ZnS離子束拋光過程中的粗糙度演變＊

武 磊，劉衛(wèi)國(guó)，蔡長(zhǎng)龍，陳智利，周 順，郭 延

（西安工業(yè)大學(xué) 光電微系統(tǒng)研究所，西安710021）

ZnS作為寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，屬于直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，與GaAs、ZnSe等半導(dǎo)體材料相比，具有機(jī)械強(qiáng)度高、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)；作為一種典型的紅外光學(xué)材料，ZnS在3～5μm和8～12μm波段具有較高的紅外透過率，并且具有優(yōu)良的光、機(jī)、熱學(xué)綜合性能，是可見光和中波或長(zhǎng)波紅外傳感器成像光學(xué)系統(tǒng)材料的理想選擇［1］．因此用ZnS制作的光學(xué)元件具有廣闊的應(yīng)用前景．

隨著微電子技術(shù)、激光技術(shù)、空間應(yīng)用技術(shù)和能源開發(fā)技術(shù)的高速發(fā)展，高精度光學(xué)元件向著陣列化及大口徑化的方向發(fā)展。這樣的趨勢(shì)對(duì)ZnS光學(xué)元件的表面精度要求也越來越高，通常需要達(dá)到納米級(jí)甚至原子級(jí)．目前對(duì)于光學(xué)元件表面加工的方式主要有干法刻蝕加工、濕法刻蝕加工和古典加工方法，文獻(xiàn)［2］分析了真空等離子體拋光方式對(duì)?25mm熔石英表面粗糙度的影響，獲得最小表面粗糙度為0．89nm．文獻(xiàn)［3］采用磁流變拋光方法，通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度的方式最終使初始表面粗糙（Ra）為400nm的K9玻璃表面粗糙度降低到0．86nm．文獻(xiàn)［4］研究了大氣等離子體技術(shù)在表面加工中的應(yīng)用，使熔石英的峰值去除速率可達(dá)到82．9μm·min-1．對(duì)于ZnS表面加工工藝研究，許多科研機(jī)構(gòu)都對(duì)做了一些報(bào)道．文獻(xiàn)［5］采用磁流變拋光對(duì)CVD沉積的ZnS進(jìn)行拋光工藝研究，在合適的參數(shù)下得到的表面粗糙度為2nm，而鐵粉作為磁流變拋光液流變性能的基礎(chǔ)，在拋光過程中不可避免的會(huì)嵌入或者損傷ZnS光學(xué)元件的表面，影響其性能．文獻(xiàn)［6］對(duì)CVD沉積的ZnS用化學(xué)機(jī)械拋光法進(jìn)行拋光工藝研究，經(jīng)Zygo干涉儀測(cè)量后的表面粗糙度最小可達(dá)1nm左右，但該方法由于機(jī)械摩擦作用的存在，很容易在光學(xué)元件表面產(chǎn)生劃痕和內(nèi)應(yīng)力等．文獻(xiàn)［7］采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer，ICP）工藝研究CVD沉積ZnS，得到較高的刻蝕速率，其表面最小粗糙度為6．3nm．

為了消除拋光過程中由于接觸或者準(zhǔn)接觸造成的損傷，本文采用非接觸式的離子束拋光方法對(duì)ZnS光學(xué)元件進(jìn)行刻蝕拋光研究，拋光過程中不存在接觸應(yīng)力和應(yīng)變．基于原子濺射效應(yīng)，離子束拋光過程中材料的去除量可以控制到原子量級(jí)，使表面達(dá)到很高的拋光精度．晶片表面的材料去除函數(shù)穩(wěn)定，中心和邊緣的去除量一樣，不會(huì)存在邊緣效應(yīng)，離子束拋光確定性高，面形收斂快．

