一種微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法和系統(tǒng)。所述方法包括離子束刻蝕工作流程和運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法，由于是在以均勻刻蝕的方式加工工件的同時(shí)對(duì)工件刻蝕深度空間分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)，這避免了后續(xù)精加工的工序，因此可大大節(jié)省工作時(shí)間和加工成本。所述系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和掃描裝置，其中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元和運(yùn)動(dòng)控制箱，掃描裝置包括葉片掃描組件和束寬修正雙滑門組件。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可方便集成到不同的離子束刻蝕設(shè)備中。
【專利說明】一種微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及離子束刻蝕、微細(xì)加工和半導(dǎo)體制造等【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及微調(diào)刻蝕 深度空間分布的方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種在離子束刻蝕過程中動(dòng)態(tài)微調(diào)刻蝕深度空間分 布的方法和系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 離子束刻蝕是一種微細(xì)加工技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件、半導(dǎo)體器件和集成電 路的制造工藝流程中。按照不同的工作方式，常用的離子束刻蝕方法可分為三種：第一種是 覆蓋式，在刻蝕過程中工件完全置于離子束束流覆蓋范圍內(nèi)；第二種是二維掃描式，在刻蝕 過程中束流以光柵掃描方式或螺旋線掃描方式在工件表面進(jìn)行掃描刻蝕；第三種是直線掃 描式，在刻蝕過程中長(zhǎng)條形束流沿一直線橫向來回掃描工件表面。其中，第一種方法的加工 效率很高，但可刻蝕的工件尺寸受限于離子束束流的大小，其主要用于小基片的加工，第二 種方法主要用于表面精加工，如面性修正，其加工精度很高，但是加工效率很低，特別是對(duì) 于精度要求高或尺寸大的工件，第三種方法采用條形離子源，特別適用于加工大尺寸工件， 其加工效率較高（文獻(xiàn)[1]邱克強(qiáng)，周小為，劉穎，等.大尺寸衍射光學(xué)元件的掃描離子束 刻蝕[J] ?光學(xué)精密工程，2012, 20 (8) : 1676-1683.)。
[0003] 在傳統(tǒng)的離子束刻蝕中，一般都以均勻刻蝕的方式對(duì)工件表面進(jìn)行加工，并希望 最終得到均勻的刻蝕深度空間分布。然而，在很多情況下，特別是在實(shí)際工程應(yīng)用和工業(yè) 生產(chǎn)中，往往要求對(duì)工件的刻蝕深度空間分布進(jìn)行微調(diào)或修正，比如大尺寸光束采樣光 柵（文獻(xiàn)[2]Rao H, Liu Y, Liu Z, et al. Chemical mechanical polishing to improve the efficiency uniformity of beam sampling grating[J]. Applied optics,2014, 53 (6) : 1221-1227.)。上文提到的三種方法中只有第二種可直接用于微調(diào)工件的刻蝕深度 空間分布，但是這道工序比較耗時(shí)且加工成本高。其它兩種方法則要借助修正擋板來對(duì)束 流在工件上的覆蓋范圍和覆蓋時(shí)間進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到改變工件刻蝕深度空間分布的目的?，F(xiàn) 有方法中多使用固定式或滑門式的修正擋板。固定式的擋板常用于提高刻蝕深度空間分布 的均勻性（文獻(xiàn)[3]Gnanarajan S. Using masks to obtain uniform ion etch rates [J]. Review of scientific instruments，2002, 73 (4) :1853-1855.),無法就工件刻蝕深度空 間分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)?；T式的擋板適用于制作具有簡(jiǎn)單刻蝕深度空間分布的工件（文 獻(xiàn)[4] Schindler A, Haensel T, Flamm D, et al. Ion beam and plasma jet etching for optical component fabrication [C]. Proc. SPIE. 2001,4440:217.)，此方法的基本原理類 似于上述第二種方法即二維掃描式方法，也比較耗時(shí)且加工成本高。如何節(jié)省加工時(shí)間及 成本又達(dá)到微調(diào)刻蝕深度空間分布的目的是一個(gè)亟待解決的問題，文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào) 道。
