Черезова Л.А. Ионно-лучевые методы в оптической технологии

Подождите немного. Документ загружается.

Для определения требований к давлению остаточных газов в рабочей

камере исследовалось влияние малых добавок , воздуха и паров на

эффективность распыления оптических стекол. При концентрациях доба-

вок более 1% (табл.1) наблюдался резкий спад скорости распыления.

О ОН

Пары воды легко диссоциируют в разряде ( эВ) , освобождая

при этом и . Действие сводится к эффекту "отбора тока", т.е. ионы

вносят существенный вклад в состав ионного пучка, а распылительная

способность этих ионов практически нулевая. Присутствие же кислорода

способствует замещению атомов, распыленных из поверхностного слоя стек-

ла атомами кислорода.

≈

ОдисН

Аналогично. при исследовании влияния кислорода на распыление

ионами [54] замечено, что при отношении скорости прихода оста-

точного кислорода к скорости вылета распыленных атомов ( в том числе и

), равном 1, скорость распыления изменяется слабо, так как, когда распы-

ляются атомы , то соседние атомы Аl слабо связаны и легко удаляются.

При отношении, большем 1, распыленный замещается остаточным кисло-

родом из среды, и скорость распыления резко падает. Было проведено также

прямое сравнение влияния на распыление и. . Оказалось, что ско-

рость распыления резко уменьшается при добавке даже при соотноше-

нии скоростей << 1, что объясняется образованием окисной пленки.

OAl

Таблица 1

Влияние добавок кислорода и воды на эффективность

распыления оптических стёкол

Такие же результаты влияния получены в работе [60] по распыле-

нию стекла Пирекс 7740 (рис.19).

Роль в распылении, например, пленок Ni - Сr в атмосфере Аr, под-

робно рассматривается в работе [61]. Влияние объясняется эффектом от-

бора тока, приводя выражение скорости распыления с учетом соотношения

подвижности Аr и и их распылительной способности.

Рис.19. Влияние добавок кислорода в рабочий газ на скорость

распыления стекла Пирекс 7740

Существенное влияние примесей и на процесс распыления от-

мечено в ряде работ [62], исследовавших процесс получения пленок метода-

ми распыления.

Таким образом, из приведенных результатов следует, что для получе-

ния воспроизводимых значений скоростей распыления необходимо обеспе-

чить некий уровень чистоты рабочего газа и степень откачки рабочей каме-

ры. Экспериментально показано, что при проведении процесса распыления

при остаточном давлении ~ 0,133 Па пренебречь влиянием остаточной атмо-

сферы возможно, если предварительная откачка вакуумной камеры произво-

дится до давления не выше 0,00133 Па. При этом подаваемый в рабочую ка-

меру газ следует подвергать осушке.

Одной из основных характеристик распылительной способности бом-

бардирующего иона является его энергия, так как именно она определяет

эффективность разрушения материала мишени. Для диэлектриков типичная

энергетическая зависимость коэффициента распыления приведена на (рис.20)

[63], из которого следует, что зависимость имеет экстремальный характер. С

увеличением энергии эффективность распыления растет, достигая максиму-

ма и затем начинает падать за счет увеличения глубины проникновения иона.

В области энергий, близких к пороговым, рост S от Е может быть описан

квадратичным законом [64]. Численные значения, полученные различными

авторами, трудно сравнивать, так как они получены в разных экс-

периментальных условиях.

Много экспериментальных результатов по распылению диэлектриков,

в частности стекол, получены в технике тлеющего разряда. Энергия иона в

этом случае понятие неоднозначное, так как в условиях тлеющего разряда

имеется некоторое распределение ионов по энергиям. Ширина энергетиче-

ского спектра ионов, приходящих на катод, является некоторой функцией F

(U,M, d, f), где U - пиковое значение напряжения, М - масса иона; d - вели-

чина ТКП; f - частота возбуждающего поля.

Рис.20. Энергетическая зависимость коэффициента

распыления плавленого кварца

Много экспериментальных результатов по распылению диэлектриков,

в частности стекол, получены в технике тлеющего разряда. Энергия иона в

этом случае понятие неоднозначное, так как в условиях тлеющего разряда

имеется некоторое распределение ионов по энергиям. Ширина энергетиче-

ского спектра ионов, приходящих на катод, является некоторой функцией F

(U,M, d, f), где U - пиковое значение напряжения, М - масса иона; d - вели-

чина ТКП; f - частота возбуждающего поля.

