Диссертация (1143771), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Это связано с наличием у негоуникального сочетания пироэлектрических, электрооптических, нелинейнооптическихипьезоэлектрическихсвойств(некоторыесвойстваLiNbO3приведены в таблице 1.3). Данный материал искусственно синтезируется и вприроде не встречается. Основная проблема синтеза монокристаллов LiNbO3состоит в том, что такие кристаллы являются фазами переменного состава и, всоответствии с диаграммой состояния [84], имеют относительно широкую областьгомогенности.
Отклонение состава шихты от стехиометрического приводит кпоявлению неоднородностей состава выращиваемых кристаллов, что сильновлияет на его свойства. Именно в этой связи на протяжении несколькихдесятилетий ведутся активные исследования структуры, способов синтеза,обработки и свойств данного материала [95–103].Монокристаллический ниобат лития является основой для созданияприборов оптической промышленности. В последние годы на этих кристаллахреализован целый класс функциональных и цифровых интегрально-оптических30схем (ИОС), таких как переключающие матрицы, анализаторы спектра, СВЧфазовые и амплитудные модуляторы, голографические элементы памяти,биомедицинские устройства, а также датчики физических величин [99, 100, 102107].
Применение ниобата лития в качестве основного материала современнойнелинейной оптики, электрооптики и акустоэлектроники обусловлено высокимизначениями электро-, акусто и нелинейно-оптических коэффициентов [108-112].Кроме того, приборы, изготовленные на основе ниобата лития, нашли широкоеприменение в автомобильной и нефтяной промышленностях, а также вавиадвигателестроении [95].Таблица 1.3. Основные свойства монокристаллического ниобата лития [103, 113–116]Основные свойства LiNbO3Температура плавления1255 °СПлотность4630 кг/м3Твердость5 по шкале Моосаaa = 16.7·10-6 К-1Коэффициент теплового расширенияac = 5·10-6 К-1Молярная масса147.85 г/мольЭлектропроводностьДиэлектрикεa = 85Диэлектрическая постояннаяεc = 29Удельное сопротивление2⋅108 Ом·мПоказатель преломления2.20-2.29Теплопроводность4.60 Вт/м·КДиапазон прозрачности350-5000 нмТеплоемкость630 Дж/(кг·К)Ниобат лития характеризуется структурой, состоящей из гексагональнойупаковки атомов кислорода, в которой октаэдрические пустоты упорядоченнозаполнены на 1/3 ниобием и на 1/3 литием, оставшаяся треть остается пустой(рис.
1.17).Существует три основных типа (стандартных) среза монокристаллическогониобата лития X, Y и Z, а также повернутые срезы – 128°YX, 41.5°YX. На данныймомент подавляющее большинство оптических и акустооптических системпроизводят на основе Z–среза LiNbO3 (рис. 1.18) [117, 118], а для созданияволноводов, гироскопов для морской и авиационной навигации, а также при31изготовлении узкополосных интерференционно-поляризационных фильтров свысокой стабильностью используются подложки X - среза [116, 117].Рис. 1.17.
Пространственное строение LiNbO3 [116, 117].Рис. 1.18. Ориентация кристаллографических осей LiNbO3 [117].Важной особенностью ниобата лития является возникновение упругихнапряжений в кристалле при наличии градиента температур, которые могутпривести к растрескиванию LiNbO3 [103].Плазменное травление монокристаллического ниобата лития в последниегоды становится все более актуальным вопросом. Травлению LiNbO3 в плазмахSF6, CHF3, C4F8, CF4, BCl3 и их смесях с Ar/N2/O2 посвящено достаточно многоработ[104,110,119-121].Травлениениобаталитиявплазмахгалогеносодержащих газов характеризуется относительно низкими скоростями.Как правило, скорости травления лежат в диапазоне от 50 до 200 нм/мин при ВЧ32мощностях источника индуктивно-связанной плазмы до 1500 Вт [104, 111, 112,122-126].
Скорость травления может быть увеличена до 500 нм/мин за счетодновременного увеличения ВЧ мощности, подводимой в разряд плазмы (до3 кВт) и напряжения смещения [68].Достижениевысокихскоростейтравлениявозможнотолькоприправильном выборе сочетания целого ряда параметров процесса, таких как составгазовой смеси, определяемый как типом использующихся газов, так и расходами(Qx, x – наименование газа) отдельных газовых компонент, давление (P) вреакционной камере, напряжение смещения (Ub) на ВЧ электроде с держателемподложки и др.Зависимость скорости травления ниобата лития от давления в реакционнойкамере является сложной функцией (рис.
1.19). В работе [104] утверждается, чтооптимальные значения давления в реакционной камере для достижениямаксимальных скоростей травления LiNbO3, лежат в диапазоне от 10 до 15 мТорр.Рис. 1.19. График зависимости скорости травления LiNbO3 от давления в реакционной камере[104].Особуюсложностьвызываютпроцессыглубокогонаправленногоплазменного травления LiNbO3.
В плазме фторсодержащие газы разлагаются собразованиемрадикаловфтораF*,вступающихвреакциюс33монокристаллическим ниобатом лития, образуя нелетучие (LiF) и летучиефториды (NbF5, NbOF3, OF2 и т.д.) [103, 127].LiNbO3 + F*→LiF↓ + NbFx↑ + O2↑ + OF2↑ + … (1.2).Нелетучее соединение LiF (рис. 1.20), замедляет скорость травления илиполностью останавливает процесс, а также оказывает ключевое влияние нашероховатость получаемой поверхности [103, 127-129].Рис. 1.20.
