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衍射光栅+Ta2O5-使用C4F8/SF6等离子体混合气体对高折射率Ta2O5光学光栅进行纳米制造和轮廓调节,用于LiDAR

摘要:光学元件,如介电超表面、光子晶体、纳米光子学波导电路和衍射光栅耦合器,均基于高折射率材料。在这方面,一种高度多功能的材料是五氧化钽,它具有超过2的折射率,并且在从紫外到近红外的广泛波长范围内具有低损耗。然而,光学凸起光栅的工程设计需要精确控制凸起轮廓,以调整衍射效率,以适应特定的衍射角度和偏振。当前的工作展示了一种制造工艺,提供了在150毫米晶圆上具有高刻蚀速率和均匀性的工艺,通过在五氧化钽的电感耦合等离子体刻蚀过程中控制刻蚀和钝化气体流量来定制轮廓。制造的结构在模拟和测量的衍射效率之间表现出良好的吻合。我们的研究结果使得Ta2O5平台能够实现超过85%的衍射效率,无论是横向电场(TE)还是横向磁场(TM)偏振,中心波长为808 nm,这对于中程光探测与测距(LiDAR)系统具有重要意义。观察到,为了实现偏振无关的高衍射效率解决方案,必须调整所得结构的侧壁角度,这可能会提高基于Ta2O5的解决方案的效率。研究结果构成了一种可扩展且灵活的方法,用于处理和设计用于各种趋势应用的超表面和衍射光学,要求高衍射效率,如LiDAR和增强/虚拟现实(AR/VR)模块。

划重点 --6英寸150nmDUVKRF 光栅 超结构 流片

划重点 --氧化钽镀膜 带折射率数据

背景:目前半导体行业主流的 5 种获得光刻胶图案工艺为接触式曝光(最小线宽 2um),激光直写(最小线宽 500nm),步进式曝光(Krf 最小线宽 150nm,ArF 最小线宽 90nm),纳米压印(最小线宽几十 nm)电子束光刻(最小线宽几十 nm)。

国内在电子束,激光直写,接触式光刻,纳米压印设备均有较高的设备保有量.但是在进行小线宽加工时,电子束光刻的成本高昂,且产出低,效率低,进行纳米压印加工时需要获取其 1:1 复制的母版,同样成本高昂,且工艺流程长。步进式曝光国内有一定的保有量,但是科研院所和高校内部的 DUV 大多在 350nm,450nm,500nm 以上线宽. 很多行业高速发展,AR 衍射光波导,超透镜,光子集成线路行业对线宽提出了更高的要求,上述市场的应用多在 250nm 以下。所以为了解决小线宽产品,低成本,高产出,高效率,高精度的制造的问题。提供 6 寸步进式曝光加工。其最小线宽为 150 nm,可用于大批量生产。该设备具有全自动旋涂、显影和曝光功能,一小时可处理 20 片 6 英寸晶圆。其速度惊人. 

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引言
光学元件在光探测与测距(LiDAR)和增强/虚拟现实(AR/VR)中的需求正在迅速扩大。为了提供具有竞争力的高性能产品,商业和科学界对高折射率(RI)材料的兴趣大幅增加,因为这些材料为LiDAR的非机械光束引导应用提供了理想的平台【1,2】,并为AR/VR头戴显示器提供了更大的视场【3-5】。

与反射型和体积相位全息光栅相比,衍射光栅提供更高的通量,使得设计更加紧凑和稳健,具有高灵敏度、较短的集成时间、更快的光谱扫描和/或更低的光源功耗,并且能够设计出提供广泛光谱范围内高衍射效率(DE)的解决方案【6,7】。除了上述应用外,激光脉冲压缩【8-10】、用于电信或光谱学的偏振无关光栅【11,12】等也需要不断增大的结构纵横比和折射率(RI),以满足对高衍射效率的要求。根据Kogelnik等人的研究【13,14】可以证明,对于固定的光栅周期和中心波长,光栅的衍射效率取决于三个因素:(i)平均折射率,(ii)光栅的厚度,以及(iii)其折射率调制。将这些因素结合在一起,可以理论上在TE和TM偏振下获得接近100%的衍射效率(我们提醒读者,TE偏振波与s偏振波相同,而TM偏振波是通过光栅的p偏振波)。然而,满足两个偏振光的高衍射效率所需的光栅厚度依赖于所选材料的折射率。

