阅读说明：本技术 一种制造微纳米台阶阵列结构的离子束抛光加工方法 (Ion beam polishing processing method for manufacturing micro-nano step array structure ) 是由 李平 段辉高 王兆龙 于 2020-02-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种制造微纳米台阶阵列结构的离子束抛光加工方法,该方法首先准备一片衬底,在衬底上沉积一定微纳米厚度的电介质层薄膜,并对电介质层薄膜的厚度与表面形貌进行观测；通过单点驻留抛光试验确定电介质层薄膜的离子束抛光工艺去除函数；根据单点驻留去除函数确定等效的光栅扫描去除函数与微纳米台阶高度,并采用栅格路径扫描法对电介质层薄膜开展不同扫描速度条件下的分区域加工；利用检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测并判别；最后将微纳米台阶加工信息保存至数据库。本方法不仅工艺简单、可操作性强,适用于电介质层薄膜表面的大面积、阶跃式微纳米台阶阵列的高效率超精密制造。(The invention discloses an ion beam polishing processing method for manufacturing a micro-nano step array structure, which comprises the steps of firstly preparing a substrate, depositing a dielectric layer film with certain micro-nano thickness on the substrate, and observing the thickness and the surface appearance of the dielectric layer film; determining an ion beam polishing process removal function of the dielectric layer film through a single-point resident polishing test; determining an equivalent raster scanning removal function and the height of the micro-nano step according to the single-point resident removal function, and performing regional processing on the dielectric layer film under the conditions of different scanning speeds by adopting a raster path scanning method; detecting and judging the height, surface shape precision and surface roughness of a single micro-nano step by using a detection device; and finally, storing the micro-nano step processing information to a database. The method is simple in process and strong in operability, and is suitable for high-efficiency ultra-precise manufacturing of large-area step-type micro-nano step arrays on the surface of the dielectric layer film.)

一种制造微纳米台阶阵列结构的离子束抛光加工方法

技术领域

本发明属于微纳制造领域，尤其涉及一种在大面积电介质层薄膜表面制造阶跃式微纳米台阶阵列结构的离子束抛光加工方法。

背景技术

随着现代光学技术的不断发展，功能光电器件对电介质层薄膜(光学薄膜)的性能提出了越来越高的要求。在电介质层薄膜中引入各种微纳结构，通过将微纳结构的折射、衍射作用与电介质层薄膜的干涉作用相结合，可以进一步调控与拓展功能光电器件系统的功能。例如，单片阶跃式微纳米台阶阵列结构由于集成了不同台阶高度的信息，在全息透镜、菲涅尔波带片、微透镜、集成滤光片及等离激元纳米光学等功能光电器件上得到了非常重要的应用。

由于电介质层薄膜的厚度一般在微米甚至纳米量级，而且其单片集成微纳米台阶阵列的高度需要呈现阶跃式梯度变化，因此其制造工艺面临极大挑战。现有阶跃式微纳米台阶阵列结构的制造大都通过紫外光刻、像素化掩膜版光刻、电子束灰度曝光和电子束冰刻等技术来实现，但其应用范围存在较大的局限性。一方面，光刻技术难以实现大面积和非抗蚀剂材料上的台阶阵列结构制作。另一方面，虽然一些学者提出了将光刻工艺和离子束刻蚀工艺相结合的套刻方法，能够实现大面积、高精度和非抗蚀剂材料上的阶跃式微纳米台阶阵列结构制作，但该方法存在整体工艺复杂、掩膜版固化及加工成本过高等问题。例如，专利(申请号：200910207134.X)涉及了一种具有多波长处理功能的单片集成探测器阵列的制备方法，经过多次刻蚀工艺和二次外延生长工艺在GaAs基衬底上实现了多阶梯结构的Fabry-Pérot谐振腔结构。另外，专利(申请号：201410519408.X)和专利(申请号：201410519354.7)提出了一种高精度多台阶微透镜阵列的制作方法，一定程度上解决了现有方法对操作者和操作设备的制作精度要求高、成品率较低及成本高的问题。

