CN108385110B - 一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及离子束技术领域，具体涉及一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置及抛光方法。其包括传递室、刻蚀室、溅射沉积室以及设于传递室与刻蚀室，刻蚀室与溅射沉积室之间的插板阀，传递室、刻蚀室和溅射沉积室内设有三者之间传送工件的工件传送装置。以及应用此设备发明的一种抛光方法，其流程为：首先在传递室装载工件，其次在刻蚀室对工件离子束清洗，再次在溅射沉积室对工件溅射沉积一层薄膜层（牺牲层），进而在刻蚀室对工件进行离子束修正抛光，最后通过传递室取出工件，实现光学元件的抛光。

Description

一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及离子束技术领域，具体涉及一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置及抛光方法。

背景技术

离子束溅射沉积最早应追溯到上世纪七十年代被应用于制备干涉光学薄膜，但是早期应用这项技术制备的薄膜质量还不高，直到宽束离子源的出现，使离子束溅射技术出现了一次重大的突破，并成功地制备出了机械性能良好、附着力强、表面粗糙度低的光学薄膜。目前，随着科学技术的飞速发展，在国外这项技术已日趋成熟和完善，它的应用领域在不断地被拓宽。但是，在国内，虽然近几十年对离子束溅射技术的研究逐渐增多，但和一些发达国家相比依然有差距因此这项技术的研究在国内变得尤为迫切。

离子束溅射沉积目前已发展成薄膜工艺中的一种重要方法，其溅射原理为：利用低能量聚焦离子束以一定的角度对靶材表面进行离子束轰击，溅射出的靶材原子又以一定的角度传输，沉积到工件表面。

离子束刻蚀抛光是继单点金刚石车削、超精密磨削、磁流变抛光等抛光技术之后出现的一种先进的光学抛光技术，其原理为：利用低能量离子束对工件表面进行轰击，通过离子和工件表面的原子碰撞，传递动量和能量，致使元件表面原子脱离，从而达到刻蚀抛光的目的。通常的离子束刻蚀采用的是惰性气体离子如Ar⁺，属于纯物理刻蚀，但也可以通入适量反应气体进行物理化学刻蚀。离子束刻蚀抛光，属于原子量级的除去材料。当低能离子束以特定的路径扫过光学元件表面时，可以精确地修正光学表面的局部面形误差，提高面型精度。

由于离子束抛光技术相对复杂，并且成本相对较高，国内开展研究的单位和公司比较少，主要有中国科技大学、南京天文光学技术研究和中国人民解放军国防科学技术大学等。近年来，中国科学院微电子研究所，所研制的多功能离子束溅射沉积与刻蚀设备（见专利CN 101880863 A），虽然具备同时具有离子束溅射/共溅射沉积、离子束共溅射、离子束辅助溅射、通入反应气体的反应离子束溅射、溅射中的衬底加温和原位退火、离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、化学辅助离子束刻蚀、衬底反溅清洗、离子束抛光、离子束减薄等功能，但由于是单真空室，故每完成一次工件的加工都必须破除真空至大气状态将工件取出，从而降低了加工效率。与此同时，国防科技大学在其原有的基础上所研发出了一种双真空室离子束抛光系统（见专利CN 102744654 A），虽然在原有设备的基础上增加了辅助真空室，但在辅助真空室完成工件装载，到工件完全脱离真空室内的自定位装置后，工件传送装置还必须退回到辅助真空室，这降低了离子束加工效率，而且此设备只能进行刻蚀抛光，没有集成离子束溅射沉积功能，在离子源方面，采用小口径离子源结合扫描运动方式加工工件。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置及抛光方法，其结构简单、操作方便、可提高抛光精度与效率、具备连续工艺的多真空室离子束溅射沉积与刻蚀设备及应用此设备提出的一种抛光方法。可以进行超光滑表面元件的加工，如光学元件、金属等，尤其适用于加工软脆材料和水溶性晶体材料等。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置，包括传递室、溅射沉积室，其特征在于：还包括刻蚀室，所述的传递室一端与刻蚀室之间设置控制其连通与闭合的第一插板阀，所述的刻蚀室与溅射沉积室之间设置控制其连通与闭合的第二插板阀，所述的传递室的另一端为传递室出口，并与大气相通，传递室、刻蚀室和溅射沉积室三者之间设置有传送工件的工件传送装置；

