RU2693097C1 - Method of micro-profiling surface of multicomponent glass - Google Patents

Method of micro-profiling surface of multicomponent glass Download PDF

Info

Publication number
RU2693097C1
RU2693097C1 RU2018109297A RU2018109297A RU2693097C1 RU 2693097 C1 RU2693097 C1 RU 2693097C1 RU 2018109297 A RU2018109297 A RU 2018109297A RU 2018109297 A RU2018109297 A RU 2018109297A RU 2693097 C1 RU2693097 C1 RU 2693097C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
glass
plasma
micro
chemical etching
temperature
Prior art date
Application number
RU2018109297A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Викторович Редьков
Игорь Владимирович Редуто
Андрей Александрович Липовский
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ")
Priority to RU2018109297A priority Critical patent/RU2693097C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2693097C1 publication Critical patent/RU2693097C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/006—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by plasma or corona discharge

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to methods of producing nanostructured materials, in particular to a method of applying a given relief on the glass surface with a characteristic lateral resolution of the order of hundreds of nanometers. Method of micro-profiling surface of multicompartmental glass comprises two-stage treatment of glass surface, in which at first stage surface of glass is brought into contact with template with specified micro profile, which is anode, on one side, and with a flat cathode, which is a substrate holder, on the other side, is placed in a chamber furnace in which glass is heated to a temperature in range of 50 °C to a temperature lower by 20...30 °C of the transition temperature of the glass, constant voltage 0.1–10 kV during 3–350 minutes is applied simultaneously with heating of glass to anode, after which the glass sample is inertially cooled in the chamber furnace and electric voltage is removed. At the second step, a sample of glass with a modified surface is subjected to plasma-chemical etching at pressure of 0.1–10 Pa, wherein inductively bound plasma is formed in a mixture of sulphur hexafluoride gases and oxygen in ratio 3:1 under action of radio-frequency gas discharge, wherein plasma-chemical etching is carried out until required depth of preset micro profile is achieved.
EFFECT: technical result is possibility of formation in glass of nano- and micro profiles with depth of relief from tens of nanometers to several microns, geometry of which corresponds to negative image of used template-electrode, shorter time for application of profiles.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способам получения микро- и нанопрофилей (с характерным разрешением по плоскости от сотен нанометров, по глубине от десятков нанометров до нескольких микрон) заданной конфигурации на поверхности преимущественно щелочно-силикатных стёкол, широко используемых в промышленности. Полученные микропрофилированные щелочно-силикатные стёкла могут быть использованы в устройствах для оптики и фотоники, в том числе в качестве дифракционных элементов, например, линз Френеля.The invention relates to methods for producing micro- and nanoprofiles (with a characteristic resolution along the plane from hundreds of nanometers, in depth from tens of nanometers to several microns) of a given configuration on the surface of mainly alkaline-silicate glasses widely used in industry. The obtained microprofiled alkali silicate glasses can be used in devices for optics and photonics, including as diffractive elements, for example, Fresnel lenses.

Известен ряд решений по получению микропрофилей на поверхности стекол: в работе [Domenico Tulli, Shandon D. Hart, Prantik Mazumder, Albert Carrilero, Lili Tian, Karl W. Koch, Ruchirej Yongsunthon, Garrett A. Piech, and Valerio Pruneri, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 11198−11203] предлагается использовать маску из случайным образом нанесённых микрочастиц для травления стекла с целью получения профиля. Существенным недостатком такого способа является невозможность управлять конфигурацией маски и, соответственно, профиля. В работе [K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, and K. Hirao, Optics Letters Vol. 21, Issue 21, pp. 1729-1731 (1996)] для создания структур заданной конфигурации на стекле предлагается использовать модификацию при помощи лазерного пучка. Существенным недостатком этого способа является невысокая скорость обработки. Также к недостаткам относится ограниченное дифракционным пределом разрешение получаемых на поверхности структур и, как следствие, невозможность формирования элементов с характерными размерами существенно меньше длины волны используемого лазера.A number of solutions are known for obtaining microprofiles on the surface of glasses: in [Domenico Tulli, Shandon D. Hart, Prantik Mazumder, Albert Carrilero, Lili Tian, Karl W. Koch, Ruchirej Yongsunthon, Garrett A. Piech, and Valerio Pruneri, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 11198−11203] proposed to use a mask of randomly deposited microparticles for glass etching in order to obtain a profile. A significant drawback of this method is the inability to control the configuration of the mask and, accordingly, the profile. In [K. M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, and K. Hirao, Optics Letters Vol. 21, Issue 21, pp. 1729-1731 (1996)] to create structures of a given configuration on glass, it is proposed to use a modification using a laser beam. A significant disadvantage of this method is the low processing speed. The disadvantages also include the resolution of the structures obtained on the surface, limited by the diffraction limit and, as a consequence, the impossibility of forming elements with characteristic dimensions substantially less than the wavelength of the laser used.