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)采用自主研制并配備微波離子源的離子束刻蝕機(jī)，如圖1所示．微波離子源可以提供穩(wěn)定、離子能量低、密度大的離子束．離子束拋光的工作原理是利用具有一定能量的惰性氣體離子束流轟擊工件表面，通過能量和動(dòng)量的傳遞，在離子束對(duì)樣片進(jìn)行均勻刻蝕的同時(shí)降低樣片的表面粗糙度．其工作過程如下：把工作氣體（惰性氣體、氮?dú)獾龋┮胝婵帐抑?，采用放電或高頻電磁振蕩等方法對(duì)刻蝕氣體進(jìn)行電離，形成等離子體；在磁場(chǎng)的作用下電離中的正性離子會(huì)被聚焦成一細(xì)束，并在電場(chǎng)的作用下被加速而獲得高能量；高能量正性離子細(xì)束轟擊放置在高真空室里的工件表面；當(dāng)離子束與基底表面接觸發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)將本身的動(dòng)量和能量傳遞給工件表面原子，促使一部分原子被剝離工件表面，形成對(duì)工件表面材料的去除并實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的刻蝕拋光．離子束刻蝕拋光是基于原子的濺射理論，并且離子束對(duì)基片損傷小，刻蝕速率快．由于離子束刻蝕對(duì)材料沒有選擇性，刻蝕速率主要與離子束能量、離子束電流以及離子束入射角度有關(guān)［8-9］．通過分析各個(gè)因素對(duì)ZnS刻蝕速率和表面粗糙度的影響，給出使用該設(shè)備刻蝕拋光ZnS的最佳工藝參數(shù)．

圖1 離子束刻蝕拋光設(shè)備Fig．1 Ion beam etching and polishing equipment

實(shí)驗(yàn)選用50mm×5mm的CVD沉積ZnS晶片為基片，初始的ZnS晶片表面經(jīng)過計(jì)算機(jī)輔助單 點(diǎn) 金 剛 石 車 削 技 術(shù) （Simple Point Diamond Turning，SPDT）的加工，如圖2所示．

圖2 ZnS樣片F(xiàn)ig．2 The sample of ZnS

在刻蝕拋光之前，需要對(duì)ZnS晶片進(jìn)行清洗，提高其表面的清潔度，并用正性光刻膠作為掩膜制作合適的臺(tái)階，然后對(duì)ZnS晶片進(jìn)行離子束刻蝕拋光實(shí)驗(yàn)．在ZnS晶片加工完成后，清洗掉用于制作臺(tái)階的光刻膠找到臺(tái)階，用刻蝕深度與刻蝕時(shí)間的比來表征刻蝕速率，表面粗糙度Sq表征加工后的元件表面質(zhì)量．樣片表面粗糙度和刻蝕深度均采用Taylor Surf CCI2000非接觸式表面測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，最后結(jié)果是進(jìn)行多次測(cè)量之后的平均值．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)ZnS晶片的初始表面形貌進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示．由圖3可知樣片表面的初始表面粗糙度為2．07nm，從ZnS晶片表面三維形貌能夠觀察到明顯的刀痕切削的痕跡，刀痕的分布比較規(guī)則，實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕菍⑵涞逗圻M(jìn)行二次拋光，進(jìn)而獲得超光滑表面．

圖3 用 Taylor Surf CCI 2000白光干涉儀測(cè)得ZnS初始表面粗糙度及輪廓圖Fig．3 Initial surface roughness and contour map of ZnS measured by Taylor Surf CCI 2000 white light interferometer

晶片的表面清潔程度會(huì)直接影響到拋光后表面的粗糙度，因此加工前需要對(duì)ZnS晶片進(jìn)行清洗，步驟如下：用丙酮超聲清洗15min后，然后用無水乙醇超聲清洗10min，再用去離子水超聲清洗6min，最后用高純氮?dú)獍丫砻娲蹈桑?/p>

2．1 離子束能量對(duì)ZnS刻蝕速率及表面粗糙度的影響

刻蝕速率直接與轟擊基片的離子束能量有關(guān)．固定離子束流大小為30mA，離子束入射角度為45°，刻蝕時(shí)間1h．分別采用離子束能量200eV、300eV、400eV、450eV、600eV、750eV 對(duì) ZnS晶片進(jìn)行刻蝕拋光，圖4繪制出了不同離子束能量下刻蝕速率的變化曲線．圖5繪制出了不同離子束能量下ZnS表面粗糙度Sq差值ΔSq的變化曲線．

