原子级表面及结构的梯度加工系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种原子级表面及结构的梯度加工系统及方法，系统沿光路依次设置有：能量调节器、光束整形模块、光栅分束模块，用于将加工光束分束为适合各精度等级加工所需辐照能量密度的光束；光阑，用于限制进入后续加工系统的衍射光束；光开关，用于控制加工光束是否出光；光束聚焦模块，用于聚焦光束。加工方法包括：固定光栅，移动工件进行不同精度加工；或固定工件，调整光栅实现不同精度的原位加工。本发明专利技术实现了跨尺度微米级、纳米级和原子级的材料去除，加工系统集成度高，避免了多种加工方法与设备带来的衔接问题和重复定位困难；利用高光子能量的电离效应以及超短脉冲对材料的精细调控，有效降低最终表面的晶格损伤、提高加工精度。加工精度。加工精度。

【技术实现步骤摘要】
原子级表面及结构的梯度加工系统及方法


[0001]本专利技术属于精密、超精密、原子及近原子尺度制造领域，尤其是一种原子级表面及结构的梯度加工系统及方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术及各领域的快速发展，量子芯片、光子芯片及生物芯片等重要核心器件制造对表面质量和加工精度提出了越来越高的要求，甚至需要实现原子级平坦表面及结构。在已有的减材制造技术中，超精密金刚石加工技术可达到微纳米级加工精度，超精密研磨或抛光技术可实现纳米级或亚纳米级表面粗糙度。离子束加工、电子束加工及极紫外(EUV)光刻技术可达到纳米级材料去除和结构图形精度，但无法实现原子层量级可控的材料去除，高能粒子轰击环节会破坏表层原子排列、引起晶格损伤、改变材料表面微观性能。目前，芯片制造主要采用EUV光刻技术，特征尺寸已突破3nm，进一步提升芯片的晶体管密度和性能便进入原子及近原子尺度(ACS)。原子级表面在极端条件应用中也至关重要，比如在激光核聚变系统中存在大量光学镜片，现有加工技术引入的材料损伤会严重降低元件的损伤阈值从而导致制造成本高昂的光学元件快速失效，造成巨大的经济损失。因此，原子及近原子尺度制造(ACSM)技术的研究已迫在眉睫。
[0003]原子层刻蚀技术(ALE)可通过自限性化学反应进行原子层量级去除，达到原子级表面粗糙度，但存在去除速率低、选择性损失、净沉积和自发刻蚀等问题。基于原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)和扫描探针显微镜(SPM)可操纵单个原子，用于原子级结构制备和掺杂，但极低的工作效率目前还不适合用于生产实际。
[0004]生产过程中，原材料需历经粗加工(微米到亚微米级精度)、半精加工(纳米到亚纳米级精度)、精加工(原子到近原子级精度)环节，多种复杂工艺流程和设备切换、不同工序加工表面的定位和对准等问题都是影响加工结果与效率的重要因素。如何实现跨尺度精度等级演进与最终的原子及近原子级表面质量和结构图形精度是ACSM亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种原子级表面及结构的梯度加工方法，实现了跨尺度精度等级演进与最终的原子及近原子级表面质量和结构图形精度。
[0006]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：
[0007]本专利技术利用光栅不同衍射级对短波长超短脉冲光调控能量强弱，利用不同级次的能量梯度实现粗加工(微米到亚微米级精度)、半精加工(纳米到亚纳米级精度)与精加工(原子到近原子级精度)的跨尺度集成，最终获得原子级表面和结构。
[0008]短波长超快脉冲光具有单光子能量高、作用时间短的特点。通过精确控制辐照强度和脉冲数目可以实现不同程度的材料去除量与加工精度。采用大辐照强度与多脉冲，加工进行微米级材料烧蚀；随着辐照强度降低至烧蚀阈值以下，以及脉冲数目的减小，可发挥
短波长相比传统波段所具有的高光子能量优势，最大程度减小热效应、抑制材料表面的缺陷损伤，实现单层或几层原子的去除。
[0009]本专利技术短波长超短脉冲光指的是从软X射线/极紫外到紫外的纳秒及时间更短的脉冲光源，波长范围为10
