惠迎雪，劉衛(wèi)國(guó)，馬占鵬，張 進(jìn)，周 順

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

引言

離子束修形技術(shù)(ion beam figuring， IBF)建立在計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形(computer controlled optical surfacing， CCOS)基礎(chǔ)之上[1-3]，在計(jì)算機(jī)的控制下，通過控制離子束在各加工區(qū)域的駐留時(shí)間，可將對(duì)元件材料的去除量精確地控制在原子量級(jí)，具有納米、亞納米級(jí)別的加工精度，與傳統(tǒng)的光學(xué)加工相比具有明顯優(yōu)點(diǎn)[4-6]，無載荷效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，在刻蝕過程中，由于離子束與光學(xué)元件表面微弱的相互作用，幾乎不會(huì)引入表面及亞表面亞損傷。

熔石英材料因其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、透紫外性、均勻性和耐輻射性，廣泛應(yīng)用于高能量激光窗口、航空航天、短波光學(xué)、微電子及其他光學(xué)領(lǐng)域[7]。隨著光學(xué)元件口徑的增大，光學(xué)系統(tǒng)重量大幅增加，自重變形和熱膨脹變形也成為光學(xué)加工領(lǐng)域中的新問題[3]，采用熔石英材料的熔接輕型熔石英中大口徑光學(xué)元件，最大口徑尺寸可達(dá)8 m以上，減重比70%，已成為重大光學(xué)系統(tǒng)和空間光學(xué)領(lǐng)域主流材料[8]，因此解決熔石英光學(xué)元件的超精密加工問題，一直是光學(xué)加工領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

目前，可用于離子束修形的離子源主要有考夫曼(Kaufman)、射頻(RF)和微波電子回旋共振(ECR)離子源三種[9-10]。其中，RF離子源可通過射頻匹配網(wǎng)絡(luò)將能量耦合至放電腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣體高密度電離，獲得較高的刻蝕速率，輔助于多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，該源可在真空狀況下由點(diǎn)及面，實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面面形修正，因此，RF離子源已成為離子束整形加工的首選離子源。中和器是離子束拋光系統(tǒng)中的核心部件之一，它的作用是發(fā)射電子中和離子束電荷，防止正電荷在離子束中的堆積[11]，能夠用于RF離子源光學(xué)加工的中和器主要有浸沒式鎢絲、等離子橋、空心陰極、射頻中和器等幾種[12]，浸沒式鎢絲中和器易于氧化，使用壽命較短，且由于鎢絲浸入在等離子體中，會(huì)造成工件表面的金屬污染，而等離子體橋亦采用鎢絲，使用壽命大約僅數(shù)十個(gè)小時(shí)，空心陰極具有較長(zhǎng)的使用壽命，但其電子發(fā)射能耗高，效率低，加熱器亦需要定期更換燈絲，射頻中和器優(yōu)勢(shì)在于無陰極，無溫度效應(yīng)，但是其在使用過程中需要增加一套射頻激勵(lì)裝置，成本高，對(duì)多維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的抗干擾性能提出更高的要求。本文采用一種新型的獨(dú)有的脈沖開關(guān)式(beam switch)技術(shù)，通過一個(gè)脈沖控制開關(guān)控制單元(PLM)交替地將陽極與屏柵電源和負(fù)偏壓連接，當(dāng)石墨陽極與屏柵電源接通時(shí)，離子源正常工作，而當(dāng)陽極接入負(fù)脈沖電壓時(shí)，此時(shí)加速柵聯(lián)動(dòng)接地，離子源用作電子源，發(fā)射電子束對(duì)帶正電荷的離子束進(jìn)行中和，由此，通過調(diào)整PLM單元的頻率和離子束的流脈沖占空比，實(shí)現(xiàn)中和器的功能。該中和方式雖然犧牲了部分效能，但是無需外置特別的器件，僅采用KHz的脈沖電源即可工作，無使用壽命問題。

要實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件表面面形的高精度修正，體現(xiàn)在離子束對(duì)元件的刻蝕去除函數(shù)高確定性控制，為了適應(yīng)加工元件各種復(fù)雜面形曲率的變化，離子束的去除函數(shù)必須在一定參數(shù)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié)變化，同時(shí)，去除函數(shù)必須在一定的工藝范圍內(nèi)保持較好的穩(wěn)定性[13]。本文以一種新型脈沖開關(guān)式射頻離子源離子束去除函數(shù)為研究?jī)?nèi)容，以熔石英光學(xué)元件為加工對(duì)象，通過系統(tǒng)的工藝實(shí)驗(yàn)，研究射頻離子源離子束對(duì)熔石英元件材料的去除函數(shù)的形狀和大小，以及材料去除效率隨工藝參數(shù)變化的規(guī)律，并著重分析特定工藝參數(shù)的小擾動(dòng)對(duì)去除函數(shù)的影響。

