專利名稱：應(yīng)用于離子束拋光工藝的離子束確定性添加裝置及離子束拋光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)元件的離子束拋光加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及ー種離子束確定性添加裝置及離子束拋光系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著光學(xué)系統(tǒng)性能的不斷提升，光學(xué)零件的精度要求越來越高，對現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。以極紫外光刻(EUVL)技術(shù)為例，構(gòu)成極紫外光刻(EUVL)系統(tǒng)鏡面不同頻段的誤差對成像質(zhì)量影響機制各不相同，要求全頻段誤差的均方根值全部控制在亞納米范圍，對現(xiàn)代光學(xué)制造技術(shù)提出了最為苛刻的要求。現(xiàn)代光學(xué)零件加工較之傳統(tǒng)加工的ー個突破性進(jìn)展是利用計算機控制的“小磨頭”進(jìn)行拋光的光學(xué)表面成型技術(shù)(CCOS )，其基本思想是利用小工具拋光頭代替手工拋光，實現(xiàn)誤差高點的定量去除，從而能夠提高光學(xué)鏡面的面形收斂效率。離子束修形技術(shù)就是基于CCOS成型原理，利用物理濺射效應(yīng)實現(xiàn)被加工表面材料的納米精度去除。其非接觸式的加工方式克服了傳統(tǒng)拋光加工過程中的邊緣效應(yīng)、刀具磨損和壓カ負(fù)載等缺點，并且加エ過程具有高確定性和高穩(wěn)定性，這使得離子束修形技術(shù)在加工不同材質(zhì)和形狀的光學(xué)材料時，具有明顯的經(jīng)濟效應(yīng)和質(zhì)量優(yōu)勢。目前Carl Zeiss公司通過研究提出的離子束修形技術(shù)是最接近光刻物鏡要求的最終加工手段，其充分體現(xiàn)了離子束確定性修形技術(shù)的加工性能。然而，隨著光學(xué)系統(tǒng)對光學(xué)零件加工精度要求的不斷提高，對離子束拋光技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。首先，離子束拋光過程中的粗糙度變化機理及規(guī)律尚不明確，缺乏系統(tǒng)的理論解釋和實驗研究。有實驗表明在離子束拋光過程中，材料表面粗糙度不會得到改善反而還會出現(xiàn)潛在的増加，也有實驗表明離子束拋光導(dǎo)致了粗糙度值的降低，但是粗糙度的改善也是非常有限的。為了有效地改善表面質(zhì)量，NTGL公司提出了ー種利用涂抹犧牲層的方法，在合適的入射角條件轟擊下可降低鏡面表面的粗糙度，應(yīng)用該方法將熔石英的表面粗糙度由O. 53nm RMS降低到O. 25nm RMS，但是這種涂抹方法和入射角的選擇較為困難，而且無法保證面形精度的提高。其次，隨著加工精度的不斷提高，離子束拋光技術(shù)面臨著修正中高頻誤差成分的問題，為了去除不同頻率成分的誤差高點，可以控制去除函數(shù)束徑從幾十毫米變化到幾毫米范圍內(nèi)，去除函數(shù)束徑的減小拓寬了其頻率范圍，提高了誤差修正能力。德國IOM研究所、意大利布雷西亞天文臺和國防科技大學(xué)都對細(xì)小離子束修正中高頻誤差的方法進(jìn)行了相關(guān)的研究，其主要研究工作聚焦于如何獲取細(xì)小束徑和進(jìn)行初步的驗證實驗。但是，束徑的減小是有限的，還需要考慮定位誤差和加工時間等因素。再次，雖然離子束拋光技術(shù)具有原子分子量級的材料可控去除能力，但對于誤差聞點和低點的材料去除效率幾乎是一樣的。在進(jìn)行納米精度的加工中很難將誤差低點去除掉，難以實現(xiàn)大誤差梯度的去除加工。