对于衍射光学,特别感兴趣的是透射型表面凸起光栅,而最常用的透射衍射光学平台是熔融石英,因其易获得和加工简便。熔融石英干法刻蚀已经得到广泛研究,并且该材料可以通过掩模进行成功加工【15】,使用氟碳基气体和/或SF6混合气体【19】。然而,还有许多其他有趣的衍射光学平台尚未得到充分开发。氧化物如五氧化钽和五氧化铌(Ta2O5、Nb2O5)【20-23】、硅氧氮(SiOxNy)【24】以及二氧化钛(TiO2)【25-28】在衍射光学和元光学应用中具有巨大的潜力,因为它们具有高折射率和在相关波长范围内低吸收。这些氧化物通过提供一个简化纳米结构加工的平台,帮助提高衍射元件的效率。如前所述,更高的折射率使得光学元件表面可以进行更强的相位调制,而无需依赖低折射率材料制造厚重的光学元件。因此,使用高折射率氧化物成为获得高性能衍射光学的有用工具,因为高纵横比的限制使得熔融石英的刻蚀变得特别复杂。如果希望进一步优化光栅设计以适应特定带宽,或获得偏振无关的效率,问题变得更加复杂,在设计产品时,轮廓调节成为一个重要因素。光学设计师有兴趣将光栅凸起的侧壁角度(SWA)作为设计参数,因为通过最小化角度相关的菲涅尔损失,并为TE和TM偏振波实现良好的匹配条件,可以最大化衍射效率。今年早些时候,张等人报告了基于Ta2O5的高效率偏振无关高数值孔径透镜元表面【22】,但没有考虑轮廓调节。因此,利用这些特性并探索它们对衍射光学性能的影响就变得尤为重要。

在设计衍射光学时,必须考虑干法刻蚀电介质材料的实际问题。光栅轮廓通常显示出由于干法刻蚀过程中固有的化学和物理动力学作用而产生的差异,这些作用会导致诸如线条边缘粗糙、侧壁肩部和不均匀的沟槽底部等效应,这些都会影响光栅的光学性能【29-31】。所有这些效应会根据刻蚀参数的优化而有所增强或抑制,但在大多数情况下,需要在这些效应与通量(例如刻蚀速度)之间进行权衡。因此,工业界必须理解这些权衡,并调整产品设计,以实现高通量下的高性能。

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图1. 通过光谱椭圆偏振法评估的沉积Ta2O5薄膜的折射率和消光系数,以及熔融石英基板的折射率和消光系数。

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图2.
a) 制造的一个光栅(POWER1配方)的SEM横截面,包括用于模拟的参数化(见补充材料1)。示意图还表示了构成工艺窗口的两个变量:物理刻蚀深度和顶部占空比。
b) 衍射效率测量图,包括绝对衍射效率的公式,其中DE作为-1阶透射衍射光的测量光学功率(i = -1)P_out−1与入射光束的光学功率P_in的比值来获得。
c) 在参数化光栅参数上模拟的衍射效率映射,适用于808 nm波长的TE和TM光偏振。DE对欠刻蚀(物理刻蚀深度的负偏差)或过刻蚀(物理刻蚀深度的正偏差)的响应,以及占空比的任何变化,定义了制造纳米结构的工艺窗口。所显示的工艺窗口对应于配方POWER1,稍后会引用。