1 離子束刻蝕實(shí)驗(yàn)及去除函數(shù)獲得

1.1 離子源及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在西安工業(yè)大學(xué)自行開發(fā)的IBE-3000S離子束拋光刻蝕光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行，該平臺(tái)配置了德國(guó)SICA公司生產(chǎn)的RF40i離子源和自制的二維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。離子源采用13.56 MHz的射頻電源，工作氣體為高純氬(>99.999%)，離子光學(xué)系統(tǒng)是由屏柵、加速柵和減速柵構(gòu)成的三級(jí)柵網(wǎng)，各柵網(wǎng)均采用直徑150 mm的高純石墨球面柵，發(fā)射離子經(jīng)過柵網(wǎng)系統(tǒng)的加速、聚焦和準(zhǔn)直，向球面柵球心位置運(yùn)動(dòng)，形成高密度離子束。選擇商業(yè)購置單拋平面Φ25 mm×2 mm的熔石英玻璃作為刻蝕樣品，依據(jù)離子源的聚焦特性，在束腰位置會(huì)得到密度最大、能量最高的離子束束斑。在實(shí)驗(yàn)開始之前應(yīng)提前標(biāo)定好離子束束腰位置，選擇斑點(diǎn)實(shí)驗(yàn)法研究熔石英的刻蝕特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，預(yù)先將離子束拋光刻蝕系統(tǒng)的真空腔室本底真空抽至2.0×10-4Pa，離子源點(diǎn)火后，將射頻RF功率預(yù)設(shè)在180 W，屏柵電壓1 000 V，通入6 sccm氬氣，工作距離25 mm(束腰位置)，調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥門將工作真空維持在5.0×10-2Pa ，待離子源工作穩(wěn)定后進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)，持續(xù)工作30 min。

1.2 去除函數(shù)

通常聚焦離子束作用于元件表面，產(chǎn)生的去除函數(shù)類似高斯形狀[14-15]。利用ZYGO激光波面干涉儀測(cè)量可得離子束去除函數(shù)。去除函數(shù)模型為

(1)

式中：A與高斯函數(shù)中心最高點(diǎn)的值相等，表示離子束去除函數(shù)中心具有最大的材料去除速率，在不混淆的情況下可以稱為峰值去除速率；σ是分布參數(shù),描述了去除函數(shù)的分布情況。最終的體積去除率B為去除函數(shù)在直徑范圍內(nèi)的積分，即：

(2)

半高寬FWHM參數(shù)，是去除函數(shù)r(x，y)取峰值一半值時(shí)對(duì)應(yīng)的x方向和y方向的寬度。去除函數(shù)的形狀和大小可以用上面的峰值去除率A、體積去除率B和半高寬FWHM為指標(biāo)來表征[16]。圖1是RF功率250 W，屏柵電壓1000 V，氬氣流量6 sccm條件下獲得的典型去除斑點(diǎn)，根據(jù)斑點(diǎn)處的材料去除量和刻蝕時(shí)間的比值計(jì)算出去除函數(shù)。首先，采用ZYGO激光干涉儀測(cè)量刻蝕前后熔石英樣品的面形分別如圖1(a)和1(b)所示，將刻蝕前后的面形做差，可得去除函數(shù)的三維立體圖1(c)和3D網(wǎng)狀立體圖1(d)；之后得到去除函數(shù)的俯視圖1(e)，最后分別沿著X獲得二維的高斯曲線輪廓線圖1(f)。由圖1(f)可獲得去除函數(shù)峰值，將其與刻蝕時(shí)間相除得到峰值去除率A，之后由圖1(f)可得離子束在X方向高斯曲線輪廓線圖，以及Y方向得到高斯曲線輪廓線圖(圖中未給出)，最終得到實(shí)際去除函數(shù)為

(3)

由此，通過去除函數(shù)獲得最終的體積去除率B和峰值半高寬FWHM值。

圖1 典型熔石英離子束刻蝕后去除函數(shù)的測(cè)量Fig.1 Measurement of removal function after typical fused quartz ion beam etching

2 熔石英離子束刻蝕特性實(shí)驗(yàn)

離子束對(duì)熔石英的刻蝕特性研究，著重分析氣體流量、屏柵電壓、入射角度及工作距離對(duì)熔石英去除函數(shù)的特征量變化的影響規(guī)律，繼而分析各參數(shù)微擾變化對(duì)去除函數(shù)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)的基本工作條件為：保證離子束對(duì)材料的高確定性去除。理論上，5.0×10-2Pa時(shí)，氬氣流量6 sccm，射頻功率PRF=250 W，屏柵電壓VBeam=1 000 V，工作距離d=25 mm，入射角度θ=0°。以下各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，則是在其他參數(shù)不變的情況下，改變某一參數(shù)，刻蝕時(shí)間30 min，分析其對(duì)熔石英的刻蝕特性變化規(guī)律。

