Плазменная обработка поверхностей материалов для задач фотоники
Плазменная обработки является мощным инструментом для очистки поверхностей материалов от загрязнений, уменьшения шероховатости поверхности, повышения поверхностной энергии и модификации поверхности. Использование установок плазменной обработки в цепочке технологического оборудования является общемировой тенденций. В статье приведены результаты обработки в плазме высокочастотного газового разряда в установке плазменной обработки MPC RF‑12 стеклянных подложек, используемых в изделиях фотоники. Исследовано влияние параметров и режимов плазменной обработки, а именно мощности и времени, на качество обработки, определяемое углом смачивания. Показано, что в некоторых случаях можно достичь сходных результатов при разном соотношении параметров плазменной обработки.
С. В. Сидорова2, К. М. Моисеев1, 2, Д. Д. Васильев1, 2, М. В. Назаренко3, И. В. Михайлова1
ООО «Джиэнтех», Москва, Россия
МГТУ им. Баумана, Москва, Россия
РТУ МИРЭА, Москва, Россия
Плазменная обработки является мощным инструментом для очистки поверхностей материалов от загрязнений, уменьшения шероховатости поверхности, повышения поверхностной энергии и модификации поверхности. Использование установок плазменной обработки в цепочке технологического оборудования является общемировой тенденций. В статье приведены результаты обработки в плазме высокочастотного газового разряда в установке плазменной обработки MPC RF‑12 стеклянных подложек, используемых в изделиях фотоники. Исследовано влияние параметров и режимов плазменной обработки, а именно мощности и времени, на качество обработки, определяемое углом смачивания. Показано, что в некоторых случаях можно достичь сходных результатов при разном соотношении параметров плазменной обработки.
Ключевые слова: низкотемпературная импульсная плазма, технология изготовления оптических компонентов, плазменная обработка поверхности, очистка оптических элементов
Статья получена: 19.05.2022
Статья принята: 03.06.2022
Введение
К возникновению фотоники как отдельной промышленной отрасли и как научному направлению привело развитие лазерной техники. Эксперты связывают с ней возможности решения многих проблем, стоящих перед человечеством в области информационного обеспечения, промышленного производства, энергетики, здравоохранения, охраны окружающей среды, обеспечения безопасности [1].
Еще в 60–80‑е годы прошлого столетия фотоника выделилась в отдельную область науки благодаря новым изобретениями: лазером, лазерным диодом, оптоволокном и оптическим усилителем на оптоволокне. В последние годы фотоника проникла уже во все сферы нашей жизни. Сейчас это направление науки охватывает широкий спектр оптических, электрооптических и оптоэлектронных устройств, а также их разнообразных применений. Основные области исследований фотоники включают волоконную и интегральную оптику, в том числе нелинейную, физику и технологию полупроводниковых соединений, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные устройства, высокоскоростные электронные
устройства [2, 3]. Существенно усилилась связь фотоники с квантовой оптикой и квантовыми вычислениями.
Для решения конкретных задач во всех перечисленных областях применения важна неизменность структуры используемого материала и качества его поверхности, что связано с необходимостью достижения минимума оптических потерь в приборах и устройствах.
Предельные характеристики оптических потерь материалов, используемых для задач фотоники, могут быть установлены, если принимать во внимание потери на собственное поглощение и рассеяние материала. Значительные потери возникают при загрязнениях материалов примесями, а также при наличии на поверхности контакта загрязнений и микронеровностей. Наличие микронеровностей на границе раздела слоев в приборах влечет за собой двойное лучепреломление света и несобственные оптические потери [3].
Для удаления загрязнений и микронеровностей с поверхности материала, помимо классической механической и химической обработки, все чаще применяют и плазменную обработку в вакууме. Следует отметить, что плазменная обработка поверхности модифицирует свойства поверхности без изменения свойств самого материала, что важно для материалов оптического и оптоэлектронного назначения.
С помощью плазменной обработки можно влиять на смачиваемость поверхности – создавать гидрофобную, гидрофильную поверхность, т. е. поверхность с необходимыми свойствами. Такие процессы возможны в результате формирования поверхностного слоя с определенными химическими свойствами.
