離子束入射角對熔石英表面粗糙度的影響

張寧，王春陽，范佳鑫，李曉靜，張旭

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.西安工業大學 兵器科學與技術學院，西安 710021；3.中國兵器科學研究院寧波分院，寧波 315103）

隨著空間光學、光刻技術的不斷發展，對超光滑表面的元件需求越來越旺盛，現代光學系統對元件的加工精度提出了更為苛刻的要求，光學元件的加工正朝著超光滑、無損傷的方向發展［1-2］。目前國內外常用的有計算機數控金剛石單點車削技術（SPDT）、磁流變拋光技術（MRF）等，傳統的加工方法存在種種局限性，如SPDT會引入刀痕波紋［3］，MRF的加載液會污染元件、拋光液對表面造成損傷，限制了元件的面形精度，在納米、亞納米的精度難以實現。

離子束拋光技術（ion beam figuring，IBF）是新型的拋光技術，加工精度達到納米、亞納米級。20世紀70年代，離子束的平滑被討論作為改善表面的潛在加工工具，之后，Spiller第一個發現了離子束誘導的表面平滑現象［4］，使表面光滑，降低表面粗糙度。IBF的基本原理是在低真空環境下，利用加速電極將Ar、Kr或Xe等惰性氣體在離子源中電離使之產生具有一定能量的離子束流，離子束流通過離子柵網匯聚成束，當離子束轟擊元件表面時，會與元件表面原子發生能量交換，當表面原子獲得垂直于法線的能量大于材料束縛能時，就會脫離元件表面，實現材料的去除［5］。離子束拋光超精密光學元件超精密確定性加工的新技術，相比傳統的拋光方法，具有去除函數穩定、非接觸式加工和高收斂比等優勢，并且不產生亞表面損傷、加工無污染、無邊緣效應和熱變形小等特點［6-7］，此外，離子束的一個極其重要的領域是超精密和超光滑表面的制造［8-9］。因此，IBF有效地彌補了傳統加工工藝的不足，受到世界各個國家的高度關注，已成為光學元件加工的方法之一。

熔石英不僅具有優異的光學性能和材料均勻性，是許多高性能光學器件的重要候選材料，如熱膨脹系數低、熱穩定性好、抗激光損傷能力強、機械性能好、電絕緣性能好等優點，還具有導熱性能好的優點，使得熔石英成為許多光學元件的理想材料［10-11］。熔石英樣品經過離子束數次迭代拋光后樣品表面誤差達到較高的收斂比，粗糙度降低，表面達到較好的精度［12-13］。因此在航空航天大功率激光器、慣性激光核聚變裝置和國防軍工領域中得到了廣泛的應用［14］。

在光學應用領域中，由于光學元件表面粗糙度的存在會引起光束傳播方向發生變化，反射光束發生改變，放大了聚焦的光斑，影響成像的效果，導致所需范圍內的能量出現損失。光學系統中能量損失一般是由元件表面的散射引起的，光學元件的粗糙度越大，能量損失比越大［15］，從而降低光學元件的性能，此外，高頻誤差的存在使光束發生散射，降低鏡面的反射率。由于光學元件的粗糙度會嚴重引起光束的散射和能量損失，因此，材料超光滑表面的處理研究對提高光學元件的性能具有重要的意義。通過大量實驗研究表明，離子束誘導的表面平滑和粗糙化很大程度上取決于加工條件［16］。本文基于高確定性的IBF技術，研究離子束對光學材料熔石英在IBF作用下表面粗糙度的變化。主要研究離子束的入射角度對表面粗糙度的影響，為獲得高精度的光學元件奠定基礎。

1 實驗

實驗中使用的樣品是商購的表面拋光的熔石英窗口片，將樣品放在金屬板支架上夾裝固定，在真空條件下使用Ar+離子束，入射角αion在對于表面法線可在0°～45°之間變化。對于離子束刻蝕實驗，使用了柵網直徑為8 mm的射頻型離子源，離子電流密度jion保持在約100～500 μA?cm-2，離子能量Eion為 800 eV，加工步長 2 mm，工作距離為50 mm，離子源移動速度1 mm/s，載入一次所刻蝕時間大約為54 min。

實驗樣品的檢測使用美國Bruker公司生產的型號為Dimension Icon的原子力顯微鏡（Atomic Force Microscape，AFM）來研究樣品的表面形貌特征，它通過檢測待測樣品表面和微懸臂之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質，其最大的樣品檢測范圍為90 μm×90 μm，測量的掃描探針為頂點半徑小于10 nm的Si掃描探針，掃描圖像分辨率為512×512像素，掃描頻率為1.0 Hz。為了測量表面形狀的同時實現高精度，本次AFM測量的掃描尺寸在5 μm×5 μm上進行的，在表面掃描方向上以1 Hz的線掃描速率掃描AFM探針獲得512個像素，被測表面區域的所有采樣點偏離平均線的均方根值（root mean square，RMS）作為表面的粗糙度值，其表達式如下：

其中，Zi是第i個數據點的高度；Zmean是AFM形貌中所有數據點的平均高度；n是測量數據點的總數。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

