1 引言

通过低能离子束在固体表面刻蚀形成纳米自组织微结构的方法是一种高效、简便、低成本地制造大面积有序纳米结构的方法。该方法具有加工精度高、对样品表面损伤小、可实现纳米微结构的尺寸控制、易于实现自动化等特点,是光学微纳米结构制造方法的最新进展和一种不可或缺的新途径。

低能离子束在固体表面进行刻蚀的过程中,固体样品表面的原子因获得能量而失去平衡,原子进行推移,结构变得活跃。低能离子束溅射产生的弯曲使固体样品表面变粗糙,扩散、原子流动又会使固体样品表面变得光滑,粗糙化和光滑化相互作用,导致固体样品表面自发地形成一定的形貌特征,如凸点、条纹、孔洞和光滑等^[1-3]。

欧、美等发达国家对离子束刻蚀形成的自组织纳米结构进行了大量的研究。他们利用Ar⁺、Kr⁺、Xe⁺等稀有气体的离子束在金属、III-V晶体材料(如GaSb、InP、InAs、InSb等)、II-VI晶体材料(如MgO、ZnS、ZnSe等)、IV-IV材料Si、Ge及不定型材料熔石英、聚苯乙烯薄膜等多种材料表面形成了多种多样的自组织纳米微结构,如:点状、柱状、条纹状纳米结构,并研究了纳米结构的形状、周期、方向与离子束参数的关系^[4-11]。

国内研究人员在2010年以后开始关注离子束刻蚀形成的纳米结构。国内一些研究人员相继利用Ar⁺离子束对单晶硅进行了刻蚀,通过改变离子束入射角度获得了点状及条纹状纳米结构,并研究了自组织纳米结构和离子束参数之间的关系^[12-16]。2015年,西安工业大学的研究人员使用大束流微波回旋共振离子源产生了Ar⁺离子束,并研究了低能Ar⁺离子束在不同参数下刻蚀蓝宝石(C向:沿蓝宝石C平面的晶格方向进行切片)表面形成的自组织纳米条纹状结构的特性及其光学性能^[17]。

蓝宝石晶体化学性质稳定,耐高温,抗磨损,具有极高的硬度和机械强度,能承受新一代高速导弹产生的热冲击力,而且其透射波段范围从紫外、可见、红外到微波波段。将有序结构引入到蓝宝石晶体表面,可有效发挥蓝宝石晶体的自身特性,获得高透射率、高强度且成像质量高等综合特性好的蓝宝石晶体。这样的蓝宝石晶体可广泛应用于特种器件(耐高温、耐高压、耐磨损等)、光学系统、特种窗口、耐磨损器件、红外制导、导弹整流罩等高科技领域^[18]。

以往的研究大部分是针对氩气以及硅和Ⅲ/Ⅴ族化合物的,对于Kr⁺离子束刻蚀旋转蓝宝石样品表面所形成的点状纳米结构的研究比较少。本文主要研究低能Kr⁺离子束对旋转蓝宝石样片的刻蚀效果,在对蓝宝石样品进行刻蚀的过程中,通过改变Kr⁺离子束的入射参数研究离子能量、入射角度、离子束流密度、刻蚀时间对辐照后蓝宝石表面结构的影响规律,并给出离子束参数与蓝宝石刻蚀后表面粗糙度、刻蚀速率的关系。

2 实验条件及参数

2.1 实验条件

本实验采用微波回旋共振离子源(ECR),离子源口径为120 mm。离子束入射角度在0°~90°范围内可调,离子束能量的范围为200~2000 eV,加速电压的范围为200~2000 V,束流密度的范围为0~3000 μA/cm²,微波功率的范围为0~400 W。

采用双面抛光的蓝宝石(A向:沿蓝宝石A平面的晶格方向进行切片)材料作为样片,其初始表面粗糙度的方均根(RMS)值为1.78 nm。样片安装在具有水冷装置的工件台上,该工件台可绕自身轴旋转,离子束入射角度相对于样片表面法线在0°~90°范围内可调。采用原子力显微镜(AFM)来观察表面的形貌变化,利用白光干涉仪测定样片表面的粗糙度RMS和刻蚀速率V。

