离子束加工课件

微细特种加工：离子束加工组员：侯闯明薛楠钱君吴智慧主要目前主流的微细加工技术及其优缺点分析离子束加工技术及应用离子束溅射离子束辅助沉积离子束抛光离子束刻蚀离子束注入目前主流的微细加工技术自上而下的微细加工技术：硅材料加工技术和LIGA技术；微细电加工（主要包括放电加工和电化学加工）；微细束流加工（主要包括准分子激光技术，电子束和离子束加工技术）；切削、磨削加工扫描探针显微镜和纳米级加工（主要工具为扫描隧道显微镜，原子力显微镜等）离子束加工的研究背景随着空间光学，短波光学和光刻技术的不断发展，光学系统对光学元件的最终面形提出了很高的要求。由于离子束加工技术具有去除率高、非接触式加工模式、工件无承重、无边缘效应、对材料无深度损伤等优点，使得这项技术被引入到光学面加工领域中来，有效的弥补了传统加工工艺的不足，并与传统加工工艺相互配合，取得了理想的加工结果，得到了很高的光学表面面形质量。离子束加工已经成为国际上光学面形加工技术的一个必不可少的重要技术返回离子源的种类液态金属离子源，也叫熔融金属场发射离子源或电流体动力离子源。离子源是聚焦离子束系统的心脏，真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现，液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等一系列优点，使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源[1、2]。液态金属离子源的基本结构如图1所示在源制造过程中，将直径0.5mm左右的钨丝经过电化学腐蚀成尖端直径只有5－10μm的钨针，然后将熔融的液态金属粘附在钨针尖上，在外加强电场后，液态金属在电场力作用下形成一个极小的尖端（泰勒锥），液态尖端的电场强度可高达1010V/m。在如此高的电场下，液态表面的金属离子以场蒸发的形式逸出表面，产生离子束流。由于液态金属离子源的发射面积极小，尽管只有几微安的离子电流，但电流密度约可达106A/cm2，亮度约为20μA/sr。离子源的种类气体场电离离子源：利用强大的电场(IV/A量级)使气体原子或分子电离的现象称为场电离。对自由原子,电子处于原子势阱中,要逸出需克服一位垒(表现为电离能).在强场中,山于电场对原子核和电子的不同作用,使原子位垒变薄变低,此时即使电子能量小于电离能,根据量子力学原理,亦存在电子穿过原子位垒而逸出的几率,即存在离解现象.当原子处于带正电的金属表而附近时,山于金属表面电荷对原子的附加作用,使电离几率更大,电离时间更短.一般的场离子发射器,均利用一尖端发射体(称发射尖,尖端曲率半径为微米级)加高压以产生强大的电场,使附近的气体原子产生电离,电子进人金属,离子以束状发射.利用适当的后续透镜系统,即可获得高亮度细聚焦的离子束输出。离子源的种类目前主要应用的离子源有考夫曼离子源，射频离子源，霍尔离子源，冷阴极离子源，电子回旋离子源，阳极层离子源，感应祸合离子源等。考夫曼离子源是应用较早的离子源，属于栅格离子源。首先由阴极在离子源内腔产生等离子体,然后由两层或三层阳极栅格将离子从等离子腔体中抽取出来。这种离子源产生的离子方向性强,离子能量带宽集中霍尔离子源是阳极在一个强轴向磁场的协作下将工艺气体等离子化"这个轴向磁场的强不平衡性将气体离子分离并形成离子束"由于轴向磁场的作用太强,其离子束需要补充电子以中和离子流轰击离子与固体原子的三种相互作用低能量(30keV以下)时,离子能的损失主要是与固体原子冲击时产生的,据认为两个原子间的冲击是以坚实的弹性球冲击。在离子质量与固体原子质量相等时效率最好,传递率为100%。高能量离子(3okeV以上)时,由于固体原子的离子化等作用关系,损失的能量显著的增加。与接近MeV的比较高的能量的离子的电子中止有关,其能量损失比率随离子的速度成比例的增加特殊的场合,与固体原子直接进行交换电荷。这时离子和反射电子等的速度相似。离子束溅射利用离子源产生一定能量的离子束轰击置于高真空中的靶材，使其原子溅射出来，沉积在基底成膜的过程。在比较低的气压下，从离子源取出的氩离子以一定角度对靶材进行轰击，由于轰击离子的能量大约为1keV，对靶材的穿透深度可忽略不计，级联碰撞只发生在靶材几个原子厚度的表面层中，大量的原子逃离靶材表面，成为溅射粒子,其具有的能量大约为10eV的数量级。由于真空室内具有比较少的背景气体分子，溅射粒子的自由程很大，这些粒子以直线轨迹到达基板并沉积在上面形成薄膜。