离子束抛光在微电子封装失效分析领域的应用

首先,以具体微电子封装失效机理和失效模式研究的应用为落脚点,较为全面地介绍了离子束抛光的工作原理、样品参数选择依据;然后,利用离子束抛光系统对典型的封装互连结构进行抛光,结合材料和离子束刻蚀理论进行参数探索;最后,对尺寸测量、成分分布和相结构等信息进行观察和分析,为离子束抛光系统在微电子封装破坏性物理分析和失效分析中的应用提供了指导。

离子束抛光加工矩形离轴非球面镜

采用一种简单的方法使用线性三轴离子束系统实现了矩形离轴非球面镜的抛光加工。根据离子束材料去除机理,分析了去除函数的法向材料去除特性,并且以去除函数束径、峰值去除速率和体积去除速率为指标,评价了入射角的小扰动鲁棒性。利用相关的分析和实验结果,对矩形离轴镜的抛光加工进行了合理的简化,并在自行研制的离子束抛光机床上进行了修形试验,经过多次迭代加工后,总计用时584min,其面形精度均方根误差RMS由初始的0.295λ,提高到0.046λ,收敛率达到了6.4。实验结果表明,利用离子束抛光独特的材料去除特性,能够有效地改善面形精度,可以对非球面镜进行高效高精度修形。

三轴离子束抛光系统驻留时间算法

在光学离子束抛光工艺中,驻留时间求解是一个关键问题。多数驻留时间求解算法要求离子束在工件表面的材料去除速率在加工过程中保持不变。然而,离子束在工件表面的材料去除速率与离子束入射角度有关。为此,在加工曲面工件时,通常采用精密五轴联动运动平台对离子源的运动及姿态进行实时控制,使得在加工曲面工件时离子束相对工件表面的入射角度始终保持不变,从而保证去除函数在整个离子束抛光过程中保持不变。提出了一种基于仿真加工的迭代驻留时间求解算法,在求解驻留时间的过程中考虑到入射角度带来的去除速率变化,从而使得在离子束抛光系统中只需采用三轴运动控制平台对离子源的运动进行控制,而不再需要对离子源的姿态进行实时控制。入射角度与去除速率曲线可以事先通过实验测得。与五轴运动平台相比,三轴平台更稳定、经济且易于控制。仿真结果表明,算法在三轴离子束抛光系统中具有较好的适用性。

基于离子束抛光的KDP晶体表面嵌入铁粉清洗研究

磁流变抛光技术是实现KDP晶体超精密加工的新方法,但磁流变液中的铁粉容易嵌入质软的KDP晶体表面。本文提出了利用基于低能离子溅射原理的离子束抛光技术去除KDP表面嵌入的铁粉。利用红外拉曼光谱和白光干涉仪分别分析了低能离子束抛光前后KDP晶体表面物质结构变化和表面粗糙度的变化;结果显示,低能离子束溅射不改变KDP晶体表面的组成结构,并改善了KDP晶体表面质量,因此离子束抛光可用于KDP晶体的加工;利用飞行时间二次离子质谱分析技术分别对单点金刚石车削、磁流变抛光和低能离子束抛光后的KDP晶体表面进行元素分析,结果显示低能离子束抛光可有效去除磁流变抛光在KDP晶体表面嵌入的铁粉。