為了解決這ー問題，通常需要與其他加工エ藝相結(jié)合，但是無法保證在去除大梯度誤差的同時，保證其它區(qū)域的面形精度，而且所需要的加工時間會大大增加。因此，以單ー誤差高點去除為機理的離子束拋光方法已經(jīng)難以實現(xiàn)全頻段面形誤差的一致收斂和大梯度誤差的去除加工，目前尚未有能有效解決高精度光學(xué)鏡面加工中所存在的上述問題的加工エ藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便、可有效改善光學(xué)元件的表面粗糙度、修正光學(xué)鏡面中高頻誤差的應(yīng)用于離子束拋光エ藝的離子束確定性添加裝置以及離子束拋光系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為ー種應(yīng)用于離子束拋光エ藝的離子束確定性添加裝置，所述離子束確定性添加裝置包括支撐架、支撐架中裝設(shè)的離子源和受該離子源發(fā)出的離子束轟擊的靶材，所述支撐架包括有固定所述靶材的靶材固定夾具，所述支撐架上設(shè)置有用于截取靶材濺射原子流的光闌(靶材濺射原子流是使用離子束轟擊靶材濺射出的材料原子流，亦即濺射原子通量，其分布規(guī)律會受到離子束拋光加工參數(shù)的影響);所述支撐架底部裝設(shè)有用于安裝至所述離子束拋光系統(tǒng)的安裝法蘭。該離子束確定性添加裝置的主要工作原理為利用離子束轟擊靶材，使其向待加工エ件發(fā)送具有一定能量的濺射原子流，經(jīng)過光闌后即可獲取實驗需求的添加函數(shù)，再根據(jù)拋光加工中確定的添加駐留時間控制添加裝置實現(xiàn)光柵掃描運動，以對待加工エ件的面形誤差低點處進(jìn)行確定性添加，進(jìn)而在誤差低點形成ー層起保護作用的犧牲層。上述的離子束確定性添加裝置中，所述光闌優(yōu)選為設(shè)置于所述靶材前方的帶孔鑰板(一般置于靶材和光學(xué)鏡面之間)。所述光闌主要用于截取部分的靶材濺射原子流，以改 變添加裝置中添加函數(shù)(添加函數(shù)是相對于離子束確定拋光中的去除函數(shù)而言)的尺寸大小和添加速率。上述的離子束確定性添加裝置中，所述靶材固定夾具上優(yōu)選開設(shè)有腰形孔，所述靶材通過接頭裝設(shè)于腰形孔中。靶材是通過圓孔和腰形孔使用螺栓固定，靶材旋轉(zhuǎn)角度吋，圓孔一端相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)中心，那么靶材另一端的位置會變化，通過設(shè)置腰形孔便可根據(jù)需要調(diào)節(jié)靶材的旋轉(zhuǎn)角度，從而控制離子束轟擊靶材的入射角。作為ー個總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種離子束拋光系統(tǒng)，包括真空室、設(shè)于真空室內(nèi)的運動系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)，所述運動系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)相互連接，所述離子束拋光系統(tǒng)中還設(shè)有上述的離子束確定性添加裝置(離子束確定性添加裝置的離子源包含于所述離子源系統(tǒng)中，離子束確定性添加裝置裝設(shè)于所述離子源系統(tǒng)上)，正對所述離子束確定性添加裝置的離子束發(fā)射方向布置有材料去除エ藝用夾具，正對所述離子束確定性添加裝置的濺射原子流方向布置有材料添加工藝用夾具。上述的離子束拋光系統(tǒng)中，所述材料去除エ藝用夾具優(yōu)選位于所述離子束確定性添加裝置的上方，所述材料添加エ藝用夾具優(yōu)選位于所述離子束確定性添加裝置的前方，裝夾到所述材料去除エ藝用夾具上的待加工光學(xué)元件與裝夾到所述材料添加工藝用夾具上的待加工光學(xué)元件相互保持垂直，這種布置方式便于兩種加工方法中機床的運動，也就是駐留時間的實現(xiàn)。上述的離子束拋光系統(tǒng)中，所述真空室優(yōu)選由上真空罩和下真空罩拼接組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