目前，离子束抛光加工已发展成为超精密光学零件制造工艺链中的一种成熟工艺技术。其基本原理是在真空环境中，通过离子源发射的离子束轰击工件表面，利用离子轰击产生的物理溅射效应实现工件表面材料的确定性去除。离子束抛光加工具有纳米尺度和纳米精度量级的制造能力，是一种高确定性、高稳定性和非接触的加工方式，不仅适用于现代光学中平面光学零件的超精密加工，而且在非球面、自由曲面、异型/薄型等难加工零件中具有巨大的应用市场。因此，将离子束抛光加工技术应用于电介质层薄膜的大面积、阶跃式微纳米台阶阵列结构制造具有高度的可行性和重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是：针对现有阶跃式微纳米台阶阵列结构制造依赖于光刻胶材料、整体工艺复杂、掩膜版固化与加工成本过高，以及在电介质层薄膜表面制造微纳结构异常困难等问题，开发一种适用于电介质层薄膜的大面积、阶跃式微纳米台阶阵列结构离子束抛光加工方法，实现微纳米台阶阵列的高效率、超精密及低成本制造需求。

本发明所采取的技术方案是：一种制造微纳米台阶阵列结构的离子束抛光加工方法，首先准备一片高表面精度与高表面质量的衬底；然后，在衬底上沉积一定微纳米厚度的电介质层薄膜，并对电介质层薄膜的厚度与表面形貌进行观测；通过单点驻留抛光试验确定电介质层薄膜的离子束抛光工艺去除函数；根据单点驻留去除函数确定等效的光栅扫描去除函数与微纳米台阶高度，并采用栅格路径扫描法对电介质层薄膜开展不同扫描速度条件下的分区域加工；再利用检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别其检测结果是否符合加工精度要求，若不符合则重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工；最后将微纳米台阶加工信息保存至数据库。

具体技术方案包括以下几个关键点：

(1)衬底准备

本发明方案中衬底材料选择硅片或石英玻璃。为了保证微纳米台阶阵列结构高精度制造过程的可靠性与稳定性，需要对订制的大面积衬底材料的表面精度与表面质量提出一定要求。以尺寸为Φ50.8×2mm的硅片衬底和55mm×55mm×2mm的石英玻璃衬底为例，要求它们在全口径范围内的面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm，同时表面不允许出现裂纹、划痕及凹坑等缺陷。(2)电介质层薄膜沉积以及薄膜厚度与形貌观测

通过电子束蒸发系统(Kurt J.Lesker,Lab-Line)在已准备好的衬底材料上沉积厚度在光学厚度范围(～1000nm)的电介质层薄膜材料，要求薄膜沉积过程中沉积速率稳定、薄膜厚度均匀且沉积后无表面应力释放。电介质层薄膜沉积完成后，采用光谱椭偏仪(SE-VE)对薄膜厚度进行测量，并对测量数据的沉积误差进行分析；采用场发射扫描电子显微镜(FESEM,Zeiss Sigma-HD)对制得的电介质层薄膜的表面形貌进行观测。

(3)电介质层薄膜单点驻留抛光试验

在离子束抛光机床上开展电介质层薄膜单点驻留抛光试验，获取去除函数A(x,y)。该试验将基于以下几种离子束工艺参数开展系统研究：离子束入射角度(θ)、离子束能量(E)、离子束驻留时间(T_e)及离子源与靶材表面的距离(D)。试验后单点凹坑的轮廓由轮廓仪(PGI 1240,TaylorHobson)检测，然后，由去除单点凹坑中心轮廓拟合得到高斯型函数，并由此估计表面平均去除速率(R_surf)以及去除函数半峰宽束径(FWHM)的大小。

(4)离子束抛光加工微纳米台阶阵列结构

为了实现阶跃式微纳米台阶阵列结构的大面积与高效率抛光加工，基于离子束单点驻留抛光试验的加工结果，可确定等效的光栅扫描去除函数与微纳米台阶高度；同时，需要对离子束抛光加工的工艺路径与扫描速度进行规划。其中，离子束工艺路径选用栅格路径扫描模式，其扫描步距T_S的设置应当遵循以下原则：

式中f_c为去除函数的截止频率。类高斯型去除函数的宽度为d_6σ，则去除函数的截止频率可以表达为：

接下来，采用栅格路径扫描法对电介质层薄膜材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工，即离子束以光栅扫描的方式在所界定的区域表面循环移动，最终可形成不同高度的微纳米台阶阵列结构。

