自由基等離子體刻蝕硅基光學(xué)元件原理

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-09-10

傳統(tǒng)的真空等離子體加工技術(shù)通常使用SF6、CH4等具有腐蝕作用的氣體，等離子體源在射頻或微波等外部條件激勵下使氣體電離，產(chǎn)生具有活性分子的等離子體與光學(xué)元件發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到光學(xué)元件表面質(zhì)量優(yōu)化的目的。

在正常情況下，硅基光學(xué)元件和CF4和SF6等刻蝕氣體是很難進(jìn)行反應(yīng)的。而將刻蝕氣體通過自由基等離子體源電離產(chǎn)生自由基等離子體，含有的大量自由基反應(yīng)活性十分強(qiáng)，可以破壞硅基光學(xué)材料的化學(xué)鍵，從而發(fā)生了反應(yīng)并且與之結(jié)合產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)SiF4，達(dá)到刻蝕目的。其反應(yīng)過程大致可以分以下為三個步驟：

Step1：反應(yīng)物分子和自由基在材料表面的吸附；

在材料表面上的吸附按其作用力性質(zhì)不同可以分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附是利用材料表面與活性分子之間的相互作用的物理引力或斥力，而化學(xué)吸附則是材料表面與被活性分子之間的化學(xué)鍵力，形成吸附鍵，自由基等離子體在這兩種吸附力下吸附在硅基光學(xué)元件表面，為后續(xù)的反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

Step2：吸附的反應(yīng)物分子和自由基與固體表面發(fā)生反應(yīng)；

在低壓條件下，CF4/O2自由基等離子體通常常用于刻蝕SiO2和Si、Si3N4等光學(xué)材料，以SiO2為例，當(dāng)含氧氟的自由基活性基團(tuán)吸附在熔石英表面時，會與SiO2表面的Si原子生成化學(xué)吸附鍵，一定區(qū)域內(nèi)的熔石英表面Si-O鍵發(fā)生電子云偏移，會使得化學(xué)鍵強(qiáng)度減弱從而易于斷裂，在反應(yīng)中Si-O鍵的斷裂是關(guān)鍵的階段，也同時是最慢的階段，同時含F(xiàn)的自由基會結(jié)合形成Si-F鍵，其強(qiáng)烈的極化作用也會使相鄰的Si-O鍵的鍵強(qiáng)快速減小，并加快下一步的反應(yīng)進(jìn)程。反應(yīng)物分子和自由基與SiO2表面化學(xué)反應(yīng)主要方程式如下所示：

Step3：被吸附的產(chǎn)物分子從固體表面脫附；

自由基等離子體與硅基光學(xué)材料經(jīng)過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，最終生成了大量的揮發(fā)性物質(zhì)SiF4，硅基光學(xué)材料由固態(tài)向氣態(tài)的轉(zhuǎn)化，達(dá)到基底材料刻蝕去除的目的，最后將氣態(tài)的SiF4被抽出真空室，完成刻蝕的總過程。以下是自由基等離子體刻蝕Si、SiO2、Si3N4總的化學(xué)反應(yīng)方程式：

自由基等離子體技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)獲得了成功，其對硅基半導(dǎo)體的高刻蝕效率和良好的溫度特性(穩(wěn)定性)，特別是通過真空氣體流導(dǎo)的控制，可以獲得較大面積的等離子體均勻區(qū)域，這為實現(xiàn)中大口徑光學(xué)元件的損傷層去除帶來了潛在的希望，因此將自由基等離子體技術(shù)引入到光學(xué)加工的工藝環(huán)節(jié)中。