CN114188200A - 一种射频离子源离子束稳定性判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种射频离子源离子束稳定性判断方法，包括，S1，射频离子源开启时间t满足条件ta≤t≤tb时，每间隔时间△t对离子束进行法拉第扫描并获取对应时刻ti的束流度实际测量数值Ii和峰值束流密度Jmaxi；S2，计算时刻ti的束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi；S3，判断束流度实际测量数值Ii、峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差是否均满足对应设定范围，若是，则判断为射频离子源离子束稳定性好，否则，稳定性不好。该方法通过对离子束稳定性进行检测，在离子束稳定性不好时，可以调整工艺参数来提高其稳定性，避免采用稳定性不好的离子束进行产品加工，有利于提高产品加工质量，减少次品，从而节约生产成本。

Description

一种射频离子源离子束稳定性判断方法
技术领域
本发明涉及射频离子源离子束刻蚀加工技术领域，尤其涉及一种射频离子源离子束稳定性判断方法。
背景技术
不论是光学薄膜的制备还是纳米尺度的离子束刻蚀和抛光，高性能的离子束流都是不可缺少的。离子束超精密加工研究中，离子源起着非常重要的作用。离子源是产生离子束流的装置，又是离子束设备中的关键部件。
射频离子源具有结构简单、无极放电的优点，采用射频离子源离子束溅射镀膜所镀制的膜层具有吸收少、漂移小、效率高、致密性好的优点。射频离子源也用于精密制造领域的离子束抛光，离子束抛光通常用于超精密光学元件的最终加工，是一种去除精度达到原子级别的抛光技术。由于射频感应产生的等离子体中只有单电荷离子，几乎没有双电荷离子，因此使屏栅溅射引起的污染尤为减小，同时也增加了离子束的均匀性。射频离子源工作时，气体通过石英放电室，通过一定射频功率进行射频放电，离化气体产生等离子体。带电粒子经由静电场加速，控制离子束电压，增大放电室功率，提高放电等离子体浓度，再经过离子三栅光学系统的聚焦加速形成一定能量的离子束。
射频离子源离子束加工时可对离子源的参数进行调控改变产生离子束的形状与大小，进而改变去除函数的分布，来满足不同加工的需求。在加工过程中，离子束的稳定是保证加工质量的重要条件，工艺参数的扰动以及环境的变化都会对加工过程中的稳定性产生影响，通过对离子束稳定性的判断，能够在离子束稳定差的情况下及时调整相关工艺参数来提高离子束稳定，进而确保产品加工质量。但是，现有技术中并未有一种判断离子束稳定性的方法，从而使得产品加工质量难以得到保证。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种射频离子源离子束稳定性判断方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种射频离子源离子束稳定性判断方法，其特征在于：包括，
S1，射频离子源开启时间t满足条件ta≤t≤tb时，每间隔时间△t对离子束进行法拉第扫描并获取对应时刻ti的束流度实际测量数值Ii和峰值束流密度Jmaxi，其中i＝1,2…n，n≤tb/△t；
S2，计算时刻ti的束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi；
S3，判断束流度实际测量数值Ii、峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差是否均满足对应设定范围，若是，则判断为射频离子源离子束稳定性好，否则，稳定性不好。
进一步的，判断束流度实际测量数值Ii偏差是否满足设定范围的方法为，
对ti时刻束流度实际测量数值Ii进行采样，得到多个采样值Iij，其中j为ti时刻的采样次数，计算Iij与理论计算拟合数值Iqj的偏差，计算公式为△S＝(Iij-Iqj)/Iqj，总偏差为S＝|∑△S|，判断总偏差S是否满足设定范围。
进一步的，所述束流分布特征量Hi的获取方法为，由束流度实际测量值Ii得到束流分布曲线，做束流分布曲线顶点即峰值束流密度Jmaxi处的切线L1，再按照束流密度大小一半的高度处做平行于L1的直线L2，直线L2与束流分布曲线的交点分别是A1、A2,两点之间的距离|A1A2|即是Hi值。
进一步的，所述体积去除率Vmi的计算方法为，
Figure BDA0003361820530000021
式中Vmi代表去除函数的体积去除率，单位为mm3/min，P(x，y)为去除函数，r为离子束半径，其中：
Figure BDA0003361820530000022
Pmaxi＝aJmaxi
式中：Pmaxi是去除函数的峰值去除率，a是常数，δ0是束流截面内离子浓度的高斯分布系数。
进一步的，所述峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差计算方法为，
Figure BDA0003361820530000023
为其中
