eng
Выпуск #2/2023
М. А. Богачев, Д. Д. Васильев, К. М. Моисеев, М. В. Назаренко
Обработка оптических кристаллов и светодиодов в плазме тлеющего разряда
Обработка оптических кристаллов и светодиодов в плазме тлеющего разряда
Просмотры: 865
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.2.108.112
Обработка в плазме тлеющего разряда все активнее применяется для очистки поверхностей материалов от загрязнений, уменьшения шероховатости поверхности, повышения поверхностной энергии и модификации поверхности. В статье приведены результаты обработки в плазме высокочастотного и низкочастотного газового разряда в установке плазменной обработки MPC RF‑12 дисков оптических кристаллов и кассет твердотельных светодиодов. Оценено влияние параметров и режимов плазменной обработки, а именно мощности, времени и типа рабочего газа, на качество обработки. Показано, что плазменная обработка является мощным инструментом влияния на свойства поверхности оптических кристаллов, эффективна для удаления оксидных слоев металлов и безопасна для клеевых соединений кристаллов с основанием.
Обработка в плазме тлеющего разряда все активнее применяется для очистки поверхностей материалов от загрязнений, уменьшения шероховатости поверхности, повышения поверхностной энергии и модификации поверхности. В статье приведены результаты обработки в плазме высокочастотного и низкочастотного газового разряда в установке плазменной обработки MPC RF‑12 дисков оптических кристаллов и кассет твердотельных светодиодов. Оценено влияние параметров и режимов плазменной обработки, а именно мощности, времени и типа рабочего газа, на качество обработки. Показано, что плазменная обработка является мощным инструментом влияния на свойства поверхности оптических кристаллов, эффективна для удаления оксидных слоев металлов и безопасна для клеевых соединений кристаллов с основанием.
Теги: cleaning of optical elements low-temperature pulsed plasma optical crystals plasma surface treatment solid-state leds низкотемпературная импульсная плазма оптические кристаллы очистка оптических элементов плазменная обработка поверхности твердотельные светодиоды
Обработка оптических кристаллов и светодиодов в плазме тлеющего разряда
М. А. Богачев 1, 2, Д. Д. Васильев 1, 2, К. М. Моисеев 1, 2, М. В. Назаренко 1, 3
ООО «Джиэнтех», Москва, Россия
МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
РТУ МИРЭА, Москва, Россия
Обработка в плазме тлеющего разряда все активнее применяется для очистки поверхностей материалов от загрязнений, уменьшения шероховатости поверхности, повышения поверхностной энергии и модификации поверхности. В статье приведены результаты обработки в плазме высокочастотного и низкочастотного газового разряда в установке плазменной обработки MPC RF‑12 дисков оптических кристаллов и кассет твердотельных светодиодов. Оценено влияние параметров и режимов плазменной обработки, а именно мощности, времени и типа рабочего газа, на качество обработки. Показано, что плазменная обработка является мощным инструментом влияния на свойства поверхности оптических кристаллов, эффективна для удаления оксидных слоев металлов и безопасна для клеевых соединений кристаллов с основанием.
Ключевые слова: низкотемпературная импульсная плазма, оптические кристаллы, твердотельные светодиоды, плазменная обработка поверхности, очистка оптических элементов
Статья получена: 19.01.2023
Статья принята: 03.02.2023
Введение
Спектр материалов и устройств на их основе, используемых в применениях фотоники, крайне разнообразен. Технологический процесс их использования, как правило, включает операцию плазменной обработки, выполняемую с различными целями: очистка поверхности от органических загрязнений, активация поверхности для последующего нанесения тонкопленочных оптических покрытий, модификация структуры поверхности, снижение шероховатости (ионная полировка), придание гидрофильных или гидрофобных свойств. Можно выделить такие крупные направления, как лазерная техника [1], тесно связанная с ней интегральная [2–4] и волоконная оптика [5, 6], поликристаллические оптические материалы [7] и др.
Отдельный интерес представляет плазменная обработка оптических кристаллов [8, 9] и твердотельных светодиодов [10, 11].
В статье приведены результаты влияния обработки в плазме тлеющего разряда на свойства оптических кристаллов ZnGeP2 и кассет с чипами твердотельных светодиодов.
Оборудование для плазменной обработки поверхностей
Исследования производились в установках плазменной обработки MPC (рис. 1) производства российской компании GNtech (ООО «Джиэнтех, резидент инновационного центра «Сколково») [12]. Установки являются отечественной разработкой, выпускаются серийно и по своим характеристикам и функционалу полностью соответствуют зарубежным аналогам.