Из анализа решения уравнений движения иона в ТКП следует [35], что

энергетический разброс ионов, приходящих на катод, уменьшается с ростом

М, f, d и уменьшением . Однако с энергетической точки зрения ионы в

тлеющем ВЧ разряде характеризуются Е =

, где е - элементарный за-

ряд.

Такую энергию приобретает ион, входящий в ТКП с нулевой скоро-

стью, пройдя этот промежуток за время, равное 1/4 периода ВЧ поля, т.е. в

некотором приближении можно считать зависимость скорости распыления от

( ) характеристикой влияния энергии иона.

На рис.21 представлена зависимость скорости распыления от для

стекла К8 и кварца в атмосфере Аr при плотности тока 2 мА/ .

см

Рис.21. Зависимость скорости распыления стекла К8 и кварца

от пикового ВЧ напряжения без учёта температурной зависимости

В работе [61] в качестве энергетической характеристики ионов в тлею-

щем разряде использовали эквивалентное напряжение постоянного тока,

равное 3/4 . Зависимость коэффициента распыления стекла Пирекс, ще-

лочного и кварцевого и приведены на рис. 22 [63]. Результаты, пред-

ставленные на рис. 21, 22, хорошо согласуются.

OAL

Уместно отметить, что повышение энергии ионов с целью интенсифи-

кации процесса распыления неизбежно ведет к увеличению разогрева бом-

бардируемого образца, и температурная зависимость скорости распыления

может полностью снивелировать энергетическую зависимость S.

Поскольку многие оптические стекла системы легкоплавки, то целесо-

образно выбирать для их обработки более "мягкие" режимы.

Рис.22. Энергетическая зависимость коэффициента распыления кварца

(1), стёкол Пирекс 7740 (2),7059 (3), щелочного (4),сапфира (5)

В изыскании путей интенсификации процесса ионной полировки про-

ведено исследование распыления материалов ионами различных газов Не,

Ne, Ar, Кг, Хе (рис.23). Так как при постоянстве плотности ионного тока в

разных газах вследствие большой разницы в потенциалах ионизации (24.6 и

12,1 эВ для Не

и Хе

соответственно) возможно отличие в распределении

ионов по зарядовому состоянию, то по этим данным нельзя однозначно ска-

зать о влиянии массы бомбардирующей частицы на скорость распыления. Из

других исследований, в частности работы [65], следует, что из ряда исполь-

зуемых ионов Ne, Аr, Хе на кварцевой мишени максимальный коэффициент

распыления дает Хе при энергии частицы 5, 6 кэВ.

Важной характеристикой процесса распыления является плотность

ионного тока j. Влияние j на скорость обработки ряда оптических материалов

в атмосфере Аr иллюстрируется (рис.24). Зависимость очевидная, так как с

увеличением числа бомбардирующих ионов растет количество выбитых из

мишени частиц вещества. При дальнейшем увеличении j рост скорости рас-

пыления замедлен, поскольку большие токи при U = const возможно реали-

зовать лишь путем увеличения давления газа, а, следовательно, усиления ро-

ли обратной диффузии. Однако в интервале используемых плотностей тока

(1 - 4 мА/ ), которым соответствует давление в рабочей камере 2,66 Па, ве-

личиной обратной диффузии можно пренебречь [66].

см

Рис.23. Зависимость скорости распыления стекла К8

и кварца от массы бомбардирующей частицы

Рис.24. Зависимость скорости распыления стекла К8 (1),

кварца (2) и сапфира (3) от плотности ионного тока

В табл. 2 приведены состав стекол и скорости их распыления ионами

Аr с энергией 1 кэВ при плотности ионного тока 1 мА/ .

см

Таблица 2

Скорости распыления стёкол разного состава в аргоне

Из приведенных основных закономерностей взаимодействия инертных

ионов с поверхностью диэлектрических мишеней следует, что процесс ион-

ного распыления малоэффективен. Скорости распыления оптических мате-

риалов составляют величину порядка 1 мкм/ч, а это в свою очередь опреде-

ляет диапазон возможных применений эффекта ионного распыления в техни-

ке.

ГЛАВА 4. Ионно-химическая обработка оптических мате-

риалов

Существенным ограничением возможностей практического использо-

вания эффекта ионного распыления материалов является низкая производи-

тельность процесса, так как для оптических стекол скорость ионной обработ-

ки составляет 1 -2 мкм/ч. Из анализа основных закономерностей процесса

распыления следует, что наиболее существенным фактором интенсификации

ионной обработки является форсирование режимов за счет использования

более высоких плотностей тока. Однако этот путь связан с дополнительным

нагревом поверхности образца и, поскольку для оптических стекол эффек-

тивный теплоотвод в процессе ионной бомбардировки осуществить трудно,

может привести к необратимой потере качества оптической поверхности.

