CN106181594A - 一种亚纳米级离子束抛光设备及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚纳米级离子束抛光设备和抛光方法。该抛光设备包括气体电离装置、离子光学系统、中和装置和抛光装置，所述气体电离装置用于产生等离子体，所述离子光学系统和中和装置用于对所述等离子体进行引出、成束、加速、中和而获得高能高速的中性离子束，采用所述中性离子束对所述抛光装置上的工件进行抛光，其中，所述气体电离装置包括气孔、阴极钨丝、弧形阳极板和电磁线圈，所述离子光学系统和中和装置包括多孔屏栅、加速栅和浸没式中和阴极，所述抛光装置包括旋转且轴向角度可调的抛光台和设置于其上的工件夹具。

Description

一种亚纳米级离子束抛光设备及抛光方法

技术领域

本发明涉及抛光技术，更具体地说，涉及一种亚纳米级离子束抛光设备及抛光方法。

背景技术

现代科学技术的迅猛发展，使得光学和微电子学等领域对超光滑表面的需求日期增多，同时它们对相关重要零件的表面精度要求也越来越高，需要达到纳米级甚至是亚纳米级的水平。正是由于这种需求带动了精密加工技术的发展。近年来，集成电路向着超大规模、极大规模的发展日新月异，光刻线条的特征尺寸也越来越小。为保证光刻质量，基片表面的精度要求是非常严格的，除此之外，超光滑表面也被应用于其它常见的领域，其中包括高密度磁记录及光记录器件的制造等。

传统抛光是利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮和平整表面的加工方法。机械抛光是用抛光工具或磨料颗粒或其他抛光介质对抛光工件表面进行修饰加工；化学抛光时金属表面通过有规则溶解达到光亮平滑。电化学抛光是以抛光工件为阳极、不溶性金属为阴极，两极同时浸入电解槽中，通过直流电产生有选择性的阳极溶解，从而使工件表面光亮度增大，达到镜面效果。化学机械抛光(Chemical MechanicalPolishing，CMP)是通过化学的和机械的综合作用，利用磨损中的“软磨硬”原理，即用较软的材料来进行抛光以实现高质量的表面抛光，避免了由单纯机械抛光造成的表面损伤和由单纯化学抛光易造成的抛光速度慢、表面平整度低和抛光一致性差等缺点。目前几种常用的抛光技术的原理和精度比较详见下表：

目前为止，要实现纳米甚至亚纳米级抛光仍然是本领域的一个难点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施例公开了一种亚纳米级离子束抛光设备及抛光方法，精度可以达到原子量级，表面粗糙度达到亚纳米级，能够实现工件表面超光滑、无磨料的终极抛光。

本发明公开了一种亚纳米级离子束抛光设备，包括气体电离装置、离子光学系统、中和装置和抛光装置，所述气体电离装置用于产生等离子体，所述离子光学系统和中和装置用于对所述等离子体进行引出、成束、加速、中和得到高能高速的中性离子束，采用所述中性离子束对所述抛光装置上的工件进行抛光。

其中，气体电离装置包括气孔、阴极钨丝、弧形阳极板和电磁线圈；所述气孔用于通入惰性气体；阴极钨丝用于发射电子；弧形阳极板之间的区域构成气体放电区，惰性气体在经过气体放电区时被电离产生等离子体；电磁线圈位于弧形阳极板的外侧，用于产生高频高压电场。离子光学系统和中和装置包括多孔屏栅、加速栅和浸没式中和阴极，多孔屏栅将等离子体引出形成离子束，所述加速栅对来自多孔屏栅的离子束进行加速，加速电压为1～800V。浸没式中和阴极通过中和电压向来自所述加速栅的离子束发射电子使其成为高能高速的中性离子束。

抛光装置包括旋转且轴向角度可调的抛光台和设置于其上的工件夹具，其中抛光台中点与加速栅之间的距离为13～25cm。

根据本发明的一个实施例，所述气体电离装置、离子光学系统、中和装置和抛光装置都置于真空仓中。

根据本发明的一个实施例，惰性气体可以包括Ar、Kr、Xe、Ne或He中任一种或任意几种的组合，优选为Ar。

根据本发明的一个实施例，所述抛光装置上的工件表面相对于加速后离子束的夹角，可以随着工件抛光由快速而粗糙到缓慢而精细在垂直和接近平行之间调整，当高能高速的中性离子束轰击工件时，工件表面的原子或分子被溅射出来从而实现工件抛光。

