一种表征射频离子源离子束特性的测量方法与流程

本发明涉及离子束溅射镀膜及超精密抛光技术领域，尤其涉及一种表征射频离子源离子束特性的测量方法。

背景技术：

射频离子源具有结构简单、无极放电的优点，采用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。在此过程中，具有一定能量和空间分布的离子束流轰击光学元件表面，利用轰击时发生的物理溅射效应去除光学元件表面材料，达到修正面形误差的目的，加工精度达到纳米级。较低能量的离子束广泛用于工业加工，如离子减薄、离子抛光、离子束打孔、离子束刻蚀、离子束溅射金属膜等。

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(rf)离子源采用磁感应产生等离子体，因此是无极放电，放电室内无灯丝作为阴极，无灯丝因而可在反应气体中长时间工作，也大大降低了对离子束带来的污染。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。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，在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。

射频离子源产生的离子束是在真空腔室内激发后，在溅射镀膜或离子束抛光之前了解离子束特性，对于后期合适实验参数的选择十分重要，激发后离子束的颜色易于观察，通常为紫色光束。法拉第杯可以检测离子束束流密度，但对于离子束的特性包括束径大小、离子束形态如聚焦离子束或平行离子束、束斑的形状很难直接检测，而离子束的特性又直接影响其用于溅射镀膜的质量或刻蚀抛光的效果，所以准确分析离子束特性对后期工艺实验提供指导依据。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种表征射频离子源离子束特性的测量方法，该方法简单易于操作，能够直观反应离子束形态、束径大小以及束斑形状。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：所述方法包括，

s1、真空腔室内固定硅片并将稳定后的离子束垂直投射于硅片上即α＝0；

s2、调整离子束引出端面与硅片之间的距离wd以调整形成于硅片上的束斑，并据此束斑分析离子束形态为聚焦离子束或平行离子束；

s3、获取离子束投射于硅片上形成的束斑面形pv值，利用metropro软件分析计算束斑直径；

s4、测量束斑的长半轴a和短半轴b，并据二者比值a/b大小确定束斑形状为圆形光斑或椭圆形光斑。

进一步的，所述硅片为镀有氧化硅薄膜的硅片。

进一步的，所述氧化硅薄膜的厚度为200-800μm。

进一步的，所述硅片尺寸为圆形或方形，当硅片为圆形时，圆形直径范围为50-500mm，当硅片为方形时，方形边长为50-400mm。

进一步的，所述距离wd距离范围为10-60mm。

进一步的，所述硅片采用夹具或平板基盘固定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本技术：
的方法能够直观反应离子束形态、束径大小以及束斑形状，便于准确分析离子束特性，对后期工艺实验提供了指导依据。

附图说明

图1为本发明获取束斑结构示意图。

图2为圆形束斑结构示意图。

图3为椭圆形束斑结构示意图。

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。

如图1至3所示为本申请表征射频离子源离子束特性的测量方法对应的结构示意图，该方法在测量时，需先打开离子束抛光系统电源、水冷装置、工作氩气等装备，然后放置硅片，采用合适夹具将其固定，将测试环境抽真空，直至真空室压强达到5.0×10^-3pa以上。

随后，启动离子源，先开启离子源的“beam+acc”，等待离子源进入稳定工作状态，此过程约需0.5～1h；离子源稳定后先进行法拉第扫描，然后开启中和极，待离子源再次稳定后，使离子束垂直投射于硅片上即α＝0，调整离子束引出端面与硅片之间的距离wd以调整形成于硅片上的束斑，并据此束斑分析离子束形态为聚焦离子束或平行离子束；该距离wd取值范围为10-60mm。显然，当形成的束斑为点状时，则表示该离子束为聚焦离子束，而当形成的束斑为非点状时，则表示该离子束为平行离子束。

为了获取束斑直径，本发明需先获取离子束投射于硅片上形成的束斑面形pv值，然后利用metropro软件分析计算束斑直径；而在确定束斑形状时，则是通过测量束斑的长半轴a和短半轴b，并据二者比值a/b大小以确定束斑形状为圆形光斑或椭圆形光斑。

具体而言，当a/b＝1时，则表示束斑为圆形束斑，而当a/b≠1时，则为非圆形，在本申请中取a/b＝1.98:1时为椭圆形束斑，具体如图2和3所示。

同时，可通过采用代表性直径为r栅网光学元件，设定位置区域坐标(-r/3,+r/3)，在此范围内使离子束在其表面往复运动25次，加工结束后获得有效束径及其影响区，此处就不详细展开。

本申请中，该硅片为镀有氧化硅薄膜的硅片，氧化硅薄膜的厚度为200-800μm。该硅片尺寸可为圆形或方形，当硅片为圆形时，圆形直径范围为50-500mm，当硅片为方形时，方形边长为50-400mm，硅片采用夹具或平板基盘固定。

本申请采用该方法能够直观反应离子束形态、束径大小以及束斑形状，便于准确分析离子束特性，对后期工艺实验提供了指导依据。

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。

技术特征：

1.一种表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：所述方法包括，

s1、真空腔室内固定硅片并将稳定后的离子束垂直投射于硅片上即α＝0；

s2、调整离子束引出端面与硅片之间的距离wd以调整形成于硅片上的束斑，并据此束斑分析离子束形态为聚焦离子束或平行离子束；

s3、获取离子束投射于硅片上形成的束斑面形pv值，利用metropro软件分析计算束斑直径；

s4、测量束斑的长半轴a和短半轴b，并据二者比值a/b大小确定束斑形状为圆形光斑或椭圆形光斑。

2.根据权利要求1所述表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：

所述硅片为镀有氧化硅薄膜的硅片。

3.根据权利要求2所述表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：

所述氧化硅薄膜的厚度为200-800μm。

4.根据权利要求1所述表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：

所述硅片尺寸为圆形或方形，当硅片为圆形时，圆形直径范围为50-500mm，当硅片为方形时，方形边长为50-400mm。

5.根据权利要求1所述表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：

所述距离wd距离范围为10-60mm。

6.根据权利要求1所述表征射频离子源离子束特性的测量方法，其特征在于：

所述硅片采用夹具或平板基盘固定。

技术总结
本发明涉及一种表征射频离子源离子束特性的测量方法，所述方法包括S1、真空腔室内固定硅片并将稳定后的离子束垂直投射于硅片上即α＝0；S2、调整离子束引出端面与硅片之间的距离WD以调整形成于硅片上的束斑，并据此束斑分析离子束形态为聚焦离子束或平行离子束；S3、获取离子束投射于硅片上形成的束斑面形PV值，利用MetroPro软件分析计算束斑直径；S4、测量束斑的长半轴a和短半轴b，并据二者比值a/b大小确定束斑形状为圆形光斑或椭圆形光斑。本发明能够直观反应离子束形态、束径大小以及束斑形状，便于准确分析离子束特性，对后期工艺实验提供了指导依据。

技术研发人员：王大森;李晓静;聂凤明;裴宁;郭海林;张旭;夏超翔
受保护的技术使用者：中国兵器科学研究院宁波分院
技术研发日：2020.07.14
技术公布日：2020.11.03