由于大多数溅射粒子具有的能量只能渗入并使薄膜致密，而没有足够的能量使其他粒子移位，造成薄膜的破坏；并且由于低的背景气压，薄膜的污染也很低；而且，冷的基板也阻止了由热激发导致晶粒的生长在薄膜内的扩散。因此，在基板上可以获得致密的无定形膜层。在成膜的过程中，特别是那些能量高于10eV的溅射粒子，能够渗入几个原子量级的膜层从而提高了薄膜的附着力，并且在高低折射率层之间形成了很小梯度的过度层。有的轰击离子从靶材获得了电子而成为中性粒子或多或少的被弹性反射，然后，它们以几百电子伏的能量撞击薄膜，高能中性粒子的微量喷射可以进一步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应力。多离子束溅射技术多离子束溅射技术是在单离子束溅射技术的基础上发展起来的，分为主离子源和辅助离子源。多个离子源即可独立地工作也可彼此相互合作，对于大多数光学应用，主离子源和前面描述的单个离子源的功能相同，辅助离子源有下面描述的补充功能：基片的清洗和修整：在沉积薄膜之前，通过利用辅助离子源对基板的轰击，可以将吸附气体附粒子从基板上一起除去，并且也可以对极板的表面进行修整。吸收的改善和薄膜的修整：通过辅助离子源对薄膜的轰击，可以使薄膜的质量得到实质性的改善。运用活性的惰性气体离子去均匀撞击薄膜的表面，可使膜层进一步致密，使得薄膜的折射率接近于体材。它也能通过消除由晶核的形成而导致的微结构和多孔，从而使薄膜为无定型态。化学计量比的调整：利用辅助离子源将反应气体的离子准直打到基片上，并且通过精确控制到达基片的反应气体的速率，来调整薄膜成分的化学计量比。在离子束溅射技术的应用中，多离子源（达到4个）可应用到像高温超导薄膜这样的多成分薄膜的制备，同时也能用来制备比较复杂薄膜。离子束溅射镀膜应用利用离子束溅射可以制作高容量的硅负极薄膜，表现出了良好的电化学循环性能，经过了100次循环以后,薄膜电极的稳定可逆容量保持在其第二次循环容量94%左右。硅薄膜电极经过长期的电化学循环后,仍然不可避免地出现了活性颗粒的粉化现象,并且电极表面出现微裂纹,然而与普通的硅粉末电极不同的是,硅薄膜并未出现与铜集流体的脱离,仍然保持了良好的电接触性能,这是硅薄膜电极较粉末电极具有更高的循环稳定性的主要原因之一。理想的光学薄膜应该具有光学性质稳定、无散射和吸收、机械性能强和化学性质稳定等特征，而离子束溅射技术正好提供了能够达到这些要求的技术平台。国外已运用离子束溅射技术获得了反射率接近六个九的超低损耗高反射激光镜。离子束溅射技术在光纤、计算机、通信、纳米技术、新材料、集成光学等领域也即将发挥其强大的作用。尤其信息时代的到来，光纤通讯发挥了越来越大的作用，对于光纤通信容量的要求也越来越大，其中关键的器件就是波分复用器，而离子束溅射技术正是研制、开发波分复用器的优选技术。离子束辅助沉积离子束辅助沉积技术是一种在高性能薄膜制备中使用有着宽广前景的技术，离子束辅助沉积技术包括离子束清洗，离子束辅助沉积技术以及离子束后处理技术。离子束辅助沉积镀膜是在热蒸发镀膜的同时，用离子束轰击。用这种方法比单纯热蒸发镀制的光学薄膜效果好。从微观结构分析，是因热蒸发镀制的膜层呈柱状结构，在柱状间隙中，潮气的吸附和渗透造成膜的缺陷。采用离子束作辅助轰击成膜，可使膜层致密，均匀，可提高薄膜的稳定性，光学性能和机械性能也可得到改善。提高薄膜的聚集密度及折射率提高薄膜器件的稳定性降低膜层的光散性改善机械性离子束抛光一九六五年,在一次实验中,有人偶然发现了用1一MeV的高能离子束能均匀地去除熔凝硅石的表面。当时Arizona大学物理系的新型2一MeV范·德·格拉夫加速器正在予调。有人得到准备一个直径为10厘米的校验平面的任务,以便利用不光滑表面观察来自射束的萤光点。但出于偶然,在实验中采用了光滑的一面,在完成实验任务后,才发现搞错了。当时立即用条纹测试法进行检查,发现在射束照射区域内,平面的表面己被去除,而且具有极好的均匀度。当时,有人进一步推理:原子的去除与各种材料,诸如Si和O根本无关,因为轰击的能量比靶材料的结合能量和电离能量高得多。他们的结论是:用定向的正离子束来轰击玻璃表面可获得精度极高的光学表面。他们建议把这种加工方法叫做离子束抛光。离子束抛光所谓离子束抛光,就是把惰性气体氢、氢或氮等放在高真空度的其空瓶中,用高频电磁振动或放电等方法,使之电离成为正离子,再用5千至10万伏的电压对这些正离子加速,使它们具有一定的能量,并将它们聚焦成一细束,在计算机控制下轰击放在高真空室里面的经过精磨的工件表面,从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。