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種在直線掃描式離子束刻蝕過程中動(dòng)態(tài)微調(diào)刻蝕深度 空間分布的方法和系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出了一種微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法和系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明所述微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法，其特征在于包括離子束刻蝕工作流程 和運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法。
[0007] 所述離子束刻蝕工作流程的步驟包括：
[0008] 1.束流檢測(cè)，觀察束流強(qiáng)度分布是否穩(wěn)定，待穩(wěn)定后才能進(jìn)行下一步工作；
[0009] 2.刻蝕前束流強(qiáng)度分布測(cè)量；
[0010] 3.將上一步的束流強(qiáng)度分布測(cè)量結(jié)果用于再次優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0011] 4.在再次優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)開始掃描裝置運(yùn)行調(diào)試和工件平臺(tái)運(yùn)行調(diào)試；
[0012] 5.同步控制掃描裝置運(yùn)行和工件平臺(tái)運(yùn)行；
[0013] 6.刻蝕后束流強(qiáng)度分布測(cè)量。
[0014] 所述運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法的步驟包括：
[0015] 1.載入設(shè)計(jì)要求的刻蝕深度空間分布數(shù)據(jù)；
[0016] 2.規(guī)劃掃描路徑，看規(guī)劃后的刻蝕深度偏差是否滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到要求后方能 進(jìn)入下一步；
[0017] 3?計(jì)算駐留時(shí)間；
[0018] 4.優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡，看優(yōu)化后運(yùn)動(dòng)軌跡精度是否足夠，若已達(dá)標(biāo)，進(jìn)入下一步，否則 要多次優(yōu)化直到精度達(dá)到要求；
[0019] 5.輸出電機(jī)運(yùn)行參數(shù)表。
[0020] 本發(fā)明所述微調(diào)刻蝕深度空間分布的系統(tǒng)，其特征在于包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和掃描 裝直。
[0021] 所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元和運(yùn)動(dòng)控制箱。
[0022] 所述掃描裝置，包括葉片掃描組件和束寬修正雙滑門組件，其中，葉片掃描組件是 一個(gè)兩軸掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，束寬修正雙滑門組件是調(diào)節(jié)離子束束流寬度的雙滑動(dòng)門機(jī)構(gòu)。
[0023] 本發(fā)明提出了一種在離子束刻蝕過程中動(dòng)態(tài)微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法，也就 是說，在以均勻刻蝕的方式加工工件的同時(shí)對(duì)工件刻蝕深度空間分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)微調(diào)，這避 免了對(duì)刻蝕后的工件進(jìn)行精加工的工序，從而可大大節(jié)省工作時(shí)間和加工成本。
[0024] 本發(fā)明還提出了一種微調(diào)刻蝕深度空間分布的系統(tǒng)，它采用模塊化設(shè)計(jì)，可方便 地集成到不同的離子束刻蝕設(shè)備中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是離子束刻蝕工作示意圖；
[0026] 圖2是工件平臺(tái)示意圖；
[0027] 圖3是葉片掃描組件示意圖；
[0028] 圖4是束寬修正雙滑門組件示意圖；
[0029] 圖5是葉片形狀示意圖；
[0030] 圖6是系統(tǒng)組成示意圖；
[0031] 圖7是離子束刻蝕工作流程圖；
[0032] 圖8是運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算程序框圖；
[0033] 圖9 (a)是葉片投影掃描路徑示意圖1 ;
[0034] 圖9 (b)是葉片投影掃描路徑示意圖2 ;
[0035] 圖10是規(guī)劃掃描路徑的方法示意圖；
[0036] 圖11是梯形速度-時(shí)間曲線和駐留時(shí)間S型曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系示例圖；