I.將本發(fā)明的添加裝置及離子束拋光系統(tǒng)應(yīng)用于材料添加與去除相結(jié)合的離子束拋光エ藝后，能夠在待加工鏡面的面形誤差低點形成ー層保護性犧牲層，能夠有效地去除大梯度誤差，避免了拋光エ藝中因形成過分低點而造成拋光工作量顯著 増大的問題，很大程度上提高了拋光加工的收斂效率。2.將本發(fā)明的添加裝置及離子束拋光系統(tǒng)應(yīng)用于材料添加與去除相結(jié)合的離子束拋光エ藝后，能夠?qū)崿F(xiàn)待加工鏡面面形全頻段誤差的一致收斂，可以在較短時間內(nèi)實現(xiàn)光學(xué)鏡面的高精度加工，是ー種高效的光學(xué)零件加工設(shè)備?？傮w而言，本發(fā)明的添加裝置及離子束拋光系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便，而且還可有效地改善光學(xué)元件的表面粗糙度，延拓了離子束拋光加工的性能，解決了離子束高精度光學(xué)零件加工發(fā)展過程中不能修正面形中高頻誤差和改善表面粗糙度的瓶頸。


圖I為本發(fā)明實施例中離子束確定性添加裝置進(jìn)行材料添加的原理圖。圖2為本發(fā)明實施例中離子束確定性添加裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中離子束拋光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例中添加函數(shù)實驗前實驗樣件的初始面形圖。圖5為本發(fā)明實施例中添加函數(shù)實驗后實驗樣件的面形圖。圖6為本發(fā)明實施例中獲取添加函數(shù)時材料添加量的分布圖。圖7為本發(fā)明實施例中添加函數(shù)的分布圖。圖8為本發(fā)明實施例中添加函數(shù)分別沿z和ァ方向的輪廓圖。圖9為本發(fā)明實施例中測得的待加工鏡面的初始面形圖。圖10為本發(fā)明實施例中材料添加后待加工エ件的面形圖。圖11為本發(fā)明實施例中迭代拋光加工完成后待加工エ件的面形圖。圖12為本發(fā)明實施例的離子束拋光加工過程面形誤差收斂的PSD曲線。圖13為本發(fā)明實施例中待加工エ件表面初始粗糙度測量圖。圖14為本發(fā)明實施例中材料添加后待加工エ件的粗糙度測量圖。圖15為本發(fā)明實施例中迭代拋光加工后待加工エ件的粗糙度測量圖。圖16為本發(fā)明實施例的離子束拋光加工過程粗糙度變化的PSD曲線。圖例說明
I.離子束確定性添加裝置；11.靶材；12.光闌；13.安裝法蘭；14.支撐架；15.靶材固定夾具；16.腰形孔；17.添加函數(shù)；2.離子源系統(tǒng)；20.離子源；3.真空室；31.下真空罩；32.上真空罩；4.運動系統(tǒng)；5.材料去除エ藝用夾具；6.材料添加工藝用夾具；7.待加工光學(xué)元件；8.保護性犧牲層。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)ー步描述。
實施例