用这种方法对工件表面进行深度从10纳米到10微米左右的精密加工。在光学成形加工中的加工深度通常为2至3个波长。处于或低于百万电子伏特范围的具有能量的重离子,由于它在固体中穿透深度极浅,产生了一种独特的辐射损伤。借助于这种现象,入射离子的全部能量都在靶表面若干微米的范围内释放出来。某一个入射离子在某一给定材料中穿透深度的具体范围,取决于离子的质量,能量和电荷大小。近于表面的能量的这种释放,早就被人们所承认,而且是溅射的基础。离子束抛光的应用高精度非球面光学零件的抛光离子束抛光提高高能激光反射镜的镀膜牢固度和反射镜的工作性能离子束抛光提高激光工作物质的性能离子束抛光加工光栅等图1是利用霍尔离子源，放电产生等离子体，轰击石英基片，在不同的阳极电压，以45度入射角抛光60分钟后所测得的粗糙度；图2是在阳极电压为600伏特时，经过不同抛光时间后测得的样品的粗糙度。离子束抛光的应用国防科大精密创新团队在李圣怡教授率领下，跳过一、二代光学零件制造加工技术，直接瞄准基于可控柔体制造的第三代光学加工方法开展攻关，在国内首次研制出拥有自主知识产权的磁流变、离子束两种超精抛光装备，创造了我国光学零件加工亚纳米的“中国精度”奇迹，使我国光学自动化加工技术及工艺一跃进入世界先进水平，成为继美、德之后第三个掌握高精度光学零件制造加工技术的国家，也是目前世界上唯一同时具有磁流变和离子束抛光装备研发能力的国家。离子束刻蚀离子束刻蚀技术的一个很重要的物理参数是溅射率，它表征着每一个入射离子打出的原子数。对材料无选择性,金属非金属均可刻蚀。只是不同材料的刻蚀速率不一样。刻蚀速率与离子束能量、束流大小、离子束轰击表面的入射角以及被加工材料的原子结构、晶向等许多因素有关。由一个离子源提供离子，离子能量低密度大，对基片损伤小，刻蚀速率快。离子能量对刻蚀速率的影响（1)刻蚀速率直接与轰击基片的离子能量有关。随着电压的增加,离子能量增加,刻蚀速率增加。(2)为了避免或尽可能减少对离子轰击基片造成的损伤，要选择适当的速率并尽量减低电压。离子束刻蚀特点及应用离子束刻蚀的特点：方向性好，各向异性，陡直度高分辨率高，可达到0.01um不受刻蚀材料限制（金属和化合物，无机物和有机物，绝缘体和半导体均可）刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形轮廓离子束刻蚀应用：（1）由于离子束刻蚀对材料无选择性，特别适合对一些化学研磨，电介研磨难以减薄的材料进行减薄；（2）由于离子束逐层剥离原子层所以具有微分分析样品的能力；（3）适应于精密加工；（4）在研究领域适用于更换靶材料。上图为利用离子束刻蚀技术得到的沟槽，下图为利用离子束刻蚀技术得到的全系闪耀光栅离子束注入离子束(focusedionbeam,FIB)加工技术在微纳米结构的加工中得到广泛的应用。离子束系统不仅能够去除材(铣削加工),还具有添加材料(离子注入和沉积)加工的能力。离子注入是采用高能离子轰击样品表面,使高能离子射入样品,入射离子通过与工件中的原子碰撞,逐渐失去能量,最后停留在样品表层。对聚焦离子束注入损伤的显微研究目前普遍使用的是透射电子显微镜。与传统的掩模注入法相比,运用聚焦离子束系统进行定点离子注入,不仅大大节省成本,还可节约加工时间。离子束注入技术的应用离子束注入技术可用于材料的改性和功能材料的表面优化，如提高材料的抗磨损特性，增加抗磨损特性，形成优质合金相和超硬膜，提高材料的抗腐蚀特性，改善金属材料抗疲劳特性离子束注入技术可保持模具的精度,进一步延长模具的使用寿命等使用离子束技术改善燃气轮机、航天器、飞机、舰艇和其他武器装备关键部件的性能,如提高这些部件的抗磨损、抗氧化和抗腐蚀性能,延长这些装备的使用寿命。脉冲多束离子注入和多弧离子镀由于单束离子注入效率低，成本高,推广困难，经过10余年的艰苦努力，逐渐发展起新的离子束加工技术，包括强脉冲金属离子注入，多层离子束混合和多弧离子镀技术。强脉冲金属离子注入：结构简单，操作方便，易于获得各种金属离子，包括到难熔金属离子，且注入效率明显提高，很适合于功能材料表面优化处理。多弧离子镀技术：与脉冲合金离子注入相似，其处理效率高，应用面广。然而，镀层与基体之间仍有界面，因此镀层在高冲击下薄层粘合强度仍显不够。多层离子束混合：离子束混合的特点是混合对象不受限制,可在金属、陶瓷、有机和无机材料的膜间混合，轰击时间短而工效高，最有成效之点就是能制备10-20种无序合金相(或称为金属玻璃)。