超高真空精密四刀狹縫的結構原理及有限元分析

真空基礎 高颯颯 長春光學精密機械及物理研究所

  針對上海光源X射線干涉光刻(XIL)光束線對狹縫精度的要求,提出了一種應用于超高真空的精密四刀狹縫機構及熱緩釋方案。給出了四刀狹縫機構的工作原理,其四個縫片獨立運動,采用線性驅動裝置及精密直線導軌來實現開合。根據XIL光束線的特點,設計了一種合理有效的熱緩釋方案,對縫片進行了熱-結構耦合分析。對狹縫的精度指標進行了測試。結果顯示:該四刀狹縫的分辨率優于0.1μm、運動重復精度優于2μm、刀口直線度優于2.5μm、平行度優于0.5mrad,可以精確實現狹縫在水平和垂直方向-5~250μm 的開度,縫片在熱負載下的最大熱變形控制在0.034μm。得到的結果表明,該精密四刀狹縫具有高的精度和穩定性,可滿足XIL光束線的使用要求,現已實際使用并制備出了100nm周期的刻蝕線結構。

1、引言

  上海光源(SSRF)是一臺高性能的第三代同步輻射裝置,以波蕩器和扭擺器插入裝置為特征,是我國迄今為止最大的科學裝置,被廣泛應用于基礎研究和應用研究領域。同步輻射裝置主要由儲存環、光束線和實驗站構成。光束線中需使用大量的精密狹縫,以限定光束張角、阻擋雜散光、提高能量分辨率。第三代同步輻射光源的高通量和良好的相干性為發展高分辨和高產出的X射線干涉光刻技術提供了物質基礎。X射線干涉光刻(XIL)分支線站是新研制的一條性能優良的光束線。它是利用現有的高亮度相干X射線,從軟X射線掃描顯微光束線波蕩器中引出一條分支光束線,構建成的X射線干涉光刻光束線站。在其入口距光源點26m處采用一個四刀狹縫來定義分支光束線的水平和垂直接收角,保證光束的空間相干性和光束質量,并且可根據需要調整開口的大小。

  通常情況下,狹縫寬度調節的傳動形式有螺旋、杠桿、楔形框、斜塊導軌和柔性鉸鏈式等,目前許多光譜儀都采用斜楔式狹縫機構。上海光源XIL光束線站對狹縫精度要求非常高,在-5~250μm連續可調,重復精度為2μm。本文采用一種精密四刀狹縫結構,4個縫片獨立運動,分別由4個線性驅動裝置控制,配合精密直線導軌來實現縫片的開合,采用數字電路與軟件實現其智能化,同時備有手動工作模式,具有非常高的精度和穩定性。作為光束線中的重要部件,狹縫的主要作用是限制光束口徑、提高能量分辨率、保護下游光學元件等。本文所設計的精密四刀狹縫的作用是定義二次光源,保證光束的空間相干性及光束質量,滿足實驗站的使用要求。對用于超高真空的狹縫來說,需解決高精度、高穩定性、高熱負載以及刀口的熱變形等幾個關鍵技術。

  狹縫本身的性能包括刀口的直線度、平行度和刀口運動的重復精度。為了保證上述性能在超高真空環境中順利實現,要求結構設計盡量簡單,以保證良好的真空性能;同時為避免由同步輻射光引起的刀口熱變形對狹縫性能的影響,需根據實際使用情況,采取合理的冷卻措施。本文著重介紹該狹縫的結構原理、熱載下的有限元分析及性能測試。

2、精密狹縫的結構原理及有限元分析

  為了滿足光學系統的分辨率和通量要求,狹縫的可在-5~250μm開啟,能在666.5×10-10Pa真空度下靈活運動。本文提出了一種用于超高真空的精密四刀狹縫,采用4刀結構,4個縫片分別由4個線性驅動裝置控制,具有非常高的精度和穩定性。

  2.1、狹縫的結構原理

  在設計縫片時,須考慮刀口邊緣對光斑的吸收,這決定所得光斑邊緣的模糊程度,通過計算可以得到縫片的設計參數。縫片的外形尺寸約為20mm×25mm×3mm,刀口的尺寸為8mm,其結構如圖1所示。

縫片的結構

圖1 縫片的結構

  由于縫片具有熱負載的要求,其材料必須具有低的熱脹系數和高的熱導率。本文設計的縫片采用鎢合金(HD18),以鎢為基體,導熱系數大,熱膨脹系數小,對射線的吸收能力強,易切削加工。在高熱負載下,HD18的溫度將會升高,當溫度升高到400℃時,其屈服強度由580MPa降低到380MPa。因此設計分析時需對其各項性能參數進行考慮,在高熱負載下盡可能降低其溫度,減小熱變形及支撐固定部位的應力集中。HD18的各項參數如表1所示。

表1 縫片材料(HD18)參數

縫片材料(HD18)參數

3、結論

  針對X射線干涉光刻光束線的要求,提出了一種應用于超高真空的精密四刀狹縫,詳細闡述了其縫片的結構設計及原理,運用有限元方法對縫片在熱載下的變形進行了熱-力耦合分析,最后,對其性能進行了了測試。結果表明,該四刀狹縫的運動分辨率優于0.1μm、運動重復精度優于2μm、縫片刀口直線度優于2.5μm、平行度優于0.5mrad,在熱負載下刀口的最大熱變形控制在0.034μm。目前,該精密四刀狹縫已完成線站安裝調試并成功投入使用,制備出100nm 周期的刻蝕線結構。XIL光束線關鍵設備的成功研制,將推進我國納米科技的發展,為我國納米器件制備、納米加工方面的研究提供了技術支持。