離子源工藝參數(shù)對BCB膠刻蝕速率和表面粗糙度的影響

包 強，劉衛(wèi)國，蔡長龍，周 順，陳智利，惠迎雪，姬 嬌

引言

隨著光學技術(shù)、半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)等高科技新型技術(shù)的迅猛發(fā)展，對光學元件、光電元件表面的精度要求也越來越高。相應出現(xiàn)了很多新型的拋光方法，如化學機械拋光、磁流變拋光等［1］。這些拋光方法已經(jīng)能夠達到很高的拋光精度，然而不可避免地會給元件表面帶來損傷，雜質(zhì)嵌入或存在機械應力，如化學機械拋光容易在元件表面產(chǎn)生劃痕［2］；磁流變拋光則會嵌入雜質(zhì)［3］等。

為消除上述拋光方法的缺點，采用非接觸式的離子束刻蝕拋光方法對BCB膠進行刻蝕拋光研究，拋光過程中不存在接觸應力?；谠訛R射效應，拋光過程中材料去除量可以控制到原子量級，達到很高的拋光精度［4－6］。采用BCB膠的主要原因是其熱、機械以及介電性能優(yōu)異，同時旋涂后可以獲取較好的表面形貌，而且表面粗糙度可以控制在1.8nm以下。

1 實驗及方法

實驗工作氣體為氬氣和氧氣。氧氣的通入則引入了反應離子束刻蝕。實驗的原理是利用具有一定能量的氬離子束流轟擊元件表面，通過能量和動量的傳遞，以及氧離子進行的反應離子束刻蝕作用，對工件表面進行刻蝕。其工作過程：把工作氣體（氬氣和氧氣）通入到真空室中，采用放電或高頻電磁振蕩等手段將其電離為等離子體，在磁場的作用下將所需離子匯聚成束，在電場的作用下獲得高能量并引出轟擊元件表面。離子束刻蝕拋光主要與離子束能量、離子束電流、氬氣和氧氣流量有關(guān)。主要研究離子束工藝參數(shù)對刻蝕速率和表面粗糙度演變的影響。

在基片上旋涂BCB膠，使其具有較好的表面形貌，測量其初始粗糙度，并作出掩膜以確定刻蝕深度，然后對其進行離子束刻蝕拋光實驗。刻蝕后使用Taylor Surf CCI2000非接觸式表面測量儀測量表面粗糙度Sq以及刻蝕深度。使用中國科學院微電子研究所KW－5型勻膠機以低轉(zhuǎn)速500 r／min，18s，高轉(zhuǎn)速2 000r／min，60s進行BCB膠的旋涂，得到的BCB膠涂層厚度約為1.9μm，表面粗糙度粗糙度控制在1.8nm以下。

2 實驗結(jié)果

實驗的主要目的是研究離子束工藝參數(shù)對刻蝕速率和表面粗糙度演變的影響，因此實驗中主要測量不同工藝參數(shù)下額定時間內(nèi)刻蝕深度以及刻蝕前后表面粗糙度的變化。

2.1 離子束能量對刻蝕速率及表面粗糙度的影響

離子束能量直接影響到刻蝕速率。考察離子束能量時，離子束其他參數(shù)固定為離子束電流35 mA，氧氣流量6mL／min，氬氣流量7.2mL／min，刻蝕時間1h。分別采用離子束能量400eV、500 eV、600eV、700eV、800eV 對其進行刻蝕實驗。圖1為不同離子束能量下刻蝕速率的變化曲線，圖2為不同離子束能量下刻蝕前后BCB膠表面粗糙度變化量△Sq的曲線。

圖1 刻蝕速率與離子束能量間的關(guān)系Fig.1 Relationship between etching rate and ion beam energy

圖2 △Sq與離子束能量間的關(guān)系Fig.2 Relationship between△Sqand ion beam energy

由圖1可以看出，隨著離子束能量的增大，刻蝕速率不斷增大。這是因為當離子轟擊到晶片表面上時，隨著離子束能量的增大單位時間內(nèi)傳遞到樣片表面原子上的能量增大，加快了晶片樣片材料原子的去除。同時過大的離子束能量會對樣片表面造成一定的損傷，為了避免或者盡可能地減少離子束轟擊樣片時造成的損傷，在刻蝕速率允許范圍內(nèi)選擇適當?shù)碾x子束能量。

