超高真空精密四刀狭缝的结构原理及有限元分析

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　　针对上海光源X射线干涉光刻(XIL)光束线对狭缝精度的要求，提出了一种应用于超高真空的精密四刀狭缝机构及热缓释方案。给出了四刀狭缝机构的工作原理，其四个缝片独立运动，采用线性驱动装置及精密直线导轨来实现开合。根据XIL光束线的特点，设计了一种合理有效的热缓释方案，对缝片进行了热-结构耦合分析。对狭缝的精度指标进行了测试。结果显示：该四刀狭缝的分辨率优于0.1μm、运动重复精度优于2μm、刀口直线度优于2.5μm、平行度优于0.5mrad，可以精确实现狭缝在水平和垂直方向-5～250μm 的开度，缝片在热负载下的最大热变形控制在0.034μm。得到的结果表明，该精密四刀狭缝具有高的精度和稳定性，可满足XIL光束线的使用要求，现已实际使用并制备出了100nm周期的刻蚀线结构。
( ^8 `$ P1 Y: X; ?: ?4 s1、引言
　　上海光源(SSRF)是一台高性能的第三代同步辐射装置，以波荡器和扭摆器插入装置为特征，是我国迄今为止最大的科学装置，被广泛应用于基础研究和应用研究领域。同步辐射装置主要由储存环、光束线和实验站构成。光束线中需使用大量的精密狭缝，以限定光束张角、阻挡杂散光、提高能量分辨率。第三代同步辐射光源的高通量和良好的相干性为发展高分辨和高产出的X射线干涉光刻技术提供了物质基础。X射线干涉光刻(XIL)分支线站是新研制的一条性能优良的光束线。它是利用现有的高亮度相干X射线，从软X射线扫描显微光束线波荡器中引出一条分支光束线，构建成的X射线干涉光刻光束线站。在其入口距光源点26m处采用一个四刀狭缝来定义分支光束线的水平和垂直接收角，保证光束的空间相干性和光束质量，并且可根据需要调整开口的大小。
　　通常情况下，狭缝宽度调节的传动形式有螺旋、杠杆、楔形框、斜块导轨和柔性铰链式等，目前许多光谱仪都采用斜楔式狭缝机构。上海光源XIL光束线站对狭缝精度要求非常高，在-5～250μm连续可调，重复精度为2μm。本文采用一种精密四刀狭缝结构，4个缝片独立运动，分别由4个线性驱动装置控制，配合精密直线导轨来实现缝片的开合，采用数字电路与软件实现其智能化，同时备有手动工作模式，具有非常高的精度和稳定性。作为光束线中的重要部件，狭缝的主要作用是限制光束口径、提高能量分辨率、保护下游光学元件等。本文所设计的精密四刀狭缝的作用是定义二次光源，保证光束的空间相干性及光束质量，满足实验站的使用要求。对用于超高真空的狭缝来说，需解决高精度、高稳定性、高热负载以及刀口的热变形等几个关键技术。
1 i4 Z, j5 e2 L. E) g　　狭缝本身的性能包括刀口的直线度、平行度和刀口运动的重复精度。为了保证上述性能在超高真空环境中顺利实现，要求结构设计尽量简单，以保证良好的真空性能;同时为避免由同步辐射光引起的刀口热变形对狭缝性能的影响，需根据实际使用情况，采取合理的冷却措施。本文着重介绍该狭缝的结构原理、热载下的有限元分析及性能测试。
. Q% |1 v" ?& \- L, a( r' R1 _2、精密狭缝的结构原理及有限元分析
　　为了满足光学系统的分辨率和通量要求，狭缝的可在-5～250μm开启，能在666.5×10-10Pa真空度下灵活运动。本文提出了一种用于超高真空的精密四刀狭缝，采用4刀结构，4个缝片分别由4个线性驱动装置控制，具有非常高的精度和稳定性。
　　2.1、狭缝的结构原理
; T# X$ Z' r5 b0 F" U& x; u　　在设计缝片时，须考虑刀口边缘对光斑的吸收，这决定所得光斑边缘的模糊程度，通过计算可以得到缝片的设计参数。缝片的外形尺寸约为20mm×25mm×3mm，刀口的尺寸为8mm，其结构如图1所示。
( S5 v+ B& ?5 X' I" m) s
/ b0 V3 R" n& `1 d图1　缝片的结构
, ]9 H) p  `2 M　　由于缝片具有热负载的要求，其材料必须具有低的热胀系数和高的热导率。本文设计的缝片采用钨合金(HD18)，以钨为基体，导热系数大，热膨胀系数小，对射线的吸收能力强，易切削加工。在高热负载下，HD18的温度将会升高，当温度升高到400℃时，其屈服强度由580MPa降低到380MPa。因此设计分析时需对其各项性能参数进行考虑，在高热负载下尽可能降低其温度，减小热变形及支撑固定部位的应力集中。HD18的各项参数如表1所示。
, y6 p# ^! ]0 H& W: ]表1　缝片材料(HD18)参数

$ D+ I+ y( x+ B' l/ `; N3、结论
　　针对X射线干涉光刻光束线的要求，提出了一种应用于超高真空的精密四刀狭缝，详细阐述了其缝片的结构设计及原理，运用有限元方法对缝片在热载下的变形进行了热-力耦合分析，最后，对其性能进行了了测试。结果表明，该四刀狭缝的运动分辨率优于0.1μm、运动重复精度优于2μm、缝片刀口直线度优于2.5μm、平行度优于0.5mrad，在热负载下刀口的最大热变形控制在0.034μm。目前，该精密四刀狭缝已完成线站安装调试并成功投入使用，制备出100nm 周期的刻蚀线结构。XIL光束线关键设备的成功研制，将推进我国纳米科技的发展，为我国纳米器件制备、纳米加工方面的研究提供了技术支持。