光学元件表面离子束抛光过程边缘效应抑制

目的为解决光学元件表面进行离子束抛光加工过程中存在边缘效应的问题。方法采用将驻留时间网格在面形采样网格的基础上进行延拓的方法来抑制边缘效应的产生,即将驻留点的网格范围向外进行延拓,使元件边缘部分的采样点中有去除作用的驻留点的数量与中间部分相同,延拓距离大于离子束半径。使用截断奇异值方法求解线性方程组模型的驻留时间,分析仿真结果中边缘效应出现的原因。结果当驻留时间采用和面形误差同样的网格划分时,残留面形不收敛,且发生严重的边缘效应。当取截断参数k=80时,其面形PV值由初始的104.489 nm下降到11.675 nm,RMS值由28.009 nm收敛到1.572 nm,且没有边缘效应的产生。采用上述模拟结果作为实验设定参数,在平面光学元件上进行离子束抛光实验研究,抛光前后,PV值由102 nm降为37 nm,RMS由23 nm降为2 nm。结论实验结果验证了模拟结果的有效性,使用驻留时间网格延拓的方法可以避免边缘效应的产生,在此基础上进行离子束抛光,光学元件面形PV及粗糙度达到了非常好的收敛效果。

离子束抛光热效应研究

离子束加工时工件温升较高,由此会产生热应力和热变形,影响加工精度。基于实际抛光测试了离子束加工过程中工件表面温度场分布,利用ANSYS软件对工件热变形进行了仿真分析,采用均匀抛光的方法研究了热应力和热变形对工件面形精度的影响。研究结果显示:离子束抛光过程中工件的温度可能会升至200℃,工件总变形量最大可达30μm;工件装夹应力是热变形能否恢复的关键,当工件装夹应力较小时,热变形对加工精度影响很小。

离子束抛光硅片纳米级微观形貌的原子力显微镜研究

本文报道了用原子力显微镜（ＡＦＭ）研究多种Ａｒ￣＋离子抛光参数Ｓｉ（ｌｌｌ）表面的微观粗糙度和三维微观形貌特征，发现用离子束抛光方法可以显著地改善硅片表面的微观粗糙度，抛光效果与离子束能量、束流强度、抛光时间和束流入射角度等有关。用４００ｅＶ离子能量、１００ｍＡ束流强度、６０°入射角离子束照射２小时后再改用３５０ｅＶ、８０ｍＡ束流强度以同样入射角照射２小时的样品，在１μｍ×１μｍ范围表面微观粗糙度（ＲＭＳ）值可达到０．３ｎｍ左右。而当小入射角（＜２０°）照射时抛光效果很差，其表面明显地呈现出直径约几十到几百ｎｍ凹坑的蜂巢状形貌特征。

硅的离子束抛光技术研究

介绍了用离子束抛光法获得硅的超光滑表面的方法，并给出了不同抛光条件下表面粗糙度的原子力显微镜（AFM）测量结果，其中最好的表面粗糙度达0.12nm（有效值）。

离子束抛光工艺中驻留时间的综合算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。通常求解驻留时间的时候,是用理想的高斯函数来近似实际的加工函数。如果使用实际的加工函数仿真加工,加工的效果不好。运用系数法和消去法的综合算法来提高采用实际加工函数仿真加工镜面面型的精度,首先多次用系数法得到比较理想且平滑的镜面面型,然后再用消去法精修面型。这种算法运算速度快,得到的面型精度高且较平滑。对这种综合算法进行仿真分析,比较了理想高斯函数与实际加工函数加工后的差别,同时比较了运用消去算法与综合算法得到的镜面面型,PV值由83.63nm减小到46.92nm,镜面精度提高了很多。

超光滑表面的离子束抛光与微观形貌检测

本文介绍了利用离子束抛光方法获得石英和单晶硅两种材料的超光滑表面，利用原子力显微镜（ＡＦＭ）进行该类表面微观形貌的测试工作。这种加工和测试可以在纳米尺度上进行。在合适的工艺参数条件下，我们已能获得微观形貌小于１ｎｍ（ｒｍｓ）的超光滑表面。

融石英光学材料离子束抛光去除特性研究

为研究融石英光学材料表面离子束抛光的去除特性,在分析法拉第扫描的离子束电流密度分布参数与去除函数间关系的基础上,建立基于法拉第扫描的离子束抛光去除函数模型。采用等间距采集数据进行法拉第扫描试验,对采样数据进行高斯拟合,得到离子束电流密度分布。对法拉第扫描方法和线扫描方法对比分析研究。结果表明:基于法拉第扫描对融石英材料进行离子束抛光方法,可缩短离线计算去除函数时间,提高抛光效率;去除函数峰值的去除率Rmax和法拉第扫描的电流密度峰值Jmax间的关系Rmax=1.5962Jmax。

