CN104409308A - 一种微调刻蚀深度空间分布的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微调刻蚀深度空间分布的方法和系统。所述方法包括离子束刻蚀工作流程和运动轨迹计算方法，由于是在以均匀刻蚀的方式加工工件的同时对工件刻蚀深度空间分布进行动态微调，这避免了后续精加工的工序，因此可大大节省工作时间和加工成本。所述系统包括运动控制系统和扫描装置，其中，运动控制系统包括上位机运动控制单元和运动控制箱，扫描装置包括叶片扫描组件和束宽修正双滑门组件。该系统采用模块化设计，可方便集成到不同的离子束刻蚀设备中。

Description

一种微调刻蚀深度空间分布的方法和系统

技术领域

本发明涉及离子束刻蚀、微细加工和半导体制造等技术领域，具体涉及微调刻蚀深度空间分布的方法和系统，尤其涉及一种在离子束刻蚀过程中动态微调刻蚀深度空间分布的方法和系统。

背景技术

离子束刻蚀是一种微细加工技术，其广泛应用于光学元件、半导体器件和集成电路的制造工艺流程中。按照不同的工作方式，常用的离子束刻蚀方法可分为三种：第一种是覆盖式，在刻蚀过程中工件完全置于离子束束流覆盖范围内；第二种是二维扫描式，在刻蚀过程中束流以光栅扫描方式或螺旋线扫描方式在工件表面进行扫描刻蚀；第三种是直线扫描式，在刻蚀过程中长条形束流沿一直线横向来回扫描工件表面。其中，第一种方法的加工效率很高，但可刻蚀的工件尺寸受限于离子束束流的大小，其主要用于小基片的加工，第二种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，特别是对于精度要求高或尺寸大的工件，第三种方法采用条形离子源，特别适用于加工大尺寸工件，其加工效率较高(文献[1]邱克强，周小为，刘颖，等.大尺寸衍射光学元件的扫描离子束刻蚀[J].光学精密工程，2012，20(8):1676-1683.)。

在传统的离子束刻蚀中，一般都以均匀刻蚀的方式对工件表面进行加工，并希望最终得到均匀的刻蚀深度空间分布。然而，在很多情况下，特别是在实际工程应用和工业生产中，往往要求对工件的刻蚀深度空间分布进行微调或修正，比如大尺寸光束采样光栅(文献[2]Rao H，Liu Y，Liu Z，et al.Chemical mechanical polishing to improve the efficiencyuniformity of beam sampling grating[J].Applied optics，2014，53(6):1221-1227.)。上文提到的三种方法中只有第二种可直接用于微调工件的刻蚀深度空间分布，但是这道工序比较耗时且加工成本高。其它两种方法则要借助修正挡板来对束流在工件上的覆盖范围和覆盖时间进行调整以达到改变工件刻蚀深度空间分布的目的。现有方法中多使用固定式或滑门式的修正挡板。固定式的挡板常用于提高刻蚀深度空间分布的均匀性(文献[3]Gnanarajan S.Usingmasks to obtain uniform ion etch rates[J].Review of scientific instruments，2002，73(4):1853-1855.)，无法就工件刻蚀深度空间分布进行动态微调。滑门式的挡板适用于制作具有简单刻蚀深度空间分布的工件(文献[4]Schindler A，Haensel T，Flamm D，et al.Ion beam andplasma jet etching for optical component fabrication[C].Proc.SPIE.2001，4440:217.)，此方法的基本原理类似于上述第二种方法即二维扫描式方法，也比较耗时且加工成本高。如何节省加工时间及成本又达到微调刻蚀深度空间分布的目的是一个亟待解决的问题，文献中尚未发现相关报道。

