CN116623184A - 一种半球谐振子的离子束刻蚀工装及离子束刻蚀修调方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半球陀螺仪技术领域，特别涉及一种半球谐振子的离子束刻蚀工装及离子束刻蚀修调方法，具体为：离子束射出后穿过溅射挡板的第一入射孔进入第一套筒，经过第一套筒将多余的离子束阻挡，有效离子束经过第一套筒的第一出射孔，进入第二套筒；经第二套筒的第二出射孔射导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作；本发明通过对第一套筒、第二套筒的穿射行程以及孔隙的合理设计，对离子束经过二次约束，能够有效隔离多余的离子束，防止反溅，同时，缩短第二套筒与半球谐振子之间的距离，减小刻蚀面积，能够控制刻蚀精准度。
Description
技术领域
本发明属于半球陀螺仪技术领域，特别涉及一种半球谐振子的离子束刻蚀工装及离子束刻蚀修调方法。
背景技术
半球谐振子是半球谐振陀螺的核心器件之一，一般采用高品质因数的熔融石英加工而成。理论上，半球谐振子各向同性和对称性越高，陀螺稳定性、重复性等关键指标越好。然而，受材料不均匀、加工工艺等因素的影响，实际加工的半球谐振子与理想的谐振子之间不可避免地存在着偏差，导致了谐振子的频差差异，这种差异越大，半球谐振陀螺精度越低。
为修正频差差异，需要采用修调工艺去除谐振子的局部质量，修正谐振子的表面质量分布，使谐振子尽量达到理想的状态。离子束刻蚀对于石英材料具有刻蚀无损、去量精度高等特点，因此采用离子束刻蚀法修调石英半球谐振子是相对较为理想的选择。对于离子束刻蚀法，目前常用的实现方式有以下几种：
（1）使用离子束直接修调
该方法是通过离子束对振子进行面刻蚀，通过旋转速度的变化来控制振子某个特定区域去量相对较多。但是该方法无法对某一点进行刻蚀，只能通过以离散的变化速度旋转振子，使振子各部位刻蚀时间不同，从而达到某一段区域相对其它区域去除质量更多，进行质量修调；刻蚀区域过大，容易刻蚀到振子以外的零件，材料反溅对振子也会产生污染。
（2）使用紧贴振子的掩膜
在半球谐振子表面沉积上一层导电薄膜，从而可以控制其振动并读取振动信号，通过掩膜来遮挡沉积的表面，使得膜层只沉积在振子的内外球面和柱面，如201811597997.8用于半球谐振子金属化工艺的掩膜装置，该种技术主要存在的技术问题是：为了紧贴振子，对掩膜的精度要求过高；使用较厚的掩膜会使得掩膜材料反溅到振子上产生污染，掩膜很薄则使用寿命很短且容易变形；无法在装上掩膜的情况下对振子进行测试，由于刻蚀和测试需要在真空下进行，每次刻蚀完需要设备充气至大气压后拆下掩膜再抽真空进行测试，测试结束后充气至大气压安装掩膜再抽真空进行下一次刻蚀，过于浪费时间。
（3）使用圆管状束形筒
使用圆管状束形筒对离子束进行约束，如CN 115332037，其通过等直径的固定束形筒和可调束形筒配合，通过调整束形筒的长度进而确保离子束轰击到谐振子后，刻蚀掉的材料反弹至可调束形筒的端面，发生二次溅射的原子无法到达谐振子，该技术所存在的问题是：长径比过大，导致可利用的离子源有效面积过小，单位时间刻蚀量过小，刻蚀时间较长，刻蚀效率低。
因此，当前的离子束刻蚀技术均存在刻蚀精度难以控制和刻蚀效率低的问题。
发明内容
为了克服现有技术所存在的问题，本发明提供了一种半球谐振子的离子束刻蚀工装，能够对离子束经过二次约束，能够有效隔离多余的离子束，防止反溅，同时有效隔离套筒内产生的二次污染，并且能够扩大离子源有效面积，增加有效离子束，提高刻蚀效率。