所述的刻蚀室包括主刻蚀室和副刻蚀室，主刻蚀室和副刻蚀室上下设置并连通，所述的溅射沉积室包括主溅射沉积室和副溅射沉积室，所述的主溅射沉积室和副溅射沉积室上下设置并连通；

所述的刻蚀室内设置有第一离子源系统、离子束质量分析单元、离子束匀化装置和中和灯丝；

所述的溅射沉积室内设置有第二离子源系统、离子束质量分析单元和溅射靶材单元。

所述的第一离子源系统设置于副刻蚀室内，由三个微波离子源拼接而成，所产生的离子束经过屏栅、加速栅和接地栅引出，三层栅呈矩形并具有弧度用于离子束的聚焦。

第一离子源系统发射的离子束与装载在工件传送装置的工件夹持器上的工件表面的夹角，通过更换不同的转接法兰来改变，实现离子束的刻蚀角度在30°~60°范围内变化。

所述的离子束质量分析单元设置于主刻蚀室内，其包括法拉第杯、步进电机和滚珠丝杠，滚珠丝杠设置于法拉第杯与步进电机之间。

所述离子束匀化装置设置于第一离子源与工件之间，其结构包括石墨修形板、直线电机和编码器；所述石墨修形板设置于直线电机上，所述的直线电机的一侧设置有编码器。

所述的第二离子源系统设置于主溅射沉积室内，由三个微波离子源拼接而成，第二离子源水平发射的离子束与可旋转四靶工位的工作靶表面夹角为45°。

所述的溅射靶材单元包括靶材单元框架、靶基座、防护罩和驱动装置，所述的驱动装置与靶基座连接，带动靶基座转动，防护罩罩设于靶基座的上方，靶基座的一侧设置有靶材单元框架，靶基座设置有四个可旋转靶工位，四个靶工位上装载四片靶材。

所述的三层栅网均由石墨加工而成。

所述的中和灯丝设置于第一离子源的离子束出口。

一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光方法的步骤为：

安装工件：先在传递室内将工件安装在工件传送装置上，再关闭传递室门，将传递室抽气至压强1Pa左右，打开传递室与刻蚀室之间的第一插板阀，通过工件传送装置将工件传送至刻蚀室，关闭第一插板阀；

刻蚀室处在低真空压力状态，传递室处在大气压力状态，先打开传递室，将工件安装在工件传送装置上，再关闭传递室门，将传递室1抽气至与刻蚀室中相当的压力状态；

离子束清洗：打开刻蚀室内的第一离子源系统对工件离子束清洗一定时间再关闭离子源；

工件传入溅射沉积室：先打开刻蚀室与溅射沉积室之间的第二插板阀，将离子束清洗过的光学元件通过工件传送装置送至溅射沉积室，再关闭第二插板阀；

牺牲层制备：选择靶材，打开溅射沉积室内的第二离子源系统，通过离子束溅射沉积获得粗糙度小的薄膜层，即牺牲层；

工件传回刻蚀腔室：先打开溅射沉积室与刻蚀室之间的第二插板阀（5），通过两室之间的工件传送装置将沉积有牺牲层的光学元件传回至刻蚀室，再关闭第二插板阀；

光学元件修正抛光：打开刻蚀室内的第一离子源，对上一道工序得到的工件进行离子束刻蚀，将牺牲层高质量的表面高保真的传递至原始工件表面，从而达到修正抛光的目的。

取出工件：先打开传递室与刻蚀室之间的第一插板阀，通过工件传送装置将工件送至传递室，再关闭第一插板阀，传递室充气至大气压，打开传递室门取出工件。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明在刻蚀室旁设有的用于取放工件的传递室，体积远小于刻蚀室和溅射沉积室，通过插板阀的配合，使整个设备工作运行过程中只需要对传递腔室抽真空和充气，大大提高了抽真空的速度和充气速度，提高了工件加工效率；

2、本发明制造的离子束溅射与沉积设备功能多样，同时具有离子束刻蚀、离子束溅射沉积、离子束清洗、离子束清洗/离子束溅射沉积/离子束修正抛光等功能，可用于高质量、多层、超薄的介质和金属薄膜材料的溅射沉积、刻蚀加工、抛光减薄等处理。

