（核技术及应用专业论文）kz400离子束刻蚀装置的优化设计.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 k z ，4 0 0 离子束刻蚀装置的优化设计 摘要 k z - 4 0 0 离子束刻蚀装置的研制是应大口径衍射光学元件研制的需求而立项 的，它通过扫描工作台往复扫描6 6 6 c m 2 的条形离子源来完成面积为 4 0 0 4 0 0 r a m 2 的光学元件的刻蚀，是在大口径光学基底上刻蚀槽形的必备工艺设 备。本文以作者参与的工作为主体，围绕k z 4 0 0 离子束刻蚀装置的设计、安装 与调试进行了系统的介绍，主要包括以下内容： 1 该装置的研制背景和总体设计方案的介绍 2 通过工作台二维传动力矩的分析计算，选择和确定了运动导轨、传动螺 杆及传动链的形式和结构；简介固体润滑机理，对用于导轨润滑的二硫 化钼润滑剂进行了真空润滑性能试验和质谱分析： 3 用有限元分析法对真空室的受压形变和工作台扫描离子束时的温度分布 进行了计算，并据此选择了合理的真空腔和工作台结构； 4 真空系统的配置，有效抽速及抽气时问计算，真空处理与真空状态的测 量： 5 简介6 6 6 c m 2 条形射频离子源工作原理，探测了离子束流密度横向积分 在纵向分布的均匀性，并由测得的数据仿形出束阑孔径，通过束阑大幅 度改善束流密度均匀性，使之达到或优于设计指标： 6 作台和束流探测器的安装，运动精度的测量和补偿。 关键词：离子束刻蚀机，优化设计，有限元分析，离子源，传动系统，真空配置 精度测量 稻撕一 中国科学技术大学硕士学位论文 k z - 4 0 0 离子柬刻蚀装置的优化设计 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fk z - 4 0 0i o nb e a me t c h i n gs y s t e mi sn e e d e db yf a b r i c a t i n g l a r g es i z ed i f f r a c t i o no p t i c a lc o m p o n e n t s t h i sd e v i c ec a r le t c ho p t i c a lc o m p o n e n t s s i z e d4 0 0 x 4 0 0 m m 2b ys c a n n i n gt h e6 x 6 6c m 2r fi o nb e a ms o u r c er e c i p r o c a t i v e l y a n di t i san e c e s s a r yd e v i c ef o re t c h i n gi m a g e so no p t i c a ls a m p l e s f o c u s i n go nt h e p a r to fw o r kw h i c ht h ea u t h o rp a r t i c i p a t e di n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g n ，f i x i n g ， t e s t i n ga n da d j u s t i n go ft h ed e v i c e t h ef o l l o w i n gp o i n t s a r ei n c l u d e d ：s o m e c o m p u t m i o n sa n de x p e r i m e n t sf o rt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ew o r k i n gt a b l e ，t h e ， t h em e a s u r e m e n t sa n di m p r o v e m e n t sf o rt h ed e n s i t yu n i f o r m i t yo ft h ei o nb e a m ， w h i c hi n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 i n t r o d u c i n gt h eb a c k g r o u n do fd e v e l o p i n gt h ed e v i c e ，a n dt h ew h o l es c h e m e o fi t sd e s i g n 2 c h o o s i n gm o t i o ng u i d e s ，s c r e w s ，a n ds t r u c t u r e so f t h et r a n s m i s s i o nc h a i nf o r t h em o t i o no f t h ew o r k i n gt a b l e c o m p u t i n gt h es c r e w s t r a n s m i s s i o nt o r q u e s i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l