От параметров процесса плазменной обработки зависит степень и уровень модификации поверхности материала. В плазме можно проводить как очистку и травление (удаление загрязнений и снятие слоев материала), так и осаждение (нанесение материала), активацию поверхности (создание активных центров на поверхности металлов для последующей обработки).
Следует отметить выраженное направление развития фотоники в сторону волновой оптики, где используется широкий спектр полимерных материалов. Так, в процессе изготовления волновода три оптических слоя – нижняя оболочка, сердцевина и верхняя оболочка – изготавливаются на подложках путем последовательного наращивания. Каждый оптический слой проходит через последующие циклы нанесения покрытия, визуализации и отверждения. В результате полимерные схемы трассировки с более высоким индексом (оптические сердечники) полностью окружены оптическим материалом с более низким индексом (оптическая оболочка) [4, 5].
Важно сохранять ровную поверхность полимеров от слоя к слою. Будет целесообразно провести дополнительную обработку между этапами нанесения слоев для достижения требуемой модификации поверхности и подготовки ее к нанесению следующего слоя, улучшающего адгезионные качества.
В статье проведена оценка влияния плазменной обработки на стеклянные подложки материалов, используемых при изготовлении изделий фотоники.
Материалы и способ оценки качества их подготовки
В приборах и устройствах фотоники спектр применения материалов весьма обширный: оптические стекла, ситаллы, полупроводниковые материалы, полимеры, оптические покрытия, оптоволокно и др.
Качество плазменной обработки можно определить путем разрыва водной пленки методом распыления, измеряя угол смачивания или с помощью сравнения чистоты подложек [6]. Чаще всего для определения качества обработки поверхности материалов от загрязнений применяется оценка по углу смачивания.
Смачивание – физическое взаимодействие жидкости с поверхностью твердого тела или другой жидкости. В случае, когда происходит контакт жидкости с твердым телом, то мы рассматриваем контактное смачивание. Оно зависит от соотношения между силами сцепления молекул жидкости с молекулами (или атомами) смачиваемого тела (адгезия) и силами взаимного сцепления молекул жидкости (когезия).
Если жидкость контактирует с твердым телом, то существуют две возможности:
молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого тела. В результате силы притяжения между молекулами жидкости собирают ее в капельку. В этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность. Поверхность гидрофобна;
молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого тела. В результате жидкость стремится прижаться к поверхности, расплывается по ней. В этом случае говорят, что жидкость смачивает поверхность. Поверхность гидрофильна.
Степень смачивания характеризуется углом смачивания. Угол смачивания (или краевой угол смачивания) – это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трех фаз.
Существует множество видов измерения смачиваемости поверхности. Наиболее распространенный – метод лежачей капли. Именно с помощью реализации этого метода оценивалось качество обработки в плазме стеклянных образцов при исследовании капли на гониометре.
Оборудование для плазменной обработки поверхностей
Исследования производились в установке плазменной обработки MPC RF‑12 (рис. 1) производства российской компании GNtech (ООО «Джиэнтех, резидент инновационного центра «Сколково») [7].
Установка является отечественной разработкой, выпускается серийно и по своим характеристикам и функционалу полностью соответствует зарубежным аналогам (см. табл.).
Для диэлектрических материалов, преобладающих в изделиях фотоники, целесообразно использовать обработку в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда. Это связано с тем, что в таком ВЧ переменном поле с частотой 13,56 МГц электроны обеспечивают эффективную нейтрализацию положительного заряда, возникающего на поверхности подложек при их взаимодействии с положительно заряженными ионами рабочего газа.
Для обработки металлических компонентов изделий фотоники, например рамок корпусов светодиодов, а также для более массовой обработки могут быть использованы другие установки серии MPC (рис. 2) – с низкочастотной плазмой 40 кГц, с увеличенным размером камеры до 100 литров и более, или с повышенной мощностью генератора плазмы до 1 кВт.
Результаты исследований и их обсуждение
Обработку полимерных образцов в плазме проводили в среде аргона при давлении 50 мТорр. В эксперименте варьировали мощность (50, 100 и 200 Вт) и длительность обработки (30, 60 и 90 с). Обработанные образцы исследовали на гониометре. Полученные изображения подтверждают, что при увеличении времени плазменной обработки стекла угол смачивания уменьшается (рис. 3).