За прототип выбран способ термоэлектрической модификации поверхности стекла по патенту США № 9272945 «Thermo-electric method for texturing of glass surfaces», опубл. 01.03.2016 по классам МПК С03С23/00, С03С15/00, С03С19/00. Получение микрорельефа на поверхности стекла осуществляют посредством приложения электрического напряжения (так называемый термический полинг). Для этого поверхность стеклянной подложки и шаблона электрода приводят в контакт при температуре в диапазоне от 20°С до (Tg-200)°С, где Tg - переходная температура стекла, после чего на электрод подают электрическое напряжение в диапазоне от 0.1 до 10 кВ, достаточное для эффективной миграции ионов в пределах стеклянной подложки и формирования рельефа. После завершения процесса на поверхности стекла формируется рельеф в соответствии с профилем анодного электрода. В дальнейшем осуществляют химическое травление поверхности стекла с помощью кислот или их растворов (HF, HCl, H2SO4, HNO3) для увеличения контрастности рельефа. Предложенный метод позволяет переносить профиль электрода на стекло, но имеет существенные недостатки. Во-первых, метод позволяет получить только «позитивное» изображение топографии электрода на поверхности стекла, и, во-вторых, ограничен в латеральном разрешении величиной в 200-300 нанометров. Первое явление связано с фактом, что при химическом травлении в кислоте область, которая не подвергалась воздействию термического полинга, стравливается с большей скоростью, то есть в местах, где электрод касался поверхности (имел локальные выступы), на поверхности стекла после травления возникнут возвышения (A.N.Kamenskii, I.V.Reduto, V.D.Petrikov, A.A.Lipovskii, Optical Materials, 62 (2016), 250-254, doi:10.1016/j.optmat.2016.09.074). Следовательно, топография поверхности будет соответствовать «позитивному» изображению электрода. В этом случае при необходимости локальной модификации поверхности стекла предложенным в прототипе методом, например, создания отдельной дифракционной решетки на небольшой его области, возникает необходимость осуществлять травление стекла по всей площади. Второе явление обусловлено изотропным воздействием кислотного травителя на поверхность стекла, в результате чего все тонкие элементы и острые углы переносимого рельефа шаблона сглаживаются, и стенки становятся более пологими.For the prototype of the selected method of thermoelectric modification of the glass surface according to US patent No. 9272945 "Thermo-electric method for texturing of glass surfaces", publ. 03/01/2016 on classes IPC С03С23 / 00, С03С15 / 00, С03С19 / 00. Obtaining a microrelief on the surface of the glass is carried out by applying an electrical voltage (the so-called thermal poling). For this, the surface of the glass substrate and the electrode pattern is brought into contact at a temperature in the range from 20 ° C to (T g -200) ° C, where T g is the transition temperature of the glass, after which an electric voltage in the range from 0.1 to 10 is applied to the electrode kV, sufficient for efficient migration of ions within the glass substrate and the formation of relief. After the process is completed, a relief is formed on the glass surface in accordance with the profile of the anode electrode. In the future, carry out chemical etching of the glass surface with acids or their solutions (HF, HCl, H 2 SO 4 , HNO 3 ) to increase the contrast of the relief. The proposed method allows you to transfer the profile of the electrode on the glass, but has significant drawbacks. Firstly, the method allows to obtain only a “positive” image of the electrode topography on the glass surface, and, secondly, it is limited in lateral resolution to 200-300 nanometers. The first phenomenon is related to the fact that during chemical etching in acid, an area that was not exposed to thermal poling is released at a higher speed, that is, in places where the electrode touched the surface (had local protrusions), elevations will appear on the glass surface after etching (ANKamenskii , IVReduto, VDPetrikov, AALipovskii, Optical Materials, 62 (2016), 250-254, doi: 10.1016 / j.optmat.2016.09.074). Consequently, the surface topography will correspond to the “positive” image of the electrode. In this case, if it is necessary to locally modify the glass surface by the method proposed in the prototype, for example, to create a separate diffraction grating in a small area of the glass, it becomes necessary to etch the glass over the entire area. The second phenomenon is caused by the isotropic effect of acid etching on the glass surface, as a result of which all thin elements and sharp corners of the pattern relief transferred smooth out and the walls become more gentle.