同时，本发明还提供了一种利用上述半球谐振子的离子束刻蚀工装实现的半球谐振子的离子束刻蚀修调方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种半球谐振子的离子束刻蚀工装，其包括溅射挡板、第一套筒以及第二套筒；所述溅射挡板设置在第一套筒的筒口处，所述第二套筒套接在第一套筒的末端，在溅射挡板的中部开设有第一入射孔；所述第一套筒的底部开设有第一出射孔，第二套筒的底部开设有第二出射孔；离子束在第一套筒和第二套筒内腔的穿射行程与第一出射孔孔径D2和第二出射孔孔径D3之间满足以下关系：
D2≈（D1+D3）/（L2+L3）×L2-D1
其中，D2为第一出射孔的孔径，mm；
D1为第一套筒的内径，mm；
D3为第二出射孔的孔径，且D3<D2，mm；
L2为离子束在第一套筒内腔的第一穿射行程，mm；
L3为离子束从第一套筒底部到第二套筒出射后的第二穿射行程，mm。
进一步限定，所述第二套筒的底部外表面设置有吸收层，所述吸收层是能与SiO2或Si原子有效结合的材料。
进一步限定，所述离子束从第一套筒底部到第二套筒出射后的第二穿射行程L3的计算方法如下：
L3=h1+h2+h3+S
其中，h1为第一套筒底部厚度，mm；
h2为第二套筒底部厚度，mm；
h3为吸收层的厚度，mm；
S为第二套筒内腔的有效穿射行程，mm。
进一步限定，所述吸收层通过镀膜、粘接或机械连接设置在第二套筒的底部外表面，所述吸收层的厚度是1~2mm。
一种半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，其基于使用上述的半球谐振子的离子束刻蚀工装实现，具体包括以下步骤：
（1）将半球谐振子的离子束刻蚀工装和待刻蚀的半球谐振子分别安装在刻蚀室的工作台上，保证半球谐振子的离子束刻蚀工装的中心轴线与半球谐振子的水平面直径对准，对刻蚀室抽真空、通入氩气；
（2）离子束射出，穿过溅射挡板的第一入射孔进入第一套筒，经过第一套筒，将多余的离子束阻挡，有效离子束经过第一套筒的第一出射孔，进入第二套筒；
（3）有效离子束进入第二套筒，在第一套筒产生的刻蚀污染经第二套筒隔离，剩余有效离子束经第二套筒的第二出射孔导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作；
上述步骤（2）和步骤（3）中，离子束在第一套筒和第二套筒内腔的穿射行程与第一套筒的第一出射孔孔径D2和第二套筒的第二出射孔的孔径D3之间满足以下关系：
D2≈（D1+D3）/（L2+L3）×L2-D1
其中，D2为第一出射孔的孔径，mm；
D1为第一套筒的内径，mm；
D3为第二出射孔的孔径，且D3<D2，mm；
L2为离子束在第一套筒内腔的第一穿射行程，mm；
L3为离子束从第一套筒底部到第二套筒出射后的第二穿射行程，mm。
进一步限定，所述步骤（3）之后还包括步骤（4），具体为：半球谐振子在刻蚀过程中飞溅出的部分刻蚀物返回第二套筒的外表面，经吸收层吸收。
进一步限定，所述步骤（1）具体为：
（1.1）将半球谐振子的离子束刻蚀工装和待刻蚀的半球谐振子分别安装在刻蚀室的工作台上，调整第一套筒与第二套筒的套接位置，确保离子束从第一套筒底部到第二套筒出射后的第二穿射行程L3为：
L3=h1+h2+h3+S
其中，h1为第一套筒底部厚度，mm；
h2为第二套筒底部厚度，mm；
h3为吸收层的厚度，mm；
S为有效离子束第二套筒内腔的有效穿射行程，mm；
（1.2）调整第一套筒、第二套筒的中心轴与半球谐振子的水平面直径对在同一条直线上，第二套筒的第二出射孔外端距离半球谐振子的水平距离为1~5mm；
（1.3）设置离子源参数，对刻蚀室抽真空、通入氩气。
进一步限定，所述步骤（2）具体为：