本发明的目的在于提供一种在直线扫描式离子束刻蚀过程中动态微调刻蚀深度空间分布的方法和系统。

发明内容

本发明提出了一种微调刻蚀深度空间分布的方法和系统。

本发明所述微调刻蚀深度空间分布的方法，其特征在于包括离子束刻蚀工作流程和运动轨迹计算方法。

所述离子束刻蚀工作流程的步骤包括：

1.束流检测，观察束流强度分布是否稳定，待稳定后才能进行下一步工作；

2.刻蚀前束流强度分布测量；

3.将上一步的束流强度分布测量结果用于再次优化运动轨迹；

4.在再次优化运动轨迹的同时开始扫描装置运行调试和工件平台运行调试；

5.同步控制扫描装置运行和工件平台运行；

6.刻蚀后束流强度分布测量。

所述运动轨迹计算方法的步骤包括：

1.载入设计要求的刻蚀深度空间分布数据；

2.规划扫描路径，看规划后的刻蚀深度偏差是否满足设计要求，达到要求后方能进入下一步；

3.计算驻留时间；

4.优化运动轨迹，看优化后运动轨迹精度是否足够，若已达标，进入下一步，否则要多次优化直到精度达到要求；

5.输出电机运行参数表。

本发明所述微调刻蚀深度空间分布的系统，其特征在于包括运动控制系统和扫描装置。

所述运动控制系统，包括上位机运动控制单元和运动控制箱。

所述扫描装置，包括叶片扫描组件和束宽修正双滑门组件，其中，叶片扫描组件是一个两轴扫描运动机构，束宽修正双滑门组件是调节离子束束流宽度的双滑动门机构。

本发明提出了一种在离子束刻蚀过程中动态微调刻蚀深度空间分布的方法，也就是说，在以均匀刻蚀的方式加工工件的同时对工件刻蚀深度空间分布进行动态微调，这避免了对刻蚀后的工件进行精加工的工序，从而可大大节省工作时间和加工成本。

本发明还提出了一种微调刻蚀深度空间分布的系统，它采用模块化设计，可方便地集成到不同的离子束刻蚀设备中，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是离子束刻蚀工作示意图；

图2是工件平台示意图；

图3是叶片扫描组件示意图；

图4是束宽修正双滑门组件示意图；

图5是叶片形状示意图；

图6是系统组成示意图；

图7是离子束刻蚀工作流程图；

图8是运动轨迹计算程序框图；

图9(a)是叶片投影扫描路径示意图1；

图9(b)是叶片投影扫描路径示意图2；

图10是规划扫描路径的方法示意图；

图11是梯形速度-时间曲线和驻留时间S型曲线的对应关系示例图；

图12是运动轨迹优化示例图。

具体实施方式

现在将结合附图和具体实施例来详细描述本发明。图中相同的序号标记指示同一部件或相似项目。图示及其描述在本质上是示意性的，而非限制性的，因此，与本文所示方法和系统相似的不同实现应被视为属于本发明和所附权利要求的保护范围。

首先，介绍离子束刻蚀工作过程中的基本情况。

参见图1，在离子束刻蚀工作过程中，离子束流9从条形离子源1发射出后，经过束宽修正双滑门组件52和叶片扫描组件51，最后到达工件平台4和工件6表面。在此过程中，离子束流9被束宽修正双滑门组件52的滑动门2限制到指定宽度d(注意离子束有一定的发散角，落到工件表面的束流宽度可能大于此值)，叶片扫描组件51的叶片3遮挡部分离子束流，从而在工件6表面形成叶片投影7。

参见图2，在离子束刻蚀工作过程中，固定在工件平台4上的工件6随着工件平台4做横向往复直线运动。

参见图3，叶片扫描组件51包括叶片3、垂直导轨5、滑块8和驱动电机等。在离子束刻蚀工作过程中，滑块8沿叶片扫描组件的垂直导轨5上下移动，安装在滑块8上的叶片3在电机驱动下可自由旋转。而在具体实施中，旋转角度θ也可被限制在一定的角度范围内，如(0，π/2]，叶片绕其主轴做摇摆运动。

需要注意的是，驱动电机用于牵引滑块上下滑动和驱使叶片旋转，它并未在示意图中标示，但这并不影响任何本领域或相关领域的技术人员对此部件功能的理解，下文出现类似处理方式也是基于此说明。

