离子束入射角对熔石英表面粗糙度的影响

张宁，王春阳，范佳鑫，李晓静，张旭

（1.长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022；2.西安工业大学 兵器科学与技术学院，西安 710021；3.中国兵器科学研究院宁波分院，宁波 315103）

随着空间光学、光刻技术的不断发展，对超光滑表面的元件需求越来越旺盛，现代光学系统对元件的加工精度提出了更为苛刻的要求，光学元件的加工正朝着超光滑、无损伤的方向发展［1-2］。目前国内外常用的有计算机数控金刚石单点车削技术（SPDT）、磁流变抛光技术（MRF）等，传统的加工方法存在种种局限性，如SPDT会引入刀痕波纹［3］，MRF的加载液会污染元件、抛光液对表面造成损伤，限制了元件的面形精度，在纳米、亚纳米的精度难以实现。

离子束抛光技术（ion beam figuring，IBF）是新型的抛光技术，加工精度达到纳米、亚纳米级。20世纪70年代，离子束的平滑被讨论作为改善表面的潜在加工工具，之后，Spiller第一个发现了离子束诱导的表面平滑现象［4］，使表面光滑，降低表面粗糙度。IBF的基本原理是在低真空环境下，利用加速电极将Ar、Kr或Xe等惰性气体在离子源中电离使之产生具有一定能量的离子束流，离子束流通过离子栅网汇聚成束，当离子束轰击元件表面时，会与元件表面原子发生能量交换，当表面原子获得垂直于法线的能量大于材料束缚能时，就会脱离元件表面，实现材料的去除［5］。离子束抛光超精密光学元件超精密确定性加工的新技术，相比传统的抛光方法，具有去除函数稳定、非接触式加工和高收敛比等优势，并且不产生亚表面损伤、加工无污染、无边缘效应和热变形小等特点［6-7］，此外，离子束的一个极其重要的领域是超精密和超光滑表面的制造［8-9］。因此，IBF有效地弥补了传统加工工艺的不足，受到世界各个国家的高度关注，已成为光学元件加工的方法之一。

熔石英不仅具有优异的光学性能和材料均匀性，是许多高性能光学器件的重要候选材料，如热膨胀系数低、热稳定性好、抗激光损伤能力强、机械性能好、电绝缘性能好等优点，还具有导热性能好的优点，使得熔石英成为许多光学元件的理想材料［10-11］。熔石英样品经过离子束数次迭代抛光后样品表面误差达到较高的收敛比，粗糙度降低，表面达到较好的精度［12-13］。因此在航空航天大功率激光器、惯性激光核聚变装置和国防军工领域中得到了广泛的应用［14］。

在光学应用领域中，由于光学元件表面粗糙度的存在会引起光束传播方向发生变化，反射光束发生改变，放大了聚焦的光斑，影响成像的效果，导致所需范围内的能量出现损失。光学系统中能量损失一般是由元件表面的散射引起的，光学元件的粗糙度越大，能量损失比越大［15］，从而降低光学元件的性能，此外，高频误差的存在使光束发生散射，降低镜面的反射率。由于光学元件的粗糙度会严重引起光束的散射和能量损失，因此，材料超光滑表面的处理研究对提高光学元件的性能具有重要的意义。通过大量实验研究表明，离子束诱导的表面平滑和粗糙化很大程度上取决于加工条件［16］。本文基于高确定性的IBF技术，研究离子束对光学材料熔石英在IBF作用下表面粗糙度的变化。主要研究离子束的入射角度对表面粗糙度的影响，为获得高精度的光学元件奠定基础。

1 实验

实验中使用的样品是商购的表面抛光的熔石英窗口片，将样品放在金属板支架上夹装固定，在真空条件下使用Ar+离子束，入射角αion在对于表面法线可在0°～45°之间变化。对于离子束刻蚀实验，使用了栅网直径为8 mm的射频型离子源，离子电流密度jion保持在约100～500 μA∙cm-2，离子能量Eion为 800 eV，加工步长 2 mm，工作距离为50 mm，离子源移动速度1 mm/s，载入一次所刻蚀时间大约为54 min。

实验样品的检测使用美国Bruker公司生产的型号为Dimension Icon的原子力显微镜（Atomic Force Microscape，AFM）来研究样品的表面形貌特征，它通过检测待测样品表面和微悬臂之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质，其最大的样品检测范围为90 μm×90 μm，测量的扫描探针为顶点半径小于10 nm的Si扫描探针，扫描图像分辨率为512×512像素，扫描频率为1.0 Hz。为了测量表面形状的同时实现高精度，本次AFM测量的扫描尺寸在5 μm×5 μm上进行的，在表面扫描方向上以1 Hz的线扫描速率扫描AFM探针获得512个像素，被测表面区域的所有采样点偏离平均线的均方根值（root mean square，RMS）作为表面的粗糙度值，其表达式如下：

其中，Zi是第i个数据点的高度；Zmean是AFM形貌中所有数据点的平均高度；n是测量数据点的总数。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

