一种靶材温度可控范围广的团簇离子束高温抛光方法和装置与流程

1.本发明涉及团簇离子应用领域，具体涉及一种靶材温度可控范围广的团簇离子束高温抛光方法和装置。


背景技术：

2.抛光技术是利用机械、化学或电化学的作用，降低工件表面粗糙度，以获得光洁、平整表面的加工方法。
3.传统的抛光工艺(机械抛光、化学抛光、电解抛光、激光抛光)技术成熟，在国内也早已实现了商业化，但都存在难以解决的弊端——抛光效果差，粗糙度只能降低至10nm，不适用于光学元件的超高精密抛光。而磁流变抛光技术、精密曲面气囊抛光技术、计算机数控研磨精度高，技术要求也高，需要经验丰富的技师操作。
4.气体团簇离子的单体与样品原子之间的相互作用呈高度的非线性关系，团簇离子轰击材料表面时，材料凸起处溅射率远高于下凹处，使得凸起处被侵蚀，从凸起处溅射出的靶材料遵循次余弦定律，几乎平行靶材表面飞溅出去，最后回落至下凹处，使得凸起与下凹处高度差逐渐减小，达到平坦化效果。同时由于团簇尺寸大，包含成百上千个原子，平均每个原子的能量只有几ev，团簇离子难以实现注入，对靶材的亚表面损伤特别小。
5.对团簇离子束的常温平坦化，其最终粗糙度受到了形成的孔洞的限制，孔洞来源于团簇离子与材料表面的碰撞而遗留下来的表面损伤，孔洞呈半球形结构(所以又称作半球形损伤)，形貌类似于甜甜圈，中间低于靶材的平均表面，但是边缘会垒起高于靶材表面的环状土堆，孔洞的这种中间低边缘高的不平整形貌，严重破坏了靶材的平坦表面，使得表面粗糙度限制在了0.5
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1.0nm，难以突破至0.2nm以下。t.seki，g.h.takaoka等人已经证明，孔洞的环形边缘可以通过600℃高温退火去除，但孔洞本身依然存在。
6.基于此，我们将采用加热靶材的高温抛光来恢复由于团簇与靶材表面的碰撞而产生的半球形损伤，使粗糙度降低至0.1
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0.2nm。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术中存在的不足，高效地获得高质量的平坦表面，本发明提出提出了加热靶材、团簇离子的高温抛光方法，在团簇离子除去靶材表面的柱状、锥状物和划痕的同时，通过给靶材加热，促进其靶原子运动，抑制半球形损伤(即孔洞)的产生，以快速高效达到平坦效果。
8.本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种靶材温度可控范围广的团簇离子束高温抛光方法，包括以下步骤：
9.s1、对靶材预热，并将靶材温度控制在100℃～400℃，除去靶材表面的可挥发性污染物；
10.s2、加热靶材，加快靶材原子运动，并将靶材温度控制在400℃～800℃，引出团簇离子束轰击靶材，所述团簇离子束的团簇离子能量介于0.5kev～20kev之间；
11.s3、团簇离子束停止轰击，靶材温度在400℃～800℃持续保持20min～60min。
12.而且，s2中团簇离子束产生方法为以惰性气体作为源气体，调节源气压介于0.2mpa～1.0mpa之间，通过喷嘴的超声膨胀原理获得气体团簇，喷嘴口径50μm～150μm，通过加热钨丝放电，使得中性团簇电离成团簇离子，用于轰击靶材的团簇离子在电场中加速获得0.5
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20kev能量，其平均尺寸为500
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5000个原子。
13.而且，s2中团簇离子束和靶材以相对垂直的路线运动对靶材进行抛光，所述团簇离子束和靶材相对垂直路线运动为团簇离子束沿横向来回折返运动、靶材沿纵向单向运动，或团簇离子束沿纵向来回折返行走、靶材沿横向单向运动。
14.一种用于所述靶材温度可控范围广的团簇离子束高温抛光的装置，至少包括设有靶材的样品台，样品台位于绝缘陶瓷管中，绝缘陶瓷管的一端开有通孔，靶材设于样品台朝向通孔的一端，样品台外表面包覆有云母片，云母片外设有与电源连接加热丝。
15.而且，团簇离子束产生后从通孔处进入并轰击靶材。
16.而且，样品台和靶材连接有温度计，样品台连接有示波器。
17.而且，加热丝为电阻式加热丝，加热温度为0℃～800℃。
18.而且，所述样品台材质为导热系数大于300w/mk的金属。
19.与现有技术相比本发明具有如下优点：
20.1、为克服现有技术团簇离子轰击法抛光材料表面的局限性，提出了加热靶材、高温抛光模式，在团簇轰击靶材时，同时给靶材加热，使得团簇遗留的孔洞因为高温作用被消除；2、相比传统的常温抛光方法，本发明的高温抛光法可以保持原有的团簇产生的高额溅射率，同时又能及时抑制孔洞、除去孔洞，优化表面，通过对靶材抛光过程中将靶材温度控制在400℃～800℃，加快靶材原子运动速度，抑制了半球形损伤的形成，使得最终靶材表面平坦无损伤，并且团簇离子束轰击结束后，靶材温度以400℃～800℃持续20min～60min，充分恢复团簇离子束轰击靶材遗留的表面损伤，使得最终粗糙度降低至0.1
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0.2nm，克服了现有技术中靶材粗糙度难以降低至0.2nm以下的问题；3、相比常温抛光后，高温退火模式，本发明的高温抛光法省去了退火环节，加快了抛光时效性，同时无退火设备的需求，降低了成本，另外退火只能除去孔洞的边缘而无法除去孔洞本身，高温抛光是从根源上抑制孔洞的形成，所以最终的表面会更加平坦；4、本方案提供的装置采用电阻式加热丝连通电源，电阻式加热丝均匀缠绕在导热性优良的样品台侧壁上，样品台加热位于样品台上的靶材，通过调节电源的电压大小改变流经电阻式加热丝的电流大小，从而达到控制样品台、靶材温度的目的；装置简便灵活，温度控制灵敏且温度可控范围广。
附图说明
21.附图1为本发明装置的结构示意图；
