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1、重庆市首届大学生物理创新竞赛论文集非晶熔石英表面等离子体刻蚀过程中的表面晶化研究作者1， 作者2， 作者3 （居中，宋体小四号，单倍行距，段前段后0行）指导教师1，指导教师2 （居中，宋体小四号，单倍行距，段前段后0行）单位, 所在地 邮编; （居中，宋体小四号，单倍行距，段前段后0行）* E-mail: （指导老师或第一作者邮箱，必须确保通过邮件，会务组能联系到作者）摘要: 本工作采用电子回旋共振(ECR)低压等离子体刻蚀技术，刻蚀非晶熔石英表面。Ar/CF4为反应气体刻蚀后再经O等离子体钝化，非晶熔石英表面出现晶化现象。晶化层约几百纳米厚。Ar/CF4在ECR的电磁场作用下产生F离子与C离
2、子，F离子使熔石英表面的Si-O共价键断裂，并释放出O离子。C离子与O离子迅速键合生成CO2，而被断键的Si原子与四个F原子键合生成气态SiF4。熔石英原始表面被去除的同时，在新的表面留下大量不饱和Si原子。不饱和Si原子在高温条件下被O等离子钝化，形成结晶态-方石英。（仿宋10号字，单倍行距，段前段后0.5行）关键字: 非晶态熔石英;结晶态-方石英; 低压等离子刻蚀（仿宋10号字，单倍行距，段前段后0.5行）1. 引言随着大型高功率激光系统的建立与发展，对大面积、高品质、高负载能力熔石英光学元件的需求大大增加。以美国国家点火装置(NIF)1为例，NIF需要大面积、高品质熔石英光学元件多达19
3、22片(43446 mm以上)。我国惯性约束聚变(ICF)事业的星光、神光、原型以及正在建造的神光等大型光学系统同样需要大量高寿命的熔石英光学元件2-5。熔石英光学元件在前期加工时(切割、研磨、抛光等)，表面不可避免出现再沉积层(redeposition layer, RL)与亚表面损伤层(sub-surface damage layer, SSDL) 6-14。再沉积层含有大量杂质元素(如Al、Ce等)11；而亚表面损伤层则存在裂缝、空洞等12-13；此外，前期加工的力学作用，将导致元件表面存在较大的残余应力14。这些因素将导致现有熔石英光学元件难以满足高功率激光系统对光学元件高负载能力以及
4、长寿命的要求。因此，光学元件在短波激光下的负载能力已成为制约高功率激光科学发展最大的瓶颈之一，提高熔石英光学元件品质已成为高功率激光科学领域的研究重点之一。 熔石英前期加工后，再进表面精细修饰(无损去除RL与SSDL)是提高其品质与使用寿命的有效方法。电子回旋共振(ECR)15低压等离子体刻蚀(low pressure plasma etching, LPPE)是高效、无损去除RL与SSDL的优秀手段。并且ECR方法还广泛应用于薄膜生长、表面修饰，离子源等领域16-17。通常，Ar/CF4作为反应气体，在2.45 GHz频率微波与0.0875 T磁场的作用下，产生F离子与C离子等活性离子15-
5、17。这些活性离子能够与SiO2迅速反应，生成SiF4与CO2气体并排走，达到无损去除RL与SSDL的目的14-17。然而，我们的工作惊奇的发现非晶熔石英经过LPPE处理后，表面出现了结晶层。本文详细研究了C/F离子对熔石英材料的刻蚀机理以及非晶材料表面结晶的现象。（正文中文使用宋体10号字体, 英文使用Times New Roman 10号字体. ）2. 实验方案（设计思想）本工作采用康宁公司熔石英窗口作为处理样品(CORNING, 40404 mm)，采用自制ECR(微波功率为2.45 GHz，磁场强度为0.0875 T)产生低压等离子体。先用Ar/CF4等离子体处理非晶熔石英窗口，然后通
