一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，屬于超精密加工【技術(shù)領(lǐng)域】，該方法包括:將待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品放在離子束刻蝕設(shè)備的腔體內(nèi)的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側(cè)壁與樣品臺平面相互垂直;利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，并調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角;使用離子束對樣品進(jìn)行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)。利用本發(fā)明提供的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁進(jìn)行高精度的拋光。
【專利說明】一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，屬于超精密加工【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]拋光技術(shù)是使用物理機(jī)械、化學(xué)、電化學(xué)等作用降低物體表面粗糙度的加工方法。拋光技術(shù)應(yīng)用范圍極其廣泛，比如汽車車身表面的拋光，地板的拋光，裝飾品表面的拋光等等。當(dāng)表面能夠清晰的倒影出物體影像時(shí)，被稱為鏡面。如果使用均方根(RootMeanSquare,RMS)粗糙度來表征物體表面的光滑程度，鏡面的粗糙度在微米量級。鏡面拋光是更精密的拋光技術(shù)，主要在精密機(jī)械和光學(xué)工業(yè)中使用，使得拋光后的物體表面光滑并具有良好的反射效果。
[0003]最常見的且相對容易的是對具有開闊表面的物體進(jìn)行拋光，通常使用硬質(zhì)的磨料在被拋光物體表面高速摩擦使其光滑，拋光后達(dá)到的粗糙度對于特定的物質(zhì)而言主要取決于拋光過程使用磨料的顆粒大小。開闊的硅表面經(jīng)過拋光后，均方根粗糙度可以達(dá)到小于Inm的程度，已經(jīng)接近原子級別的平整度。
[0004]對于非開闊表面的拋光，比如工件的孔洞內(nèi)壁，也有許多拋光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)，比如化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、磁流體拋光等?；瘜W(xué)拋光是靠化學(xué)試劑對樣品表面凹凸不平區(qū)域的選擇性溶解作用消除磨痕、浸蝕整平的一種方法。但是拋光液容易失效，溶液消耗快，拋光結(jié)果不是太佳，試樣的棱角易受蝕損，拋光面易出現(xiàn)微小波紋起伏。電化學(xué)拋光是以被拋工件為陽極，不溶性金屬為陰極，兩極同時(shí)浸入到電解槽中，通以直流電而產(chǎn)生有選擇性的陽極溶解，從而達(dá)到工件表面光亮度增大的效果。此拋光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)降低粗糙度的原理目前在國際范圍內(nèi)尚存在爭議。技術(shù)上，由于電解液的組成復(fù)雜、通用性差、使用壽命短和強(qiáng)腐蝕性等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到限制。工藝上影響電化學(xué)拋光的參數(shù)很多，不易找到正確的拋光參數(shù)。磁流體拋光技術(shù)是利用磁流變液在磁場中的流變特性進(jìn)行零件表面加工的一種新型技術(shù)。通過調(diào)整設(shè)備，也可用于工件孔洞內(nèi)壁的拋光。但同樣拋光參數(shù)很多，如工件進(jìn)入磁流體拋光液中的深度、工件軸擺角、運(yùn)動盤的速度、工件與運(yùn)動盤形成的間隙大小、磁場強(qiáng)度等，對特殊的工件需花費(fèi)較大時(shí)間去摸索工藝，并不非常成熟。目前很多學(xué)者也正在進(jìn)一步研究此拋光方法。
[0005]離子束刻蝕是利用具有一定能量的離子轟擊材料表面，使材料原子發(fā)生濺射，從而達(dá)到刻蝕目的的一種手段。通常使用氬、氪、氙之類的惰性氣體，在真空腔內(nèi)被電離后形成等離子體，然后由高電壓將離子引出并加速，使離子具有一定能量并呈束狀入射到待刻蝕表面，撞擊材料表面原子，發(fā)生濺射，達(dá)到刻蝕的目的。此刻蝕過程為純物理過程。用離子束刻蝕原理對物體表面進(jìn)行拋光的技術(shù)即離子束拋光技術(shù)，是現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)中非常先進(jìn)的一種光學(xué)鏡面拋光技術(shù)，是原子量級上的無應(yīng)力、非接觸式拋光工藝，是實(shí)現(xiàn)超光滑表面的重要手段。比如，使用離子束刻蝕設(shè)備對硅表面精細(xì)拋光，可實(shí)現(xiàn)0.2nm的粗糙度，拋光角度為60度。但這僅限于對開闊表面任意角度拋光。對于所要拋光平面為直孔的內(nèi)壁，尤其是具有較大深寬比的孔內(nèi)壁，拋光離子將不能以優(yōu)化的某個(gè)角度進(jìn)行入射轟擊，所以目前國際上尚無報(bào)道使用離子束刻蝕技術(shù)對微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁進(jìn)行拋光。
