Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллы ниобата лития являются основой для создания приборов оптической промышленности. В последние годы на этих кристаллах реализован целый класс функциональных и цифровых интегрально-оптических схем, таких как переключающие матрицы, анализаторы спектра, СВЧ фазовые и амплитудные модуляторы, а также датчики физических величин. Применение ниобата лития в качестве основного материала современной нелинейной оптики, электрооптики, голографии и акустоэлектроники обусловлено, прежде всего, высокими значениями электро-, акусто- и нелинейно-оптических коэффициентов, а также отлаженностью технологий промышленного роста и производства пластин ниобата лития большого диаметра (до 100 мм). Необходимость производства монокристаллов ОМЮз возрастает с каждым годом. Однако чувствительность ниобата лития к лазерному излучению, а также оптические неоднородности, связанные как с собственными, так и с примесными дефектами, ограничивают возможности его применения в оптических устройствах.
В этой связи важным является знание оптических и электрических свойств ниобата лития, возможности их модификации, а также влияния различных методов размерной обработки на основные параметры этого материала. Для изготовления изделий, использующих ОМЮз, применяются современные технологические методы полупроводникового производства. Например, для получения рельефных структур на поверхности ниобата лития достаточно широко используются способы плазменного травления. Причем, долгое время доминировала технология ионно-плазменного травления, использующая физическое распыление твердых тел ионами инертных газов. Считалось, что появившаяся в кремниевом производстве в 80-х годах прошлого столетия плазмохимическая технология не применима для ниобата лития. И лишь позже появились сообщения о возможности плазмохимического травления ОМЮз во фтор-содержащей газоразрядной плазме.
В настоящее время значительно возрос поток информации, касающейся тех или иных проблем травления ниобата лития во фторсодержащей плазме. В литературе сообщалось о его травлении в разрядах CF4, CHF3, SF6, а также смесях этих газов с Не, Ne, О2 и Аг. Однако достигнутые скорости обработки ниобата лития малы и не всегда устраивают разработчиков промышленных технологий. Кроме того, экспериментальные данные, полученные в разных средах и на разных установках, часто получаются неодинаковыми, а порой и противоречивыми.
Наиболее перспективной на данный момент является обработка поверхности ОМЮз методом плазмохимического травления (ПХТ). Не менее перспективным видом обработки может оказаться метод радикального травления (РТ), несмотря на то, что литературных данных об использовании этого метода в ниобат-литиевой технологии нам обнаружить не удалось. Причиной этому служит исключение электронной и ионной составляющих из процесса травления материала, которые могут приводить к нарушению стехиометрии и морфологии обрабатываемой поверхности. Для промышленного применения важно всесторонне исследовать закономерности и особенности этих видов обработки. Во-первых, необходимо иметь детальное представление о кинетике радикального и плазмохимического травления, которое складывается из данных о влиянии всех технологических параметров обработки (подводимая мощность, давление, время обработки, температура в реакционно-разрядной камере). Во-вторых, требуется получить данные о влиянии этих видов обработки на структуру,
морфологию и фазовый состав поверхности. Подытожив полученные данные, необходимо разработать физико-химическую модель травления ниобата лития во фторсо-держащей плазме. В-третьих, необходимо изучить возможность увеличения скоростей травления ниобата лития с помощью стандартных приемов микроэлектронной технологии.
Указанные задачи и проблемы определяют актуальность исследования и оптимизации новых технологических процессов травления ниобата лития.
Работа выполнена в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (№ г.р. 01200956623).
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка физико-химических основ и оптимизация процессов плазмохимического и радикального травления ниобата лития.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
Определить особенности начальной фазы взаимодействия ОМЮз с фторсо-держащими химически активными частицами (ХАЧ) плазмы (наличие и продолжительность индукционного периода, пороговую температуру (Тпор), кинетику образования пор в твердом продукте и т.п.).
Установить влияние физических, химических и технологических факторов на кинетику ПХТ и РТ ОМЮз, а также изучить структуру, элементный и фазовый состав поверхности ОМЮз после этих обработок.
