CN105957790A - 一种离子束刻蚀机及其刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子束刻蚀机。离子束刻蚀机包括真空工作腔室、工件安装平台、多轴运动系统、离子源，多轴运动系统包括多个依次连接的直线运动模组，相邻的直线运动模组之间相互垂直，直线运动模组包括直线导轨和直线运动元件，后级直线运动模组与前级直线运动元件相连并能在前级直线运动元件的带动下直线运动，离子源安装在末级直线运动元件上，离子源能够形成离子束并在多轴运动系统的带动下沿多个方向运动扫描刻蚀工件。将离子源安装在能够多方向运动的多轴运动系统上，离子束能够运动扫描对工件刻蚀，离子束刻蚀机能够采用较小口径的离子源完成对大尺寸的工件的刻蚀加工，有效降低了离子束刻蚀机对离子源口径的要求，从而降低了设备成本。
Description
技术领域
本发明属于离子束加工设备领域，具体涉及一种离子束刻蚀机及其刻蚀方法。
背景技术
目前，离子束刻蚀（IBE）技术是20世纪70年代发展起来的一种干法刻蚀工艺，已广泛应用于微米、亚微米和纳米尺度超精细高保真度的图形转移、刻蚀槽形等微细加工中。离子束刻蚀利用低能量平行Ar+离子束对基片表面进行轰击，将基片表面未覆盖掩膜的部分溅射出，从而达到选择刻蚀的目的。离子束刻蚀是纯物理过程，在各种常规刻蚀方法中具有分辨率高、陡直性最好等优点，并且可以对绝大部分材料进行刻蚀，如金属、合金、氧化物、化合物、半导体、绝缘体等材料。
随着强激光系统输出能量的提高，部分光学元件的尺寸已达0.5m、甚至1m。强激光系统的大尺寸衍射元件在采用光刻产生周期微结构的光刻胶掩膜后，均利用离子束刻蚀将掩膜图形转移到基底上。因此，离子束刻蚀是制作大尺寸衍射光学元件的关键环节。但随着刻蚀基片尺寸的增大，对离子源口径的尺寸要求越来越大，往往采用大口径的条形离子源来解决大尺寸刻蚀基片的难题，但大口径的条形离子源制造难度大，成本高，造成离子束刻蚀机设备昂贵。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、有效降低离子源口径需求的离子束刻蚀机。
另一目的是提供一种采用该离子束刻蚀机进行工件刻蚀的刻蚀方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案是：一种离子束刻蚀机，用于工件的加工刻蚀。所述离子束刻蚀机包括封闭的真空工作腔室、工件安装平台、多轴运动系统、离子源、能够接受人工控制指令的人机互动单元和控制单元，所述工件安装平台、多轴运动系统和离子源均安装在在真空工作腔室内，所述工件安装平台用于工件的固定装夹，所述多轴运动系统包括多个依次连接的直线运动模组，相邻的直线运动模组之间相互垂直，所述直线运动模组包括直线导轨和能够在直线导轨上来回直线运动的直线运动元件，所述人机互动单元与控制单元连接，所述控制单元能够根据人机互动单元反馈的控制指令控制直线运动元件运动，多轴运动系统中的后级直线运动模组与前级直线运动模组的直线运动元件相连并能在前级直线运动元件的带动下直线运动，所述离子源安装在多轴运动系统的末级直线运动模组的直线运动元件上，所述离子源能够形成离子束并在多轴运动系统的带动下沿多个方向运动扫描进行工件的刻蚀。
一种优选的，所述多轴运动系统为两轴运动系统，所述两轴运动系统包括按平面直角坐标系设置的X轴直线运动模组和Y轴直线运动模组，X轴直线运动模组和Y轴直线运动模组相互垂直，所述Y轴直线运动模组与X轴直线运动模组的X轴直线运动元件固定连接，所述离子源固定安装在Y轴直线运动模组的Y轴直线运动元件上，所述离子源能够在两轴运动系统的带动下在平面内运动对工件扫描刻蚀。
另一种优选的，所述多轴运动系统为三轴运动系统，所述三轴运动系统包括按空间直角坐标系设置的X轴直线运动模组、Y轴直线运动模组和Z轴直线运动模组，X轴直线运动模组、Y轴直线运动模组和Z轴直线运动模组两两相互垂直，所述Y轴直线运动模组与X轴直线运动模组的X轴直线运动元件固定连接，所述Z轴直线运动模组与Y轴直线运动模组的Y轴直线运动元件固定连接，所述离子源固定安装在Z轴直线运动模组的Z轴直线运动元件上，所述离子源能够在三轴运动系统的带动下沿X轴、Y轴和Z轴三轴方向运动对工件扫描刻蚀。
具体的，所述离子源为圆形离子源或条形离子源。
具体的，所述离子源为聚焦型圆形离子源，所述离子源的口径大于等于40mm且小于等于100mm。
一种使用上述的离子束刻蚀机刻蚀工件的刻蚀方法，包括以下步骤：
1
）在大气空气环境下打开真空工作腔室，将待加工的工件固定装夹在工件安装平台上；