本发明还公开了一种亚纳米级离子束抛光方法，包括：在真空环境下通过气孔通入惰性气体；使用阴极钨丝发射电子产生辉光放电；让惰性气体在高频高压下电离分解产生等离子体，高频高压由电磁线圈产生；将等离子体进行引出、成束、加速、中和形成离子束，其中使用多孔屏栅将等离子体引出形成为离子束，使用加速栅对离子束加速，使用浸没式中和阴极发射电子对离子束进行中和形成中性离子束，中性离子束的能量为200～1000eV；中性离子束轰击工件表面，对工件进行抛光。

其中，所述等离子体可以包括Ar⁺、Kr⁺、Xe⁺、Ne⁺、或He⁺中任一种或任意几种的组合，优选包括Ar⁺。

此外，离子束可以接近垂直到接近平行的角度轰击工件表面以对工件进行抛光，使得工件表面的原子或分子被溅射出来从而实现工件抛光。

本发明实施例公开了一种亚纳米级离子束抛光设备和抛光方法，采用气体电离装置产生等离子体，离子光学系统、中和装置对等离子体进行引出、成束、加速、中和并获得高能高速的中性离子束，最后采用中性离子束对抛光装置上的工件进行抛光。采用本发明公开的抛光设备和抛光方法，抛光精度可以达到原子量级，表面粗糙度达到亚纳米级，能够实现对工件表面超光滑的、无磨料的终极抛光。离子束抛光不会像有些传统抛光工艺那样对抛光工件施加压力，造成工件表面损伤，适宜抛光轻质、薄型等易变形的光学零件。离子束抛光也不会像有些传统的抛光工艺那样与工件表面材料发生化学反应，因此不会过多地将其它元素种类的杂质引入到工件上，可以使最后的被抛光工件表面更好地达到理想要求。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开的实施例一种亚纳米级离子束抛光设备的真空仓内部结构示意图。

图2示意性示出了根据本公开的实施例一种亚纳米级离子束抛光设备抛光步骤示意图。

图3示意性示出了根据本公开的实施例一种亚纳米级离子束抛光设备第一阶段抛光曲线图。

图4示意性示出了根据本公开的实施例一种亚纳米级离子束抛光设备第二阶段抛光曲线图。

图5示意性示出了根据本公开的实施例一种亚纳米级离子束抛光设备IBP(IonBeam Polishing，离子束抛光)晶片表面SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)照片。

图6示意性示出了根据本公开的实施例一种亚纳米级离子束抛光设备CAIBE(Chemical Assistant Ion Beam Etching，化学辅助离子束刻蚀)晶片薄膜SEM照片。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图、原理示意图以及效果图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

根据本发明公开的实施例，提供了一种亚纳米级离子束抛光设备和抛光方法，采用气体电离装置产生等离子体，通过离子光学系统和中和装置对等离子体进行引出、成束、加速和中和从而获得高能高速的中性离子束，最后采用中性离子束对抛光装置上的工件进行抛光。本发明公开的抛光设备和抛光方法，完全抛弃了传统的抛光方法，不会造成工件表面损伤，适宜抛光轻质、薄型等易变形的光学零件，并且抛光精度可以达到原子量级，表面粗糙度达到亚纳米级，能够实现工件表面超光滑的、无磨料的终极抛光。并且本发明公开的方法也不会像有些传统的抛光工艺那样容易与工件表面材料发生化学反应，因此不会过多地将其它元素种类的杂质引入到工件上，可以使最后的被抛光工件表面更好地达到理想要求。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

如图1所示为本发明的一个实施例一种亚纳米级离子束抛光设备1000的真空仓内部结构示意图。该抛光设备1000包括：气体电离装置200、离子光学系统和中和装置300和抛光装置400。所述气体电离装置200用于产生等离子体，所述离子光学系统和中和装置300用于对等离子体进行引出、成束、加速和中和从而获得高能高速的中性离子束，采用中性离子束对抛光装置400上的工件80进行抛光。其中，气体电离装置200包括气孔10、阴极钨丝30、弧形阳极板40和电磁线圈100，离子光学系统和中和装置300包括多孔屏栅50、加速栅60和浸没式中和阴极70，抛光装置400包括旋转且轴向角度可调的抛光台90和设置于其上的工件夹具(图1中未示出)。

气体电离装置200、离子光学系统和中和装置300和抛光装置400都应当置于真空仓中，才能实现有效的离子束抛光。根据本发明的一个实施例，该亚纳米级离子束抛光设备1000应该包括抽真空装置，以使得真空仓的真空度达到6×10^-3Pa以上。

在本发明的一个实施例中，气孔10用于向真空仓中通入惰性气体，可以是Ar(氩)、Kr(氪)、Xe(氙)、Ne(氖)或He(氦)中任一种或任意几种的组合。在本发明的一个优选实施例中，采用氩气。