e so fs o l i dl u b r i c a t i o n e x p e r i m e n t sa n dm a s s s p e c t r u ma n a l y s i sw e r em a d et o t e s tt h ep e r f o r m a n c ei nv a c u u mo fam o s 2 l u b r i c a n tw h i c hw i l lb e u s e df o rt h el u b r i c a t i o no ft h ew o r k i n gt a b l e s m o v e m e n t ， 3 u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st od oc o m p u t e r a i d e dd e s i g nf o r t h ev a c u u m c h a m b e rt h ew o r k i n gt a b l eb ya n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h ed e f o r m m i o n so f t h ev a c u u mc h a m b e ru n d e rp r e s s u r ea n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h e w o r k i n gt a b l e ，b a s e do nw h i c hr e a s o n a b l es t r u c t u r e sa r ea d o p t e d 4 c h o o s i n gt h ec o n f i g u r a t i o no ft h ev a c u u ms y s t e m c o m p u t i n gt h ee f f e c t i v e p u m p i n gv e l o c i t ya n dt h et i m ec o n s u m p t i o no fp u m p i n g i n t r o d u c i n gs o m e d i s p o s a l sf o ro b t a i n i n ge n o u g hv a c u u ma n dm e a s u r i n g t h er e a lv a c u u n l 5 i n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n to fi o nb e a ms o i l r c e s ，t h ep r i n c i p l e so fr fi o n b e a ms o u r c e m e a s u r i n ga n di m p r o v i n gt h ed e n s i t yu n i f o r m i t yo ft h e6x 中国科学技术大学硕十学位论文k z 4 0 0 离子柬刻蚀装置的优化设计 6 6 c m 2i o nb e a mt ot h ed e s i g nt a r g e t 6 m e a s u r i n gt h ef i x i n ga n dm o v i n gp r e c i s i o no ft h ew o r k i n gt a b l ea n dt h ei o n b e a md e t e c t o r k e yw o r d s ：i o nb e a me t c h i n gm a c h i n e ，o p t i m i z ed e s i g n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， i o nb e a ms o u r c e ，t r a n s m i s s i o n s y s t e m ，v a c u u mc o n f i g u r a t i o n ， p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t 中国科学技术人学石虫十学位论文第一辛纬论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1k z 4 0 0 离子束刻蚀装置研制的提出 k z 一4 0 0 离子束刻蚀装置时大口径衍射光学元件制作的关键工艺设备，而大 口径衍射光学元件的研究和应用是惯性约束聚变( i c f ) 研究进程中个十分 重要的环节。 当前国际上i c f 研究的军事需求背景十分明显。研究激光惯性约束聚变点火 不仅可以使人类逐步掌握可控核聚变的手段，用以产生取之不尽、用之不竭的聚 变能量，造福于人类，另一方面，研究惯性约束聚变及相关的物理规律，对保证 核武器的库存和安全，提高一个国家的核能力具有十分重要的意义。美国人宣布， 1 9 8 6 年至1 9 9 9 年运行的美国n o v a 装置已经为美国核武器研究做出了实质性的 贡献。