王夢皎，陳智利

引言

利用低能離子束濺射、刻蝕固體表面是得到大面積有序納米結(jié)構(gòu)的一種低成本、高效率的方法?？涛g的過程就是能量從入射離子傳遞給目標(biāo)原子的過程，這一過程不但可以引起材料去除，還能利用濺射粗糙化和表面馳豫機(jī)制的相互作用形成條紋、點(diǎn)狀等多種納米結(jié)構(gòu)和圖形［1－2］，而且在某些離子束參數(shù)條件下還可能對樣品表面進(jìn)行拋光［3］。

用低能離子束刻蝕樣品表面從而獲得樣品納米微結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如加工面積很大、加工精度高、納米結(jié)構(gòu)較為均勻等。而且在不同的離子束參數(shù)下可以對樣品表面納米結(jié)構(gòu)可控，所以低能離子束刻蝕晶體表面得到納米微結(jié)構(gòu)在近幾年一直是很多發(fā)達(dá)國家研究的重點(diǎn)。在研究中利用Ar＋離子的研究最多，另外還有Kr＋、Xe＋等離子，刻蝕材料以Si、InP為主，另外有部分GaSb、InAs等半導(dǎo)體的研究。研究均表明在一定的參數(shù)下刻蝕后均可得到帶點(diǎn)狀、柱狀或條狀納米結(jié)構(gòu)［4－6］。

關(guān)于藍(lán)寶石離子束刻蝕技術(shù)國內(nèi)外研究還處于起步階段，由于藍(lán)寶石硬度很高，僅次于金剛石，其莫氏硬度達(dá)到9.3，所以在刻蝕上難度較大，但是藍(lán)寶石由于其透光性好、熱傳導(dǎo)及電磁絕緣性佳，是一種在信息通訊及光電子方面應(yīng)用較多的新型材料［7］，所以本文對藍(lán)寶石進(jìn)行刻蝕，根據(jù)不同參數(shù)的調(diào)整，初步探討其表面納米結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能的變化。

1 實(shí)驗(yàn)及測量

1.1 實(shí)驗(yàn)及測量設(shè)備

文中用到的等離子拋光與離子束刻蝕機(jī)由北京創(chuàng)世威納科技有限公司生產(chǎn)，采用微波回旋共振離子源，其工作原理如圖1所示。氣體以離子束的形式用等柵或者加速珊平行的方式對樣片進(jìn)行濺射、刻蝕，氣體離子束的形成是由于放電室內(nèi)回旋的電子和沿磁場傳播的右旋圓極化微波頻率相等時產(chǎn)生共振，從而使獲得極大能量的電子碰撞工作氣體，使其分離，形成氣體離子［8］。該機(jī)器樣品臺可實(shí)現(xiàn)0～90°調(diào)節(jié)并且可以繞自身軸旋轉(zhuǎn)，刻蝕能量在200eV～2 000eV，束流密度0～3 000μA／cm2，微波功率0～400W。

圖1 微波回旋共振離子源工作原理Fig.1 Schematic diagram of microwave cyclotron resonance ion source

測量用Taylor Surf CCI2000非接觸式表面測量儀測量樣品表面粗糙度，使用U－3501型分光光度計(jì)測量樣品透過率，使用德國Bruker生產(chǎn)的原子力顯微鏡（AFM）Multimode8測量樣品表面形貌。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

為了確保實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)性，首先我們需要對樣片表面進(jìn)行清洗，用來清除表面污染雜質(zhì)，包括有機(jī)物和無機(jī)物。本文采用超聲波清洗機(jī)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻訊號，再利用轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械震蕩，從而使清洗溶液流動產(chǎn)生微小氣泡，利用“空化”效應(yīng)使氣泡產(chǎn)生微小“爆炸”沖擊樣品表面，使樣品表面污垢可以迅速脫離。本實(shí)驗(yàn)超聲清洗液為純酒精與丙酮以3∶1比例混合而成的混合物。

將洗好樣片用非接觸式表面測量儀測量其粗糙度，分光光度計(jì)測量表面透過率。再將樣片放入刻蝕室，調(diào)節(jié)參數(shù)，進(jìn)行刻蝕。

本次實(shí)驗(yàn)將改變2個參數(shù)即入射能量和入射角度進(jìn)行藍(lán)寶石樣片的刻蝕，首先入射能量為800eV，1 000eV和1 200eV，入射角度從0°到85°，每隔5°進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，共計(jì)54組實(shí)驗(yàn)。

其余不變的參數(shù)是，工作氣體：氬氣（Ar）；本底真空：5.0×10－4Pa；工作真空：5.0×10－2Pa；離子源功率：344W；加速電壓：500eV；離子束束流：35mA；刻蝕時間：60min；刻蝕距離（樣片與離子源之間的距離）：20cm。

刻蝕完成后，將樣片取出進(jìn)行測量。用Taylor Surf CCI2000非接觸式表面測量儀測量樣品表面粗糙度，使用U－3501型分光光度計(jì)測量樣品透過率，使用德國Bruker生產(chǎn)的原子力顯微鏡（AFM）Multimode8測量樣品表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 透過率