一種如圖I和圖2所示的應(yīng)用于離子束拋光エ藝的離子束確定性添加裝置，該離子束確定性添加裝置I包括支撐架14、支撐架14中裝設(shè)的離子源20和受該離子源20發(fā)出的離子束轟擊的祀材11，支撐架14包括有固定祀材11的祀材固定夾具15,祀材固定夾具15上開設(shè)有一扇形的腰形孔16，靶材通過接頭裝設(shè)于腰形孔16中，通過腰形孔16可以調(diào)節(jié)靶材11的傾斜角度(即改變離子束的入射角)，本實施例中離子束的入射角為45°，還可以根據(jù)需要更換靶材11的種類。支撐架14上設(shè)置有用于截取靶材濺射原子流的光闌12，光闌12為設(shè)置于靶材11前方的帶孔鑰板；光闌12主要是用于截取濺射的原子通量，獲得確定性材料添加過程的添加函數(shù)17，可以根據(jù)需要改變光闌12的大小，以調(diào)整添加函數(shù)17的束徑。支撐架14底部裝設(shè)有用于安裝至離子束拋光系統(tǒng)的安裝法蘭13。其中，離子源20、革巴材11和光闌12的相對位置是固定的。本實施例的離子束確定性添加裝置的工作原理如圖I和圖3所示材料添加過程開始前，待加工光學(xué)元件7通過材料添加工藝用夾具6側(cè)向裝夾，光闌12與鏡面的距離保持不變，利用離子源20發(fā)射離子束轟擊靶材11，使靶材11向材料添加工藝用夾具6上裝夾的待加工光學(xué)元件7發(fā)送具有一定能量的濺射原子通量，經(jīng)過光闌12后獲取實驗需求的添加函數(shù)17，通過求解得到的添加駐留時間控制離子束確定性添加裝置I實現(xiàn)光柵掃描運動，以實現(xiàn)對面形誤差低點處進(jìn)行確定性添加，形成保護性犧牲層8。離子束轟擊靶材11的能量通過離子源20控制，可以根據(jù)需要做相應(yīng)地調(diào)節(jié)，本實施例中離子束的束能為IKeV。ー種圖3所示的本發(fā)明的離子束拋光系統(tǒng)，包括真空室3(真空室3由上真空罩32和下真空罩31拼接組成)、設(shè)于真空室3內(nèi)的(XYZ)運動系統(tǒng)4和離子源系統(tǒng)2，運動系統(tǒng)4和離子源系統(tǒng)2相互連接，離子源系統(tǒng)2上方連接有上述的離子束確定性添加裝置1，運動系統(tǒng)4的和z軸可帶動離子束確定性添加裝置I進(jìn)行運動。正對離子束確定性添加裝置I的離子束發(fā)射方向布置有材料去除エ藝用夾具5，正對離子束確定性添加裝置I的濺射原子流方向布置有材料添加工藝用夾具6。材料去除エ藝用夾具5位于離子束確定性添加裝置I的上方，材料添加工藝用夾具6位于離子束確定性添加裝置I的前方，裝夾到材料去除エ藝用夾具5上的待加工光學(xué)元件7與裝夾到材料添加工藝用夾具6上的待加工光學(xué)元件7在空間保持垂直。材料添加時待加工光學(xué)元件7安裝在材料添加工藝用夾具6上；當(dāng)進(jìn)行材料去除拋光時，可拆除離子束確定性添加裝置1，并將完成材料添加后的待加工光學(xué)元件7安裝在材料去除エ藝用夾具5上。加工過程中的駐留時間都是通過控制機床運動系統(tǒng)4來實現(xiàn)。將本實施例的離子束拋光系統(tǒng)應(yīng)用于光學(xué)鏡面的納米精度加工，本實施例中，待加工エ件為Φ IOOmm的石英平面(有效口徑為Φ90·ι)，鏡面的初始面形誤差RMS值為110. 2nm PV, 23. Onm RMS (參見圖9)，該加工過程具體包括以下步驟
(I)獲取添加函數(shù)取一與待加工エ件同樣材料的實驗樣件，使用波面干涉儀測量該實驗樣件的初始面形誤差分布如圖4所示；設(shè)定材料添加時間為5min，使用裝設(shè)有上述離子束確定性添加裝置的離子束拋光系統(tǒng)對實驗樣件給定點進(jìn)行材料添加；然后再使用波面干涉儀對材料添加后的面形誤差進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖5所示；對材料添加前后測量獲得的面形作差得到材料添加量，如圖6所示；再用材料添加量除以設(shè)定的材料添加時間即獲取得到添加函數(shù)A(x，y);添加函數(shù)是相對于離子束確定拋光中的去除函數(shù)而言，由于添加過程中由離子源發(fā)射出的離子的能量和流量是設(shè)定不變的，所以添加函數(shù)同樣具有很好的穩(wěn)定性；為了更精確地獲得添加函數(shù)，本實施例中通過獲得的四個添加函數(shù)求平均的方法得到下一歩求解添加駐留時間時使用的添加函數(shù)，如圖7所示，添加函數(shù)束徑為28. 