Изобретение направлено на упрощение и снижение стоимости технологического процесса профилирования поверхности стекол по заданному шаблону, а также на сокращение времени нанесения микропрофилей.The invention is aimed at simplifying and reducing the cost of the technological process of profiling the surface of glass according to a given pattern, as well as at reducing the time of application of microprofiles.

Технической проблемой заявляемого изобретения является получение профилей глубиной до нескольких микрон на поверхности стекла, повторяющих негативное изображение шаблона-электрода, т.е. таких, при которых локальные выступы на используемом шаблоне-электроде соответствуют углублениям на поверхности стекла.The technical problem of the claimed invention is to obtain profiles up to several microns in depth on the glass surface, repeating the negative image of the template-electrode, i.e. such that the local protrusions on the used template-electrode correspond to the recesses on the glass surface.

Технический результат заключается в возможности формирования в стекле нано- и микропрофилей с глубиной рельефа от десятков нанометров до нескольких микрон, геометрия которых соответствует негативному изображению используемого шаблона-электрода. При этом отсутствует необходимость использования сложных технических средств, таких как системы фото- или электронной литографии, системы травления сфокусированным ионным пучком, системы локальной модификации поверхности материалов при помощи лазеров с системами фокусировки излучения и т.д.The technical result consists in the possibility of forming in the glass nano- and micro-profiles with a relief depth of tens of nanometers to several microns, the geometry of which corresponds to a negative image of the used electrode template. Moreover, there is no need to use complex technical means, such as photo or electron lithography systems, etching systems with a focused ion beam, systems for local modification of the surface of materials using lasers with radiation focusing systems, etc.

Способ микропрофилирования поверхности многокомпонентных стёкол, включающий двухстадийную обработку поверхности стекла, в котором на первой стадии поверхность стекла приводят в контакт с шаблоном с заданным микропрофилем, являющимся анодом, с одной стороны, и с плоским катодом, являющимся подложкодержателем, с другой стороны, помещают в камерную печь, в которой осуществляют нагрев стекла до температуры в диапазоне от 50°С до температуры ниже на 20…30°С переходной температуры стекла, одновременно с нагревом стекла к аноду прикладывают постоянное напряжение 0,1-10 кВ в течение 3-350 минут, после чего образец стекла инерционно охлаждают в камерной печи и снимают электрическое напряжение, на второй стадии образец стекла с модифицированной поверхностью подвергают плазмохимическому травлению при давлении 0,1-10 Па, при котором используют индуктивно-связанную плазму, образующуюся в смеси газов гексафторида серы и кислорода в соотношении 3:1 под воздействием радио-частотного газового разряда, при этом плазмохимическое травление ведут до достижения необходимой глубины заданного микропрофиля.The method of microprofiling of a multicomponent glass surface, including a two-stage glass surface treatment, in which at the first stage the glass surface is brought into contact with a template with a given microprofile, which is an anode, on the one hand, and a flat cathode, which is a substrate holder, on the other hand, is placed in a chamber a furnace in which glass is heated to a temperature in the range from 50 ° C to a temperature lower by 20 ... 30 ° C, the transitional glass temperature, while heating the glass to the anode is applied along a standing voltage of 0.1–10 kV for 3–350 minutes, after which the glass sample is inertially cooled in a chamber furnace and the voltage is removed; in the second stage, the glass sample with the modified surface is subjected to plasma-chemical etching at a pressure of 0.1–10 Pa; which use an inductively coupled plasma formed in a mixture of gases of sulfur hexafluoride and oxygen in a ratio of 3: 1 under the influence of a radio-frequency gas discharge, while plasma-chemical etching is carried out until the required depth of a given mic roprofile

