熔石英光學曲面的大面積納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米制造技術(shù)領域，具體涉及一種熔石英光學曲面的大面積納米微結(jié) 構(gòu)調(diào)控制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有序微結(jié)構(gòu)的制備和調(diào)控技術(shù)漸漸引起人們的廣泛關(guān)注，在現(xiàn)代科技中具有重要 的研究意義和應用價值，其應用范圍包括光學器件、集成電路、微機電系統(tǒng)等眾多高科技領 域。為了滿足相關(guān)技術(shù)對微結(jié)構(gòu)制備日益增長的需求，國內(nèi)外學者對相關(guān)制備方法進行了 深入的研究，使得微結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展。
[0003] 然而，隨著科技的發(fā)展進步，微結(jié)構(gòu)的制備朝著大面積、小尺度、低成本和高效率 的方向發(fā)展，對微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。首先，現(xiàn)有的光刻技術(shù)通過縮短曝光波長 和增大光刻物鏡的數(shù)值孔徑兩種方法使得刻蝕分辨率達到了 22nm以下，能夠滿足集成電 路制造的要求，但是由于光刻機的納米微結(jié)構(gòu)制備速率低，設備的購置和維修成本較高，限 制了其在低成本、大面積和高效率制造過程中的應用；其次，當前的納米壓印技術(shù)制備的納 米微結(jié)構(gòu)尺度同樣能夠達到納米量級，可以實現(xiàn)大面積微結(jié)構(gòu)的制造，但是壓印模板的制 備過程復雜，并且重復使用壽命有限，不具有簡單、低成本、高效的特點；除此之外，現(xiàn)有微 結(jié)構(gòu)制備的方法很難甚至無法在曲面上實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的制造，特別是針對高陡度曲面上大面 積微結(jié)構(gòu)的制備，急切需要研發(fā)新的加工技術(shù)以滿足要求。
[0004] 1962年學者Navez在離子束轟擊過的玻璃表面發(fā)現(xiàn)了納米波紋結(jié)構(gòu)，從此吸引了 眾多科學領域的專家潛心于有關(guān)方面的研究，使得離子束加工方法有望成為納米微結(jié)構(gòu)的 制備方法。與現(xiàn)有的光刻技術(shù)、納米壓印技術(shù)等制備方法相對，離子束加工技術(shù)具有低成 本、簡單、高效率的特點。然而，離子束加工技術(shù)應用于微結(jié)構(gòu)的制備還存在相關(guān)的技術(shù)問 題：一方面，離子束加工參數(shù)與微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系還未明確，無法實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)周期、幅值等 特征的準確調(diào)控；另一方面，將離子束加工應用于曲面（特別是高陡度曲面）微結(jié)構(gòu)的制 備，對加工技術(shù)的適用性具有重要的意義。因此，離子束加工方法是一種大面積納米微結(jié)構(gòu) 制備與調(diào)控的潛在技術(shù)，但是在技術(shù)上和工藝上還存在上述的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提供一種尤其適用于熔石 英曲面的大面積納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備，原理簡單、容易實現(xiàn)、高效率、低成本的熔石英光學 曲面的大面積納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備方法。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種熔石英光學曲面的大面積納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備方法，其特征在于步驟包括：
[0008] 1)將待加工的熔石英光學曲面光學零件固定在離子束加工機床的夾具上，且所述 夾具通過可驅(qū)動熔石英光學曲面光學零件沿著C軸做回轉(zhuǎn)運動的電機和離子束加工機床 相連；
[0009] 2)設置離子束加工參數(shù)，所述離子束加工參數(shù)包括離子入射角θ、離子能量Elcin、 束流密度Jlcm以及加工時間t ;
[0010] 3)根據(jù)待加工的熔石英光學曲面光學零件上任意點P的工件坐標系和離子入射 角Θ計算出進行離子束加工點p時對應的機床運動坐標，從而確定對熔石英光學曲面光學 零件進行離子束加工的運動軌跡；
[0011] 4)采用離子源根據(jù)所述離子能量E1C]n、束流密度Jlcin生成離子束，通過離子束加工 機床驅(qū)動離子源沿著所述運動軌跡運動、驅(qū)動熔石英光學曲面光學零件沿著C軸做回轉(zhuǎn)運 動，使所述離子束以固定的離子入射角Θ入射至熔石英光學曲面光學零件的曲面，且每一 個加工點的入射時間為t，最終在熔石英光學曲面光學零件的曲面上形成規(guī)則的納米微結(jié) 構(gòu)。
