CN114346767B - 一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备和抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于离子束加工技术领域，具体涉及一种高效率低损伤缺陷表面的离子束抛光设备和方法。设备包括离子束抛光设备腔室、离子源系统，工件安装在离子束抛光设备腔室；离子源系统与射频电源、偏压电源和引出电源连接；方法选用熔石英作为工件固定后，工件被加工面法向与离子束入射方向平行，封闭设备腔室并抽真空，通入工作气体，并将其激发电离，产生高密度等离子体，同时启动偏压电源和引出电压，利用交替引出的正、负离子构成的多组分离子束轰击工件表面。利用线性射频离子源，通过多维运动工件架使工件相对于离子源做扫描运动，实现大尺寸元件均匀一致抛光，提高离子束抛光控制精度，提升加工速率。
Description
技术领域
本发明属于离子束加工技术领域，具体涉及一种高效率低损伤缺陷表面的离子束抛光设备和方法。
背景技术
在高功率激光系统中，熔石英由于具有硬度高(莫氏7级)、热膨胀系数低(5.5×10-7/℃)，耐高温(1100℃-1200℃)，化学稳定性好，透紫外和红外光等良好的热学、光学和机械性能，被广泛用于激光光学系统的聚焦透镜、窗口、反射镜、偏振片和衍射光学元件的材料。在高功率(大于几百太瓦)激光系统研制和运行过程中发现，由熔石英构成的这些光学元件在高功率激光辐照下有可能出现损伤甚至出现灾难性破坏，造成整个光学系统无法正常运行。根据理论计算，熔石英如果是“多光子电离-碰撞电离-雪崩电离”方式引起的本征损伤，其损伤阈值高达数百J/cm2(3ns，355nm，＞100J/cm2)，但实际熔石英光学元件表面损伤阈值只有5J/cm2。通过研究发现：熔石英元件损伤主要是由各种缺陷诱导产生的表面损伤。这些缺陷主要包括污染物、抛光引入的杂质元素、裂纹和划痕等亚表面缺陷以及断键、空位等材料化学结构缺陷。
为了提升石英光学元件负载能力，需要尽可能的消除石英元件表面损伤缺陷，目前国内外常用方法包括：HF酸刻蚀、磁流变抛光、等离子体刻蚀和离子束刻蚀等。HF酸刻蚀是一种化学湿法刻蚀，通过HF酸溶液对石英表面的腐蚀作用，消除或钝化亚表面缺陷，从而提升熔石英元件的激光损伤阈值。目前为止，研究人员通过HF酸刻蚀提升熔石英元件的激光损伤阈值已经做了大量的理论和试验研究。研究发现：虽然HF酸刻蚀能明显提升熔石英元件的抗激光损伤阈值，但其与熔石英反应形成六氟硅酸化合物，沉积在石英表面成为新的损伤前驱体；同时酸刻液体环境中的水分子容易与熔石英表面分子发生水解反应，造成表面羟基化，从而降低熔石英表面抗激光损伤阂值。此外，前级加工产生的亚表面缺陷如氧空位和非桥接氧等HF酸刻不能有效降低这些缺陷数量，限制石英元件在高通量激光下的抗损伤性能。磁流变抛光技术是由Kordonski在1992年首次提出，其利用磁流变液体在强磁场中的流变性进行光学加工，通过计算机精确控制加工元件的表面粗糙度、亚表面损伤和加工效率，来实现高精度面形制备，其克服了传统的光学零件加工方法效率低下、加工质量难以控制等缺点。但由于在加工过程中不可避免的对光学元件施加较大的压力，容易产生复印效应，影响加工质量，同时抛光过程中引入Fe等金属杂质。等离子体抛光是将是利用放电等离子体中的活性自由基与工件表面间的化学作用来实现去除表面材料目的。该技术可以不损坏加工表面晶格结构条件下，实现平面与非球面的修形和抛光，达到高精密加工水平，但由于该技术基本是同向刻蚀，存在加工方向性和选择性差问题。离子束抛光是采用离子束轰击工件和靶材，利用离子束溅射效应效应，实现对多种金属或非金属材料的低损伤高精密加工。其作为一种无接触高精密加工方式在精密光学元件和半导体刻蚀领域具有重要的应用。
其中，为了实现熔石英玻璃超光滑表面加工专利CN 110877255 B公开了一种组合加工工艺，即通过前期预处理加工，磁流变抛光和离子束加工等组合加工方式，对表面亚表面损伤、面形精度、表面粗糙度进行分阶段的控制，实现全频段误差一致收敛到亚纳米精度的高效加工，该专利主要采用小束斑
离子源产生惰性气体离子束来修正元器件面型，而对于表面抛光效果不明显。
