氫氟酸水溶液中離子輻照LiNbO3的蝕刻

引言

用多能氬離子輻照x射線切割鈮酸鋰單晶，產(chǎn)生厚度為400納米的均勻損傷表面層，研究其在HF水溶液中的腐蝕行為。使用不同的酸溫度和濃度，表明可以通過將溫度從24℃提高到55℃來提高蝕刻速率，同時保持該技術(shù)的高對比度。討論了氟化氫在水溶液中的分解，并應(yīng)用氟化氫蝕刻二氧化硅的反應(yīng)動力學(xué)獲得了蝕刻機理的信息。因此，分析了蝕刻速率的濃度依賴性，發(fā)現(xiàn)蝕刻過程可以描述為HF或HF 2的侵蝕，其由H+離子的存在催化支持。

我們將系統(tǒng)地研究LiNbO3在高頻水溶液中的蝕刻行為。特別地，我們得出了高頻溶液的濃度和溫度對蝕刻速率和工藝對比的影響?；瘜W(xué)動力學(xué)將被用來獲得確定蝕刻速率的基本反應(yīng)步驟的可能描述。

實驗

室溫下，商用全等x射線切割光學(xué)級鈮酸鋰晶體被部分掩蔽并用氬離子輻照。為了避免樣品充電和加熱。應(yīng)用不同能量和影響的氬離子的多次照射作為標準程序，以獲得從表面到400納米深度的均勻損傷層。

隨后，樣品在HF溶液中逐步蝕刻，本文中所有濃度分別以室溫24±2℃、40±0.5℃和55±0.5℃的體積百分比表示。此外，在超聲波支持下進行了一些蝕刻實驗。通過用去離子水稀釋40.8%的儲備溶液獲得不同的氟化氫濃度。通過在每個蝕刻步驟后用斯隆德克表面輪廓儀測量掩蔽和未掩蔽區(qū)域之間的高度差來確定蝕刻速率。

結(jié)果和討論

除了高蝕刻率限制了生產(chǎn)時間外，所應(yīng)用技術(shù)的對比是制造高高寬比微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。對比度決定了掩模邊緣下的那些區(qū)域在多大程度上被蝕刻，這些區(qū)域只被散射的離子輕微破壞。隨著離子通量的增加，蝕刻速率的增加呈正相關(guān)。也就是說，對比度隨著蝕刻率的增加而提高。從圖1中可以看出，24、40和55°C的最大增加量分別為150、850和1800nmmin?1dpa?1。歸一化到相應(yīng)的最大蝕刻速率，三種溫度的對比度基本相同，約為8±3dpa?1。也就是說，在這個溫度范圍內(nèi)，通過使用較高的溫度來加速蝕刻過程并不會減少對比度。

?圖1 在24、40和55℃的酸性溫度下，在3.7% HF溶液中蝕刻的輻照鈮酸鋰的蝕刻速率

如果結(jié)構(gòu)蝕刻完成，DEKTAK測量對所有蝕刻溫度測定的平均表面粗糙度為2納米。這個值甚至略低于所使用的完美LiNbO3晶體的粗糙度。通過使用阿倫尼烏斯圖的蝕刻速率對蝕刻溫度的依賴關(guān)系，分別確定了每個離子通量的蝕刻過程的活化能。圖2顯示了活化能作為歸一化通量的函數(shù)。

圖2 活化能作為由阿倫尼烏斯方程確定的歸一化通量ndpa的函數(shù)。

由于在超聲波支架下進行蝕刻時，無法測量到對蝕刻速率的影響，因此可以排除反應(yīng)物和產(chǎn)物在溶液中的擴散對蝕刻速率的限制。因此，活化能應(yīng)該單獨描述化學(xué)反應(yīng)對表面的影響。

解釋所得到的速率定律，表面相互作用可以描述類似于二氧化硅的高頻蝕刻的相互作用：首先，表面氧原子帶負電荷的自由鍵通過靜電吸引迅速被H+離子飽和。現(xiàn)在，氧氣可以以氫氧化物分子的形式形成，也可以在另一個H+離子形成進一步的復(fù)合物后從表面變成水。這兩種備選的反應(yīng)路徑導(dǎo)致催化反應(yīng)的添加劑變化。在第二步中，金屬

Li和Nb

原子可以通過HF或HF2?的攻擊去除，在新表面留下自由氧鍵。相反，總濃度為40.8%時蝕刻速率的異常增加不能用催化模型適當描述。但是，即使可能嘗試其他利率法，它在這個濃度范圍內(nèi)不可能找到可靠的描述，因為解離模型的有效性被限制在c0 = 14%。然而，應(yīng)該宣布的是，對于疇反轉(zhuǎn)鈮酸鋰的HF蝕刻，對于濃度為20%的蝕刻速率也測量到了相同的異常增加。

結(jié)論

我們系統(tǒng)地研究了酸溫度和濃度對氬離子輻照LiNbO3在高頻水溶液中蝕刻行為的影響。研究表明，蝕刻速率可以從22增加到200納米分鐘每分鐘，將酸溫度從24增加到55°C，同時保持8 DPA-1工藝的高對比度和2 nm蝕刻表面的最小粗糙度。對于非晶化閾值D301以上的影響，該方法的活化能確定為0.6電子伏，此外，使用高達40.8%的總HF濃度，蝕刻速率提高到1760nm min-1。分析蝕刻速率對濃度的依賴性，發(fā)現(xiàn)氟控制和質(zhì)子催化的反應(yīng)提供了實驗結(jié)果的唯一可能的描述。
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審核編輯：鄢夢凡