針對(duì)上海光源X射線干涉光刻(XIL)光束線對(duì)狹縫精度的要求，提出了一種應(yīng)用于超高真空的精密四刀狹縫機(jī)構(gòu)及熱緩釋方案。給出了四刀狹縫機(jī)構(gòu)的工作原理，其四個(gè)縫片獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，采用線性驅(qū)動(dòng)裝置及精密直線導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)開合。根據(jù)XIL光束線的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種合理有效的熱緩釋方案，對(duì)縫片進(jìn)行了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。對(duì)狹縫的精度指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示：該四刀狹縫的分辨率優(yōu)于0.1μm、運(yùn)動(dòng)重復(fù)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(shí)現(xiàn)狹縫在水平和垂直方向-5～250μm 的開度，縫片在熱負(fù)載下的最大熱變形控制在0.034μm。得到的結(jié)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(shí)際使用并制備出了100nm周期的刻蝕線結(jié)構(gòu)。

1、引言

　　上海光源(SSRF)是一臺(tái)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(xué)裝置，被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域。同步輻射裝置主要由儲(chǔ)存環(huán)、光束線和實(shí)驗(yàn)站構(gòu)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(chǎn)出的X射線干涉光刻技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。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(gòu)建成的X射線干涉光刻光束線站。在其入口距光源點(diǎn)26m處采用一個(gè)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(zhì)量，并且可根據(jù)需要調(diào)整開口的大小。

　　通常情況下，狹縫寬度調(diào)節(jié)的傳動(dòng)形式有螺旋、杠桿、楔形框、斜塊導(dǎo)軌和柔性鉸鏈?zhǔn)降龋�目前許多光譜儀都采用斜楔式狹縫機(jī)構(gòu)。上海光源XIL光束線站對(duì)狹縫精度要求非常高，在-5～250μm連續(xù)可調(diào)，重復(fù)精度為2μm。本文采用一種精密四刀狹縫結(jié)構(gòu)，4個(gè)縫片獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，分別由4個(gè)線性驅(qū)動(dòng)裝置控制，配合精密直線導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)縫片的開合，采用數(shù)字電路與軟件實(shí)現(xiàn)其智能化，同時(shí)備有手動(dòng)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(hù)下游光學(xué)元件等。本文所設(shè)計(jì)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(zhì)量，滿足實(shí)驗(yàn)站的使用要求。對(duì)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(fù)載以及刀口的熱變形等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　狹縫本身的性能包括刀口的直線度、平行度和刀口運(yùn)動(dòng)的重復(fù)精度。為了保證上述性能在超高真空環(huán)境中順利實(shí)現(xiàn)，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量簡單，以保證良好的真空性能;同時(shí)為避免由同步輻射光引起的刀口熱變形對(duì)狹縫性能的影響，需根據(jù)實(shí)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(jié)構(gòu)原理、熱載下的有限元分析及性能測(cè)試。

2、精密狹縫的結(jié)構(gòu)原理及有限元分析

　　為了滿足光學(xué)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(yùn)動(dòng)。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(jié)構(gòu)，4個(gè)縫片分別由4個(gè)線性驅(qū)動(dòng)裝置控制，具有非常高的精度和穩(wěn)定性。

　　2.1、狹縫的結(jié)構(gòu)原理

　　在設(shè)計(jì)縫片時(shí)，須考慮刀口邊緣對(duì)光斑的吸收，這決定所得光斑邊緣的模糊程度，通過計(jì)算可以得到縫片的設(shè)計(jì)參數(shù)。縫片的外形尺寸約為20mm×25mm×3mm，刀口的尺寸為8mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　縫片的結(jié)構(gòu)

　　由于縫片具有熱負(fù)載的要求，其材料必須具有低的熱脹系數(shù)和高的熱導(dǎo)率。本文設(shè)計(jì)的縫片采用鎢合金(HD18)，以鎢為基體，導(dǎo)熱系數(shù)大，熱膨脹系數(shù)小，對(duì)射線的吸收能力強(qiáng)，易切削加工。在高熱負(fù)載下，HD18的溫度將會(huì)升高，當(dāng)溫度升高到400℃時(shí)，其屈服強(qiáng)度由580MPa降低到380MPa。因此設(shè)計(jì)分析時(shí)需對(duì)其各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行考慮，在高熱負(fù)載下盡可能降低其溫度，減小熱變形及支撐固定部位的應(yīng)力集中。HD18的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1　縫片材料(HD18)參數(shù)

3、結(jié)論

　　針對(duì)X射線干涉光刻光束線的要求，提出了一種應(yīng)用于超高真空的精密四刀狹縫，詳細(xì)闡述了其縫片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及原理，運(yùn)用有限元方法對(duì)縫片在熱載下的變形進(jìn)行了熱-力耦合分析，最后，對(duì)其性能進(jìn)行了了測(cè)試。結(jié)果表明，該四刀狹縫的運(yùn)動(dòng)分辨率優(yōu)于0.1μm、運(yùn)動(dòng)重復(fù)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(fù)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(diào)試并成功投入使用，制備出100nm 周期的刻蝕線結(jié)構(gòu)。XIL光束線關(guān)鍵設(shè)備的成功研制，將推進(jìn)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(shù)支持。