目前正在建造的美国国家点火装置( n i f ) 即将进一步为i c f 点火做出重 要贡献。 i c f 点火研究经历了七十年代初解密提出的“中心点火”机制，九十年代初研 究较多的“体点火”机制，直至九十年代后期至今重点研究的“快点火”机制三个阶 段。利用皮秒超短激光脉冲实施激光压缩靶丸区的快点火已经成为当今国际i c f 前沿科学领域重点研究的最活跃课题。这项课题研究分为快点火物理研究和超短 脉冲激光驱动器研究两个方面。建立在激光脉冲啁啾放大和压缩( c p a ) 基础上 的亚皮秒或皮秒超短脉冲激光器是目前研究快点火物理的唯一重要的驱动器。 2 0 0 1 年9 月1 0r 至1 4r | 在日本京都召丌的第二届国际惯性聚变科学与应用会 议的中心议题就是超短脉冲激光发展与快点火物理。根据i c f 科学界目前的分析 和认识，需要在几皮秒激光脉冲内输出十至几十k j 激光能量来引发快点火过程。 美国n o v a 装置在1 9 9 9 年关闭以前已经实现了拍轧级( 1 0 ”w ，p w ) 近l ( j 亚 皮秒超短脉冲激光输出。h 本和英国已经实现或即将实现亚皮秒拍瓦激光输出。 三家使用的9 4 c m 大口径镀金全息光栅只有美国劳伦斯利弗莫尔实验室能够制 造，其高衍射效率、高损伤阈值和大尺、，的苛刻要是国内外r 肓场上的商业光栅所 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 远远不能满足的。法国、德国近两年也将分别完成他f r i l l , 3 多个拍瓦激光系统。鉴 于这项课题的军事需求背景，我们不可能指望从美国利弗莫尔实验室定制昂贵的 大口径全息光栅用于超短脉冲激光，在激光聚变点火的道路上只能依靠自己的力 量研制自己使用的大口径衍射光学元件。 2 0 0 1 年，我国已在上海i l f 式建成理论、物理实验、诊断、制靶、激光驱动 器五位一体的核爆模拟实验平台。2 0 0 6 年即将在绵阳建立更大的实验平台。在 这项重要的高技术战略部署中，要求提供使用面积为2 0 0 4 0 0m m 2 的高衍射效 率、高辐射损伤阂值的大e l 径脉宽压缩光栅，3 2 0 3 2 0m i l l 2 的大口径色分离光栅 ( c s g ) 和光束采样光栅( b s g ) ，口径为巾2 6 0 m m ，激光频率分别为基频( 1 0 3 0 ) 和三倍频( 3 o ) 的光束匀滑器件( k p p ) 以及更大口径、多种用途的k p p 器件。 这些元器件，特别是c s g 、b s g 元件的研制，带有技术参数、工程性、数量和 时间进度的指令性要求，表明对大口径光学元件研制工作的要求是十分必要和迫 切的。 大口径光学元件的研究经国内相关专家的调研、评审，最后确定为8 6 3 计划 中的高科技攻关项目，并选择了以中国科学技术大学为依托单位，组成由中国科 学技术大学、清华大学、苏州大学和四川大学联合研究体制，集中国内在这一领 域中的优势力量，确保该专题研究的成功。专题研究的最终结果是要提供上述四 种数十块符合要求的大口径衍射光栅，而所有光栅的出笼却离不开将掩模图形转 化到基地上的工艺设备。因此，k z 4 0 0 离子束刻蚀装置的研制便在此背景下提 出了。 1 1 2 刻蚀机理概述 刻蚀是利用显影后的光刻胶图形作为掩模、在s i 0 2 、s i 3 n 4 、金属、多晶硅 等衬底上腐蚀掉一定深度的薄膜物质，得到与光刻胶图形相同的图形。光刻和刻 蚀技术决定着集成电路图形的精细程度。 刻蚀通常可分为湿法刻蚀和干法刻蚀两类。常规的湿法腐蚀指用液体化学溶 剂腐蚀掉样片表面一定深度的物质，是各向同性刻蚀，线宽一股在3 m 以上， 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 刻蚀精度差，不均匀，且污染环境。随着半导体器件的发展，芯片图形精度越来 越高，湿法刻蚀由于难以避免的横向钻蚀，以及在大面积上的均匀性较差，成品 率和重复性不好，刻蚀深度有限等，已不能满足高精度细线条图形刻蚀的要求， 于是逐步发展了一系列于法刻蚀技术。干法刻蚀是指用气相刻蚀剂与样品表面作 用，刻蚀产物为挥发性气体并被抽走。应用较普遍的有等离子体刻蚀、反应离子 刻蚀、聚焦离子束刻蚀和离子束刻蚀等。 1 1 2 1 等离子体刻蚀 等离子体刻蚀( p e ) 是在湿法腐蚀技术基础上发展起来的，属于纯化学性 腐蚀，其基本原理是：腐蚀气体分子在高频电场作用下发生电离形成等离子体， 在等离子体存在的条件下，以平面曝光后得到的光刻图形作掩模，通过溅射、化 学反应、辅助能量离子( 或电子) 与模式转换等方式，精确可控地除去衬底表面 上一定深度的薄膜物质而留下不受影响的沟槽边壁上的物质的一种加工过程。该 过程通常为各向异性且按直线进行。这种方法腐蚀的优点是刻蚀均匀性和选择性 好、损伤小，避免了废液料对环境的污染等。与湿法腐蚀相比最大的优点是可使 刻蚀具有强方向性。缺点是各向刻蚀同性，对于1 9 m 以下的细线条线宽损失明 显【2 l o 1 1 2 2 反应离子刻蚀 在等离子刻蚀的基础上改进反应结构和接电方式，出现了反应离子刻蚀 ( r i e ) 。反应离子刻蚀是利用高频电场下气体辉光放电产生的离子轰击的物理 效应和活性粒子的化学效应相结合来实现加t 目的的一种技术。