CN110449645B - 一种提高fibm三维微结构面形精度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高FIBM三维微结构面形精度的方法，通过建立精确的FIBM仿真模型，利用原始设计的灰度图进行仿真加工，计算每仿真轮次的轮廓误差，当轮廓误差达到预设值时，停止仿真，记录此时的轮廓误差及相应的仿真加工轮次，并将该仿真加工轮次作为输入的灰度图的加工轮次，如此反复，获得多个轮廓误差修形灰度图及对应加工轮次，指导FIBM实际加工。本发明改善了传统FIBM灰度图加工存在的较大面形偏差的缺陷，实现FIBM灰度图高精度加工三维微结构，该方法适用于不同形状、不同尺度和不同材料的FIBM加工，在微纳加工领域具有极高的应用和推广价值。

Description

一种提高FIBM三维微结构面形精度的方法
技术领域
本发明涉及微纳加工领域，尤其涉及一种提高聚焦离子束铣削三维微结构面形精度的方法。
背景技术
聚焦离子束铣削(Focused ion beam milling,FIBM)加工技术通过透镜系统将液态金属离子源发射的离子加速并聚焦后轰击到材料表面，离子轰击到样品表面后会通过碰撞将能量传递给样品材料原子，当材料原子的能量达到一定阀值时，就会引起表面粒子出射，从而完成材料的去除过程。其透镜系统可以控制离子束的束斑尺寸，从而实现材料的不同尺度(纳米到微米)的去除，图像控制器则控制离子束的扫描轨迹和驻留时间的控制，从而实现对样品扫描区域指定点的定量离子轰击，形成微结构。
灰度图加工是目前FIBM最常用的加工方式，其通过灰度图文件定义束斑扫描区域、扫描轨迹、束斑重叠比及各点的驻留时间来实现聚焦离子束的铣削加工。采用传统的FIBM灰度图加工三维微结构由于以下几个现象的存在导致其面形精度显著降低：
1、再沉积现象的影响：溅射出的原子经过一定的飞行轨迹后沉积到相邻可见的样品点；
2、溅射产额随入射角的变化：当样品表面斜率变化后，其溅射产额(单个离子溅射出的原子数)发生变化；
3、束斑的空间分布：离子束束斑密度的空间分布导致离子的入射为面入射而非点入射，因此对某一点加工时影响周围点的形貌。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种提高聚焦离子束铣削三维微结构面形精度的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种提高FIBM三维微结构面形精度的方法，包括以下步骤：
S1、建立FIBM灰度图加工的轮廓仿真模型，所述轮廓仿真模型用于实现FIBM灰度图加工不同轮次的轮廓仿真；
S2、将原始设计的灰度图输入到所述轮廓仿真模型中进行仿真；
S3、将不同的仿真加工轮次与原始设计轮廓进行比较，计算出轮廓误差，当轮廓误差达到预设值时，停止仿真，记录此时的轮廓误差及相应的仿真加工轮次，并将该仿真加工轮次作为输入的灰度图的加工轮次；
S4、根据停止仿真时的轮廓及所述轮廓误差得到轮廓误差修形灰度图，并通过所述轮廓仿真模型计算剩余修形轮次；
S5、将轮廓误差修形灰度图输入所述轮廓仿真模型中继续仿真，重复S3～S4，得到多个轮廓误差修形灰度图及对应的加工轮次,直到利用S4得到的轮廓误差修形灰度图及剩余修形轮次完成整个仿真，得到的轮廓误差没有达到预设值；
S6、启动实际加工，先用原始设计的灰度图加工对应轮次，再依次更换轮廓误差修形灰度图进行相应轮次的加工。
接上述技术方案，所述步骤S1中的仿真模型考虑的因素包括再沉积现象、溅射产额变化和粒子束空间分布。
接上述技术方案，所述步骤S4中得到轮廓误差修形灰度图的步骤如下：
S41、对所述轮廓误差进行补偿，补偿原则是不考虑正误差，只对负误差区域进行补偿；
