距离不小于待修光学元件(1)的半径。
5.根据权利要求1所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：步骤5中所述对准，包括肉眼对准和/或显微镜对准。
6.根据权利要求1所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：步骤5中所述掩蔽层(6)，设置为紧密覆盖在待修光学元件(1)表面，或设置为悬浮在待修光学元件(1)表面上0.5mm距离以内，掩蔽层(6)为由光刻胶制成的一层或柔性薄膜或专门设计的掩蔽工装。
7.根据权利要求6所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：当掩蔽层(6)为光刻胶制成的一层时，步骤5中所述划分包括紫外光刻显影，当掩蔽层(6)为柔性薄膜时，步骤5中所述划分包括薄膜裁剪，当掩蔽层(6)为专门设计的掩蔽工装时，步骤5中所述划分包括掩蔽工装设计与加工。
8.根据权利要求1所述的基于反应离子刻蚀减薄的光学元件面形修正方法，其特征在于：步骤7中所述减薄，减薄深度满足以下关系：
Figure FDA0002483948100000021
其中H减薄为减薄深度，
ν掩蔽为掩蔽层(6)刻蚀速率，ν基底为待修光学元件(1)表面刻蚀速率，H掩蔽为掩蔽层(6)厚度。
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