由圖2可以看出，隨著離子束能量的增大，樣片表面粗糙度稍有增加，這是因為物理濺射和表面流動這兩種現(xiàn)象的物理作用［7］以及氧氣的反應離子束刻蝕作用基本抵消。當表面被碰撞原子獲得的能量大于表面束縛能時，就會脫離工件表面進而產(chǎn)生凹凸不平的微觀結(jié)構(gòu)。但是隨著熱量和動能的傳遞，高處的原子很容易向低處流動而填補物理濺射所產(chǎn)生的凹坑。通常情況下表面粗糙度的變化就是由物理濺射和表面流動這兩種物理現(xiàn)象所產(chǎn)生的綜合作用。物理濺射會增加樣片表面粗糙程度，而表面原子流動則能夠減小表面粗糙程度［8－9］；實驗中由于工作氣體中加入了氧氣，氧氣所帶來的反應離子束刻蝕同樣也會對表面粗糙度的變化帶來影響。

2.2 離子束電流對刻蝕速率及表面粗糙度的影響

離子束電流也是直接影響刻蝕速率的主要原因之一。離子束電流增大的時候，單位時間內(nèi)通過單位面積的粒子數(shù)量會增加，即轟擊在單位樣片上的離子數(shù)增大?？疾祀x子束電流時，離子束其他參數(shù)固定為離子束能量400eV，氧氣流量1mL／min，氬氣流量12.2mL／min，刻蝕時間1h。分別采用離子束電流15mA、20mA、25mA、30 mA、35mA對其進行刻蝕實驗。圖3為不同離子束電流下刻蝕速率的變化曲線，圖4為不同離子束電流下刻蝕前后BCB膠表面粗糙度變化量△Sq的曲線。

圖3 刻蝕速率與離子束電流間的關(guān)系Fig.3 Relationship between etching rate and ion beam current

圖4 △Sq與離子束電流間的關(guān)系Fig.4 Relationship between△Sqand ion beam current

由圖3可以看出，刻蝕速率隨離子束電流的增加而增加，呈近似線性關(guān)系。這是因為隨著離子束電流的增大，單位時間內(nèi)到達材料表面的離子數(shù)目就越多，由濺射理論知道，濺射產(chǎn)額為濺射出的原子與入射離子的數(shù)目之比，單位時間內(nèi)入射離子的增多會導致濺射出的原子相應越多，從而刻蝕速率增大。

由圖4可以看出，在離子束電流為15mA和25mA處樣片表面粗糙度略有降低，其他處則稍有增加，但整體變化不大。當離子束電流增加時，樣片表面原子的流動行增強，只是不同的離子束電流對表面原子的流動效果不同。同時氧氣所帶來的反應離子束刻蝕作用也會相應地增強。兩者相互疊加就導致了上述樣片表面粗糙度的變化。

2.3 氧氣流量對刻蝕速率及表面粗糙度的影響

實驗中所采用的工作氣體為氬氣和氧氣，總的氣體流量固定為13.2mL／min。其中氬離子主要為物理刻蝕，氧離子主要為反應離子束刻蝕，即為化學刻蝕［10］?？疾旃ぷ鳉怏w中氧氣流量時，離子束其他參數(shù)固定為離子束能量400eV，離子束電流25mA，刻蝕時間為1h。分別采用工作氣體中氧氣流量為2mL／min、4mL／min、6mL／min、8mL／min、10mL／min（對應的氬氣流量分別為11.2mL／min、9.2mL／min、7.2mL／min、5.2mL／min、3.2mL／min）對其進行刻蝕實驗。圖5為不同氧氣流量下刻蝕速率的變化曲線，圖6為不同氧氣流量下刻蝕前后BCB膠表面粗糙度變化量△Sq的曲線。