[0037] 圖12是運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化示例圖。

【具體實(shí)施方式】
[0038] 現(xiàn)在將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。圖中相同的序號(hào)標(biāo)記指示同一 部件或相似項(xiàng)目。圖示及其描述在本質(zhì)上是示意性的，而非限制性的，因此，與本文所示方 法和系統(tǒng)相似的不同實(shí)現(xiàn)應(yīng)被視為屬于本發(fā)明和所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
[0039] 首先，介紹離子束刻蝕工作過程中的基本情況。
[0040] 參見圖1，在離子束刻蝕工作過程中，離子束流9從條形離子源1發(fā)射出后，經(jīng)過束 寬修正雙滑門組件52和葉片掃描組件51，最后到達(dá)工件平臺(tái)4和工件6表面。在此過程 中，離子束流9被束寬修正雙滑門組件52的滑動(dòng)門2限制到指定寬度d (注意離子束有一 定的發(fā)散角，落到工件表面的束流寬度可能大于此值），葉片掃描組件51的葉片3遮擋部分 離子束流，從而在工件6表面形成葉片投影7。
[0041] 參見圖2,在離子束刻蝕工作過程中，固定在工件平臺(tái)4上的工件6隨著工件平臺(tái) 4做橫向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
[0042] 參見圖3,葉片掃描組件51包括葉片3、垂直導(dǎo)軌5、滑塊8和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。在離子 束刻蝕工作過程中，滑塊8沿葉片掃描組件的垂直導(dǎo)軌5上下移動(dòng)，安裝在滑塊8上的葉片 3在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可自由旋轉(zhuǎn)。而在具體實(shí)施中，旋轉(zhuǎn)角度0也可被限制在一定的角度范圍 內(nèi)，如（0, Jr /2]，葉片繞其主軸做搖擺運(yùn)動(dòng)。
[0043] 需要注意的是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于牽引滑塊上下滑動(dòng)和驅(qū)使葉片旋轉(zhuǎn)，它并未在示意 圖中標(biāo)示，但這并不影響任何本領(lǐng)域或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)此部件功能的理解，下文出 現(xiàn)類似處理方式也是基于此說明。
[0044] 參見圖4,束寬修正雙滑門組件52包括滑動(dòng)門2和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，驅(qū)動(dòng)電機(jī)并未在示 意圖中標(biāo)示。兩塊滑動(dòng)門2之間的縫隙d可通過手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)。
[0045] 需要特別指出的有如下幾點(diǎn)：
[0046] 1.束寬修正雙滑門組件52和葉片掃描組件51在沿離子束流9發(fā)射方向的前后順 序可交換，位置也可調(diào)整。
[0047] 2.參見圖5,葉片3的形狀是任意的，不僅限于圖5所示的矩形、弧形和梯形等3 種形狀。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，可以選用不同形狀的葉片。
[0048] 然后，簡(jiǎn)要概述本發(fā)明所述微調(diào)刻蝕深度空間分布的系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。
[0049] 參見圖6,本發(fā)明所述微調(diào)刻蝕深度空間分布的系統(tǒng)30包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)40和掃 描裝置50,其中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)40包括上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元41和運(yùn)動(dòng)控制箱42,掃描裝置 50包括葉片掃描組件51和束寬修正雙滑門組件52。
[0050] 運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算程序20的計(jì)算結(jié)果傳輸至上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元41，再由上位機(jī)控 制單元41下載到運(yùn)動(dòng)控制箱42中。上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元41通過實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)控制箱42 來獲取掃描裝置50的運(yùn)行狀態(tài)信息，包括葉片掃描組件51中葉片3的速度和位移、束寬修 正雙滑門組件52中滑動(dòng)門2的速度和位移。
[0051] 特別指出如下幾點(diǎn)：