Для обработки оптических кристаллов ZnGeP2 используется обработка в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда в установке MPC RF‑12. Это связано с тем, что материал является диэлектриком, и 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 кассет с чипами светодиодов используется установка MPC LF‑12 с низкочастотной плазмой 40 кГц, поскольку основным элементом, требующим обработки, являются металлические рамки светодиодов, которые необходимо очищать как от возможных органических загрязнений, так и от образующихся оксидов, которые ухудшают оптические свойства (коэффициент отражения).
Результаты исследований
и их обсуждение
Образцы оптических кристаллов ZnGeP2 – диски диаметром 30 мм и толщиной 2 мм. Целью обработки является исследование влияния параметров обработки поверхности оптического кристалла на величину порога лазерного разрушения (ПЛР). Для определения ПЛР кристаллов используется стандартная методика «S-on‑1», описанная в международном стандарте ISO 11254-2, которая позволяет учесть вероятностный характер оптического пробоя. Параметры обработки приведены в таблице. Как показали измерения, на качество обработки более сильное влияние оказывает мощность, вкладываемая в разряд.
Целью пламенной обработки кассет со светодиодными кристаллами является удаление оксидов с металлических рамок (медь с серебряным покрытием) для восстановления отражающей способности серебра, а также проверка влияния плазменной обработки прочность клеевого соединения кристалла и основания.
Обработка проводится в плазме низкочастотного (40 кГц) тлеющего разряда при мощностях 50, 100 и 200 Вт. Время обработки составляет 3 минуты. Рабочий газ – аргон. Изображения образцов до и после обработки приведены на рис. 2.
Наблюдается визуальное изменение цвета – с желтоватого (оксид) до серебристого. При этом разницы между образцами, обработанными при различной мощности, не замечено. Прочность клеевого соединения не нарушена.
Для дополнительной оценки влияния плазменной обработки прочности клеевого соединения проведена обработка при мощности 200 Вт в течение 10 минут. Прочность клеевого соединения не нарушена. Визуально образец выглядит так же, как и образцы, обработанные при меньшем времени.
Заключение
Проведенные эксперименты по влиянию параметров плазменной обработки показывают, что в случае с оптическими кристаллами она является эффективным инструментом влияния на свойства поверхности. Однако поиск оптимальных параметров (мощность, длительность обработки и состав газовой среды) необходимо подбирать экспериментальным путем, для чего требуется использовать оборудование, например установки плазменной обработки компании GN tech серии MPC, позволяющее варьировать максимальное количество параметров обработки и сохранять в виде рецептов наиболее подходящие для их последующего воспроизведения при серийном производства.
Для обработки более стойких к воздействию плазмы материалов, таких как металлические рамки твердотельных светодиодов, возможно использовать обработку в довольно широком диапазоне мощностей. Дополнительным преимуществом плазменной обработки также является сохранение прочности клеевых соединений, присутствующих в изделиях подобного типа.
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.
Kachura S. M., Postnov V. I. Perspektivnye optovolokonnye datchiki i ih primenenie (obzor). Trudy VIAM. 2019; 5 (77). (In Russ.).
Качура С. М., Постнов В. И. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор). Труды ВИАМ. 2019; 5 (77).
Miftahov I. S., Voznesenskij E. F., Abdullin I. Sh., Fadeev A. O., Gataullin L. Primenenie plazmy VCh-razryada ponizhennogo davleniya v processah polirovki opticheskih materialov polikristallicheskogo stroeniya. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2015; 11. (In Russ.).
Мифтахов И. С., Вознесенский Э. Ф., Абдуллин И. Ш., Фадеев А. О., Гатауллин Л. Применение плазмы ВЧ-разряда пониженного давления в процессах полировки оптических материалов поликристаллического строения. Вестник Казанского технологического университета. 2015;11.
Gribenyukov A. I., Voevodin V. I. Influence of the preparation conditions on optical properties of single crystals ZnGeP2 in THz range // J. Phys. Conf. Ser. – 2018. – № 1115. – P. 052030.
Gerhard C., Stappenbeck M. Impact of the Polishing Suspension Concentration on Laser Damage of Classically Manufactured and Plasma Post-Processed Zinc Crown Glass Surfaces. Appl. Sci. 2018, 8, 1556. https://doi.org/10.3390/app8091556.
Vasiliev A. Osobennosti tekhnologii proizvodstva svetodiodnyh svetil’nikov. Sovremennaya svetotekhnika. 2010;5. (In Russ).
Васильев А. Особенности технологии производства светодиодных светильников. Современная светотехника. 2010;5.
