基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法与流程

1.本公开涉及微纳机电系统制造技术领域，特别涉及一种基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法。背景技术：2.无镜头成像技术，由于其具有更轻薄、更集成、更低成本、更稳定等优势，已成为了视觉检测设备的重要发展方向。现有的无镜头技术尝试采用编码掩模、衍射光学元件、光学调制器等光学器件替代物理镜头完成光线传输和场景聚焦的功能。基于玻璃微结构阵列的光学调制器已经初步验证光学调制器透光率调节的可行性，而玻璃微结构阵列的深宽比直接影响光学成像的空间分辨率和空间调制范围，但现有玻璃微结构阵列的深宽比难以满足更大的空间调制范围的需求。3.目前所采用的制备高深宽比二氧化硅微纳结构的工艺主要包括干法刻蚀工艺和玻璃热回流工艺等。其中，干法刻蚀工艺通过对玻璃或二氧化硅层进行反应离子刻蚀获得高深宽比微纳结构，该工艺方式往往速率慢、成本高。玻璃热回流工艺采用阳极键合加高温退火或者玻璃粉末填充回流等方式，是制备玻璃微结构的有效手段，但仍存在加工时间相对较长、释放玻璃结构工艺控制难等问题，制约了高深宽比微纳结构制备的可能性。技术实现要素：4.(一)要解决的技术问题5.有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法，以至少部分解决上述技术问题。6.(二)技术方案7.根据本公开的一个方面，提供了一种基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法，包括：8.对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅微纳结构阵列；9.对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出硅晶圆正面的硅微纳结构阵列，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构；10.对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理，将硅微纳结构阵列氧化为二氧化硅微纳结构阵列，同时将支撑结构表面的硅氧化为二氧化硅；11.在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层；12.另取一块玻璃圆片，在玻璃圆片上加工出填充液出入口，并在玻璃圆片的一面沉积透明电极层；以及13.将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与二氧化硅微纳结构阵列外围的支撑结构进行键合，形成封闭腔体。14.在一些实施例中，所述对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅微纳结构阵列，包括：选取双表面抛光的硅晶圆，在硅晶圆上正面利用金属层作为掩膜，采用深反应离子刻蚀工艺(deep-reactive ion etching，d-rie)或金属辅助化学刻蚀工艺(metal-assisted chemical etching，mace)在硅晶圆上刻蚀出尺寸相等、间距一致的硅微纳结构阵列。15.在一些实施例中，所述双表面抛光的硅晶圆的厚度为200μm～500μm；所述作为掩膜的金属层采用钛/金或银，厚度为5nm～100nm；其中，金属层可单独采用银；由于金属层单独采用金时金容易脱落，所以金属层采用钛/金，此时钛作为粘结层，以避免金脱落。所述硅微纳结构阵列中，硅凹槽的宽度为10nm～10μm，相邻硅凹槽之间的间距为10nm～10μm。16.在一些实施例中，所述形成硅微纳结构阵列之后，还包括：去除硅微纳结构阵列内的金属层掩膜。17.在一些实施例中，所述对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出硅晶圆正面的硅微纳结构阵列，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构，包括：采用刻蚀或腐蚀工艺在硅晶圆背面上刻蚀出空腔，直至硅晶圆正面的硅微纳结构阵列完全释放，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构。18.在一些实施例中，所述刻蚀工艺采用深反应离子刻蚀工艺d-rie，所述腐蚀工艺采用氢氧化钾koh或四甲基氢氧化铵tmah溶液的湿法腐蚀工艺；所述支撑结构为四方形环状结构，所述硅微纳结构阵列均位于四方形环状结构内，所述支撑结构的厚度与硅晶圆的厚度一致。19.在一些实施例中，所述对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理，将硅微纳结构阵列氧化为二氧化硅微纳结构阵列，同时将支撑结构表面的硅氧化为二氧化硅，包括：将硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆放入氧化炉内进行一次或多次热氧化处理，热氧化温度为850℃～1100℃，直至硅微纳结构阵列中的硅完全被氧化为二氧化硅，即硅微纳结构阵列氧化为二氧化硅微纳结构阵列，同时支撑结构表面的硅氧化为二氧化硅。20.在一些实施例中，所述对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理之后，还包括：通过氢氟酸湿法腐蚀的方式调整二氧化硅微纳结构阵列的尺寸。21.在一些实施例中，所述在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层与所述在玻璃圆片的一面沉积透明电极层，二者采用相同的材料。所述透明电极层采用的材料为氧化铟锡(indium tin oxide，ito)或掺铝氧化锌(aluminum doped zinc oxide，azo)，所述透明电极层的厚度为1nm～50nm。22.在一些实施例中，所述在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层采用原子层沉积(atomic layer deposition，ald)；所述在玻璃圆片的一面沉积透明电极层采用原子层沉积ald或溅射方式。23.在一些实施例中，所述在玻璃圆片上加工出填充液出入口采用湿法腐蚀、激光钻孔或喷砂工艺实现。24.在一些实施例中，所述将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与二氧化硅微纳结构阵列外围的支撑结构进行键合的步骤中，采用阳极键合或聚酰亚胺键合的方式进行键合。25.根据本公开的另一个方面，提供了一种基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器，采用所述的基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法制备而成。26.(三)有益效果27.