(5)微纳米台阶阵列结构加工结果检测

采用轮廓仪(PGI 1240,Taylor Hobson)、激光干涉仪(GPI(TM)XP D,Zygo)及原子力显微镜(MultiMode8,Bruker)等检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别其检测结果是否符合加工精度要求：台阶高度误差≤±5nm，面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm。若不符合，则根据检测结果重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工。

(6)单个微纳米台阶离子束修形加工

选取合适的修形工艺参数，在离子束抛光机床上对检测结果不符合要求的单个微纳米台阶进行修形加工，修形加工完成后再次采用相关检测设备对其检测与评价。最后将微纳米台阶加工信息保存至数据库。

从上述技术方案可以看出，本公开提供的微纳米台阶阵列结构的制造方法，至少具有以下有益效果：

1.适用于任意材料的加工。光子束光刻技术和电子束光刻技术不适用非抗蚀剂材料上的阶跃式微纳米台阶阵列结构制作，比如说金属、陶瓷、玻璃、介质等材料。离子束抛光不受加工对象的材料属性限制，可适用于任意材料的加工。

2.大面积、高效率制造。现有的制造方法加工出来的微纳米台阶阵列结构整体尺寸较小(通常在毫米量级以下)，且加工效率比较低，无法实现大面积制造。相比较而言，离子束抛光采用光栅扫描模式的加工方式，材料去除速率较高，可实现单片集成的微纳米台阶阵列结构的大面积制造，在保证高度方向具有光学厚度的前提下，其宏观整体尺寸可达100mm，单个像素尺寸可达50μm。

3.高精度制造。现有方法影响微纳米台阶阵列结构制造精度的因素较多，如光子束加工过程中光强度不可控、掩膜版像素固化，电子束曝光存在邻近效应，离子束刻蚀去除材料确定性不足等，导致加工出来的台阶面形精度、表面粗糙度和尺寸精度等精度不足。相比较而言，离子束抛光具有确定性和稳定性，而且可针对加工精度不足的单个纳米台阶进行修行加工，因此较容易确保微纳米台阶阵列结构的高精度制造。

4.低成本制造。现有加工方法存在掩膜版定制成本较高，电子束光刻设备和聚焦离子束光刻设备昂贵，套刻方法整体工艺复杂、加工性价比低等问题，导致产品加工成本较高，尤其在面向大面积微纳米台阶阵列结构制造时尤为突出。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是电介质层薄膜表面微纳米台阶阵列结构制造工艺流程图。

图2是电介质层薄膜单点驻留抛光加工示意图。

图3是电介质层薄膜阶跃式微纳米台阶阵列结构加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明，以下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。本实施例包括：

如图1所示：本发明首先是准备一片高表面精度与高表面质量的衬底；然后，在衬底上沉积一定微纳米厚度的电介质层薄膜，并对电介质层薄膜的厚度与表面形貌进行观测；通过单点驻留抛光试验确定电介质层薄膜的离子束抛光工艺去除函数；根据单点驻留去除函数确定等效的光栅扫描去除函数与微纳米台阶高度，并采用栅格路径扫描法对电介质层薄膜开展不同扫描速度条件下的分区域加工；再利用检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测，并判别其检测结果是否符合加工精度要求，若不符合则重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工；最后将微纳米台阶加工信息保存至数据库。

如图2所示：在离子束抛光机床上开展电介质层薄膜单点驻留抛光试验，获取去除函数A(x,y)。该试验将基于以下几种离子束工艺参数开展系统研究：离子束入射角度(θ)、离子束能量(E)、离子束驻留时间(T_e)及离子源与靶材表面的距离(D)。在坐标系OXYZ中，根据衬底表面积的大小合理设置单点驻留凹坑阵列在X方向和Y方向的分布，相邻凹坑之间在X方向和Y方向的间距分别为Δx和Δy。电介质层薄膜的厚度为H，凹坑的深度用d_i表示，则凹坑底部距离衬底表面的距离为h_i＝H-d_i。电介质层薄膜表面的单点驻留凹坑将采用不同的离子束工艺参数进行加工，从而生成深度不一的凹坑。