采用离子束以不同离子束入射角αion对熔石英光学元件进行抛光，入射角范围0°～45°。图1显示了IBF表面形貌的变化过程，其中原始表面图1（a）存在着常规加工过程产生的明显划痕和突起，粗糙度值为0.365 nm RMS，垂直入射时，元件表面的微观缺陷得到有效去除，使光学元件朝着光滑化方向发展，粗糙度得到大幅度的改善，表面粗糙度值变为0.31 nm RMS，粗糙度值明显下降；倾斜入射时，入射角度在0°<αion≤30°时，随着入射角度增大，表面微观形貌起伏有少许增加，表面还是比较平滑，相比垂直入射，粗糙度值略有增加，其中入射角αion=30°时，粗糙度值为0.332 nm RMS；随着入射角αion进一步增加到40°和45°，表面粗糙度值大幅增加到0.44 nm RMS左右，规则的波纹纳米图案垂直于离子束的方向在熔融石英表面上演化。图2显示了入射角度对表面粗糙度的影响，随着入射角的增大，表面粗糙度值总体一直增加，在小角度入射时增加缓慢，30°～40°之后增加较快。

图1 不同入射角时熔石英的表面的粗糙度

图2 表面粗糙度随入射角的变化曲线

通过上述实验结果可以看出，入射角主导了熔石英在IBF过程中表面粗糙度的演变，在低入射角度条件下，获得了熔石英超光滑的表面，粗糙度值始终保持在0.323 nm RMS左右，而在高入射角度（40°,45°）下，熔石英表面起伏大，不能有效地改变表面光滑度，粗糙度值迅速升至0.440 nm RMS左右。总体而言，离子束小角度入射时，诱导的平滑作用主导了形貌的演化，从而从表面去除了划痕和隆起等缺陷，并获得了超光滑的表面。而在大角度入射时，溅射粗糙化主导形貌的演化，入射区域处出现规则的波纹图案，这会导致光学表面变粗糙。

图3显示了在实验参数相同条件下，对图1中倾斜角度为0°、45°的样品继续抛光54 min后的熔石英表面。图3（a）原始表面表明在表面上存在着较小的波动形态；在入射角为0°时，表面粗糙度由0.310 nm RMS下降到了0.294 nm RMS，表面形貌起伏变小；在入射角为45°时，表面粗糙度由0.442 nm RMS增加到了0.710 nm RMS，规则的纳米级波纹图案垂直于离子束的方向在熔融石英表面上演化。实验结果表明，小角度入射时，表面趋向平滑（例如图3（b）），粗糙度值变小；大角度入射时，出现纳米波纹结构（例如图3（c）），粗糙度值变大，会导致表面质量不合格。离子束抛光过程中，随着抛光时间的增加，材料去除深度也会相应的增加，表面的粗糙度会发生变化，0°入射时粗糙度值变小，45°入射时粗糙度值变大。表面粗糙度值和材料的去除深度也是有联系的，小角度入射时减小，大角度入射时增大。

图3 熔石英的AFM图像微观形貌演变

2.2 讨论

基 于 Sigmund 溅 射 理 论 ，Bradley 和 Harper［17］成功地推导了线性连续谱方程来描述离子诱导的波纹图案的形成和早期演化。在连续谱描述中，可以通过偏微分方程描述形态演化。表面高度h(r,t)，其中r表示二维表面坐标，t表示时间。由Bradleyand Harper（BH）模型给出：

其中，C2和C4是取决于实验条件的系数。

在BH模型中，表面形态的演变是由曲率相关的溅射粗加工与热活化的表面扩散平滑之间的相互作用引起的，分别由等式（2）中的第一项和第二项表示。与表面高度h(r,t)的二阶导数有关的演化机理除曲率外还包括弹道平滑。因此，第一项的系数变为C2=C2s+C2B，其中负系数C2s和正系数C2B分别代表溅射粗糙化和弹道平滑。第二项结合了多种平滑过程，包括热活化扩散，离子诱导扩散和离子增强粘性流，但是离子增强的粘性流在低温（实验中约为55℃）的低能量离子抛光过程中占主导地位，其中系数C4为正。

由此可以发现，随着入射角αion的增加，粗糙化重要性将增加。通过分析与曲率相关的溅射粗糙化系数C2s，可以发现，如果离子入射角从法线入射角变为40°入射角，则该系数增大。相比之下，弹道平滑系数C2B在法向入射时具有最大值，随着入射角的增大而减小。其表面粗糙度可以用以下机理解释，在Ar+束流的轰击作用下，离子束溅射作用会导致融石英晶体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着粗糙的方向发展，同时，溅射作用下也同时存在着热表面扩散、离子诱导扩散和离子增强粘性流，使原子表面朝着光滑的方向发展。因此，熔石英表面粗糙度是两种作用综合的效果。对于某些临界点，对于粗糙化和平滑过程没有改变，因此表面形态如图2所示，临界的入射角约为35°。因此，入射角主导了低能离子光学表面在IBF过程中的表面平滑或粗糙化。

3 结论

尽管IBF为光学元件的精密加工提供了一种高确定性的方法，但某些不利条件将很容易导致形成纳米级的波纹图案，从而导致表面变粗，从而无法满足某些高性能光学器件对表面质量的高要求。通过大量实验，研究IBF技术对熔石英表面粗糙度的影响，通过调节离子束入射角得到抛光效果的影响规律，实验结果表明：离子入射角主导了高倾斜光学元件组件IBF过程中表面的平滑和粗糙化过程。在接近法线入射和小角度入射的情况下，弹道的平滑和离子增强的粘性流在曲率相关的粗糙化方面占主导地位，获得了表面粗糙度值Rq<0.34 nm RMS的光滑熔融石英表面，而在大入射角处观察到规则的波纹图案，Rq值增加到0.7 nm RMS以上，离子束抛光最佳入射角范围是0°～30°。这些现象都可以归因于离子轰击引起的平滑和粗糙化过程之间的相互作用。