离子束射出，经溅射挡板的第一入射孔进入第一套筒，直射进入第一套筒的离子束若直接打在第一套筒内筒壁或筒底面上，则成为多余离子束被第一套筒阻挡吸收；若直接穿过第一套筒的第一出射孔，则为有效离子束，进入第二套筒。
进一步限定，所述步骤（3）具体为：
经第一套筒一次约束的有效离子束进入第二套筒内，若直接射在第二套筒内壁或者筒底面上的离子束，则为多余离子束被第一套筒底部和第二套筒内壁阻挡吸收；若直射穿过第二套筒的第二出射孔的剩余有效离子束经第二套筒的二次约束和导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明通过对第一套筒、第二套筒的穿射行程以及孔隙的合理设计，对离子束经过二次约束，能够有效隔离多余的离子束，防止反溅，同时还能有效隔离套筒内产生的二次污染。
（2）本发明通过增加第一套筒的入口面积，并通过第一套筒、第二套筒对离子束的有效约束，保证有效离子束通过率高，扩大离子源有效面积，增加有效离子束，提高刻蚀效率。
（3）本发明通过吸收层吸收蚀刻污染物，缩短第二套筒与半球谐振子之间的距离，减小刻蚀面积，能够控制刻蚀精准度，实现刻蚀的精准控制。
附图说明
图1为半球谐振子的离子束刻蚀工装结构示意图。
图2为本发明的离子束刻蚀原理示意图。
图3为对照例1的刻蚀原理示意图。
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，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
现有半球谐振子的离子束刻蚀修调是将半球谐振子安装在可旋转的转台上，通过控制谐振子转动角度和刻蚀时间，去除谐振子上的对应质量，完成刻蚀操作。
本发明主要是在刻蚀的前端针对离子束的约束提供了一种半球谐振子的离子束刻蚀工装，通过二次约束，能够有效隔离多余的离子束，防止反溅，提升刻蚀效率。
参见图1，本发明的半球谐振子的离子束刻蚀工装包括溅射挡板4、第一套筒1、第二套筒2以及吸收层3；溅射挡板4设置在第一套筒1的筒口处，所述第二套筒2套接在第一套筒1的末端，在溅射挡板4的中部开设有第一入射孔；所述第一套筒1的底部开设有第一出射孔，第二套筒2的底部开设有第二出射孔，所述离子束在第一套筒1和第二套筒2内腔的穿射行程与第一出射孔孔径D2和第二出射孔孔径D3之间满足以下关系：
D2≈（D1+D3）/（L2+L3）×L2-D1
其中，D2为第一出射孔的孔径，mm；
D1为第一套筒1的内径，mm；
D3为第二出射孔的孔径，且D3<D2，mm；
L2为离子束在第一套筒1内腔的第一穿射行程，mm；
L3为离子束从第一套筒1底部到第二套筒2出射后的第二穿射行程，mm。
离子束的第二穿射行程L3即从第一套筒1的底部第一出射孔出射后经第二套筒2内腔再从第二套筒2的第二出射孔出射后的行程计算方法如下：
L3=h1+h2+h3+S
其中，h1为第一套筒1底部厚度，mm；
h2为第二套筒2底部厚度，mm；
h3为吸收层3的厚度，mm；
S为第一套筒1底部外侧与第二套筒2底部内侧的直线距离，mm。
吸收层3设置在第二套筒2的底部外表面，吸收层3是能与SiO2或Si原子有效结合的材料，通过镀膜、粘接或机械连接设置在第二套筒2的底部外表面，厚度控制在1~2mm即可。
需要进一步说明，在使用时，溅射挡板4可以上下调节，第一套筒1和第二套筒2之间的套接深度即第二套筒2的内腔离子束的有效穿射行程S可以调节，第二套筒2与半球谐振子表面的安装距离可以灵活调整，只要能够满足将绝大部分可以造成刻蚀的多余离子束在溅射挡板4外进行隔绝，而进入第一套筒1和第二套筒2内的离子束通过二次约束与隔绝，保留有效离子束对谐振子进行刻蚀，对半球谐振子刻蚀掉的材料通过吸收层3进行吸收，防止其经过二次反弹污染半球谐振子的有效距离即可，该有效距离可以通过需要进行灵活调整。