Figure BDA0003361820530000024
式中ε为偏差值，δt为ti时刻的峰值束流密度Jmaxi或束流分布特征量Hi或体积去除率Vmi，
Figure BDA0003361820530000025
为ti时刻以前多个时刻的峰值束流密度Jmaxi或束流分布特征量Hi或体积去除率Vmi的平均值。
进一步的，所述总偏差S的设定范围的值为小于等于5％。
进一步的，所述峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差设定范围值为小于等于5％。
进一步的，所述ta的值为0.5h，所述tb的值为8h。
进一步的，所述△t的值为40min。
进一步的，所述法拉第扫描的范围为[-15mm，15mm]。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
通过对射频离子源离子束进行法拉第扫描获取束流度实际测量数值Ii、峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi四个特征量并判断四个特征量的偏差值是否在对应设定范围内，如果存在不在设定范围内的情况时，则判断离子束稳定性不好，需要对相应工艺参数进行调整以提高离子束的稳定性，只有当四个特征量偏差均在设定范围内时，才表示离子束的稳定性符合要求，然后再进行产品加工，有利于提高产品加工的质量，降低次品率。
附图说明
图1为本申请中进行法拉第扫描的结构示意图。
图2为本申请中某一时刻束流密度实际测量值Ii与理论计算拟合曲线示意图。
图3为本申请中峰值束流密度Jmaxi随时间变化的示意图。
图4为本申请中束流分布特征量Hi随时间变化的示意图。
图5为本申请中体积去除率Vmi随时间变化的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本申请的射频离子源离子束稳定性判断方法，包括如下步骤：包括，
S1，射频离子源开启时间t满足条件ta≤t≤tb时，每间隔时间△t对离子束进行法拉第扫描，如图1所示，并获取对应时刻ti的束流度实际测量数值Ii和峰值束流密度Jmaxi，其中i＝1,2…n，n≤tb/△t，峰值束流密度Jmaxi随时间分布如图3所示；
S2，计算时刻ti的束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi；
S3，判断束流度实际测量数值Ii、峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差是否均满足对应设定范围，若是，则判断为射频离子源离子束稳定性好，否则，稳定性不好。
在本实施例中，所述束流分布特征量Hi的获取方法为，由束流度实际测量值Ii得到束流分布曲线，如图2所示，做束流分布曲线顶点即峰值束流密度Jmaxi处的切线L1，再按照束流密度大小一半的高度处做平行于L1的直线L2，直线L2与束流分布曲线的交点分别是A1、A2,两点之间的距离|A1A2|即是Hi值，Hi随时间变化分布如图4所示。
在本实施例中，体积去除率Vmi的计算方法为，
Figure BDA0003361820530000041
式中Vmi代表去除函数的体积去除率，单位为mm3/min，P(x，y)为去除函数，r为离子束半径，其中：
Figure BDA0003361820530000042
Pmaxi＝aJmaxi
式中：Pmaxi是去除函数的峰值去除率，a是常数，δ0是束流截面内离子浓度的高斯分布系数。
体积去除率Vmi随时间的变化图如图5所示。
在本实施例中，判断束流度实际测量数值Ii偏差是否满足设定范围的方法为，
如图2所示，对ti时刻束流度实际测量数值Ii进行采样，得到多个采样值Iij，其中j为ti时刻的采样次数，计算Iij与理论计算拟合数值Iqj的偏差，计算公式为△S＝(Iij-Iqj)/Iqj，总偏差为S＝|∑△S|，判断总偏差S是否满足设定范围。具体而言，总偏差S的设定范围的值为小于等于5％。
在本实施例中，峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差计算方法为，
Figure BDA0003361820530000043
为其中
Figure BDA0003361820530000044
式中ε为偏差值，δt为ti时刻的峰值束流密度Jmaxi或束流分布特征量Hi或体积去除率Vmi，
Figure BDA0003361820530000045
为ti时刻以前多个时刻的峰值束流密度Jmaxi或束流分布特征量Hi或体积去除率Vmi的平均值。本实施例中，ε的值小于等于5％，也即峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差设定范围值为小于等于5％。
也即，束流度实际测量数值Ii、峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差值均小于等于5％时，可以确定离子束稳定，能够进行刻蚀抛光等加工，否则，离子束稳定性不满足要求，不能进行产品加工。