实验气体为氪气,本底真空压强为5.0×10^-4 Pa,工作真空压强为1.0×10^-2 Pa,加速电压为200 V,旋转速度为6 rad/min。

2.2 实验设计

前期研究发现,在低能Ar⁺离子束辐照蓝宝石样品表面的过程中,当入射角度在45°~70°范围内时,样品表面在沿离子束入射的方向出现柱状结构,而在垂直于离子束入射的方向出现有序的条纹结构,旋转样品可获得点状纳米结构^[17]。为了能够在蓝宝石表面形成显著的点状纳米结构,采用正交实验,选用四因素三水平法^[19-20],即改变离子束的入射角度、束流密度、离子束能量和作用时间4个因素。本次实验设计的Kr⁺离子束的参数范围为:入射角度的范围为50°~70°、离子束流的范围为177~301 μA·cm^-2、离子能量的范围为400~600 eV、刻蚀时间的范围为30~90 min。研究离子束参数对辐照后蓝宝石表面结构的影响规律,给出离子束参数与蓝宝石粗糙度、刻蚀速率的关系,确定最佳实验参数并进行实验验证。水平因素分布如表1所示。

3 实验结果及分析

利用原子力显微镜和白光干涉仪对刻蚀后的9组样片进行测量分析,正交实验的结果如表2所示。表2中数值1、2、3代表取水平1、2、3中对应参数的值。

3.1 表面粗糙度和刻蚀速率的极差与方差分析

蓝宝石样片表面粗糙度、刻蚀速率测量结果如表2所示,对测量得到的表面粗糙度和刻蚀速率结果分别进行极差和方差分析,结果分别如表3和表4所示,其中Mean(i)表示对应参数按照水平i取值的3组正交实验中所测表面粗糙度和刻蚀速率的平均差,R表示极差。

根据极差分析,各因素对蓝宝石表面粗糙度影响的顺序(从大到小)为:入射角度,离子束能量,束流密度,作用时间;各因素对蓝宝石表面的刻蚀速率影响的顺序(从大到小)为:入射角度,作用时间,离子束能量,束流密度。

表4中Degree表示自由度,F value表示显著性,其值越大,显著性越高。从表4中可以看出离子束的入射角度对蓝宝石表面粗糙度、刻蚀速率影响显著水平高,而其他3个因素的显著水平均大于0.1,故判定其他3个因素对粗糙度的影响显著水平不高。

通过正交实验结果和极差分析,以X轴作为离子束的因素水平参数,Y轴作为蓝宝石表面粗糙度和刻蚀速率的大小,绘制本次实验选取的4个因素和测量结果的关系图,如图1所示。

由图1可以直观得出以下结论:

1) 当入射角度为60°,其他因素不变时,蓝宝石表面粗糙度、刻蚀速率均最大。

2) 当束流密度为239 μA·cm^-2,其他因素不变时,蓝宝石表面粗糙度、刻蚀速率均最大。

图 1. 粗糙度和刻蚀速率与不同因素的关系。(a)入射角度;(b)离子束流;(c)离子能量;(d)刻蚀时间

Fig. 1. Roughness and etching rates under different factors. (a) Angle of incidence; (b) ion beam flux density; (c) ion energy; (d) etching time

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3) 当能量为600 eV,其他因素不变时,蓝宝石表面粗糙度、刻蚀速率均最大。

4) 当作用时间为90 min,其他因素不变时,蓝宝石表面粗糙度最大;当作用时间为30 min 时,蓝宝石刻蚀速率最大。

通过上述分析可知,使样片表面粗糙度最大的最优实验参数选择为A₂B₂C₃D₃,即:离子束入射角度为60°、束流密度为239 μA·cm^-2、离子束能量为600 eV、刻蚀时间为90 min;使刻蚀速率最大的最优实验参数选择为A₂B₂C₃D₁,即离子束入射角度为60°、束流密度为239 μA·cm^-2、离子束能量为600 eV、刻蚀时间为30 min(与e组实验参数相同)。

溅射粗糙化和表面弛豫机制相互作用,样品表面会形成自组织纳米结构。随着纳米结构的出现,样品表面粗糙度也会不断增大。当入射角度为60°,束流密度为239 μA·cm^-2,能量为600 eV,作用时间为90 min时,在样品表面形成的点状纳米结构最为明显,因此表面粗糙度最大。离子轰击表面的刻蚀速率是由溅射产额决定的,在入射角度为60°,束流密度为239 μA·cm^-2,能量为600 eV,作用时间为30 min时,携带能量的离子溅射样品的溅射产额最大,所以刻蚀速率最大。

