大口径非球面离子束抛光加工技术
2017-05-10 16:59:09   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着科学技术发展进步，光学加工的手段不断演化。光学表面的加工方法从范成法、修带法、应力加工法等效率低、精度差的传统方法，发展到基于计算机技术与激光干涉技术的计算机表面成形技术，光学加工效率与加工精度得到了大幅度提升。加工确定性更高的离子束抛光法也被引入到光学加工领域中，进一步提升了光学加工的确定性和准确性。

离子束抛光法由 Wilson 和 Reicher 等人首先于 1988 年提出，是一种从原理上区别于传统光学加工方法的技术手段。物理上把物质存在的状态划分为固体、液体和气体，物质可以通过吸收或释放能量在三种状态中相互转化。当物质处于气体状态后若进一步吸收能量则可以被激发成为等离子体，因此等离子体又被称为物质的第四种状态。离子束抛光法利用了物质的第四种状态，即等离子体实现材料去除。

离子束抛光原理示意图

对于光学加工领域是一个关键突破，实现了从接触式材料去除到非接触式材料去除的跨域，从原理上能够实现原子量级的材料去除，为光学加工带来了新的可能与应用。

美国 Kodak 公司于 20 世纪 80 年代开始进行离子束抛光的相关研究，并自行组建了具有 2500mm 口径加工能力的离子束抛光机。这也是报道中的离子束抛光第一次用于大口径离轴非球面的加工，对于离子束抛光法在光学加工领域中的应用具有重要意义。

德国 NTG 公司与德国 IOM 研究所合作推出的离子束抛光机同样具有非球面光学元件的抛光能力，该公司推出的离子束抛光机最大加工口径达到 2000mm。

离子束抛光去除函数示意图

除了用于普通成像系统的镜面抛光外，离子束抛光也被应用到对加工精度具有更高要求的光刻机物镜系统的精密抛光过程中，德国Zeiss 公司通过调整离子束抛光去除函数的尺寸与离子能量等参数，准确控制去除精度，实现了极紫外光刻物镜的抛光，并取得理想效果。

北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的通用离子束刻蚀系统，除了可进行传统微纳结构刻蚀外，还可实现离子束清洗、材料表面抛光等功能。在精密微光学器件方面，埃德万斯已成功为长春光机所研制了我国第一个大尺寸二元光学器件，并提供了成套设备和工艺软件。

离子束抛光主要优点：
1. 非接触式的材料去除，加工过程中镜面不会因受到应力作用而产生形变，因此不会产生复印效应。在镜面边缘处去除函数不因为接触面积、压力变化而产生变化，边缘去除函数与中心相同，加工过程不存在边缘效应。加工过程中离子源能够完全运动出工件表面，保证加工过程能够进行完全卷积，具有更强的可操作性。
2. 近高斯型去除函数，与其他光学加工方法的去除函数不同，离子束抛光法的去除函数具有接近高斯型的空间分布，便于结算加工驻留时间。同时，由于离子束抛光过程发生在真空中，决定材料去除率的因素更加明确，影响去除函数稳定性的成分较少，去除函数的可控性与稳定性更好，便于通过调节工作参数得到具有不同特点的去除函数，从而提升了光学加工的可控性与准确性。
3. 更好的光学加工适应性，离子束抛光过程中，束流始终与光学镜面紧密贴合，不会引入由于工具和镜面不吻合而导致的频段误差。不仅仅适用于平面、球面的光学加工，更适用于高陡度非球面的高精度加工过程。同时，离子束抛光法能够用于大多数常用的光学材料的高精度抛光过程，不需要根据材料的不同而使用不同的磨料或抛光液。
4. 更准确的材料去除过程，离子束抛光过程中，材料体积去除率与材料去除分布均高度可控。与接触式方法相比较，离子束抛光法去除函数能够通过实验与数学计算准确标定计算，从而确保离子束抛光具有很高的收敛效率，是一种真正的确定性加工方法。
5. 更广泛的应用可能性，传统方法往往只能以材料去除为唯一目标进行加工规划，且各方法由于其技术特点往往无法对所有空间频段残差进行有效地收敛和修正。而离子束抛光法的作用过程中，离子与镜面材料相互作用，在此过程中会发生一系列复杂的物理过程，不仅仅能够准确的去除材料，还能够进一步用于提升镜面的表面质量。例如，采用牺牲层法提升镜面粗糙度、采用附加去除材料法实现全频段收敛等应用。

不过，离子束抛光法也受到其加工原理的限制，只能在真空条件下应用。并且溅射效应形成的材料去除速率相对较低，离子束抛光法更适合于光学加工中最后为达到更高精度或最终加工目标阶段的应用。