[0006]而隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展，對微結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行拋光的需求越來越迫切。比如，應(yīng)用在探空衛(wèi)星上進(jìn)行X射線成像的龍蝦眼型微孔光學(xué)器件，是利用大深寬比方孔內(nèi)側(cè)壁對X射線的反光進(jìn)行聚焦成像的，因此側(cè)壁粗糙度通常要納米量級才能對X光進(jìn)行良好的反射。此器件的制備將依賴于微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的拋光技術(shù)。
[0007]目前使用的能夠?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行拋光的技術(shù)有化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、磁流體拋光等，但如上文所述，這些技術(shù)對于大深寬比側(cè)壁的拋光都存在技術(shù)上的困難。
[0008]本發(fā)明提出把用于平面拋光的離子束刻蝕技術(shù)應(yīng)用于對微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的拋光，使側(cè)壁表面達(dá)到納米級的粗糙度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一 )要解決的技術(shù)問題
[0010]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，以使高精度拋光的離子束刻蝕技術(shù)應(yīng)用在微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的拋光領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)，尤其是對具有大深寬比通孔側(cè)壁的高精度拋光。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，包括:
[0013]步驟10:將待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品放在離子束刻蝕設(shè)備的腔體內(nèi)的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側(cè)壁與樣品臺平面相互垂直；
[0014]步驟20:利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，并調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角；
[0015]步驟30:使用離子束對樣品進(jìn)行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)。
[0016]上述方案中，步驟10中所述待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品，微結(jié)構(gòu)指軸線互相平行的通孔，尤其是孔徑小于I毫米，深寬比大于I的通孔。進(jìn)一步地，通孔垂直于軸的截面可以是任意形狀的二維圖形，不限于圓孔或方孔等。
[0017]上述方案中，步驟10中所述利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，該距離用以保證被拋光下來的材料能夠被順利排出通孔，防止堆積在樣品臺表面以致阻礙后續(xù)拋光下來材料的順利排出。
[0018]上述方案中，步驟20中所述利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，具體計(jì)算方法如下:假設(shè)樣品中所有的孔的最大深寬比是R，則樣品臺所需的傾斜角的范圍是O?θ，Θ =arctan(l/R), Θ單位是度。
[0019]上述方案中，步驟20中所述調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角，調(diào)節(jié)方法為:使樣品臺的軸線方向與離子束入射方向(通常為豎直方向)的夾角為傾斜角。
[0020]上述方案中，步驟30中所述在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)為樣品臺繞著自己的軸線旋轉(zhuǎn)。
[0021](三)有益效果[0022]利用本發(fā)明提供的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁進(jìn)行高精度的拋光。對側(cè)壁進(jìn)行拋光相比較對開闊平面進(jìn)行拋光有更高的技術(shù)難度，但是隨著科技的發(fā)展，人們對工件孔壁的粗糙度提出了越來越高的要求，比如用于探空的X射線成像光學(xué)器件。這類高端光學(xué)零件加工涉及超精密加工技術(shù)。目前可以用來進(jìn)行內(nèi)壁拋光的技術(shù)有化學(xué)拋光、電化學(xué)拋光、磁流體拋光等，但是在實(shí)現(xiàn)大深寬比通孔內(nèi)壁的拋光上，這些技術(shù)都存在困難?；瘜W(xué)拋光拋光液容易失效，溶液消耗快，拋光結(jié)果不是太佳，試樣的棱角易受蝕損，拋光面易出現(xiàn)微小波紋起伏。電化學(xué)拋光技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)降低粗糙度的原理目前在國際范圍內(nèi)尚存在爭議，技術(shù)上，由于電解液的組成復(fù)雜、通用性差、使用壽命短和強(qiáng)腐蝕性等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍受到限制；工藝上影響電化學(xué)拋光的參數(shù)很多，不易找到正確的拋光參數(shù)。