Дифрактограмма продукта образовавшегося после процесса плазменного травленияниобата лития в SF6 плазме [129].В работах [128, 130] изучалось термическое плазменное травление LiNbO3.Было продемонстрировано, что при температуре подложки до 450 К травлениехарактеризуется низкими скоростями. Однако при превышении этой температуры(или близкой к ней, в зависимости от плотности мощности), скорость травлениярезко росла вплоть до температур 575-650 К, где и достигала своегомаксимального значения (рис.
1.21).34Рис. 1.21. График зависимости скорости травления LiNbO3 (1-4) и Si (5) от температурыподложки при разных технологических параметрах [130].Интересен характер зависимости скорости травления монокристаллическогониобата лития от процентного содержания вспомогательных газов, добавляемых косновному газу-травителю. Так, в работе [93] рассмотрены зависимости скороститравления LiNbO3 от добавки к основному газу-травителю (SF6) кислорода (O2),аргона (Ar), азота (N2) и воздуха (рис. 1.22-23).Рис.
1.22. График зависимости скорости травления LiNbO3 от процентного содержания O2(1-4) при различных значениях технологических параметров [103].Как видно из рис. 1.22, несмотря на разные значения технологическихпараметров,характерзависимостискороститравленияLiNbO3остаетсяпостоянным и имеет пиковое значение в диапазоне от 15 до 30 %.35Рис. 1.23. График зависимости скорости травления LiNbO3 от процентного содержания Ar (1),N2 (2) и воздуха (3) [103].Характер зависимости скорости травления ниобата лития от содержанияпрочих добавочных газов (Ar, N2, воздух) в смеси такой же, как и при добавкекислорода.
Однако стоит отметить, что максимальные скорости травлениядостигаются в диапазоне от 30 до 50% для различных газов разбавителей(рис. 1.23).Другой способ повышения скорости травления LiNbO3 был предложен вработах [124, 131]. В работе [131] было показано, что скорость травленияподложек при имплантации ионов О2+ с дозой, достаточной для их аморфизации(5 МэВ), в 3 раза выше, чем скорость травления не имплантированных подложекпри травлении в плазме CF4/CHF3. Этот результат демонстрирует еще одинвозможный способ повышения производительности процессов ПХТ.Следует отметить, что оптимизированный для промышленного примененияпроцесс, предполагает не только высокие скорости травления, но и высокоекачество поверхности структур травления.
Авторы работы [129] исследоваликачество поверхности LiNbO3 после процесса плазмохимического травления до ипосле удаления слоя LiF. Установлено, что шероховатость поверхности зависитне только от того удален слой LiF или нет, или от степени предварительнойобработки поверхности пластины (полированная подложка или шлифованная), нои от глубины травления.36Проанализировав имеющиеся литературные данные, можно заключить, чтов настоящее время плазмохимическое травление монокристаллического ниобаталития является актуальной, но весьма сложной задачей [95-103].
Наибольшуюпроблему при травлении глубоких структур в подложках ниобата лития вофторсодержащей плазме вызывает образование нелетучего соединения LiF на днеобласти травления [124, 129]. Термостимулированные процессы травленияLiNbO3 остаются исследованными в незначительной степени. Например, авторыработ [128, 130] не изучали влияние температуры подложки на профильвытравливаемых структур и не обсуждали проблемы, возникающие при нагревеподложек LiNbO3, связанные с возникновением упругих напряжений в кристаллепри температурном градиенте, которые могут привести к растрескиванию LiNbO3.На сегодняшний день ПХТ LiNbO3 является недостаточно изученным и малоэффективным процессом с точки зрения значений скоростей травления.
Крометого, не рассматривалась возможность глубокого (более 10 мкм) травления.Типичныеглубины,получаемыеприплазмохимическомтравлениимонокристаллического ниобата лития, лежат в диапазоне от 500 нм до 10 мкм[110, 124-126, 132-134, 135, 136]. В подавляющем большинстве работ,направленных на получение поверхностного рельефа на подложках LiNbO3,скорости травления лежат в диапазоне от 50 до 150 нм/мин при ВЧ мощностяхисточника индуктивно-связанной плазмы до 1000 Вт [111, 112, 122, 123] и могутбыть увеличены до 350 нм/мин за счет увеличения ВЧ мощности, подводимой вразряд плазмы до 2000 Вт [124, 125].Результатыпредставляетвыполненногоизучениеанализапроцессовпоказали,чтотермостимулированногоособыйинтересПХТLiNbO3,исследование влияния температуры на скорость травления ниобата лития и напрофильполучаемыхструктур,атакжеэкспериментальноеизучениевозможности создания вертикальных структур глубиной более 10 мкм вподложках ниобата лития и получение структур глубиной более 100 мкм, сотносительно высокими скоростями (более 400 нм/мин).371.4Выводы из аналитического обзора литературы и постановка задачиисследованийАнализ литературных источников показал, что в настоящее времямонокристаллический кварц, карбид кремния и ниобат лития благодаря своимуникальнымфизико-химическимсвойствам,относятсякматериалам,представляющим большой интерес для использования в микроэлектронике,оптоэлектронике, оптике, микросистемной технике и т.д., причем для создания наих основе различных приборов необходимо применять глубокое направленноетравлениелокальныхучастковповерхностиограниченныхразмеров.Плазмохимическое травление является одним из наиболее подходящих методовдля решения такой задачи, однако имеющиеся в литературе данные являютсянедостаточными для разработки на их основе технологий, удовлетворяющихтребованиямпромышленности.Так,например,отсутствуютданныеотермостимулированных процессах ПХТ монокристаллического кварца и карбидакремния в широком диапазоне температуре (100–350 °С), не изучен вопросвлияния температуры на формирование вертикальных и гладких структур наподложках ниобата лития.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