由圖5可以看出，氧氣流量在6mL／min前，刻蝕速率隨著氧氣流量的增大而增大；在氧氣流量為8mL／min時，刻蝕速率較6mL／min和10mL／min小。由圖6可以看出，表面粗糙度在2mL／min、4mL／min處略有增加，4mL／min后反而有所降低。這是由于氬離子的物理刻蝕和氧離子的化學刻蝕相互作用的結(jié)果。

圖5 刻蝕速率與氧氣流量間的關(guān)系Fig.5 Relationship between etching rate and quantity of oxygen

圖6 △Sq與氧氣流量間的關(guān)系Fig.6 Fig.6 Relationship between△Sq and quantity of oxygen

3 結(jié)論

本文主要研究了離子束能量、離子束電流以及工作氣體中氧氣流量對刻蝕速率和表面粗糙度演變的影響。實驗結(jié)果表明：離子束刻蝕拋光BCB膠的過程中，當離子束能量增大時，刻蝕速率和表面粗糙度會隨之增大；當離子束電流增大時，刻蝕速率會隨之增大，在離子束電流為15mA和25mA處樣片表面粗糙度略有降低，其他處則稍有增加，但整體變化不大；當工作氣體中氧氣流量增大時，刻蝕速率會整體增大，在8mL／min處略有下降，表面粗糙度在2mL／min和4mL／min處略有增加，4mL／min后反而有所降低。

［1］ Li Baogui，Xiong Changyou，Li Chenggui，et al.Machining technology of super smooth surface［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2006（6）：60－66.

李寶貴，熊昌友，李成貴，等.超光滑表面加工方法［J］.制造技術(shù)與機床，2006（6）：60－66.

［2］ Guo Zhongda，Du Shujuan，Liu Weiguo，et al.The application of annulus magnetic field in magnetorheological finishing［J］.Journal of Xi’an Technological University，2007，27（3）：212－214，218.

郭忠達，杜書娟，劉衛(wèi)國，等.環(huán)帶磁場在磁流變拋光技術(shù)中的應用［J］.西安工業(yè)大學學報，2007，27（3）：212－214，218.

［3］ Jacobs S D.Manipulating mechanics and chemistry in precision optics finishing［J］.Science and Technology of Advanced Materials，2007，8（3）：153－157.

［4］ Toma A，Mongeot de F B，Buzio R，et al.Ion beam erosion of amorphous materials：evolution of surface morphology［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2005，230：551－554.

［5］ Schindler Axel，Haensel Thomas，F(xiàn)lamm Dieter，et al.Ion beam and plasma jet etching for optical component fabrication［J］.SPIE，2001，4440：217－227.

［6］ Kim B Y，Lee J S，Kim K R，et al.Development of sputtering technology for surface of materials［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2007，261（1／2）：682－685.

［7］ Feng Shurui，Xie Xuhui，Zhou Lin，et al.Evolvement on surface roughness of KDP crystal in ion beam figuring［J］.Aviation Precision Manufacturing Technology，2012，48（6）：10－13.

馮殊瑞，解旭輝，周林，等.離子束加工KDP晶體材料表面粗糙度演變［J］.航空精密制造技術(shù)，2012，48（6）：10－13.

［8］ Liao Wenlin，Dai Yifan，Zhou Lin，et al.Optical surface roughness in ion beam process［J］.Journal of Applied Optics，2010，31（6）：1041－1045.

廖文林，戴一帆，周林，等.離子束作用下的光學表面粗 糙 度 演 變 研 究 ［J］.應 用 光 學，2010，31（6）：1041－1045.

［9］ Inaba T，Kurashima Y，Pahlovy S A，et al.Low energy ion beam machining of ULE substrates：evaluation of surface roughness［J］.Microelectronic Engineering，2009，86（4－6）：497－499.

［10］Xing Jing，Cai Changlong.Influence of process parameters of ZnS etched by inductively coupled plasma on the rate and surface roughness［J］.Journal of Xi＇an Technological University，2013，33（2）：103－107.

邢靜，蔡長龍.工藝參數(shù)對電感耦合等離子體刻蝕ZnS速率及表面粗糙度的影響［J］.西安工業(yè)大學學報，2013，33（2）：103－107.