离子束加工

离子束溅射沉积干涉光学薄膜最早应追溯到二十世纪七十年代，但是早期应用这项技术制备 的薄膜质量还不高。到一九七五年，宽束离子源的出现，使离子束溅射技术出现了一次重大 的突破，并成功地制备出了损耗极低的干涉光学薄膜。
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。
离子源的种类
等离子体离子源
射频离子源
轰击离子与固体原子的三种相互作用
• 低能量(3 0 k e V 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(3 o k e V 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Me V 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
离子束加工技术
离子束加工是在真空条 件下，先由电子枪产生电子束，再引入已抽成真空且充满惰性气体之电离室 中，使低压惰性气体离子化。由负极引出阳离子又经加速、集束等步骤，获得具有一定速 度的离子 投射到材料表面，产生溅射效应和注入效应。由于离子带正电荷，其质量比电子大数千、数万倍， 所以离子束比电子束具有更大的撞击动能，是靠微观的机 械撞击能量来加工的。 离子束加工的特点： 1.加工的精度非常高。 2.污染少。 3.加工应力、热变形等极小、加工精度高。 4.离子束加工设备费用高、成本贵、加工效率低。
• 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
目前比较成熟的光学薄膜制备技术可以归纳为三类[l一8]:物理气相沉(Physicalvorneposition,PvD) 方法，化学气相沉积(ehemicalVaPorDePosition,CVD)方法和溶液成膜法。对于光学薄膜的制备而 言,物理气相沉积方法应用最为广泛。
离子束溅射镀膜的缺点：沉积速率慢、周期长和膜层的化学计量比等
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。
• 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M e V 的高能离子束能均匀地去除熔凝硅石的表面。 当时A r iz o na 大学物理系的新型2 一Me V 范· 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 德· 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。
离子束溅射
离子束溅射镀膜的特点： • 可方便地镀制各种金属( 包括难熔金属) 、合金、氧化物、氮化物及碳化物等化合物镀层， 此外还可镀制多层复合镀层。 • 对绝缘材料基本也能稳定地镀膜 • 镀层纯度高致密, 对环境无污染 • 能方便地控制膜厚和膜层质量。 • 膜层与基体的结合力好 • 在大面积基片上, 能获得均匀的薄膜 • 靶的寿命长, 因此制做的薄膜质量
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。
早期的光学薄膜一般是采用电子束蒸发技术制备的。但是，国内外的研究表明，这种制膜 技术自身存在着很多不完善的地方，难以制备出反射率突破99.99%的高质量光学薄膜。然 而，经过近三十年的发展，离子束溅射技术已成为制备高质量光学薄膜的一种最有效的方 法，运用这项技术可以很容易地制备出损耗小于40ppm 的介质干涉薄膜，其早期主要应用 于激光陀螺和高功率激光镜的研制。
微细特种加工：离子束加工
组员：侯闯明 薛楠 钱君 吴智慧
主要内容
• 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
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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）
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1 0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。
离子束加工被认为是最有前途的超精密加工和微细加工技术。是一种原子级的加工方法， 具有极高的分辨率，广泛应用于航空航天制造等领域。
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 入到光学表面加工领域中来，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
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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。
Leabharlann Baidu
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方案。
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
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10 0 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。