Сухое травление поликристаллических алмазных пленок

ТЕХНОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИ

СУХОЕ ТРАВЛЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК

А.В. Волков, Н.Л. Казанский, Г.Ф. Костюк, В. С. Павельев Институт систем обработки изображений РАН Самарский государственный аэрокосмический университет

Аннотация

Использование мощных СО2 лазеров в промышленности определяет актуальность создания силовых пропускающих дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для дальнего ИК-диапазона. Последние достижения в области газофазного синтеза позволяют получать поликристаллические алмазные пленки (АП) с оптическими и теплофизическими свойствами, близкими к свойствам монокристаллов. В предлагаемой статье показана возможность формирования дифракционного микрорельефа на алмазных пленках методами сухого травления. Описана технологическая схема получения микрорельефа с помощью ионно-химического травления алмазной подложки. Приведенные результаты измерений сформированного микрорельефа подтверждают перспективность предлагаемого подхода.

Введение

В работе [1] описана технология формирования микрорельефа ДОЭ с помощью селективной абляции поверхности алмазоподобной подложки излучением эксимерного УФ-лазера. В работах [1, 2] приведены результаты исследований изготовленных алмазных ДОЭ, предназначенных для фокусировки излучения ТО2-лазера, методом натурного эксперимента. Однако, описанная в [1] технология не позволяет формировать микрорельеф с разрешением (т.е. размером элементарной области структурирования), меньшим, чем 30-40 мкм, что резко сужает область применения синтезируемых ДОЭ. Кроме того, удаление графитизированного слоя с алмазной подложки после завершения процесса лазерной абляции представляет собой отдельную сложную технологическую операцию. В настоящей статье рассматривается возможность формирования микрорельефа на алмазных подложках с помощью технологий ионно-химического и плазмохимического травления [3].

Анализ возможностей сухого травления

Задача исследования возможности формирования заданного микрорельефа на поверхности алмазной пленки с помощью ионно-химического и плаз-мохимического травления решалась в два этапа.

На первом этапе было необходимо:

- принципиально решить вопрос о возможности ионно-химического и плазмохимического травления алмазных пленок,

- подобрать необходимые газы,

- исследовать и выбрать оптимальные технологические режимы ионно-химического травления (ИХТ).

В результате анализа литературных источников [4-8] было установлено, что создание микро-

рельефа на поверхности АП возможно при использовании следующих видов травления:

а) ионное травление в среде аргона с использованием ВЧ-диодной системы с отдельным источником ионов. При этом травление анизотропное и неселективное;

б) ионно-химическое травление с использованием ВЧ - диодных систем с катодной или/и анодной связями. В качестве рабочих газов могут быть использованы следующие смеси: ^г +O2) , O2, +O2 ), (№ +O2). При этом травление поверхности подложки анизатропно и селективно;

в) плазмохимическое травление в тех же средах что и в пункте б), с использованием объемных цилиндрических реакторов без перфоэкрана. Травление подложки в этом случае изотропное, высокоселективное.

Как следует из проведенного анализа, наиболее перспективным для формирования дифракционного микрорельефа на алмазных пленках представляется ионно-химическое травление (пункт б), являющееся анизотропным и селективным.

Режимы ионно-химического травления

алмазных пленок В ИСОИ РАН и СГАУ в настоящее время для создания микрорельефа на подложках из кварца, кремния, сапфира и т.д. используется установка УТП ПДЭ-125-009 («ИНТРА») ионно-химического травления пластин в ВЧ-разряде с магнитным полем.

При выборе конкретных режимов ИХТ АП на установке «ИНТРА» авторы руководствовались предыдущим опытом работы, принимая во внимание следующие соображения:

1. Все вариации режимов установки при травлении алмазных пленок должны лежать в области безопасной ее работы.

2. Для увеличения срока службы имеющихся от-качных средств необходимо отказаться от ис-

пользования чистого кислорода, поскольку откачка реактора установки осуществляется диффузионным насосом, пары масла которого находятся при высокой температуре. 3. Время непрерывного травления АП ограничивается временем перегрева мощного ВЧ-генератора, что может повлечь выход его из строя.