3、本发明溅射沉积室、刻蚀室、传递室布局方式，有利于加工工件的有序进行，减少了工艺时间，加快了工作效率。

4、本发明抛光方法是一种高确定性、高稳定性和非接触的加工方式，其克服了传统抛光过程中的边缘效应、负载压力和刀具磨损等缺点，具有较高的加工精度。

5、本发明刻蚀腔和溅射沉积腔增加些离子束质量分析单元和离子束匀化装置等来保证设备产生的离子束的均匀性，尤其是离子束匀化装置，与公知的通过固定的修正挡板或加工样品行星式转动来达到匀化效果的方式截然不同。

6、本发明刻蚀腔和溅射沉积腔两个加工腔室所用的离子源系统，其是由三个离子源拼接而成，保证大口径（大到直径为500mm的光学元件）光学元件的加工效果，通过离子束匀化装置来实现大口径范围内的均匀离子束。

7、在离子源方面，本发明采用大口径离子源来实现薄膜的沉积以及离子束的抛光。针对平面工件的加工，相对采用小口径离子源结合扫描运动加工方式而言，加工效率显著提高。

附图说明

图1是的结构示意图；

图2是本发明溅射靶材单元爆炸图；

图3是本发明离子源系统的结构示意图；

图4是图3的仰视图；

图5是本发明离子束质量分析单元结构图；

图6是本发明中通过离子束质量分析单元得到的离子束分布图；

图7是本发明离子束匀化装置结构图；

图8是本发明抛光方法实施例的流程图；

图中：1、传递室；2、主刻蚀室；3、主溅射沉积室；4、第一插板阀；5、第二插板阀；6、第二离子源系统；7、副溅射沉积室；8、靶工位；9、第一离子源系统； 10、副刻蚀室；11、靶材单元框架；12、靶基座；13、防护罩；14、驱动装置；15、法拉第杯；16、滚珠丝杠；17、步进电机；18、石墨修形板；19、直线电机；20、编码器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置（参见图1），包括传递室1、溅射沉积室，其特征在于：还包括刻蚀室，所述的传递室1一端与刻蚀室之间设置控制其连通与闭合的第一插板阀4，所述的刻蚀室与溅射沉积室之间设置控制其连通与闭合的第二插板阀5，所述的传递室1的另一端为传递室出口，并与大气相通，传递室1、刻蚀室和溅射沉积室三者之间设置有传送工件的工件传送装置（工件传送装置为现有装置）；

传递室体积远小于刻蚀室和溅射沉积室；

所述的刻蚀室包括主刻蚀室2和副刻蚀室10，主刻蚀室2和副刻蚀室10上下设置并连通，所述的溅射沉积室包括主溅射沉积室3和副溅射沉积室7，所述的主溅射沉积室3和副溅射沉积室7上下设置并连通；

所述的刻蚀室内设置有第一离子源系统9、离子束质量分析单元、离子束匀化装置和中和灯丝，中和灯丝设置于离子源的离子束出口，用来发射电子，起中和离子的作用；

所述的第一离子源系统9（参见图3和图4）设置于副刻蚀室10内，由三个微波离子源拼接而成，所产生的离子束经过屏栅、加速栅和接地栅引出，所述三层栅呈矩形并具有一定的弧度用于离子束的聚焦；所述三层栅网均由石墨加工而成，以降低设备运行过程中，离子束对栅网的溅射产额；第一离子源系统9发射的离子束与装载在工件传送装置的工件夹持器上的工件表面的夹角，通过更换不同的转接法兰来改变，实现离子束的刻蚀角度在30°~60°范围内变化。

所述的离子束质量分析单元（参见图5）设置于主刻蚀室2内，其包括法拉第杯15、步进电机17和滚珠丝杠16，滚珠丝杠16设置于法拉第杯15与步进电机17之间，通过离子束质量分析单元可以得到离子束束流分布图（参见图6）。

所述离子束匀化装置（参见图7）包括石墨修形板18、直线电机19和编码器20；所述石墨修形板18设置于直线电机19上，通过直线电机的运动，控制在运动方向上各点的驻留时间，实现离子束束流分布的均匀化，进而控制离子束抛光元件的加工均匀性，编码器设置于直线电机10的一侧。

