遠端等離子體源特性與拋光工藝研究.pdf

1、真空等離子體刻蝕拋光技術(shù)是一種新興的、高效的、有潛力的光學元件表面加工技術(shù)，可以獲得傳統(tǒng)機械拋光技術(shù)難以達到的加工效果，尤其是中大口徑非球面光學元件的超光滑表面加工制造，受到了相關(guān)行業(yè)的關(guān)注并已廣泛應用于半導體及光學元件制造領(lǐng)域，成為微電子學和微納米光學制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。針對光電裝備及武器系統(tǒng)中光學元件超高精度、高反射率及超低損傷的技術(shù)要求，需要開發(fā)一種高效、精密的光學零件加工方法，以滿足光電裝備對批量、高精度光學元件制造的迫切需求。

2、自由基真空等離子體拋光技術(shù)因其自身特殊的拋光機理，對材料可實現(xiàn)原子量級的化學反應去除，同時不會對材料造成表面及亞表面損傷，以此獲得超光滑表面。
　　本文圍繞RPS(Remote Plasma Source)微波真空等離子體刻蝕拋光系統(tǒng)的搭建、離子源特性以及碳化硅和熔石英兩種材料的拋光工藝進行了初步研究。自主設(shè)計搭建的拋光系統(tǒng)實驗平臺，配備有真空檢測系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、恒壓控制系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)，以滿

3、足RPS微波源的工作條件，從而產(chǎn)生大面積均勻穩(wěn)定的活性自由基，開展離子源特性以及光學元件的刻蝕拋光工藝實驗研究。
　　等離子體激發(fā)的活性自由基粒子與被加工材料直接發(fā)生化學反應，其濃度、溫度及分布狀況對拋光過程有著重要作用。文中采用發(fā)射光譜診斷分析法，通過洛倫茲擬合及Stark展寬法來估算等離子體的電子密度，利用光譜強度值計算不同位置處等離子體的電子溫度。分別研究了工作氣壓、氬氣流量、刻蝕氣體流量比、微波源功率、基片臺轉(zhuǎn)速、偏壓功率

4、以及刻蝕時間對熔石英基片刻蝕速率及表面粗糙度的影響情況，明確了等離子體特性和刻蝕效果評價指標之間存在的關(guān)系;利用三因素三水平的正交實驗研究了微波功率、射頻偏壓功率及刻蝕氣體流量比對碳化硅材料的刻蝕工藝，分析了工藝因素對刻蝕機理的影響規(guī)律。最后，通過復合工藝實驗利用射頻磁控濺射技術(shù)并結(jié)合RPS和ICP刻蝕拋光技術(shù)對光學元件基片進行平坦化處理再刻蝕拋光的工藝實驗研究，分析了不同工藝處理前后光學元件表面粗糙度及反射率的演變規(guī)律。主要研究結(jié)果如

5、下:
　　(1)設(shè)計并搭建了RPS-350微波等離子體刻蝕拋光系統(tǒng)，為下一步研究等離子體源特性及拋光工藝實驗提供了條件;
　　(2)微波自由基等離子體的電子密度約1016量級，不同位置不同功率下的電子溫度不同，整體電子溫度范圍為1300～8800K，腔室內(nèi)自由基分布具有良好的均勻性;
　　(3)熔石英材料的最佳刻蝕工藝參數(shù)為:工作氣壓120Pa、刻蝕氣體(CF4∶O2)流量比50∶30、微波源功率1800W、基片臺轉(zhuǎn)速

6、20rpm、直流偏壓50V、刻蝕時間30min，此時的刻蝕速率達到2.4nm/min，同時也驗證了自由基粒子均勻分布及刻蝕的均勻性;
　　(4)碳化硅材料正交刻蝕實驗的三個因素中，影響刻蝕速率的主次順序:微波功率＞射頻偏壓功率＞刻蝕氣體流量比，影響表面粗糙度的主次順序:微波功率＞刻蝕氣體流量比＞射頻偏壓功率，得到的最佳刻蝕工藝參數(shù)為:微波功率2000W，刻蝕氣體流量比50∶20，射頻偏壓功率50W，工作氣壓120Pa，刻蝕時間5m

7、in;
　　(5)復合工藝實驗中，利用正交實驗法在碳化硅表面獲取最佳平坦化層薄膜沉積參數(shù):靶基距為4.4cm，Ar流量為40sccm，工作氣壓為1.2Pa，射頻功率120W。通過RPS微波等離子體刻蝕180s后，原基底表面粗糙度由2.3nm降低到1.8nm，表面反射率較原樣片下降一個百分點;
　　(6)ICP最佳刻蝕工藝參數(shù):RF功率150W、工作氣壓1Pa、射頻偏壓50W、刻蝕氣體流量比(CF4∶O2)25∶5，該參數(shù)下刻