硅酸盐玻璃反应离子刻蚀在光学微系统的应用前景

小英说半导体

引言

微光学元件和复杂光学微系统需要超精密制造工艺。最大容许粗糙度由所用波长λ的分数定义，例如λ或更好，而元件的整体尺寸和形状可以容易地达到毫米或厘米范围。在RIE过程中，材料传输是通过离子和反应气体与等离子体反应器表面的物理和化学（反应）相互作用来实现的。该工艺的化学部分自然高度依赖于衬底/前体气体成分。

因此，该工艺已被开发用于半导体工业，并已被广泛应用于纯材料（例如半导体合金，如GaAs、GaN等或硅）的微结构化以及用于光学目的的纯熔融石英（FS）衬底。此外，聚合物可以在基于氧气并结合其他气体（如果需要）的反应性等离子体中蚀刻提供了显著的优点，因为等离子体蚀刻不一定需要高的处理温度，而各个蚀刻物质的能量可能非常高。这种温度和能量的分离是等离子体增强蚀刻工艺相对于仅通过温度施加活化能的纯化学蚀刻的显著优势。另一方面，许多因素会影响局部材料去除速率，因此定义蚀刻轮需要详细了解蚀刻过程。

硅酸盐是无机非金属材料，具有共同的基本单元二氧化硅和通过角、边或面连接二氧化硅四面体的不同方式构建的多种结构。因此，硅酸盐可以以结晶矿物、陶瓷、玻璃陶瓷和玻璃的形式获得和利用。在本研究中，我们展示的结果为创新的3D图案化以及化学和结构处理的RIE工艺的扩展铺平了道路。

实验

   光学微系统由在振幅和相位上调制入射光场的表面和元件组成。根据元件中存在的表面轮廓和最小特征尺寸，折射或衍射的影响成为主导并决定设计方法和制造概念。 制造特别是非球面折射微透镜所需的通过蚀刻的陡峭模拟轮廓的精确转移是具有挑战性的，并且需要对蚀刻性能进行精确控制。或者，通过利用光的周期性并以2π为步长量化所需的相位轮廓，可以使用do来近似折射表面。连续相位值可以进一步减少到整数个通常均匀分布的离散相位步长。这些量化的相位轮廓可以用来说明光学微结构及其制造技术的要求。

    在低温非热等离子体中，与高能电子的非弹性碰撞导致气体分子的激发、离解和电离，产生许多不同的化学反应活性自由基、惰性离子和电子以及活性离子和电子。等离子体通常基于异常辉光放电，在衬底前面有明显的阴极下降。对于非导电玻璃，射频驱动电极是强制性的，以避免自充电层保护表面免受离子轰击。

这些离子为化学表面反应提供了额外的动能。只要产品表现出足够高的蒸汽压，化学蚀刻就会与活性离子和自由基一起发生。非挥发性副产物会停止蚀刻过程。另一方面，加速离子（惰性或活性）能够从表面敲出原子（溅射蚀刻），甚至是非挥发性副产物。 各向异性剖面（此处几乎垂直的沟槽代替了各向同性球形沟槽）的演变由定向高能离子和抑制剂诱导的各向异性来定义。在低压等离子体中，离子轰击的方向性导致垂直入射时的优先去除（底部），而侧壁聚合物层抑制材料的横向蚀刻。 因此，垂直于离子入射取向的表面通常显示出比结构侧壁更高的蚀刻速率。

      深蚀刻具有准垂直侧壁的高质量镜面的可能性，代表了制造集成光学微系统的重要一步。使用具有可定制特性的光学玻璃可以进一步增强光学性能。使RIE蚀刻工艺适用于各种硅酸盐基电介质衬底的超精密微结构的潜力标志着为光学微系统提供更大设计灵活性的巨大进步。尽管到目前为止，主要是FS衬底可用于微结构，我们证明了创新的新型RIE工艺可提高设计灵活性，优化多组分硅酸盐材料，从而实现多种光学特性。这也是由于对光学系统的高要求，例如低粗糙度、低分辨率下的精确台阶高度以及如前面针对衍射和折射结构所讨论的垂直侧壁的产生。我们以秒为单位显示即使在诸如超低膨胀（ULE）玻璃的多组分材料中，适应的RIE工艺也允许实现光学质量的深度蚀刻结构。

   超低膨胀玻璃陶瓷的成分和结构复杂（例如Zerodur），而ULE玻璃是由二氧化硅和二氧化钛组成的单相玻璃质材料。80–82如前所述，材料的复杂性对图案形成过程有很大影响。在玻璃陶瓷和其他复杂玻璃的蚀刻过程中，大量的非挥发性反应，这使得在氟基等离子体中进行结构化更加困难。具体而言，金属氟化物（例如，AlF3、NaF2等）在表面条件下没有达到足够高的蒸气压，因此积聚在基底表面上。

结论

    因思特展示了用于光学微系统的3D微米和纳米结构制造的各种技术工艺。在所有情况下，非常明确的蚀刻是制造过程的关键部分。所呈现的结果表明，基于等离子体的蚀刻工艺允许不同种类的硅酸盐基光学玻璃具有广泛的3D形状和表面特性，从纯二氧化硅到低膨胀材料、光敏玻璃和薄无定形二氧化硅层。这些令人鼓舞的结果显示了这种结构化技术在各种光学应用中的潜力。数字12显示了各种应用领域、结构要求和相关工艺参数的摘要。然而，未来的研究活动仍然存在许多挑战和潜力，特别是对复杂硅酸盐材料（玻璃、玻璃陶瓷）的基于知识的蚀刻，这是光学微系统特别感兴趣的。尽管到目前为止所取得的许多结果仍然是通过基于经验的合适处理参数的优化获得的，但是在许多情况下，对等离子体和硅酸盐基底相互作用期间的基本化学和物理过程的理解仍然是不完整的。由于在这类材料中制造的3D微米和纳米结构的巨大潜力。