参见图4，束宽修正双滑门组件52包括滑动门2和驱动电机等，驱动电机并未在示意图中标示。两块滑动门2之间的缝隙d可通过手动或电动调节。

需要特别指出的有如下几点：

1.束宽修正双滑门组件52和叶片扫描组件51在沿离子束流9发射方向的前后顺序可交换，位置也可调整。

2.参见图5，叶片3的形状是任意的，不仅限于图5所示的矩形、弧形和梯形等3种形状。根据实际应用场合，可以选用不同形状的叶片。

然后，简要概述本发明所述微调刻蚀深度空间分布的系统的基本结构。

参见图6，本发明所述微调刻蚀深度空间分布的系统30包括运动控制系统40和扫描装置50，其中，运动控制系统40包括上位机运动控制单元41和运动控制箱42，扫描装置50包括叶片扫描组件51和束宽修正双滑门组件52。

运动轨迹计算程序20的计算结果传输至上位机运动控制单元41，再由上位机控制单元41下载到运动控制箱42中。上位机运动控制单元41通过实时监控运动控制箱42来获取扫描装置50的运行状态信息，包括叶片扫描组件51中叶片3的速度和位移、束宽修正双滑门组件52中滑动门2的速度和位移。

特别指出如下几点：

1.上位机运动控制单元41即可以是通用的运动控制单元，如LabVIEW，也可以是专用的组态控制单元，如组态王。

2.运动控制箱42内配备了一个可实现运动控制的器件，比如运动控制器、运动控制卡、单片机和可编程逻辑控制器(PLC)等。

3.前面已经介绍了扫描装置的组成部件，此处不再赘述。

最后，详细分析本发明所述微调刻蚀深度空间分布的方法。

参见图7，离子束刻蚀工作流程的步骤为：在离子束刻蚀工作开始100之前先打开离子源。离子源开启之后，等待一段时间，比如2分钟，然后，进行束流检测101，观察束流是否稳定102，若束流不稳定，那么稍候片刻再检测，直到束流保持稳定后才进行下一步。下一步是刻蚀前束流强度分布测量103，为了提高测量的可靠性，可多次测量取均值。刻蚀前测量的束流强度分布数据将作为再次优化运动轨迹104的输入参数。在优化运动轨迹的同时开始进行扫描装置运行调试105和工件平台运行调试106。待优化结束后，将优化结果即运动轨迹参数表载入到运动控制箱42中，用于同步控制扫描装置运行107和工件平台运行108。在扫描装置和工件平台都停止运行后，进行刻蚀后束流强度分布测量109。通过刻蚀前后两次束流强度分布测量数据的比较，可知束流强度分布在刻蚀过程中的稳定性。最后刻蚀工作结束110，关闭离子源。

参见图8，运动轨迹计算方法的步骤为：首先，载入设计的刻蚀深度数据201，接着，针对此刻蚀深度数据来规划扫描路径202，然后判断规划后的刻蚀深度偏差是否满足设计要求203，如果不满足就再次规划，直到偏差减小到要求范围内。将规划好的并满足设计要求的扫描路径数据用于计算驻留时间204，计算的结果再用于优化运动轨迹205。优化完成后，判断优化后的运动轨迹精度是否足够206，如果精度已达到要求，输出电机运行参数207，否则，再次进行运动轨迹优化，直到满足精度要求。

参见图9(a)和图9(b)，叶片投影7在工件6上的扫描路径是呈三角波形状的。在离子束刻蚀过程中，叶片投影宽度随着叶片的旋转而变化，叶片投影另一条边的长度即束流宽度可由束宽修正双滑动门组件52来调节，通常情况下，刻蚀过程中束流宽度保持不变。

所述的扫描路径由如下函数来定义：

$y=L{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N\mathrm{\Λ}(\frac{2\mathrm{nx}}{W_{\mathrm{beam}}}-2i+1),n\∈Z^{+},$