根据本发明的一个实施例，阴极钨丝30在高频高压电源(图中未示出)下可以发射电子形成辉光放电。弧形阳极板40之间的区域构成气体放电区，电磁线圈10可以位于弧形阳极板的外侧，用于产生高频电场。当通过气孔10进入真空仓中的惰性气体在气体放电区110中遭遇辉光放电时，惰性气体会被电离分解产生等离子体。如果通入的气体是氩气，则氩气会在气体电离区110中被电离分解为正极性氩离子Ar⁺，形成Ar⁺等离子体。这些等离子体在多孔屏栅50的作用下成束形成为离子束120并被引至加速栅60。离子束120在通过加速栅60时会被加速，以便其能量能够达到轰击出工件80的表面原子的目的。例如加速栅60所加电压可以是1～800V，这样轰击到工件80上的离子能量就可以达到200～1000eV。通过调节加速栅的电压，则能够有效调节轰击工件的氩离子能量，从而调节工件被抛光的程度。对于本发明的其他实施例，离子束中还可以包括Kr⁺、Xe⁺、Ne⁺或He⁺。

当氩离子束120被加速后经过离子束中和区150时，浸没式中和阴极70可以通过中和电压向正极性氩离子束发射电子，使得离子束中的等离子体完成电荷中和并成为一个大束流且密度均匀的、高能量的中性氩离子束130，并继续向后面的抛光装置400前进。例如，束流密度可以是0.2～0.8mA/cm²，离子速度可以达到108～1010cm/s。

抛光装置400可以相对于加速、中和后的离子束130方向垂直或倾斜设置，当高能高速离子束轰击工件时，通过工件夹具置于抛光台90上的工件80表面的原子或分子被溅射出来从而实现工件抛光。抛光装置上的工件80的表面与离子束之间的夹角可以在接近垂直到接近平行之间，即<90°～>0°之间，优选为30°～60°，45°尤佳；并且可以随着抛光从快速而粗糙到缓慢而精细，逐渐顺时针的调整到接近于0°。工件的材料可以是金属、合金、半导体、金属氧化物、非金属氧化物、氮化物、碳化物、陶瓷、红外、玻璃和超导等。当离子束轰击到工件上时，由于氩离子的撞击，发生能量传递级联碰撞，从而促使工件上的原子获取能量，当获取到的能量大于溅射的阈值能量时，则工件上的原子被溅射出来。具体地，在轰击时，粒子将不断与工件表面浅层内的原子进行碰撞，并在碰撞过程中将一些动量和能量传递给工件表面浅层原子。受周围原子的限制，获得动量和能量的原子只能在初始位置附近作振动，同时向周围的原子传递动量和能量而形成大量原子的级联运动。如果做级联运动的原子所具有的动能大于其表面结合能(原子从固体表面离开所需要的能量)与晶格位移能(原子从原始位置移动到表面所需要的能量)，而且原子动量的方向指向工件表面，它就将从工件表面发射出去。离子束抛光设备就是根据离子束溅射原理对工件表面进行变形、破坏、分离加工的。在抛光过程中，首先用离子束轰击抛光工件表面，工件表面的原子就会与入射在其上面的粒子发生弹性碰撞，一些入射的粒子被注入到工件之中，另一些粒子同时被溅射出来；其次被抛光工件表面上的原子由于受到碰撞作用会有一系列的、被称为首次溅射原子被溅射出来，同时另一系列的、被称为二次溅射原子会因为碰撞作用发生位移之后再次被溅射出来，从而完成抛光工件表面的目的。

离子束抛光技术的特点是：①高能高速的离子束具有较大的溅射速率，可以保持长时间的均匀和稳定的抛光能量，提高抛光速度，保证抛光质量；②与工件无磨料、非接触式无应力作用，工件表面层的残余作用力比较小，抛光面形收敛快，表面质量好，变形极微小，亚表面层无损伤和瑕疵，工件表面晶体不会出现晶格被破坏的情况；在高真空度下进行加工，环境污染少，被抛光的镜面清洁无污染；③具有超微细结构的终极抛光能力，精度能够达到原子量级，表面粗糙度低于1nm；④抛光材料广泛，能对任意形状的、正六边形镜面、球面等不规则形状镜面的进行抛光，显著提高加工效率。因离子束流密度和能量可得到精确控制，除了在光学领域中制造精密光学零件(可见光、红外、激光和集成光学零件)外，还在高纯度半导体元件、易氧化的金属材料、低刚度零件以及集成电路和精密机械零件的加工中有重要应用。