По результатам проведенных исследований были построены зависимости угла смачивания от времени плазменной обработки при разных мощностях рабочего газа (рис. 4).
Анализ экспериментальных результатов показывает, что при небольшом времени обработки порядка 30 с, т. е. на ее начальном этапе, при увеличении мощности угол смачивания увеличивается. При относительно длительном времени обработки, в данном случае примерно 60 с, время обработки перестает оказывать влияние. Также наблюдается некоторое пороговое значение мощности, которое лежит в диапазоне между 50 и 100 Вт, после которого оно перестает влиять на угол смачивания при условии достаточного времени обработки 90 с.
Заключение
Проведенные эксперименты по влиянию параметров плазменной обработки показывают, что обработка сама по себе является эффективным инструментом очистки и управления свойствами поверхностей диэлектрических материалов, используемых в изделиях фотоники.
При этом можно отметить, что в некоторых случаях можно достичь сходных результатов при меньшей мощности, но более длительном времени обработки. Но такие результаты достигались при условии, что величина мощности была выше определенного порогового значения.
Поиск оптимальных параметров обработки практически всегда осуществляется экспериментальным путем, а приведенные в этой и других статьях данные можно рассматривать для определения начальных точек или границ диапазонов варьирования.
Установки плазменной обработки MPC производства компании GNtech позволяют варьировать технологические параметры процесса в широких диапазонах, и обеспечивают возможность сохранять экспериментально подобранные сочетания таких параметров в виде рецептов (до 50 шт.), что делает их удобным инструментом как для научных исследований, так и для серийного производства.
REFERENCES
Kovsh I. B. Photonics in Russia: State & Challenges. Part I. Photonics Russia. 2019;13(2):130–141. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.2.130.141.
Segev M., Bandres M. A. Topological photonics: Where do we go from here? Nanophotonics. 2021;10(1):425–434. DOI: 10.1515/nanoph‑2020-0441.
Wu Y., Li C., Hu X., Ao Y., Zhao Y., Gong Q. Applications of topological photonics in integrated photonic devices. Advanced Optical Materials. 2017;5(18): 1700357. DOI: 10.1002/adom.201700357.
Pelucchi E., Fagas G., Aharonovich I., Englund D., Figueroa E., Gong Q. et al. The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies. Nature Reviews Physics. 2022;4(3):194–208. DOI: 10.1038/s42254-021-00398‑z.
Singh M., Weidner K. Types and performance of high performing multi-mode polymer waveguides for optical interconnects / In book: Optical Interconnects for Data Centers. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. 2017;157–170. DOI: 10.1016/B978-0-08-100512-5.00006-1.
Nyankson E., Agbe, H., Takyi G. K. S., Bensah Y. D., Sarkar D. K. Recent advances in nanostructured superhydrophobic surfaces: fabrication and long-term durability challenges. Current Opinion in Chemical Engineering. 2022;36:100790. DOI: 10.1016/j.coche.2021.100790.
Moiseev K. M., Vasiliev D. D., Mikhailova I. V., Vorobev I. A. Development of Plasma Processing Systems for Optics and Electronics Products. Photonics Russia. 2022;16(2):136–141. DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.136.140.
АВТОРЫ
Моисеев Константин Михайлович, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; технический директор ООО «Джиэнтех», info@gnaxel.ru, Москва, Россия.
ORCID 0000-0002-8753-7737
Васильев Денис Дмитриевич, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; ведущий инженер ООО «Джиэнтех», Москва, Россия.
ORCID 0000-0003-2147-4216
Михайлова Ирина Валерьевна, проектный менеджер ООО «Джиэнтех», Москва, Россия.
ORCID 0000-0002-4558-261X
Сидорова Светлана Владимировна, к. т. н., доцент кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID 0000-0002-3002-1246
Назаренко Мария Владимировна, аспирант кафедры наноэлектроники, Институт перспективных технологий и индустриального программирования (ИПТИП), Российский технологический университет МИРЭА (РТУ-МИРЭА), Москва, Россия.
ORCID 0000-0003-1707-8587
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании рукописи в части вклада каждого из них в работу и согласны с полным текстом рукописи