参照图2，通过上述半球谐振子的离子束刻蚀工装实现半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，具体包括以下步骤：
（1）将半球谐振子的离子束刻蚀工装和待刻蚀的半球谐振子分别安装在刻蚀室的工作台上，保证半球谐振子的离子束刻蚀工装的中心轴线与半球谐振子的水平面直径对准，对刻蚀室抽真空、通入氩气；
（2）离子束射出，穿过溅射挡板4的第一入射孔进入第一套筒1，经过第一套筒1，将多余的离子束阻挡，有效离子束经过第一套筒1的第一出射孔，进入第二套筒2；
（3）有效离子束进入第二套筒2，在第一套筒1产生的刻蚀污染经第二套筒2隔离，剩余有效离子束经第二套筒2的第二出射孔射导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作。
实施例1
本实施例的刻蚀对象是直径为30mm的半球谐振子，所用半球谐振子的离子束刻蚀工装包括溅射挡板4、第一套筒1、第二套筒2以及吸收层3，其中，溅射挡板4的壁厚为3mm的正方形挡板，在其中部开设有直径为38mm的第一入射孔。第一套筒1采用壁厚为3mm的直筒状结构，其一端敞口上设置向外的翻边，该翻边通过均匀布设的螺栓螺母与溅射挡板4固定连接，溅射挡板4的第一入射孔孔径大于第一套筒1的内径D1，D1=34mm，第一套筒1的内腔深度即离子束在第一套筒1内腔的第一穿射行程L2=40mm，在第一套筒1的底部开设有与溅射挡板4的第一入射孔正对的第一出射孔，第一出射孔的孔径D2=9mm。在第一套筒1的底部外侧套接有第二套筒2，第二套筒2从外侧壁沿着径向通过螺栓紧固件与第一套筒1同轴连接。第二套筒2的内径与第一套筒1的外径相等，第二套筒2的内腔有效穿射行程S=12mm。在第二套筒2的底部开设有第二出射孔，第二出射孔的孔径D3=3mm。
需要进一步说明，上述的第一入射孔、第一出射孔以及第二出射孔的中心轴在同一条直线上。
需要进一步说明，上述的溅射挡板4、第一套筒1以及第二套筒2均采用不锈钢材质制成，还可以采用铝合金、或钛合金材料等。
需要进一步说明，在第二套筒2的底部外表面上设置有吸收层3，该吸收层3采用能与SiO2和Si原子有效结合的材料，如SiO2、Al2O3等，本实例中使用SiO2作为吸收层3材料，厚度为1mm，通过镀膜工艺镀在第二套筒2外表面，还可以通过环氧树脂粘接或其他机械连接方式贴在第二套筒2外表面，保证紧密贴合即可。
利用本实施例的半球谐振子的离子束刻蚀工装对半球谐振子进行刻蚀修调，具体方法是：
将半球谐振子的离子束刻蚀工装和待刻蚀的半球谐振子分别安装在刻蚀室的旋转工作台上，保证半球谐振子的离子束刻蚀工装的中心轴线与半球谐振子的水平面直径对准，且半球谐振子的唇沿距第二出射孔的出射端轴1线距离为L4=2mm，调整第一套筒1与第二套筒2的套接位置，调整离子束从第一套筒1底部到第二套筒2出射后的第二穿射行程L3=17mm。
之后对刻蚀室抽真空、通入氩气，设置离子源参数为：束流35mA，阴极10A，阳极50V，屏极550V，加速450V，中和9A，发射离子束。
离子束射出后，经溅射挡板4的第一入射孔进入第一套筒1，直射进入第一套筒1的离子束若直接打在第一套筒1内筒壁或筒底面上，则成为多余离子束被第一套筒1阻挡吸收；若直接穿过第一套筒1的第一出射孔，则为有效离子束，进入第二套筒2。
经第一套筒1一次约束的有效离子束进入第二套筒2内，若直接射在第二套筒2内壁或者筒底面上的离子束，则为多余离子束被第一套筒1底部和第二套筒2内壁阻挡吸收；若直射穿过第二套筒2的第二出射孔的剩余有效离子束经第二套筒2的二次约束和导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作。