专利CN 207223557 U公开了一种低清理频率的高效离子束抛光设备，主要通过改进用于惰性气体离子源离子束中和的钨丝电极安装结构方式来降低离子束源的清理频率。专利CN 112171387A公开了一种离子束和化学机械抛光组合的铝合金反射镜加工方法，专利CN 107721196 A公开了一种利用Ar离子束抛光去除熔石英元件表面化学结构缺陷的去除方法。这些专利都基于离子束的纯物理溅射效应，通过小束斑
惰性气体离子源产生离子束，利用多轴机械手来控制离子源的运动来实现大尺寸元器件表面材料去除，存在加工效率低(20nm/min)，工艺流程复杂(如离子束抛光和化学抛光组合、通过多路径扫描实现大尺寸器件加工)、离子束溅射污染物沉积在样品表面造成污染等问题。
因此，需要发展一种既能减少亚表面缺陷，又不引入新的二次污染和损伤的高效率离子束表面加工设备和方法，从而实现有效提升高通量条件下熔石英元件的激光损伤阂值目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备和抛光方法，其能够有效提升高通量条件下抗激光损伤阂值，提升加工效率。
本发明的技术方案如下：
一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，包括离子束抛光设备腔室、设于离子束抛光设备腔室内的离子源系统，待抛光的工件安装在离子束抛光设备腔室；
所述的离子源系统分别与射频电源、偏压电源和引出电源连接，所有连接电源的引线与离子束抛光设备腔室侧壁绝缘连接；
所述的离子源系统包括：C形的离子源屏蔽罩、与所述的离子源屏蔽罩的C形开口处绝缘连接的放电腔壁和引出电极，以及缠绕于放电腔壁外侧的射频天线和安装在射频天线内侧的偏压电极；
所述的离子源屏蔽罩的开口朝向工件，所述的放电腔壁同样为C形，开口朝向工件。
所述的放电腔壁通过引出电极右绝缘子与引出电极实现绝缘连接；所述的离子源屏蔽罩通过引出电极左绝缘子与引出电极实现绝缘连接。
所述的离子源屏蔽罩上加工安装孔，孔内安装绝缘气路，绝缘气路连接供气系统，绝缘气路伸入到放电腔壁内侧，向其内部供气。
所述的偏压电极和引出电极内置于放电腔壁，构成正/负离子引出结构。
所述的离子源屏蔽罩由铝或不锈钢制成，其外侧有水冷结构。
所述的放电腔壁由陶瓷或石英等绝缘材料制成，其壁厚为2-7mm。
所述的射频电源为连续波或脉冲调制射频电源。
所述的射频天线由截面直径6mm圆管或6mm×10mm矩形铜管绕制而成，与匹配网络和射频电源连接。
所述的绝缘气路向放电腔壁内供气，工作气体为Ar、O2、H2、SF6或NF3，每路供气量10-100sccm。
所述的偏压电极由厚度为1-3mm的不锈钢板、钛板、钼板或石墨板制成，其上开有间距3-10mm，直径2-5mm的阵列孔，偏压电极与放电腔壁侧壁距离为20-50mm，且偏压电极与偏压电源连接。
所述的引出电极由厚度为1-15mm的不锈钢板、钛板、钼板或石墨板制成，其上开有间距0.8-1.5mm，直径1-5mm的孔，并与引出电源连接。
所述的工件竖直固定于多维运动工件架上，所述的多维运动工件架固定与隔振平台上，所述的离子源系统的离子源屏蔽罩固定在所述的隔振平台19上。
所述的多维运动工件架由X方向运动模组、Z方向运动模组、绕竖直Y方向转动模组组成，其带动工件与离子源系统之间X方向100mm-300mm的移动范围、Z方向0mm-600mm的移动范围，以及XZ任意位置下绕Y方向-180°-180°的任意角度转动。
所述的工件安装在X方向运动模组上，通过绕竖直Y方向转动模组驱动工件绕Y方向转动，同时X方向运动模组能够相对Z方向运动模组沿着Z方向滑动。
一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光方法，其基于所述的离子束抛光设备，包括如下步骤：
步骤1)熔石英作为工件，固定于多维运动工件架上，并使工件的被加工面法向与离子束入射方向平行，封闭离子束抛光设备腔室，进行抽真空；
步骤2)将离子束抛光设备腔室的本底真空抽到≤6×10-3Pa；
步骤3)向离子源系统的放电腔壁内，通入流量为50sccm的SF6工作气体；