6、入O等离子体对样品进行钝化，最终在20Pa的氧气氛条件下自然冷却(整个等离子体处理过程中，样品体温度保持在500-600 K)。实验过程中，微波电流保持为100 mA，本底真空度为210-3 Pa，通入反应气体后，工作压强为0.51 Pa。具体实验参数如表1所示。采用原子显微镜(AFM)测试样品任意6点，观察样品表面形貌(测试范围1010 m)；采用高分辨透电镜(HRTEM)观察被刻蚀表面的截面，并对观察微区进行EDX测试。采用白光干涉仪测试刻蚀深度与刻蚀后表面均方根粗糙度(每个样品观测任意10个点)。表1. 详细实验参数（表格采用三线表，在文中单栏显示）样品编号1#2#3#4#5#Ar/CF
7、4流量(sccm)0/05/105/105/105/10Ar/CF4 处理时间(h)02468O2流量(sccm)010101010O处理时间(h)01/31/31/31/3(如文中出现公式，公式居行中，按顺序编码排列。例如：）(1)3. 结果与讨论图1为刻蚀深度与表面均方根粗糙度随刻蚀时间的变化。如图1(a)所示，刻蚀深度随时间呈线性增加趋势，刻蚀速率为5.27 nm/min，经过8小时刻蚀，熔石英原始表面可去除2.5 m以上。未经过刻蚀，熔石英表面均均方根粗糙度为0.74 nm，随着刻蚀时间增加，粗糙度线性缓慢增加，最高达1.45 nm(图1(b)。图1. 样品刻蚀深度与表面均方根粗糙度随
8、刻蚀时间的变化. (a):刻蚀深度; (b):表面粗糙度.图2为样品表面AFM图片与刻蚀后截面HRTEM图像。图2(a) 为典型表面AFM图片(4#样品，6小时Ar/CF4等离子体处理，20分钟O钝化)，如图所示，样品表面存在大量排列整齐的微小颗粒，颗粒尺寸小于300 nm。而图2(b)表明，未经过刻蚀的熔石英表面(1#样品)是光滑致密的，没有整齐排列的颗粒。比较发现，熔石英表面经过刻蚀后变得疏松，从而导致了样品表面均方根粗糙度增加。图2(c)为4#样品截面HRTEM图像，图2(d)为1#样品截面HRTEM图像。从图2(c)可以惊奇的发现，非晶熔石英被等离子体处理后，表面的截面HRTEM图像(
9、4#样品)中出现了结晶物的晶格条纹。对结晶区域的EDX微区分析表明，结晶区域的成分为Si与O无素，并且Si与O的原子百分比分别为32.5%与67.49%。由此可以判断，结晶物为晶粒。表明非晶熔石英材料经过低压等离子体处理后，表面会生长出一层纳米SiO2结晶层。4#样品HRTEM图片中出现晶格条纹的晶面间距分别为0.225 nm，0.2048 nm和0.234 nm。根据N.R. Keskar 18，并与标准粉末衍射数据库(PDF 2004)对比，可以判断结晶SiO2为-方石英(四方相，空间群为P 41 21 2，a=b= 4.957, c=6.8903, =90o 18)。图中出现的晶格条纹分
10、别对应于-方石英的(103)，(222)与(221)面(PDF卡片编号为89-3607)。然而，未经过等离子体处理的熔石英样品表面与截面既无晶粒又无晶格条纹出现(1#，如图2(b)与图(d). 图2. 原子力显微镜与高分辨透射电镜图片。(a): 4#样品原子力显微镜图片; (b): 1#样品原子力显微镜图片; (c): 4#样品高分辨透射电镜图片; (d): 1#样品高分辨透射电镜图片.熔石英的主要成分是SiO2，其结构为无周期性的非晶网络结构(如图3(a)，无论是熔石英体内还是表面，均不出现晶粒，并且熔石英表面的Si原子均为饱和原子，不存在悬挂键(一个饱和Si原子有四个共价Si-O键)。CF
11、4在微波与电磁场作用下产生F离子与C离子，熔石英原始表面的Si-O键很容易在F离子作用下断裂，释放出O离子。具有活性的O离子，迅速与C离子键合，生成CO2。Si原子的四个共价键被断裂之后，与F离子键合，生成SiF4分子。所以，熔石英的表面在等离子体作用下，迅速被去除。然而，在F离子作用下，Si原子的四个共价键不可能同时断裂，并且在F离子气氛下，不饱的Si原子也不可能与O离子复合，导致在Ar/CF4等离子体处理后，熔石英表面的骨架里存在大量不饱和Si原子(每个Si原子仅有1-3个共价键)。因为熔石英的网络结构，F离子很容易进入骨架内部几百纳米处，最终Ar/CF4等离子体处理后，熔石英表面出现不饱