这两种技术的共 同点是利用电离腐蚀气体中的活性物质( 如f 原子) 与暴露的样品表面进行化学 反应，以达到刻蚀的目的。p e 的l ：作气压高( p 6 6 6 7 p a ) ，刻蚀速率大，选择 性好，但刻蚀各向异性差，而r i e 的工作气压低( 13 3 1 3 3 3 p a ) ，其最显著的 特点是刻蚀方向性好，且具有一定的选择性，加快了纵向的腐蚀速度。因而， r i e 在集成电路制作工艺中所处的地位较p e 重要，特别在刻蚀深度较大的微机 械加工领域显得尤为重要。该方法对1 u m 以卜的细线条的腐蚀线宽损失较小p l 。 中国科学技术大学顷士学位论文 第一章绪论 1 1 2 3 聚焦离子束刻蚀 自从聚焦离子( f i b ) 于1 9 7 3 年首次用于制作微细结构以来，它己发展成为 半导体制作技术中的一个可靠工具。利用聚焦离子束可直接在无掩模状态下进行 离子注入、蚀刻、成膜等。亚微米聚焦离子束物理溅射刻蚀可应用于光刻模板的 修理、多层电路的剖面观察、集成光电子器件中光学元件的微细加工。然而，那 时的离子由常规的等离子体源产生，相应的聚焦流密度很低，导致刻蚀的速率较 慢。从七十年代术人们开始研制液态金属离子源( l m i s ) 。气体离子源的开发由 于工作条件的不稳定而被长期忽视，然而最近的研究表明，它可产生较高的使用 电流密度。目前，用作离子源的纯净气体有h 2 、h e 和n e ，聚焦离子束电流密 度可达1 0 0 a c m 2 ，产生的斑点直径小于1 0 啪1 2 l 。 聚焦离子束刻蚀能够得到非常平滑的刻蚀表面，而且刻蚀表面的角度能够被 控制。 1 1 2 4 离子柬刻蚀 等离子体刻蚀和反应离予刻蚀2 1 这两种腐蚀方法都离不开反应气体，刻蚀不 同材料需要不同的反应气体及组分，需要不同的激励方式和激励条件。反应气体 般是氯化物或氟化物，还有的材料很难找到合适的反应气体，如p t ，往往采用 纯物理作用的二极溅射刻蚀或离子束刻蚀。 二极溅射采用直流方法使气体分子电离，离子对基片轰击引起的损伤大，刻 蚀速率低。离了束刻蚀也叫离子束铣( i o nm i l l i n g ) ，是上个世纪7 0 年代发展起 来的一种干法刻蚀工艺，它是通过物理溅射功能进行加工的离子铣，把m 、斯 或x e 之类惰性气体充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将 离子呈束状引出弗加速，具有一定能量的离了束进入工作室，射向固体表面撞击 固体表面原予。离子冲击工件表面时，产生弹性碰撞并将能量传递给工件材料的 原予、分子，其中一部分能量使原子、分子产生溅射，被抛出工件表面，称为离 子束溅射现象。物理溅射效应使得材料的原子层连续被去除，从而把掩膜图形拷 贝到基底上。 离子束刻蚀有以下几个特点【4 1 ： 4 中国科学技术大学硕上学位论文第一章绪论 ( 1 ) 加工精度和表面质量高。离子束轰击材料是逐层去除原子或分子，离子 束流密度及离子能量可以精确控制。由于离子束的准直性，使刻蚀图形具有高的 各向异性，高的保真度，刻蚀为各向异性，无钻蚀，因此刻蚀图形边缘整齐，分 辨率达几个纳米。它由一个离子源提供离子，离子能量低、密度大，加工时被加 工表面层不产生热量，不引起机械应力和损伤，故加工质量高。 ( 2 ) 加工材料广泛。由于离子束加工原理是力效应，故对脆性、半导体、高 分子等材料都可加工。且加工在真空下进行，故也适用于加工易氧化的金属、合 金等材料。 ( 3 ) 控制性能好，易于实现自动化。刻蚀过程中可改变离子束入射角0 来控 制图形轮廓。 离子束刻蚀是目前所有刻蚀方法中分辨率最高，陡直性最好的方法，已广泛 地应用于现代微电子器件、微光学器件和微光电子器件的制作工艺流程中，是超 精密图形转移的最有效的手段之一。鉴于离子束刻蚀具有诸多优点，因此，我们 研制的刻蚀装置选用了离子束刻蚀的方法。 1 2k 不4 0 0 离子束刻蚀装置概况 目前国内研制成功的离子束刻蚀机主要有l k 系列离子束刻蚀机 5 1 和l s k 系 列离子束刻蚀机6 1 ，其最大有效束径分别为中8 0 m m 和中1 0 0 m m ，均不能满足大 口径元件刻蚀的要求。国外拥有大型离子束刻蚀装置生产技术的厂商为数不多， 若全套引进价格相当昂贵，且安装、调试、操作和维修多有不便。因此，我们决 定自行研制k z - - 4 0 0 离子束刻蚀装置。 1 2 1 目标与要求 k z 4 0 0 离子束刻蚀装置是由前面所述的大口径脉宽压缩光栅、大口径色分 离光栅、光束采样光栅、光束匀滑器件以及更大口径、多种用途的k p p 器件的 研制的需求而研制的，这四种大f _ l 径衍射元件的制作最终都要由这台设备来完 成。表1 1 列出了k z 一4 0 0 离子束刻蚀装置的几个主要设计指标。由于所刻蚀的 中国科学技术人学硕j j 学位论文 第一章绪论 为超精细的光学元件，因此，对刻蚀机的稳定性、离子束流的均匀性、工作台的 扫描运动和智能监控等均有很高的要求，将在后面的章节中详细介绍。 