红外与太赫兹衍射光学器件的设计与制作

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1、华中科技大学硕士学位论文红外与太赫兹衍射光学器件的设计与制作姓名：魏明月申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：张新宇2011-01-18摘要湿法腐蚀工艺是制作衍射微光学元件的一个重要方法。该方法基于硅的特定晶向特性，利用微电子加工工艺在硅基片表面制作多种复杂的微细结构。相比其他方法，本文研究的湿法腐蚀工艺，仅需单步光刻和两步湿法腐蚀就能够制作出表面形态良好、微细结构较为复杂的衍射器件。具有方法简便，易于控制及成本较低等特点。本文采用湿法腐蚀工艺，设计和制作红外、太赫兹波段的振幅调制衍射光学元件。在红外波段选取中红外

2、（3-5微米）和远红外（8-14微米），在太赫兹波段选取118.83微米、122.4微米和158.51微米这三个波长的太赫兹波等作为研究对象，完成相应的微结构设计与器件制作。整个流程所包括的四个环节依次为：计算相位图、设计光刻版图、两步湿法腐蚀工艺及性能测试。首先以菲涅尔衍射理论为基础，采用G-S算法计算所需的相位分布。其次结合硅晶向特性，将相位图转化为光刻版图。两步湿法腐蚀工艺是本文工作的核心内容，各向异性腐蚀和腐蚀自停止原理是该工艺的理论基础。在两步湿法腐蚀工艺中，通过第一步腐蚀得到尺度不同的倒金字塔结构，通过第二步腐蚀得到

3、特定深度的复杂台阶结构。最后，对所制作的衍射光学器件进行测试，包括表面粗糙度测试、台阶轮廓测试、波前测试和光学成像测试。实验结果表明：采用湿法腐蚀工艺制作的衍射光学元件，具有表面粗糙度可以满足要求，台阶结构显著，对光波具有较理想的相位调制和振幅调制效能等特点。关键词：红外，太赫兹，单步光刻，两步湿法腐蚀，G-S算法，相位调制，振幅调制IAbstractThewetetchingtechnologyisanimportantmethodforfabricationdiffractionmicro-opticselements(DO

4、Es).AlargenumberofcomplexfinemicrostructurescanbefabricatedoverthesurfaceofsiliconwaferthroughthemethodaccordingtotheerosioncharacteristicsofseveralspecialsiliconcrystalorientationsinKOHsolutionandcommonmicroelectronicstechniques.Comparedwithotherapproaches,thediffra

5、ctiveelementswithfinemorphologyandcomplexmicro-nano-structurescanbefabricatedaccordingtothewetetchingtechnologystudiedinthisthesis,whichonlyconsistsofsinglemaskphotolithographyanddual-stepwetKOHetching.Themethoddemonstratessomemerits,suchassimpleprocedures,easilycont

6、rollingofmicrostructuralandtechnologicalparameters,andlowcost.Inthisthesis,theamplitudemodulationDOEusedininfrared(IR)andterahertz(THz)wavelengthrange,aredesignedandfabricatedthroughthewetKOHetchingprocesses.BothMid-IR(3-5µm)andFar-IR(8-14µm)incommoninfraredrange,and

7、thenthreewavelengthsof118.83µmand122.4µmand158.51µminterahertzrange,areselectedastargetwavelengthtoachievethedesignandfabricationofneededmicro-nano-structuresanddevices.Thewholetechnologicalflowconsistsoffourkeystepsincluding:calculationphasedistributionmap,designing

8、photomask,dual-stepwetetching,andperformancemeasurements.Firstly,basedontheFresneltheory,thephasedistributionpatternsarecalculatedb