引言

用多能氬離子輻照x射線切割鈮酸鋰單晶，產生厚度為400納米的均勻損傷表面層，研究其在HF水溶液中的腐蝕行為。使用不同的酸溫度和濃度，表明可以通過將溫度從24℃提高到55℃來提高蝕刻速率，同時保持該技術的高對比度。討論了氟化氫在水溶液中的分解，并應用氟化氫蝕刻二氧化硅的反應動力學獲得了蝕刻機理的信息。因此，分析了蝕刻速率的濃度依賴性，發現蝕刻過程可以描述為HF或HF 2的侵蝕，其由H+離子的存在催化支持。

我們將系統地研究LiNbO3在高頻水溶液中的蝕刻行為。特別地，我們得出了高頻溶液的濃度和溫度對蝕刻速率和工藝對比的影響。化學動力學將被用來獲得確定蝕刻速率的基本反應步驟的可能描述。

實驗

室溫下，商用全等x射線切割光學級鈮酸鋰晶體被部分掩蔽并用氬離子輻照。為了避免樣品充電和加熱。應用不同能量和影響的氬離子的多次照射作為標準程序，以獲得從表面到400納米深度的均勻損傷層。

隨后，樣品在HF溶液中逐步蝕刻，本文中所有濃度分別以室溫24±2℃、40±0.5℃和55±0.5℃的體積百分比表示。此外，在超聲波支持下進行了一些蝕刻實驗。通過用去離子水稀釋40.8%的儲備溶液獲得不同的氟化氫濃度。通過在每個蝕刻步驟后用斯隆德克表面輪廓儀測量掩蔽和未掩蔽區域之間的高度差來確定蝕刻速率。

結果和討論

除了高蝕刻率限制了生產時間外，所應用技術的對比是制造高高寬比微結構的關鍵參數。對比度決定了掩模邊緣下的那些區域在多大程度上被蝕刻，這些區域只被散射的離子輕微破壞。隨著離子通量的增加，蝕刻速率的增加呈正相關。也就是說，對比度隨著蝕刻率的增加而提高。從圖1中可以看出，24、40和55°C的最大增加量分別為150、850和1800nmmin?1dpa?1。歸一化到相應的最大蝕刻速率，三種溫度的對比度基本相同，約為8±3dpa?1。也就是說，在這個溫度范圍內，通過使用較高的溫度來加速蝕刻過程并不會減少對比度。

?圖1 在24、40和55℃的酸性溫度下，在3.7% HF溶液中蝕刻的輻照鈮酸鋰的蝕刻速率

如果結構蝕刻完成，DEKTAK測量對所有蝕刻溫度測定的平均表面粗糙度為2納米。這個值甚至略低于所使用的完美LiNbO3晶體的粗糙度。通過使用阿倫尼烏斯圖的蝕刻速率對蝕刻溫度的依賴關系，分別確定了每個離子通量的蝕刻過程的活化能。圖2顯示了活化能作為歸一化通量的函數。

圖2 活化能作為由阿倫尼烏斯方程確定的歸一化通量ndpa的函數。

由于在超聲波支架下進行蝕刻時，無法測量到對蝕刻速率的影響，因此可以排除反應物和產物在溶液中的擴散對蝕刻速率的限制。因此，活化能應該單獨描述化學反應對表面的影響。

解釋所得到的速率定律，表面相互作用可以描述類似于二氧化硅的高頻蝕刻的相互作用：首先，表面氧原子帶負電荷的自由鍵通過靜電吸引迅速被H+離子飽和。現在，氧氣可以以氫氧化物分子的形式形成，也可以在另一個H+離子形成進一步的復合物后從表面變成水。這兩種備選的反應路徑導致催化反應的添加劑變化。在第二步中，金屬

Li和Nb

原子可以通過HF或HF2?的攻擊去除，在新表面留下自由氧鍵。相反，總濃度為40.8%時蝕刻速率的異常增加不能用催化模型適當描述。但是，即使可能嘗試其他利率法，它在這個濃度范圍內不可能找到可靠的描述，因為解離模型的有效性被限制在c0 = 14%。然而，應該宣布的是，對于疇反轉鈮酸鋰的HF蝕刻，對于濃度為20%的蝕刻速率也測量到了相同的異常增加。

結論

我們系統地研究了酸溫度和濃度對氬離子輻照LiNbO3在高頻水溶液中蝕刻行為的影響。研究表明，蝕刻速率可以從22增加到200納米分鐘每分鐘，將酸溫度從24增加到55°C，同時保持8 DPA-1工藝的高對比度和2 nm蝕刻表面的最小粗糙度。對于非晶化閾值D301以上的影響，該方法的活化能確定為0.6電子伏，此外，使用高達40.8%的總HF濃度，蝕刻速率提高到1760nm min-1。分析蝕刻速率對濃度的依賴性，發現氟控制和質子催化的反應提供了實驗結果的唯一可能的描述。
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審核編輯：鄢夢凡