在这项工作中,我们关注Ta2O5,这是一种特别有趣的氧化物,因其在近红外(NIR)、可见光(VI)和紫外(UV)范围内的低损耗以及这些区域内的高折射率(n > 2)(见图1),同时其低固有材料应力,有利于衍射光学和集成光子学的制造【32】。Ta2O5已被证明是实现可扩展制造超透镜【22】、波导【33】【21】和光子晶体【34】的优秀候选材料。传输表面凸起光栅的制造似乎得益于其展现的材料特性,因此现在需要建立Ta2O5中轮廓设计的限制和可能性。通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE),在150毫米直径的熔融石英晶圆上对1µm厚的Ta2O5涂层进行一维和二维光栅图案化和深刻蚀,达到了约150 nm/min的刻蚀速率,并且在整个晶圆上的刻蚀均匀性超过95%。我们考虑了不同的加工参数,以展示该材料的轮廓可调性,并展示了在最大化-1阶衍射效率时,光栅的光学性能受到的影响。如图2所示,我们展示了刻蚀深度和制造的纳米结构的顶部占空比与其功能之间的直接相关性,通过模拟的衍射效率来表现。模拟用于建立TE和TM光学偏振模式的衍射效率与所制造的纳米结构之间的相关性,从而得到所需工艺窗口的图谱,如图2所示。

材料和方法
本研究使用的基板材料是625µm厚和150mm直径的熔融石英晶圆。在这些熔融石英晶圆上,通过反应磁控溅射在反应性O2气氛中使用Ta靶沉积Ta2O5薄膜。涂层由Iridian Spectral Technologies Ltd.(加拿大安大略省渥太华市Swansea Crescent 2700号,邮政编码K1 G 6R8)提供。沉积目标是Ta2O5厚度为1µm,且在1545nm波长下折射率n = 2.084。随后使用光谱椭圆偏振仪(Ellipsometer VASE,J.A. Woollam)对晶圆进行了表征。椭圆偏振数据在所示光谱范围内,通过通用振荡器模型组合进行拟合。所得到的折射率和低损耗与先前的报道一致【35-37】。可以看到,涂层薄膜的折射率在所关注的波长范围内远大于2,同时保持近乎为零的消光系数。

这些基板依次使用磁控溅射技术涂覆了200 nm厚的Cr层。使用Kurt J. Lesker的2017 PRO Line PVD75薄膜沉积簇系统,工作条件为350 W直流功率、3 mTorr压力、50 sccm Ar流量和15 sccm O2流量,在室温下(带旋转)进行沉积,获得了均匀的30 nm/min沉积速率,覆盖整个150 mm晶圆。由于以下两个原因,晶圆必须在正面和背面都涂覆一层。首先,为了补偿厚金属正面层的应力,这可能会导致晶圆翘曲,特别是在原氧化物涂层已经引起晶圆应力的情况下,这会由于大多数工具的背面He流量增加而使进一步处理无法进行。其次,为了确保晶圆在后续处理过程中能够进行静电夹持,因为我们基板和顶面涂层的电介质特性可能会阻止晶圆夹持。在需要超过10的纵横比的情况下,使用硬掩膜进行Ta2O5刻蚀是必要的,因为在RIE中使用光刻胶作为掩膜时,Ta2O5的选择性被发现小于1:1【38】。先前的研究表明,使用Cr硬掩膜的选择性超过了1:10【39】。为了确保安全,选择了200 nm的硬掩膜厚度。

在硬掩膜沉积后,使用248 nm KrF深紫外(Deep-UV)光刻在Stepper工具中对晶圆进行图案化。为此,晶圆上涂覆了55 nm厚的抗反射涂层(BARC,来自Brewer Science的DUV-42s)。随后应用了1000 nm厚的正性光刻胶(KRF M35 G,来自JSR)。深紫外光刻使用了Canon FPA-3000EX4 Stepper工具,配备数值孔径为0.6、缩小倍率为5的投影镜头。UV光由248 nm KrF准分子激光(Cymer/ELS-5300输出10W,脉冲频率1 kHz,强度3300 W/m²)生成。指定的临界尺寸为250 nm,独立于图案类型。单次曝光的最大打印区域为22 × 22 mm²。更大尺寸的光栅图案通过拼接多个单次曝光区域来制作。类似条件下的大面积光学元件曝光的深紫外Stepper光刻已由Lotz等人报道过【40】。150 mm的晶圆图案化为总共104个大小为4.8 × 9 mm²的单独光栅。为了本研究的目的,光栅均匀分布在整个晶圆表面,且仅从部分选定的芯片中进行横截面检查。晶圆被图案化为两种不同的交替设计,设计1为1D光栅(w1 = 213 nm,p = 665 nm,占空比32%),设计2为方形配置的柱状阵列(w2 = 257 nm,p = 571 nm,占空比45%)。后者可以被视为2D光栅,因为它们具有额外的自由度来衍射光,并在各种应用中得到使用【41–44】。

