一种用于实现角度刻蚀的离子源刻蚀设备的制作方法

本发明涉及离子刻蚀、全息光栅制作等领域，特别是关于实现角度刻蚀的离子源设备安装技术。

背景技术：

在离子束刻蚀、全息光栅制作等领域，离子束与刻蚀样品间是需要有一定入射夹角的，这一方面是由于被刻蚀材料特性决定了必须有一最佳刻蚀入射角，另一方面对于诸如全息光栅刻蚀应用，其光栅夹角与光入射角度设计有关。

早期离子源角度刻蚀方案是采用工件台旋转加平移，离子源的出射方向始终保持同一方向不变的方式实现，即离子源固定不动，改变刻蚀工件的角度和位置，如图1所示，先将刻蚀工件1旋转到要求的刻蚀角度，然后在离子源2前方垂直于离子束出射方向平移样品，使工件从离子源前方走过。采用工件台角度调整加平移的方案控制离子束入射角，虽然可以达到希望的光栅夹角或材料入射角要求，但工件不同位置与离子源的距离会有较大差异，很显然，在刻蚀的过程中，工件台的倾角远端及近端与离子源的距离差距很大(如图中的l1和l2两个尺寸)，这样，工件台的倾角远端及近端位置的工件刻蚀均匀性差异就很大。在这样一种方案下，通常解决的办法是，采用在离子源与工件台的刻蚀离子束入射通道上增加“修正板”方式进行均匀性修正，“修正板”虽然可以解决刻蚀均匀性问题，但又带来两个缺陷：一是增加“修正板”后，修正板遮挡了一部分离子束，使刻蚀效率下降，一般在刻蚀角度为30°时，刻蚀效率下降1/3；另一方面，“修正板”位于刻蚀通道上，并且通常距离离子源较近，修正板被刻蚀的颗粒会返进入离子源内，增大了离子源被颗粒污染的概率。

如果采用另一种离子源角度刻蚀方案，将工件台移动方向改为与离子源成夹角的方式，也就是工件台斜向平移，逐渐靠近离子源，这可以使工件受到同等距离的刻蚀，且在不使用修正板的情况下，保证均匀性，但由于工件尺寸大，且刻蚀角度要满足不同角度的刻蚀，就需要使导轨可在各个角度上变化，这必然需要很大的真空室及复杂的机构才能实现。

技术实现要素：

本发明着力于解决现有技术之不足，提供一种新型的用于实现角度刻蚀的离子源刻蚀设备。其基本构思是，只让工件台做平移运动，不做角度调整，而对离子源的安装角度进行调整，从而达到改变离子束入射角度的目的，同时保证了离子束的最佳射程，实现既呈角度入射，又保证了良好的刻蚀均匀性。

本发明采取的具体技术方案如下：一种用于实现角度刻蚀的离子源刻蚀设备，包括一真空室，真空室中设置工件台，工件安装在所述工件台上，所述工件台安装在第一移动装置及第二移动装置上，所述第一移动装置带动工件台相对于离子源前后移动，所述第二移动装置带动工件台相对于离子源左右移动；离子源安装在第三移动装置上，所述第三移动装置带动离子源相对于工件做角度变换。

优选地，所述第一移动装置包括第一滑轨、第一丝杠、第一丝杠电机、滑块；所述第一滑轨安装在一工件台支撑平台上，所述工件台支撑平台安装在所述第二移动装置上；所述滑块设置在第一滑轨中，滑块上固定工件台，同时滑块上穿设第一丝杠，第一丝杠由第一丝杠电机驱动。

优选地，所述第一移动装置是指在一工件台支撑平台上设置多个调距螺孔，所述工件台通过螺栓固定在其中一组螺孔中；所述工件台支撑平台安装在第二移动装置上。

优选地，所述第二移动装置包括第二滑轨、第二丝杠和第二丝杠电机；所述第一移动装置通过一工件台支撑平台安装在所述第二滑轨上，同时所述工件台支撑平台底部穿设第二丝杠，第二丝杠由第二丝杠电机驱动。

优选地，所述第二移动装置包括第二滑轨、链条、链条驱动电机；所述第一移动装置通过一工件台支撑平台安装在所述第二滑轨上，同时所述工件台支撑平台安装在链条上，所述链条由链条驱动电机驱动。

