自由基等离子体刻蚀硅基光学元件原理
文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-09-10
传统的真空等离子体加工技术通常使用SF6、CH4等具有腐蚀作用的气体，等离子体源在射频或微波等外部条件激励下使气体电离，产生具有活性分子的等离子体与光学元件发生反应，从而达到光学元件表面质量优化的目的。
在正常情况下，硅基光学元件和CF4和SF6等刻蚀气体是很难进行反应的。而将刻蚀气体通过自由基等离子体源电离产生自由基等离子体，含有的大量自由基反应活性十分强，可以破坏硅基光学材料的化学键，从而发生了反应并且与之结合产生挥发性物质SiF4，达到刻蚀目的。其反应过程大致可以分以下为三个步骤：
Step1：反应物分子和自由基在材料表面的吸附；
在材料表面上的吸附按其作用力性质不同可以分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是利用材料表面与活性分子之间的相互作用的物理引力或斥力，而化学吸附则是材料表面与被活性分子之间的化学键力，形成吸附键，自由基等离子体在这两种吸附力下吸附在硅基光学元件表面，为后续的反应奠定了基础。
Step2：吸附的反应物分子和自由基与固体表面发生反应；
在低压条件下，CF4/O2自由基等离子体通常常用于刻蚀SiO2和Si、Si3N4等光学材料，以SiO2为例，当含氧氟的自由基活性基团吸附在熔石英表面时，会与SiO2表面的Si原子生成化学吸附键，一定区域内的熔石英表面Si-O键发生电子云偏移，会使得化学键强度减弱从而易于断裂，在反应中Si-O键的断裂是关键的阶段，也同时是最慢的阶段，同时含F的自由基会结合形成Si-F键，其强烈的极化作用也会使相邻的Si-O键的键强快速减小，并加快下一步的反应进程。反应物分子和自由基与SiO2表面化学反应主要方程式如下所示：
Step3：被吸附的产物分子从固体表面脱附；
自由基等离子体与硅基光学材料经过复杂的化学反应过程，最终生成了大量的挥发性物质SiF4，硅基光学材料由固态向气态的转化，达到基底材料刻蚀去除的目的，最后将气态的SiF4被抽出真空室，完成刻蚀的总过程。以下是自由基等离子体刻蚀Si、SiO2、Si3N4总的化学反应方程式：
自由基等离子体技术在半导体行业获得了成功，其对硅基半导体的高刻蚀效率和良好的温度特性(稳定性)，特别是通过真空气体流导的控制，可以获得较大面积的等离子体均匀区域，这为实现中大口径光学元件的损伤层去除带来了潜在的希望，因此将自由基等离子体技术引入到光学加工的工艺环节中。
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