2
）关闭真空工作腔室，对真空工作腔室抽真空使真空度达到离子源工作真空度；
3
）依据工件的形状和尺寸在离子束刻蚀机的人机互动单元处输入规划的离子束扫描轨迹的控制指令；
4
）开启离子源，所述控制单元执行控制指令，使离子源对工件进行按规划的扫描轨迹遍历扫描刻蚀；
5
）待扫描结束，关闭离子源，放气后打开真空工作腔室，从工件安装平台上取下刻蚀完成后的工件，刻蚀结束。
本发明的范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案等。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
（1）将离子源安装在能够多方向运动的多轴运动系统上，离子束能够运动扫描对工件刻蚀，离子束刻蚀机能够采用较小口径的离子源完成对大尺寸的工件的刻蚀加工，有效降低了离子束刻蚀机对离子源口径的要求，从而降低了设备成本；
（2）多轴运动系统的运动轨迹具有可规划性，可实现任意形状工件的刻蚀；
（3）较小口径离子源离子束均匀性和稳定性好，能够有效提高对工件刻蚀的精度。
附图说明
图1为实施例一所述的一种离子束刻蚀机内部结构示意图；
图2为实施例二中三轴运动系统及离子源的安装示意图；
其中：1、真空工作腔室；2、多轴运动系统；3、离子源；4、工件安装平台；5、X直线运动模组；6、Y轴直线运动模组；7、Z轴直线运动模组；51、X轴直线运动元件；61、Y轴直线运动元件；71、Z轴直线运动元件；100、工件。
具体实施方式
如图1所示，实施例一：本发明所述的一种离子束刻蚀机，用于工件100的加工刻蚀。所述离子束刻蚀机包括封闭的真空工作腔室1、工件安装平台4、多轴运动系统2、离子源3、能够接受人工控制指令的人机互动单元（图未示）和控制单元（图未示）。所述工件安装平台4、多轴运动系统2和离子源3均安装在在真空工作腔室1内。所述工件安装平台4用于工件100的固定装夹。所述多轴运动系统2包括多个依次连接的直线运动模组。相邻的直线运动模组之间相互垂直。所述直线运动模组包括直线导轨和能够在直线导轨上来回直线运动的直线运动元件。所述人机互动单元与控制单元连接，所述控制单元能够根据人机互动单元反馈的控制指令控制直线运动元件运动。多轴运动系统中的后级直线运动模组与前级直线运动模组的直线运动元件相连并能在前级直线运动元件的带动下直线运动。所述离子源3安装在多轴运动系统2的末级直线运动模组的直线运动元件上。所述离子源3可以采用圆形离子源或条形离子源。为了保证工件100的刻蚀质量且能够降低离子刻蚀机的成本，本实施例采用的离子源3为聚焦型圆形离子源，所述离子源3的口径大于等于40mm且小于等于100mm。所述离子源3能够形成离子束并在多轴运动系统2的带动下沿多个方向运动扫描进行工件100的刻蚀。
本实施例中，所述多轴运动系统2为两轴运动系统，所述两轴运动系统包括按平面直角坐标系设置的X轴直线运动模组5和Y轴直线运动模组6，X轴直线运动模组5和Y轴直线运动模组6相互垂直，所述Y轴直线运动模组6与X轴直线运动模组5的X轴直线运动元件51固定连接，所述离子源3固定安装在Y轴直线运动模组6的Y轴直线运动元件61上，所述离子源3能够在两轴运动系统的带动下在平面内运动对工件100扫描刻蚀。
在实际操作中，使用者可以通过人机互动单元比如配置有键盘鼠标等输入设备的电脑，向电脑内的控制软件输入控制命令代码，实现离子源3扫描运动轨迹和扫描速度的设定。这样就能在多轴运动系统的运动行程内实现低于工件100的任意刻蚀。本实施例中，刻蚀速率通过扫描速度控制，扫描轨迹在X轴和Y轴方向是栅形轨迹，轨迹间的间隔依据采样定理的采样频率公式确定。
利用本实施例所述的离子刻蚀机刻蚀工件的刻蚀方法如下所述：
所述刻蚀方法，包括以下步骤：
1
）在大气空气环境下打开真空工作腔室1，将待加工的工件100固定装夹在工件安装平台4上；
2
）关闭真空工作腔室1，对真空工作腔室1抽真空使真空度达到离子源3工作真空度；
3
）依据工件100的形状和尺寸在离子束刻蚀机的人机互动单元处输入规划的离子束扫描轨迹的控制指令；
4
）开启离子源3，所述控制单元执行控制指令，使离子源3对工件进行按规划的扫描轨迹遍历扫描刻蚀；
5
）待扫描结束，关闭离子源3，放气后打开真空工作腔室1，从工件安装平台4上取下刻蚀完成后的工件100，刻蚀结束。
本发明采用轨迹扫描迭代去除的刻蚀方式，由于均匀遍历控制扫描，对离子源3的均匀性的要求更低，刻蚀的精度更高。
