光學(xué)材料的干法刻蝕研究

王軍標(biāo) 黃子軒

摘 要：本文對化學(xué)材料二氧化硅的干法刻蝕工藝進(jìn)行研究，運(yùn)用反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備對二氧化硅進(jìn)行了刻蝕實(shí)驗(yàn)，通過對不同工藝條件下二氧化硅的刻蝕速率、均勻性等參數(shù)對比，最終得出了二氧化硅等同類光學(xué)材料最佳的干法刻蝕工藝條件。

關(guān)鍵詞：光學(xué)材料;干法刻蝕;二氧化硅;工藝條件

1.反應(yīng)離子刻蝕的基本原理分析

射頻輝光放電后會使反應(yīng)氣體被擊穿從而產(chǎn)生刻蝕所需要的等離子體，等離子體中不僅包含正離子和負(fù)離子，同時(shí)也含有可以與刻蝕樣品表面發(fā)生反應(yīng)的游離基和自由電子，這便是反應(yīng)離子刻蝕中應(yīng)用化學(xué)作用進(jìn)行刻蝕的基本原理。而陰離子和陽離子在電場作用下可以射向刻蝕樣品的表面，從而實(shí)現(xiàn)對刻蝕樣品的物理轟炸，這便是反應(yīng)離子刻蝕中應(yīng)用物理作用的基本原理，而通過物理作用和化學(xué)作用的結(jié)合便可以完成對樣品的刻蝕。

2.反應(yīng)離子刻蝕工藝研究內(nèi)容及方法

關(guān)于光學(xué)材料在不同工藝條件下的反應(yīng)離子刻蝕研究，在實(shí)驗(yàn)過程中將實(shí)驗(yàn)硅片作為基礎(chǔ)材料，并通過CVD技術(shù)使實(shí)驗(yàn)硅片生成實(shí)驗(yàn)所需要的二氧化硅層，在一定的沉積工藝條件下保證所制備的二氧化硅薄膜具有實(shí)驗(yàn)所需要的各種性質(zhì)，并保證其致密性、折射率等都可以達(dá)到光學(xué)材料所具備的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果在光學(xué)材料干法刻蝕應(yīng)用中的有效性。二氧化硅膜在滿足標(biāo)準(zhǔn)后要對其均勻性進(jìn)行檢測，可以運(yùn)用橢偏儀對二氧化硅膜的厚度與折射率進(jìn)行測量，這樣才能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全可以代表硅片表面在干法刻蝕工藝中的實(shí)際膜厚，對保證該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性、科學(xué)性、準(zhǔn)確性以及有效性有著重要意義。反應(yīng)離子刻蝕工藝實(shí)驗(yàn)過程中將CHF3作為刻蝕氣體，當(dāng)刻蝕氣體在反應(yīng)室遇到輝光放電會發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

CHF3+e-→CHF2++F（游離基）+2e-

而在化學(xué)反應(yīng)之后所生成的游離基可以與樣品表面的SiO2發(fā)生以下反應(yīng)：

SiO2+4F→SiF4↑+ O2↑

二氧化硅在化學(xué)反應(yīng)中所分解出來的氧離子會與CHF2+基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，并可以釋放出多種揮發(fā)性氣體，在刻蝕工藝中需要將這些氣體從反應(yīng)腔體中徹底抽出。刻蝕實(shí)驗(yàn)后要對剩余的二氧化硅膜進(jìn)行再次測量，通過與第一次測量數(shù)據(jù)的對比便可以通過定量計(jì)算的方式來確定刻蝕速率及均勻性等，這也是該實(shí)驗(yàn)最后所需要的研究的各項(xiàng)干法刻蝕參數(shù)。

3.反應(yīng)離子刻蝕工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文在實(shí)驗(yàn)過程中通過改變反應(yīng)離子刻蝕工藝條件來獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表1是不同氧氣流量下二氧化硅的刻蝕速率及選擇比，基于四次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對反應(yīng)離子刻蝕工藝條件變化對刻蝕速率、均勻性等方面的影響進(jìn)行分析。

圖1是本文通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對氧氣流量與選擇關(guān)系的分析。

（1）刻蝕氣體流量對刻蝕效率的影響。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以分析出刻蝕氣體流量與樣品刻蝕效率的對比關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)中不斷加大刻蝕氣體流量會使反應(yīng)氣體濃度不斷上升，從而使二氧化硅在刻蝕過程中表面受到的化學(xué)作用和物理作用更加充分，這在很大程度上提高了樣品的整體刻蝕效率，但隨著氣體流量逐漸接近飽和狀態(tài)，真正參與化學(xué)作用和物理作用的氣體十分有限，這樣便會導(dǎo)致樣品在刻蝕過程中的刻蝕效率受到很大限制。如果氣體流量在氣體達(dá)到飽和狀態(tài)后依舊增加，這樣會使反應(yīng)離子之間的碰撞更加激烈，離子碰撞會消耗其自身一定的能量，而這會在很大程度上削弱離子的物理作用，從而導(dǎo)致樣品在實(shí)驗(yàn)過程中的刻蝕效率受到很大削弱，所以，接近飽和狀態(tài)的氣體流量是最佳工藝條件，其對提高刻蝕效率、節(jié)約氣體資源有著重要作用。

（2）溫度和氣體壓強(qiáng)對刻蝕效率的影響。光學(xué)材料在干法刻蝕過程中，由于化學(xué)作用和物理作用，會使粒子在相互碰撞及撞擊樣品表面的過程中產(chǎn)生一定的熱量，而熱量過高則會導(dǎo)致二氧化硅樣品表面受到損傷，因此，反應(yīng)離子刻蝕過程中需要通過冷卻系統(tǒng)來對樣品表面溫度進(jìn)行控制，在實(shí)驗(yàn)過程中對二氧化硅樣品進(jìn)行溫度控制不會對刻蝕效率產(chǎn)生影響，或者是溫度變化對二氧化硅表面的刻蝕效率有著很小的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中，將射頻功率和氣體流量控制在穩(wěn)定條件下，逐漸增大氣體壓強(qiáng)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣體壓強(qiáng)逐漸升高的時(shí)候刻蝕效率會有很大提升，這是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)的增加會使反應(yīng)室中的反應(yīng)氣體的濃度也隨之增加，這樣便在很大程度上提高了化學(xué)反應(yīng)的效率，從而使二氧化硅樣品表面的整體刻蝕效率也有很大提升，但是在氣體壓強(qiáng)增加到一定程度時(shí)會使反應(yīng)離子接近或達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)如果繼續(xù)增大氣體壓強(qiáng)則會加速粒子之間的碰撞使其能量被消耗，很大程度上限制刻蝕效率。

4.結(jié)語

通過光學(xué)材料的干法刻蝕實(shí)驗(yàn)，我們可以證明射頻功率、反應(yīng)氣壓、氣流量以及樣品冷卻溫度等因素在光學(xué)材料的干法刻蝕過程中都會對其刻蝕速率及均勻性產(chǎn)生一定影響，所以在光學(xué)材料干法刻蝕工藝中，我們可以通過控制上述幾個(gè)因素，通過改變刻蝕工藝條件來將刻蝕速率與均勻性控制在最佳水平。

（作者單位：浙江海洋學(xué)院）