圖2為刻蝕前后藍(lán)寶石表面透過率曲線圖，橫坐標(biāo)為測量波長，縱坐標(biāo)為樣品透過率百分比。測量波段為400nm～2 400nm，刻蝕前樣片最大透過率可達(dá)到75.25%，并且藍(lán)寶石樣片特性即為在可見光區(qū)域透過率先減小后增加，而在近紅外區(qū)域透過率變化趨勢較為平緩。并且從圖2中可以看出，隨著刻蝕能量的增加，刻蝕后樣片表面透射率也隨之增加。透過率的增大是由于經(jīng)過離子束刻蝕樣品表面產(chǎn)生了一定的納米結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的這一納米結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在樣品表面覆蓋了一層薄膜，從而可以控制薄膜的折射率［9］。其折射率表達(dá)式為

可以通過改變不同刻蝕參數(shù)影響樣片表面納米結(jié)構(gòu)，從而控制等效折射率，達(dá)到控制樣品光學(xué)性能的目的。

圖2 樣品刻蝕前后透過率對比Fig.2 Transmittances contrast before and after etching

2.2 表面粗糙度

樣品刻蝕后表面粗糙度如圖3所示。當(dāng)能量不變只改變刻蝕角度時，樣品表面粗糙度呈先增大后減小的趨勢，最高可達(dá)到1.228，總體分布在0.9到1.1之間。當(dāng)能量為800eV時，在20°時表面粗糙度達(dá)到最大值，為1.224 3nm，55°時達(dá)到最小，為0.831 0nm；當(dāng)能量為1 000eV時，15°時表面粗糙度最大，為1.217 0nm，45°時達(dá)到最小，為0.865 2nm；當(dāng)能量為1 200eV時，35°時，表面粗糙度最大，為1.228 6nm，在40°時表面粗糙度最小，為0.844 0nm。

2.3 表面形貌

2.3.1 改變?nèi)肷淠芰?/p>

我們選取了40°時3種能量入射后刻蝕的藍(lán)寶石樣片，并用原子力顯微鏡測得其表面形貌如圖4所示。在能量為800eV時表面有點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu) ，能量增加到1 000eV時點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)分布不很均勻，但更加明顯，能量為1 200eV時表面出現(xiàn)了較為規(guī)律并且很明顯的納米結(jié)構(gòu)。從圖4可看出，樣品表面在能量較低時有細(xì)小的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，以后隨著能量增大表面結(jié)構(gòu)更加明顯，柱狀結(jié)構(gòu)也從無序變?yōu)橛行虻募{米結(jié)構(gòu)，排列也更加緊密。

圖3 刻蝕后樣品表面粗糙度Fig.3 Etched surface roughness

圖4 相同角度不同能量下樣片表面AFM圖Fig.4 AFM images of etched samples under same angle and different energies

2.3.2 改變?nèi)肷浣嵌?/p>

圖5為入射能量為1 000eV時，不同入射角度下刻蝕的藍(lán)寶石樣品表面納米結(jié)構(gòu)。

選取能量為1 000eV時不同角度刻蝕后的藍(lán)寶石樣片進(jìn)行測量?？涛g角度為0°時，出現(xiàn)了較為分散且細(xì)小的點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu)；刻蝕角度為10°時，樣品表面納米結(jié)構(gòu)呈分散較大且無規(guī)律的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)；刻蝕角度為30°時，刻蝕后樣品表面結(jié)構(gòu)趨于平滑；刻蝕角度為50°時，出現(xiàn)了較有規(guī)律的均勻分布的點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu)；刻蝕角度為60°時，表面納米結(jié)構(gòu)與0°時較為類似，呈細(xì)小的點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu)；刻蝕角度為80°時，出現(xiàn)明顯但規(guī)律不明顯的點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu)。

圖5 相同能量不同角度下樣片表面AFM圖Fig.5 AFM images of etched samples under same energy and different angles

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角度在50°附近，樣品表面的點(diǎn)狀納米結(jié)構(gòu)最為明顯且有規(guī)律，而在30°時可以控制樣品表面區(qū)域平坦化。

3 結(jié)論

使用微波回旋共振離子源，利用Ar＋離子對藍(lán)寶石晶片在不同入射角度及不同入射能量下進(jìn)行低能離子束刻蝕，并對刻蝕前后的樣片利用Taylor Surf CCI2000非接觸式表面測量儀測量樣品表面粗糙度；U－3501型分光光度計(jì)測量樣品透過率；德國Bruker生產(chǎn)的原子力顯微鏡（AFM）Multimode8測量樣品表面形貌。研究了低能Ar＋離子在不同參數(shù)下對藍(lán)寶石刻蝕的效果及光學(xué)性能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種能量下，藍(lán)寶石樣片的透過率都有明顯的增大，隨著刻蝕能量的增加，刻蝕后樣片表面透射率也隨之增加。表面粗糙度方面，3種能量下都呈先增加后減小的趨勢，最高可達(dá)到1.228nm，總體分布在0.9nm到1.1nm 之間。在20°～40°時粗糙度較大。樣品表面納米結(jié)構(gòu)的形成是由于濺射粗糙化和表面弛豫機(jī)制相互作用的結(jié)果，入射能量的增大使樣品表面原子獲得更大的能量，所以樣品表面形貌變化較為明顯且有規(guī)律。而且由于角度不同，離子濺射樣品表面的位置不同，在30°左右時使得樣品表面平坦，在50°左右時出現(xiàn)明顯且有規(guī)律的納米結(jié)構(gòu)，使得利用低能離子刻蝕藍(lán)寶石表面得到的表面形貌達(dá)到可控性。

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