Belyaev V. Tverdotel’nye i organicheskie mikrosvetodiody – tekhnologiya, rynok, perspektivy. Elektronika: Nauka, tekhnologiya, biznes. 2018; 8. DOI: 10.22184/1992‑4178.2018.179.8.102.112. (In Russ).
Беляев В. Твердотельные и органические микросветодиоды – технология, рынок, перспективы.Электроника: Наука, технология, бизнес. 2018; 8. DOI: 10.22184/1992‑4178.2018.179.8.102.112.
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
Богачев Максим Андреевич, магистр 1 года кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; инженер-конструктор ООО «Джиэнтех», Москва, Россия.
ORCID 0000–0001–6580–0103
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
Назаренко Мария Владимировна, аспирант кафедры наноэлектроники (ИПТИП) РТУ-МИРЭА, инженер-технолог ООО «Джиэнтех» info@gnaxel.ru, Москва, Россия.
ORCID 0000–0003–1707–8587
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
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
М. А. Богачев 1, 2, Д. Д. Васильев 1, 2, К. М. Моисеев 1, 2, М. В. Назаренко 1, 3
ООО «Джиэнтех», Москва, Россия
МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
РТУ МИРЭА, Москва, Россия
Обработка в плазме тлеющего разряда все активнее применяется для очистки поверхностей материалов от загрязнений, уменьшения шероховатости поверхности, повышения поверхностной энергии и модификации поверхности. В статье приведены результаты обработки в плазме высокочастотного и низкочастотного газового разряда в установке плазменной обработки MPC RF‑12 дисков оптических кристаллов и кассет твердотельных светодиодов. Оценено влияние параметров и режимов плазменной обработки, а именно мощности, времени и типа рабочего газа, на качество обработки. Показано, что плазменная обработка является мощным инструментом влияния на свойства поверхности оптических кристаллов, эффективна для удаления оксидных слоев металлов и безопасна для клеевых соединений кристаллов с основанием.
Ключевые слова: низкотемпературная импульсная плазма, оптические кристаллы, твердотельные светодиоды, плазменная обработка поверхности, очистка оптических элементов
Статья получена: 19.01.2023
Статья принята: 03.02.2023
Введение
Спектр материалов и устройств на их основе, используемых в применениях фотоники, крайне разнообразен. Технологический процесс их использования, как правило, включает операцию плазменной обработки, выполняемую с различными целями: очистка поверхности от органических загрязнений, активация поверхности для последующего нанесения тонкопленочных оптических покрытий, модификация структуры поверхности, снижение шероховатости (ионная полировка), придание гидрофильных или гидрофобных свойств. Можно выделить такие крупные направления, как лазерная техника [1], тесно связанная с ней интегральная [2–4] и волоконная оптика [5, 6], поликристаллические оптические материалы [7] и др.
Отдельный интерес представляет плазменная обработка оптических кристаллов [8, 9] и твердотельных светодиодов [10, 11].
В статье приведены результаты влияния обработки в плазме тлеющего разряда на свойства оптических кристаллов ZnGeP2 и кассет с чипами твердотельных светодиодов.
Оборудование для плазменной обработки поверхностей
Исследования производились в установках плазменной обработки MPC (рис. 1) производства российской компании GNtech (ООО «Джиэнтех, резидент инновационного центра «Сколково») [12]. Установки являются отечественной разработкой, выпускаются серийно и по своим характеристикам и функционалу полностью соответствуют зарубежным аналогам.
Для обработки оптических кристаллов ZnGeP2 используется обработка в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда в установке MPC RF‑12. Это связано с тем, что материал является диэлектриком, и 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 кассет с чипами светодиодов используется установка MPC LF‑12 с низкочастотной плазмой 40 кГц, поскольку основным элементом, требующим обработки, являются металлические рамки светодиодов, которые необходимо очищать как от возможных органических загрязнений, так и от образующихся оксидов, которые ухудшают оптические свойства (коэффициент отражения).
Результаты исследований
и их обсуждение
Образцы оптических кристаллов ZnGeP2 – диски диаметром 30 мм и толщиной 2 мм. Целью обработки является исследование влияния параметров обработки поверхности оптического кристалла на величину порога лазерного разрушения (ПЛР). Для определения ПЛР кристаллов используется стандартная методика «S-on‑1», описанная в международном стандарте ISO 11254-2, которая позволяет учесть вероятностный характер оптического пробоя. Параметры обработки приведены в таблице. Как показали измерения, на качество обработки более сильное влияние оказывает мощность, вкладываемая в разряд.