對于磁流體拋光技術(shù)而言同樣調(diào)試參數(shù)很多，如工件進(jìn)入磁流體拋光液中的深度、工件軸擺角、運(yùn)動盤的速度、工件與運(yùn)動盤形成的間隙大小、磁場強(qiáng)度等，對特殊的工件需花費(fèi)較大時(shí)間去摸索工藝。離子束拋光技術(shù)，是現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)中非常先進(jìn)的一種光學(xué)鏡面拋光技術(shù)，是原子量級上的無應(yīng)力、非接觸式拋光工藝，是實(shí)現(xiàn)超光滑表面的重要手段。使用離子束刻蝕技術(shù)對微結(jié)構(gòu)側(cè)壁進(jìn)行拋光，原理簡單，不需要復(fù)雜的刻蝕源，只需要高純的惰性氣體；安裝樣品后，拋光過程可由電腦自動控制，花費(fèi)很少的人力即可完成，并且拋光工藝控制性好、重復(fù)性高，主要的拋光參數(shù)不多，容易摸索優(yōu)化的拋光條件；離子束在拋光過程中不會導(dǎo)致雜質(zhì)嵌入，加工后鏡面無污染；副產(chǎn)物無污染。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明提供的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法流程圖。
[0024]圖2是依照本發(fā)明實(shí)施例的將樣品放置在離子束刻蝕腔內(nèi)樣品臺上時(shí)的示意圖。
[0025]圖3是依照本發(fā)明實(shí)施例的金屬鎳正方形通孔側(cè)壁表面原子力顯微掃描圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]下面首先介紹本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)利用離子束刻蝕技術(shù)對微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的拋光，其原理如下:在真空室里利用被加速的高能離子束與待拋光樣品表面原子直接產(chǎn)生碰撞，將粒子能量傳遞給待拋光材料的原子，使其逸出表面，在原子量級上將材料去除，從而達(dá)到刻蝕目的。當(dāng)離子束以一定角度入射到樣品表面時(shí)，表面的凸起部分將優(yōu)先被轟擊，凹陷部分被遮擋。經(jīng)過樣品的自轉(zhuǎn)，凸起部分會逐漸的均勻的被去除，與凹陷部分的高度趨于一致，達(dá)到拋光的目的。微結(jié)構(gòu)通常具有較大的深寬比，離子束不能以任意角度入射到側(cè)壁表面。利用微結(jié)構(gòu)的深寬比參數(shù)，計(jì)算出允許的離子束入射的最大角度，來選取樣品臺傾斜角，即拋光過程中(樣品臺始終自轉(zhuǎn))微結(jié)構(gòu)側(cè)壁表面與離子束方向的最小夾角。在此傾斜角范圍內(nèi)，入射離子束可以轟擊到全部側(cè)壁表面，實(shí)現(xiàn)拋光。此傾斜角范圍內(nèi)的允許角度，不一定是該表面在任意角度下可以被拋光到最佳粗糙度的最優(yōu)化角度，但有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，對于5°的傾斜角，能夠把RMS粗糙度10?20nm的表面拋光到在10x10 μ m2范圍內(nèi)小于5nm的水平。此粗糙度使用原子力顯微方法獲得。附圖3為在上述條件下拋光后的側(cè)壁表面原子力顯微掃描圖。[0028]圖1示出了本發(fā)明提供的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法流程圖，該方法包括以下步驟:
[0029]步驟10:將待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品放在離子束刻蝕設(shè)備的腔體內(nèi)的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側(cè)壁與樣品臺平面相互垂直；
[0030]在本步驟中，所述待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品，微結(jié)構(gòu)指軸線互相平行的通孔，尤其是孔徑小于I毫米，深寬比大于I的通孔。進(jìn)一步地，通孔垂直于軸的截面可以是任意形狀的二維圖形，不限于圓孔或方孔等。所述利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，該距離用以保證被拋光下來的材料能夠被順利排出通孔，防止堆積在樣品臺表面以致阻礙后續(xù)拋光下來材料的順利排出。
[0031]步驟20:利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，并調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角；
[0032]在本步驟中，所述利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，具體計(jì)算方法如下:假設(shè)樣品中所有的孔的最大深寬比是R，則樣品臺所需的傾斜角的范圍是O~θ，Θ =arctan(l/R), Θ單位是度。所述調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角,調(diào)節(jié)方法為:使樣品臺的軸線方向與離子束入射方向(通常為豎直方向)的夾角為傾斜角。
[0033]步驟30:使用離子束對樣品進(jìn)行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)；