Разработать физические и химические принципы повышения эффективности плазмохимических процессов травления за счет увеличения скорости химической реакции с помощью автокатализа, температурной стимуляции, контролируемых газовых добавок, а также за счет минимизации негативных эффектов плазменной обработки поверхности.
Разработать физико-химическую модель ПХТ и РТ ниобата лития с учетом каталитической и температурной стимуляции.
Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты:
Установлено, что ПХТ и РТ ОМЮ3 в газоразрядной плазме фторсодержащих газов являются типичными топохимическими процессами. Экспериментально определены пороговая температура (Тпор), ниже которой процесс травления не наблюдается, и температура насыщения (Тнас), при превышении которой заметного увеличения скорости реакции не происходит.
Установлены лимитирующие стадии процесса взаимодействия газоразрядной фторсодержащей плазмы с поверхностью ОМЮз. При низких температурах (Т<Тпор) лимитирующей стадией является десорбция летучих продуктов и образование нано-пористого слоя OF, для температур (Тпор<Т<Тнас) - диффузия частиц в слое твердого продукта и скорость образования ХАЧ на внутренних поверхностях пор, при высоких температурах (Т>Тнас) скорость взаимодействия лимитируется химической реакцией. Вычислены эффективные энергии активации рассмотренных стадий.
Разработаны физико-химические модели ПХТ и РТ ОМЮз, учитывающие каталитическую диссоциативную хемосорбцию химически активных частиц плазмы на стенках пор в твердом продукте реакции.
Научно обосновано и практически реализовано травление ниобата лития фторсодержащими радикалами.
5. Научно обоснована и экспериментально подтверждена возможность увеличения скорости травления ОМЮз при разбавлении рабочего газа примесями Ог, N2, Аг или воздуха.
Научная и практическая ценность работы.
Сведения о механизмах и кинетических закономерностях взаимодействия фторсодержащей плазмы, о роли добавки в нее инертных и молекулярных газов могут быть использованы при разработке, автоматизации и оптимизации процессов плазмо-химического травления ОМЮз и других диэлектриков.
Применение разработанных газовых смесей SF6 и CF4 с Ог, Аг, N2 и воздухом значительно увеличивает скорости ПХТ и РТ ОМЮз.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
ПХТ и РТ ОМЮз в газоразрядной плазме фторсодержащих газов являются типичными топохимическими процессами.
Результаты систематического исследования взаимодействия газоразрядной фторсодержащей плазмы с поверхностью ОМЮз. При низких температурах (Т<Тпор) лимитирующей стадией процесса является десорбция летучих продуктов и образование нанопористого слоя OF. При температурах Тпор<Т<Тнас процесс травления лимитируется диффузией частиц в слое твердого продукта и скоростью образования ХАЧ на внутренних поверхностях пор. При высоких температурах (Т>Тнас) скорость взаимодействия лимитируется скоростью химической реакции.
Физико-химические модели ПХТ и РТ ОМЮз, учитывающие каталитическую диссоциативную хемосорбцию на стенках пор в продукте реакции.
Реализация процесса травления ОМЮз фторсодержащими радикалами.
При разбавлении рабочего газа примесями Ог, N2, Аг или воздуха происходит увеличение скорости травления ниобата лития.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждены на следующих конференциях: X Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2009); VII Всероссийской конференции-школе «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении (индустрия наносистем и материалы)» (Воронеж, 2009); VI Международной научной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, 2009); XI, XV и XVI Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005, 2009 и 2010); V Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах» (Воронеж, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-4, 7, 10-14, 16] - экспериментальная часть; [1, 3, 11, 13] - разработка модели ПХТ и РТ ниобата лития; [7, 10, 12, 14] - разработка способов повышения эффективности ПХТ и РТ ниобата лития за счет температурной стимуляции и различных газовых добавок; [5, 8, 9, 15] - расчеты и обсуждение результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации составляет 135 страниц текста, включая 7 таблиц, 60 рисунков и 89 библиографических источников.
