[發明專利]一種制造微納米臺階陣列結構的離子束拋光加工方法

有效

• 申請號: 202010131772.4
• 申請日: 2020-02-29
• 公開（公告）號: CN111421390B
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 李平;段輝高;王兆龍
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;B24B13/00;B24B51/00;B24B49/12;C23C14/30;C23C14/16;C23C14/18;C23C14/54;C23C14/58
• 代理公司: 北京睿博行遠知識產權代理有限公司 11297
• 代理人: 劉桂榮

本發明公開了一種制造微納米臺階陣列結構的離子束拋光加工方法，該方法首先準備一片襯底，在襯底上沉積一定微納米厚度的電介質層薄膜，并對電介質層薄膜的厚度與表面形貌進行觀測；通過單點駐留拋光試驗確定電介質層薄膜的離子束拋光工藝去除函數；根據單點駐留去除函數確定等效的光柵掃描去除函數與微納米臺階高度，并采用柵格路徑掃描法對電介質層薄膜開展不同掃描速度條件下的分區域加工；利用檢測裝置對單個微納米臺階的高度、面形精度和表面粗糙度進行檢測并判別；最后將微納米臺階加工信息保存至數據庫。本方法不僅工藝簡單、可操作性強，適用于電介質層薄膜表面的大面積、階躍式微納米臺階陣列的高效率超精密制造。

技術領域

本發明屬于微納制造領域，尤其涉及一種在大面積電介質層薄膜表面制造階躍式微納米臺階陣列結構的離子束拋光加工方法。

背景技術

隨著現代光學技術的不斷發展，功能光電器件對電介質層薄膜(光學薄膜)的性能提出了越來越高的要求。在電介質層薄膜中引入各種微納結構，通過將微納結構的折射、衍射作用與電介質層薄膜的干涉作用相結合，可以進一步調控與拓展功能光電器件系統的功能。例如，單片階躍式微納米臺階陣列結構由于集成了不同臺階高度的信息，在全息透鏡、菲涅爾波帶片、微透鏡、集成濾光片及等離激元納米光學等功能光電器件上得到了非常重要的應用。

由于電介質層薄膜的厚度一般在微米甚至納米量級，而且其單片集成微納米臺階陣列的高度需要呈現階躍式梯度變化，因此其制造工藝面臨極大挑戰。現有階躍式微納米臺階陣列結構的制造大都通過紫外光刻、像素化掩膜版光刻、電子束灰度曝光和電子束冰刻等技術來實現，但其應用范圍存在較大的局限性。一方面，光刻技術難以實現大面積和非抗蝕劑材料上的臺階陣列結構制作。另一方面，雖然一些學者提出了將光刻工藝和離子束刻蝕工藝相結合的套刻方法，能夠實現大面積、高精度和非抗蝕劑材料上的階躍式微納米臺階陣列結構制作，但該方法存在整體工藝復雜、掩膜版固化及加工成本過高等問題。例如，專利(申請號：200910207134.X)涉及了一種具有多波長處理功能的單片集成探測器陣列的制備方法，經過多次刻蝕工藝和二次外延生長工藝在GaAs基襯底上實現了多階梯結構的Fabry-Pérot諧振腔結構。另外，專利(申請號：201410519408.X)和專利(申請號：201410519354.7)提出了一種高精度多臺階微透鏡陣列的制作方法，一定程度上解決了現有方法對操作者和操作設備的制作精度要求高、成品率較低及成本高的問題。

目前，離子束拋光加工已發展成為超精密光學零件制造工藝鏈中的一種成熟工藝技術。其基本原理是在真空環境中，通過離子源發射的離子束轟擊工件表面，利用離子轟擊產生的物理濺射效應實現工件表面材料的確定性去除。離子束拋光加工具有納米尺度和納米精度量級的制造能力，是一種高確定性、高穩定性和非接觸的加工方式，不僅適用于現代光學中平面光學零件的超精密加工，而且在非球面、自由曲面、異型/薄型等難加工零件中具有巨大的應用市場。因此，將離子束拋光加工技術應用于電介質層薄膜的大面積、階躍式微納米臺階陣列結構制造具有高度的可行性和重要的工程應用價值。

發明內容

本發明的目的是：針對現有階躍式微納米臺階陣列結構制造依賴于光刻膠材料、整體工藝復雜、掩膜版固化與加工成本過高，以及在電介質層薄膜表面制造微納結構異常困難等問題，開發一種適用于電介質層薄膜的大面積、階躍式微納米臺階陣列結構離子束拋光加工方法，實現微納米臺階陣列的高效率、超精密及低成本制造需求。

本發明所采取的技術方案是：一種制造微納米臺階陣列結構的離子束拋光加工方法，首先準備一片高表面精度與高表面質量的襯底；然后，在襯底上沉積一定微納米厚度的電介質層薄膜，并對電介質層薄膜的厚度與表面形貌進行觀測；通過單點駐留拋光試驗確定電介質層薄膜的離子束拋光工藝去除函數；根據單點駐留去除函數確定等效的光柵掃描去除函數與微納米臺階高度，并采用柵格路徑掃描法對電介質層薄膜開展不同掃描速度條件下的分區域加工；再利用檢測裝置對單個微納米臺階的高度、面形精度和表面粗糙度進行檢測，并判別其檢測結果是否符合加工精度要求，若不符合則重新采用離子束拋光工藝對單個微納米臺階進行修形加工；最后將微納米臺階加工信息保存至數據庫。