表1 - 1k z - 4 0 0 离子束刻蚀装置的主要设计指标 t a b 1 - 1m a i nd e s i g nt a r g e to f t h ek z - 4 0 0i o nb e a me t c h i n gs y s t e m 可刻蚀面积 刻蚀功率 离子柬流强度 束流密度均匀- 件 刻蚀角度范围 静态本底真空 动态_ 作真字 4 0 0 x 4 0 0m m 2 1 0 0 0 u ，1 3 5 6 m h z 1 0 0 - - 1 0 0 0 m a 5 ( 在4 0 0 m m 长度上) 】5 。 5 1 0 - 4 p a 5 lo _ 2 p a 1 2 2 总体方案 以往的离子束刻蚀大都采用圆形离子源，将整个样品浸于离子束中。但是对 于大尺寸的样品，尤其是矩形样品，这样的刻蚀方式使得所需离子束的口径按均 方根的倍数增加，势必导致技术难度的提高，样品质量难以保证。鉴于此，我们 采用条形离子源与一i ：作台扫描运动相结合的方式来实现大面积刻蚀，即由条形离 子源抽出的定向运动的离子束轰击样品表面，而装载样品的工作台沿纵向均匀扫 描离子束，从而将大面积掩膜图形拷贝到样品上，完成大面积矩形光栅的图形转 化和槽形刻蚀。 k z 一4 0 0 离子束刻蚀装置主体部分除离子源以外由真空腔、工作台、传动系 统、探测系统、真空抽气系统、电源、软硬件控制、水气供给、支撑及其它辅助 系统组成，体积( 包括控制机柜在内) 约为2 0 0 0 ( 长) 1 8 0 0 ( 宽) 2 0 0 0 ( 高) m m 3 ，占地面积约需4 0 平方米，分二三个地域：一是放置严重噪音污染的辅助系 统，二是本体安装维护( 设有起重吊车) ，三是刻蚀工艺操作。 该装置的主要部件见附图1 。条形离子源和工作台立式安装在真空腔内；工 作台相对离子源作平移，扫描样品的刻蚀面积：离子束穿过石墨板制成的光阑孔 径，遮挡边缘不均匀束流和杂散离子，保证落入样品表面的离子束流横向积分流 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 强均匀；正常工作时，离子束垂直于被刻光栅，但有时为了修正被刻光栅的截面 形状或获得更均匀的离子束，离子源相对于工作台有+ 1 5 。旋转的选择：工作台由 伺服电机经减速器无级调速，其导向导轨和驱动丝杆均用滚动摩擦代替滑动摩 擦，并加以适当润滑，防l t 真空环境中频繁往复运动下运动副之间出现咬死或爬 行现象，以保证工作台的运动精度和最小分辨率要求。刻蚀光栅槽形的实时监测 系统是通过设置在真空室内的一块反射镜将真空室外引入的激光反射到被测光 栅上，转动反射镜和移动样品，使照射到光栅上的激光在特定的角度下产生的衍 射光原路返回，再由真空室外的探测器记录衍射曲线，据此来分析槽形质量；系 统配置相当富裕的抽气设备，使系统稳定在5 1 0 a 静态真空度和5 1 0 - 2 p a 动 态真空度，整个刻蚀过程样品保持在干净的真空环境中。整机操作配置了伞方位 智能控制系统，包括工作台运动状态，离子源工作状态、主体真空腔内的真空状 态，离子束流密度检测，工作气体状态，样品环境温度监控，冷却水循环系统监 控与警报等。通过各功能模块的通讯接口和计算机相连，实行有序控制，并用界 面软件在荧光屏上直观地显示出来。 1 3 本文的研究内容 置于真窄室内的运动导轨和传动系统构成了k z 4 0 0 离子束刻蚀装置工作台 运动系统的主体部分，而工作台运动系统的精度直接影响样品刻蚀的质量。本文 在k z 一4 0 0 离子束刻蚀装置初步设计的基础上，从三个方面的工作着手对真空室 内工作台的运动系统相关部分进行了一些工程计算和实验，主要包括工作台纵向 和横向运动所需回转扭矩的计算，工作台运动导轨的安装基准真空室壁受大 气压强的形变分析，和工作台受离子束轰击后热载的有限元分析。另外，还对一 种二硫化钼润滑剂进行了真空润滑性能的测试，对离子源束流密度均匀性进行了 测量与改善，以及计算了真宅抽速等。通过这些计算和实验，为真空室和工作台 运动系统的结构设计和真空配置提供了必要的理论依据，从而保证工作台长周期 运行时能够保持良好的工作性能。 中国科学技术大学硕上学位论文第一章绪论 参考文献 ：1 徐朝银等“大口径衍射光学元件研制”可行性论证报告中国科学技术大 学同步辐射实验室内部资料，2 0 0 2 ： 2 任延同离子刻蚀技术现状与未来发展光学精密工程，v 0 1 6 ，n o 2 ，1 9 9 8 ； 3 苏毅，谭淞生，孙乘龙等等离子体和反应离子刻蚀硅的各向异性及均匀性 实验研究传感技术学报，1 9 9 4 年6 月，第2 期； 4 赵葛霄，李扬，郑莹娜离子束去除加工原理探讨电加工与模具，2 0 0 1 年 第1 期； 5 安志超一种新型的离子束刻蚀设备i k 一2 型离子柬刻蚀机； 6 谈治信，惠金河l s i ( 一3 型离子束刻蚀机的结构设计真空与低温，v 0 1 1 2 ， n o 3 ，】9 9 3 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章工作台的侍动系统 第二章工作台的传动系统 k z 一4 0 0 离子束刻蚀装置工作台传动系统的动力源选用伺服电机，通过伺服 放大器和控制模块随机调整转动速度，经l ：3 2 的涡轮减速器进步细化步距， 利用两对1 ：1 的螺旋伞齿轮传动轴，穿过磁流体密封轴承，将运动传给真空室里 的螺杆一螺母副，从而带动装载样品的工作台往复运动【l i ，如图2 1 所示。 