由圖4可以看出，隨著離子束能量的增加，刻蝕速率不斷增大．這是因?yàn)楫?dāng)離子轟擊到晶片表面上時(shí)，隨著離子束能量的增大單位時(shí)間內(nèi)傳遞到晶片表面原子上的能量增大，會(huì)加快晶片表面材料原子的去除，但過大的離子束能量會(huì)對(duì)晶片表面造成一定的損傷．為了避免或者盡可能的減少離子束轟擊基片時(shí)造成的損傷，離子束能量選擇不能過大，由圖4中可以看出當(dāng)離子束能量大于400eV時(shí)，刻蝕速率增大較快，意味著材料表層原子受到作用力不斷增強(qiáng)，很容易造成晶片表面損傷，所以需要控制離子束能量不大于400eV．

圖4 刻蝕速率與離子束能量間關(guān)系Relationship between etching rate and ion beam energy

圖5 ΔSq與離子束能量間關(guān)系Fig．5 Relationship betweenΔSqand ion beam energy

離子轟擊過程中由于能量傳遞的影響，材料表層原子還會(huì)發(fā)生流動(dòng)現(xiàn)象．表面粗糙度的變化就是由物理濺射和表面流動(dòng)這兩種物理現(xiàn)象所產(chǎn)生的綜合作用．通常情況下物理濺射會(huì)增加樣片表面粗糙程度，而表面原子流動(dòng)則能夠減小表面粗糙程度．當(dāng)被碰撞原子獲得的能量大于表面束縛能時(shí)，就會(huì)脫離工件表面進(jìn)而產(chǎn)生凸凹不平的微觀結(jié)構(gòu)．但是隨著熱能和動(dòng)能的傳遞，高處的原子很容易向低處流動(dòng)而填補(bǔ)物理濺射所產(chǎn)生的凹坑［10-11］．

由圖5可以看出，當(dāng)離子束能量增加時(shí)，表面粗糙度Sq的變化基本呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，意味著物理濺射作用強(qiáng)于表面原子流動(dòng)，表面微觀形貌的峰谷值增大．僅當(dāng)能量為400eV時(shí)，Sq的變化量為負(fù)值，說明刻蝕之后樣片表面粗糙度有所降低．

2．2 離子束流大小對(duì)ZnS刻蝕速率及表面粗糙度的影響

離子束流大小也是直接影響刻蝕速率的主要原因之一．固定離子束能量為400eV，離子束入射角度為45°，刻蝕時(shí)間1h．離子束流密度是指單位體積內(nèi)的正離子個(gè)數(shù)，根據(jù)電流公式I＝nqsv（n為正離子個(gè)數(shù)，q為正離子所帶電荷量，s表示橫截面積，v表示正離子速度），離子束流密度最終會(huì)在離子束電流上表現(xiàn)出來，并且當(dāng)離子束流密度增大時(shí)，離子束電流也隨之增大．當(dāng)離子束能量為400 eV，設(shè)備可以達(dá)到的最大離子束流為37mA．當(dāng)離子束電流設(shè)置為最大值時(shí)，不利于設(shè)備保護(hù)，因此分別采用10mA，15mA，20mA，25mA，30mA，35mA的離子束電流對(duì)ZnS晶片進(jìn)行刻蝕拋光．圖6繪制出了不同離子束電流下刻蝕速率的變化曲線，圖7繪制出了不同離子束電流下ZnS表面粗糙度Sq差值變化曲線．

由圖6可以看出，隨著離子束電流的增加，刻蝕速率不斷增大．這是由于隨著離子束電流的增大，單位時(shí)間內(nèi)轟擊到基片上的離子數(shù)目增加，晶片表面的原子受到的作用力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致刻蝕速率的增大．

圖6 刻蝕速率與離子束電流間關(guān)系Fig．6 Relationship between etching rate and ion beam current