3_ ;圖8為本發(fā)明實施例中添加函數(shù)分別沿Z和ァ方向的輪廓圖。(2)添加駐留時間的確定利用波面干涉儀測量所述待加工エ件的初始面形誤差，測量結(jié)果如圖9所示，記為E(x，y)，以E(x，y)取反后的數(shù)值作為待加工エ件添加過程的材料添加量Ea(X，y),再根據(jù)ニ維卷積公式Ea(X，y) =A(x, y) *TA(x, y),確定出添加駐留時間TA(x, y);駐留時間的確定主要是基于CCOS成型原理，即材料添加量EA(x，y)是添加函數(shù)A(x，y)與添加駐留時_TA(x，y)的ニ維卷積，通過該卷積公式求解即可獲得添加駐留時間；由于材料添加和去除是兩個完全相反的加工過程，為了使添加過程與材料去除過程的駐留時間程序共用，將期望的材料去除量(即待加工エ件的面形誤差E(x，y))的符號取反，再根據(jù)-E (X，y) =A (X，y) *TA (X，y)即可確定出添加駐留時間Ta (x, y)。、(3)確定性添加控制根據(jù)上述步驟(2)確定的添加駐留時間Ta(X，y)，使用本實施例的離子束拋光系統(tǒng)對待加工エ件進(jìn)行確定性添加控制(添加控制的具體過程可參見上文添加裝置的工作原理部分)，使得待加工エ件的面形誤差低點處形成一層如圖10所示的保護性犧牲層(在面形誤差低點處形成的起保護作用的材料層，在材料去除控制環(huán)節(jié)需要完全去除)，確定性材料添加過程僅經(jīng)過一次迭代加工，耗時27. 5min，其面形誤差收斂到了49. 9nm PV, 6. 5nm RMS，收斂比達(dá)到了 3. 54，可見待加工エ件的初始面形誤差低點基本得到了修正。(4)去除駐留時間的確定利用波面干涉儀測量上述步驟(3)后待加工エ件的面形誤差，測量結(jié)果記為E' (x，y)，以E' (x，y)作為待加工エ件去除過程的材料去除量Ef(x, y),再根據(jù)ニ維卷積公式Ef (x, y) =R (x, y)*TF(x, y),確定出去除駐留時間Tf (x, y)；其中R(x，y)為常規(guī)方法獲取的去除函數(shù)，去除函數(shù)的束徑為5. 4_;去除駐留時間的確定同樣是基于CCOS成型原理，即材料去除量Ef(x，y)是去除函數(shù)R(x，y)與去除駐留時間Tf(x, y)的ニ維卷積，通過該卷積公式求解即可獲得去除駐留時間。(5)確定性去除控制根據(jù)上述步驟(4)確定的去除駐留時間Tf(X，y)，使用本實施例的離子束拋光系統(tǒng)對待加工エ件進(jìn)行確定性去除控制，確定性材料去除過程共經(jīng)過三次迭代加工直至去除保護性犧牲層，耗時35. 5min，其面形誤差收斂到了 10. 4nm PV, I. 3nmRMS，其收斂比達(dá)到了 5. 0，完成待加工エ件光學(xué)鏡面納米精度的加工。本實施例最后的加工結(jié)果如圖11所示，本實施例的離子束拋光加工過程總計用時63. Omin，其總的收斂效率達(dá)到了 17. 7，這充分說明本實施例的離子束拋光系統(tǒng)應(yīng)用于離子束材料添加和去除聯(lián)合エ藝過程具有很高的確定性，可以獲得很高的加工收斂效率。圖12給出了本實施例加工前后待加工エ件面形誤差的PSD曲線，比較各條曲線可以看出聯(lián)合エ藝可以對各頻段的面形誤差進(jìn)行消除和抑制，對中高頻成分具有有效的修正能力。本實施例中，通過使用白光干涉儀測量了拋光加工前后及各階段的表面粗糙度值，測量結(jié)果如圖13 圖15所示，由圖可知，應(yīng)用本發(fā)明離子束拋光系統(tǒng)后的拋光エ藝對表面粗糙度的改善是非常顯著的，由初始的O. 78nm Ra下降到了 O. 44nm Ra,說明材料添加過程對高頻誤差成分具有修正能力，經(jīng)過材料去除エ藝后，粗糙度的變化并不明顯，只是稍有改善。