22.图中：1、团簇离子束发生器；2、靶材；3、样品台；4、云母片；5、电阻式加热丝；6、绝缘陶瓷管；7、低压直流电源；8、温度计；9、示波器。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。
24.一种靶材温度可控范围广的团簇离子束高温抛光方法，通过加热靶材，使得整个抛光过程处于高温状态，高温促进了靶原子的运动，可以抑制半球形损伤(即孔洞)的产生，以快速高效达到平坦效果。包括以下步骤：
25.(1)预热样品台、靶材；
26.(2)加热样品台、靶材，引出团簇离子束并轰击靶材，除去凸起、划痕等；
27.(3)团簇停止轰击，靶材继续保持高温加热一段时间。
28.上述步骤(1)预热样品台、靶材：通过电源给电阻式加热丝供给较低的电压，使样品台温度处于100
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400℃，在一定程度上清洁靶材，除去表面的可挥发性污染物，比如靶材中溶解的溶质气体、吸附在靶材表面的水分子。
29.步骤(2)获得团簇离子束：采用惰性气体(ne，ar，kr等)作为源气体，调节源气压介于0.2
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1.0mpa，通过喷嘴的超声膨胀原理获得气体团簇，喷嘴口径50
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150μm；通过加热钨丝放电，使得中性团簇电离成团簇离子；团簇离子在电场中加速获得能量，所述团簇离子能量介于0.5
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20kev；利用不同质量的团簇离子在磁场中做圆周运动的轨道半径不同，实现质量分离，重团簇几乎维持原有的直线运动，轻团簇及单质离子被偏转。所述重团簇平均尺寸为500
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5000个原子，团簇离子尺寸可通过调节源气压、源气体、喷嘴直径来调节。
30.超声膨胀的原理和有关内容在文献《materials processing by gas cluster ion beams》(materials science and engineering r 34(2001)231
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295page)和《design and experimental testing of a gas cluster ion accelerator》(chinese physics c vol.41，no.8(2017)087003)中均有解释说明。
31.步骤(2)加热靶材，靶材放置在导热性优良的样品台(比如au、ag、cu质支架)上，样品台均匀缠绕着电阻式加热丝(比如ni
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cr合金)，通过直流电源给加热丝加一定电压，由于热效应，加热丝会将电能转换为热能，热量又均匀地传递到样品台、靶材，使得温度升高至一定值(400
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800℃)，并恒温。
32.步骤(2)团簇轰击靶材，团簇溅射率很高，可以快速除去凸起、划痕，同时，高温促进了靶原子的迁移，抑制了半球形损伤的形成，或者及时消除孔洞，使得最终靶材表面平坦无损伤。
33.步骤(3)团簇停止轰击，靶材继续保持高温400℃～800℃加热一段时间，以充分恢复团簇轰击遗留的表面损伤，保温时间介于20
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60分钟。
34.需要对团簇离子束和靶材进行相对移动时调整抛光部位时，只需s2中团簇离子束和靶材以相对垂直的路线运动即可对靶材进行抛光，所述团簇离子束和靶材相对垂直路线运动为团簇离子束沿横向来回折返运动、靶材沿纵向单向运动，或团簇离子束沿纵向来回折返行走、靶材沿横向单向运动。
35.本发明同时提供了一种基于所述方法的气体团簇离子高温抛光装置，如图1所示，包括团簇离子束1、靶材2、样品台3、云母片4、电阻式加热丝5、绝缘陶瓷管6、低压直流电源7、温度计8、示波器9。样品台位于绝缘陶瓷管中，绝缘陶瓷管的一端开有通孔，靶材设于样品台朝向通孔的一端，样品台外表面包覆有云母片，云母片外设有与电源连接加热丝。团簇离子束产生后从通孔处进入并轰击靶材。
36.所述团簇离子束一般为惰性气体(ne，ar，kr等)，由超声膨胀法产生，团簇离子能量介于0.5
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20kev，平均尺寸为500
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5000个原子。
37.所述样品台需具备优良的导热性，以及时将加热丝产生的热量传递给靶材，可采用导热系数大于300w/mk的金属比如au、ag、cu质支架，整个样品台呈圆柱形，便于均匀缠绕加热丝。
38.所述云母片具有导热绝缘性，既不会阻碍加热丝给样品台加热，又能隔绝加热丝将电流传递给样品台，影响计算团簇离子剂量。
39.所述电阻式加热丝是整个装置的核心组件，用于将电源供给的电能转换为热能，以提高样品台、靶材的温度。加热丝需采用电阻率较高的金属或合金导线，比如ni
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cr合金加热丝，加热丝均匀缠绕在样品台上，使得样品台受热均匀。
40.所述绝缘陶瓷管不具导热性，包裹在四周，用于阻止加热丝的热量散失。
41.所述低压直流电源用于给加热丝供电，使加热丝产生热效应，通过调节电压改善加热丝电流，从而达到调控样品台、靶材温度的目的，温度可介于常温～800℃。
42.样品台和靶材连接有温度计，样品台连接有示波器，所述温度计实时监测靶材、样品台温度；所述示波器用于测量达到样品台上的团簇离子电流，便于精准调控离子剂量。