基于硅各向异性腐蚀的非球面微光学元件的制作

　　1　引言

　　微光学元件在光通信、光电探测和光存储等许多领域有着广泛的应用。制作微光学元件的方法主要有二元光学方法、激光直写法、灰阶掩模法、热熔法等。其中二元光学方法用多个台阶来近似逼近连续轮廓,虽然能实现各种复杂轮廓,但是其衍射效率与台阶数有直接的关系,随着量化台阶的增多,需反复多次套刻,从而不可避免地存在深度误差和对准误差,以致严重影响其衍射效率,同时制作成本也大大增加;激光直写法加工速度慢,效率低,不适合进行大批量的制作;灰阶掩模法在掩模制作过程中数据量较大,难于精确地控制轮廓;热熔法由于轮廓不容易控制和难于制作不规则轮廓而应用领域受到限制[1~5]。

　　本文提出了利用硅的湿法腐蚀制作非球面微光学元件的方法,此方法采用(100)硅为衬底,KOH∶H2O为腐蚀剂,经过两次腐蚀,就可以在硅衬底上制作出各种轮廓特征的微结构。制作步骤主要包括设计掩模版、光刻、腐蚀等,其成本低,效率高且易于实现大规模生产。

　　2　原理

　　通常情况下,(100)硅在KOH∶H2O中的腐蚀呈各向异性。对硅片进行两步腐蚀,在其表面会出现一个凹球面微结构[1]。图1描述了这个过程:在硅片的表面掩模(如氧化硅、氮化硅、金等)上开一个圆孔,硅片背面也要有掩模保护,如图1(a);在KOH∶H2O中腐蚀会得到一个倒金字塔形的微结构,如图1(b);去掉硅片的表面掩模,背面掩模仍然保留,如图1(c);继续在KOH∶H2O中腐蚀,在硅片的{111}面与{100}面的凸角处会出现{114}面,{114}面会逐渐扩大直至完全取代{111}面,此时的深度即为最后形成凹球面的拱高(s),如图1(d);继续对硅片进行腐蚀,由于这时凹球面底部的腐蚀速率和表面的腐蚀速率相同,凹球面会逐渐扩大,变浅,但是拱高s不变。当{114}面消耗掉时,在硅片上就形成了一个近似球面的微结构,如图1(e)。继续腐蚀使它的曲率半径变大[1]。

　　凹球面微结构的拱高s可以表示为

　　其中,d0为掩模上开孔的直径,m为{114}面和{011}面的腐蚀速率之比,θ是(001)面与腐蚀快面的夹角。这里{114}面为快面,则θ=19.47°。可以得到

　　当硅片表面腐蚀的深度h>2.5d0时,{114}面已经完全消耗掉,硅片上会形成凹球面。令凹球面与硅片表面相交圆的半径D,则

　　此时的凹球面形状并不完美,球面与硅片表面的相交圆类似一个圆角的正方形[1],正方形的边为[110]方向。D可以认为是这个正方形的边长。当h>7d0时,相交圆就近似为圆形了。

　　球面的曲率半径为

　　由式(1),(2)可知,凹球面微结构的拱高与掩模上对应开孔的直径有关,凹球面的几何参数可以由式(3),(4)确定。这样,表面掩模上有一组开孔的硅片,经过两步腐蚀,可以形成一个相互重叠、具有不同深度的凹球面微结构阵列,从整体看,这些凹面拼接成一个具有非球面、不规则轮廓特征的微结构。如图2所示。