离子束加工技术

1、离子束加工技术1离子束溅射技术的发展离子束溅射沉积干涉反射膜的进展可总结为2:1976年之前，一般干涉反射膜反射率R99%；1976年离子束溅射干涉膜（淀积技术突破），反射率R=99.9%；1979年离子束溅射干涉膜（测量技术突破），反射率R=99.99%；1983年离子束溅射干涉膜损耗降到60ppm,反射率R=99.994%；1988年离子束溅射干涉膜损耗降到10ppm以下，反射率R=99.999%；1992年离子束溅射干涉膜损耗降到1.6ppm,反射率R=99.99984%；1997年离子束溅射干涉膜用于ICF三倍频激光反射镜实验，351nm波长激光 （脉冲）损伤阈值达20J/cm2；19

2、98年离子束溅射干涉膜用于ICF基频激光反射镜实验，得到了 1060nm波长 激光（脉冲）损伤阈值达50J/cm2，吸收损耗小于6ppm的实验结果。在国内，对离子束溅射技术的研究非常少，在很多领域几乎接近于空白，根据国 家和时代的需要，这项技术的研究在国内变得尤为迫切。.2离子束溅射技术的原理和特征2.1离子束溅射技术在比较低的气压下，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

3、，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

4、步使薄膜致密而且也增强了薄膜的内应 力2.2双离子束溅射技术对于大多数光学应用，主离子源和上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：(1)基片的清洗和修整(2)吸收的改善和薄膜的修整 (3)化学计量比的调整3应用前景目前，离子束溅射技术的应用领域不断地被拓宽，并且应用的光谱波段也早已从可见光拓宽到红外、紫外、X射线等范 围。到1992年，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

5、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方案。可见，离子束溅射技术在一定有着更加广阔的前景，引起人们的更加重筷离子束刻蚀工艺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。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。4. 1不同材料的刻蚀速率由于离子束刻蚀装置中采用了中和灯丝，可中和Ar +离子的正电荷，使正离子束变成中性束。以这种高能的中性束轰击被刻蚀基片而实现刻蚀加工，所以对材料无选择性，金属非金属均可刻蚀。只是不同材料的刻蚀速率不一样。表1几种

6、常用材料的刻蚀速率材料名称Au Pt W S i SiO2刻蚀速率/ nm - m in- 1 66. 0 33. 0 16. 0 16. 0 10. 04. 2离子能量对刻蚀速率的影响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。4. 3束流大小对刻蚀速率的影响随束流增加刻蚀速率增加。4. 4离子束刻蚀的其它应用对化学研磨、电介研磨难以减薄的材料的减薄。具有微分分析样品的能力，并适应进行精密加工。5离子束抛光的基本原理将导电的工件放在密闭环境中加负偏压，在高真空环境下通入一定量的惰性气体（如氩气），并使其进行电离生成带正电 荷的离子。带正电荷的离子在电场作

7、用下加速运动，并近似沿零 件表面的法向方向轰击零件，将零件表面的原子碰撞出去从而 实现零件表面的微量去除，达到提高零件表面形状精度的目的。 设带正电荷离子的电荷量为q,质量为m,初速度为零，所 处电场的强度为E,则其加速度a:a= q Em显然，正离子的飞行时间越长，轰击零件表面时的速度就越 高，传递给零件原子的动能也越大，.相应的去除量就大。6离子束抛光工艺过程光学设计，计算近似面，光学车间加工，测出矩阵误差，确定离子束的位置和停 留时间，离子束加工，完成光学零件。.7离子束抛光的优缺点.加工精度高、光洁度好2 .提高非球面光学零件的加工效率，降低加工费用。用3 .工艺性能广泛。往.加工零件的表面结构好。5 .缺点：设备制造费用大，需耍应用计算 机、高其空设备、高精度干涉仪等现代化装置、高其空设备、高精度干涉仪等现代化装置垸丁俳乂 现化衣旦离子束抛光的典型应用.高精度非球面光学零件的抛光.离子末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.、9离子束注入技术通常，金属零件进行表面淬火处理需在10 0 F高 温下进行，这将可能导致零件变形，而采用离子束注 人技术，操作温度一般仅需3 0 F