如图2所示为根据本发明实施例一种亚纳米级离子束抛光设备抛光步骤示意图。要采用上述抛光设备实现离子束抛光，可以执行以下步骤，包括：S01,阴极钨丝发射电子，气体电离；S02，等离子体引出、成束、加速形成离子束；S03，中和阴极发射电子中和离子束；S04，离子束轰击工件表面，能量传递级联碰撞后工件表面原子溅射出来。整个抛光过程在真空仓里的过程是：①氩气由主阴极发射电子“电离”成氩离子等离子体②由多孔屏栅引出、成束和加速栅“加速”形成离子束③由中和阴极发射电子“中和”成中性离子束④“轰击”工件表面由能量传递和级联碰撞发生原子飞溅，实现抛光。

图3示意性示出了根据本公开的实施例采用亚纳米级离子束抛光设备第一阶段抛光曲线图。图4示意性示出了根据本公开的实施例采用亚纳米级离子束抛光设备第二阶段抛光曲线图。图5示意性示出了根据本公开的实施例采用亚纳米级离子束抛光设备IBP晶片表面SEM照片，图中可以看出抛光得到较好的精度。图6示意性示出了根据本公开的实施例采用亚纳米级离子束抛光设备CAIBE晶片薄膜SEM照片，可以看出，结合化学方法后抛光的精度进一步升级。

本发明还公开了一种亚纳米级离子束抛光方法，包括：在真空环境下通过气孔通入惰性气体；使用阴极钨丝发射电子产生辉光放电；让惰性气体在高频高压下电离分解产生等离子体，高频高压由电磁线圈产生；将等离子体进行引出、成束、加速、中和形成高能高速中性离子束，其中使用多孔屏栅将等离子体引出形成为离子束，使用加速栅对离子束加速，使用浸没式中和阴极发射电子对离子束进行中和形成中性离子束，中性离子束的能量为200～1000eV；中性离子束轰击工件表面，对工件进行抛光。

其中等离子体中包括Ar⁺、Kr⁺、Xe⁺、Ne⁺、或He⁺中任一种或任意几种的组合，优选包括Ar⁺。其中离子束倾斜轰击工件表面、并逐渐减小轰击角度到接近平行能够获得较好的抛光效果。

结合图2的抛光步骤示意图，本发明的一个实施例离子束抛光方法具体可以执行以下步骤，包括：S01，阴极钨丝发射电子，气体电离；S02，等离子体引出、成束、加速形成高能高速离子束；S03，中和阴极发射电子中和离子束；S04，离子束轰击工件表面，能量传递级联碰撞后工件表面原子溅射出来。本发明实施例的整个抛光过程在真空仓里的过程是：①氩气由主阴极发射电子“电离”成氩离子等离子体②由多孔屏栅引出、成束和加速栅“加速”形成离子束③由中和阴极发射电子“中和”成中性离子束④“轰击”工件表面由能量传递和级联碰撞发生原子飞溅，实现抛光。

优选地，离子束中可以包括正极性氩离子。具体地，可以通过将氩气进行分解电离来产生正极性氩离子，从而获取氩离子等离子体，然后将等离子体通过多孔屏栅引出而获取离子束。离子束可以通过加速栅进行加速，加速电压可以是1～1000V，从而获取的离子束的能量可以是200～1000eV，以便能够轰击出工件表面的原子从而实现抛光。正极性氩离子束在加速之后再进行中和，可以通过浸没式中和阴极向其发射电子进行中和，从而获取高能高速的中性氩离子束。

最后利用这个大束流且密度均匀的、高能高速的中性氩离子束轰击工件，工件表面的原子被溅射出来，实现抛光。束流密度可以为0.2～0.8mA/cm2，离子速度可以达到108～1010cm/s。中性氩离子束轰击工件的角度可以在接近垂直到接近平行之间，即<90°～>0°之间，优选为30°～60°，45°尤佳；并且可以随着抛光从快速而粗糙到缓慢而精细，顺时针的调整到接近于0°。可以抛光的工件包括但不限于：金属、合金、半导体、金属氧化物、非金属氧化物、氮化物、碳化物、陶瓷、红外、玻璃和超导等。

根据本发明的一个实施例，该方法需要在真空仓中进行，因此还可以进一步包括对真空仓抽真空的步骤。抽真空的步骤具体可以包括：先用机械泵粗抽，再用分子泵精抽，直至真空度高于6×10^-3Pa。

本发明实施例具有如下的特征：

①可以结合离子束抛光(IBP)工艺和化学辅助离子束刻蚀(CAIBE)工艺对工件表面进行终极抛光，表面粗糙度达到亚纳米级，即Ra<1nm(或)，满足镜面和超光滑表面抛光工艺的需求。