S42、利用补偿后的轮廓误差曲线作为轮廓误差修形灰度图的设计轮廓，通过插值法将二维误差曲线转换为三维轮廓值；
S43、将所述三位轮廓值转化为修形所用灰度图，生成该次轮廓误差修形灰度图。
本发明还提供一种计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述技术方案中的提高FIBM三维微结构面形精度的方法步骤。
本发明产生的有益效果是：本发明提供的一种提高FIBM三维微结构面形精度的方法，通过建立精确的FIBM轮廓仿真模型，利用原始设计的灰度图进行仿真加工，计算每仿真轮次的轮廓误差，当轮廓误差达到预设值时，停止仿真，记录此时的轮廓误差及相应的仿真加工轮次，并将该仿真加工轮次作为输入的灰度图的加工轮次，如此反复，获得最佳的FIBM加工过程。本发明改善了传统FIBM灰度图加工存在的较大面形偏差的缺陷，实现FIBM灰度图高精度加工三维微结构，该方法适用于不同形状、不同尺度和不同材料的FIBM加工，在微纳加工领域具有极高的应用和推广价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法实现流程示意图；
图2是本发明实施例的精确仿真模型建立示意图；
图3是本发明实施例的仿真模型不同轮次仿真结果与实际轮廓对比图；
图4是本发明实施例的凹球面微透镜2800轮时设计与仿真轮廓误差曲线；
图5是本发明实施例的凹球面微透镜2800轮时补偿后的廓误差曲线；
图6是本发明实施例的原始灰度图；
图7是本发明实施例的一次修形灰度图；
图8是本发明实施例的进行一次修形后的加工轮廓与设计轮廓对比图。
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，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种提高FIBM三维微结构面形精度的方法，包括以下步骤：
S1、建立FIBM灰度图加工的轮廓仿真模型，所述轮廓仿真模型用于实现FIBM灰度图加工不同轮次的轮廓仿真；
S2、将原始设计的灰度图输入到所述轮廓仿真模型中进行仿真；
S3、将不同的仿真加工轮次与原始设计轮廓进行比较，计算出轮廓误差，当轮廓误差达到预设值时，停止仿真，记录此时的轮廓误差及相应的仿真加工轮次，并将该仿真加工轮次作为输入的灰度图的加工轮次；
S4、根据停止仿真时的轮廓及所述轮廓误差得到轮廓误差修形灰度图，并通过所述轮廓仿真模型计算剩余修形轮次；
S5、将轮廓误差修形灰度图输入所述轮廓仿真模型中继续仿真，重复S3～S4，得到多个轮廓误差修形灰度图及对应的加工轮次,直到利用S4得到的轮廓误差修形灰度图及剩余修形轮次完成整个仿真，最终得到的轮廓误差没有达到预设值；
S6、启动实际加工，先用原始设计的灰度图加工对应轮次，再依次更换轮廓误差修形灰度图进行相应轮次的加工。
进一步，如图2所示，步骤S1中的仿真模型考虑的因素包括再沉积现象、溅射产额变化和粒子束空间分布。通过分析FIBM的加工机理，建立FIBM的理论模型，理论模型中考虑①再沉积现象②溅射产额变化③离子束空间分布的影响建立理论模型后，使用编程语言建立了FIBM灰度加工的仿真模型，通过开展溅射产额精确测量实验以及束斑空间分布精确测量实验，实现了仿真中的高精度。
本仿真模型的仿真过程与实验的加工过程完全对应，即实验中按轮次进行加工，仿真模型也按轮次进行仿真。因此，在仿真模型中可以获得每一轮次的仿真轮廓结果，且不同轮次间的仿真轮廓与实验轮廓实现了高一致性。作为最佳实施例，如图3所示，利用精确轮廓仿真模型，凹球面微透镜结构在加工轮次分别为1000、2000、3000轮时仿真轮廓与加工轮廓精确对应。
进一步，所述步骤S3中的停止仿真加工条件为仿真加工轮廓与设计轮廓开始部分重合。
