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.實驗演示..................................................................33.信息系統(tǒng)..................................................................44.結(jié)論......................................................................5

引言我們報道了利用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的橫向尺度和幾微米量級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)到一個深度，其中形成了另一個倒金字塔，其深度相對于<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是這兩個平面之間的蝕刻比，即m=R<114>/R<100>，其中R(pqr)表示對于給定的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，直到它們最終消失，同時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，球形凹陷的直徑D由經(jīng)驗公式(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。

對蝕刻陣列中的不同微鏡測量的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)(對于n=1.5)，這對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.實驗演示非球面的制造包括以下步驟：

1.光刻掩模的設(shè)計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。用于整個過程的蝕刻劑是85℃的33重量%的KOH：H2O溶液。

我們設(shè)計了許多1x1mm和5x5mm的結(jié)構(gòu)，以復(fù)制Zernike多項式描述的表面[6]。1毫米結(jié)構(gòu)近似為41×41個凹坑的陣列，5毫米結(jié)構(gòu)近似為101×101個凹坑。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，其略高于實驗值測量的粗糙度記錄在[7]中。實際上，蝕刻的非球面表面的微粗糙度是兩個不相關(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]中對制作的測試相位板進(jìn)行干涉測試。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，該方法允許對橫向尺寸在幾百微米到幾毫米數(shù)量級、均方根誤