步骤4)启动射频电源，射频功率通过射频天线馈入等离子体放电腔，将工作气体SF6激发电离，产生高密度等离子体；
步骤5)，其与步骤4)同时进行，启动偏压电源和引出电压，并使偏压电源、引出电压的脉冲波形相位与射频电源的脉冲同步。
步骤4)中，射频电源采用脉冲调制射频电源，设定射频功率500W，脉冲频率2KHz。
步骤5)中，偏压电源和引出电源都为矩形波脉冲电源，设定偏压电源的电压100V，频率2KHz，引出电源的电压20V，频率2KHz，利用交替引出的正、负离子构成的多组分离子束轰击工件表面。
本发明的显著效果如下：
离子束抛光设备利用线性射频离子源，通过多维运动工件架使工件相对于离子源做扫描运动，实现大尺寸元件(尺寸大于300mm)的均匀一致抛光。
采用脉冲调制射频电源激励产生脉冲放电等离子体，利用脉冲电压交替引出正负反应离子束，或连续恒压引出正离子束。
基于多组分活性粒子与工件元素的反应和低能离子的定向轰击溅射效应实现工件高精密抛光，其脉冲和连续多工作模式提高离子束抛光控制精度(精度≤3nm)，加工速率率提升至0.1um/min以上，相对于未经离子束处理的石英玻璃光学元件，其抗激光损伤阂值提升1.5倍以上，并且抛光过程不需要中和阴极，简化了离子束抛光设备结构。
附图说明
图1为高效率低损伤缺陷表面的离子束抛光设备示意图；
图2为离子源系统示意图；
图中：1.离子束抛光设备腔室；2.多维运动工件架；3.工件；4.离子源系统；5.真空室电极馈入绝缘子；6.离子源屏蔽罩；7.引出电极左绝缘子；8.引出电极右绝缘子；9.放电腔壁；10.射频天线；11.绝缘气路；12.匹配网络；13.射频电源A；14.偏压电源；15.引出电源；16.高压绝缘气路装置；17.偏压电极；18.引出电极；19.隔振平台；20.X方向运动模组；21.Z方向运动模组；22.绕竖直Y方向转动模组。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，离子束抛光设备腔室1通过抽气系统保持真空环境；
在离子束抛光设备腔室1的底部安装隔振平台19，多维运动工件架2和离子源系统4安装固定于隔振平台19上；待抛光的工件3竖直固定于多维运动工件架2上。
上述的多维运动工件架2由X方向运动模组20、Z方向运动模组21、绕竖直Y方向转动模组22组成，可实现带动工件3的水平、竖直、转动三维度运动。其中X方向为图中水平向左，Y方向为图中竖直向上，Z方向满足右手定则。
离子源系统4位于待抛光的工件3的一侧，离子源系统4接通供气系统，并且离子源系统4分别与射频电源13、偏压电源14和引出电源15连接，所有连接电源的引线与离子束抛光设备腔室1侧壁通过真空室电极馈入绝缘子5绝缘连接；
如图2所示的离子源系统4，其包括：
固定安装在隔振平台19上的C形的离子源屏蔽罩6，其开口朝向工件3，
与上述的离子源屏蔽罩6的C形开口处绝缘连接的放电腔壁9和引出电极18，其中，引出电极18的绝缘连接是通过位于其左右侧的引出电极左绝缘子7、引出电极右绝缘子8实现的；
上述的放电腔壁9通过引出电极右绝缘子8与引出电极18实现绝缘连接；
上述的离子源屏蔽罩6通过引出电极左绝缘子7与引出电极18实现绝缘连接；
放电腔壁9同样为C形，开口朝向工件3；
缠绕于放电腔壁9外侧的射频天线1，其与上述的射频电源13通过引线连接；
安装在射频天线1内侧的偏压电极17，其与上述的偏压电源14通过引线连接；
离子源屏蔽罩6上加工安装孔，孔内安装绝缘气路11，绝缘气路11连接供气系统，绝缘气路11伸入到放电腔壁9内侧，向其内部供气；
上述的偏压电极17和引出电极18内置于放电腔壁9，构成正/负离子引出结构；
离子源屏蔽罩6由铝或不锈钢制成，其外侧有水冷结构；
放电腔壁9由陶瓷或石英等绝缘材料制成，其壁厚为2-7mm；
本实施例中，射频天线10由截面直径6mm圆管或6mm×10mm矩形铜管绕制而成，与匹配网络12和射频电源13连接；
射频电源13为连续波或脉冲调制射频电源，其中射频频率13.56MHz，脉冲调制频率1KHz-100KHz，功率100-2000W；
如图2所示，离子源系统4由间距100-150mm的三条绝缘气路11向放电腔壁9内供气，工作气体为Ar、O2、H2、SF6或NF3，每路供气量10-100sccm；
