锗衬底上反应离子刻蚀制备宽波段红外增透结构的工艺及性能研究

　　半导体锗单晶(N型)具有红外透射波段宽(3μm~5μm和8μm~12μm两个波段)、机械强度高、化学稳定性好等特点,是目前红外透射领域应用最广泛的材料之一,尤其是红外热成像系统中透镜和窗口的首选材料[1]。但由于其折射率较大(n=4·01)而引起严重的表面反射损失(单面反射超过36% )。传统减小反射的方法是在材料表面沉积单层或多层抗反射膜[2]。但该方法自身存在着诸如热稳定性、耐持久性以及由于热膨胀系数不匹配而导致的内应力和附力等不足。

　　抗反射亚波长结构(SWS)表面是直接在衬底上刻蚀得到,可以解决上述传统抗反射膜所存在的难题,且通过控制SWS的深宽比(刻蚀深度与填充因子之比)可在宽波段、大视场内使菲涅尔反射损失降到最低[3]。有关二维抗反射亚波长结构的制备,国内外已有所报道。Hobbs等人在多种红外窗口材料上采用二元光学工艺制备了“蛾眼”增透结构[4],具有较好的宽波段增透效果,表明不用破坏窗口材料的固有耐久性就可以降低反射率,但有关的工艺细节很少提及。G. J.Sonek1和V.G. Kreismanis利用反应离子刻蚀技术以CBrF3为刻蚀气体在Si衬底上制备了蛾眼结构和光子晶体[5]。Chih-Hung Sun等人采用模板法在Si衬底上制备了宽波段增透结构,用于Si太阳能电池的表面增透[6]。曹召良等人针对30μm波段在硅片上设计并制备了抗反射光栅[7]。陈思乡等人利用离子束刻蚀技术在Si片上针对10·6μm制备了二维亚波长增透结构[8]。但国内的研究大部分是针对中心波长进行增透结构的分析和制备(如用于10·6μm的CO2激光器窗口)。关于宽波段增透尤其是在Ge衬底上制备宽波段亚波长结构的研究国内还未见报道。

　　笔者针对8μm~12μm长波红外窗口波段,利用反应离子刻蚀技术在双面抛光的Ge表面制备了宽波段红外抗反射亚波长结构,研究了各工艺参数对刻蚀速率及刻蚀选择比的影响,对其表面制备亚波长结构前后红外透过性能进行了比较分析。

　　1　实验与刻蚀机理

　　所用衬底材料为双面抛光的N型Ge(111)单晶( 30 mm×2 mm)。将试样充分地清洗后,用H52-15/ZF型一体涂胶机以旋涂方式进行涂胶,所用光刻胶为GP18H-10( i)紫外正型光刻胶; 100℃前烘110 s后,用URE2000/25型接触/接近式光刻机曝光30 s、0·4%的NaOH作为显影液显影18 s,接着110℃坚膜3 min;最后用SF6作为刻蚀气体在RIE-502型反应离子刻蚀机中进行刻蚀,用AmbiosXP-2型台阶仪测量刻蚀深度。

　　反应离子刻蚀是离子轰击的物理效应和活性粒子的化学效应的综合结果,其中离子轰击对化学效应起到显著的增强作用,使反应离子刻蚀具有很好的各向异性。对于半导体Ge材料,选用SF6作为刻蚀气体是十分有效的。当反应室通入SF6气体时,在辉光放电中发生的化学反应方程式为