Влияние скин-эффекта на структуру рельефно-фазовых оптических элементов, получаемых методом плазмохимического травления

Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалев М.С., Бугорков К.Н.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалев М.С., Бугорков К.Н. Влияние скин-эффекта на структуру рельефно-фазовых оптических элементов, получаемых методом плазмохимического травления // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 9. С. 78–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-09-78-86

Odinokov S.B., Sagatelyan G.R., Kovalev M.S., Bugorkov K.N. Influence of the skin effect on the structure of relief–phase optical elements obtained by plasma–chemical etching [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2019. V. 86. № 9. P. 78–86. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-09-78-86

Ссылка на англоязычную версию:

S. B. Odinokov, G. R. Sagatelyan, M. S. Kovalev, and K. N. Bugorkov, "Influence of the skin effect on the structure of relief–phase optical elements obtained by plasma–chemical etching," Journal of Optical Technology. 86(9), 596-602 (2019). https://doi.org/10.1364/JOT.86.000596

Аннотация:

Рассмотрены особенности явлений, протекающих при выполнении операции плазмохимического травления оптического стекла на установке с индуктивно связанной плазмой в технологическом процессе изготовления рельефно-фазовых оптических элементов, приводящих к неравномерному разрушению металлической (хромовой) маски. Показано, что при изготовлении таких элементов, характеризуемых весьма значительной вариацией ширины участков металлической маски, необходимо учитывать неравномерность плотности наведенных в маске — тонкопленочном проводнике, вихревых токов, вызванных применением высокочастотного разряда. Аналитически обосновано, что причиной неравномерности разрушения маски-проводника является скин-эффект, обуславливающий вследствие неравномерности нагрева неодинаковость процессов адсорбции и десорбции химически активных частиц по контуру и в сердцевинной части маски. Получены эпюры распределения амплитудных значений напряженности индуцированного электрического поля в направлении, поперечном относительно вектора напряженности, которые свидетельствуют о том, что если на относительно узких участках маски (шириной 1–2 мкм) последствия скин-эффекта не превышают 2%, то на относительно широких участках (шириной 10–20 мкм) скин-эффект приводит к различию в условиях протекания химических реакций на кромочных участках маски и в их средней части примерно в 5 раз.

Ключевые слова:

дифракционные оптические элементы, плазмохимическое травление, маска, хром, скин-эффект, хемосорбция, десорбция

Благодарность:

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 3.2236.2017/4.6).

Коды OCIS: 160.2750, 220.4000, 240.6700

Список источников:

1. Сойфер В.А., Котляр В.В., Досколович Л.Л. Дифракционные оптические элементы в устройствах нанофотоники // Компьютерная оптика. 2009. Т. 33. № 4. С. 352–368.
2. Methods for computer design of diffractive optical elements / Ed. by Soifer V.A. NY: Wiley, 2002. 784 p. ISBN: 978-0-471-09533-0
3. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалев М.С. Расчет, конструирование и изготовление дифракционных и голограммных оптических элементов: учебное пособие. М.: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. С. 42–59.
4. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Ковалев М.С., Бугорков К.Н. Особенности плазмохимического травления кварцевого стекла при формировании глубокого рельефа на прецизионных деталях приборов // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 5. С. 70–77.
5. Odinokov S.B., Sagatelyan G.R, Kovalyov M.S., et al. Creation of DOE to form the calibration dot patterns inside the optical systems // Computer Optics. 2013. V. 37. № 3. P. 341–351.
6. Процессы плазменного травления в микро- и нанотехнологиях [Электронный ресурс]: учебное пособие / под ред. Тимошенкова С.П. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. 283 с.
7. Li W.T., Bulla D.A.P., Love J., Luther-Davies B., Charles C., Boswell R. Deep dry-etch of silica in a helicon plasma etcher for optical waveguide fabrication // J. Vac. Sci. Technol. A. 2005. V. 23(1), Jan/Feb. P. 146–150. doi: 10.1116/1.1842114
8. Vinogradov A.I., Zaryankin N.M., Prokopev E.P., Timoshenkov S.P., Mikkhailov Yu.A. The optimization of parameters of deep plasma chemical etching of silicon for the elements of microelectromechanic systems // Russian Microelectronics. 2011. V. 40. № 7, December. P. 441–445.
9. Подлипнов В.В., Колпаков В.А., Казанский Н.Л. Исследование травления диоксида кремния во внеэлектродной плазме с использованием хромовой маски // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 6. С. 830–836.
10. Жидкостное травление хрома / Frast-M [Электронный ресурс]. http://frast.ru/travlcr.html
11. Кручинин Д.Ю., Фарафонтова Е.П. Фотолитографические технологии в производстве оптических деталей: учебное пособие. Екатеринбург: изд. Урал. ун-та, 2014. 51 с. ISBN 978-5-7996-1110-1