由圖7可以看出，當(dāng)離子束電流增大時(shí)，表面粗糙度Sq的變化量都在準(zhǔn)線y＝0以下．即隨著離子束電流的增加，刻蝕之后樣片表面粗糙度Sq均有所減?。?dāng)離子束電流改變時(shí)，樣片表面原子的流動(dòng)性增強(qiáng)，只是不同的離子束流大小對(duì)表面原子的流動(dòng)效果不同，雖然表面粗糙度Sq都減小了，但是在離子束流大小為35mA時(shí)，表面粗糙度降低幅度最大．

圖7 ΔSq與離子束電流間關(guān)系Fig．7 Relationship betweenΔSqand ion beam current

2．3 離子束入射角度對(duì)ZnS刻蝕速率及表面粗糙度的影響

離子束入射角度是影響基片刻蝕速率的又一主要原因．固定離子束能量為400eV，離子束流大小為30mA，刻蝕時(shí)間1h．選擇離子束入射角度為35°，40°，45°，50°，55°對(duì)ZnS晶片進(jìn)行刻蝕拋光研究．圖8繪制了不同離子束入射角度下刻蝕速率的變化曲線，圖9繪制出了不同離子束入射角度下ZnS表面粗糙度Sq差值變化曲線．

圖8 刻蝕速率與離子束入射角度間關(guān)系Fig．8 Relationship between etching rate and ion beam incident angle

由圖8可以看出，當(dāng)離子束入射角度在35°～45°時(shí)，刻蝕速率不斷增大；當(dāng)離子束入射角度在45°～55°時(shí)，刻蝕速率不斷減?。涛g速率曲線整體呈現(xiàn)一個(gè)開口朝下的類拋物線形狀．

當(dāng)離子束垂直入射時(shí)，表面微觀形貌凹坑處的刻蝕速率要大于凸起處的刻蝕速率，導(dǎo)致峰谷值增大，表面微觀形貌在離子束的作用下會(huì)向著粗糙的方向演變．然而在離子束能量和離子束流大小不變的情況，當(dāng)離子束傾斜入射時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)轟擊在表面微觀形貌凸起處的離子數(shù)目要比凹坑處多．因此當(dāng)入射角滿足一定條件時(shí)，凸起處的刻蝕速率會(huì)大于凹處的刻蝕速率，并且也會(huì)促進(jìn)表面凸起處的原子向著凹坑方向流動(dòng)．這樣峰谷值就會(huì)降低，表面微觀形貌向著光滑的方向發(fā)展［12-13］．由圖9可以看出，在選擇的離子束入射角度范圍內(nèi)表面粗糙度Sq的變化呈現(xiàn)類“M”形狀曲線．當(dāng)入射角度為45°和55°時(shí)Sq的差值變化為負(fù)值，在入射角度45°下刻蝕拋光后表面粗糙度降低幅度最大，加工后的ZnS晶片表面粗糙度為1．84nm，其表面粗糙度如圖10所示，與初始粗糙度相比降低了0．23nm．

圖9 ΔSq與離子入射角度間關(guān)系Fig．9 Relationship betweenΔSqand ion beam incident angle

圖10 刻蝕后ZnS表面粗糙度Fig．10 Surface roughness of ZnS after etching

3 結(jié) 論

1）當(dāng)離子束能量增大時(shí)，其刻蝕速率和表面粗糙度都隨之增大；當(dāng)離子束流大小增大時(shí)，其刻蝕速率不斷增大，表面微觀形貌向著平滑的方向演變；當(dāng)離子束入射角度增大時(shí)，其刻蝕速率呈現(xiàn)出開口向下的類拋物線形式，表面粗糙度也因?yàn)榘伎雍屯蛊鹛幙涛g速率的差異而呈現(xiàn)一種“M”型趨勢(shì)．

2）刻蝕過程中材料表面會(huì)存在復(fù)雜的粗糙度演變過程，離子束拋光作為一種確定性加工技術(shù)，選擇合適的工藝參數(shù)，會(huì)有效的減小晶片表面粗糙度，從而獲得超光滑表面．

3）選用離子束能量為400eV、離子束流大小為35mA、入射角度為45°時(shí)，加工后的ZnS晶片表面粗糙度降低了0．23nm．

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