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四棱锥结构的光学元件在四棱锥波前传感器、多色光探测器、光子晶体、多光束光摄、多光束激光干涉光刻技术、局域空心光束等方面都起着非常关键的作用。本论文针对四棱锥反射镜应用于自适应光学中的反射式棱锥波前传感器系统展开研究的。
论文的主要研究内容及成果主要体现在以下方面:为了制作满足设计要求的四棱锥结构,在详细分析三维棱锥结构的各种制作方法的基础上,结合本实验室的加工能力,提出了<100>硅各向异性湿法腐蚀和移动掩模光刻法这两种基于MEMS技术的方法,并完成了可用于PYRAMIR(1.0-2.35μm)波段的反射式棱锥波前传感器的棱锥反射镜的加工。
本文首先对<100>硅材料的各向异性腐蚀机理及特性进行了深入分析,并以此为基础进行了<100>硅基MEMS湿法工艺技术研究。通过对SU-8负性光刻胶的工艺优化,发现SU-8光刻胶对前烘方式及显影方式较为敏感,通过大量的实验,摸索出一套SU-82025光刻胶的优化光刻工艺,超声显影后得到了较好的图形,为利用SU-8胶加工其他微器件提供了可靠的工艺参考。阐述了反应离子刻蚀(RIE)的工作原理,对影响刻蚀速率的RF功率以及气体流量工艺参数进行了调整,刻蚀后的表面呈现镜面状。在KOH腐蚀系统中,为了得到表面光滑的倒四棱锥结构,研究了刻蚀时间、刻蚀液浓度、刻蚀液温度以及外加超声振荡对硅片表面形貌的影响。从实验过程和加工的结构来看,如需利用<100>硅的湿法腐蚀技术得到较大口径的棱锥结构,必须腐蚀很厚的硅片,需要很长的加工周期(刻蚀速率<1μm/min)；且随着腐蚀深度的加深,(111)面的粗糙度会逐渐变差。因此,这种方法具有一定的局限性。
为了获得不受孔径大小限制的棱锥结构,本文又提出了采用微细加工的移动掩模光刻法制作四棱锥结构的方法。这种方法制作成本低廉,加工过程简单,并且能够很好地控制表面面型和质量。首先,通过两次正交方向的移动掩模曝光和一次静止曝光,显影后在光刻胶上得到棱锥结构,然后将其线性传递到硅基底上；最后金属化以提高反射率。最终得到边长为1mm的正方形底面棱锥反射镜,底角为3.7°通过控制预曝光时间使得顶尖和棱边的尺寸控制在6μm左右,呈现出非常好的刀口状；通过控制硅和光刻胶的刻蚀比并沉积金属薄膜以提高镜面的反射率,使得棱锥四个镜面的RMS控制在70 nm数量级；面型误差最大偏离值为0.2μm；以上测量结果表明此棱锥镜满足了工作于红外波段的棱锥波前传感系统的要求。