BARC层的开口和转移到Cr硬掩膜是通过RIE-ICP完成的,分别使用氧气和氯基等离子体。该系统包括一个光学发射光谱仪(OES),用于在两次刻蚀过程中进行端点检测。Cr图案化后,光刻胶和BARC在O2等离子体中去除,且无需断开真空。

Ta2O5薄膜的刻蚀是在SPTS Pegasus深反应离子刻蚀系统工具中进行的,经过适当的腔室调节(见补充材料1)。该工具配备了150 mm的工作台和He冷却背面。系统配置了氟基反应气体(SF6和C4F8)以及H2和He气体。基板放置在下电极上,并通过静电夹持(ESC)夹紧。工作台的冷却通过He冷却管控制,可以在-10°C到+30°C之间变化。机器配备了一个RF发射器,连接到工作台,工作范围最高为400 W,ICP发射器连接到上腔室线圈,工作范围最高为5000 W。这两个发射器是独立控制的,并以13.56 MHz的频率工作。该工具提供了DC偏压和峰峰电压的读数,但读取是在工作台底部进行的,由于刻蚀样品的电介质特性,不能完全信赖这些读数适用于晶圆表面产生的DC偏压,而刻蚀正是在该表面发生的。OES连接到主腔室侧面的一个观察窗口,读数通过SpectraView软件进行。OES的读数被用作端点检测系统,目的是确保成功的刻蚀,通过尽可能停止在Ta2O5基底处完成刻蚀。

所有样品的刻蚀是在没有其他用户干预的情况下逐个进行的,在晶圆之间有5分钟的O2等离子体清洗运行。Ta2O5的刻蚀速率通过原子力显微镜估算,通过在刻蚀进行2分钟后从腔室中取出晶圆并测量刻蚀速率,假设硬掩膜消耗最小。该方法提供了刻蚀持续时间的良好估计,并有助于使用光学检测系统。

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图3.
a) 样品制造的工艺流程。插图展示了在讨论部分描述的锥形变化和钝化现象。
b) 制造的1D和2D光栅的鸟瞰图。Ta2O5结构与熔融石英基板显示出不同的对比度。
c) 处理后的150 mm晶圆照片,所看到的芯片由1D和2D光栅的区域组成,成对分布在整个晶圆上。

在氧化物深刻蚀后,使用市售的基于酸性四价铈的溶液(Chrome Etch 18,微抵抗技术有限公司)去除Cr,并随后用皮拉哈溶液进一步清洗。去除过程未发现损坏底层氧化物或干扰光栅的整体化学成分,因此不会对其光学性能产生实质性影响。晶圆的工艺流程和光学图像如图3所示。