Перечисленным условиям удовлетворяют газовые смеси (Аг +02) и (N2 +02). Поскольку массы однократно ионизованных ионов аргона (40) и азота (28) значительно различаются, при прочих равных условиях коэффициент физического распыления, а, следовательно, и скорость травления будут выше при использовании смеси (Аг +02). Кроме того, при использовании смеси (^ +02) для ИХТ, возможно образование небезопасных соединений вида СК Таким образом, смесь (Аг +02) была выбрана в качестве рабочего газа.

Суммарный расход аргона и кислорода в экспериментах не превышал 2,5 л/час.

Содержание кислорода в смеси (Аг +02) варьировалось от нескольких процентов до 45-50%. При содержании кислорода в смеси (Аг +02) менее 10-15% скорость травления не превышала 140 А/мин. В этом случае, для отработки режимов травления АП в среде газовых смесей в качестве маски использовался химически стойкий лак ХВК-2А. Повышение содержания 02 в смеси (Аг +02) до 50% и наложение продольного магнитного поля относительно горизонтальной оси реактора позволяет повысить скорость ИХТ АП до 750 А/мин.

ВЧ-мощность, подводимая к реактору установки во время экспериментального выбора режима травления, находилась в пределах 550-600 Вт. Вариации ВЧ-мощности внутри указанной области определялись изменением полного импеданса плазмы среды (Аг +02).

Таким образом, была выработана оптимальная (для данных условий) среда травления - (Аг +02) с содержанием 02 около 50%, определены основные технологические режимы ИХТ АП и достигнута достаточно высокая скорость травления (около 750 А/мин).

Выбор материала маскирующего слоя Проведенный анализ возможностей сухой литографии и выработка режимов ИХТ позволили перейти к следующему этапу решения указанной задачи - выбору материала маски, стойкого к плазме (Аг +02). Время «жизни» такой маски должно быть не менее 100 мин (для достижения глубины травления АП в 7-8 мкм). На этом этапе на подложки из си-талла марки СТ50-05, стекла (К-8) и поликора вакуумными методами были нанесены следующие материалы: хром (Сг), ниобий (№), оксид ниобия (№205) и резистивный сплав РС 5402 (содержащий 54% никеля и 2% - хрома, остальное - кремний). Хотя методы нанесения этих материалов различны: взрывное испарение, резистивный нагрев сублима-

цией и ВЧ-магнетронное распыление, соответственно, параметры напыления были подобраны таким образом, что пленки всех перечисленных материалов имели одинаковую толщину (в диапазоне 1500-1700 А).

Эксперименты по травлению изготовленных образцов маскирующих материалов методом ИХТ на установке «ИНТРА» в режимах травления АП в среде (Аг+02) показали, что наибольшей стойкостью к плазме (Аг+02) обладают металлические пленки ниобия и его оксида №205. Кроме того, было установлено, что специально создавать пленку №205 (например, методом анодирования) нет необходимости, поскольку оксид на поверхности маски из № создается автоматически при ИХТ АП в среде (Аг+02) за счет достаточно высокого содержания кислорода. Еще одним доводом в пользу использования в качестве материала маски на АП пленок ниобия послужило то обстоятельство, что этот металл хорошо травится методом ИХТ в среде СБ4 , а сам процесс и режимы травления отработаны.

Этапы формирования микрорельефа

Технологическая схема изготовления дифракционного микрорельефа на АП выглядела следующим образом:

1. После предварительной очистки на поверхность АП методами вакуумного напыления наносится пленка ниобия.

2. На полученную пленку методом центрифугирования наносят фоторезистивную пленку (например, ФП-051К).

3. Известными методами фотолитографии на поверхности металлической пленки № создают по заданному фотошаблону фоторезистивную маску.

4. Образец помещают в реактор установки «ИНТРА», и в среде СБ4 производят травление пленки № через изготовленную фоторезистивную маску. То есть на поверхности АП образуется маска из № (с остатками фоторезистивной маски).

