光学元件表面真空等离子体处理与工艺研究

摘要

等离子体加工技术具有传统加工方法难以达到的加工效果，已经广泛应用于微电子学和光学元件制造领域。针对目前在光学元件加工过程中存在的具体的实际问题，将真空等离子体加工技术引入到超光滑表面制造的工艺环节之中，目的在于通过真空等离子体所产生的活性基团和离子的化学反应快速的去除被加工元件表面;在快速去除数控精密磨削过程中所形成刀痕的同时，对材料的表面和亚表面缺陷进行有效去除，从而降低光学元件的光学损耗。
　　以在科研工作中遇到的实际问题作为切入点，设计了射频电容耦合方式的等离子体源，并在现有设备基础上建立了刻蚀工艺实验平台，实现了电容耦合射频等离子体源放电，且利用Langmuir单探针对等离子体特性进行诊断分析。分别展开电容耦合等离子体(CCP)和电感耦合等离子体(ICP)对石英玻璃表面加工工艺研究，研究了射频功率、工作压强、Ar流量、O2流量、CF4流量和刻蚀时间等工艺参数对石英玻璃表面粗糙度和刻蚀速率的影响;并初步探讨真空等离子体对石英玻璃的去除机理。
　　实验结果表明:ICP-98A对石英玻璃表面处理工艺实验的最佳工艺参数，射频功率为180W，工作压强为2Pa，Ar流量为70sccm，O2流量为10sccm，CF4流量为30sccm和刻蚀时间为1h;在此工艺参数下，施加射频偏压对石英玻璃表面粗糙度有所改善，表面处理效果比较理想，粗糙度能够达到1.19nm，刻蚀速率为153.33nm/h，刻蚀速率与等离子体物理溅射刻蚀速率相比有明显的提高。石英表面等离子体刻蚀后，面形精度由0.32λ提高到0.08λ。采用IBE-3000S型离子束刻蚀机，距离离子源80mm，气压5×10-2Pa，射频功率250W，Ar流量10sccm，束流电压1200V为最优工艺参数，其对石英的最大定点刻蚀速率可达478.7nm/min，刻蚀斑直径约为13mm;由此可见使用聚焦结构的刻蚀速率比平行结构的定点刻蚀速率明显提高，但如要配合多轴运动控制系统实现大口径加工，则刻蚀效能降低。研究了射频电源功率和Ar流量对PC3-1500型光刻胶薄膜影响，实验结果表明ICP对光刻胶薄膜能够实现快速去除的同时对表面粗糙度的影响不显著。
　　而本文设计的CCP源能稳定工作，重复性好，能实现稳定的自持放电，产生明亮的辉光。采用朗缪尔单探针诊断等离子体，实验结果表明Ar等离子体的电子温度kTe和电子密度ne随射频电源功率增加而增加。在Φ20mm范围内，其径向均匀性达到土4％，均匀性相对较好。利用CCP对石英玻璃表面进行刻蚀工艺实验，实验获得最佳工艺参数为工作间距5mm，工作压强50Pa，射频功率80W，Ar流量20sccm，O2流量20sccm和CF4流量40sccm，此时对石英玻璃表面的刻蚀速率为1.93nm/min，经过处理后的石英玻璃表面粗糙度从2.35nm下降到1.37nm。改进后的等离子体源刻蚀后表面粗糙度优于1.18nm，面形精度由0.25λ提高到0.1λ;最后，CCP处理PC3-1500型光刻胶薄膜后，表面粗糙度优于0.91nm，效果优于ICP，但刻蚀速率不及ICP。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 超光滑表面加工方法简介

1．2．1 单点金刚石切削

1．2．2 磁流变抛光技术

1．2．3 离子束抛光技术

1．2．4 等离子体抛光技术

1．3 国内外真空等离子体加工技术的研究现状

1．4 论文研究内容和论文结构

2 等离子体与表面处理技术

2．1 等离子体概述

2．2 等离子体发生与诊断技术

2．2．1 射频电容耦合放电等离子体

2．2．2 射频电感耦合放电等离子体

2．2．3 等离子体诊断技术

2．3 等离子体刻蚀机理

2．3．1 等离子体溅射刻蚀

2．3．2 反应离子刻蚀

2．4 课题研究方案和测试仪器

2．4．1 研究方案

2．4．2 试验检测仪器简介

3 电感耦合等离子体表面处理工艺研究

3．1 电感耦合等离子体刻蚀实验装置

3．2 电感耦合等离子体物理刻蚀工艺实验

3．2．1 射频功率对物理刻蚀的影响

3．2．2 Ar流量对物理刻蚀的影响

3．3 电感耦合反应等离子体刻蚀工艺实验

3．3．1 射频功率对粗糙度和刻蚀速率的影响

3．3．2 Ar流量对粗糙度和封蚀速率的影响

3．3．3 O2流量对粗糙度和刻蚀速率的影响

3．3．4 CF4流量对粗糙度和刻蚀速率的影响

3．3．5 工作气压对粗糙度和刻蚀速率的影响

3．3．6 刻蚀时间对粗糙度和刻蚀速率的影响

3．3．7 射频偏压对粗糙度的影响及面形精度分析

3．4 离子束刻蚀速率影响因素工艺实验

3．4．1 工作间距对刻蚀速率的影响

3．4．2 功率对刻蚀速率的影响

3．4．3 工作气压对刻蚀速率的影响

3．4．4 Ar流量对刻蚀速率的影响

3．4．5 束流电压对刻蚀速率的影响

3．4．6 束流开关频率对刻蚀速率的影响

4 电容耦合等离子体发生装置与工艺研究

4．1 电容耦合等离子体结构设计与诊断

4．1．1 等离子体源结构设计

4．1．2 电容耦台等离子体诊断

4．2 电容耦合等离子体表面处理工艺研究

4．2．1 工作间距对粗糙度和刻蚀速率的影响

4．2．2 功率对粗糙度和刻蚀速率的影响

4．2．3 气压对粗糙度和刻蚀速率的影响

4．2．4 Ar流量对粗糙度和刻蚀速率的影响

4．2．5 O2流量对粗糙度和刻蚀速率的影响

4．2．6 CF4流量对粗糙度和刻蚀速率的影响

4．3 等离子体源结构的改进

5 多种方式结合的表面加工方法初步研究

5．1 技术路线

5．2 光刻胶薄膜ICP刻蚀工艺实验

5．2．1 射频功率对光刻胶刻蚀的影响

5．2．2 Ar流量对光刻胶刻蚀的影响

5．3 光刻胶薄膜CCP刻蚀工艺实验

5．3．1 射频功率对光刻胶刻蚀的影响

5．2．2 Ar流量对光刻胶刻蚀的影响

6 结论

参考文献

致谢

声明