硅基太赫兹增透窗口的设计与工艺研究

摘要

亚波长结构指的是尺寸小于入射波长的二元光学表面结构。当多台阶亚波长结构的特征尺寸远小于入射波长时，每一层亚波长结构类似于传统光学元件表面折射率均匀的增透膜。通过对该结构的周期、占空比、高度进行计算与仿真可获得具有增透效应的亚波长结构。本文从设计理论以及制作工艺两方面对多台阶亚波长结构进行了详细介绍，将传统红外宽带增透膜理论与亚波长结构的等效介质理论结合，并利用严格耦合波理论进行分析，最终得出三台阶亚波长结构的结构参数。最后，将仿真理论与制作工艺结合考虑，通过设计合适范围的结构参数，在得到最佳透过率的基础上，并降低了单台阶结构制作工艺的成本与难度；以及三台阶结构可以提高器件的工艺容差。本文的主要内容简述如下： (1) 介绍了等效介质理论，并将该理论与传统红外宽带增透膜理论相结合推导出多台阶结构的近似结构参数。讨论了亚波长结构对于任意入射光仅存在零级衍射时对应的周期阈值。 (2) 介绍了严格耦合波理论，将等效介质理论与红外宽带增透膜理论得出的多台阶近似结构参数作为参考值，利用以严格耦合波理论为基础编写的MATLAB程序进行仿真，最终得出最佳透过率时对应的结构参数。利用掩膜版制作软件L-Edit绘制出不同层次台阶的掩膜版图形，以及在第二次与第三次光刻需要的对准标记。 (3) 介绍了多台阶结构的制作工艺流程。传统多台阶的制作是采用多次单掩膜的工艺流程，而这里采用的是多掩模的工艺流程。避免了多次单掩膜工艺流程中的坑底堆胶，光刻线条质量差的问题。对所使用的掩膜层的沉积工艺与刻蚀工艺进行了介绍。通过对刻蚀后的台阶结构的测量，发现多掩模工艺刻蚀后的图形线条质量好。 (4) 根据传统多膜增透理论，设计了一种三台阶的亚波长结构，提高了最大透过率。实际制作出硅基底的太赫兹增透窗口在170μm~190μm内的平均透过率达到了76%，相对于裸硅片以及单台阶结构分别有14%与7%的提升。利用MATLAB仿真程序，在100μm~400μm波段进行仿真，并与实际测得的透过率进行对比，得出三台阶结构与三层增透膜结构相同，都具有三个波峰位置。

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