熔石英光学曲面的大面积纳米微结构调控制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米制造技术领域，具体涉及一种熔石英光学曲面的大面积纳米微结 构调控制备方法。
【背景技术】
[0002] 有序微结构的制备和调控技术渐渐引起人们的广泛关注，在现代科技中具有重要 的研究意义和应用价值，其应用范围包括光学器件、集成电路、微机电系统等众多高科技领 域。为了满足相关技术对微结构制备日益增长的需求，国内外学者对相关制备方法进行了 深入的研究，使得微结构的制备技术获得了迅速的发展。
[0003] 然而，随着科技的发展进步，微结构的制备朝着大面积、小尺度、低成本和高效率 的方向发展，对微结构制造技术提出了新的挑战。首先，现有的光刻技术通过缩短曝光波长 和增大光刻物镜的数值孔径两种方法使得刻蚀分辨率达到了 22nm以下，能够满足集成电 路制造的要求，但是由于光刻机的纳米微结构制备速率低，设备的购置和维修成本较高，限 制了其在低成本、大面积和高效率制造过程中的应用；其次，当前的纳米压印技术制备的纳 米微结构尺度同样能够达到纳米量级，可以实现大面积微结构的制造，但是压印模板的制 备过程复杂，并且重复使用寿命有限，不具有简单、低成本、高效的特点；除此之外，现有微 结构制备的方法很难甚至无法在曲面上实现微结构的制造，特别是针对高陡度曲面上大面 积微结构的制备，急切需要研发新的加工技术以满足要求。
[0004] 1962年学者Navez在离子束轰击过的玻璃表面发现了纳米波纹结构，从此吸引了 众多科学领域的专家潜心于有关方面的研究，使得离子束加工方法有望成为纳米微结构的 制备方法。与现有的光刻技术、纳米压印技术等制备方法相对，离子束加工技术具有低成 本、简单、高效率的特点。然而，离子束加工技术应用于微结构的制备还存在相关的技术问 题：一方面，离子束加工参数与微结构之间的关系还未明确，无法实现微结构周期、幅值等 特征的准确调控；另一方面，将离子束加工应用于曲面（特别是高陡度曲面）微结构的制 备，对加工技术的适用性具有重要的意义。因此，离子束加工方法是一种大面积纳米微结构 制备与调控的潜在技术，但是在技术上和工艺上还存在上述的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种尤其适用于熔石 英曲面的大面积纳米微结构调控制备，原理简单、容易实现、高效率、低成本的熔石英光学 曲面的大面积纳米微结构调控制备方法。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种熔石英光学曲面的大面积纳米微结构调控制备方法，其特征在于步骤包括：
[0008] 1)将待加工的熔石英光学曲面光学零件固定在离子束加工机床的夹具上，且所述 夹具通过可驱动熔石英光学曲面光学零件沿着C轴做回转运动的电机和离子束加工机床 相连；
[0009] 2)设置离子束加工参数，所述离子束加工参数包括离子入射角θ、离子能量Elcin、 束流密度Jlcm以及加工时间t ;
[0010] 3)根据待加工的熔石英光学曲面光学零件上任意点P的工件坐标系和离子入射 角Θ计算出进行离子束加工点p时对应的机床运动坐标，从而确定对熔石英光学曲面光学 零件进行离子束加工的运动轨迹；
[0011] 4)采用离子源根据所述离子能量E1C]n、束流密度Jlcin生成离子束，通过离子束加工 机床驱动离子源沿着所述运动轨迹运动、驱动熔石英光学曲面光学零件沿着C轴做回转运 动，使所述离子束以固定的离子入射角Θ入射至熔石英光学曲面光学零件的曲面，且每一 个加工点的入射时间为t，最终在熔石英光学曲面光学零件的曲面上形成规则的纳米微结 构。