进一步，所述步骤S4中得到轮廓误差修形灰度图的步骤如下：
S41、对所述轮廓误差进行补偿，补偿原则是不考虑正误差，只对负误差区域进行补偿；由于FIBM为减材加工，在轮廓线低于设计轮廓前进行补偿，即轮廓无正误差时进行，为保证修形后补偿精确性以及减少修形加工的时间，应使需补偿的误差尺度和范围尽量小。由加工N轮次后的仿真轮廓减去理想轮廓可得到加工N轮次后的误差轮廓，如图4所示，以凹球面微透镜加工为例，凹球面微透镜2800轮时设计与仿真轮廓误差曲线。正误差是由铣削去除的材料超过了理想去处量造成的，因而无法进行补偿，这里处理方法为选择不考虑正误差，只对负误差区域进行补偿，如图5所示，凹球面微透镜2800轮时不考虑正误差设计与仿真轮廓误差曲线。
S42、利用补偿后的轮廓误差曲线作为修形灰度图的设计轮廓，通过插值法将二维误差曲线转换为三维轮廓值；
S43、将所述三位轮廓值转化为修形所用灰度图，生成该次轮廓误差修形灰度图。
利用该方法对凹球面微透镜进行仿真与加工，如图6所示为原始灰度图，在加工2800轮候，更换如图7所示的修形灰度图，保持参数不变，再加工300轮，完成加工。图8为加工后的实际轮廓与设计轮廓的对比图，从图中可以发现，实验轮廓实现了与设计轮廓很好的对应。
本发明实施例的计算机存储介质，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行上述实施例中的提高FIBM三维微结构面形精度的方法步骤。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种提高FIBM三维微结构面形精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立FIBM灰度图加工的轮廓仿真模型，所述轮廓仿真模型用于实现FIBM灰度图加工不同轮次的轮廓仿真；
S2、将原始设计的灰度图输入到所述轮廓仿真模型中进行仿真；
S3、将不同的仿真加工轮次与原始设计轮廓进行比较，计算出轮廓误差，当轮廓误差达到预设值时，停止仿真，记录此时的轮廓误差及相应的仿真加工轮次，并将该仿真加工轮次作为输入的灰度图的加工轮次；
S4、根据停止仿真时的轮廓及所述轮廓误差得到轮廓误差修形灰度图，并通过所述轮廓仿真模型计算剩余修形轮次；
S5、将轮廓误差修形灰度图输入所述轮廓仿真模型中继续仿真，重复S3~S4，得到多个轮廓误差修形灰度图及对应的加工轮次,直到利用S4得到的轮廓误差修形灰度图及剩余修形轮次完成整个仿真，且得到的轮廓误差没有达到预设值；
S6、启动实际加工，先用原始设计的灰度图加工对应轮次，再依次更换轮廓误差修形灰度图进行相应轮次的加工。
2.根据权利要求1所述的提高FIBM三维微结构面形精度的方法，其特征在于，所述步骤S1中的轮廓仿真模型考虑的因素包括再沉积现象、溅射产额变化和离子束空间分布。
3.根据权利要求1所述的提高FIBM三维微结构面形精度的方法，其特征在于，所述步骤S4中得到轮廓误差修形灰度图的步骤如下：
S41、对所述轮廓误差进行补偿，补偿原则是不考虑正误差，只对负误差区域进行补偿；
S42、利用补偿后的轮廓误差曲线作为轮廓误差修形灰度图的设计轮廓，通过插值法将二维误差曲线转换为三维轮廓值；
S43、将所述三维轮廓值转化为修形所用灰度图，生成该次轮廓误差修形灰度图。
4.一种计算机存储介质，其特征在于，其内存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1-3中任一项所述的提高FIBM三维微结构面形精度的方法步骤。
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