遠(yuǎn)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(xué)元件表面加工技術(shù)，可以獲得傳統(tǒng)機(jī)械拋光技術(shù)難以達(dá)到的加工效果，尤其是中大口徑非球面光學(xué)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(yīng)用于半導(dǎo)體及光學(xué)元件制造領(lǐng)域，成為微電子學(xué)和微納米光學(xué)制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)光電裝備及武器系統(tǒng)中光學(xué)元件超高精度、高反射率及超低損傷的技術(shù)要求，需要開(kāi)發(fā)一種高效、精密的光學(xué)零件加工方法，以滿足光電裝備對(duì)批量、高精度光學(xué)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(jī)理，對(duì)材料可實(shí)現(xiàn)原子量級(jí)的化學(xué)反應(yīng)去除，同時(shí)不會(huì)對(duì)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(jìn)行了初步研究。自主設(shè)計(jì)搭建的拋光系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配備有真空檢測(cè)系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、恒壓控制系統(tǒng)、自動(dòng)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(kāi)展離子源特性以及光學(xué)元件的刻蝕拋光工藝實(shí)驗(yàn)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(xué)反應(yīng)，其濃度、溫度及分布狀況對(duì)拋光過(guò)程有著重要作用。文中采用發(fā)射光譜診斷分析法，通過(guò)洛倫茲擬合及Stark展寬法來(lái)估算等離子體的電子密度，利用光譜強(qiáng)度值計(jì)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(tái)轉(zhuǎn)速、偏壓功率

4、以及刻蝕時(shí)間對(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)之間存在的關(guān)系;利用三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)研究了微波功率、射頻偏壓功率及刻蝕氣體流量比對(duì)碳化硅材料的刻蝕工藝，分析了工藝因素對(duì)刻蝕機(jī)理的影響規(guī)律。最后，通過(guò)復(fù)合工藝實(shí)驗(yàn)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(duì)光學(xué)元件基片進(jìn)行平坦化處理再刻蝕拋光的工藝實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同工藝處理前后光學(xué)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(jì)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(shí)驗(yàn)提供了條件;
　　(2)微波自由基等離子體的電子密度約1016量級(jí)，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(tái)轉(zhuǎn)速

6、20rpm、直流偏壓50V、刻蝕時(shí)間30min，此時(shí)的刻蝕速率達(dá)到2.4nm/min，同時(shí)也驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的三個(gè)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(shí)間5m

7、in;
　　(5)復(fù)合工藝實(shí)驗(yàn)中，利用正交實(shí)驗(yàn)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(guò)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(gè)百分點(diǎn);
　　(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