[0012] 优选地，所述步骤2)设置离子束加工参数时，通过设置离子入射角Θ来调控纳米 微结构的波纹形状朝向，详细步骤包括：在设定的离子入射角阈值区间内确定离子溅射材 料对应的离子入射临界角Θ。;根据纳米微结构的波纹形状目标朝向选择离子入射角Θ的 取值，如果纳米微结构的波纹形状目标朝向和离子入射方向垂直，则在离子入射角阈值区 间的下边界和离子入射临界角Θ。之间的取值范围中设置离子入射角Θ ;如果纳米微结构 的波纹形目标朝向和离子入射方向平行，则在离子入射临界角Θ。和离子入射角阈值区间 的上边界之间的取值范围中设置离子入射角Θ。
[0013] 优选地，所述离子入射角阈值区间为40°~85°。
[0014] 优选地，所述步骤2)设置离子束加工参数时，基于式（1)所示函数关系式设置离 子能量Elcin来调控纳米微结构的波纹周期；
[0016] 式（1)中，λ表示纳米微结构的波纹周期，E1C]n表示离子能量，】_表示束流密度， ΚΘ)表示离子束倾斜入射理想平面的溅射产额，Α表示离子能量Ε_和离子束倾斜入射 理想平面的溅射产额ΚΘ)之间的比例系数，Θ表示离子入射角，p表示离子平均入射深 度，Cx/y表示离子溅射能量沉积系数，η表示材料单位体积内的原子数量，γ表示离子溅射 诱导的表面粘性流动效应的表面自由能，Λ表示粘性流动层的厚度，μ表示粘性流动系数， d表示离子溅射诱导的弹性碰撞平滑效应的粒子回弹平均距离，f(E)表示离子碰撞产生的 平均回弹粒子数。
[0017] 优选地，所述步骤2)设置离子束加工参数时，基于式（2)所示函数关系式设置束 流密度Jlcm以及加工时间t来调控纳米微结构的幅值；
[0019] 式（2)中，|h(q，t) |表示纳米微结构的幅值，|h(q，0) |表示纳米微结构的初始幅 值，q表示纳米微结构的波数，t表示加工时间，其中C(q)的函数表达式如式（3)所示；
[0021] 式（3)中，Jlcin表示束流密度，P表示离子平均入射深度，Y。（ Θ )表示离子束倾斜 入射理想平面的溅射产额，Cx/y表示离子溅射能量沉积系数，η表示材料单位体积内的原子 数量，d表示离子溅射诱导的弹性碰撞平滑效应的粒子回弹平均距离，Θ表示离子入射角， f(E)表示离子碰撞产生的平均回弹粒子数，q表示纳米微结构的波数，γ表示离子溅射诱 导的表面粘性流动效应的表面自由能，Λ表示粘性流动层的厚度，μ表示粘性流动系数。
[0022] 优选地，所述步骤4)生成的离子束为惰性气体离子束。
[0023] 优选地，所述惰性气体离子束的惰性气体离子为He+、Ar+、Kr +中的一种。
[0024] 本发明熔石英光学曲面的大面积纳米微结构调控制备方法具有下述优点：
[0025] 1、本发明利用离子轰击诱导的表面自组装原理生成周期的纳米微结构，能够实现 大面积微结构的快速制备，很大程度上提高了加工效率。
[0026] 2、本发明的纳米微结构由离子加工诱导的自组装效应产生，微结构的材料与工件 基底材料为同一材料，其结构稳定，而且不容易脱落，提高了微结构的使用性能。
[0027] 3、本发明采用宏观尺度大小的离子束加工生成微观尺度的纳米微结构，对加工系 统的运动精度、运动分辨率和定位精度要求低，可以大大减低加工系统的制造成本，并且制 备过程不需要过多的前期准备工序，制备过程简单，对曲面工件的纳米微结构制备具有非 常好的适用性。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
[0029] 图2为本发明实施例进行离子束加工时的离子入射角示意图。
[0030] 图3为本发明实施例最终形成规则的纳米微结构的检测结果图。
[0031] 图4为采用本发明实施例方法生成的波纹形状目标朝向和离子入射方向垂直的 纳米微结构的检测结果图。
[0032] 图5为采用本发明实施例方法生成的波纹形状目标朝向和离子入射方向平行的 纳米微结构的检测结果图。
[0033] 图6为采用本发明实施例方法生成的周期约为17nm的纳米微结构的检测结果图。
[0034] 图7为采用本发明实施例方法生成的周期约为35nm的纳米微结构