在本实施例中，ta的值为0.5h，所述tb的值为8h，△t的值为40min。当然，ta、tb、△t的值可以根据实验需要进行调整。
在本实施例中，所述法拉第扫描的范围为[-15mm，15mm]。
通过上述方法，当射频离子源离子束的稳定性不满足要求时，则真空室压强、离子束电压等工艺参数进行调整，只有当离子束稳定性符合要求时，再进行刻蚀等产品加工操作，避免因离子束稳定性不好产生较多的次品甚至报废品，提高产品加工质量，节约生产成本。
需要说明的是，在上述步骤前还包括下述等步骤：
S01、打开离子束加工系统电源、水冷装置、工作氩气等。
S02、抽真空，使真空室压强达到5.0×10-3Pa以上。
S03、启动离子源，先开启离子源的“Beam+Acc”，等待离子源进入启动预热状态，预热时间0.5h，也即ta为0.5h。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种射频离子源离子束稳定性判断方法，其特征在于：包括，
S1，射频离子源开启时间t满足条件ta≤t≤tb时，每间隔时间△t对离子束进行法拉第扫描并获取对应时刻ti的束流度实际测量数值Ii和峰值束流密度Jmaxi，其中i＝1,2…n，n≤tb/△t；
S2，计算时刻ti的束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi；
S3，判断束流度实际测量数值Ii、峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差是否均满足对应设定范围，若是，则判断为射频离子源离子束稳定性好，否则，稳定性不好。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
判断束流度实际测量数值Ii偏差是否满足设定范围的方法为，
对ti时刻束流度实际测量数值Ii进行采样，得到多个采样值Iij，其中j为ti时刻的采样次数，计算Iij与理论计算拟合数值Iqj的偏差，计算公式为△S＝(Iij-Iqj)/Iqj，总偏差为S＝|∑△S|，判断总偏差S是否满足设定范围。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述束流分布特征量Hi的获取方法为，由束流度实际测量值Ii得到束流分布曲线，做束流分布曲线顶点即峰值束流密度Jmaxi处的切线L1，再按照束流密度大小一半的高度处做平行于L1的直线L2，直线L2与束流分布曲线的交点分别是A1、A2,两点之间的距离|A1A2|即是Hi值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
所述体积去除率Vmi的计算方法为，
Figure FDA0003361820520000011
式中Vmi代表去除函数的体积去除率，单位为mm3/min，P(x，y)为去除函数，r为离子束半径，其中：
Figure FDA0003361820520000012
Pmaxi＝aJmaxi
式中：Pmaxi是去除函数的峰值去除率，a是常数，δ0是束流截面内离子浓度的高斯分布系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述峰值束流密度Jmaxi、束流分布特征量Hi及体积去除率Vmi的偏差计算方法为，
Figure FDA0003361820520000021
为其中
Figure FDA0003361820520000022
式中ε为偏差值，δt为ti时刻的峰值束流密度Jmaxi或束流分布特征量Hi或体积去除率Vmi，
Figure FDA0003361820520000023
为ti时刻以前多个时刻的峰值束流密度Jmaxi或束流分布特征量Hi或体积去除率Vmi的平均值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述总偏差S的设定范围的值为小于等于5％。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述ε小于等于5％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述ta的值为0.5h，所述tb的值为8h。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：
所述△t的值为40min。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述法拉第扫描的范围为[-15mm，15mm]。
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段金鑫;解旭辉;周林;: "光学镜面离子束抛光中的离子源稳定性研究", 航空精密制造技术, no. 05 *

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