最终在半球谐振子上行程的刻蚀区域约为5.09mm，在100倍显微镜下观察半球谐振子表面无污染，实际使用的离子源有限面积约为2740mm2。
实施例2
与实施例不同之处在于，本实施例的溅射挡板4以及第一套筒1、第二套筒2的壁厚分别为3mm、4mm、3mm，第一入射孔的孔径为40mm，第一套筒1的内径D1=30mm，第一套筒1的内腔深度即离子束在第一套筒1内腔的第一穿射行程L2=35mm，第一出射孔的孔径D2=10mm。第二套筒2的内腔有效穿射行程S=14mm，第二出射孔的孔径D3=3mm，吸收层3的厚度为1mm，离子束从第一套筒1底部到第二套筒2出射后的第二穿射行程L3=22mm，半球谐振子的唇沿距第二出射孔的出射端轴线距离为L4=5mm。
其他的工装结构与实施例1相同，实施例2在半球谐振子上行程的刻蚀区域约为6.11mm，在100倍显微镜下观察半球谐振子表面无污染，实际使用的离子源有限面积约为2218mm2。
其他的工装结构与实施例1相同。
对半球谐振子进行刻蚀修调操作步骤与实施例1相同。
为了验证本发明的技术效果，参照对照例1的结构（如图3所示）按照相同的离子源参数，使离子束经等直径的束形筒出射后完成刻蚀，结果如下表1所示：
表1为实施例1与对照例1的刻蚀效果对照
| 序号 | 离子源有效面积（mm2） | 刻蚀区域（mm） |
| 实施例1 | 2740.00 | 5.09 |
| 对照例1 | 79.92 | 5.11 |
通过上表1对照可以看出，本申请与对照例在相同的离子源参数条件下刻蚀，离子束经本申请的刻蚀工装后离子源的有效面积明显增加，而对应的刻蚀区域缩小，能够保证刻蚀效率，而且能够控制刻蚀精准度，实现刻蚀的精准控制。
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。
Claims (9)
1.一种半球谐振子的离子束刻蚀工装，其特征在于，包括溅射挡板（4）、第一套筒（1）以及第二套筒（2）；所述溅射挡板（4）设置在第一套筒（1）的筒口处，所述第二套筒（2）套接在第一套筒（1）的末端，在溅射挡板（4）的中部开设有第一入射孔；所述第一套筒（1）的底部开设有第一出射孔，第二套筒（2）的底部开设有第二出射孔；离子束在第一套筒（1）和第二套筒（2）内腔的穿射行程与第一出射孔孔径D2和第二出射孔孔径D3之间满足以下关系：
D2≈（D1+D3）/（L2+L3）×L2-D1
其中，D2为第一出射孔的孔径，mm；
D1为第一套筒（1）的内径，mm；
D3为第二出射孔的孔径，且D3<D2，mm；
L2为离子束在第一套筒（1）内腔的第一穿射行程，mm；
L3为离子束从第一套筒（1）底部到第二套筒（2）出射后的第二穿射行程，mm。
2.根据权利要求1所述的半球谐振子的离子束刻蚀工装，其特征在于，所述第二套筒（2）的底部外表面设置有吸收层（3），所述吸收层（3）是能与SiO2或Si原子有效结合的材料。
3.根据权利要求2所述的半球谐振子的离子束刻蚀工装，其特征在于，所述离子束从第一套筒（1）底部到第二套筒（2）出射后的第二穿射行程L3的计算方法如下：
L3=h1+h2+h3+S
其中，h1为第一套筒（1）底部厚度，mm；
h2为第二套筒（2）底部厚度，mm；
h3为吸收层（3）的厚度，mm；
S为有效离子束在第二套筒（2）内腔的有效穿射行程，mm。
4.根据权利要求2所述的半球谐振子的离子束刻蚀工装，其特征在于，所述吸收层（3）通过镀膜、粘接或机械连接设置在第二套筒（2）的底部外表面，所述吸收层（3）的厚度是1~2mm。
5.一种半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，其特征在于，基于使用权利要求1~4任一项所述的半球谐振子的离子束刻蚀工装实现，具体包括以下步骤：
