2023年使用KOH各向異性蝕刻Si光學(xué)器件單掩模微制造

2023年使用KOH各向異性蝕刻Si光學(xué)器件單掩模微制造下面是我為大家整理的使用KOH各向異性蝕刻Si光學(xué)器件單掩模微制造,供大家參考。

第1頁共5頁使用KOH各向異性蝕刻Si的光學(xué)器件的單掩模微制造

目錄

引言........................................................................1介紹........................................................................11.球形凹陷的各向異性蝕刻....................................................22.實(shí)驗(yàn)演示..................................................................33.信息系統(tǒng)..................................................................44.結(jié)論......................................................................5

引言我們報(bào)道了利用KOH水溶液中硅的各向異性腐蝕，用單掩模工藝進(jìn)行連續(xù)非球面光學(xué)表面的微加工。使用這種工藝制造了具有幾毫米量級(jí)的橫向尺度和幾微米量級(jí)的輪廓深度的精確的任意非球面。我們討論了決定成形零件精度和最終表面質(zhì)量的因素。我們演示了1毫米和5毫米的復(fù)制非球面相位板，再現(xiàn)散焦，傾斜，散光和高階像差。該技術(shù)具有連續(xù)生產(chǎn)反射和折射任意非球面微光學(xué)元件的潛力。

介紹非球面微光學(xué)元件用于光通信以將光耦合到光纖，用于光存儲(chǔ)拾取器[1]，用于波前傳感器，用于半導(dǎo)體激光器的光束形成光學(xué)器件和顯示應(yīng)用。

非球面的微加工是一項(xiàng)重要的任務(wù)。由于元件尺寸小，傳統(tǒng)方法如研磨和拋光不適用。

第2頁共5頁1.球形凹陷的各向異性蝕刻

圖1通過圓形掩模的<100>硅片的各向異性蝕刻圖2說明了這個(gè)過程。去除氧化物掩模，隨后將樣品浸入蝕刻劑溶液中，有利于蝕刻（411）平面，其蝕刻速率大于（111）平面。（411）側(cè)壁最終達(dá)到一個(gè)深度，其中形成了另一個(gè)倒金字塔，其深度相對(duì)于<100>Si頂面，決定了隨后形成的圓形輪廓的矢狀面。

其中θ是新棱錐的刻面和頂面之間的角度(平面(411)和(100)之間的θ=19.47度)，m是這兩個(gè)平面之間的蝕刻比，即m=R<114>/R<100>，其中R(pqr)表示對(duì)于給定的KOH濃度，平面的蝕刻速率<pqr>。

進(jìn)一步的蝕刻在凹陷的底部產(chǎn)生圓形表面，這可能是n11平面的更快蝕刻的結(jié)果，n11平面連續(xù)地相互超越。在此過程中，剩余的(411)晶面繼續(xù)橫向移動(dòng)，直到它們最終消失，同時(shí)球形截面的直徑增加。當(dāng)頂部硅表面已經(jīng)被蝕刻到深度h時(shí)，球形凹陷的直徑D由經(jīng)驗(yàn)公式(2)給出。

第3頁共5頁

圖2用KOH無掩模蝕刻金字塔形凹坑產(chǎn)生圓形輪廓。

對(duì)蝕刻陣列中的不同微鏡測(cè)量的rms表面粗糙度在15和25nm之間的范圍內(nèi)。由折射率為n的復(fù)制光學(xué)部件中的這種粗糙度引起的波前變形小1/(n-1)倍，在8和13nm之間的范圍內(nèi)(對(duì)于n=1.5)，這對(duì)于可見光是可接受的。

微結(jié)構(gòu)的歸一化焦距由下式給出：

2.實(shí)驗(yàn)演示非球面的制造包括以下步驟：

1.光刻掩模的設(shè)計(jì)和圖案到沉積在硅晶片上的氧化層的轉(zhuǎn)移；

第4頁共5頁2.KOH蝕刻以形成金字塔形凹坑；3.去除氧化物掩模并進(jìn)一步各向異性蝕刻以形成非球面表面。

我們使用<100>525μm的硅晶片，在正面上具有1μm的SiO2掩模，在背面上具有保護(hù)性的氮化物層。用于整個(gè)過程的蝕刻劑是85℃的33重量%的KOH：H2O溶液。

我們?cè)O(shè)計(jì)了許多1x1mm和5x5mm的結(jié)構(gòu)，以復(fù)制Zernike多項(xiàng)式描述的表面[6]。1毫米結(jié)構(gòu)近似為41×41個(gè)凹坑的陣列，5毫米結(jié)構(gòu)近似為101×101個(gè)凹坑。根據(jù)圖2所示的圖表處理該結(jié)構(gòu)，并將所得的硅片用作模具，以復(fù)制沉積在玻璃表面上的折射率為n1.5的聚合物層中的非球面部件。

蝕刻硅表面的固有微粗糙度σi隨著蝕刻深度增加[7]。在去除氧化物之后，直接蝕刻硅表面至h=150μm的深度，導(dǎo)致σI∞15至25nmrms的粗糙度，其略高于實(shí)驗(yàn)值測(cè)量的粗糙度記錄在[7]中。實(shí)際上，蝕刻的非球面表面的微粗糙度是兩個(gè)不相關(guān)貢獻(xiàn)的合成：

1.因蝕刻過程的性質(zhì)而產(chǎn)生的固有粗糙度σI[7]；2.結(jié)構(gòu)近似誤差σs由方程描述。(6)在表1中。

蝕刻表面的均方根粗糙度可由σr=(σ2+σ2)得出。

3.信息系統(tǒng)在單程馬赫森德干涉儀[6]中對(duì)制作的測(cè)試相位板進(jìn)行干涉測(cè)試。圖7顯示了用101x101凹坑近似獲得的5x5mm非球面。初始柵格相對(duì)較大的間距(50μm)和較淺的蝕刻深度導(dǎo)致了稍高的結(jié)構(gòu)粗糙度σs，這在干涉圖案中清晰可見。

第5頁共5頁

4.結(jié)論我們提出、理論描述并實(shí)現(xiàn)了用于反射和折射非球面光學(xué)元件的微加工的單掩模體微加工技術(shù)。

該技術(shù)基于所需表面輪廓的微機(jī)械加工，該表面輪廓是通過在KOH水溶液中各向異性蝕刻硅而產(chǎn)生的球形片的組合。

理論分析表明，該方法允許對(duì)橫向尺寸在幾百微米到幾毫米數(shù)量級(jí)、均方根誤