2.1 氣體流量對(duì)離子束刻蝕特性的影響

圖2(a)和(b)是不同氣體流量下，刻蝕獲得的去除函數(shù)峰值去除率A、半峰值全寬FWHM和體積去除率的變化關(guān)系。由圖2(a)可知，隨著氣體流量的增大，峰值去除率A逐漸變小，而峰值FWHM逐漸變大，顯然，隨著氬氣流量的增大，去除函數(shù)的形狀產(chǎn)生了明顯的變化，離子束的作用面積增大，而刻蝕深度降低。去除函數(shù)的形狀主要由束流的形狀決定，可見，隨著氣體流量的增大離子束斑有增大的趨勢(shì)，如圖2(b)所示，隨著氬氣流量的增大，材料的體積去除率近似線性增大，這是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)引入離子源放電腔室內(nèi)氣體濃度越高，離子束流密度也隨之相應(yīng)增大，這是導(dǎo)致材料去除率增大的主要原因。

在本文實(shí)驗(yàn)中，真空系統(tǒng)自動(dòng)抽速調(diào)節(jié)，可將工作真空穩(wěn)定在5.0×10-2Pa，如此，隨著氬氣流量的增大，雖然放電腔室局部的氣體密度略有增加，離子束束流也會(huì)相應(yīng)增大，但其增大的范圍不是很大，故而材料去除速率增大的范圍也極小，由圖2(b)可知，即使氣體流量增大了一倍，離子束對(duì)熔石英定點(diǎn)刻蝕的體積去除率變化也不超過5%，理論上，離子束對(duì)材料的刻蝕速率隨著束流密度的增大而線性增加[17]，而通過穩(wěn)定工作真空度，即使工作氣體流量在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)材料去除速率的增大的范圍也極小。

圖2 氣體流量與去除函數(shù)特征量的關(guān)系Fig.2 Relationship between gas flow rate and feature quantity of removal function

2.2 屏柵電壓對(duì)離子束刻蝕特性的影響

圖3(a)和(b)是屏柵電壓依次在800 V、900 V、1 000 V和1 100 V時(shí)，去除函數(shù)的變化情況。由圖可知，隨著屏柵電壓的增大，峰值去除率A和體積去除率B均有增大趨勢(shì)，Steibruchel給出了低能量濺射條件下材料刻蝕去除率v和入射離子能量Ei的關(guān)系[18]：

(5)

式中，系數(shù)K和濺射刻蝕閾值Eth是與氬離子和材料表面分子結(jié)合能相關(guān)的常數(shù)，去除率與入射離子能量的平方根近似成正比，而離子能量可近似地認(rèn)為與柵極電壓正相關(guān)，因此材料峰值去除率和體積去除率均隨著屏柵電壓的增大而增大，二者并未體現(xiàn)出與(5)式相似的變化關(guān)系，主要是因?yàn)闁艠O電壓與實(shí)際的離子束能量略有差異[3]，且加速柵電壓的大小與屏柵之間的結(jié)構(gòu)位置關(guān)系也會(huì)對(duì)離子束流的能量造成影響。對(duì)比不同屏柵電壓下去除函數(shù)峰值半高寬FWHM，發(fā)現(xiàn)后者隨著前者的增大而有減小趨勢(shì)，表明離子能量的增大，對(duì)離子束在軸向的分布有一定的約束作用，但隨著離子能量的進(jìn)一步增大，這種約束作用會(huì)變小，這一結(jié)論也符合Sigmund濺射理論[18]。

圖3 屏柵電壓與去除函數(shù)特征量的關(guān)系Fig.3 Relationship between screen grid voltage and feature quantity of removal function

為了對(duì)比屏柵電壓的擾動(dòng)對(duì)熔石英去除函數(shù)的影響，在同一熔石英樣品表面進(jìn)行三次點(diǎn)刻蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)刻蝕30 min，在其他工藝條件保持不變的情況下，各點(diǎn)刻蝕屏柵電壓依次為1 095 V，1 100 V和1 105 V。以屏柵電壓1 100 V的去除函數(shù)為基準(zhǔn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 屏柵電壓微擾穩(wěn)定性Fig. 4 Screen gate voltage perturbation stability

由圖4可知，在屏柵電壓波動(dòng)幅度為±5 V條件下，去除函數(shù)的峰值去除率變化小于5%，體積去除率變化小于4%，而峰值半高寬受到的影響最小，其變化不足1%，表明屏柵電壓的小擾動(dòng)對(duì)去除函數(shù)的影響小于5%。