优选地，所述第三移动装置包括一支架和弧形滑轨，所述离子源固定在支架上。

优选地，所述离子源的外接管路通过真空室外接装置接入真空室，所述真空室外接装置上设置有一柔性连接件，该柔性连接件连接离子源的外接管路。

优选地，所述真空室外接装置设置在真空室外壁上，间隔有一段距离设置一个，该距离内离子源的出射角度由所述柔性连接件补偿。

优选地，所述离子源的出射角度由所述第三移动装置和真空室外接装置共同决定。

优选地，所述柔性连接件为一段波纹管。

与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：1.它改变了现有设计思路，将以前的工件旋转调节角度，改为离子源旋转调整角度，这样可以解决刻蚀均匀性的问题。2.解决了现有技术中因其水电管路等困扰造成的旋转离子源为不可能的难题，通过设置弧形移动装置安装离子源，一是可以保证离子束以最佳出射行程到达工件表面，二是可以变换调整与工件的角度。3.为适应工程问题，将离子源的角度补偿通过在外接管路上设置的波纹管来实现。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为现有技术的角度刻蚀原理示意图。

图2为本发明刻蚀设备示意图；

图3为离子源在移动装置上的移动安装示意图；

图4为真空室外接装置的两个安装位置，以及在外接装置上增加柔性连接件的示意图；

图5为真空室外接装置15°安装，实现0°刻蚀的示意图；

图6为真空室外接装置15°安装，实现30°刻蚀的示意图；

图7为真空室外接装置45°安装，实现30°刻蚀的示意图；

图8为真空室外接装置45°安装，实现60°刻蚀的示意图。

图号说明：1-工件，2-离子源，3-工件台，4-第一移动装置，5-第二移动装置，6-第三移动装置，7-真空室，8-真空室外接装置，9-工件台支撑平台，61-支架，62-弧形滑轨，81-第一连接法兰81，82-第二连接法兰，83-波纹管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明。但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。

如图2所示的实施例，一种用于实现角度刻蚀的离子源刻蚀设备，该设备主要包括离子源2、工件台3、第一移动装置4、第二移动装置5、第三移动装置6、真空室7、真空室外接装置8。

工件1安装在工件台3上，工件台3安装在第一移动装置4及第二移动装置5上，在第一移动装置4、第二移动装置5的作用下可实现在平面内相对于离子源2的前后和左右移动。离子源2安装在第三移动装置6上，在第三移动装置6的作用下可移动，实现相对于工件的角度变换，可实现0°≤α≤90°角对工件表面刻蚀，α表示离子束与工件表面的夹角，即刻蚀角度。工件1、离子源2、工件台3、第一移动装置4、第二移动装置5、第三移动装置6，这些都安装在真空室7内，真空室外接装置8密封固定在真空室外壁上，用于连接离子源的用水、用电、用气等外部设施，真空室将内部设施与外部设施隔离开来。

本发明采取工件只做水平移动，离子源调整出射角度达到角度刻蚀的目的，另外，在角度刻蚀的同时还要保证刻蚀的均匀性。因此，进一步地，本发明中第一移动装置4和第二移动装置5为水平面内的两个平移装置，组合实现前后和左右两个方向的二维平移运动。本发明设置一工件台支撑平台9，在一实施例中，第一移动装置包括在工件台支撑平台9上设置的第一滑轨，工件台3滑动设置在该滑轨中，可在离子源前方向前或向后移动。在粗略调距情况下，可以手动移动工件台3就可以了；如果想精确调距，可以在工件台3底部设置滑块、第一丝杠，以及第一丝杠电机，滑块设置在滑轨中，滑块上穿设丝杠，丝杠由丝杠电机带动。在另一实施例中，工件台支撑平台9上可设置调距螺孔，工件台3通过手动确定位置，然后用螺栓固定在工件台支撑平台9上。

第一移动装置4通过工件台支撑平台9安装在第二移动装置5上。在一实施例中，第二移动装置5包括第二滑轨，工件台支撑平台9滑动设置在该滑轨上，第二移动装置5还包括第二丝杠和第二丝杠电机，第二丝杠穿设在工件台支撑平台9的底部，由第二丝杠电机驱动。在另一实施例中，可以不设置第二丝杠和第二丝杠电机，改由电机驱动连接链条，工件台支撑平台9安装在链条上，在电机的带动下往复运动。第一移动装置4和第二移动装置5实现的是两个互为垂直方向的运动，第一移动装置4在离子源前方前后移动，第二移动装置5在离子源前方左右移动；且第一移动装置4属于一次性调位装置，工件调好与离子源的前后距离之后即固定，所以可以采用手动以及粗略调位方式，而第二移动装置5需要在工作时带动工件匀速在离子源前方通过，属于实时动态运行，所以第二移动装置5不宜采用手动调节的方式，以及一次性调位的方式。第一移动装置4、第二移动装置5的驱动方式除采用以上的丝杠及链条方式外，还可以采用其他方式，如齿轮齿条驱动方式，只要能实现直线运动的方式都可以。

