超高精度離子束拋光工具設(shè)計(jì)與性能分析*

鹿　迎，解旭輝，周　林，彭文強(qiáng)

(1.國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410073；

2.超精密加工技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙　410073)

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超高精度離子束拋光工具設(shè)計(jì)與性能分析*

鹿迎1，2，解旭輝1，2，周林1，2，彭文強(qiáng)1，2

(1.國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410073；

2.超精密加工技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要：為了解決高精度光學(xué)修形問(wèn)題，進(jìn)行離子束拋光工具的設(shè)計(jì)與性能分析研究。通過(guò)開(kāi)展離子束拋光工具設(shè)計(jì)方法的研究、聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和離子束流特性的分析，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究和中和器一體化設(shè)計(jì)；研制聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)和中和器，并采用15mm和10mm的聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行修形加工實(shí)驗(yàn)，將口徑150mm的熔石英平面鏡從初始面形誤差RMS15.58nm修正到RMS0.79nm。結(jié)果證明了聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，一體化離子束拋光工具具有亞納米精度的修形能力。

關(guān)鍵詞：離子束修形；聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)；離子束特性

光學(xué)鏡面的離子束加工是利用聚焦離子源產(chǎn)生穩(wěn)定低能束流，利用離子濺射效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行原子尺度上的去除[1]。離子束由于加工精度高，確定性好，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為高精度光學(xué)零件加工不可或缺的方法,其作為修形的最后一道工序引入光學(xué)加工中已有二十幾年的歷史[2-3]。

深紫外光刻物鏡與極紫外光刻物鏡的加工，對(duì)離子束拋光工具提出了更高的要求。離子束加工工藝中，離子束的束流特性包括離子束直徑和束流密度以及穩(wěn)定性。離子束的束流直徑?jīng)Q定了離子束修形的誤差收斂速度和最終所能達(dá)到的精度,離子束半徑越小，修形能力越強(qiáng)[4-5]；束流密度決定了離子束對(duì)光學(xué)元件材料的去除效率[6]，材料去除效率隨束流線性增大[7]；束流穩(wěn)定性反映了離子束光學(xué)加工過(guò)程的可控程度[8]。離子束的束流特性受多種因素的影響，具有某些流體特性。比如離子源內(nèi)的等離子體電位、等離子體濃度、柵孔大小、柵極之間距離以及中和效果的好壞都會(huì)影響束流特性[9]。

1超高精度離子束拋光工具的工作原理

離子束拋光工具主要由離子源、聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)以及中和器組成。離子束拋光工具的工作原理基于等離子體邊界物理，等離子體邊界物理的顯著特點(diǎn)是等離子體與限制它的壁之間自然形成離子鞘層，并表現(xiàn)出電場(chǎng)屏蔽特性。在離子源中，電位的變化會(huì)影響到離子鞘的形狀與位置[10]。三柵聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)就是運(yùn)用三種不同電位的電極構(gòu)成的離子抽取、加速、聚焦的多孔系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)以及空間電位分布如圖1所示。聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)主要由屏柵S、加速柵A以及減速柵D組成。屏柵S與加速柵A之間的距離為lg，加速柵與減速柵之間的距離為ld。屏柵、加速柵以及減速柵厚度分別為ts，ta與td。以上的各參數(shù)便構(gòu)成了三柵聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)的主要幾何參數(shù)。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖(a) Structure diagram

(b)空間電位分布圖(b) Space potential diagram圖1　三柵聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1　3-grid focused ion optical system

中和器位于聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)下游，其作用是向離子束內(nèi)發(fā)射電子，將帶正電的離子束中和為整體呈電中性的等離子體。良好的中和效果可減小離子束在自身電荷作用下的發(fā)散，同時(shí)，避免正電荷在工件表面的累積[11]。離子束拋光工具對(duì)光學(xué)零件的加工如圖2所示。

圖2　離子束拋光工具加工光學(xué)零件Fig.2　Ion beam figuring

應(yīng)用于光學(xué)加工的離子束是由多孔聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)的每個(gè)小孔抽取的離子束匯聚而成的，其束流強(qiáng)度表現(xiàn)為回轉(zhuǎn)對(duì)稱的高斯形。但是，每個(gè)小孔的束流特性仍是決定匯聚后束流特性最重要的因素。