其中，

L是叶片上下扫描的行程长度，N是上下扫描的往返次数，2n是叶片投影的叠加层数即工件上任一点被叶片投影遮盖的次数，n是正整数，W_beam是束流宽度，W_proj为叶片投影宽度，x和y是图9(a)或图9(b)所定义坐标系中的对应参数。易知，扫描路径的周期为W_beam/n。需要注意的是，最后一次扫描可能是半次，只要保证叶片投影扫描路径已完全覆盖工件表面，如图9(a)所示，最后一次向上扫描后就停留在顶部，最后一次扫描也可能是完整的一次，如图9(b)所示。

参见图10，规划扫描路径的过程由分组、均匀化和叠加三个步骤组成。

1.分组。将组成扫描路径的有向线段进行分类，任意两条起点间距为W_beam的有向线段划分为一组。由于每个周期有2条有向线段，易知组成扫描路径的有向线段可分为2n组。按照有向线段的分组，对应地将设计刻蚀深度图分成2n层，在每层内以对应分组的有向线段为中心线并以W_beam为宽度将刻蚀深度图切分成条状刻蚀深度图。

2.均匀化。先将各个条状刻蚀深度图沿其宽度方向取平均值求得刻蚀深度平均值曲线，再对平均值曲线进行样条曲线拟合得到光滑的样条曲线，最后以此样条曲线为轮廓线重新填充条状刻蚀深度图，此时，条状刻蚀深度图沿宽度方向是等值的。

3.叠加。将各层刻蚀深度图按照设计刻蚀深度图中对应像素点的位置一一进行叠加，叠加的结果称为扫描刻蚀深度图。

扫描刻蚀深度图与设计刻蚀深度图的偏差可用均方根偏差(RMSD)来评价。

计算驻留时间204的步骤为：首先，计算各个刻蚀深度带对应的轮廓线即刻蚀时间分布曲线，然后，确定单程扫描时间(从顶到底或从底至顶的扫描时间)，最后，求得各个刻蚀深度带对应的驻留时间分布曲线。

刻蚀深度是刻蚀时间与刻蚀速率的乘积，而刻蚀速率通常是已知的，通过简单的除法运算，便可计算出各个刻蚀深度带对应的刻蚀时间分布曲线。

确定单程扫描时间t_strk，targ的关系式是：

t_strk，targ＝(1+R_d)t_etch，mean，t_etch，mean∈[t₁，t₂]。

其中t₁＝t_etch，max/(1+R_d)，t₂＝t_etch，min/(1-R_d)，R_d为驻留时间最大可调比，t_etch，mean、t_etch，min和t_etch，max分别为刻蚀时间的平均值、最小值和最大值。当t_etch，mean不在[t₁，t₂]范围内时，单程扫描时间t_strk，targ的值也可用上述方程式计算，但是，部分位置点的刻蚀深度无法得到完全修正，也就是说，t_etch，mean∈[t1，t2]是工件上所有位置点的刻蚀深度得到修正的必要条件。

驻留时间最大可调比R_d的定义如下：

$R_d=\frac{W_{\mathrm{leaf}}}{2L-W_{\mathrm{leaf}}},$

其中，W_leaf为叶片3的宽度，如前文所述，L是叶片上下扫描的行程长度。

驻留时间分布曲线中任一点的驻留时间t_dwell，targ为：

t_dwell，targ＝t_strk，targ-t_etch＝(t_etch，mean-t_etch)+R_{dtetch，mean}，其中，t_etch是刻蚀时间分布曲线上对应点的刻蚀时间，其它变量前文已定义。

参见图11，梯形速度-时间曲线和驻留时间S型曲线是一一对应的。这种一一对应关系是由如下三点推导的。

a.梯形速度-时间曲线与角度-时间S型曲线是一一对应的。

b.叶片投影宽度W_proj与转动角度θ的函数关系为：

W_proj＝W_leaf sinθ，θ∈(0，π/2]。

已知，在(0，π/2]范围内，叶片宽度W_leaf为定值，叶片投影宽度W_proj是关于转动角度θ的严格递增函数。

c.驻留时间与投影宽度是正相关的。

通过调整速度-时间曲线的梯形形状可使角度-时间S型曲线发生改变。转动角度随时间的连续变化又使叶片投影宽度(或简称投影宽度)相应地发生连续变化。当叶片3随着滑块8上下匀速扫描时，投影宽度的连续变化使得扫描行程上各个位移点的驻留时间发生变化，从而在扫描行程内形成连续的驻留时间分布即驻留时间S型曲线。