试验后单点凹坑的轮廓由轮廓仪(PGI 1240,TaylorHobson)检测，并对检测结果进行直线拟合，其拟合结果可以一定程度上反映离子束加工的稳定性。然后，由去除单点凹坑中心轮廓拟合得到高斯型函数，并由此估计表面平均去除速率(R_surf)以及去除函数半峰宽束径(FWHM)的大小。

如图3所示：为了实现阶跃式微纳米台阶阵列结构的大面积与高效率抛光加工，基于离子束单点驻留抛光试验的加工结果，可确定等效的光栅扫描去除函数与微纳米台阶高度；同时，需要对离子束抛光加工的工艺路径与扫描速度进行规划。其中，离子束工艺路径选用栅格路径扫描模式，其描步距的设置应当遵循以下原则：

式中f_c为去除函数的截止频率。类高斯型去除函数的宽度为d_6σ，则去除函数的截止频率可以表达为：

接下来，采用栅格路径扫描法对电介质层薄膜材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工，即离子束以光栅扫描的方式在所界定的区域表面循环移动，最终可形成不同高度的微纳米台阶阵列结构。

以3×3微纳米台阶阵列结构加工为例。首先，如图3的(a)所示，对OX方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域X₁、区域X₂与区域X₃的扫描进给速度分别为v_x1、v_x2与v_x3，且它们之间存在如下关系：v_x1<v_x2<v_x3，从而在OX方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。然后，如图3的(b)所示，对OY方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域Y₁、区域Y₂与区域Y₃的扫描进给速度分别为v_y1、v_y2与v_y3，且它们之间存在如下关系：v_y1>v_y2>v_y3，从而在OX方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。OX方向与OY方向的3×1微纳米台阶阵列结构相互叠加，最终在电介质层薄膜表面形成了如图3的(c)所示的3×3微纳米台阶阵列结构。

同理，对于m×n微纳米台阶阵列结构的加工而言，首先，对OX方向的m×1微纳米台阶阵列结构进行加工，电介质层薄膜表面在OX方向将被划分为区域X₁、区域X₂、……、区域X_m，离子束在区域X₁、区域X₂、……、区域X_m对应的扫描进给速度分别为v_x1、v_x2、……、v_xm，且它们之间存在如下关系：v_x1<v_x2<……<v_xm，从而在OX方向形成了m×1微纳米台阶阵列结构。然后，对OY方向的n×1微纳米台阶阵列结构进行加工，电介质层薄膜表面在OY方向将被划分为区域Y₁、区域Y₂、……、区域Y_n，离子束在区域Y₁、区域Y₂、……、区域Y_n对应的扫描进给速度分别为v_y1、v_y2、……、v_yn，且它们之间存在如下关系：v_y1>v_y2>……>v_yn，从而在OY方向形成了n×1微纳米台阶阵列结构。OX方向的m×1与OY方向的n×1微纳米台阶阵列结构相互叠加，最终在电介质层薄膜表面形成m×n微纳米台阶阵列结构。

接下来，以3×3微纳米台阶阵列结构的加工结果为检测对象，采用轮廓仪(PGI1240,TaylorHobson)、激光干涉仪(GPI(TM)XPD,Zygo)及原子力显微镜(MultiMode8,Bruker)等检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测。然后，判别其检测结果是否符合加工精度要求：台阶高度误差≤±5nm，面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm。若不符合，则根据检测结果重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工。最后将微纳米台阶加工信息保存至数据库。

本实施例以3×3微纳米台阶阵列结构为加工对象。具体试验步骤如下：

(1)采用尺寸为Φ50.8×2mm的硅片衬底或55mm×55mm×2mm的石英玻璃作为衬底材料。为了保证微纳米台阶阵列结构高精度制造过程的可靠性与稳定性，需要对订制的大面积衬底材料的表面精度与表面质量提出一定要求：在全口径范围内的面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm，同时表面不允许出现裂纹、划痕及凹坑等缺陷。