[0034]在本步驟中，所述在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)為樣品臺繞著自己的軸線旋轉(zhuǎn)。`
[0035]基于圖1所示的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法流程圖，以下給出實(shí)施例1，實(shí)施例1具體如下:
[0036]步驟1:把待拋光的樣品放在樣品托上，樣品托固定在離子束刻蝕系統(tǒng)真空腔內(nèi)的樣品臺上，如圖2所不。樣品是厚度240 μ m、面積略大于Icm2的正方形金屬鎳片,在樣品中央，有一個(gè)正方形通孔的陣列，重復(fù)單元為邊長40 μ m的正方形通孔，間距10 μ m,周期為200X200。樣品底面與樣品臺之間距離為5mm。
[0037]為了更清晰直觀的示出樣品放在刻蝕腔內(nèi)的狀態(tài)，圖2示出了樣品放在刻蝕腔內(nèi)的示意圖。樣品臺軸線方向與豎直方向的夾角為傾斜角。高能離子束由上方豎直向下入射到樣品表面?？涛g過程中，樣品跟隨樣品臺一起自轉(zhuǎn)。
[0038]步驟2:計(jì)算樣品臺的傾斜角。方孔邊長40μπι，深度240μπι，深寬比為6，則Θ =arctan(l/R)=arctan(l/6) ^ 9.5° ,即傾斜角可調(diào)范圍是O~9.5°。調(diào)節(jié)樣品臺傾斜角到5° ;
[0039]步驟3:開啟離子束刻蝕系統(tǒng)，使用如下參數(shù)對樣品進(jìn)行刻蝕:離子束能量400eV，離子束束流密度0.5mA/cm2，加速電壓180V，樣品臺自轉(zhuǎn)角速度1.5rad/s，刻蝕時(shí)間60分鐘。
[0040]樣品方孔側(cè)壁的原始RMS粗糙度10~20nm，按照上述方法拋光后的RMS粗糙度在隨機(jī)選取的IOX 10 μ HI2范圍內(nèi)進(jìn)行測試，達(dá)到4.4nm，如圖3所示。此圖為原子力顯微掃描圖。由此可以看出，利用本發(fā)明提供的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的側(cè)壁進(jìn)行高精度的拋光。
[0041]以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，包括: 步驟10:將待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品放在離子束刻蝕設(shè)備的腔體內(nèi)的樣品臺上，并利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，且使樣品的待拋光側(cè)壁與樣品臺平面相互垂直； 步驟20:利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，并調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角； 步驟30:使用離子束對樣品進(jìn)行刻蝕，且在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，步驟10中所述待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品，微結(jié)構(gòu)指軸線互相平行的通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，該通孔的孔徑小于I毫米，深寬比大于I。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，該通孔垂直于軸的截面是任意形狀的二維圖形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，該任意形狀的二維圖形至少為圓孔或方孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，步驟10中所述利用樣品托使樣品的底面與樣品臺之間有一定距離，該距離用以保證被拋光下來的材料能夠被順利排出通孔，防止堆積在樣品臺表面以致阻礙后續(xù)拋光下來材料的順利排出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，步驟20中所述利用待拋光的具有微結(jié)構(gòu)的樣品的深寬比計(jì)算出樣品臺所需的傾斜角，具體計(jì)算方法如下:假設(shè)樣品中所有的孔的最大深寬比是R，則樣品臺所需的傾斜角的范圍是 O ?θ, Θ =arctan(1/R), Θ 單位是度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，步驟20中所述調(diào)節(jié)樣品臺到該傾斜角，調(diào)節(jié)方法為:使樣品臺的軸線方向與離子束入射方向的夾角為傾斜角。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用離子束刻蝕技術(shù)拋光微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的方法，其特征在于，步驟30中所述在刻蝕過程中樣品臺始終自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)為樣品臺繞著自己的軸線旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號】B24B1/00GK103495907SQ201310439401
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】張?zhí)鞗_, 伊福廷, 王波, 劉靜, 張新帥 申請人:中國科學(xué)院高能物理研究所