圖16給出加工前后粗糙度變化的PSD曲線，這同樣說明添加與去除的聯(lián)合エ藝對誤差高頻段也具有一致的 修正能力。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于離子束拋光系統(tǒng)的離子束確定性添加裝置，其特征在于所述離子束確定性添加裝置包括支撐架、支撐架中裝設(shè)的離子源和受該離子源發(fā)出的離子束轟擊的靶材，所述支撐架包括有固定所述靶材的靶材固定夾具，所述支撐架上設(shè)置有用于截取靶材濺射原子流的光闌；所述支撐架底部裝設(shè)有用于安裝至所述離子束拋光系統(tǒng)的安裝法蘭。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的離子束確定性添加裝置，其特征在于所述光闌為設(shè)置于所述靶材前方的帶孔鑰板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的離子束確定性添加裝置，其特征在于所述靶材固定夾具上開設(shè)有腰形孔，所述靶材通過接頭裝設(shè)于腰形孔中。
4.一種離子束拋光系統(tǒng)，包括真空室、設(shè)于真空室內(nèi)的運動系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)，所述運動系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)相互連接，其特征在于所述離子束拋光系統(tǒng)中還設(shè)有權(quán)利要求I 3中任ー項所述的離子束確定性添加裝置，正對所述離子束確定性添加裝置的離子束發(fā)射方向布置有材料去除エ藝用夾具，正對所述離子束確定性添加裝置的濺射原子流方向布置有材料添加工藝用夾具。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的離子束拋光系統(tǒng)，其特征在于所述材料去除エ藝用夾具位于所述離子束確定性添加裝置的上方，所述材料添加工藝用夾具位于所述離子束確定性添加裝置的前方，裝夾到所述材料去除エ藝用夾具上的待加工光學(xué)元件與裝夾到所述材料添加工藝用夾具上的待加工光學(xué)元件相互保持垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的離子束拋光系統(tǒng)，其特征在于所述真空室由上真空罩和下真空罩拼接組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于離子束拋光系統(tǒng)的離子束確定性添加裝置，包括支撐架、支撐架中裝設(shè)的離子源和受該離子源發(fā)出的離子束轟擊的靶材，支撐架包括有固定靶材的靶材固定夾具，支撐架上設(shè)置有用于截取靶材濺射原子流的光闌；支撐架底部裝設(shè)有用于安裝至離子束拋光系統(tǒng)的安裝法蘭。本發(fā)明還公開了一種離子束拋光系統(tǒng)，包括真空室以及相互連接的運動系統(tǒng)和離子源系統(tǒng)，離子束拋光系統(tǒng)中設(shè)有前述添加裝置，正對添加裝置的離子束發(fā)射方向布置有材料去除工藝用夾具，正對添加裝置的濺射原子流方向布置有材料添加工藝用夾具。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作安裝方便，可有效改善光學(xué)元件的表面粗糙度、修正光學(xué)鏡面中高頻誤差。
文檔編號B24B1/00GK102672550SQ201210135948
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者周林, 廖文林, 戴一帆, 李圣怡, 袁征, 解旭輝 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)