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380nm。200
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380nm的紫外波段采用固体紫外激光器、气体紫外激光器、半导体紫外激光器等，10
‑
200nm真空紫外波段采用极紫外毛细管放电激光、高次谐波源以及自由电子激光器。
[0010]为减小精加工时产生的热效应，应尽可能使单光子能量高于材料表层原子平均化学键能。设工件材料表面原子平均化学键能ε，则所采用的波长上限为：
[0011][0012]其中h为普朗克常量，c为真空光速。
[0013]光栅包括多层膜反射光栅、透射光栅、闪耀透射光栅等。本专利技术根据波长、单脉冲能量以及待加工材料各精度等级加工所需辐照能量密度等加工参数设计光栅，包括材料、入射角、光栅周期、占空比、光栅槽深等参数，并计算各级衍射效率。当光源波长远小于设计光栅周期且加工表面距离光栅足够远时，采用标量衍射理论计算各级衍射效率，并根据加工参数优化光栅得到最适合的光栅设计参数；当光源波长和设计光栅周期相当且光栅厚度不可忽略时，采用矢量衍射理论计算各级衍射效率并优化光栅参数，如严格矢量耦合波法、时域有限差分法、有限元法等。当光源波长足够小时，光栅制造过程中引起的粗糙度及形状误差对衍射效率的影响不可忽略，采用矢量衍射理论构建包含粗糙度及形状误差的模型并修正衍射效率。根据各级衍射效率确定粗、半精、精加工的光栅衍射级次。
[0014]本专利技术的第一方面是提供了一种基于光栅分束的短波长超短脉冲光加工系统，包括：
[0015]能量调节器，用于调节入射到加工系统的初始能量，确保入射到光栅表面的能量满足光栅衍射需求且不损伤光栅。
[0016]光束整形模块，用于调整入射到加工系统的光斑形貌和大小，提高入射到光栅表面的光斑质量。
[0017]光栅分束模块，包括光栅和分束镜，用于将加工光束分束为适合各精度等级加工所需辐照能量密度的光束。
[0018]光斑形貌及能量监测模块，用于实时监测加工光斑状态。
[0019]光阑，用于限制进入后续加工系统的衍射光束，避免不需要的光栅衍射级次影响加工质量。
[0020]光开关，用于控制加工光束是否出光。
[0021]光束聚焦模块，用于聚焦光束，缩小光斑以满足加工尺寸需求。
[0022]加工精度检测模块，用于检测加工后的表面质量和结构图形精度。
[0023]高精度位移平台，用于传送工件至不同精度加工束线并保证加工对准精度。
[0024]本专利技术的第二方面是提供了基于上述加工系统的两种加工方法。
[0025]第一种加工方法：固定光栅，移动工件进行不同精度加工。
[0026]第二种加工方法：固定工件，调整光栅实现不同精度的原位加工。
[0027]根据不同加工方法确定粗、半精及精加工工艺流程并进行加工，在每一个精度等
级的加工工序结束后，需要对工件表面进行检测，评估合格后进入更高精度等级的加工阶段。
[0028]在加工之前还需要对材料进行预处理，获得微米级初始表面。可以采用超精密加工、抛光等工艺，微米级表面指粗糙度与晶格变形层厚度处于0.1～1μm范围内。预处理目的在于降低前期工序对材料的影响。采用掩模加工时，根据边缘效应可否忽略选择非接触式掩模和接触式掩模。
[0029]采用直写或掩模技术来实现原子级表面与结构的加工。通过计算机程序控制光开关开闭、高精度位移平台运动以及加工精度检测模块自动检测工件。
[0030]自动控制程序包括触发位移台移动条件和移动量、光开关开闭条件及持续时间、加工精度检测模块自动检测条件及数据反馈以及这三个部分的协同控制。
[0031]在粗加工、半精加工和精加工的每一道工序结束后，对工件表面质量和形状精度进行检测，检测合格后再进行下一步工序。
[0032]采用方法一进行加工，高精度位移平台先将待加工样品移至已标定的0级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
对样品进行精加工及在线检测，合格后高精度位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：房丰洲，吴珊，王金石，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：