氢氟酸水溶液中离子辐照LiNbO3的蚀刻

引言

用多能氩离子辐照x射线切割铌酸锂单晶，产生厚度为400纳米的均匀损伤表面层，研究其在HF水溶液中的腐蚀行为。使用不同的酸温度和浓度，表明可以通过将温度从24℃提高到55℃来提高蚀刻速率，同时保持该技术的高对比度。讨论了氟化氢在水溶液中的分解，并应用氟化氢蚀刻二氧化硅的反应动力学获得了蚀刻机理的信息。因此，分析了蚀刻速率的浓度依赖性，发现蚀刻过程可以描述为HF或HF 2的侵蚀，其由H+离子的存在催化支持。

我们将系统地研究LiNbO3在高频水溶液中的蚀刻行为。特别地，我们得出了高频溶液的浓度和温度对蚀刻速率和工艺对比的影响。化学动力学将被用来获得确定蚀刻速率的基本反应步骤的可能描述。

实验

室温下，商用全等x射线切割光学级铌酸锂晶体被部分掩蔽并用氩离子辐照。为了避免样品充电和加热。应用不同能量和影响的氩离子的多次照射作为标准程序，以获得从表面到400纳米深度的均匀损伤层。

随后，样品在HF溶液中逐步蚀刻，本文中所有浓度分别以室温24±2℃、40±0.5℃和55±0.5℃的体积百分比表示。此外，在超声波支持下进行了一些蚀刻实验。通过用去离子水稀释40.8%的储备溶液获得不同的氟化氢浓度。通过在每个蚀刻步骤后用斯隆德克表面轮廓仪测量掩蔽和未掩蔽区域之间的高度差来确定蚀刻速率。

结果和讨论

除了高蚀刻率限制了生产时间外，所应用技术的对比是制造高高宽比微结构的关键参数。对比度决定了掩模边缘下的那些区域在多大程度上被蚀刻，这些区域只被散射的离子轻微破坏。随着离子通量的增加，蚀刻速率的增加呈正相关。也就是说，对比度随着蚀刻率的增加而提高。从图1中可以看出，24、40和55°C的最大增加量分别为150、850和1800nmmin−1dpa−1。归一化到相应的最大蚀刻速率，三种温度的对比度基本相同，约为8±3dpa−1。也就是说，在这个温度范围内，通过使用较高的温度来加速蚀刻过程并不会减少对比度。

​图1 在24、40和55℃的酸性温度下，在3.7% HF溶液中蚀刻的辐照铌酸锂的蚀刻速率

如果结构蚀刻完成，DEKTAK测量对所有蚀刻温度测定的平均表面粗糙度为2纳米。这个值甚至略低于所使用的完美LiNbO3晶体的粗糙度。通过使用阿伦尼乌斯图的蚀刻速率对蚀刻温度的依赖关系，分别确定了每个离子通量的蚀刻过程的活化能。图2显示了活化能作为归一化通量的函数。

图2 活化能作为由阿伦尼乌斯方程确定的归一化通量ndpa的函数。

由于在超声波支架下进行蚀刻时，无法测量到对蚀刻速率的影响，因此可以排除反应物和产物在溶液中的扩散对蚀刻速率的限制。因此，活化能应该单独描述化学反应对表面的影响。

解释所得到的速率定律，表面相互作用可以描述类似于二氧化硅的高频蚀刻的相互作用：首先，表面氧原子带负电荷的自由键通过静电吸引迅速被H+离子饱和。现在，氧气可以以氢氧化物分子的形式形成，也可以在另一个H+离子形成进一步的复合物后从表面变成水。这两种备选的反应路径导致催化反应的添加剂变化。在第二步中，金属

Li和Nb

原子可以通过HF或HF2−的攻击去除，在新表面留下自由氧键。相反，总浓度为40.8%时蚀刻速率的异常增加不能用催化模型适当描述。但是，即使可能尝试其他利率法，它在这个浓度范围内不可能找到可靠的描述，因为解离模型的有效性被限制在c0 = 14%。然而，应该宣布的是，对于畴反转铌酸锂的HF蚀刻，对于浓度为20%的蚀刻速率也测量到了相同的异常增加。

结论

我们系统地研究了酸温度和浓度对氩离子辐照LiNbO3在高频水溶液中蚀刻行为的影响。研究表明，蚀刻速率可以从22增加到200纳米分钟每分钟，将酸温度从24增加到55°C，同时保持8 DPA-1工艺的高对比度和2 nm蚀刻表面的最小粗糙度。对于非晶化阈值D301以上的影响，该方法的活化能确定为0.6电子伏，此外，使用高达40.8%的总HF浓度，蚀刻速率提高到1760nm min-1。分析蚀刻速率对浓度的依赖性，发现氟控制和质子催化的反应提供了实验结果的唯一可能的描述。
 

审核编辑：鄢梦凡