12. Волков А.В., Моисеев О.Ю., Полетаев С.Д., Чистяков И.В. Применение тонких пленок молибдена для контактных масок при изготовлении микрорельефов элементов дифракционной оптики // Компьютерная оптика. 2014. Т. 38. № 4. С. 757–762.
13. Волков А.В., Володкин Б.О., Дмитриев С.В., Ерополов В.А., Моисеев О.Ю., Павельев В.С. Тонкопленочная медь как маскирующий слой в процессе плазмохимического травления кварца // Компьютерная оптика. 2007. Т. 31. № 4. С. 53–55.
14. Noemaun A.N., Mont F.W., Cho J., Schubert E.F., Kim G.B., Sone Ch. Inductively coupled plasma etching of gradedrefractive-index layers of TiO2 and SiO2 using an ITO hard mask // J. Vac. Sci. Technol. A. 2011. V. 29(5), Sep/Oct. P. 051302-1–051302-6.
15. Knizikevicius R. Simulations of Si and SiO2 etching in SF6 + O2 plasma // Acta Physica Polonica A. 2010. V. 117. № 3. P. 478–483.
16. Kokkoris G., Gogolides E., Boudouvis A.G. Etching of SiO2 features in fluoro-carbon plasmas: Explanation and prediction of gas-phase-composition effects on aspect ratio dependent phenomena in trenches // J. Appl. Phys. 2002. V. 91. № 5 (1 March). P. 2697–2707.
17. Herbstein F.H., Kapon M., Reisner G.M. Crystal structures of chromium (III) fluoride trihydrate and chromium (III) fluoride pentahydrate. Structural chemistry of hydrated transition metal fluorides. Thermal decomposition of chromium (III) fluoride nonhydrate // Z. für Kristallographie. 1985. Bd. 171. № 1–4. S. 209–224. doi: 10.1524/zkri.1985.171.14.209
18. Бугорков К.Н., Сагателян Г.Р. Возможности плазмохимического травления стекла по диодной схеме // Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 11. С. 44–63.
19. Dudin S.V., Zykov A.V., Dahov A.N., Farenik V.I. Experimental research of ICP reactor for plasma-chemical etching // Problems Atomic Sci. and Technol. Ser.: Plasma Physics (12). 2006. № 6. P. 189–191.
20. Волков А.В. Исследование технологических режимов плазменного ионно-химического травления на установке “Caroline PE15” [Электронный ресурс]: электрон. учеб.-метод. пособие / Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т). Электрон. и граф. дан. (2,6 Мбайт). Самара, 2013–1 эл. опт. диск (CD-ROM).
21. Стафеев С.С., Налимов А.Г., О’Фаолейн Л., Котляр М.В. Бинарные дифракционные решетки для управления поляризацией и фокусировкой лазерного света: обзор // Компьютерная оптика. 2017. Т. 41. № 3. С. 299–314.
22. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Дроздова Е.А., Бетин А.Ю. Жидкостное травление кремния при изготовлении голограммных оптических элементов // Нанотехнологии: разработка, применение — XXI век. 2018. Т. 10. № 2. С. 38–51.
23. Казанский Н.Л., Скиданов Р.В. Бинарный делитель пучка // Компьютерная оптика. 2011. Т. 35. № 3. С. 329–334.
24. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2005. P. 303–307.
25. Андреев В.Г., Ангелуц А.А., Вдовин В.А., Лукичев В.Ф., Шкуринов А.П. Особенности электрической проводимости пленок хрома нанометровой толщины // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 1. С. 66–71.
26. Мансуров Г.Н., Петрий О.А. Электрохимия тонких металлических пленок: монография. М.: МГОУ, 2011. С. 97–106.
27. Фотошаблоны на основе кварца и стекла / АО «НИИ МВ» [Электронный ресурс]. URL: http://www.niimv.ru/products/maskirovannye-plastiny.html
28. Сагателян Г.Р., Одиноков С.Б., Попов В.В. Разработка и изготовление комбинированных голограммных и дифракционных оптических элементов / В кн.: Голография. Наука и практика: сб. тр. 12-й Междунар. конф. «ГолоЭкспо-2015». Казань: изд. КНИТУ-КАИ, 2015. С. 258–263. ISBN: 978-5-7579-2066-5
29. Kovalev M.S., Odinokov S.B., Zlokazov E.Yu., and Stsepuro N.G. A combination of computer generated Fresnel holograms and light guide substrate with diffractive optical elements for optical display and sighting system // Proc. SPIE 10818. 2018. Holography, Diffractive Optics, and Applications VIII, 1081823 (8 November). doi: 10.1117/12.2501171; https://doi.org/10.1117/12.2501171
30. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Гончаров А.С., Ковалев М.С., Соломашенко А.Б., Вереникина Н.М. Экспериментальные исследования процесса плазмохимического травления стекла при изготовлении дифракционных и голограммных оптических элементов // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный научно-технический журнал. 2012. № 5. С. 391–410. doi: 10.7463/0512.0408094
31. Бугорков К.Н., Сагателян Г.Р. Плазмохимическое травление стекла с применением высокочастотной диодной схемы // Естественные и технические науки. 2017. № 8. С. 87–91.
32. Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р. Технология изготовления дифракционных и голограммных оптических элементов с функциональным микрорельефом поверхности методом плазмохимического травления // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2010. № 2. С. 92–104. ISSN 0236-3933
33. Шишлов А.В. Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления // Диссерт. канд. техн. наук. 05.11.14. М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 2016. 208 с.
34. Сагателян Г.Р., Шишлов А.В., Шашурин В.Д. Нанесение функциональных металлических тонкопленочных покрытий на ответственные детали гироскопических приборов космического назначения // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2016. Т. 8. № 3. С. 32–38.