所述的偏压电极17由厚度为1-3mm的不锈钢板、钛板、钼板或石墨板制成，位于离子源系统4的放电腔壁9内靠近右侧，其上开有间距3-10mm，直径2-5mm的阵列孔，偏压电极17与放电腔壁9侧壁距离为20-50mm，且偏压电极17与偏压电源14连接；
偏压电源14为恒压电源：电压0-1000V，电流0-2A或矩形波脉冲电源，电压0-250V，电流0-10A，频率1KHz-100KHz；
引出电极18由厚度为1-15mm的不锈钢板、钛板、钼板或石墨板制成，其上开有间距0.8-1.5mm，直径1-5mm的孔，并与引出电源15连接；
引出电源15为恒压电源：电压0-1000V，电流0-2A或矩形波脉冲电源，电压0-(±250)V，电流0-10A，频率1KHz-100KHz；
离子源系统4通过偏压电极17和引出电极18引出的离子束为交替引出的正、负离子构成的多组分离子束。其中离子能量为0-(±250)eV，离子束流密度0.5-1mA/cm2。
工件3竖直固定于多维运动工件架2上，其被加工面面向离子源4的引出电极18；
所述的多维运动工件架2由X方向运动模组20、Z方向运动模组21、绕竖直Y方向转动模组22组成，可实现工件3与离子源系统4之间X方向100mm-300mm的移动范围、Z方向0mm-600mm的移动范围，以及XZ任意位置下绕Y方向-180°-180°的任意角度转动。
工件3安装在X方向运动模组20上，通过绕竖直Y方向转动模组22驱动工件3绕Y方向转动，同时X方向运动模组20能够相对Z方向运动模组2沿着Z方向滑动。这样实现了上述的X方向100mm-300mm的移动范围、Z方向0mm-600mm的移动范围，以及XZ任意位置下绕Y方向-180°-180°的任意角度转动，三个维度的运动。
通过多维运动工件架2使工件3相对于离子源4在Z方向做扫描运动，来实现大尺寸元件的均匀一致抛光。
一种基于上述的高效率低损伤缺陷表面的离子束抛光设备的抛光刻蚀方法，包括以下步骤：
步骤1)取一块传统研抛处理表面无明显划痕的熔石英作为工件3，通过精抛光、超声清洗、烘干等处理后，固定于多维运动工件架2上，并使工件3的被加工面法向与离子束入射方向平行，封闭离子束抛光设备腔室1，进行抽真空。
步骤2)将离子束抛光设备腔室1的本底真空抽到≤6×10-3Pa；
步骤3)向离子源系统4的放电腔壁9内，通入流量为50sccm的SF6工作气体。
步骤4)启动射频电源13，射频功率通过射频天线10馈入等离子体放电腔，将工作气体SF6激发电离，产生高密度等离子体。
此过程中，射频电源13采用脉冲调制射频电源，设定射频功率500W，脉冲频率2KHz；
步骤5)，其与步骤4)同时进行，启动偏压电源14和引出电压15，并使偏压电源14、引出电压15的脉冲波形相位与射频电源13的脉冲同步
其中，偏压电源14和引出电源15都为矩形波脉冲电源，设定偏压电源14的电压100V，频率2KHz，引出电源15的电压20V，频率2KHz，利用交替引出的正、负离子构成的多组分离子束轰击工件表面。
Claims (10)
1.一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：包括离子束抛光设备腔室(1)和设于离子束抛光设备腔室(1)内的离子源系统(4)，待抛光的工件(3)安装在离子束抛光设备腔室(1)；
所述的离子源系统(4)分别与射频电源(13)、偏压电源(14)和引出电源(15)连接，所有连接电源的引线与离子束抛光设备腔室(1)侧壁绝缘连接；
所述的离子源系统(4)包括：C形的离子源屏蔽罩(6)、与所述的离子源屏蔽罩(6)的C形开口处绝缘连接的放电腔壁(9)和引出电极(18)，以及缠绕于放电腔壁(9)外侧的射频天线和安装在射频天线内侧的偏压电极(17)；
所述的离子源屏蔽罩(6)的开口朝向工件(3)，所述的放电腔壁(9)同样为C形，开口朝向工件(3)；
所述的放电腔壁(9)通过引出电极右绝缘子(8)与引出电极(18)实现绝缘连接；所述的离子源屏蔽罩(6)通过引出电极左绝缘子7与引出电极(18)实现绝缘连接；
所述的离子源屏蔽罩(6)上加工安装孔，孔内安装绝缘气路(11)，绝缘气路(11)连接供气系统，绝缘气路(11)伸入到放电腔壁(9)内侧，向其内部供气；