Благодаря локальному изменению структуры и состава стекла в областях, контактировавших с анодным электродом, последующее плазмохимическое травление будет идти быстрее (см. S. E. Alexandrov, A. A. Lipovskii, A. A. Osipov, I. V. Reduto, and D. K. Tagantsev, Appl. Phys. Lett. 111, 111604 (2017); doi: 10.1063/1.4994082), чем в областях, не подвергнутых электрополевой модификации, что позволит многократно углубить полученный негативный отпечаток электрода на поверхности стекла, и тем самым, существенно увеличить контрастность получаемого профиля. В этом состоит ключевое отличие предлагаемого способа от прототипа, поскольку травление в кислотном травителе, предлагаемое в прототипе, дает обратный результат: при использовании кислотного травителя скорость травления области, которая была в контакте с электродом меньше, чем скорость травления незатронутых областей, и на поверхности появляется позитивное изображение электрода (см. A.N. Kamenskii, I.V. Reduto, V.D. Petrikov, A.A. Lipovskii, «Effective diffraction gratings via acidic etching of thermally poled glass», Optical Materials, (2016) 62, p. 250).Due to the local change in the structure and composition of glass in the areas in contact with the anode electrode, the subsequent plasma-chemical etching will go faster (see SE Alexandrov, AA Lipovskii, AA Osipov, IV Reduto, and DK Tagantsev, Appl. Phys. Lett. 111, 111604 ( 2017); doi: 10.1063 / 1.4994082) than in areas not subjected to electric field modification, which will allow to repeatedly deepen the resulting negative electrode imprint on the glass surface, and thereby significantly increase the contrast of the resulting profile. This is the key difference between the proposed method and the prototype, since the etching in acid etchant offered in the prototype gives the opposite result: when using acid etchant, the etching rate of the area that was in contact with the electrode is less than the etching rate of the unaffected areas and appears on the surface positive electrode image (see AN Kamenskii, IV Reduto, VD Petrikov, AA Lipovskii, “Effective diffraction gratings via acidic etching of thermally poled glass”, Optical Materials, (2016) 62, p. 250).

Помимо этого, использование плазмохимического травления, вместо кислотного травления по прототипу, позволяет достичь существенной анизотропии в скоростях травления. Это, в свою очередь, позволит добиться бóльшего пространственного разрешения метода и получения бóльшей крутизны стенок получаемых профилей.In addition, the use of plasma-chemical etching, instead of acid etching of the prototype, allows us to achieve significant anisotropy in etching rates. This, in turn, will allow achieving a higher spatial resolution of the method and obtaining a greater steepness of the walls of the obtained profiles.

При нагреве стекла до температуры в диапазоне от 50°С до температуры Tg-(20…30)°С, где Tg - переходная температура стекла, происходит увеличение подвижности ионов в стекле, в результате чего под воздействием электрического поля происходит миграция ионов вглубь стекла от поверхности. Чем больше температура, тем выше подвижность ионов, и тем больше глубина модифицированной области при заданном времени термического полинга и напряжении. Следует отметить, что нагрев стекла до температур, близких к Tg, вызывает изменение вязкости стекла, достаточного для того, чтобы начались процессы массопереноса за счет вязкого течения, что может привести к нежелательному изменению геометрии образца и «расплыванию» переносимого микропрофиля. Значительное увеличение подвижности ионов также может привести к электрическому пробою, что пагубно скажется на получаемом профиле.When the glass is heated to a temperature in the range from 50 ° C to a temperature T g - (20 ... 30) ° C, where T g is the transition temperature of the glass, there is an increase in the mobility of the ions in the glass, resulting in the migration of ions into the depth glass from the surface. The higher the temperature, the higher the mobility of the ions, and the greater the depth of the modified region for a given thermal poling time and voltage. It is noted that heating the glass to temperatures close to the T g, the glass causes a change in viscosity sufficient to mass transfer processes started due to viscous flow, which may lead to an undesirable change in the geometry of the specimen and "spreading" portable microprofile. A significant increase in ion mobility can also lead to electrical breakdown, which adversely affects the resulting profile.

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

- на Фиг. 1 схематично изображена установка для электрополевой модификации поверхности стекла, где 1 – образец стекла, 2 – шаблон-электрод с заданным микрорельефом, являющийся анодом, 3 – плоский электрод-подложкодержатель, являющийся катодом, 4 – модифицируемая область стекла, 5 – прижимной механизм, 6 – нагревательные элементы камерной печи 7;- in FIG. 1 schematically shows an installation for an electro-field modification of the glass surface, where 1 is a glass sample, 2 is a template electrode with a given microrelief, which is an anode, 3 is a flat electrode substrate holder, which is a cathode, 4 is a modifiable region of glass, 5 is a presser mechanism, 6 - heating elements of the chamber furnace 7;

- на Фиг. 2 схематично изображена установка для плазмохимического травления, где 8 – образец стекла с профилированной поверхностью, 9 - корпус установки для плазмохимического травления, 10 - электрод-подложкодержатель, 11 - входной патрубок для поступления газообразных гексафторида серы и кислорода, 12 – выходной патрубок, 13 – индуктивно-связанная плазма, 14 – РЧ-генератор;- in FIG. 2 schematically shows an installation for plasma-chemical etching, where 8 is a sample of glass with a profiled surface, 9 is a case of an installation for plasma-chemical etching, 10 is a substrate electrode holder, 11 is an inlet for receiving sulfur hexafluoride and oxygen, 12 is an outlet of 13 inductively coupled plasma, 14 - RF generator;