采用離子束以不同離子束入射角αion對熔石英光學元件進行拋光，入射角范圍0°～45°。圖1顯示了IBF表面形貌的變化過程，其中原始表面圖1（a）存在著常規加工過程產生的明顯劃痕和突起，粗糙度值為0.365 nm RMS，垂直入射時，元件表面的微觀缺陷得到有效去除，使光學元件朝著光滑化方向發展，粗糙度得到大幅度的改善，表面粗糙度值變為0.31 nm RMS，粗糙度值明顯下降；傾斜入射時，入射角度在0°<αion≤30°時，隨著入射角度增大，表面微觀形貌起伏有少許增加，表面還是比較平滑，相比垂直入射，粗糙度值略有增加，其中入射角αion=30°時，粗糙度值為0.332 nm RMS；隨著入射角αion進一步增加到40°和45°，表面粗糙度值大幅增加到0.44 nm RMS左右，規則的波紋納米圖案垂直于離子束的方向在熔融石英表面上演化。圖2顯示了入射角度對表面粗糙度的影響，隨著入射角的增大，表面粗糙度值總體一直增加，在小角度入射時增加緩慢，30°～40°之后增加較快。

圖1 不同入射角時熔石英的表面的粗糙度

圖2 表面粗糙度隨入射角的變化曲線

通過上述實驗結果可以看出，入射角主導了熔石英在IBF過程中表面粗糙度的演變，在低入射角度條件下，獲得了熔石英超光滑的表面，粗糙度值始終保持在0.323 nm RMS左右，而在高入射角度（40°,45°）下，熔石英表面起伏大，不能有效地改變表面光滑度，粗糙度值迅速升至0.440 nm RMS左右。總體而言，離子束小角度入射時，誘導的平滑作用主導了形貌的演化，從而從表面去除了劃痕和隆起等缺陷，并獲得了超光滑的表面。而在大角度入射時，濺射粗糙化主導形貌的演化，入射區域處出現規則的波紋圖案，這會導致光學表面變粗糙。

圖3顯示了在實驗參數相同條件下，對圖1中傾斜角度為0°、45°的樣品繼續拋光54 min后的熔石英表面。圖3（a）原始表面表明在表面上存在著較小的波動形態；在入射角為0°時，表面粗糙度由0.310 nm RMS下降到了0.294 nm RMS，表面形貌起伏變小；在入射角為45°時，表面粗糙度由0.442 nm RMS增加到了0.710 nm RMS，規則的納米級波紋圖案垂直于離子束的方向在熔融石英表面上演化。實驗結果表明，小角度入射時，表面趨向平滑（例如圖3（b）），粗糙度值變小；大角度入射時，出現納米波紋結構（例如圖3（c）），粗糙度值變大，會導致表面質量不合格。離子束拋光過程中，隨著拋光時間的增加，材料去除深度也會相應的增加，表面的粗糙度會發生變化，0°入射時粗糙度值變小，45°入射時粗糙度值變大。表面粗糙度值和材料的去除深度也是有聯系的，小角度入射時減小，大角度入射時增大。

圖3 熔石英的AFM圖像微觀形貌演變

2.2 討論

基 于 Sigmund 濺 射 理 論 ，Bradley 和 Harper［17］成功地推導了線性連續譜方程來描述離子誘導的波紋圖案的形成和早期演化。在連續譜描述中，可以通過偏微分方程描述形態演化。表面高度h(r,t)，其中r表示二維表面坐標，t表示時間。由Bradleyand Harper（BH）模型給出：

其中，C2和C4是取決于實驗條件的系數。

在BH模型中，表面形態的演變是由曲率相關的濺射粗加工與熱活化的表面擴散平滑之間的相互作用引起的，分別由等式（2）中的第一項和第二項表示。與表面高度h(r,t)的二階導數有關的演化機理除曲率外還包括彈道平滑。因此，第一項的系數變為C2=C2s+C2B，其中負系數C2s和正系數C2B分別代表濺射粗糙化和彈道平滑。第二項結合了多種平滑過程，包括熱活化擴散，離子誘導擴散和離子增強粘性流，但是離子增強的粘性流在低溫（實驗中約為55℃）的低能量離子拋光過程中占主導地位，其中系數C4為正。

由此可以發現，隨著入射角αion的增加，粗糙化重要性將增加。通過分析與曲率相關的濺射粗糙化系數C2s，可以發現，如果離子入射角從法線入射角變為40°入射角，則該系數增大。相比之下，彈道平滑系數C2B在法向入射時具有最大值，隨著入射角的增大而減小。其表面粗糙度可以用以下機理解釋，在Ar+束流的轟擊作用下，離子束濺射作用會導致融石英晶體表面局部的凹坑的去除速率大于凸起的去除速率，使得元件表面粗糙度朝著粗糙的方向發展，同時，濺射作用下也同時存在著熱表面擴散、離子誘導擴散和離子增強粘性流，使原子表面朝著光滑的方向發展。因此，熔石英表面粗糙度是兩種作用綜合的效果。對于某些臨界點，對于粗糙化和平滑過程沒有改變，因此表面形態如圖2所示，臨界的入射角約為35°。因此，入射角主導了低能離子光學表面在IBF過程中的表面平滑或粗糙化。

3 結論

盡管IBF為光學元件的精密加工提供了一種高確定性的方法，但某些不利條件將很容易導致形成納米級的波紋圖案，從而導致表面變粗，從而無法滿足某些高性能光學器件對表面質量的高要求。通過大量實驗，研究IBF技術對熔石英表面粗糙度的影響，通過調節離子束入射角得到拋光效果的影響規律，實驗結果表明：離子入射角主導了高傾斜光學元件組件IBF過程中表面的平滑和粗糙化過程。在接近法線入射和小角度入射的情況下，彈道的平滑和離子增強的粘性流在曲率相關的粗糙化方面占主導地位，獲得了表面粗糙度值Rq<0.34 nm RMS的光滑熔融石英表面，而在大入射角處觀察到規則的波紋圖案，Rq值增加到0.7 nm RMS以上，離子束拋光最佳入射角范圍是0°～30°。這些現象都可以歸因于離子轟擊引起的平滑和粗糙化過程之間的相互作用。