一种用位图叠加制备二次微曲面结构的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳器件加工技术领域，是一种在聚焦电子/离子束双束系统中以位图叠加方式制备二次微曲面结构的方法。
【背景技术】
[0002]由于光信息技术对微型化、阵列化、集成化光学器件的需要，曲面微透镜及其阵列等表面结构为研宄人员所广泛关注。微透镜及其阵列的制备已经开发出光敏玻璃法、全息法、光刻胶熔融法和激光刻蚀法等平面工艺。这些工艺能够实现结构器件的大批量制备，同时在一定程度上满足了当前的应用需求。但是，他们的缺点在于，结构形貌的控制并不能完全匹配相关曲面的函数描述。另外，很多工艺过程将结构制备在光刻胶、PDMS等聚合物上，对于需要直接在光学材料表面加工的场合并不适用。
[0003]随着技术发展，准确的函数描述微曲面在微纳光学器件中有重要应用。以新型单光子源中的金刚石氮空位色心(金刚石中氮取代与相邻空位缺陷组合而成的色心)为例，为了克服金刚石的高折射率导致的全反射现象，提高单光子收集利用效率，需要在金刚石表面以色心为球心定位加工具有理想形貌的半球结构，参见文献“Strongly enhancedphoton collect1n from diamond defect centers under microfabricated integratedsolid immers1n lenses，Appl.Phys.Lett.97241901 (2010) ”。并且，计算表明，当半球结构周围是抛物面形状凹槽时，器件具有最好的工作效果。
[0004]位置确定，形貌理想的单个微曲面的加工还未见报道。因此，本专利提出一种制作工艺简单又能够制备理想二次微曲面的方案。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种制作工艺简单又能够很好地刻蚀出理想二次微曲面结构的方法。
[0006]为实现上述发明目的，本发明提供了一种在聚焦电子/离子束双束系统中用位图叠加制备二次微曲面结构的方法，该方法包括下列步骤:
[0007]步骤S1:对待加工样品的表面做预处理；
[0008]步骤S2:将待加工样品粘到聚焦电子/离子束双束系统的样品托上；
[0009]步骤S3:将粘好待加工样品的样品托固定到聚焦电子/离子束双束系统的样品架上，对样品腔室抽真空；在聚焦电子/离子束双束系统的电子束下将待加工样品表面需要加工二次微曲面结构的位置调整到聚焦电子束与离子束共轴的位置；
[0010]步骤S4:在合适的聚焦离子束系统成像放大倍数下，选择离子束加速电压与刻蚀束流大小，在待加工样品上需要进行二次微曲面结构加工的位置，按照设定刻蚀图形文件刻蚀加工二次微曲面结构。
[0011]与现有技术相比，本发明具有下列技术效果:
[0012]本发明能够在样品表面制备形貌理想的二次微曲面结构，本发明有很好的灵活性、制作工艺简单稳定，能够适用于多种二次微曲面或其组合结构的加工。
[0013]本发明能在确定的目标位置加工微曲面或其组合结构，并且所加工微曲面轮廓与设计匹配度高，刻蚀加工表面光滑细致。
[0014]本发明对于导电性差的样品需要在样品表面蒸镀导电金属层，并将样品表面以导电胶带连接到金属材质的样品托上，从而防止电荷积累影响加工的精确程度。
[0015]本发明按位图图组中刻蚀区域从大到小的顺序对样品进行刻蚀加工，能得到表面光滑的二次微曲面结构。
[0016]本发明能够广泛应用于多种材料表面二次微曲面结构的加工，进而实现相关的实用功能。
【附图说明】
[0017]图1示出本发明用位图叠加制备二次微曲面结构的方法的流程图；
[0018]图2中(a)?(b)示出了本发明方法的一个实施例在金刚石表面制备半球与倾斜侧壁组合结构的不同阶段的立体示意图；
[0019]图2中(C)?(d)为在金刚石表面制备半球与倾斜侧壁组合结构的不同阶段的侧视剖面示意图；
[0020]图3中(a)、(b)与图4示出了本发明一个实施例中在金刚石块材表面制备半球与倾斜侧壁组合结构的分层位图图组的设计方式；其中图3中(a)为侧视剖面示意图，图3中(b)与图4为俯视不意图；
[0021]图5示出了本发明一个实施例中在金刚石块材表面制备半球与倾斜侧壁组合结构叠加的位图图组示意图；
[0022]图6中(a)示出了本发明一个实施例中在金刚石块材表面制备半球与倾斜侧壁组合结构的电镜扫描图；图6中(b)示出了本发明一个实施例中金刚石块材表面半球与倾斜侧壁组合结构的过球心剖面电镜扫描图；图片已经过倾斜角度修正。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0024]本发明的一个实施例提供了一种用位图叠加方式在金刚石块材表面制备半球与倾斜侧壁组合结构的方法，实验在美国FEI公司生产的型号为Hel1s NanoLab600i的聚焦电子/离子束双束系统中进行。包括步骤:对待加工样品的表面做预处理；固定样品；进样并调共轴；选择合适离子加速电压与束流进行刻蚀加工。
