超高真空精密四刀狹縫的結構原理及有限元分析
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(xiàn)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(yōu)于0.1μm、運動重復精度優(yōu)于2μm、刀口直線度優(yōu)于2.5μm、平行度優(yōu)于0.5mrad，可以精確實現(xiàn)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(wěn)定性，可滿足XIL光束線的使用要求，現(xiàn)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(huán)、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(fā)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(yōu)良的光束線。它是利用現(xiàn)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(jié)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(xù)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(xiàn)縫片的開合，采用數(shù)字電路與軟件實現(xiàn)其智能化，同時備有手動工作模式，具有非常高的精度和穩(wěn)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(wěn)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(huán)境中順利實現(xiàn)，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(tǒng)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(wěn)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(shù)�？p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。
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(shù)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(shù)大，熱膨脹系數(shù)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(shù)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(shù)如表1所示。
表1 縫片材料(HD18)參數(shù)
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(yōu)于0.1μm、運動重復精度優(yōu)于2μm、縫片刀口直線度優(yōu)于2.5μm、平行度優(yōu)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(fā)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。