5. Не вынимая образец из реактора, вместо СБ4 в рабочую камеру подают смесь (Аг +02) с 50% содержанием 02 и производят травление АП на заданную глубину.

6. По прежнему, не вынимая образец из реактора (не развакуумируя камеру), вместо смеси (Аг +02) снова подают СБ4 и в течение 5-6 мин производят стравливание остатков пленок №205 и №.

7. Контроль параметров микрорельефа поверхности АП осуществлялся обычными методами -на профилографе-профилометре, микроинтерферометре МИИ-4, сканирующем зондовом микроскопе [3].

Анализ полученных результатов На основе предложенного решения задачи создания заданного микрорельефа методом ионно-химичес-

кого травления была изготовлена тестовая структура дифракционной решетки (меандр) с периодом Т=200 мкм и расчетной глубиной травления h=7,5 мкм на подложке АП толщиной около 400 мкм (рис. 1). Значение глубины травления (7,5 мкм) выбиралось равным максимальной высоте алмазного микрорельефа (показатель преломления п=2,4) для длины волны А=10,6 мкм:

h =-А_

max / 1 \ '

Приведенные на рис. 1 первые результаты исследования тестовой структуры демонстрируют перспективность ионно-химического травления как технологии формирования микрорельефа на поверхности алмазной пленки. Отметим отсутствие «бортиков» на границах участков рельефа, обладающих разной глубиной, которые возникают в случае формирования микрорельефа на АП лазерной абляцией [1-3]. Отметим также хорошее соответствие сформированной структуры требуемой глубине травления.

/ 1 / 1 \ 1 \ \

J 1л J V J V. \ | 1

верт.ус. 2000 h =8...8,5 мкм гор.ус. 200 Т = 200..250 мкм —

Рис. 1. Результат профилометрического измерения тестовой структуры Авторы полагают, что после некоторой оптимизации описанная технология может быть использована для формирования микрорельефа силовых фокусаторов ИК-диапазона.

Заключение

Проанализированы возможности применения сухого травления поликристаллических алмазных пленок для изготовления силовых ДОЭ, предназначенных для управления излучением технологических ТО2-лазеров. Описана технологическая схема форми-

рования микрорельефа с помощью ионно-химического травления подложки. Приведенные результаты измерений полученного микрорельефа подтверждают перспективность рассмотренного подхода.

Литература

1. Кононенко В.В., Конов В.И., Пименов С.М., Прохоров А.М., Павельев В.С., Сойфер В.А. Алмазная дифракционная оптика для CO2 лазеров // Квантовая электроника, 1999, том 26, № 1. C. 9-10.

2. V.V. Kononenko, V.I. Konov, S.M. Pimenov, A.M. Prokhorov, V.S. Pavelyev, V.A. Soifer CVD diamond transmissive diffractive optics for CO2 lasers // New Diamond and Frontier Carbon Technology, 2000. Vol. 10. P. 97-107.

3. Волков А.В., Казанский Н.Л., Сойфер В.А., Ус-пленьев Г.В. Технология создания ДОЭ // в книге «Методы компьютерной оптики» под ред. В. А. Сойфера, М.: Физматлит, 2000. C. 239-310.

4. Плазменная технология в производстве СБИС // Под ред. Д.Брауна. М.: Мир, 1987. 470 с.

5. Брагинский Б.С., Ковалев А.С., Муратов Е.А. Характеристики плазмы ВЧ-разряда в поперечном магнитном поле // Труды ФТИАН, Проблемы микроэлектронной технологии. Наука. М., 1994. Т. 8. C. 29-37.

6. Киреев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление микроструктур // Электроника. М.: Радио и связь, 1983. Вып. 36. 125 с.

7. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов // М.: Сов. радио, 1986. 316 с.

8. Данилин Б.С. Перспективы развития вакуум-плазменных процессов травления микроструктур // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, вып. 3(115), 1985. C. 93-100.