所述的副溅射沉积室7内设置有第二离子源系统6、离子束质量分析单元和溅射靶材单元。

所述的第二离子源系统6（参见图3和图4）设置于溅射沉积室3内，由三个微波离子源拼接而成，第二离子源水平发射的离子束与可旋转四靶工位的工作靶表面夹角为45°，被溅射出来的靶材原子向上运动，沉积在工件表面，完成溅射沉积过程。溅射过程中，靶材可实现往返摆动，从而提高靶材的利用效率。

所述的溅射靶材单元（参见图2）包括靶材单元框架11、靶基座12、防护罩13和驱动装置14，靶基座12、防护罩13和驱动装置14安装在靶材单元框架11上，所述的驱动装置14与靶基座12连接，带动靶基座12转动，防护罩13罩设于靶基座12的上方，靶基座12的一侧设置有靶材单元框架11，靶基座12设置有四个可旋转靶工位8，四个靶工位8上装载四片靶材，可顺次转位，在不破坏真空环境下沉积四种材料，在溅射沉积时，可以根据对靶材的需求，选择性切换靶工位以沉积单层薄膜或多层复合薄膜。

离子束质量分析单元与副刻蚀室10内的离子束质量分析单元相同。

所述的第一离子源系统和第二离子源系统中的三层栅网均由石墨加工而成，以降低设备运行过程中，离子束对栅网的溅射产额。

一种多真空室离子束溅射沉积与刻蚀设备对光学元件的抛光方法的步骤为（参见图8）：

安装工件：先在传递室1内将工件安装在工件传送装置上，再关闭传递室1门，将传递室抽气至压强1Pa左右，打开传递室与刻蚀室之间的第一插板阀4，通过工件传送装置将工件传送至刻蚀室2，关闭第一插板阀4；

离子束清洗：工件在传送装置上来回匀速运动，而由第一离子源产生的离子束在45°方向上对匀速运动的工件进行扫描而进行刻蚀清洗，离子束清洗时间由人为设定。

工件传入溅射沉积室：先打开刻蚀室与溅射沉积室之间的第二插板阀5，将离子束清洗过的光学元件通过工件传送装置送至溅射沉积室，再关闭第二插板阀5；

牺牲层制备： 工件在工件传送装置上在溅射沉积室3内来回匀速运动，经溅射沉积室3内离子源水平射出的离子束轰击与水平方向45°的靶面，溅射出来的靶原子沉积在匀速运动工件上，最终在工件表面得到一层致密、表面粗糙度低牺牲层，溅射沉积的时间可以根据实际需要人为设定。

工件传回刻蚀腔室：先打开溅射沉积室与刻蚀室之间的第二插板阀5，通过两室之间的工件传送装置将沉积有牺牲层的光学元件传回至刻蚀室，再关闭第二插板阀5；

光学元件修正抛光：再次打开离子源，对上一道工艺得到的工件进行刻蚀，均匀去除所沉积的牺牲层材料，将表面粗糙度较低的牺牲层表面复制、转移到工件（基底）表面，完成抛光加工过程。

取出工件：先打开传递室与刻蚀室之间的第一插板阀4，通过工件传送装置将工件送至传递室1，再关闭第一插板阀4，传递室1充气至大气压，打开传递室1门取出工件，则完成整个抛光过程。

以上抛光方法，可以得到面型精度高、表面粗糙度低的光学元件，且易加工软脆材料和水溶性晶体材料等。

传递室内只完成工件的取放操作，故传递室的空间远远小于刻蚀室1和溅射沉积室3，通过第一插板阀4的配合，整个加工过程只需对传递室1抽真空和充气，因此可以大大提高抽真空和充气速度，提高产品加工效率；另外，第一插板阀4将传递室1和刻蚀室2隔离，对传递室1的充气不需要等待刻蚀室2中离子源冷却，从而减少了完成加工后取出工件的等待时间，进一步提高了加工效率。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置，包括传递室（1）、溅射沉积室，其特征在于：还包括刻蚀室，所述的传递室（1）一端与刻蚀室之间设置控制其连通与闭合的第一插板阀（4），所述的刻蚀室与溅射沉积室之间设置控制其连通与闭合的第二插板阀（5），所述的传递室（1）的另一端为传递室出口，并与大气相通，传递室（1）、刻蚀室和溅射沉积室三者之间设置有传送工件的工件传送装置；