在本研究中,我们旨在探讨最重要的刻蚀参数对光栅轮廓的影响。开发的实验基于基线配方,并探讨了刻蚀压力(PRESSURE1和PRESSURE2)、功率(POWER1和POWER2)以及C4F8/SF6比例(GAS1和GAS2)变化对轮廓的影响。每个配方的参数如图4(a)所示,展示了不同光栅轮廓的SEM横截面。下方展示了晶圆上刻蚀深度和顶部占空比的均匀性,以及TE和TM偏振的衍射效率(DE)测量值。除了这些测量值外,还展示了两种偏振模式下模拟的DE值。误差条对应于测量芯片的DE误差,如上方的SEM图像所示(不包括晶圆上的误差,见补充材料1)。
b) 对GAS1配方光栅轮廓的侧壁角度(SWA)和占空比(DC)灵敏度分析。所展示的结果与模拟的衍射效率的获得方式相同(见补充材料1)。表1。
选择使用较低功率来探索光栅轮廓,源于较高功率相关的侧壁凹陷和其他损伤的出现。在压力方面,可以认为探索较低压力对于氧化物的刻蚀始终是有益的,因为它会减少自由基的平均自由程,并提供更具各向异性的刻蚀,然而,较低的压力最终会导致不可靠的等离子体点火和可能导致工具电子设备损坏的反射功率。最后,C4F8/SF6比率似乎是最初对光栅结构轮廓影响最大的因素,因为该变量控制了生成导致钝化的物种,这些物种决定了侧壁角度(SWA),因此预期它对光栅轮廓和晶圆上结构的均匀性具有最大的影响。

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图4.
a) 对应于开发配方的不同光栅轮廓的SEM横截面。可以看到整个晶圆刻蚀的均匀性,包括刻蚀深度和顶部占空比,以及TE和TM偏振下的衍射效率(DE)测量值。除了测量结果外,还展示了两种偏振模式下的DE模拟值。误差条对应于测量芯片的DE误差,如上方SEM图像所示(不包括晶圆上的误差,见补充材料1)。
b) 对GAS1配方光栅轮廓的SWA和DC灵敏度分析。所展示的结果与模拟的衍射效率的获得方式相同(另见补充材料1)。


所得到的光栅可以在图4中看到,其中显示了每个配方的单个周期。通常,在使用C4F8-SF6等离子体混合物和Cr作为硬掩膜进行图案转移时,Ta2O5的侧壁角度(SWA)呈正锥形,并且没有出现Cr的底部切削。这意味着没有自发反应,需要离子来裂解表面下的键(即离子诱导的反应离子刻蚀RIE)【51】。压力的增加导致更多氟化物种的生成,这将增强刻蚀速率并产生陡峭的底部SWA。

在本研究中,我们旨在探讨最重要的刻蚀参数对光栅轮廓的影响。开发的实验基于基线配方,并探讨了刻蚀压力(PRESSURE1和PRESSURE2)、功率(POWER1和POWER2)以及C4F8/SF6比例(GAS1和GAS2)变化对轮廓的影响。每个配方的参数如图4(a)所示,展示了不同光栅轮廓的SEM横截面。下方展示了晶圆上刻蚀深度和顶部占空比的均匀性,以及TE和TM偏振的衍射效率(DE)测量值。除了这些测量值外,还展示了两种偏振模式下模拟的DE值。误差条对应于测量芯片的DE误差,如上方的SEM图像所示(不包括晶圆上的误差,见补充材料1)。
b) 对GAS1配方光栅轮廓的侧壁角度(SWA)和占空比(DC)灵敏度分析。所展示的结果与模拟的衍射效率的获得方式相同(见补充材料1)。表1。

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选择使用较低功率来探索光栅轮廓,源于较高功率相关的侧壁凹陷和其他损伤的出现。在压力方面,可以认为探索较低压力对于氧化物的刻蚀始终是有益的,因为它会减少自由基的平均自由程,并提供更具各向异性的刻蚀,然而,较低的压力最终会导致不可靠的等离子体点火和可能导致工具电子设备损坏的反射功率。最后,C4F8/SF6比率似乎是最初对光栅结构轮廓影响最大的因素,因为该变量控制了生成导致钝化的物种,这些物种决定了侧壁角度(SWA),因此预期它对光栅轮廓和晶圆上结构的均匀性具有最大的影响。

所得到的光栅可以在图4中看到,其中显示了每个配方的单个周期。通常,在使用C4F8-SF6等离子体混合物和Cr作为硬掩膜进行图案转移时,Ta2O5的侧壁角度(SWA)呈正锥形,并且没有出现Cr的底部切削。这意味着没有自发反应,需要离子来裂解表面下的键(即离子诱导的反应离子刻蚀RIE)【51】。压力的增加导致更多氟化物种的生成,这将增强刻蚀速率并产生陡峭的底部SWA。