图2 - 1t 作台纵向平移传动系统 f i g 2 - 1t r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rw o r k i n gt a b l e sv e r t i c a lm o v i n g 0 1 向心球轴承，0 2r 作台，0 3 伺服电机，0 4 滚动螺杆副， 0 6 减速器，0 7 向心推力球轴承，0 8 磁流体密封，0 9 螺旋伞齿轮 2 1 工作台的扫描模式 工作台的扫描模式有两种，如图2 2 所示。是样品平行于离子源( 即垂直 于离子束) 扫描，如图2 2 a 所示；二是样品倾斜于离子源，如图2 2 b 所示。这 种情况下，样品的倾斜会使样品表面沿纵向距离子源的距离呈线性变化，由于离 子束流密度沿其发射方向逐渐衰减，不同距离下的样品部位受离子束轰击出的溅 射额也会产生相应的变化，从而影响刻蚀的均匀性。因此，我们将工作台设置为 x y 两维运动，即纵向运动与横向运动相结合，通过计算机仿形拟合成一条与样 品倾斜方向相反的运动轨迹，并严格控制工作台扫描运动的稳定性和好于o 5 的均匀性，保证样品接受到离子束的功率密度均等。 中国科学技术入学碗七学位论文 第一章丁作台的传动系统 a 平行扫描模式b 二维扫描模式 图2 - 2 两种样品扫描模式 f i g 2 - 2t w os c a n n i n gf o r m a t s 工作台要实现这两种扫描模式，必须具备下面的三维运动： ( 1 ) 工作台的纵向运动，即工作台扫描的主运动。运动由设置在真空室外面 的伺服电机，经i ：3 0 涡轮减速器细化步距，利用两对1 ：i 的螺旋伞齿轮传动 轴，穿过真空磁流体密封轴承，将运动传给螺杆一螺母副，带动工作台往复运动。 运动副( 导轨与丝杠) 均选用滚动摩擦代替滑动摩擦，结合涂有二硫化钼润滑剂， 防止因在真字环境f 的频繁运动而产生爬行或咬死现象。 ( 2 ) i 作台的横向运动，由设置在真空室内部的伺服电机驱动螺杆一螺母副 带动滑台运动。工作台横向运动是为了：i 、补偿因i ，件厚度不同导致工件的刻 蚀表面到离子源之间距离的变化；i f 、调整掩膜板与工件之间的间隙，使之尽可 能减小，保证刻蚀图形不失真；i i i 、与纵向运动匹配扫描，合成与工件倾斜度相 反的运动轨迹，确保沿扫描方向j ：件上各处接受到的离子束功率密度均等。 ( 3 ) 二r = 作台的水平转动，相对于离子束有1 5 。的倾斜选择，安放工件时由手 工操作旋转角度。离子束刻蚀有其局限性，即刻蚀的二次效应。二次效应带来的 直接影响之一就是造成侧壁倾斜和刻区变窄。为了在刻蚀图形中尽量避免这一影 响，采用可倾斜的样品旋转台，通过改变离子束入射角来控制二次效应。 根据刻蚀机性能的要求， 作台传动系统的相关技术指标和设计参数列于表 中国科学技术大学硕士学位论文第二章工作台的传动系统 2 1 中。 表2 - 1 传动系统的技术指标和设计参数 t a b 2 - 1t e c h n i c a lt a r g e ta n dd e s i g np a r a m e t e rf o rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 纵向扫描行程450mm 横向行程 1 5 0 m m 行程最小分辨o 0 2m m 纵向行程累积误荠 0 0 2 m m 4 0 0 m m 横向偏摆误筹0 0 i m m 4 0 0 m m l 作台移动速度o 5 0 m m m i n 无级调速 速度均匀性好于0 5 2 2 传动件( 导轨、螺杆等) 的选择 根据工作台运动精度的要求，其纵向和横向运动均选用日本t h k 公司生产 的滑块、导轨和螺杆组合。其中纵向运动螺杆选用b n f n 2 5 0 5 5 i 冰g o + 1 0 2 0 l c 3 a 型滚珠螺杆，横向运动螺杆选用b n k l 4 0 4 3 r r g 0 + 3 3 0 l c 3 y 型滚珠螺杆，其精 度【2 1 列于表2 - 2 中。 表2 - 2 滚珠螺轩的精度 1 b 2 - 2p r e e i s i o no ft h eb a l ls c r e w s 2 3 传动力矩与伺服电机扭矩计算 2 1 根据t h k 产品目录上提供的选择螺杆和电机的方法，工作台的传动力矩主 要根据以卜- 几个公式来计算。 总扭矩： 瓦。= l + 瓦+ ( 2 1 ) 中国科学技术人学硕士学位论文第二章工作台的传动系统 预压扭矩：l = 0 0 5 ( t g ) 一j 五2 z 其中，导程角p ：增卢= 丌d 一 摩擦扭矩：瓦= 互2 z r 其中，叩为滚珠螺杆的效率( 叩= 0 9 o 9 5 ) 摩擦力f a = , u m g 燃躲卜圳m l 一箬 其中，n 为转速( m i n 一1 ) ，t 为加速时问( s ) 。 2 3 1 纵向运动回转扭矩计算 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 带动工作台纵向运动的b n f n 2 5 0 5 5 r r g 0 + 1 0 2 0 l c 3 a 型滚珠螺秆的参数列 于表2 - 3 中。 