[0012] 優(yōu)選地，所述步驟2)設置離子束加工參數(shù)時，通過設置離子入射角Θ來調(diào)控納米 微結(jié)構(gòu)的波紋形狀朝向，詳細步驟包括：在設定的離子入射角閾值區(qū)間內(nèi)確定離子濺射材 料對應的離子入射臨界角Θ。;根據(jù)納米微結(jié)構(gòu)的波紋形狀目標朝向選擇離子入射角Θ的 取值，如果納米微結(jié)構(gòu)的波紋形狀目標朝向和離子入射方向垂直，則在離子入射角閾值區(qū) 間的下邊界和離子入射臨界角Θ。之間的取值范圍中設置離子入射角Θ ;如果納米微結(jié)構(gòu) 的波紋形目標朝向和離子入射方向平行，則在離子入射臨界角Θ。和離子入射角閾值區(qū)間 的上邊界之間的取值范圍中設置離子入射角Θ。
[0013] 優(yōu)選地，所述離子入射角閾值區(qū)間為40°~85°。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟2)設置離子束加工參數(shù)時，基于式（1)所示函數(shù)關(guān)系式設置離 子能量Elcin來調(diào)控納米微結(jié)構(gòu)的波紋周期；
[0016] 式（1)中，λ表示納米微結(jié)構(gòu)的波紋周期，E1C]n表示離子能量，】_表示束流密度， ΚΘ)表示離子束傾斜入射理想平面的濺射產(chǎn)額，Α表示離子能量Ε_和離子束傾斜入射 理想平面的濺射產(chǎn)額ΚΘ)之間的比例系數(shù)，Θ表示離子入射角，p表示離子平均入射深 度，Cx/y表示離子濺射能量沉積系數(shù)，η表示材料單位體積內(nèi)的原子數(shù)量，γ表示離子濺射 誘導的表面粘性流動效應的表面自由能，Λ表示粘性流動層的厚度，μ表示粘性流動系數(shù)， d表示離子濺射誘導的彈性碰撞平滑效應的粒子回彈平均距離，f(E)表示離子碰撞產(chǎn)生的 平均回彈粒子數(shù)。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟2)設置離子束加工參數(shù)時，基于式（2)所示函數(shù)關(guān)系式設置束 流密度Jlcm以及加工時間t來調(diào)控納米微結(jié)構(gòu)的幅值；
[0019] 式（2)中，|h(q，t) |表示納米微結(jié)構(gòu)的幅值，|h(q，0) |表示納米微結(jié)構(gòu)的初始幅 值，q表示納米微結(jié)構(gòu)的波數(shù)，t表示加工時間，其中C(q)的函數(shù)表達式如式（3)所示；
[0021] 式（3)中，Jlcin表示束流密度，P表示離子平均入射深度，Y。（ Θ )表示離子束傾斜 入射理想平面的濺射產(chǎn)額，Cx/y表示離子濺射能量沉積系數(shù)，η表示材料單位體積內(nèi)的原子 數(shù)量，d表示離子濺射誘導的彈性碰撞平滑效應的粒子回彈平均距離，Θ表示離子入射角， f(E)表示離子碰撞產(chǎn)生的平均回彈粒子數(shù)，q表示納米微結(jié)構(gòu)的波數(shù)，γ表示離子濺射誘 導的表面粘性流動效應的表面自由能，Λ表示粘性流動層的厚度，μ表示粘性流動系數(shù)。
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟4)生成的離子束為惰性氣體離子束。
[0023] 優(yōu)選地，所述惰性氣體離子束的惰性氣體離子為He+、Ar+、Kr +中的一種。
[0024] 本發(fā)明熔石英光學曲面的大面積納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備方法具有下述優(yōu)點：
[0025] 1、本發(fā)明利用離子轟擊誘導的表面自組裝原理生成周期的納米微結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn) 大面積微結(jié)構(gòu)的快速制備，很大程度上提高了加工效率。
[0026] 2、本發(fā)明的納米微結(jié)構(gòu)由離子加工誘導的自組裝效應產(chǎn)生，微結(jié)構(gòu)的材料與工件 基底材料為同一材料，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且不容易脫落，提高了微結(jié)構(gòu)的使用性能。
[0027] 3、本發(fā)明采用宏觀尺度大小的離子束加工生成微觀尺度的納米微結(jié)構(gòu)，對加工系 統(tǒng)的運動精度、運動分辨率和定位精度要求低，可以大大減低加工系統(tǒng)的制造成本，并且制 備過程不需要過多的前期準備工序，制備過程簡單，對曲面工件的納米微結(jié)構(gòu)制備具有非 常好的適用性。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明實施例方法的基本流程示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明實施例進行離子束加工時的離子入射角示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明實施例最終形成規(guī)則的納米微結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果圖。
[0031] 圖4為采用本發(fā)明實施例方法生成的波紋形狀目標朝向和離子入射方向垂直的 納米微結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果圖。
[0032] 圖5為采用本發(fā)明實施例方法生成的波紋形狀目標朝向和離子入射方向平行的 納米微結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果圖。
[0033] 圖6為采用本發(fā)明實施例方法生成的周期約為17nm的納米微結(jié)構(gòu)的檢測結(jié)果圖。
[0034] 圖7為采用本發(fā)明實施例方法生成的周期約為35nm的納米微結(jié)構(gòu)