利用离子束平面化去除铝合金镜面车削痕迹

《Surfaces and Interfaces》：Removal of turning marks from aluminum alloy mirror surfaces using ion beam planarization

　　

特征性的金刚石车削工具痕迹在一次平面化步骤中被显著减少。CF₄工艺气体消除了先前使用N₂时所需的额外平滑步骤。选择比为1使得向基底的理想转移得以实现。

**利用离子束平面化去除铝合金镜面车削痕迹的论文解读**

光学铝合金表面因在深紫外至远红外宽波段具有优异反射率，广泛用于精密光学系统。此类表面通常采用单点金刚石车削（SPDT）或飞切加工，其表面粗糙度和几何精度极高，但刀具几何形状不可避免地在中空间频率范围留下周期性加工痕迹，即车削痕迹。这些痕迹充当衍射结构，对短波长光产生散射，导致强度损失。理论上，增大刀具半径或减小进给量可降低痕迹高度，但实际加工中受主轴误差、振动、材料特性等影响，痕迹呈多波长叠加的复杂形貌。传统抛光方法如磁流变抛光（MRF）和化学机械平面化（CMP）对软基体含硬质颗粒的铝合金易产生划痕，且难以用于结构化表面或薄基底。在铝合金表面镀覆镍磷（NiP）层虽可改善抛光与车削，但会降低紫外/可见光反射率，并可能引发热膨胀失配问题。离子束平滑（IBS）和离子束修形（IBF）分别只能修正高空间频率或低空间频率误差，且对多晶铝合金直接刻蚀会因择优溅射而严重粗糙化。因此，需要一种能够有效去除中频车削痕迹且不损伤基底的替代方法。

针对上述问题，研究人员采用离子束平面化（IBP）技术，利用ma-N2400系列光刻胶作为牺牲层覆盖于快速凝固铝合金RSA 501的金刚石车削表面，通过CF₄基反应离子束刻蚀将光刻胶的平滑表面保形转移至基底，从而在一次工艺中大幅消除车削痕迹。研究首先表征了光刻胶的流平行为及其影响因素，其次调节离子能量使光刻胶与铝合金的刻蚀选择比达到1，最后在真实车削表面上验证了平面化效果。该研究发表于《Surfaces and Interfaces》期刊。

在关键技术方法方面，研究人员在Fraunhofer IPK和柏林工业大学MFG部门制备了SPDT铝合金样品，使用Moore Nanotech 650 FG机床和半径1.5 mm的单晶金刚石刀具。为表征光刻胶流平能力，在硅片上制作了周期2–450 μm、振幅10 nm的二元光栅模拟车削痕迹。表面形貌通过原子力显微镜（AFM）、白光干涉仪（WLI）和触针轮廓仪测量，膜厚通过光学反射仪获得。离子束刻蚀使用CF₄或O₂工艺气体，束电压在2.5–3.75 kV间调节，入射角为0°。样本队列为两块RSA 501平面镜，分别在不同刀具条件下车削。

研究结果分为三部分。第一部分“ma-N2400光刻胶流平行为表征”：在二元光栅上测试不同工艺条件下的平面化度（DoP_pr）。紫外固化因引起负性光刻胶收缩而显著降低DoP_pr，后烘烤则通过超过玻璃化转变温度引发回流效应，使光刻胶表面松弛至平坦状态，从而提高流平性。真空暴露会使DoP_pr降低约6%。此外，光刻胶膜厚越大，可嵌入的结构周期越长。厚度为240 nm至1263 nm的ma-N2405在周期小于80 μm时DoP_pr重复性良好（标准差<3%），而更厚的光刻胶会产生条纹，采用1.2 μm厚度可避免条纹并获得均一薄膜。

第二部分“ma-N2400和RSA 501的离子束刻蚀行为表征”：光刻胶初始表面粗糙度低于0.3 nm rms，O₂刻蚀不改变其形貌；CF₄刻蚀后产生轻微颗粒状结构，rms为0.35 nm。RSA 501经CF₄刻蚀后粗糙度随深度增加，50 nm刻蚀深度下rms为3.2 nm。入射角实验表明，光刻胶在40°以上开始形成自组织结构，而铝合金在20°和60°出现粗糙度峰值，因此两者角度依赖的刻蚀速率曲线无交叉，无法通过改变入射角调谐选择比。研究发现，增大束电压时RSA 501的刻蚀速率比光刻胶增加更快，在3.65 kV处两者速率相等，获得选择比1。由于离子能量对两种材料的粗糙度均无显著影响，离子能量成为有效的选择性调谐手段。

第三部分“RSA 501上的离子束平面化应用”：选择1.2 μm ma-N2405光刻胶，经112 °C烘烤120分钟（省略UV固化），先用O₂刻蚀去除大部分光刻胶至残余厚度200 nm，再用CF₄在3.65 kV束电压下将表面形貌转移至基底。在34个测量位置上统计，样本#1的车削痕迹频段rms值由2.77 nm降至0.75 nm，平面化度（DoP_RSA）约70%；样本#2由0.85 nm降至0.34 nm，降幅约60%。白光干涉测量显示整体粗糙度分别从3.1 nm降至1.4 nm和从2.7 nm降至0.7 nm。残余车削痕迹归因于等离子体密度波动导致的选择性微小变化。由于功率谱密度（PSD）与角分辨散射直接相关，PSD的改善预示散射减少、反射率提高。

在讨论部分，作者指出IBP对车削痕迹初始振幅没有严格限制，但痕迹周期必须小于光刻胶最大可嵌入周期。当前由于较厚光刻胶出现条纹，可用膜厚上限为1.2 μm，对应最大可平面化周期至少60 μm。IBP获得的约1 nm rms粗糙度优于SPDT单独或结合MRF、CMP在铝合金上的典型值（约2–3 nm rms），且适用于结构化表面和薄基底。对NiP镀层表面，传统方法虽可实现更低粗糙度，但受限于平面几何且需额外反射涂层。

研究结论概括为：ma-N2400系列光刻胶可用于RSA 501金刚石车削表面的离子束平面化。流平行为强烈依赖于工艺条件，紫外固化和真空暴露导致收缩降低性能，而后烘烤通过回流效应促进平整化。传统的选择性调谐方法（入射角、氧掺混）不适用，但通过调节提取电压可在3.65 kV时获得选择比1。在优化条件下，3 μm和6 μm周期的车削痕迹振幅降低70%，粗糙度降至1 nm rms以下。IBP显著减少周期痕迹，比SPDT单独或结合MRF/CMP在铝合金上产生更低粗糙度。尽管NiP镀层表面可获得更低粗糙度，但受限于非结构化表面且存在热膨胀失配和反射率问题。综上所述，IBP证明可有效去除RSA材料上的车削痕迹。但结构周期较长需要光刻胶厚度超过1.2 μm时，需改进光刻胶配方。未来工作将扩展到机械加工自由曲面和闪耀光栅，评估喷涂法代替旋涂，并测试替代光刻胶以嵌入大于450 μm的周期，从而缩短加工时间并扩大可修正的空间频率范围。