(2)电介质层薄膜材料选择二氧化钛(TiO₂)。通过电子束蒸发系统(KurtJ.Lesker,Lab-Line)在已准备好的衬底材料上沉积厚度在光学厚度范围(～1000nm)的电介质层薄膜材料，在室温环境下，腔体真空压强低于6×10^-7Torr时开始沉积，蒸发沉积速率为要求薄膜沉积过程中沉积速率稳定、薄膜厚度均匀且沉积后无表面应力释放。电介质层薄膜沉积完成后，采用光谱椭偏仪(SE-VE)对薄膜厚度进行测量，并对测量数据的沉积误差进行分析；采用场发射扫描电子显微镜(FESEM,ZeissSigma-HD)对制得的电介质层薄膜的表面形貌进行观测。

(3)在离子束抛光机床上开展电介质层薄膜单点驻留抛光试验，获取去除函数A(x,y)。该试验将基于以下几种离子束工艺参数开展系统研究：离子束入射角度(θ)、离子束能量(E)、离子束驻留时间(T_e)及离子源与靶材表面的距离(D)。在坐标系OXYZ中，根据衬底表面积的大小合理设置单点驻留凹坑阵列在X方向和Y方向的分布，相邻凹坑之间在X方向和Y方向的间距分别为Δx和Δy。电介质层薄膜的厚度为H，凹坑的深度用d_i表示，则凹坑底部距离衬底表面的距离为h_i＝H-d_i。电介质层薄膜表面的单点驻留凹坑将采用不同的离子束工艺参数进行加工，从而生成深度不一的凹坑。

(4)试验后单点凹坑的轮廓由轮廓仪(PGI 1240,Taylor Hobson)检测，并对检测结果进行直线拟合，其拟合结果可以一定程度上反映离子束加工的稳定性。然后，由去除单点凹坑中心轮廓拟合得到高斯型函数，并由此估计表面平均去除速率(R_surf)以及去除函数半峰宽束径(FWHM)的大小。

(5)为了实现阶跃式微纳米台阶阵列结构的大面积与高效率抛光加工，基于离子束单点驻留抛光试验的加工结果，可确定等效的光栅扫描去除函数与微纳米台阶高度；同时，需要对离子束抛光加工的工艺路径与扫描速度进行规划。其中，离子束工艺路径选用栅格路径扫描模式，其描步距的设置应当遵循以下原则：

式中f_c为去除函数的截止频率。类高斯型去除函数的宽度为d_6σ，则去除函数的截止频率可以表达为：

接下来，采用栅格路径扫描法对电介质层薄膜材料进行不同扫描速度条件下的分区域加工，即离子束以光栅扫描的方式在所界定的区域表面循环移动，最终可形成不同高度的微纳米台阶阵列结构。详细操作步骤如下：首先，如图3的(a)所示，对OX方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域X₁、区域X₂与区域X₃的扫描进给速度分别为v_x1、v_x2与v_x3，且它们之间存在如下关系：v_x1<v_x2<v_x3，从而在OX方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。然后，如图3的(b)所示，对OY方向的3×1微纳米台阶阵列结构进行加工，离子束在区域Y₁、区域Y₂与区域Y₃的扫描进给速度分别为v_y1、v_y2与v_y3，且它们之间存在如下关系：v_y1>v_y2>v_y3，从而在OX方向形成了3×1微纳米台阶阵列结构。OX方向与OY方向的3×1微纳米台阶阵列结构相互叠加，最终在电介质层薄膜表面形成了如图3的(c)所示的3×3微纳米台阶阵列结构。

(6)以3×3微纳米台阶阵列结构的加工结果为检测对象，采用轮廓仪(PGI 1240,Taylor Hobson)、激光干涉仪(GPI(TM)XPD,Zygo)及原子力显微镜(MultiMode8,Bruker)等检测装置对单个微纳米台阶的高度、面形精度和表面粗糙度进行检测。然后，判别其检测结果是否符合加工精度要求：台阶高度误差≤±5nm，面形精度PV≤λ/10，表面粗糙度Ra≤1nm。若不符合，则根据检测结果重新采用离子束抛光工艺对单个微纳米台阶进行修形加工。

(7)选取合适的修形工艺参数，在离子束抛光机床上对检测结果不符合要求的单个微纳米台阶进行修形加工，修形加工完成后再次采用相关检测设备对其检测与评价。最后将微纳米台阶加工信息保存至数据库。