- на Фиг. 3 представлена фотография полученного профиля монеты на поверхности стекла;- in FIG. 3 shows a photograph of the obtained coin profile on the glass surface;

- на Фиг. 4 представлен график сечения профилированного стекла, полученный с помощью механического профилометра вдоль одной из линий.- in FIG. 4 is a graph of the section of profiled glass obtained using a mechanical profilometer along one of the lines.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

На первой стадии образец стекла подвергают электрополевой модификации. Образец стекла 1 в виде пластины помещают между шаблоном-электродом 2 с заданным микрорельефом, являющийся анодом, и плоским электродом-подложкодержателем 3, являющийся катодом и зажимают посредством диэлектрического прижимного механизма 5 между собой. Затем помещают в камерную печь 7 с резистивным нагревом 6 и осуществляют нагрев образца 1 до температуры в диапазоне от 50°С до Tg-(20…30)°С, где Tg - переходная температура стекла, достаточной для активации подвижности ионов, содержащихся в стекле. Одновременно с нагревом стекла к аноду 2 прикладывают постоянное напряжение в диапазоне 0,1-10 кВ в течение 3-350 минут.In the first stage, the glass sample is subjected to electrofield modification. A sample of glass 1 in the form of a plate is placed between the template electrode 2 with a given microrelief, which is the anode, and the flat electrode substrate holder 3, which is the cathode and clamped by means of a dielectric clamping mechanism 5 between them. Then it is placed in a chamber furnace 7 with resistive heating 6 and the sample 1 is heated to a temperature in the range from 50 ° C to T g - (20 ... 30) ° C, where T g is the transition temperature of glass sufficient to activate the mobility of the ions contained in the glass. Simultaneously with the heating of the glass, a constant voltage in the range of 0.1–10 kV is applied to the anode 2 for 3–350 minutes.

Под действием электрического поля изменяется локальная структура и состав области поверхности стекла на глубине до нескольких микрон, находящейся в контакте с анодом. В результате электрополевой модификации получают стекло с модифицированным приповерхностным слоем в соответствии с микропрофилем шаблона. После чего образец стекла инерционно охлаждают в камерной печи и снимают электрическое напряжение.Under the action of an electric field, the local structure and composition of the surface area of the glass at a depth of up to several microns, which is in contact with the anode, changes. As a result of the electric field modification, a glass with a modified surface layer is obtained in accordance with the microprofile of the template. After that, the glass sample is inertially cooled in a chamber furnace and the voltage is removed.

Затем профилированный образец стекла 8 на первой стадии подвергают плазмохимическому травлению в реакторе 9 при давлении 0,1-10 Па, поддерживаемом за счет притока смеси газов гексафторида серы и кислорода в соотношении 3:1 через входной патрубок 11 и откачки продуктов реакции вакуумным насосом (на чертеже не показан) через выходной патрубок 12. Индуктивно-связанная плазма 13 образуется в смеси газов гексафторида серы и кислорода под воздействием радио-частотного разряда, формируемого РЧ-генератором 14 мощностью 750 Вт. Плазмохимическое травление ведут до достижения необходимой глубины заданного микропрофиля.Then the shaped glass sample 8 at the first stage is subjected to plasma-chemical etching in the reactor 9 at a pressure of 0.1-10 Pa, supported by the flow of a mixture of gases of sulfur hexafluoride and oxygen in the ratio 3: 1 through the inlet 11 and pumping out the reaction products by a vacuum pump (on the drawing is not shown) through the outlet 12. An inductively coupled plasma 13 is formed in a gas mixture of sulfur hexafluoride and oxygen under the influence of a radio frequency discharge generated by an RF generator-generator 14 with a power of 750 watts. Plasma etching is carried out to achieve the required depth of the specified microprofile.