[0052] 1.上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元41即可以是通用的運(yùn)動(dòng)控制單元，如LabVIEW，也可以是 專用的組態(tài)控制單元，如組態(tài)王。
[0053] 2.運(yùn)動(dòng)控制箱42內(nèi)配備了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的器件，比如運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)控 制卡、單片機(jī)和可編程邏輯控制器（PLC)等。
[0054] 3.前面已經(jīng)介紹了掃描裝置的組成部件，此處不再贅述。
[0055] 最后，詳細(xì)分析本發(fā)明所述微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法。
[0056] 參見圖7,離子束刻蝕工作流程的步驟為：在離子束刻蝕工作開始100之前先打開 離子源。離子源開啟之后，等待一段時(shí)間，比如2分鐘，然后，進(jìn)行束流檢測(cè)101，觀察束流是 否穩(wěn)定102,若束流不穩(wěn)定，那么稍候片刻再檢測(cè)，直到束流保持穩(wěn)定后才進(jìn)行下一步。下一 步是刻蝕前束流強(qiáng)度分布測(cè)量103,為了提高測(cè)量的可靠性，可多次測(cè)量取均值?？涛g前測(cè) 量的束流強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)將作為再次優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡104的輸入?yún)?shù)。在優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí) 開始進(jìn)行掃描裝置運(yùn)行調(diào)試105和工件平臺(tái)運(yùn)行調(diào)試106。待優(yōu)化結(jié)束后，將優(yōu)化結(jié)果即 運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)表載入到運(yùn)動(dòng)控制箱42中，用于同步控制掃描裝置運(yùn)行107和工件平臺(tái)運(yùn)行 108。在掃描裝置和工件平臺(tái)都停止運(yùn)行后，進(jìn)行刻蝕后束流強(qiáng)度分布測(cè)量109。通過刻蝕 前后兩次束流強(qiáng)度分布測(cè)量數(shù)據(jù)的比較，可知束流強(qiáng)度分布在刻蝕過程中的穩(wěn)定性。最后 刻蝕工作結(jié)束110,關(guān)閉離子源。
[0057] 參見圖8,運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法的步驟為：首先，載入設(shè)計(jì)的刻蝕深度數(shù)據(jù)201，接 著，針對(duì)此刻蝕深度數(shù)據(jù)來規(guī)劃掃描路徑202,然后判斷規(guī)劃后的刻蝕深度偏差是否滿足設(shè) 計(jì)要求203,如果不滿足就再次規(guī)劃，直到偏差減小到要求范圍內(nèi)。將規(guī)劃好的并滿足設(shè)計(jì) 要求的掃描路徑數(shù)據(jù)用于計(jì)算駐留時(shí)間204,計(jì)算的結(jié)果再用于優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡205。優(yōu)化完 成后，判斷優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)軌跡精度是否足夠206,如果精度已達(dá)到要求，輸出電機(jī)運(yùn)行參數(shù) 207,否則，再次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化，直到滿足精度要求。
[0058] 參見圖9(a)和圖9(b)，葉片投影7在工件6上的掃描路徑是呈三角波形狀的。 在離子束刻蝕過程中，葉片投影寬度隨著葉片的旋轉(zhuǎn)而變化，葉片投影另一條邊的長(zhǎng)度即 束流寬度可由束寬修正雙滑動(dòng)門組件52來調(diào)節(jié)，通常情況下，刻蝕過程中束流寬度保持不 變。
[0059] 所述的掃描路徑由如下函數(shù)來定義：

【權(quán)利要求】
1. 一種微調(diào)刻蝕深度空間分布的方法，其特征在于：包括離子束刻蝕工作流程和運(yùn)動(dòng) 軌跡計(jì)算方法； 所述離子束刻蝕工作流程的步驟包括： 1) 束流檢測(cè)，觀察束流強(qiáng)度分布是否穩(wěn)定，待穩(wěn)定后才能進(jìn)行下一步工作； 2) 刻蝕前束流強(qiáng)度分布測(cè)量； 3) 將上一步的束流強(qiáng)度分布測(cè)量結(jié)果用于再次優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡； 4) 在再次優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)開始掃描裝置運(yùn)行調(diào)試和工件平臺(tái)運(yùn)行調(diào)試； 5) 同步控制掃描裝置運(yùn)行和工件平臺(tái)運(yùn)行； 6) 