然而,就像基线配方一样,这些参数提供了一个快速且均匀的刻蚀,但无法创造足够的钝化层来获得一致的侧壁角度(SWA)以及足够的掩膜保护,以保持原始光栅的线宽。通过比较高氟碳含量配方(GAS1,GAS2)所保持的完美线宽与严重侵蚀的光栅(BASELINE)之间的差异,可以看出这一点,后者几乎丧失了光栅线宽的一半。这种效应,我们称之为“分面”,在图4的SEM图像中得到明显体现(见补充材料1)。这一现象是这样的:在图案转移过程中,由于离子撞击等离子体辉光,Cr掩膜刻蚀缓慢并从其侧面收缩【52】。这种收缩减少了光栅的占空比,并且似乎在较高的RIE自偏压和引入更多SF6至等离子体混合物时更加显著(如在PRESSURE1中看到的)。SF6入口提供的氟自由基可能会阻止CFx物种保护Cr侧壁,因为它会生成挥发性的CF4。因此,由于上述两种效应,SWA在C4F8-SF6等离子体混合物中表现出两个斜率,其中结构顶部的SWA呈现更为正的锥形。纳米结构底部的SWA源于C4F8-SF6混合物的“未改变”刻蚀结果,并且更加陡峭,这是当Cr掩膜收缩尚未开始时的初始SWA。纳米结构顶部的第二个“异常”SWA只有在Cr掩膜的分面完全发展并开始复制到底层氧化物层时才会出现,从而导致占空比的下降。两个斜率之间的这个拐点可以出现在侧壁的任何位置,取决于刻蚀时间、特定的自偏压以及原始Cr掩膜的厚度和精确侧壁形状【52】。当Cr掩膜的分面完成且其原本的直线型轮廓已转变为正锥形时,拐点开始发展,并会随着刻蚀进行缓慢向下移动到纳米结构的侧壁。然而,如果Cr掩膜足够厚,不使分面转移到光栅线条中,并保持直线型轮廓,则可能获得单一的SWA。此现象可以在SF6重的等离子体示例图3(a)中看到。虽然这种双斜率效应被认为是光学性能的二阶效应,但它并不是一个理想特性,因为它进一步复杂化了光学元件的设计。

可以看出,为了在刻蚀过程中保持光栅的占空比不变,需要一定量的钝化物种来保护掩膜,因为氟碳钝化可以进一步保护掩膜免受入射离子的侵害,从而延缓分面转移到光栅轮廓中。如果我们既想保持原始占空比,又希望进行SWA调节,就必须在生成钝化物种和入射离子能量之间取得明确的平衡。当刻蚀2D光栅时,这种侵蚀效应变得更加重要,因为掩膜会在各个方向上受到攻击,因此钝化剂的作用变得至关重要,以确保忠实的图案转移。有关此问题的更多信息,请参见补充材料1。

最终,从结果晶圆中可以得出,通过改变C4F8/SF6比例可以实现轮廓控制,从一个完全各向异性的刻蚀,SWA接近0°,到一个具有几乎14°的锥形轮廓。需要注意的是,如图4中的刻蚀均匀性所示,越是需要更多的氟碳钝化,越难以在整个150mm晶圆上实现完全均匀的刻蚀,因为氟碳钝化动力学与等离子体的不均匀性一起作用。腔室布局(气体入口和排气位置)以及质量流量控制器的稳定性等因素将在实现腔室内均匀的氟碳钝化中起作用。在设计最优刻蚀轮廓时,必须考虑这些因素,并据此调整产量预期。

在所提出的工艺流程中,最突出的问题是腔室调节。在氟碳基刻蚀过程中,刻蚀腔室的壁面不断被CFx钝化,这会调节腔室并影响实验的可重复性。在我们的案例中,其中一个配方在经过彻底清洁的反应器中重新运行(见补充材料1),可以看到获得了完全不同的刻蚀速率和轮廓。当放大时,这将成为一个突出问题,因为必须结合等离子体诊断或广泛的稳健性测试,以评估腔室的预调节和清洁需求,这在工业应用中会变得非常昂贵且耗时。