②离子源有效束径与发射口径之比高达90％，领先国际，实现了“全面”的一次性抛光，克服了有些早期的离子束抛光设备，一束一束或一块一块的“扫描”式抛光，极大地提高了抛光效率。

③离子束抛光机采用无磨料、纯物理溅射过程，广泛适用抛光各种材料，包括金属、合金、半导体、金属氧化物、非金属氧化物以及氮化物、碳化物、陶瓷、红外玻璃和超导等材料。

本发明实施例公开了一种亚纳米级离子束抛光设备和抛光方法，采用气体电离装置用于产生离子束，离子光学系统和中和装置对离子束进行加速和中和，最后采用高能高速的中性离子束对抛光装置上的工件进行抛光。采用本发明公开的抛光设备和抛光方法，抛光精度可以达到原子量级，表面粗糙度达到亚纳米级，能够实现超光滑表面抛光工件。离子束抛光不会像有些传统抛光工艺那样对抛光工件施加压力，造成工件表面损伤，适宜抛光轻质、薄型等易变形的光学零件。离子束抛光也不会像有些传统的抛光工艺那样与工件表面材料发生化学反应，因此不会过多地将其它元素种类的杂质引入到工件上，可以使最后的被抛光工件表面更好地达到理想要求。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种亚纳米级离子束抛光设备，包括气体电离装置、离子光学系统、中和装置和抛光装置；

其中，所述气体电离装置用于产生等离子体，所述离子光学系统和中和装置用于对所述等离子体进行引出、成束、加速、中和得到高能高速的中性离子束，采用所述中性离子束对所述抛光装置上的工件进行抛光；

所述气体电离装置包括气孔、阴极钨丝、弧形阳极板和电磁线圈；所述气孔用于通入惰性气体；所述阴极钨丝用于发射电子；所述弧形阳极板之间的区域构成气体放电区，惰性气体在经过气体放电区时被电离产生等离子体；所述电磁线圈位于弧形阳极板的外侧，用于产生高频高压电场；

所述离子光学系统和中和装置包括多孔屏栅、加速栅和浸没式中和阴极，所述多孔屏栅用于将等离子体引出形成离子束，所述加速栅对来自多孔屏栅的离子束进行加速，加速电压为1～800V；所述浸没式中和阴极通过中和电压向来自所述加速栅的离子束发射电子使其成为高能高速的中性离子束；

所述抛光装置包括旋转且轴向角度可调的抛光台和设置于其上的工件夹具，其中抛光台中点与加速栅之间的距离为13～25cm。

2.根据权利要求1所述的亚纳米级离子束抛光设备，所述气体电离装置、离子光学系统、中和装置和抛光装置都置于真空仓中。

3.根据权利要求1所述的亚纳米级离子束抛光设备，所述惰性气体包括Ar、Kr、Xe、Ne或He中任一种或任意几种的组合。

4.根据权利要求1所述的亚纳米级离子束抛光设备，所述抛光装置上工件表面相对于加速后的离子束的夹角，可以在接近垂直和接近平行之间调整。

5.根据权利要求1所述的亚纳米级离子束抛光设备，进一步包括抽真空装置。

6.一种亚纳米级离子束抛光方法，包括：

在真空环境下通过气孔通入惰性气体；

使用阴极钨丝发射电子产生辉光放电；

让惰性气体在高频高压下电离分解产生等离子体，高频高压由电磁线圈产生；

将等离子体进行引出、成束、加速、中和形成离子束，其中使用多孔屏栅将等离子体引出形成为离子束，使用加速栅对离子束加速，使用浸没式中和阴极发射电子对离子束进行中和形成高能高速的中性离子束，中性离子束的能量为200～1000eV；

中性离子束轰击工件表面，对工件进行抛光。

7.根据权利要求6所述的亚纳米级离子束抛光方法，所述等离子体包括Ar⁺、Kr⁺、Xe⁺、Ne⁺、或He⁺中任一种或任意几种的组合。

8.根据权利要求6所述的亚纳米级离子束抛光方法，其中离子束倾斜轰击工件表面的角度，可以由抛光装置在接近垂直和接近平行之间调整。

9.根据权利要求6所述的亚纳米级离子束抛光方法，其中该方法是在真空仓中进行，该方法进一步包括抽真空步骤。

10.根据权利要求9所述的亚纳米级离子束抛光方法，抽真空步骤包括：先用机械泵粗抽，再用分子泵精抽，直至真空度高于6×10-³Pa。