На второй стадии процесса плазмохимическое травление модифицированных на первой стадии областей поверхности стекла будет происходить со скоростью, отличной от скорости травления областей, не подверженных электрополевой модификации. Именно это явление – анизотропия в скоростях травления областей, подвергнутых термическому полингу и исходных, позволяет достичь технического результата. Таким образом, возможно получение глубокого профиля в стекле в соответствии с негативным изображением использовавшегося на первой стадии анодного шаблона-электрода с контрастностью, значительно превышающей контрастность способа по прототипу. Результатом этого этапа является профилированная стеклянная пластина с топографией, соответствующей топографии шаблона 2. Следует отметить, что вариация условий обработки: температуры, продолжительности электрополевой модификации и условий плазмохимического травления, величины электрического напряжения, позволяет оптимизировать процесс травления для стекол конкретного состава с целью увеличения контрастности глубины получаемого профиля.In the second stage of the process, the plasma-chemical etching of the areas of the glass surface modified in the first stage will occur at a rate different from the speed of etching the areas not subject to the electric field modification. It is this phenomenon - anisotropy in the rates of etching of the areas subjected to thermal poling and the initial ones that makes it possible to achieve a technical result. Thus, it is possible to obtain a deep profile in the glass in accordance with the negative image used in the first stage of the anode template-electrode with a contrast much higher than the contrast of the method according to the prototype. The result of this stage is a profiled glass plate with a topography corresponding to the topography of pattern 2. It should be noted that the variation of the processing conditions: temperature, duration of the electric field modification and conditions of plasma chemical etching, magnitude of the electric voltage, allows to optimize the etching process for glasses of a particular composition in order to increase the depth contrast received profile.

В качестве примера реализации заявляемого способа рельеф монеты, используемой в качестве электрода-шаблона, был перенесен на стеклянную пластинку (см. фиг. 3). Глубина рельефа достигала 0.5 микрон. В качестве образца была выбрана пластинка натрий-силикатного стекла марки VO73 по номенклатуре СССР состава: 70.9 SiO2, 8.6 Na2O, 4.2 K2O, 1.4 CaO, 1.0 MgO, 2.1 Al2O3, 0.03 Fe2O3, 0.3 SO3, в масс. %. В качестве катода 3 использовали графитовую пластинку. Электрополевую модификацию проводили в течение 90 минут при температуре 275°C и постоянном напряжении 3000 В. Затем образец инерционно охлаждали до комнатной температуры в печи, после чего напряжение было снято. После этого стеклянная пластинка с модифицированной поверхностью была подвергнута плазмохимическому травлению в реакторе 9 с источником индуктивно-связанной плазмы 13. Реактор состоит из двух зон: в верхней зоне происходила генерация РЧ-разряда, в нижней зоне – плазмохимическое травление образца. Плазма 13, создаваемая в верхней зоне, распространяется в нижнюю зону, где стеклянный образец лежит на плоском электроде 10 с водяным охлаждением (на чертеже не показан), на расстоянии ~20 см от зоны разряда. Для контроля энергии заряженных частиц, падающих на поверхность образца из плазмы, на электрод 10 подавалось отрицательное напряжение смещения Uсм= ­30 В. Частота РЧ-генератора 14 составляла 13.56 МГц при мощности 750 Вт. В качестве газовой смеси использовалась смесь кислорода с гексафторидом серы в пропорции 1:3 и расходом 0.5 л/мин и 1.5 л/мин соответственно при давлении 0.75 Па. Длительность плазмохимического травления составила ~1 час. После травления образец был исследован методом профилометрии (Оптический профилометр Zygo NewView 6000), которая показала, что на его поверхности сформирован рельеф, являющийся негативным отпечатком рельефа монеты, имеющий максимальную глубину 0.5 мкм (см. фиг. 4).As an example of the implementation of the proposed method, the relief of a coin used as a template electrode was transferred to a glass plate (see Fig. 3). The relief depth reached 0.5 microns. The sample was selected plate plate-sodium silicate brand VO73 according to the USSR nomenclature composition: 70.9 SiO 2 , 8.6 Na 2 O, 4.2 K 2 O, 1.4 CaO, 1.0 MgO, 2.1 Al 2 O 3 , 0.03 Fe 2 O 3 , 0.3 SO 3 , in mass. % A graphite plate was used as cathode 3. The electric field modification was carried out for 90 minutes at a temperature of 275 ° C and a constant voltage of 3000 V. Then the sample was inertially cooled to room temperature in a furnace, after which the voltage was removed. After that, a glass plate with a modified surface was subjected to plasma-chemical etching in reactor 9 with an inductively-coupled plasma source 13. The reactor consists of two zones: RF discharge was generated in the upper zone, and plasma-chemical etching of the sample in the lower zone. The plasma 13, created in the upper zone, propagates into the lower zone, where the glass sample lies on a flat water-cooled electrode 10 (not shown in the drawing), at a distance of ~ 20 cm from the discharge zone. To control the energy of charged particles falling on the surface of the plasma sample, a negative bias voltage U cm = 30 V was applied to the electrode 10. The frequency of the RF generator 14 was 13.56 MHz with a power of 750 W. As a gas mixture, a mixture of oxygen and sulfur hexafluoride was used in a ratio of 1: 3 and a flow rate of 0.5 l / min and 1.5 l / min, respectively, at a pressure of 0.75 Pa. The duration of plasma-chemical etching was ~ 1 hour. After etching, the sample was examined by the method of profilometry (Zygo NewView 6000 Optical Profilometer), which showed that a relief was formed on its surface, which is a negative imprint of the coin relief, having a maximum depth of 0.5 μm (see Fig. 4).