[0025]位图文件(Bitmap)，扩展名可以是.bmp或者.dib。位图是Windows标准格式图形文件，它将图像定义为由点(像素)组成，每个点可以由多种色彩表示，包括2、4、8、16、24和32位色彩。共轴点是聚焦电子束的聚焦点。对于调节到共轴位置的样品表面的点，无论样品台进行任何方向的倾斜或者旋转，该点基本保持聚焦并且基本不发生漂移。共轴位置是喷气系统、操纵探针等安全使用的最优位置。
[0026]请参阅图1示出了本发明用位图叠加制备二次微曲面结构的方法流程示意图，该方法的具体步骤如下:
[0027]步骤S1:对待加工样品的表面做预处理。
[0028]请参阅图2中(a)所示，取一个至少具有一个抛光表面的金刚石块材1，进行表面清洁。在一个优选实施例中，将金刚石小块依次放入丙酮，乙醇，去离子水中超声清洗各五分钟，然后用氮气吹干。由于待加工样品是导电性差的金刚石，请参阅图2中(b)所示，在已清洗的金刚石块材I表面进行真空蒸镀制备导电金属层2的预处理。导电金属层2可以吸收聚焦离子束刻蚀过程中的多余电荷，防止金刚石的弱导电性所致电荷积累影响半球透镜的刻蚀效果。导电金属层的制备可以采用电子束蒸发、或热蒸发、或磁控溅射、或激光诱导沉积方法，导电金属层的厚度大于20nm。在上述优选实施例中，利用热蒸发手段在清洗干净的金刚石表面沉积30nm厚的铬膜。
[0029]步骤S2:固定样品是将待加工样品粘到聚焦电子/离子束双束系统的样品托上；
[0030]导电金属层2是蒸镀了 30nm络层，将蒸镀了 30nm络层的金刚石块材I粘到聚焦电子/离子束双束系统的样品托上。将具有导电金属层的待加工样品表面从不需要加工位置即边角处用导电胶带连接到金属材质的样品托上，从而将刻蚀加工过程中的大量电荷导出，防止电荷积累影响加工的精确程度。
[0031]步骤S3:进样并调共轴
[0032]将粘好待加工样品的样品托固定到聚焦电子/离子束双束系统的样品架上，对样品腔室抽真空；在聚焦电子/离子束双束系统的电子束下将待加工样品表面需要加工二次微曲面结构的位置调整到聚焦电子束与离子束共轴的位置；
[0033]步骤S4:选择合适离子加速电压与束流进行刻蚀。
[0034]请参阅图2中(C)所示，刻蚀半球与倾斜侧壁组合二次微曲面结构。在合适的聚焦离子束系统成像放大倍数下，根据刻蚀速率选定离子加速电压与离子束流大小，在待加工样品上需要进行半球与倾斜侧壁组合二次微曲面结构加工的位置，按照设定的位图图组刻蚀加工半球与倾斜侧壁组合二次微曲面结构。在上述优选实施例中，所加工半球结构半径为5微米，倾斜侧壁结构与待加工样品表面法线方向成45°角，半球5微米深度处圆周与倾斜侧壁5微米深度处端点相重叠。根据需要综合考虑加工时间与加工效果、加工速率、曲面结构及结构表面损伤程度对离子束流大小的选择进行优化处理。经过刻蚀实验优化后，选择离子加速电压为30keV，离子束流为2.5nA。在此刻蚀条件下，半球与倾斜侧壁组合二次微曲面结构加工共耗时55分钟。对沉积金属导电层的刻蚀待加工样品，二次微曲面结构加工完成后根据应用需要选择去除所述导电金属层。此处在加工完成半球与倾斜侧壁组合结构后，选择用5%的硝酸铈铵的乙酸溶液浸泡样品2分钟，去除金刚石块材I上的导电金属层2的铬层，则获得二次微曲面结构，如图2中(d)所示。
[0035]所述设定刻蚀图形文件的步骤包括三个步骤，首先对图3、图4及文中公式会出现的字母符号作出说明:
[0036]图3中，Al、BI是半球与倾斜侧壁组合结构第一层截面上的点，Al是第一层截面与倾斜侧壁的交点，BI是第一层截面与半球的交点，AlBl表示点A1、B1所在截面层在半球与倾斜侧壁组合结构上所截取的圆；A2、B2是半球与倾斜侧壁组合结构任意一层截面上的点，A2是该层截面与倾斜侧壁的交点，B2是该层截面与半球的交点；Aih与Bi h是半球与倾斜侧壁组合结构最后一层截面上的点，Aih是最后一层截面与倾斜侧壁的交点，Bih是最后一层截面与半球的交点，二者重合；C是半球球心。在本文中ih是沿深度方向将半球与倾斜侧壁组合结构分层的总层数；i是变量，表示对半球与倾斜侧壁组合结构进行分层的截面所处的层数，可取从I到ih中的任一数值；C2是点A2、B2所在截面层在半球与倾斜侧壁组合结构上所截取的圆环；民2是圆环C2的内半径，R02是外半径。
[0037]图4中，Ci是第i层截面在半球与倾斜侧壁组合结构上所截取的圆环；K ”!^、!^是第i层截面上的点，分别位于圆环Ci内侧、圆环c 及圆环c滸侧。
[0038]在本文中，圆AiBi是圆AlBl在第i层截面上的垂直投