所述的偏压电极(17)和引出电极(18)内置于放电腔壁(9)，构成正/负离子引出结构；
抛光时，
步骤1)熔石英作为工件(3)，固定于多维运动工件架(2)上，并使工件(3)的被加工面法向与离子束入射方向平行，封闭离子束抛光设备腔室(1)，进行抽真空；
步骤2)将离子束抛光设备腔室(1)的本底真空抽到≤6×10-3Pa；
步骤3)向离子源系统(4)的放电腔壁(9)内，通入流量为50sccm的SF6工作气体；
步骤4)启动射频电源(13)，射频功率通过射频天线馈入等离子体放电腔，将工作气体SF6激发电离，产生高密度等离子体；
步骤5)其与步骤4)同时进行，启动偏压电源(14)和引出电源(15)，并使偏压电源(14)、引出电源(15)的脉冲波形相位与射频电源(13)的脉冲同步；
步骤4)中，射频电源(13)采用脉冲调制射频电源，设定射频功率500W，脉冲频率2KHz；
步骤5)中，偏压电源(14)和引出电源(15)都为矩形波脉冲电源，设定偏压电源(14)的电压100V，频率2KHz，引出电源(15)的电压20V，频率2KHz，利用交替引出的正、负离子构成的多组分离子束轰击工件表面。
2.如权利要求1所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的离子源屏蔽罩(6)由铝或不锈钢制成，其外侧有水冷结构。
3.如权利要求1所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的放电腔壁(9)由陶瓷或石英等绝缘材料制成，其壁厚为2-7mm。
4.如权利要求1所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的射频天线由截面直径6mm圆管或6mm×10mm矩形铜管绕制而成，与匹配网络(12)和射频电源(13)连接。
5.如权利要求1所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的绝缘气路(11)向放电腔壁(9)内供气，工作气体为Ar、O2、H2、SF6或NF3，每路供气量10-100sccm。
6.如权利要求1所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的偏压电极(17)由厚度为1-3mm的不锈钢板、钛板、钼板或石墨板制成，其上开有间距3-10mm，直径2-5mm的阵列孔，偏压电极(17)与放电腔壁(9)侧壁距离为20-50mm，且偏压电极(17)与偏压电源(14)连接。
7.如权利要求1所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的引出电极(18)由厚度为1-15mm的不锈钢板、钛板、钼板或石墨板制成，其上开有间距0.8-1.5mm，直径1-5mm的孔，并与引出电源(15)连接。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的工件(3)竖直固定于多维运动工件架(2)上，所述的多维运动工件架(2)固定与隔振平台(19)上，所述的离子源系统(4)的离子源屏蔽罩(6)固定在所述的隔振平台(19)上。
9.如权利要求8所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的多维运动工件架(2)由X方向运动模组(20)、Z方向运动模组(21)、绕竖直Y方向转动模组(22)组成，其带动工件(3)与离子源系统(4)之间X方向100mm-300mm的移动范围、Z方向0mm-600mm的移动范围，以及XZ任意位置下绕Y方向-180°-180°的任意角度转动。
10.如权利要求9所述的一种高效率低损伤缺陷表面离子束抛光设备，其特征在于：所述的工件(3)安装在X方向运动模组(20)上，通过绕竖直Y方向转动模组(22)驱动工件(3)绕Y方向转动，同时X方向运动模组(20)能够相对Z方向运动模组(21)沿着Z方向滑动。
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