离子束抛光工艺中驻留时间的分步消去算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。求解驻留时间是利用离子束加工函数和驻留时间的卷积等于镜面去除量的关系,而离子束抛光的过程就是一个执行解卷积的过程。受此启发,采用一种分步消去算法解矩阵的卷积运算。这种新算法占用计算机资源少,运算速度快,同时可以根据预先设定的加工精度算得满足要求的驻留时间函数。对这种新算法进行仿真分析,采用3种不同的消去顺序分步加工,得到了理想的仿真结果,PV值由抛光前的363.721 nm分别减小到6.136 nm、33.347 nm、3.875 nm,抛光后的镜面精度提高了很多。

航天相机非球面光学元件的离子束抛光工艺研究

介绍了某型号航天相机中一块Φ305mm大相对孔径(F#1.3)二次凸非球面反射镜的离子束抛光工艺方法。通过去除函数长时间稳定性分析实验,确认了RF60和RF40两种规格的离子源工艺参数,其所产生的去除函数的PV峰值去除率稳定性分别为3.71%和4.5%。对低入口面形精度的凸非球面反射镜,经过三轮离子束抛光,其面形精度从初始的PV=1.302λ、RMS=0.201λ提高至PV=0.157λ、RMS=0.013λ,满足了型号设计要求。

极坐标系统下进行直角坐标扫描的离子束抛光

在离子束抛光设备研制过程中,离子源扫描运动方式的选择是很关键的,一般分为直角坐标方式扫描和极坐标方式扫描两种。根据两种扫描方式的特点,在极坐标系统下进行直角坐标扫描方式加工。该种方法采用直角坐标扫描方式下的驻留时间计算,算法相对简单。该种方法在极坐标系统下进行加工,同等情况下可加工圆形镜面的口径比直角坐标系统下更大些;而且离子源的可移动区域是一条直线,其余地方可以摆放其他设备,空间利用率较高。对这种新思路进行仿真分析,证实了其具有可行性。

离子束抛光高陡度离轴非球面的去除函数修正

研究了三轴离子束系统抛光大口径高陡度离轴非球面过程中镜面曲率变化对离子束抛光去除函数的影响。提出了利用修正矩阵修正各驻留点处的去除函数信息,进而实现对高陡度离轴非球面高精度抛光的方法。该方法通过对离轴非球面进行坐标转换来降低陡度变化对去除函数的影响;基于Sigmund溅射理论分析离子束抛光非球面材料的去除率,建立离子束抛光非球面去除函数模型,计算了材料去除率在非球面各驻留点处的变化。最后,根据投影原理计算在各驻留点处去除函数的半宽,得到以驻留点矩阵为基础的去除函数修正矩阵,从而掌握每一个驻留点处的去除函数信息,然后根据计算机控制光学表面成形(CCOS)原理解得加工驻留时间分布。选取口径为900mm×680mm,离轴量为350mm的离轴体育场型非球面镜进行了抛光实验,实验显示抛光后非球面镜面形精度的RMS值由32.041nm达到11.566nm,收敛率达2.77,对实际加工具有指导意义。