Наиболее радикальный путь интенсификации процесса ионного распы-

ления связан с использованием в качестве бомбардирующих частиц ионов,

способных химически взаимодействовать с компонентами обрабатываемого

материала с образованием устойчивых летучих соединений, т. е. с ис-

пользованием ионно-химической обработки (ИХО). Впервые о ИХО Si и его

соединений ( , ) сообщалось в работе [67], где показано, что ВЧ га-

зовая плазма (f = 13,56 МГц) в атмосфере C , т. е. содержащая активные

частицы фтора, способна травить Si и его соединения. В работе отмечается,

SiO

NSi

что, хотя детали характеристик травления пока неизвестны, механизм трав-

ления является химической реакцией между Si и радикалами F. По условиям

разряда ( = 20Па, = 200 Вт) можно отнести описанный процесс к

плазмохимическому. Эта работа положила начало развитию принципиально

нового направления в обработке материалов, однако предметом исследова-

ний являлись исключительно полупроводниковые материалы и решались за-

дачи технологии полупроводниковой и микроэлектронной техники. Впо-

следствии ионно-химическое травление полупроводников развилось в мощ-

ное направление, которое позволило сделать резкий скачок в достижении

предельных технических и эксплуатационных характеристик приборов и без

которого в настоящее время современная микроэлектроника немыслима.

Имеется огромное количество оригинальных и обзорных статей, посвящен-

ных этому вопросу [4, 68]. Что же касается обработки оптических, материа-

лов с их специфическими требованиями, характеристикой поверхности, то

такие исследования впервые были начаты в ГОИ в 1970 г., и до настоящего

времени не имеется сообщений в печати, кроме разработок ГОИ, о практиче-

ском использовании ионно-химического полирования для решения задач оп-

тической технологии.

раб

ВЧ

Первые эксперименты по ИХО оптических стекол проводились в тех-

нике ВЧ тлеющего разряда в атмосфере смеси Ar + Cl и , в которых полу-

чено существенное увеличение скорости распыления стекол .

Максимальный эффект увеличения скорости обработки ожидается при.

использовании ионов, обеспечивающих образование устойчивых летучих со-

единений с возможно большим количеством компонентов обрабатываемого

материала. Поскольку оптические стекла - системы многокомпонентные, то

обеспечить условие летучести всех возможных продуктов химического взаи-

модействия практически нереально. Но, с другой стороны, все стекла, как

правило, содержат , поэтому естественно использовать для их обработки

фторсодержащие газы, которые в разряде легко диссоциируют с образовани-

ем активных частиц. Например, молекула широко используемого газа в ИХО

- фреон 14 (C ), в плазме разряда диссоциирует по схеме

SiO

C ` + F`

⎯

→

⎯

C `` + 2F

С```` + 4F`

и суммарную реакцию травления SiO

можно представить в виде

+4F

SiO

⎯

→

⎯

SiF +О

↑. Для стекол, содержащих окислы фосфора, бора ле-

тучими продуктами являются также фториды - , , . Анализ боль-

шого объема исследований в микроэлектронной и полупроводниковой тех-

нологии с фторсодержащими газами позволяет понять общие принципы ИХО

и использовать опыт работы для правильной ориентации направлений иссле-

дования по ИХО оптических стекол применительно к специфике экспери-

ментальной техники.

Простейшая модель ИХО стекол сводится к следующей. При бомбар-

дировке поверхности материала химически активными ионами одновременно

протекают два взаимосвязанных и взаимостимулирующих процесса: физиче-

ское распыление материала под действием бомбардировки ионами как час-

тицами, обладающими определенной массой и энергией, и химическое взаи-

модействие компонентов материала с активными частицами. В результате

совместного действия указанных механизмов взаимодействия скорость уда-

ления поверхностного слоя резко возрастает по сравнению со случаем обра-

ботки инертными ионами, причем, наибольший эффект распыления наблю-

дается при оптимальном соотношении механизмов ударного и химического

взаимодействия. Ионная бомбардировка, кроме физического распыления,

способствует активизации поверхности образца за счет создания дефектов

смещения, являющихся элементарным актом взаимодействия движущейся

частицы с энергией выше пороговой, с атомами вещества, которые (дефекты

смещения) служат центрами химической связи с активными частицами. Об-

разование же летучих продуктов в процессе химических реакций на поверх-

ности образца уменьшает энергию связи атома с объемом вещества, тем са-

мым способствуя более интенсивному физическому распылению. Поэтому

для эффективного протекания процесса ионно-химического распыления не-

обходимо реализовать два условия: обеспечить достаточную концентрацию

центров активности, т. е. обеспечить интенсивную бомбардировку поверхно-

сти ионами, а также создать достаточное количество химически активных

частиц для заполнения генерируемых центров взаимодействия.