实施例二：在实施例一的基础上，还可以将多轴运动系统2进行扩展，本实施例是采用的是三轴运动系统。如图2所述，所述三轴运动系统包括按空间直角坐标系设置的X轴直线运动模组5、Y轴直线运动模组6和Z轴直线运动模组7，X轴直线运动模组5、Y轴直线运动模组6和Z轴直线运动模组7两两相互垂直，所述Y轴直线运动模组6与X轴直线运动模组5的X轴直线运动元件51固定连接，所述Z轴直线运动模组7与Y轴直线运动模组6的Y轴直线运动元件61固定连接，所述离子源3固定安装在Z轴直线运动模组7的Z轴直线运动元件71上，所述离子源3能够在三轴运动系统的带动下沿X轴、Y轴和Z轴三轴方向运动对工件100扫描刻蚀。这可以实现对工件100立体多方位的刻蚀，能够刻蚀平面、球面、柱面等形状的工件。
本发明有效解决了刻蚀大尺寸的工件需要大口径离子源的难题，降低了对离子源口径的要求，能够采用小口径离子源实现大尺寸工件的刻蚀，从而降低了设备成本。
如上所述，我们完全按照本发明的宗旨进行了说明，但本发明并非局限于上述实施例和实施方法。相关技术领域的从业者可在本发明的技术思想许可的范围内进行不同的变化及实施。
Claims (6)
1.一种离子束刻蚀机，用于工件（100）的加工刻蚀，其特征在于：所述离子束刻蚀机包括封闭的真空工作腔室（1）、工件安装平台（4）、多轴运动系统（2）、离子源（3）、能够接受人工控制指令的人机互动单元和控制单元，所述工件安装平台（4）、多轴运动系统（2）和离子源（3）均安装在在真空工作腔室（1）内，所述工件安装平台（4）用于工件（100）的固定装夹，所述多轴运动系统（2）包括多个依次连接的直线运动模组，相邻的直线运动模组之间相互垂直，所述直线运动模组包括直线导轨和能够在直线导轨上来回直线运动的直线运动元件，所述人机互动单元与控制单元连接，所述控制单元能够根据人机互动单元反馈的控制指令控制直线运动元件运动，多轴运动系统中的后级直线运动模组与前级直线运动模组的直线运动元件相连并能在前级直线运动元件的带动下直线运动，所述离子源（3）安装在多轴运动系统（2）的末级直线运动模组的直线运动元件上，所述离子源（3）能够形成离子束并在多轴运动系统（2）的带动下沿多个方向运动扫描进行工件（100）的刻蚀。
2.根据权利要求1所述的一种离子束刻蚀机，其特征在于：所述多轴运动系统（2）为两轴运动系统，所述两轴运动系统包括按平面直角坐标系设置的X轴直线运动模组（5）和Y轴直线运动模组（6），X轴直线运动模组（5）和Y轴直线运动模组（6）相互垂直，所述Y轴直线运动模组（6）与X轴直线运动模组（5）的X轴直线运动元件（51）固定连接，所述离子源（3）固定安装在Y轴直线运动模组（6）的Y轴直线运动元件（61）上，所述离子源（3）能够在两轴运动系统的带动下在平面内运动对工件（100）扫描刻蚀。
3.根据权利要求1所述的一种离子束刻蚀机，其特征在于：所述多轴运动系统（2）为三轴运动系统，所述三轴运动系统包括按空间直角坐标系设置的X轴直线运动模组（5）、Y轴直线运动模组（6）和Z轴直线运动模组（7），X轴直线运动模组（5）、Y轴直线运动模组（6）和Z轴直线运动模组（7）两两相互垂直，所述Y轴直线运动模组（6）与X轴直线运动模组（5）的X轴直线运动元件（51）固定连接，所述Z轴直线运动模组（7）与Y轴直线运动模组（6）的Y轴直线运动元件（61）固定连接，所述离子源（3）固定安装在Z轴直线运动模组（7）的Z轴直线运动元件（71）上，所述离子源（3）能够在三轴运动系统的带动下沿X轴、Y轴和Z轴三轴方向运动对工件（100）扫描刻蚀。
4.根据权利要求1所述的一种离子束刻蚀机，其特征在于：所述离子源（3）为圆形离子源或条形离子源。
5.根据权利要求1所述的一种离子束刻蚀机，其特征在于：所述离子源（3）为聚焦型圆形离子源，所述离子源（3）的口径大于等于40mm且小于等于100mm。
6.一种使用根据权利要求1至5任一项所述的离子束刻蚀机刻蚀工件的刻蚀方法，其特征在于：包括以下步骤：
在大气空气环境下打开真空工作腔室（1），将待加工的工件（100）固定装夹在工件安装平台（4）上；
关闭真空工作腔室（1），对真空工作腔室（1）抽真空使真空度达到离子源（3）工作真空度；
依据工件（100）的形状和尺寸在离子束刻蚀机的人机互动单元处输入规划的离子束扫描轨迹的控制指令；
开启离子源（3），所述控制单元执行控制指令，使离子源（3）对工件进行按规划的扫描轨迹遍历扫描刻蚀；
待扫描结束，关闭离子源（3），放气后打开真空工作腔室（1），从工件安装平台（4）上取下刻蚀完成后的工件（100），刻蚀结束。
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