光学材料的干法刻蚀研究

摘 要：本文对化学材料二氧化硅的干法刻蚀工艺进行研究，运用反应离子刻蚀设备对二氧化硅进行了刻蚀实验，通过对不同工艺条件下二氧化硅的刻蚀速率、均匀性等参数对比，最终得出了二氧化硅等同类光学材料最佳的干法刻蚀工艺条件。

关键词：光学材料;干法刻蚀;二氧化硅;工艺条件

1.反应离子刻蚀的基本原理分析

射频辉光放电后会使反应气体被击穿从而产生刻蚀所需要的等离子体，等离子体中不仅包含正离子和负离子，同时也含有可以与刻蚀样品表面发生反应的游离基和自由电子，这便是反应离子刻蚀中应用化学作用进行刻蚀的基本原理。而阴离子和阳离子在电场作用下可以射向刻蚀样品的表面，从而实现对刻蚀样品的物理轰炸，这便是反应离子刻蚀中应用物理作用的基本原理，而通过物理作用和化学作用的结合便可以完成对样品的刻蚀。

2.反应离子刻蚀工艺研究内容及方法

关于光学材料在不同工艺条件下的反应离子刻蚀研究，在实验过程中将实验硅片作为基础材料，并通过CVD技术使实验硅片生成实验所需要的二氧化硅层，在一定的沉积工艺条件下保证所制备的二氧化硅薄膜具有实验所需要的各种性质，并保证其致密性、折射率等都可以达到光学材料所具备的相应标准，这样才能确保实验结果在光学材料干法刻蚀应用中的有效性。二氧化硅膜在满足标准后要对其均匀性进行检测，可以运用椭偏仪对二氧化硅膜的厚度与折射率进行测量，这样才能使实验结果完全可以代表硅片表面在干法刻蚀工艺中的实际膜厚，对保证该实验结果的合理性、科学性、准确性以及有效性有着重要意义。反应离子刻蚀工艺实验过程中将CHF3作为刻蚀气体，当刻蚀气体在反应室遇到辉光放电会发生下列化学反应：

CHF3+e-CHF2++F（游离基）+2e-

而在化学反应之后所生成的游离基可以与样品表面的SiO2发生以下反应：

SiO2+4FSiF4+ O2

二氧化硅在化学反应中所分解出来的氧离子会与CHF2+基团发生反应，并可以释放出多种挥发性气体，在刻蚀工艺中需要将这些气体从反应腔体中彻底抽出。刻蚀实验后要对剩余的二氧化硅膜进行再次测量，通过与第一次测量数据的对比便可以通过定量计算的方式来确定刻蚀速率及均匀性等，这也是该实验最后所需要的研究的各项干法刻蚀参数。

3.反应离子刻蚀工艺实验结果分析

本文在实验过程中通过改变反应离子刻蚀工艺条件来获取实验结果，表1是不同氧气流量下二氧化硅的刻蚀速率及选择比，基于四次实验结果对反应离子刻蚀工艺条件变化对刻蚀速率、均匀性等方面的影响进行分析。

图1是本文通过实验结果对氧气流量与选择关系的分析。

（1）刻蚀气体流量对刻蚀效率的影响。通过实验结果我们可以分析出刻蚀气体流量与样品刻蚀效率的对比关系，在实验中不断加大刻蚀气体流量会使反应气体浓度不断上升，从而使二氧化硅在刻蚀过程中表面受到的化学作用和物理作用更加充分，这在很大程度上提高了样品的整体刻蚀效率，但随着气体流量逐渐接近饱和状态，真正参与化学作用和物理作用的气体十分有限，这样便会导致样品在刻蚀过程中的刻蚀效率受到很大限制。如果气体流量在气体达到饱和状态后依旧增加，这样会使反应离子之间的碰撞更加激烈，离子碰撞会消耗其自身一定的能量，而这会在很大程度上削弱离子的物理作用，从而导致样品在实验过程中的刻蚀效率受到很大削弱，所以，接近饱和状态的气体流量是最佳工艺条件，其对提高刻蚀效率、节约气体资源有着重要作用。

（2）温度和气体压强对刻蚀效率的影响。光学材料在干法刻蚀过程中，由于化学作用和物理作用，会使粒子在相互碰撞及撞击样品表面的过程中产生一定的热量，而热量过高则会导致二氧化硅样品表面受到损伤，因此，反应离子刻蚀过程中需要通过冷却系统来对样品表面温度进行控制，在实验过程中对二氧化硅样品进行温度控制不会对刻蚀效率产生影响，或者是温度变化对二氧化硅表面的刻蚀效率有着很小的影响。在实验过程中，将射频功率和气体流量控制在稳定条件下，逐渐增大气体压强，并对实验结果进行对比，发现当气体压强逐渐升高的时候刻蚀效率会有很大提升，这是因为气体压强的增加会使反应室中的反应气体的浓度也随之增加，这样便在很大程度上提高了化学反应的效率，从而使二氧化硅样品表面的整体刻蚀效率也有很大提升，但是在气体压强增加到一定程度时会使反应离子接近或达到饱和状态，此时如果继续增大气体压强则会加速粒子之间的碰撞使其能量被消耗，很大程度上限制刻蚀效率。

4.结语

通过光学材料的干法刻蚀实验，我们可以证明射频功率、反应气压、气流量以及样品冷却温度等因素在光学材料的干法刻蚀过程中都会对其刻蚀速率及均匀性产生一定影响，所以在光学材料干法刻蚀工艺中，我们可以通过控制上述几个因素，通过改变刻蚀工艺条件来将刻蚀速率与均匀性控制在最佳水平。

（作者单位：浙江海洋学院）