参见图12，运动轨迹的优化步骤为：首先，目标驻留时间样条曲线被分割成一组S型曲线(包括水平翻转S型曲线)。然后，根据上述的梯形速度-时间曲线和驻留时间S型曲线的对应关系，找到每组S曲线对应的最优的一组梯形速度-时间曲线。这种最优化问题，可用多种数值优化算法来求解，比如直接搜索算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。最后，由所有优化的梯形速度-时间曲线组成电机的运动轨迹。

Claims (10)

1.一种微调刻蚀深度空间分布的方法，其特征在于：包括离子束刻蚀工作流程和运动轨迹计算方法；

所述离子束刻蚀工作流程的步骤包括：

1)束流检测，观察束流强度分布是否稳定，待稳定后才能进行下一步工作；

2)刻蚀前束流强度分布测量；

3)将上一步的束流强度分布测量结果用于再次优化运动轨迹；

4)在再次优化运动轨迹的同时开始扫描装置运行调试和工件平台运行调试；

5)同步控制扫描装置运行和工件平台运行；

6)刻蚀后束流强度分布测量；

所述运动轨迹计算方法的步骤包括：

1)载入设计要求的刻蚀深度空间分布数据；

2)规划扫描路径，看规划后的刻蚀深度偏差是否满足设计要求，达到要求后方能进入下一步；

3)计算驻留时间；

4)优化运动轨迹，看优化后运动轨迹精度是否足够，若已达标，进入下一步，否则要多次优化直到精度达到要求；

5)输出电机运行参数表。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，离子束刻蚀工作流程中的束流检测进行两次或多次，观察束流强度分布是否稳定；离子束刻蚀工作流程中的刻蚀前束流强度分布测量进行一次或更多次，将多次测量结果取平均值作为测量结果；若束流强度分布足够均匀稳定，离子束刻蚀工作流程中的再次优化运动轨迹不进行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动轨迹计算方法中规划路径的过程分为分组、均匀化和叠加三个步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动轨迹计算方法中计算驻留时间的步骤为：首先，计算各个刻蚀深度带对应的轮廓线即刻蚀时间分布曲线，然后，确定单程扫描时间，即从顶到底或从底至顶的扫描时间，最后，求得各个刻蚀深度带对应的驻留时间分布曲线。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运动轨迹计算方法中优化运动轨迹的步骤为：首先，目标驻留时间样条曲线被分割成一组S型曲线，包括水平翻转S型曲线；然后，根据梯形速度-时间曲线和驻留时间S型曲线的对应关系，找到每组S曲线对应的最优的一组梯形速度-时间曲线；用下述多种数值优化算法之一来求解:直接搜索算法、遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法；最后，由所有优化的梯形速度-时间曲线组成电机的运动轨迹。

6.一种微调刻蚀深度空间分布的系统，其特征在于：包括运动控制系统和扫描装置；

所述运动控制系统，包括上位机运动控制单元和运动控制箱；

所述扫描装置，包括叶片扫描组件和束宽修正双滑门组件，其中，叶片扫描组件是一个两轴扫描运动机构，束宽修正双滑门组件是调节离子束束流宽度的双滑动门机构。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，运动控制系统的上位机运动控制单元是通用的运动控制单元，或是专用的组态控制单元；运动控制系统的运动控制箱内配备了一个或更多个可实现运动控制的器件。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，扫描装置的叶片扫描组件包括叶片、垂直导轨、滑块和驱动电机。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，扫描装置的束宽修正双滑门组件包括滑动门和驱动电机。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，束宽修正双滑门组件和叶片扫描组件在沿离子束流发射方向的前后顺序可交换，位置也可调整。