所述的刻蚀室包括主刻蚀室（2）和副刻蚀室（10），主刻蚀室（2）和副刻蚀室（10）上下设置并连通，所述的溅射沉积室包括主溅射沉积室（3）和副溅射沉积室（7），所述的主溅射沉积室（3）和副溅射沉积室（7）上下设置并连通；

所述的刻蚀室内设置有第一离子源系统（9）、离子束质量分析单元、离子束匀化装置和中和灯丝；

所述的溅射沉积室内设置有第二离子源系统（6）、离子束质量分析单元和溅射靶材单元；

所述的第一离子源系统（9）设置于副刻蚀室（10）内，由三个微波离子源拼接而成，所产生的离子束经过屏栅、加速栅和接地栅引出，三层栅呈矩形并具有弧度用于离子束的聚焦；

第一离子源系统（9）发射的离子束与装载在工件传送装置的工件夹持器上的工件表面的夹角，通过更换不同的转接法兰来改变，实现离子束的刻蚀角度在30°~60°范围内变化；

所述的离子束质量分析单元设置于主刻蚀室（2）内，其包括法拉第杯（15）、步进电机（17）和滚珠丝杠（16），滚珠丝杠（16）设置于法拉第杯（15）与步进电机（17）之间；

所述离子束匀化装置设置于第一离子源与工件之间，其结构包括石墨修形板（18）、直线电机（19）和编码器（20）；所述石墨修形板（18）设置于直线电机（19）上，所述的直线电机（19）的一侧设置有编码器（20）。

2.根据权利要求1所述的一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置，其特征在于：所述的第二离子源系统（6）设置于主溅射沉积室（3）内，由三个微波离子源拼接而成，第二离子源水平发射的离子束与可旋转四靶工位的工作靶表面夹角为45°。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置，其特征在于：所述的溅射靶材单元包括靶材单元框架（11）、靶基座（12）、防护罩（13）和驱动装置（14），所述的驱动装置（14）与靶基座（12）连接，带动靶基座（12）转动，防护罩（13）罩设于靶基座（12）的上方，靶基座（12）的一侧设置有靶材单元框架（11），靶基座（12）设置有四个可旋转靶工位（8），四个靶工位（8）上装载四片靶材。

4.根据权利要求3所述的一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置，其特征在于：所述的三层栅均由石墨加工而成。

5.根据权利要求4所述的一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置，其特征在于：所述的中和灯丝设置于第一离子源的离子束出口。

6.如权利要求1所述的一种利用原位溅射结合离子束刻蚀的抛光装置的抛光方法，其特征在于：所述的抛光方法的步骤为：

安装工件：先在传递室（1）内将工件安装在工件传送装置上，再关闭传递室（1）门，将传递室抽气至压强1Pa左右，打开传递室与刻蚀室之间的第一插板阀（4），通过工件传送装置将工件传送至刻蚀室（2），关闭第一插板阀（4）；

刻蚀室（2）处在低真空压力状态，传递室（1）处在大气压力状态，先打开传递室（1），将工件安装在工件传送装置上，再关闭传递室门，将传递室1抽气至与刻蚀室（2）中相当的压力状态；

离子束清洗：打开刻蚀室内的第一离子源系统（9）对工件离子束清洗一定时间再关闭离子源；

工件传入溅射沉积室：先打开刻蚀室与溅射沉积室之间的第二插板阀（5），将离子束清洗过的光学元件通过工件传送装置送至溅射沉积室，再关闭第二插板阀（5）；

牺牲层制备：选择靶材，打开溅射沉积室内的第二离子源系统，通过离子束溅射沉积获得粗糙度小的薄膜层，即牺牲层；

工件传回刻蚀腔室：先打开溅射沉积室与刻蚀室之间的第二插板阀（5），通过两室之间的工件传送装置将沉积有牺牲层的光学元件传回至刻蚀室，再关闭第二插板阀（5）；

光学元件修正抛光：打开刻蚀室内的第一离子源，对上一道工序得到的工件进行离子束刻蚀，将牺牲层高质量的表面高保真的传递至原始工件表面，从而达到修正抛光的目的；

取出工件：先打开传递室与刻蚀室之间的第一插板阀（4），通过工件传送装置将工件送至传递室（1），再关闭第一插板阀（4），传递室（1）充气至大气压，打开传递室（1）门取出工件。