离子源2安装在第三移动装置6上，如图2、图4-图7所示的实施例，简单的方法是，第三移动装置6采用一离子源支架，离子源支架固定在真空室腔壁上，在离子源支架上设置弧形槽，离子源通过弧形槽滑动调位，这种方法调整的角度较小。

为实现离子源2的各种角度安装，较复杂的方法是第三移动装置6采用一支架61安装在真空室中的一弧形滑轨62上，如图3所示，离子源2安装在支架61上，通过弧形滑轨62，可以保证离子源与工件中心的距离，无论在哪一角度都始终保持基本一致，二是弧形滑轨上可以基本实现各种角度无极调整。

因此可以说，实现离子源的角度刻蚀，在确定了离子源的最佳射程l、工件的尺寸，以及刻蚀角度α之后，通过前后调整工件相对于离子源的距离，通过调整离子源角度，使工件位于离子束的最佳射程末端位置，离子束能够到达工件表面即可，那么就能保证工件从离子源前方经过时，其表面在该射程下被均匀刻蚀到。

伴随离子源的角度变换，离子源外接的水、电、气等设施都必须跟着移动，离子源变换的角度越多，在真空室腔壁上开设的外接口就越多，用以适应外接设施的安装。但鉴于工程实际，这往往不是最佳选择，一是因为开设的接口越多，对于真空室的密封性越难以保证；二是在真空室上开设多个接口是不可行的，对于无极调整角度更是不可能的；三是现有离子源外接设施都是硬质管道，离子源与其连接都是硬性连接，离子源移动，外接设施就必须跟着移动，这样调整的工程量太大，太麻烦。

因此，如果想实现离子源的多角度变换，在变换离子源安装位的同时，还可以在真空室外接装置8上增加柔性连接件，使得外接管道与离子源之间再有一定角度的调整范围，这样离子源就可以少变换几个位置，真空室就可以少设置几个安装接口，离子源的角度由外接装置上的柔性连接件来补偿。

如图4所示的一实施例中，该柔性连接件可以是波纹管，真空室外接装置8包括第一连接法兰81、第二连接法兰82、波纹管83，第一连接法兰81固定在真空室外壁上，第二连接法兰82连接外接管路，第一连接法兰81与第二连接法兰82之间连接一段波纹管83。这样当单压缩波纹管的一侧时，就能使外接管路改变一定的角度，离子束出射方向就发生一定变化。

下面具体的实施例，可以解决目前设备无法满足的60°角刻蚀的难题。

如图5～图8所示，该实施例的刻蚀工件长度大于400mm，选用的离子源设备的最佳射程大约是200mm，离子源的射出口径大约是60mm，离子源被安装在离子源支架上，受外接管路直径的限制(大于φ26)仅可以做大约30°范围的摆动，也就是说波纹管的压缩调整角度大约是30°，在真空室上设置的外接接口安装位有15°和45°两个安装位。根据离子源的最佳射程以及工件的大小限制，大于45°角的安装位可能会出现离子源碰撞移动的工件的情况，所以不能再大。

图5所示是安装接口在15°安装位可实现0°刻蚀的工作示意。如图所示，当安装接口向左前方朝向15°时，而如果压缩波纹管左侧，同时移动离子源，使离子源和外接管路同步向右摆过15°，便可使离子源向0°(15°-15°)方向射出离子束。当然，将安装接口直接设置为正对工件方向，是最简单的办法，此处只是为了说明角度可调整。

图6所示是安装接口在15°安装位可实现30°刻蚀的工作示意。如图所示，同样当安装接口向左前方朝向15°时，而如果压缩波纹管右侧，同时移动离子源，使离子源和外接管路同步再向左摆过15°，便可使离子源向左前方30°(15°+15°)方向射出离子束。

图7所示是安装接口在45°安装位可实现30°刻蚀的工作示意。如图所示，当安装接口向左前方朝向45°时，而如果压缩波纹管左侧，同时移动离子源，使离子源和外接管路同步向右摆过15°，则可使离子源向左前方30°(45°-15°)方向射出离子束。

图8所示是安装接口在45°安装位可实现60°刻蚀的工作示意。如图所示，当安装接口向左前方朝向45°时，而如果压缩波纹管左侧，同时移动离子源，使离子源和外接管路同步再向左摆过15°，则可使离子源向左前方60°(45°+15°)方向射出离子束。

以上实施例可以保证离子束与工件的0～60°任意入射角。以上实施例都是波纹管可以左右摆动15°的例子，在工程允许的情况下可以再调整。

由于工件是直线往复于离子束刻蚀区域运动，从时间积分上看，工件不同位置在刻蚀离子束不同刻蚀距离位置的总积分值相同，所以，刻蚀均匀性得到了保证。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。