Стимулирующее действие ионной бомбардировки подтверждается экс-

периментально (табл. 3).

Таблица 3

Влияние ионной бомбардировки на скорость

ионно-химического распыления кремния.

Аналогично вклад химического взаимодействия может быть проиллю-

стрирован табл. 4 [69]. Химически инертное золото обрабатывается с при-

близительно постоянной скоростью независимо от газа.

Естественно, что стимулировать поверхностные химические процессы

возможно не только за счет ионной бомбардировки [70], но в химически ак-

тивной плазме условия стимуляции реализуются автоматически. Оп-

тимальные режимы обработки в условиях ВЧ тлеющего разряда во фторсо-

держащих газах выбираются из оптимизации соотношений физических и хи-

мических механизмов взаимодействия. В рабочем интервале давлений 0,13 -

1,33 Па длина свободного пробега основной частицы разряда в со-

ставляет 5 - 20 мм, а длина ТКП - 10 мм, поэтому приобретенная в ТКП энер-

гия ионов практически не рассеивается, что гарантирует направленность

ионного потока и его энергоемкость.

−

CFCF

Выбранный интервал ВЧ напряжений (1,5 - 2,5 кВ) также неслучаен.

Поскольку существенный вклад в скорость ИХО вносит химическое взаимо-

действие, то очевидно, что весьма значительную роль играют собственно по-

верхностные процессы, по сравнению с которыми физическое распыление

является процессом объемным, хотя и захватывает слой менее сотых долей

мкм. Если придерживаться принятой классификации дефектов твердого тела

[71] на поверхностные и объемные, то поверхностные дефекты определяют

абсолютное значение скорости ИХО, а объемные - ее относительное измене-

ние.

Таблица 4

Влияние химического взаимодействия на скорость

распыления материалов, нм/мин

Поэтому для более интенсивного протекания процесса ИХО целесооб-

разно подобрать такие характеристики ионов, чтобы их энергия освобожда-

лась на глубине 1 - 10 ат. слоев, иными словами, ограничить глубину про-

никновения ионов 0,5 - 5 нм, что обеспечивается энергией 0,5 – 1,5 кэВ, т.е.

при 1,5 – 2,5 кВ.

ВЧ

Токовый интервал 1-2

сммА обеспечивает интенсивную бомбарди-

ровку поверхности, создавая поток ионов . Учитывая, что время

взаимодействия иона с атомом вещества составляет с [73], реали-

зуемый ионный поток не насыщает всех связей поверхности, однако даль-

нейшее форсирование режима в условиях разряда связано со снижением об-

щего давления в камере, что в свою очередь приведет к рассеянию пучка, т.е.

к обратному эффекту.

1216

−−−

ссм

1510

1010

−−

−

Из ряда работ по исследованию механизмов ИХО следует, что основ-

ной активной частицей, обусловливающей высокие скорости обработки, яв-

ляется F. Из анализа скоростей обработки в гомологическом ряду [75] видно,

что скорость травления коррелирует с фторъемкостью молекулы (табл.5).

Таблица 5

Зависимость скорости травления кварца от

фторъёмкости молекулы плазмообразующего газа.

Аналогичные результаты получены и при ИХО стекла К8.

Зависимость скорости травления стекла К8 от состава плазмообразую-

щего газа, мкм/ч:

СF

....................... 3,0

CF C1 ...................... 2,2

CH CI ...................... 1,3

Известный факт увеличения скорости травления Si при добавлении

связывается с увеличением концентрации атомов F в смеси CF + 0 при уве-

личении содержания кислорода . В частности, в работе [76] замечено непре-

рывное возрастание интенсивности характеристических линий F ( 704 нм)

при добавлении в пределах 15 % и последующий спад. Аналогичный вид

имеет зависимость скорости травления от содержания в смеси + ,

т.е. скорость травления Si коррелирует с концентрацией F.

СF

В связи с этим целесообразно использовать газ с фторъемкими моле-

кулами, например S для получения более высоких скоростей обработки. В

табл.6 приведены скорости съема поверхностного слоя для ряда стекол в ат-

мосфере Аг, , S .

СF