根據(jù)單孔束流特性的相關(guān)研究：離子鞘發(fā)射的離子經(jīng)過(guò)屏柵后被抽取為離子束流，因受空間電荷限制而遵守二分之三次方定律[9，12]。單孔束流密度可用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：V表示屏柵與加速柵電壓，Lg表示屏柵與加速柵距離，Mi表示離子質(zhì)量，e表示電荷電量，ε0表示玻爾茲曼。

假定通過(guò)屏柵孔的離子流是均勻的，則單孔束流密度乘以柵孔面積，可以得到單孔的離子束電流為：

(2)

式(1)～(2)給出了單孔束流大小與屏柵相關(guān)幾何參數(shù)的關(guān)系。根據(jù)式(2)可以看出，若要獲取較大的束流強(qiáng)度，就應(yīng)該選用較大的屏柵孔徑ds以及較小的屏柵與加速柵間距Lg。但是應(yīng)用于光學(xué)鏡面加工的離子束不僅要求具有一定的束流強(qiáng)度，而且應(yīng)該具有較小的束散角。束散角是表征離子束特性的重要參數(shù)，束散角越小，離子束發(fā)散程度越低，匯聚后離子束直徑也就越小。因此，在進(jìn)行聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證離子束流密度的基礎(chǔ)上，盡量減小離子束直徑。本文仿真分析了聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)離子束流特性的影響規(guī)律，依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)中和器的布置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了離子源與中和器的一體化設(shè)計(jì)。

2聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

離子束拋光工具是一個(gè)耦合性比較強(qiáng)的系統(tǒng)，其特性受較多因素的影響。聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)就是影響離子束流特性的一個(gè)重要方面。因?yàn)殡x子在聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，理論計(jì)算難度比較大，因此采用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行分析，并依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

建立聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)的仿真模型，結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模型的參數(shù)設(shè)置。圖3為柵板厚度變化時(shí)，單孔離子束流仿真圖。

(a) ts=0.3mm

(b)ts=0.8mm圖3　不同屏柵厚度下的離子束特性Fig.3　Ion beam performance with different screen thickness

觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，離子在穿過(guò)屏柵孔后開(kāi)始聚焦，離子被聚焦成束。屏柵決定了離子束抽取的初始狀態(tài)，所以屏柵厚度對(duì)離子束特性影響較大。屏柵厚度小，離子鞘向聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的離子數(shù)量較多，束流密度大。同時(shí)，因離子數(shù)目較多，離子間的電荷作用大，因此，離子束直徑略大。屏柵厚度大，則鞘發(fā)射的離子大量被屏柵孔壁捕獲，聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)抽取的有效離子個(gè)數(shù)較少，離子束中心束流密度較小。因離子不斷轟擊屏柵孔壁，會(huì)造成屏柵材料的濺射物進(jìn)入離子束，對(duì)光學(xué)零件造成污染。所以，屏柵厚度不宜選用過(guò)大。因離子束的聚焦過(guò)程主要發(fā)生在屏柵與加速柵之間，因此加速柵與減速柵厚度對(duì)離子束特性影響不大，只要保證兩者孔壁不捕獲離子即可。

除柵板厚度外，柵孔直徑也是影響離子束特性的重要因素。圖4是屏柵孔直徑變化時(shí)離子束的仿真狀況。屏柵孔徑過(guò)小，則能被聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)抽取的離子數(shù)目較少，因此束流密度小。而且大量離子轟擊屏柵孔壁，會(huì)縮短聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)的壽命，從而造成嚴(yán)重的屏柵濺射污染。如果屏柵孔徑過(guò)大，雖然聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)抽取的離子數(shù)量增加，但同時(shí)離子間的排斥作用加劇，離子束發(fā)散較為嚴(yán)重，離子束直徑較大，而離子束中心束流密度因束流發(fā)散而降低。只有選擇合適的柵孔直徑，才能產(chǎn)生具有理想的束流密度和離子束直徑的離子束。

(a)ds=0.6mm

(b)ds=1.2mm

(c)ds=1.6mm圖4　不同屏柵孔徑下離子束特性Fig.4　Ion beam performance with different screen hole dia

