使用KOH各向異性蝕刻Si的光學器件的單掩模微制造（上）

?引言

我們報道了利用KOH水溶液中硅的各向異性腐蝕，用單掩模工藝進行連續(xù)非球面光學表面的微加工。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元件的潛力。

介紹

非球面微光學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，用于半導體激光器的光束形成光學器件和顯示應用。

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

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。

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圖二。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25 nm之間的范圍內(nèi)。由折射率為n的復制光學部件中的這種粗糙度引起的波前變形小1/(n-1)倍，在8和13 nm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: