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? ? ? 微透鏡及其陣列在光子學(xué)中有許多應(yīng)用的可能性，規(guī)模不斷縮小。它們因能夠在微型尺度上操縱光線并使整體包裝簡單緊湊而變得流行。因此，預(yù)計(jì)光子學(xué)中的微透鏡應(yīng)用將以各種形式廣泛傳播。
? ? ? 我們使用基于Br2溶液的擴(kuò)散限制化學(xué)蝕刻技術(shù)制造了折射半導(dǎo)體微透鏡。簡單的一步濕法刻蝕工藝產(chǎn)生了高質(zhì)量的GaAs和磷化銦微透鏡，這兩種半導(dǎo)體材料在光電子學(xué)中最受歡迎。標(biāo)稱透鏡直徑為30 m的球形GaAs微透鏡分別具有91和36 m的曲率半徑和焦距。經(jīng)原子力顯微鏡檢查，表面粗糙度測量值低于10。由于加工簡單和高質(zhì)量的結(jié)果，這種微透鏡制造方法應(yīng)該易于應(yīng)用。
? ? ? 圖1示意性地示出了掩?？變?nèi)的蝕刻工藝。Br2分子在掩蔽區(qū)域不與襯底反應(yīng)，這些分子必須擴(kuò)散到開放區(qū)域(在我們的例子中是圓孔)進(jìn)行蝕刻。然而，由于Br2分子的低遷移率，分子在掩模邊界附近被消耗的概率高于遠(yuǎn)離掩模邊界的概率。蝕刻窗口上蝕刻速率的這種逐漸的空間變化(其分布在圖1的上面板中示意性地示出)在半導(dǎo)體表面上形成球面透鏡輪廓。在取決于半導(dǎo)體材料和所需透鏡曲線的蝕刻期間，樣品需要靜止放置在蝕刻槽內(nèi)以獲得良好的再現(xiàn)性，因?yàn)閷ξg刻物質(zhì)的自然差異運(yùn)動的任何干擾都會改變蝕刻過程的細(xì)節(jié)。
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圖1 使用基于Br2的擴(kuò)散限制蝕刻的半導(dǎo)體微透鏡制造工藝的示意圖
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?圖2 通過所提出的工藝制造的:(a) GaAs和(b)磷化銦微透鏡的掃描電鏡圖像?？堂嫘纬稍贗nP微透鏡中，但僅在蝕刻的側(cè)壁上
? ? ? 圖2顯示了的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像通過上述方法在GaAs襯底和磷化銦襯底的(001)表面上形成的微透鏡。對于GaAs和磷化銦微透鏡，氮化硅蝕刻孔的深度保持不變(30 μm)，而蝕刻持續(xù)時(shí)間分別為15和5分鐘。如圖2(b)所示，InP微透鏡沿[110]方向出現(xiàn)小刻面，我們將其歸因于所用蝕刻劑和InP的特定組合中的部分反應(yīng)速率受限蝕刻成分。這種刻面可能導(dǎo)致鏡片輪廓的輕微不對稱。盡管如此，在鏡片本身的表面上沒有觀察到明顯的刻面。
? ? ? 為了對透鏡輪廓進(jìn)行詳細(xì)的定量評估，我們采用了原子力顯微鏡技術(shù)。圖3示出了根據(jù)測量的AFM數(shù)據(jù)構(gòu)建的GaAs微透鏡的全尺寸透視圖像。圖4(a)中表示的是沿著穿過透鏡中心的線的透鏡輪廓，也是從二維原子力顯微鏡數(shù)據(jù)重建的。虛線是基于球面透鏡近似的理論擬合。根據(jù)擬合估計(jì)的透鏡曲率半徑和焦距分別為91和36 m。
? ? ? 然而，焦距(因此鏡頭速度)可以很容易地控制，通過下面描述的兩種方法中的任何一種。首先是空間控制，其中掩?？字睆奖粩U(kuò)大到超過蝕刻物質(zhì)的擴(kuò)散長度，使得透鏡中心附近的蝕刻速率斜率變小?？椎某叽缭酱?，透鏡輪廓越平坦。我們的方法對孔徑大小沒有實(shí)際限制。我們已經(jīng)嘗試了高達(dá)120米的鏡頭直徑，并觀察到與30米的情況相當(dāng)?shù)南辔徽`差。更有用的是時(shí)間控制，其中蝕刻時(shí)間用作方便的透鏡曲率控制參數(shù)。隨著蝕刻時(shí)間變長，透鏡邊緣和中心之間的蝕刻深度差變得更加顯著，導(dǎo)致更清晰的透鏡輪廓。
? ? ? 表面粗糙度也是微透鏡的一個(gè)重要問題。圖4(b)是圖4(a)中所示的透鏡輪廓的中心區(qū)域的放大圖——對于適當(dāng)?shù)目s放，數(shù)據(jù)在減去擬合的背景輪廓之后呈現(xiàn)。除了零基線周圍的逐漸調(diào)制(反映球面像差或測量數(shù)據(jù)和擬合之間的差異)，透鏡表面的局部粗糙度保持在10以下。Br2蝕刻表面的這種極端平滑性已經(jīng)被集成了垂直模式轉(zhuǎn)換器的高性能InP激光二極管所證明。
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圖4 (a)GaAs微透鏡沿著穿過透鏡中心的線的表面輪廓(實(shí)線)，以及球面擬合(虛線)。(b)靠近透鏡中心的放大輪廓，以顯示表面粗糙度
? ? ? 我們還檢查了整個(gè)晶圓上加工微透鏡的空間均勻性，以及我們加工的連續(xù)再現(xiàn)性。對于周期為250米的30米GaAs微透鏡的10×10陣列，焦距的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)為1.8米，平均焦距為36米的5%。由于邊緣效應(yīng)的減少，隨著透鏡陣列的增大，這種偏差預(yù)計(jì)會進(jìn)一步改善。另一方面，在同一批蝕刻劑中，間隔3小時(shí)的兩次連續(xù)運(yùn)行之間的平均焦距差小于1米，證明了我們的方法的良好運(yùn)行再現(xiàn)性。
? ? ? 總之，我們將一步擴(kuò)散限制化學(xué)蝕刻技術(shù)應(yīng)用于GaAs和磷化銦，以制造表面粗糙度低于10的高質(zhì)量微透鏡。從各種優(yōu)點(diǎn)來看，包括制造工藝的簡單性和透鏡曲率隨蝕刻時(shí)間的方便的原位控制，我們相信本文提出和展示的微透鏡制造方法對于光子器件集成和未來的光子超大規(guī)模集成電路器件制造是理想的。