2.3 入射角度對(duì)離子束刻蝕特性的影響

圖5(a)和(b)是離子束入射角度依次在0°、30°、40°、50°、60°和70°，其他工藝參數(shù)保持不變時(shí)，去除函數(shù)的變化情況。由圖可知，隨著入射角度的增大，去除函數(shù)的各個(gè)特征指標(biāo)均隨之增大，在60°到達(dá)峰值，而在70°時(shí)又開始下降。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中報(bào)道的Kaufman離子源刻蝕現(xiàn)象相類似，在濺射刻蝕過程中，入射離子與元件原子發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，入射離子的濺射產(chǎn)額與入射角的余弦成反比，入射角度越大，刻蝕效率越高，在入射角60°時(shí)刻蝕效率達(dá)到了最大。但是，當(dāng)入射角度過大時(shí)，離子反彈效應(yīng)增加，僅有少量的離子能與元件表面原子發(fā)生發(fā)生級(jí)聯(lián)碰撞，這也是70°時(shí)去除函數(shù)特性參數(shù)均下降的原因。

圖5 去除函數(shù)與離子束入射角度的關(guān)系Fig.5 Relationship between removal function and incident angle of ion beam

為了對(duì)比離子束入射角度的擾動(dòng)對(duì)熔石英去除函數(shù)的影響，在同一熔石英樣品表面進(jìn)行三次點(diǎn)刻蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)，保持其他工藝條件不變，分別將入射角度設(shè)定為59°、60°和61°，由于入射角度60°時(shí)去除函數(shù)的各項(xiàng)特征值最大，以此角度為基準(zhǔn)，角度的擾動(dòng)對(duì)去除函數(shù)影響最大，其結(jié)果如圖6所示。由圖可知，在入射角度變化為±1°條件下，去除函數(shù)的峰值去除率變化小于2%，體積去除率變化小于3.1%，而峰值半高寬受到的影響依然最小，其變化小于0.5%，表明即使是在對(duì)角度最為敏感的60°附近，角度的小擾動(dòng)對(duì)去除函數(shù)的影響不超過3%。

圖6 離子束入射角度的微擾穩(wěn)定性Fig.6 Perturbation stability of incident angle of ion beam

2.4 工作距離對(duì)離子束刻蝕特性的影響

圖7(a)和(b)是離子源與加工元件距離分別為20 mm、25 mm和30 mm，其他工藝參數(shù)保持不變時(shí)，去除函數(shù)的變化情況。由圖可知，由于在實(shí)驗(yàn)中采用的是聚焦離子束，故而在束腰位置25 mm附近，去除函數(shù)的半高寬最小，且峰值去除率和體積去除率最大。

圖7 去除函數(shù)與離子束入射角度的關(guān)系Fig.7 Relationship between removal function and incident angle of ion beam

為了對(duì)比離子源與加工元件工作距離擾動(dòng)對(duì)熔石英去除函數(shù)的影響，在同一熔石英樣品表面進(jìn)行五次點(diǎn)刻蝕對(duì)比實(shí)驗(yàn)，保持其他工藝條件不變，分別將工作距離設(shè)定為24 mm、24.5 mm、25 mm、25.5 mm和26 mm，以工作距離25 mm時(shí)為基準(zhǔn)，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，當(dāng)工作距離擾動(dòng)在±1 mm時(shí)，雖然峰值半高寬相對(duì)變化率僅為1.4%，但峰值去除率相對(duì)變化率接近15%，體積去除率相對(duì)變化率也超過了5%。當(dāng)工作距離擾動(dòng)控制在±0.5 mm時(shí)，峰值去除率和體積去除率的相對(duì)變化率分別下降至3%和2%。

圖8 工作距離的微擾穩(wěn)定性Fig.8 Perturbation stability of working distance

3 結(jié)論

在離子束拋光過程中，材料的高確定性去除是實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件高精密加工的前提和基礎(chǔ)，以峰值去除率A、峰值半高寬FWHM和體積去除率為特征量的去除函數(shù)是表征離子束材料去除函數(shù)的量化指標(biāo)。本文采用一種新型脈沖式中和器射頻離子源對(duì)熔石英光學(xué)元件進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn)，研究了熔石英刻蝕去除函數(shù)隨著氬氣流量、柵極電壓、離子束入射角度和工作距離的變化規(guī)律，進(jìn)而分析了各工藝參數(shù)的擾動(dòng)對(duì)去除函數(shù)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，通過控制工作真空度可有效地避免工作氣體流量擾動(dòng)對(duì)去除函數(shù)的影響，而柵極電壓、離子束入射角度和工作距離的微小擾動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)給定的范圍內(nèi)對(duì)去除函數(shù)特征參量的影響均可控制在5%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)證明了這種新型的脈沖式中和器可應(yīng)用熔石英光學(xué)元件的加工。