表2 - 3b n f n 2 5 0 5 5 r r g o + 1 0 2 0 l c 3 a 型滚珠螺杆的参数 t a b 2 3p a r a m e t e r so f t h eb n f n 2 s 0 s - 5 r r g 0 + 1 0 2 0 l c 3 ab a l ls c r e w 螺轩轴全长l ( m m )1 0 2 0 螺杆轴外径d ( m m ) 滚蛛中心直径d 。( m m ) 导群l ( m m ) 预膳负荷f 。( n ) 摩擦系数n 2 5 2 5 7 5 5 8 3 0 0 0 0 3 根据表2 - 3 中的参数，山公式2 - 3 计算得 嵋= 志- - 0 0 6 1 8 1 2 中国科学技术大学碗j j 学位论文第二章工作台的传动系统 代入公式2 - 2 ，得到： l ：o 0 5 ( o 0 6 1 8 ) 一8 3 0 x 5 圭1 3 2 8 4 ( n 历m ) z y - 根据工作台的结构和材料估算比工作台的自重m 2 1 8 0 k g ，滚珠螺杆的犀擦 系数“取o 0 0 3 ，则工作台纵向匀速运动时的摩擦力由公式2 - 5 计算得： f 8v m 9 2 0 0 0 3x 18 0 x9 8 2 8 8 2 ( n ) 将只的值代入公式2 - 4 ，取7 7 的最小值0 9 ，则： l = 淼堋9 9 ( n ) 为了计算加速扭矩，必须知道螺杆的转速n 和加速时间t ，我们取工作台的 移动速度v ：为5 0 m m m i n ，则， m = 孚= 了5 0 = 】。( r a i n - ) 取t o 1 s ，则， t 。= 1 8 0 ( 寺2 x 淼圳9 3 6 6 ( n 一删 故，7 ：1 1 。i = 1 3 2 8 4 + 7 7 9 9 + 1 1 9 3 6 6 圭1 4 0 4 5 ( n m m ) 选瑁的减速器的减速比：i = l ：3 2 ，则带动工作台纵向运动的电机需要的瞬间 最大输出扭矩为： i = k ：1 4 3 0 2 4 5 圭4 3 9 ( 聊聊) 2 3 2 横向运动回转扭矩计算 带动工作台横向运动的b n k l 4 0 4 3 r r g 0 + 3 3 0 l c 3 y 型滚珠螺杆的参数列 于表2 4 中。 工作台横向匀速运动时的摩擦力矩由公式2 - 4 计算，取n 的最小值0 9 ，则 l = 淼= 6 2 3 9 ( n 删 中国科学技术大学硕士学位论文第二章工作台的传动系统 表2 - 4b n k l 4 0 4 - 3 r r g 0 3 3 0 l c 3 y 型滚珠螺杆的参数 t a b 2 4p a r a m e t e r so ft h eb n k l 4 0 4 - 3 r r g o + 3 3 0 l c 3 yb a l is c r e w 螺杆轴全长l ( f i l m ) 螺杆轴外径d ( f i l m ) 滚珠中心直径d 。( m i l l ) 导程l ( m m ) 预压扣矩t 。( n m ) 摩擦系数u 3 3 0 1 4 1 4 6 5 4 9 8 x1 0 6 9 1 0 - 2 o 0 5 由于工作台的纵向移动速度v ：为5 0 m m m i n ，而其横向运动的最大速度为工 作台与纵向导轨夹1 5 。角时，则此时的横向移动速度为： h = 匕t g l 5 = 5 0 x t g l 5 圭1 3 4 ( m m m i n ) 则转速瓤n t ， v f h 1 了3 4 = 3 3 5 ( 1 1 1 i n 一1 ) 取t = o 、l s ，则， l ：t 8 0 ( 刍2 等箬谢s 睨( n m m ， 由表2 4 ，取r = 6 9 x 1 0 n m 由于工作台的横向运动没有减速器，所以带动工作台横向运动的电机需要的瞬间 最大输出扭矩为： 瓦= 7 j 。2 = 6 9 + 6 2 3 9 + 2 5 5 9 2 兰3 8 7 3 ( n m ) 2 4 传动系统的润滑 工作台的扫描是处于真空室环境下的频繁运动，除用滚动代替滑动来降低摩 擦系数外，在导轨、丝杆等运动副之间采取良好的润滑是保证刻蚀装置长时间正 常运行的必要条件。真空中的润滑的方式通常有镀固体润滑膜和直接使用润滑荆 等【“。由于我们采用的导轨为日本t h k 公司生产的精密导轨，其精度非常高， 若在该导轨卜- 镀膜则必须将它拆卸开，这样势必破坏导轨原有的运动精度，而且 镀膜工艺也相当复杂。因此，拟采用二硫化钼润滑剂直接喷涂在运动副表面的方 中国科学技术大学硕士学位论文第二章工作台的传动系统 法进行导轨的润滑。由于对所购买的二硫化铝润滑剂的真空润滑性能并不了解， 只有通过试验对其进行测试，测量其在真空状态下的润滑效果，并分析该润滑剂 在真空中挥发出气体的主要成分，若不会影响系统的真空度和样品的刻蚀质量， 方可用于该系统的润滑。 2 4 1 固体润滑机理f 3 固体润滑是将固态物质涂( 镀) 于摩擦界面，以降低摩擦、减少磨损的措施。 这种能够降低摩擦、减少磨损的固态物质称为固体润滑剂。当前，可作为 舌1 体润 滑剂的物质有石墨、二硫化钼等层状固念物质，塑料和树脂等高分子材料，软金 属及其各种化合物等。利用固体润滑剂进行润滑的方法称为固体润滑。 如果硬金属在软金属表面滑移，在负荷的作用下，硬金属压入软金属中，真 实接触面积增加，则摩擦力也将增加，将发生犁沟现象。