Целью пламенной обработки кассет со светодиодными кристаллами является удаление оксидов с металлических рамок (медь с серебряным покрытием) для восстановления отражающей способности серебра, а также проверка влияния плазменной обработки прочность клеевого соединения кристалла и основания.
Обработка проводится в плазме низкочастотного (40 кГц) тлеющего разряда при мощностях 50, 100 и 200 Вт. Время обработки составляет 3 минуты. Рабочий газ – аргон. Изображения образцов до и после обработки приведены на рис. 2.
Наблюдается визуальное изменение цвета – с желтоватого (оксид) до серебристого. При этом разницы между образцами, обработанными при различной мощности, не замечено. Прочность клеевого соединения не нарушена.
Для дополнительной оценки влияния плазменной обработки прочности клеевого соединения проведена обработка при мощности 200 Вт в течение 10 минут. Прочность клеевого соединения не нарушена. Визуально образец выглядит так же, как и образцы, обработанные при меньшем времени.
Заключение
Проведенные эксперименты по влиянию параметров плазменной обработки показывают, что в случае с оптическими кристаллами она является эффективным инструментом влияния на свойства поверхности. Однако поиск оптимальных параметров (мощность, длительность обработки и состав газовой среды) необходимо подбирать экспериментальным путем, для чего требуется использовать оборудование, например установки плазменной обработки компании GN tech серии MPC, позволяющее варьировать максимальное количество параметров обработки и сохранять в виде рецептов наиболее подходящие для их последующего воспроизведения при серийном производства.
Для обработки более стойких к воздействию плазмы материалов, таких как металлические рамки твердотельных светодиодов, возможно использовать обработку в довольно широком диапазоне мощностей. Дополнительным преимуществом плазменной обработки также является сохранение прочности клеевых соединений, присутствующих в изделиях подобного типа.
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.
Kachura S. M., Postnov V. I. Perspektivnye optovolokonnye datchiki i ih primenenie (obzor). Trudy VIAM. 2019; 5 (77). (In Russ.).
Качура С. М., Постнов В. И. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор). Труды ВИАМ. 2019; 5 (77).
Miftahov I. S., Voznesenskij E. F., Abdullin I. Sh., Fadeev A. O., Gataullin L. Primenenie plazmy VCh-razryada ponizhennogo davleniya v processah polirovki opticheskih materialov polikristallicheskogo stroeniya. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2015; 11. (In Russ.).
Мифтахов И. С., Вознесенский Э. Ф., Абдуллин И. Ш., Фадеев А. О., Гатауллин Л. Применение плазмы ВЧ-разряда пониженного давления в процессах полировки оптических материалов поликристаллического строения. Вестник Казанского технологического университета. 2015;11.
Gribenyukov A. I., Voevodin V. I. Influence of the preparation conditions on optical properties of single crystals ZnGeP2 in THz range // J. Phys. Conf. Ser. – 2018. – № 1115. – P. 052030.
Gerhard C., Stappenbeck M. Impact of the Polishing Suspension Concentration on Laser Damage of Classically Manufactured and Plasma Post-Processed Zinc Crown Glass Surfaces. Appl. Sci. 2018, 8, 1556. https://doi.org/10.3390/app8091556.
Vasiliev A. Osobennosti tekhnologii proizvodstva svetodiodnyh svetil’nikov. Sovremennaya svetotekhnika. 2010;5. (In Russ).
Васильев А. Особенности технологии производства светодиодных светильников. Современная светотехника. 2010;5.
Belyaev V. Tverdotel’nye i organicheskie mikrosvetodiody – tekhnologiya, rynok, perspektivy. Elektronika: Nauka, tekhnologiya, biznes. 2018; 8. DOI: 10.22184/1992‑4178.2018.179.8.102.112. (In Russ).
Беляев В. Твердотельные и органические микросветодиоды – технология, рынок, перспективы.Электроника: Наука, технология, бизнес. 2018; 8. DOI: 10.22184/1992‑4178.2018.179.8.102.112.
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
Богачев Максим Андреевич, магистр 1 года кафедры «Электронные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н. Э. Баумана; инженер-конструктор ООО «Джиэнтех», Москва, Россия.
ORCID 0000–0001–6580–0103
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
Назаренко Мария Владимировна, аспирант кафедры наноэлектроники (ИПТИП) РТУ-МИРЭА, инженер-технолог ООО «Джиэнтех» info@gnaxel.ru, Москва, Россия.
ORCID 0000–0003–1707–8587
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
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
Отзывы читателей