Заявляемый способ, включающий последовательную обработку поверхности стекла электрополевой модификацией и плазмохимическим травлением, позволяет, во-первых, получить профиль, соответствующий негативному изображению шаблона-электрода, и во-вторых, существенно увеличить контрастность переносимого профиля за счет локальной модификации состава приповерхностной области стекла, возникающей вследствие термического полинга с использованием шаблона-электрода с заданным рельефом, и анизотропии в скоростях стравливания модифицированных и немодифицированных областей при последующем плазмохимическом травлении. The inventive method, which includes the sequential processing of the glass surface by electrofield modification and plasma-chemical etching, allows, firstly, to obtain a profile corresponding to the negative image of the electrode template, and secondly, to significantly increase the contrast of the transferred profile due to local modification of the composition of the near-surface glass region due to thermal poling with the use of a template-electrode with a given relief, and anisotropy in the speeds of etching modified and unmodified areas during subsequent plasma-chemical etching.

Claims (1)

Способ микропрофилирования поверхности многокомпонентных стёкол, включающий двухстадийную обработку поверхности стекла, в котором на первой стадии поверхность стекла приводят в контакт с шаблоном с заданным микропрофилем, являющимся анодом, с одной стороны, и с плоским катодом, являющимся подложкодержателем, с другой стороны, помещают в камерную печь, в которой осуществляют нагрев стекла до температуры в диапазоне от 50°С до температуры ниже на 20…30°С переходной температуры стекла, одновременно с нагревом стекла к аноду прикладывают постоянное напряжение 0,1-10 кВ в течение 3-350 мин, после чего образец стекла инерционно охлаждают в камерной печи и снимают электрическое напряжение, на второй стадии образец стекла с модифицированной поверхностью подвергают плазмохимическому травлению при давлении 0,1-10 Па, при котором используют индуктивно-связанную плазму, образующуюся в смеси газов гексафторида серы и кислорода в соотношении 3:1 под воздействием радиочастотного газового разряда, при этом плазмохимическое травление ведут до достижения необходимой глубины заданного микропрофиля.The method of microprofiling of a multicomponent glass surface, including a two-stage glass surface treatment, in which at the first stage the glass surface is brought into contact with a template with a given microprofile, which is an anode, on the one hand, and a flat cathode, which is a substrate holder, on the other hand, is placed in a chamber a furnace in which glass is heated to a temperature in the range from 50 ° C to a temperature lower by 20 ... 30 ° C, the transitional glass temperature, while heating the glass to the anode is applied along standing voltage of 0.1-10 kV for 3-350 min, after which the glass sample is inertially cooled in a chamber furnace and the voltage is removed, in the second stage the glass sample with the modified surface is subjected to plasma-chemical etching at a pressure of 0.1-10 Pa; which use an inductively coupled plasma formed in a mixture of gases of sulfur hexafluoride and oxygen in a ratio of 3: 1 under the influence of the radio-frequency gas discharge, while plasma-chemical etching is carried out until the required depth of a given micro rofilya.
RU2018109297A 2018-03-15 2018-03-15 Method of micro-profiling surface of multicomponent glass RU2693097C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109297A RU2693097C1 (en) 2018-03-15 2018-03-15 Method of micro-profiling surface of multicomponent glass

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109297A RU2693097C1 (en) 2018-03-15 2018-03-15 Method of micro-profiling surface of multicomponent glass

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2693097C1 true RU2693097C1 (en) 2019-07-01

Family

ID=67252183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018109297A RU2693097C1 (en) 2018-03-15 2018-03-15 Method of micro-profiling surface of multicomponent glass

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2693097C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU201717U1 (en) * 2020-03-24 2020-12-29 Екатерина Вячеславовна Ендиярова SUPPORT FOR PLASMA CHEMICAL ETCHING IN LOW-TEMPERATURE INDUCTIVE-COUPLED PLASMA

