光學材料的干法刻蝕研究

王軍標 黃子軒

摘 要：本文對化學材料二氧化硅的干法刻蝕工藝進行研究，運用反應離子刻蝕設備對二氧化硅進行了刻蝕實驗，通過對不同工藝條件下二氧化硅的刻蝕速率、均勻性等參數對比，最終得出了二氧化硅等同類光學材料最佳的干法刻蝕工藝條件。

關鍵詞：光學材料;干法刻蝕;二氧化硅;工藝條件

1.反應離子刻蝕的基本原理分析

射頻輝光放電后會使反應氣體被擊穿從而產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離子，同時也含有可以與刻蝕樣品表面發生反應的游離基和自由電子，這便是反應離子刻蝕中應用化學作用進行刻蝕的基本原理。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，從而實現對刻蝕樣品的物理轟炸，這便是反應離子刻蝕中應用物理作用的基本原理，而通過物理作用和化學作用的結合便可以完成對樣品的刻蝕。

2.反應離子刻蝕工藝研究內容及方法

關于光學材料在不同工藝條件下的反應離子刻蝕研究，在實驗過程中將實驗硅片作為基礎材料，并通過CVD技術使實驗硅片生成實驗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驗所需要的各種性質，并保證其致密性、折射率等都可以達到光學材料所具備的相應標準，這樣才能確保實驗結果在光學材料干法刻蝕應用中的有效性。二氧化硅膜在滿足標準后要對其均勻性進行檢測，可以運用橢偏儀對二氧化硅膜的厚度與折射率進行測量，這樣才能使實驗結果完全可以代表硅片表面在干法刻蝕工藝中的實際膜厚，對保證該實驗結果的合理性、科學性、準確性以及有效性有著重要意義。反應離子刻蝕工藝實驗過程中將CHF3作為刻蝕氣體，當刻蝕氣體在反應室遇到輝光放電會發生下列化學反應：

CHF3+e-→CHF2++F（游離基）+2e-

而在化學反應之后所生成的游離基可以與樣品表面的SiO2發生以下反應：

SiO2+4F→SiF4↑+ O2↑

二氧化硅在化學反應中所分解出來的氧離子會與CHF2+基團發生反應，并可以釋放出多種揮發性氣體，在刻蝕工藝中需要將這些氣體從反應腔體中徹底抽出。刻蝕實驗后要對剩余的二氧化硅膜進行再次測量，通過與第一次測量數據的對比便可以通過定量計算的方式來確定刻蝕速率及均勻性等，這也是該實驗最后所需要的研究的各項干法刻蝕參數。

3.反應離子刻蝕工藝實驗結果分析

本文在實驗過程中通過改變反應離子刻蝕工藝條件來獲取實驗結果，表1是不同氧氣流量下二氧化硅的刻蝕速率及選擇比，基于四次實驗結果對反應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行分析。

圖1是本文通過實驗結果對氧氣流量與選擇關系的分析。

（1）刻蝕氣體流量對刻蝕效率的影響。通過實驗結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系，在實驗中不斷加大刻蝕氣體流量會使反應氣體濃度不斷上升，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，真正參與化學作用和物理作用的氣體十分有限，這樣便會導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到飽和狀態后依舊增加，這樣會使反應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，從而導致樣品在實驗過程中的刻蝕效率受到很大削弱，所以，接近飽和狀態的氣體流量是最佳工藝條件，其對提高刻蝕效率、節約氣體資源有著重要作用。

（2）溫度和氣體壓強對刻蝕效率的影響。光學材料在干法刻蝕過程中，由于化學作用和物理作用，會使粒子在相互碰撞及撞擊樣品表面的過程中產生一定的熱量，而熱量過高則會導致二氧化硅樣品表面受到損傷，因此，反應離子刻蝕過程中需要通過冷卻系統來對樣品表面溫度進行控制，在實驗過程中對二氧化硅樣品進行溫度控制不會對刻蝕效率產生影響，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。在實驗過程中，將射頻功率和氣體流量控制在穩定條件下，逐漸增大氣體壓強，并對實驗結果進行對比，發現當氣體壓強逐漸升高的時候刻蝕效率會有很大提升，這是因為氣體壓強的增加會使反應室中的反應氣體的濃度也隨之增加，這樣便在很大程度上提高了化學反應的效率，從而使二氧化硅樣品表面的整體刻蝕效率也有很大提升，但是在氣體壓強增加到一定程度時會使反應離子接近或達到飽和狀態，此時如果繼續增大氣體壓強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.結語

通過光學材料的干法刻蝕實驗，我們可以證明射頻功率、反應氣壓、氣流量以及樣品冷卻溫度等因素在光學材料的干法刻蝕過程中都會對其刻蝕速率及均勻性產生一定影響，所以在光學材料干法刻蝕工藝中，我們可以通過控制上述幾個因素，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：浙江海洋學院）