刻蝕后束流強(qiáng)度分布測(cè)量； 所述運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法的步驟包括： 1) 載入設(shè)計(jì)要求的刻蝕深度空間分布數(shù)據(jù)； 2) 規(guī)劃掃描路徑，看規(guī)劃后的刻蝕深度偏差是否滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到要求后方能進(jìn)入 下一步； 3) 計(jì)算駐留時(shí)間； 4) 優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡，看優(yōu)化后運(yùn)動(dòng)軌跡精度是否足夠，若已達(dá)標(biāo)，進(jìn)入下一步，否則要多 次優(yōu)化直到精度達(dá)到要求； 5) 輸出電機(jī)運(yùn)行參數(shù)表。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，離子束刻蝕工作流程中的束流檢測(cè)進(jìn)行 兩次或多次，觀察束流強(qiáng)度分布是否穩(wěn)定；離子束刻蝕工作流程中的刻蝕前束流強(qiáng)度分布 測(cè)量進(jìn)行一次或更多次，將多次測(cè)量結(jié)果取平均值作為測(cè)量結(jié)果；若束流強(qiáng)度分布足夠均 勻穩(wěn)定，離子束刻蝕工作流程中的再次優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡不進(jìn)行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法中規(guī)劃路徑的過程分 為分組、均勻化和疊加三個(gè)步驟。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法中計(jì)算駐留時(shí)間的步 驟為：首先，計(jì)算各個(gè)刻蝕深度帶對(duì)應(yīng)的輪廓線即刻蝕時(shí)間分布曲線，然后，確定單程掃描 時(shí)間，即從頂?shù)降谆驈牡字另數(shù)膾呙钑r(shí)間，最后，求得各個(gè)刻蝕深度帶對(duì)應(yīng)的駐留時(shí)間分布 曲線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法中優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡的步 驟為：首先，目標(biāo)駐留時(shí)間樣條曲線被分割成一組S型曲線，包括水平翻轉(zhuǎn)S型曲線；然后， 根據(jù)梯形速度_時(shí)間曲線和駐留時(shí)間S型曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系，找到每組S曲線對(duì)應(yīng)的最優(yōu)的 一組梯形速度-時(shí)間曲線；用下述多種數(shù)值優(yōu)化算法之一來求解：直接搜索算法、遺傳算 法、粒子群算法、模擬退火算法；最后，由所有優(yōu)化的梯形速度-時(shí)間曲線組成電機(jī)的運(yùn)動(dòng) 軌跡。
6. -種微調(diào)刻蝕深度空間分布的系統(tǒng)，其特征在于：包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和掃描裝置； 所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元和運(yùn)動(dòng)控制箱； 所述掃描裝置，包括葉片掃描組件和束寬修正雙滑門組件，其中，葉片掃描組件是一個(gè) 兩軸掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，束寬修正雙滑門組件是調(diào)節(jié)離子束束流寬度的雙滑動(dòng)門機(jī)構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制單元是 通用的運(yùn)動(dòng)控制單元，或是專用的組態(tài)控制單元；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制箱內(nèi)配備了一 個(gè)或更多個(gè)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的器件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，掃描裝置的葉片掃描組件包括葉片、垂直 導(dǎo)軌、滑塊和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，掃描裝置的束寬修正雙滑門組件包括滑 動(dòng)門和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，束寬修正雙滑門組件和葉片掃描組件在 沿離子束流發(fā)射方向的前后順序可交換，位置也可調(diào)整。
【文檔編號(hào)】H01J37/32GK104409308SQ201410696919
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】吳麗翔, 邱克強(qiáng), 付紹軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)