开发的光栅经过衍射效率(DE)性能测量,预计占空比、SWA和刻蚀深度等参数将决定TE和TM的效率。当识别出极大影响光与光栅耦合的物理现象时,DE测量成为一种有用工具。在所展示的结果中,可以看到当目标是高DE性能和低偏振及波长依赖性损耗时,这些物理现象变得相关。图4中可以看到,不同获得的光栅轮廓与其模拟的衍射效率在-1阶透射光中的比较。这些测量旨在展示工程能力和定制纳米光学的机会,而不是展示高性能。

在某些情况下,TE和TM偏振与其模拟结果之间存在不同的偏差,主要是由于这些偏振的敏感性差异。如图2(c)所示,配方POWER1的工艺窗口显示,稍微改变占空比会对TE偏振的DE产生更大影响,而对TM偏振的影响较小。如果目标是实现例如高效的偏振无关衍射光栅,则必须提前分析这些工艺窗口,并选择一个特定的轮廓设计,以便为我们观察到的刻蚀现象提供足够的杠杆。在这种情况下,可以选择一定的Ta2O5厚度和SWA,获得最容忍的工艺窗口,并通过微调C4F8/SF6比例,轻松地制造出器件。可以看到,预测性能并建立工艺窗口(如图2所示)是可能的,并且可以制造出高效的偏振依赖性和无关性的光栅,其效率远超本研究中的示范,旨在缩小设计与制造之间的差距。

在图4(b)中,进行了与GAS1配方相对应的轮廓的SWA和DC灵敏度分析。这里,SWA和DC分别从获得的轮廓变化±2度和±4%(见补充材料1中的其他轮廓数据)。可以看到,侧壁角度的轻微变化可能会导致DE和偏振依赖损耗的显著变化,因此,轮廓调节成为设计此类结构的有用工具,是获得高效解决方案的关键特性。

结论
总之,在本研究中,我们展示了一种利用五氧化钽(Ta2O5)制造衍射光学元件的工艺,覆盖紫外至红外波段,展示了其在近红外范围的性能,并提出了其在TE和TM偏振下衍射效率(DE)超过85%的改进潜力。Ta2O5作为一个理想的候选材料,适用于制造高效的衍射光学元件,涵盖整个可见光、近紫外和红外波段。已成功制造出高纵横比的光栅和柱状结构,刻蚀速率超过150 nm/min,且在150 mm晶圆上深度和占空比的均匀性超过90%。提出的实验展示了在调节光栅轮廓时需要平衡的不同方面,即硬掩膜侵蚀和不均匀的氟碳形成,这些问题可以通过微调相关变量来抑制,从而减少足够的自偏压,使得侵蚀最小化,并能有效控制等离子体,从而使钝化在整个晶圆上均匀。

有限元法(FEM)模拟与制造的光栅轮廓之间显示出良好的吻合,进一步证明了使用Ta2O5平台实现TE和TM偏振下衍射效率超过90%的潜在解决方案。这些高效平台可能成为设计高通量、大视场LiDAR和AR/VR解决方案的关键。将这些解决方案的工程设计与可扩展的工艺相结合,以及对光栅轮廓的完美控制,可能会为高容量光学元件的适应性制造过程提供一种解决方案,以应对当前不断增长的快速市场需求。

文章名:

Nanofabrication and profile tailoring of high index Ta2Ooptical gratings for LiDAR using

C4F8/SFplasma mixtures

作者:MARC BERNET,1,2 CHANTAL SILVESTRE,KRISTIAN BUCHWALD,2

JACOB ANDKJAER,JÖRG HÜBNER,HENRI JANSEN,AND

RAFAEL TABORYSKI1,*

单位:1DTU Nanolab, Technical University of Denmark, 2800 Kongens Lyngby, Denmark

2Ibsen Photonics A/S, 3520 Farum, Denmark

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