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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于标准微电子工艺制作折射及衍射微光学结构 姓名：李纪赛 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：张新宇 20070123 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 本文研究了一种新的针对微光学元件的工艺制备技术。其主要特征有：利用100 晶向的硅在 KOH 溶液中的各向异性腐蚀特性，经过一系列标准微电子加工步骤，在硅 片表面制作出多种光学功能结构，所制成的硅结构也可以进一步作为在其它光学材料 上制作微光学结构的母版。主要工艺步骤包括设计并制作光掩模版、生长 SiO2薄膜、 光刻、刻蚀
2、 SiO2薄膜以及湿法化学腐蚀等。在整套工艺环节中，光掩模版图设计和湿 法腐蚀是两个关键步骤。利用我们所发展的工艺方法，在硅片上所制作的两种典型的 光学结构有：(1)具有球面或非球面轮廓的光学结构；(2)具有微/纳米特征尺寸的基本相 位结构呈非周期分布的衍射光学结构。 制作球面或非球面轮廓的光学结构时，先通过一定的算法程序设计光掩模版，这 样就可以准确地再现、调整和控制光学结构的表面轮廓特征，然后通过我们所发展的 工艺技术加以实现。基本相位结构呈非周期分布的衍射光学结构的表面轮廓由大量的 抽样位相单元组成，各个位相单元具有可变的结构尺寸和深度。制作这种光学结构也 要先设计光掩模版，后续的加工步
3、骤和制作球面及非球面轮廓结构基本相同，只是第 二步湿法腐蚀的时间稍短。 在本文中，还提出了一种新的算法程序，用于设计以频谱空间分离为目的的衍射 光学元件，阐述了算法的基本原理，给出了设计实例并进行了讨论分析。 关键词：关键词：折射光学元件 衍射光学元件 微电子工艺 硅各向异性腐蚀 非球面轮廓 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract This dissertation researches a new manufacturing technology which bases on the anisotropic et
4、ching of 100 silicon in KOH:H2O for fabricating Micro-Optics-Elements. Through this method, many kinds of optical functional microstructures can be fabricated through some standard microelectronic processes. The fabricated microstructures over silicon wafer can also be made as master mask to fabrica
5、te microstructures on other optical material. The main microelectronic processes used by us include optical mask design, SiO2 film deposition, photolithography, SiO2 film etching, and wet etching. The mask design and the wet etching are both key processes in the technology introduced. Two types of o
6、ptical structures fabricated in silicon wafer using this method are as follows: (1) The optical structures with spherical or aspherical profiles; (2) The diffractive optical elements whose basic phase structures with feature size of micro/nano-meter are aperiodic distributed over the device. Fabrica
7、tions of the optical structures with spherical or aspherical profiles need designing the optical mask according to the algorithm. The surfaces profiles of the optical structures, which can be made by the technology developed by us, can be exactly reappear, accurately adjusted, and nicely controlled.
8、 The diffractive optical elements whose basic phase structures with feature size of micro/nano-meter are aperiodic distributed over the device. The surface profiles of these optical structures are composed of many sampled phase units which have variable structural size and depth. Fabrications of the
9、se structures need the same process as fabrications of spherical or aspherical structures, except the second etching time. A new algorithm which can be utilized to design diffractive optical elements for spatial spectrum separation is presented in this dissertation. The basic principle of the algori
10、thm introduced by us is presented. Some design examples are given and analyzed. Key words: Refractive Optical Element Diffractive Optical Element Microelectronics Technology Anisotropic Etching of Silicon Aspheric Profile 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集
11、体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：
12、 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 课题背景 微光学是光学、微电子学和微机械学相互渗透、交叉形成的一门新兴学科，是现代 光学研究的一个重要分支。微光学元件具有体积小、重量轻、功能强、易于集成等特 点，可以使光学结构和系统的集成度更高。随着光电子技术的迅速发展，微光学元件 在光纤通信、信息处理、航空航天、生物医学等领域显示出了广阔的应用前景。 微光学元件的制作技术和传统光学元件不同。传统光学元件的加工手段是机械的 铣、磨和抛光等。制造工艺复杂，所能加工的元件尺寸大，光学
13、功能有限。微光学元 件则是通过微米/亚微米级的现代微加工技术制作而成，包括了掩模套刻技术、电子束 直写技术、激光束直写技术、灰度掩模技术以及热融法等。由于信息时代对光学结构 和系统的微/小型化、阵列化以及集成化的要求越来越高，对微光学元件的应用需求日 益扩大，微光学结构和元件的制作技术也在不断深化和发展1-3。 微光学结构的基本制作工艺源于大规模集成电路工业中的微电子加工技术。微电 子工艺所大量涉及的薄膜图形加工操作，需要控制的大多是二维薄膜图形，而微光学 结构则是一种表面三维浮雕结构，需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度，加 工的目的和要求不同8。近几年来，在大规模集成电路加工技术的迅速
14、发展推动下，微 光学结构的制作工艺在已有基础上又取得了的新的进展。以下部分简要回顾了与本文 内容相关的几种微光学结构的制作技术。 (1) 掩模套刻技术掩模套刻技术 掩模套刻是大规模集成电路加工技术中的标准工艺， 利用该工艺， 可以在如硅片等 材料上制作微光学结构。掩模套刻利用了二元掩模版的多次图形转印和套刻操作，最 终在基片上形成台阶式轮廓的表面微结构图案。其基本工艺流程如图 1.1 所示。 首先制作二元掩模版， 然后利用光刻技术将图形转印到涂在基片上的光刻胶中， 再 经过刻蚀工艺将光刻胶图形转印到基片上。 由图示可见，经过第一次曝光操作，在基片表面形成了两级台阶结构。经过第二次 曝光操作以后
15、，就可以在基片表面形成四级台阶结构。在上述的两次曝光刻蚀间需要 执行一次掩模版的对准操作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 图 1.1 掩模套刻技术的工艺流程 很显然， 经过 N 次曝光刻蚀后， 在基片表面就会形成具有 2N 个台阶数的轮廓结构， 并需要做 N-1 次掩模版的对准。一般来说，所形成的台阶数目越多，元件的光学性能 越好，所需要的掩模版对准次数也越多。通常情况下，随着对准次数的增加，对准所 要求的结构尺寸也越来越细微，技术难度则成倍增加。一般而言，通过两次对准所制 作的 8 台阶元件或经过三次对准所制作的 16 台
16、阶元件，己经能够适应常规的光学要求 了。 研究显示， 微光学结构的制作工艺可以分为加法和减法两种技术途径， 上文所述的 就是减法工艺，又称刻蚀法。加法工艺又被称为薄膜淀积法，其流程与减法工艺基本 相同，区别则在于结构台阶是通过淀积一定厚度的薄膜形成，经过多次薄膜淀积和结 构成形，就可以由多个薄膜结构堆叠成多台阶状的功能结构3-4。 (2) 直写技术直写技术 直写技术主要包括了激光直写和电子束直写。 主要利用了可变曝光剂量的激光束 或电子束对涂敷在基片表面的光致抗蚀剂材料曝光，经显影得到表面轮廓结构。因 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 为省去了掩模制作，因此光致抗蚀剂掩模结构被一次成形。通过该技术既能够