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2091904C1 (en) * 1995-05-17 1997-09-27 Воронежский государственный университет Method for local plasma-chemical etching of material
US20110267614A1 (en) * 2009-01-09 2011-11-03 Trustees Of Boston University Engineered sers substrates employing nanoparticle cluster arrays with multiscale signal enhancement
WO2013138313A1 (en) * 2012-03-12 2013-09-19 University Of Houston System Nanoporous gold nanoparticles as high-payload molecular cargos, photothermal/photodynamic therapeutic agents, and ultrahigh surface-to-volume plasmonic sensors
RU2537301C2 (en) * 2012-09-10 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Sensor for obtaining giant raman scattering spectra and method of making said sensor
US9272945B2 (en) * 2012-10-25 2016-03-01 Corning Incorporated Thermo-electric method for texturing of glass surfaces
US9593981B2 (en) * 2010-09-20 2017-03-14 Vanderbilt University Nanoscale porous gold film SERS template

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2091904C1 (en) * 1995-05-17 1997-09-27 Воронежский государственный университет Method for local plasma-chemical etching of material
US20110267614A1 (en) * 2009-01-09 2011-11-03 Trustees Of Boston University Engineered sers substrates employing nanoparticle cluster arrays with multiscale signal enhancement
US9593981B2 (en) * 2010-09-20 2017-03-14 Vanderbilt University Nanoscale porous gold film SERS template
WO2013138313A1 (en) * 2012-03-12 2013-09-19 University Of Houston System Nanoporous gold nanoparticles as high-payload molecular cargos, photothermal/photodynamic therapeutic agents, and ultrahigh surface-to-volume plasmonic sensors
RU2537301C2 (en) * 2012-09-10 2014-12-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Sensor for obtaining giant raman scattering spectra and method of making said sensor
US9272945B2 (en) * 2012-10-25 2016-03-01 Corning Incorporated Thermo-electric method for texturing of glass surfaces

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU201717U1 (en) * 2020-03-24 2020-12-29 Екатерина Вячеславовна Ендиярова SUPPORT FOR PLASMA CHEMICAL ETCHING IN LOW-TEMPERATURE INDUCTIVE-COUPLED PLASMA

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Smooth surface glass etching by deep reactive ion etching with SF 6 and Xe gases
TW201833052A (en) Method for introducing at least one recess into a material by means of electromagnetic radiation and a subsequent etching process
Meng et al. Simple fabrication of closed-packed IR microlens arrays on silicon by femtosecond laser wet etching
RU2693097C1 (en) Method of micro-profiling surface of multicomponent glass
Alexandrov et al. Plasma-etching of 2D-poled glasses: A route to dry lithography
US20120152892A1 (en) Method for manufacturing optical element
Liu et al. Photoetching of spherical microlenses on glasses using a femtosecond laser
CN103026497A (en) Method for manufacturing light-absorbing substrate and method for manufacturing die for manufacturing light-absorbing substrate
US8937019B2 (en) Techniques for generating three dimensional structures
Kazemi et al. An investigation on effectiveness of temperature treatment for fluorine‐based reactive plasma jet machining of N‐BK7®
KR100847321B1 (en) Piezoelectric material working method
Hu et al. Cost-efficient and flexible fabrication of rectangular-shaped microlens arrays with controllable aspect ratio and spherical morphology
JP2009292703A (en) Method for manufacturing die for forming optical element, and method for forming optical element
Castelli et al. Reactive atom plasma for rapid figure correction of optical surfaces
Heinke et al. Dry etching of monocrystalline silicon using a laser-induced reactive micro plasma
CN112071740B (en) Method for preparing silicon carbide structure by picosecond laser irradiation
Ono et al. The role of silanol groups on the reaction of SiO2 and anhydrous hydrogen fluoride gas
JPH0677126A (en) Formation method of flattening material layer utilizing condensation state
JP7287649B2 (en) Manufacturing method of microlens array
Tang et al. Comparison of optimised conditions for inductively coupled plasma‐reactive ion etching of quartz substrates and its optical applications
JP2004091322A (en) Mechanism for molding glass lens using implanted precision glass molding tool
Belokrylov et al. Improving the Selected Stages of Integrated-Optic Chip Structure Formation and Its Interfacing with Optical Fibers
Crunteanu et al. Comparative study on methods to structure sapphire
JP4942131B2 (en) Stamper and nanostructure transfer method using the same
Ferstl Highly selective etching of deep silica components using electron cyclotron resonance plasma