离子束抛光去除函数计算与抛光实验

由于传统的离子抛光工艺采用的确定去除函数的方法操作复杂且成本很高,本文提出了利用法拉第杯对离子束流空间分布进行测量、标定的方法,并计算得到不同离子源工作参数对应的去除函数。首先,基于离子束抛光材料去除原理,研究了离子束抛光过程中束流分布与能量对去除函数的影响,并提出简化的离子束抛光去除函数模型。然后,设计实验并得出离子束流空间分布与去除函数相关参数间的关系,计算得到了不同离子源工作参数产生的离子束流对应的去除函数。对硅和融石英玻璃的相关实验表明:利用法拉第杯扫描结果计算相同材料的去除函数的单位时间体积去除率与实际测量值误差小于2%。结合抛光实验,对Φ800mm碳化硅表面硅改性层平面镜进行抛光,得到的初始面形误差均方根(RMS)值为57.886nm,两次抛光后RMS值为11.837nm,收敛率达到4.89,满足精密光学加工对去除函数的确定性及精度的要求,并大大提升了确定去除函数的效率。

ZnS离子束抛光过程中的粗糙度演变

为了得到离子束抛光ZnS的工艺参数,采用微波离子源作为抛光源,分析了离子束能量、离子束流大小、离子束入射角度对ZnS刻蚀速率及表面粗糙度的影响,比较了ZnS刻蚀速率及表面粗糙度的变化趋势.研究结果表明:当离子束能量为400eV、离子束流大小为35mA、入射角度为45°时,ZnS表面粗糙度降低了0.23nm.

离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解

针对光学元件高精度确定性加工,提出并实现了基于自适应步长算法实现离子束抛光轨迹段划分及进给速度求解。首先,对常规的等步长算法实现抛光轨迹段划分所存在的诸多问题进行了重点分析。其次,针对这些问题,提出了等效驻留时间轮廓计算方法及自适应步长算法,有效地避免了等步长法所存在的问题。然后,采用新算法对600mm平面反射元件进行了实例计算,经加工后,元件98%口径内的面形精度峰谷(PV)值由110.22nm(λ/5.7,λ=632.8nm)收敛至4.81nm(λ/131.6)。最后,基于自研的离子束抛光设备,实现了光学元件在100mm口径内面形PV值小λ/70的超高面形精度。

熔石英表面离子束抛光去除函数稳定性研究

目的检验熔石英光学元件表面离子束抛光过程中去除函数的稳定性。方法对离子束进行法拉第扫描来获取束流密度信息,构建离子束抛光去除函数模型。分析离子束流密度信息与去除函数模型,并通过实验研究束流密度信息与去除函数之间的关系,获得基于法拉第扫描结果计算去除函数的方法。利用该方法求取离子束抛光过程中的去除函数特征量,分析去除函数特征量随时间的波动情况以此来判断去除函数的稳定性,并对熔石英元件表面进行离子束抛光实验。结果在1 keV离子束能量下对离子源进行长时间的运行实验,利用上述方法计算实验过程中的去除函数。通过计算得到离子束抛光过程中去除函数的峰值去除率(P_(max))、体积去除率(V)和半高全宽(FWHM)在8 h内的变化率都小于3%。利用离子束抛光实验对Φ100 mm的熔石英光学元件进行抛光,抛光后面形PV值由0.78λ下降到0.16λ,RMS值由72.39 nm下降到16.64 nm。结论通过法拉第扫描实现了对去除函数长时间的监测,去除函数特征量在长时间测试实验中有着很好的稳定性,并对熔石英元件表面进行离子束加工,加工后元件表面参数满足光学超精密加工的要求。

基于Clean算法的离子束抛光技术的驻留时间求法

离子束抛光技术的关键在于对驻留时间进行求解,通常通过反卷积运算来完成。这在理论上可以实现,但是当需要加工量很小或趋于零时,加工时间就变为无穷大,此时变成一个病态问题。因此驻留时间的求解变得困难,出现的奇异值使加工难以实现。以Clean算法为基础提出了天文望远镜离子束抛光技术中对驻留时间求解的一种新的有效方法,并通过拟合来处理数据,理论上可以实现任何精度。更好地方便计算机控制的实现,为加工提供了基础。仿真结果表明,此方法所求驻留时间符合天文光学镜面离子束抛光技术的要求。