（1）将半球谐振子的离子束刻蚀工装和待刻蚀的半球谐振子分别安装在刻蚀室的工作台上，保证半球谐振子的离子束刻蚀工装的中心轴线与半球谐振子的水平面直径对准，对刻蚀室抽真空、通入氩气；
（2）离子束射出，穿过溅射挡板（4）的第一入射孔进入第一套筒（1），经过第一套筒（1），将多余的离子束阻挡，有效离子束经过第一套筒（1）的第一出射孔，进入第二套筒（2）；
（3）有效离子束进入第二套筒（2），在第一套筒（1）产生的刻蚀污染经第二套筒（2）隔离，剩余有效离子束经第二套筒（2）的第二出射孔导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作；
上述步骤（2）和步骤（3）中，离子束在第一套筒（1）和第二套筒（2）内腔的穿射行程与第一套筒（1）的第一出射孔孔径D2和第二套筒（2）的第二出射孔的孔径D3之间满足以下关系：
D2≈（D1+D3）/（L2+L3）×L2-D1
其中，D2为第一出射孔的孔径，mm；
D1为第一套筒（1）的内径，mm；
D3为第二出射孔的孔径，且D3<D2，mm；
L2为离子束在第一套筒（1）内腔的第一穿射行程，mm；
L3为离子束从第一套筒（1）底部到第二套筒（2）出射后的第二穿射行程，mm。
6.根据权利要求5所述的半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，其特征在于，所述步骤（3）之后还包括步骤（4），具体为：半球谐振子在刻蚀过程中飞溅出的部分刻蚀物返回第二套筒（2）的外表面，经吸收层（3）吸收。
7.根据权利要求5所述的半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，其特征在于，所述步骤（1）具体为：
（1.1）将半球谐振子的离子束刻蚀工装和待刻蚀的半球谐振子分别安装在刻蚀室的工作台上，调整第一套筒（1）与第二套筒（2）的套接位置，确保离子束从第一套筒（1）底部到第二套筒（2）出射后的第二穿射行程L3为：
L3=h1+h2+h3+S
其中，h1为第一套筒（1）底部厚度，mm；
h2为第二套筒（2）底部厚度，mm；
h3为吸收层（3）的厚度，mm；
S为有效离子束第二套筒（2）内腔的有效穿射行程，mm；
（1.2）调整第一套筒（1）、第二套筒（2）的中心轴与半球谐振子的水平面直径对在同一条直线上，第二套筒（2）的第二出射孔外端距离半球谐振子的水平距离为1~5mm；
（1.3）设置离子源参数，对刻蚀室抽真空、通入氩气。
8.根据权利要求5所述的半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，其特征在于，所述步骤（2）具体为：
离子束射出，经溅射挡板（4）的第一入射孔进入第一套筒（1），直射进入第一套筒（1）的离子束若直接打在第一套筒（1）内筒壁或筒底面上，则成为多余离子束被第一套筒（1）阻挡吸收；若直接穿过第一套筒（1）的第一出射孔，则为有效离子束，进入第二套筒（2）。
9.根据权利要求5所述的半球谐振子的离子束刻蚀修调方法，其特征在于，所述步骤（3）具体为：
经第一套筒（1）一次约束的有效离子束进入第二套筒（2）内，若直接射在第二套筒（2）内壁或者筒底面上的离子束，则为多余离子束被第一套筒（1）底部和第二套筒（2）内壁阻挡吸收；若直射穿过第二套筒（2）的第二出射孔的剩余有效离子束经第二套筒（2）的二次约束和导流后出射在半球谐振子的表面，进行刻蚀动作。
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