熔石英光學(xué)曲面的大面積納米微結(jié)構(gòu)調(diào)控制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及納米制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熔石英光學(xué)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(yīng)用價(jià)值，其應(yīng)用范圍包括光學(xué)器件、集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)等眾多高科技領(lǐng) 域。為了滿足相關(guān)技術(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)制備日益增長(zhǎng)的需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相關(guān)制備方法進(jìn)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(jìn)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(duì)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(zhǎng) 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(dá)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(jī)的納米微結(jié)構(gòu)制備速率低，設(shè)備的購(gòu)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(yīng)用；其次，當(dāng)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(dá)到納米量級(jí)，可以實(shí)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(fù)雜，并且重復(fù)使用壽命有限，不具有簡(jiǎn)單、低成本、高效的特點(diǎn)；除此之外，現(xiàn)有微 結(jié)構(gòu)制備的方法很難甚至無(wú)法在曲面上實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的制造，特別是針對(duì)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(xué)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(xué)領(lǐng)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(duì)，離子束加工技術(shù)具有低成 本、簡(jiǎn)單、高效率的特點(diǎn)。然而，離子束加工技術(shù)應(yīng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)周期、幅值等 特征的準(zhǔn)確調(diào)控；另一方面，將離子束加工應(yīng)用于曲面（特別是高陡度曲面）微結(jié)構(gòu)的制 備，對(duì)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(duì)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(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、高效率、低成本的熔石英光學(xué) 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(xué)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(xué)曲面光學(xué)零件固定在離子束加工機(jī)床的夾具上，且所述 夾具通過可驅(qū)動(dòng)熔石英光學(xué)曲面光學(xué)零件沿著C軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)和離子束加工機(jī)床 相連；
[0009] 2)設(shè)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(shí)間t ;
[0010] 3)根據(jù)待加工的熔石英光學(xué)曲面光學(xué)零件上任意點(diǎn)P的工件坐標(biāo)系和離子入射 角Θ計(jì)算出進(jìn)行離子束加工點(diǎn)p時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，從而確定對(duì)熔石英光學(xué)曲面光學(xué) 零件進(jìn)行離子束加工的運(yùn)動(dòng)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(jī)床驅(qū)動(dòng)離子源沿著所述運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)熔石英光學(xué)曲面光學(xué)零件沿著C軸做回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，使所述離子束以固定的離子入射角Θ入射至熔石英光學(xué)曲面光學(xué)零件的曲面，且每一 個(gè)加工點(diǎn)的入射時(shí)間為t，最終在熔石英光學(xué)曲面光學(xué)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(shè)置離子束加工參數(shù)時(shí)，通過設(shè)置離子入射角Θ來(lái)調(diào)控納米 微結(jié)構(gòu)的波紋形狀朝向，詳細(xì)步驟包括：在設(shè)定的離子入射角閾值區(qū)間內(nèi)確定離子濺射材 料對(duì)應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(shè)置離子入射角Θ ;如果納米微結(jié)構(gòu) 的波紋形目標(biāo)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(shè)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(shè)置離子束加工參數(shù)時(shí)，基于式（1)所示函數(shù)關(guān)系式設(shè)置離 子能量Elcin來(lái)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(dǎo)的表面粘性流動(dòng)效應(yīng)的表面自由能，Λ表示粘性流動(dòng)層的厚度，μ表示粘性流動(dòng)系數(shù)， d表示離子濺射誘導(dǎo)的彈性碰撞平滑效應(yīng)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(shè)置離子束加工參數(shù)時(shí)，基于式（2)所示函數(shù)關(guān)系式設(shè)置束 流密度Jlcm以及加工時(shí)間t來(lái)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(shí)間，其中C(q)的函數(shù)表達(dá)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(dǎo)的彈性碰撞平滑效應(yīng)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(dǎo)的表面粘性流動(dòng)效應(yīng)的表面自由能，Λ表示粘性流動(dòng)層的厚度，μ表示粘性流動(dòng)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(xué)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(diǎn)：
[0025] 1、本發(fā)明利用離子轟擊誘導(dǎo)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(dǎo)的自組裝效應(yīng)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(duì)加工系 統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)備工序，制備過程簡(jiǎn)單，對(duì)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(shí)施例方法的基本流程示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行離子束加工時(shí)的離子入射角示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例最終形成規(guī)則的納米微結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果圖。
[0031] 圖4為采用本發(fā)明實(shí)施例方法生成的波紋形狀目標(biāo)朝向和離子入射方向垂直的 納米微結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果圖。
[0032] 圖5為采用本發(fā)明實(shí)施例方法生成的波紋形狀目標(biāo)朝向和離子入射方向平行的 納米微結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果圖。
[0033] 圖6為采用本發(fā)明實(shí)施例方法生成的周期約為17nm的納米微結(jié)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果圖。
[0034] 圖7為采用本發(fā)明實(shí)施例方法生成的周期約為35nm的納米微結(jié)構(gòu)