經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn)和計(jì)算機(jī)仿真分析發(fā)現(xiàn)：與屏柵相比，加速柵與減速柵的厚度以及孔徑大小對(duì)離子束流特性的影響并不大。這是因?yàn)?，屏柵與離子源電離室內(nèi)壁共同構(gòu)成等離子體的邊界，屏柵厚度與孔徑等參數(shù)決定了離子運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，因此對(duì)離子束特性具有較大影響。離子束在穿過(guò)屏柵孔之后開(kāi)始聚焦，加速柵與減速柵厚度與孔徑的選擇只要保證不產(chǎn)生離子捕獲現(xiàn)象即可。加速柵、減速柵雖對(duì)離子束特性影響不大，但會(huì)影響中性氣體流失的速度。因此，為了提高工質(zhì)氣體利用率，可選用比屏柵稍小的加速柵與減速柵孔徑以及較大的加速柵與減速柵厚度。除聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)外，中和電子對(duì)離子束的中和效果也會(huì)影響離子束的束流特性，主要體現(xiàn)在去除函數(shù)的穩(wěn)定性。

3等離子體中和一體化設(shè)計(jì)

采用自研聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：離子束去除函數(shù)的去除效率隨離子源位置的變化有較大浮動(dòng)，離子源靠近中和器時(shí)，去除效率高；離子源遠(yuǎn)離中和器時(shí)，去除效率低。因?yàn)殡x子束采用外置中和器中和，中和器固定在機(jī)床一側(cè)，中和電子的濃度與距離中和器的距離有關(guān)，離子源運(yùn)動(dòng)過(guò)程中難以保證離子束中和效果的一致性。因此，對(duì)離子束拋光工具進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，保證離子源與中和器相對(duì)位置恒定不變。中和器改進(jìn)后，離子束去除效率2h內(nèi)的浮動(dòng)小于1.5%。

4驗(yàn)證加工實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證離子束拋光工具設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)一塊口徑為150mm的光學(xué)零件進(jìn)行修形實(shí)驗(yàn)。初始面形誤差為：Pvr84.06nm，RMS15.58nm。采用口徑為15mm的聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)3次修形，誤差收斂為Pvr31.6nm,RMS2.50nm。因離子束直徑是影響其修形能力的關(guān)鍵因素，在光學(xué)鏡面的精修階段，采用小口徑聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)縮小離子束直徑是十分必要的。使用口徑為10mm的聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)修形2次，面形誤差收斂到Pvr5.85nm，RMS0.796nm。最終面形結(jié)果如圖5所示。

(a)修形后面形檢測(cè)結(jié)果(a) Contour error after IBF

(b)面形輪廓曲線(b) Contour profile curve圖5　最終面形結(jié)果Fig.5　Final surface result

5結(jié)論

仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：屏柵構(gòu)成等離子體邊界的一部分，因此屏柵決定了離子運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，其參數(shù)變化對(duì)離子束特性影響較大。因此，聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)考慮屏柵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。對(duì)等離子體中和器的安裝方式進(jìn)行一體化改進(jìn)后，離子束拋光工具去除函數(shù)穩(wěn)定性得到了大幅提高。光學(xué)零件的修形實(shí)驗(yàn)證明了聚焦離子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性以及一體化離子束拋光工具具有亞納米精度的修形能力。

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http://journal.nudt.edu.cn

Design and performance analysis of ultra-precisionion beam polishing tool

LUYing1，2，XIEXuhui1，2，ZHOULin1，2,PENGWenqiang1，2

(1. College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;

2. Hunan Key Laboratory of Ultra-precision Machining Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：In order to solve the problem of ion beam figuring, the design and performance analysis of ultra-precision ion beam polishing tool was studied. The research on ion beam polishing tools design method, the structure design of a 3-grid focused ion optics system and the performance analysis of ion beam was covered. Based on the theoretic calculation and computer simulation, a focused ion optical system was developed. In this ion optical system, an integrated plasma bridge neutralizer was designed to fully neutralize ion beam extracted from ion source. Finally, a 150mm flat optics was figured by two designed focused ion optical systems with 15mm and 10mm output diameter. Figuring result shows that the contour error of this flat is decreased from 15.58nm RMS to 0.79nm RMS. Result further demonstrates that the designed ion beam polishing tool is very efficient to optical ion beam figuring.

Key words：ion beam figuring; focused ion optical system; ion beam performance

中圖分類號(hào)：TG664

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2015)06-017-04

作者簡(jiǎn)介：鹿迎(1986—)，男，山東泰安人，博士研究生，E-mail：sduluying@163.com;解旭輝(通信作者)，男，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：xuhuixie67@sina.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91323302,61505259)

收稿日期：*2015-04-20

doi:10.11887/j.cn.201506004