3.2 表面纳米结构的测量结果与分析

利用原子力显微镜对刻蚀后的蓝宝石样片进行测量,在对原始测量结果图片进行调平和滤波后可得到蓝宝石样片表面纳米结构的表面形貌图,如图2所示,图中Z表示自组织纳米结构的纵向高度。

观察刻蚀后的蓝宝石AFM图可发现:当离子束入射角度为50°~70°时,样片表面粗糙度呈先增大后减小的趋势。样品表面形成的纳米自组织结构是离子束刻蚀粗糙化和分子扩散弛豫化相互作用的结果。当入射角度为50°时,粗糙度均值为1.52 nm,样片表面形貌如图2(a)所示,点状纳米结构开始出现,结构特征较为明显,此时粗糙化开始起作用。当入射角度为60°时,粗糙度均值为2.22 nm,样片表面形貌如图2(b)所示,点状结构密集,此时粗糙化起主要作用。当入射角度为70°时,粗糙度均值为0.97 nm,样片表面形貌如图2(c)所示,形成比较稀疏的纳米结构,此时分子扩散弛豫化起主要作用。

图 2. 不同刻蚀参数下蓝宝石的AFM图

Fig. 2. AFM images of sapphire under different etching parameters

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3.3 最佳实验参数的验证实验

根据上述分析,可得到每个因素都有最优参数,对每个因素的最优参数进行组合,即可得到最好的刻蚀参数。若要得到的样品表面粗糙度最大,入射角度应为60°、束流密度应为239 μA ·cm^-2、离子束能量应为600 eV、作用时间应为90 min;若要得到的样品刻蚀速率最大,入射角度应为60°、束流密度应为239 μA·cm^-2、离子束能量应为600 eV、作用时间应为30 min。采用以上数据进行实验验证,对刻蚀后的样片表面进行测量,所得样品的表面形貌如图3所示。

图 3. 样品表面形貌。(a)表面粗糙度;(b)刻蚀速率

Fig. 3. Sample surface morphologies. (a) Surface roughness; (b) etching rate

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用白光干涉仪测量最优参数下蓝宝石表面的粗糙度为4.06 nm。对照表2,可以看出最佳参数实验结果的粗糙度最大,且形成的表面形貌具有明显的点状纳米结构。用白光干涉仪测量最优参数下蓝宝石的刻蚀速率为1.89 nm/min。对照表2,可以看出最佳参数实验的刻蚀速率与e组接近,为几组实验中的最大值,且表面形貌结构密集。

因此,在最佳参数下对样品表面进行刻蚀可使样品表面的粗糙度和刻蚀速率最大,即当样品表面形成了明显的点状结构时粗糙度达到4.06 nm,当纳米结构的纵向高度最大时刻蚀速率达到1.89 nm/min。粗糙度能反映晶体表面的微观不平度,从侧面说明自组织纳米结构的形成情况,粗糙度大则样品纳米结构的纵向高度较大。原子力显微镜的测量结果也验证了这种观点。刻蚀速率能反映出离子束在刻蚀期间对样品表面的去除作用。

4 结论

采用四因素三水平正交实验,通过改变Kr⁺离子束参数(入射角度、离子束能量、束流密度、作用时间)对旋转蓝宝石样片表面进行刻蚀。研究离子束参数对刻蚀后蓝宝石表面粗糙度及刻蚀速率的影响,确定最佳实验参数,并对最佳参数进行实验验证。

研究发现,4个参数对刻蚀后的蓝宝石表面粗糙度及生成的纳米结构的影响顺序(从大到小)为:入射角度,离子束能量,束流密度,作用时间;对刻蚀期间蓝宝石的刻蚀速率及生成的纳米结构的影响顺序(从大到小)为:入射角度,作用时间,离子束能量,束流密度。当离子束入射角度为60°、离子束能量为600 eV、束流密度为239 μA·cm^-2、离子束作用时间为90 min时,样品表面粗糙度最大,且样品表面具有明显的点状结构;当离子束入射角度为60°、离子束能量为600 eV、束流密度为239 μA·cm^-2、离子束作用时间为30 min时,刻蚀速率最大,表面形貌结构密集。

综上所述,通过低能Kr⁺离子束刻蚀旋转蓝宝石晶体可在其表面后生成良好的点状纳米结构。在最优的离子束参数下,所得蓝宝石晶体表面的粗糙度和刻蚀速率能够达到最佳的效果。