12、和层(如图3(b)，此时样品表面成分是不符合化学计量比的，其化学式为SiO2-x。 SiO2-x具有活性，极易吸附细小的颗粒(原子，离子，团簇等)以此达到饱和。然而，Ar/CF4气体被切断后，样品的表面在真空条件下是难以达到饱和的。Ar/CF4气体切断后，氧气立即通入工作腔，并生成活性氧离子。氧离子在极短时间内与不饱和Si原子键合19，并达到饱合。由于Ar/CF4等离子体的加热作用(等离子与样品的热传递，离子与样品的碰撞，剧烈的化学反应作用等)，样品的温度逐渐上升到500-600 K。在高温作用下，O离子更容易扩散进入样品的亚表面层，钝化内层不饱和Si原子，使样品最终完全饱和。O离子钝化样品2
13、0 min后，样品在20 Pa氧气氛条件下自然冷却 (冷却时间约3小时，降温速率约-2 K/min)。由于较高的样品温度与较低的降温速率，表面新生成的SiO2有足够的能量与时间扩散、聚集并重构，最终在表面一个微观区域内形成SiO2纳米晶粒。由于熔石英固有的非晶网络结构，且样品温度不是绝对高，因此，经过离子刻蚀，仅在样品新表面处出现-方石英的结晶层。由于结晶层的出现，表面由于纳米晶粒形式存在，导致表面均方根粗糙度随刻蚀时间线性缓慢增加(如图1(b)，图2(a)。图3. 刻蚀与结晶示意图. (a):刻蚀; (b):结晶.(正文中文使用宋体10号字体, 英文使用Times New Roman 10号
14、字体. 图片宽度为不超过7cm.图片格式为jpg, tif, bmp, eps等)4.结论本工作采用ECR低压等离子体技术反应刻蚀非晶熔石英表面。熔石英原始表面被反应去除后，在新表面形成了-方石英结晶层。在反应等离子体刻蚀过程中，F离子使熔石英表面Si-O键断裂，并释放出O离子。C离子与释放出的O离子键合生成CO2，而F离与断键的Si原子生成SiF4。反应等离子体刻蚀后，熔石英表面以不饱和状态存在，大量不饱和Si原子残留在熔石英网络骨架中。具有悬挂键的Si原子与新通入的O离子键合，在高温的作用下形成结晶态的-方石英。最终在非晶熔石英衬底上生长出一层结晶态SiO2。致谢本课题组成员衷心感谢XX单
15、位XX研究员对本工作中纳米晶生长过程的指导。感谢XX单位XX等同志对本文测试工作的大力支持。参考文献1 Campbell J H, Hawley-Fedder R A, Stolz C J, Menapace J A, Borden M R, Whitman P K, Yu J, Runkel M J, Riley M O, Feit M D, Hackel R P, 2004 Proc. SPIE 84 5341 842 Liu H J, Huang J, Wang F R, Zhou X D, Jiang X D, Wu W D, 2010 Acta Phys. Sin. 59(2) 1308 (in Chinese) 刘红婕、黄进、王凤蕊、周信达、蒋晓东、吴卫东 2010 物理学报 59(2) 13083 Hua J R, Zu X T, Li L, Xiang X, Chen M, Jiang X D, Yuan X D, Zheng W G, 2010 Acta Phys. Sin. 59(4) 2519 (in Chinese) 花金荣、祖小涛、李莉、向霞、陈猛、蒋晓东、袁晓东、郑万国 2010 物理学报 59(4) 25194 Huang J, Jiang X D, Liu H J, Lv H
