Диссертация (1143771), страница 4
Текст из файла (страница 4)
1.10. Ориентация кристаллографических осей обработанного кристалла кварца и основныетипы срезов пьезоэлементов. Ось Х называется электрической, ось Y – механической, а ось Z –оптической [63].Таблица 1.2. Основные свойства кварца [64-66]Основные свойства SiO2Температура плавленияПлотностьТвердостьКоэффициент теплового расширенияМолярная массаЭлектропроводностьДиэлектрическая проницаемостьЭнергия связиУдельное сопротивлениеПоказатель преломленияТеплопроводностьТеплоемкость1728 °С2600-2650 кг/м37 по шкале Мооса0,54⋅10-6 К-160.08 г/мольДиэлектрик3.5-4.5374-445 кДж/моль1012-1013 Ом·м1.410-1.5516.9-12.2 Вт/м·К750 Дж/кг·К23Целенаправленное формирование высокоточных и высококачественныхмирко- и наноструктур на поверхности подложек из кварца или кварцевого стеклапредставляет собой достаточно сложную задачу.
На сегодняшний день наиболеераспространенным и эффективным методом формирования заданного микро- илинанорельефанаповерхностикварцаявляетсянаправленное"сухое"плазмохимическое травление во фторсодержащих средах (CF4, CHF3, C4F8, SF6,C4F8) с добавками инертных газов [12, 58, 67, 68, 69]. В плазме они разлагаются собразованием радикалов фтора F*, вступающих в реакцию с кварцем собразованиемчетырёхфтористогокремнияSiF4,являющегосялетучимсоединением при температурах свыше 359 К [3, 70, 71]:4F* + SiO2→SiF4↑ + O2↑(1.1).Однако, как отмечается многими исследователями [62, 68-70, 72-74],использование данного метода для травления таких материалов сопряжено снеобходимостью решения ряда проблем, обусловленных недостаточно высокойскоростью травления, низкой селективностью по отношению к материалу маски,шероховатостью поверхности травления и отклонением от вертикальностибоковых стенок профиля травления.
В случае травления на глубину порядкаединиц или десятков микрометров все эти проблемы успешно преодолеваютсяпутем оптимизации технологических параметров процесса реактивного ионноготравления с использованием источников индуктивно-связанной плазмы (ИСП)[13, 62, 73-75].Скоростьтравленияопределяетсяцелымрядомтехнологическихпараметров: мощность ВЧ разряда, химия плазмы, давление в реакционнойкамере, скорость подачи газовой смеси, напряжение смещения на держателеподложки и т.д.В ряде работ [62, 76] авторам удалось достичь высоких скоростей травления(порядка 600 нм/мин) монокристаллического кварца за счет увеличенияфизическойсоставляющейпроцесса плазменноготравленияспомощью24увеличения напряжения смещения (порядка -340 – -390 В), подаваемого наподложкодержатель.Еще одним распространенным и эффективным методом повышенияскорости травления SiO2 является увеличение мощности ВЧ источникаиндуктивно-связанной плазмы. ИспользуяВЧисточникис повышенноймощностью, удается достичь скоростей травления свыше 650 нм/мин [68, 69, 73,77] при мощностях более 1.5 кВт.Нельзя не отметить и другие подходы, основанные на увеличении скороститравления за счет каталитической и термической стимуляции процесса ПХТ.Например, по данным [78] каталитическое плазмохимическое травление кварцапод пленкой серебра позволяет получить рекордно высокие (до 2.5 мкм/с)значения скорости травления кварца.ЧтокасаетсятермическойстимуляциипроцессаПХТмонокристаллического кварца, можно отметить, что в работе [76] былопродемонстрировано, что при увеличении температуры от 233 К до 293 Кскорость травления незначительно растет с 573 нм/мин до 604 нм/мин придавлении 0.2 Па и с 400 нм/мин до 562 нм/мин при давлении 0.8 Па (рис.
1.11).Данных о влиянии более высоких температур подложки на скорость травлениямонокристаллического кварца в литературе обнаружено не было.Ещеодним стандартным методом повышенияскороститравлениямонокристаллического кварца является добавка кислорода или инертного газа косновному газу-травителю. При таком способе, скорость травления являетсянемонотонной функцией состава газовой смеси.
Например, известно, что придобавлении кислорода к основному фторосодержащему газу-травителю, скоростьтравления SiO2 сначала повышается и достигает своего максимума приопределенной концентрации кислорода. Дальнейшее увеличение концентрации О2в смеси ведет к снижению скорости травления [12]. Так, авторам работы [79]удалось повысить скорость травления кварца с 390 нм/мин при ПХТ в чистомгексафториде серы до 520 нм/мин при добавке к SF6 около 25% O2 (см. рис.