如果硬金属在硬金属表 面滑移，尽管硬金属间的接触面积不会增加，但凼硬金属的屈服强度大，则摩擦 力也将增加，由于摩擦表面的温升，容易发生咬合现象。这两种情况的摩擦系数 都比较大。 如果在硬金属基材表面涂复一层剪切强度很小的薄膜，使摩擦副问的接触面 积既不增加，又能使剪切强度降低得很多，凶而摩擦力和摩擦系数都有较大的降 低，这就起到了固体润滑的作用。如果这层薄膜由固体物质来充填，则可称该物 质为固体润滑剂，而这层极薄的膜称为固体润滑膜。 2 4 2 二硫化钼的润滑性能 二硫化铝( m o s 2 ) 外观呈黑灰略带蓝色，有滑腻感。是从辉钼矿提纯而得 到的一种矿物质，属于六方晶系的层状结构，密度为4 5 4 8 9 c m 3 ，熔点1 1 8 5 。m o s 2 晶体是由s m o s3 个平面层组成的单元层。在单元层内部，每个钼原 子被三棱形分布的硫原子包围着，它们以很强的共价键联系在一起。单元层的厚 度为o 6 2 5 n m ，层与层之间的距离为1 2 3 0 h m ，在0 0 2 5 r i m 的薄层内就有近4 万 个单元层。层与层之间以较弱的分子力相联接，m o s 2 极易从层与层之间辟开， 中国科学技术大学硕士学位论文第二章工作台的传动系统 所以具有良好的固体润滑性能。m o s 2 与金属表面的结合力很强，能形成一层 很牢固的膜。这层膜能耐3 5 m p a 的压力，也能耐4 0 n _ l s 的摩擦速度。 2 4 3 润滑及质谱分析试验装置的设计 试验在一个巾2 0 0 0 m m 4 0 0 m m 的圆筒形真空室内进行，依据该真空室结构 要求自行设计了一套摩擦系数试验的装置，如图2 3 所示。通过测量不同状态下 滑块和燕尾槽之间的摩擦系数来鉴定该二硫化钼润滑剂的涧滑性能。 渭块力传感器连接块支座 千分尺 滑动平台 图2 - 3 润滑试验装置图 f i g 2 3s e t u p so fl u b r i c a t i o ne x p e r i m e n t 摩擦系数的测量均在大气中进行，旋转固定于支座上的千分尺，使其推动滑 块在带有燕尾槽的滑动平台上匀速滑动，由力传感器读出摩擦力的大小，经计算 可得滑块与燕尾槽之l 日j 的摩擦系数。 2 4 4 摩擦系数测量 整个试验由三部分组成，分别测量了系统无润滑并处于大气中时的摩擦系 数，系统加润滑剂后抽至低真空后的摩擦系数，以及系统加润滑剂并抽至高真空 后的摩擦系数。结果列于表2 5 中。 测量的结果表明，系统加二硫化钼润滑剂并抽至低真空后，滑块与燕尾槽间 的摩擦系数比加润滑前降低了约2 4 ( 一二硫化钼液状润滑) ，烘烤除气至高真空 后则比润滑前降低了约4 1 ( 二硫化钼固态润滑) ，摩擦系数有明显的减小。 中国科学技术人学颤卜学位论文第二幸工作台的传动系统 表2 - 5 几种状态下的摩擦系数 t a b l e2 5f i c t i o nc o e f f i e i e n t so f s e v e r a li n s t a n c e s 无润滑( 大气中) 润滑后抽至低真空度( 2 8 1 0 4 p a ) 润滑后抽至高真空度( 1 1 l o 。p a ) 0 2 9 9 0 2 2 7 o 1 7 6 2 4 5 质谱分析 为了保证刻蚀样品的净洁环境，对使用该二硫化钼润滑剂以后真空室内的残 留气体进行了质谱分析，若无影响刻蚀工艺的杂质气体，方可用于工作台运动导 轨的润滑。 m ，e 图2 - 4 系统本底谱图 f i g 2 - 4b a c k g r o u n dg a s e ss p e c t r ao f t h ev a c u u ms y s t e m m e 图2 - 5 加润滑剂后烘烤除气后的谱图 f i g 2 5s p e c t r ao fr e s i d u a lg a s e sa f t e ra d d i n gl u b r i c a n ta n do u t g a s s i n gv i ab a k i n g 试验采用抽速为4 0 0 l s 的溅射离子泵作为主泵，4 5 0 l s 的涡轮分子泵机组作 0 o 0 o 0 0 03一mo一一l 中国科学技术大学顾士学位论文第二章工作台的传动系统 为前级泵，整个系统经烘烤除气，达到超高真空后，再利用四极质谱议测量系统 的残余气体谱图。分别测量了真空室的本底谱图以及添加润滑剂后的谱图，如图 2 - 4 及图2 5 所示。 2 4 6 试验结果及分析 润滑试验表明，该产品能有效提高运动副之间的润滑，并且添加润滑剂后系 统仍可达到较高的真空度。对加入二硫化钼润滑剂后真空系统残留气体的质谱分 析显示，系统放出的气体中，h 2 、h 2 0 、c o n 2 、h c i 和c 0 2 为主要成分，其中 的h c l 可能为系统用酸液清洗后的残留物所致。与系统本底谱图进行对比可以 看出，加入润滑剂后，额外有极少量分子量为4 1 ( c 3 h 5 ) 和4 3 ( c 3 h 7 ) 和的碳氢化合 物逸出。它们对刻蚀装置所要求的真空度和样品的刻蚀环境都无明显影响。 总之，该二硫化钼润滑剂能有效降低运动副之间的摩擦系数，且洁净无污染， 具有良好的真空涧滑性能，适合用于k z 一4 0 0