1.12).Кроме того, было установлено, что добавка O2 положительно влияет на качество25структуры поверхности травления, а именно ведет к уменьшению шероховатостидна и стенок окна травления [80].Рис. 1.11. График зависимости скорости травления SiO2 от температуры подложки [76].Рис. 1.12. График зависимости скорости травления SiO2 от концентрации кислорода в газовойсмеси с SF6 [79].Неоднозначные результаты получаются в ходе исследований зависимостискорости травления от давления в реакционной камере. По данным однихисследователей данная зависимость имеет сложный нелинейный характер(рис. 1.13) [81], тогда как результаты работ [74, 76, 80, 82] свидетельствуют омонотонном уменьшении скорости травления с ростом давления в реакционнойкамере (рис.
1.14).26Рис. 1.13. График зависимости скорости травления SiO2 и селективности по отношению к маскеот давления в реакционной камере [81].etching depth, µm10etching rateetching depth0.2880.24640.2200.160481216 20chamber pressure, mTorrРис. 1.14. График зависимости скорости травления SiO2 от давления в реакционной камере [74].Влияние давления в реакционной камере на качество (шероховатость)поверхности травления отмечалось в работах [62, 70, 76, 83], в которых показано,что с уменьшением давления шероховатость вытравливаемых структур снижаетсяи, кроме того, имеет место увеличение направленности процесса травления – уголнаклона боковых стенок стремится к 90° [83].Присозданиипроцессавысокоскоростногоглубокогоплазменноготравления кварца возникает серьезная проблема, связанная с тем, чтоэффективным методом повышения скорости в классических процессах травленияявляется одновременное повышение мощности источника индуктивно связанной27плазмы и напряжения смещения подаваемого на подложкодержатель.
Однакоувеличение значений обоих этих параметров негативно сказывается на качествеповерхности травления и приводит к дефектообразованию на поверхности днаокон травления (рис. 1.15–16). В этом случае рост дефектообразования наповерхности травления монокристаллического кварца, по всей видимости, связанс преобладанием физической составляющей процесса плазменного травления надего химической составляющей [79].
Стоит также отметить, что кратковременнаяочистка поверхности травления SiO2, при высоком значении напряжениясмещения (более -900 В) [84, 85] до начала процесса ПХТ позволяет избавиться отданного типа дефектов.25 Вт45 Вт35 Вт65 ВтРис. 1.15. Микрофотографии дна окон, протравленных в монокристаллическом кварце приразличных значениях мощности смещения [81].28600 Вт860 Вт700 Вт880 Вт840 Вт900 ВтРис. 1.16. Микрофотографии дна окон, протравленных в монокристаллическом кварце приразличных значениях мощности источника индуктивно связанной плазмы [81].Проведенный литературный анализ позволяет сделать выводы о том, чтопроцесс плазмохимического травления монокристаллического кварца является вдостаточной степени изученным, однако не было обнаружено данных о влияниитемпературы подложки на скорость травления и характер профиля травленияполучаемых структур.
Повышение скорости травления осуществляется спомощью стандартных и хорошо изученных подходов, таких как увеличениемощности (> 1500 Вт) и напряжения смещения (340-390 В) [62, 76]. Средниескорости травления SiO2 составляют от 200 до 750 нм/мин [68, 84-92]. Отдельностоит отметить результаты работ авторов [87, 93], которым удалось достичьрекордныхскоростейтравлениямонокристаллическогокварца(порядка1.2 мкм/мин) при глубине травления 120 мкм.
Однако данные результаты былиполучены при использовании установки с ИСП, оснащенной системоймногополюсного магнитного поля, что ведет к значительному увеличению29плотности плазмы, причемданный результат был достигнут при значениимощности источника 2300 Вт. В недостаточной степени изучены и процессыформирования глубоких (> 150 мкм) структур в подложках SiO2. Типичныезначения глубины травления, достигаемые при травлении кварца, лежат вдиапазоне от 20 мкм до 120 мкм [13, 62, 67, 68, 77, 84–92].Вэтойсвязиособыйинтереспредставляютисследованиятермостимулированного процесса ПХТ SiO2, с целью изучения влияниятемпературы подложки на скорость травления и характер получаемого профилявытравливаемой структуры, а также изучение возможности формированияглубоких структур (более 200 мкм) в подложках кварца при пониженныхзначениях мощности (менее 1000 Вт) и напряжении смещения (менее 300 В).1.3.3 Монокристаллическийниобатлитияиособенностиегоплазмохимического травленияОдним из важнейших диэлектрических оптических материалов являетсямонокристаллический ниобат лития (LiNbO3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