从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法，至少具有以下有益效果：28.1、利用本公开，利用刻蚀结合热氧化工艺，实现了高深宽比的二氧化硅微纳结构阵列的制备，能够获得高深宽比的二氧化硅微纳结构阵列，进而得到高深宽比的光学调制器。29.2、利用本公开，利用刻蚀结合热氧化工艺，相较于玻璃填充硅槽热回流结合刻蚀或腐蚀硅结构获得玻璃微结构阵列的工艺，降低了玻璃热回流产生的内部应力造成的结构不稳定性，减少了刻蚀或腐蚀硅结构的步骤，微纳结构的成型质量更高且工艺方案相对更简单。30.3、利用本公开，在制备二氧化硅微纳结构阵列时采用的刻蚀结合热氧化的工艺，与微机电系统(micro-electro-mechanical systems，mems)工艺完全兼容，适合批量制造。附图说明31.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：32.图1为依照本公开实施例的制备基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的方法流程图。33.图2为依照本公开实施例的在硅晶圆上制作高深宽比二氧化硅微纳结构阵列的示意图。34.图3为依照本公开实施例的对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出硅微纳结构阵列，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构的示意图。35.图4为依照本公开实施例的对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理的示意图。36.图5为依照本公开实施例的在硅微纳结构阵列表面沉积透明电极层及在玻璃圆片的一面沉积透明电极层的示意图。37.图6为依照本公开实施例的将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与二氧化硅微纳结构阵列外围的支撑结构进行键合形成具有封闭腔体的光学调制器的示意图。38.【附图标记说明】39.100-硅晶圆；101-硅凹槽；40.201-空腔；41.301-二氧化硅；42.401、402-透明电极；43.501-玻璃圆片；502-填充液出入口。具体实施方式44.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。45.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。46.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。47.再者，单词“包括”或“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。48.针对目前干法刻蚀工艺和玻璃热回流工艺存在的缺陷和不足，本公开利用刻蚀结合热氧化工艺，实现了高深宽比的二氧化硅微纳结构阵列的制备，能够获得高深宽比的二氧化硅微纳结构阵列，进而得到高深宽比的光学调制器。49.在本公开提供的基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法中，刻蚀结合热氧化工艺则采用深反应离子刻蚀工艺d-rie或金属辅助化学刻蚀工艺mace先刻蚀出硅微纳结构，再对所制备的硅微纳结构进行热氧化处理，从而获得二氧化硅微纳结构，该工艺具有与微机电系统mems工艺兼容性好、制备工艺相对容易等优势。50.如图1所示，图1为依照本公开实施例的制备基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的方法流程图，该方法包括以下步骤：51.步骤s1：对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅微纳结构阵列；52.步骤s2：对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出硅晶圆正面的硅微纳结构阵列，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构；53.步骤s3：对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理，将硅微纳结构阵列氧化为二氧化硅微纳结构阵列，同时将支撑结构表面的硅氧化为二氧化硅；54.步骤s4：在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层；55.步骤s5：另取一块玻璃圆片，在玻璃圆片上加工出填充液出入口，并在玻璃圆片的一面沉积透明电极层；56.步骤s6：将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与二氧化硅微纳结构阵列外围的支撑结构进行键合，形成封闭腔体。57.在本公开的实施例中，步骤s1中所述对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅微纳结构阵列，包括：选取双表面抛光的硅晶圆，在硅晶圆上正面利用金属层作为掩膜，采用深反应离子刻蚀工艺d-rie或金属辅助化学刻蚀工艺mace在硅晶圆上刻蚀出尺寸相等、间距一致的硅微纳结构阵列。所述双表面抛光的硅晶圆的厚度为200μm～500μm，可选地，硅晶圆的厚度为300μm。所述作为掩膜的金属层采用钛/金或银，厚度为5nm～100nm。其中，金属层可单独采用银；由于金属层单独采用金时金容易脱落，所以金属层采用钛/金，此时钛作为粘结层，以避免金脱落。所述硅微纳结构阵列中，硅凹槽采用圆柱体空心结构或多边形柱状体空心结构，例如宽度相等、间距一致的多个硅凹槽构成硅微纳结构阵列；或者所述硅微纳结构阵列中的硅凹槽采用含圆柱体硅阵列结构或含多边形柱状体硅阵列结构，例如多个圆柱体硅或多边形柱状体硅之间的空隙构成硅微纳结构阵列。硅凹槽的宽度为10nm～10μm，相邻硅凹槽之间的间距为10nm～10μm。58.在本公开的实施例中，步骤s1中所述对硅晶圆正面进行刻蚀，形成硅微纳结构阵列之后，还包括：去除硅微纳结构阵列内的金属层掩膜。59.在本公开的实施例中，步骤s2中所述对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出硅晶圆正面的硅微纳结构阵列，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构，包括：采用刻蚀或腐蚀工艺在硅晶圆背面上刻蚀出空腔，直至硅晶圆正面的硅微纳结构阵列完全释放，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构。60.在本步骤中，所述刻蚀工艺采用深反应离子刻蚀工艺d-rie，所述腐蚀工艺采用氢氧化钾koh或四甲基氢氧化铵tmah溶液的湿法腐蚀工艺。所述支撑结构为四方形环状结构，所述硅微纳结构阵列均位于四方形环状结构内，所述支撑结构的厚度与硅晶圆的厚度一致。61.在本公开的实施例中，步骤s3中所述对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理，将硅微纳结构阵列氧化为二氧化硅微纳结构阵列，同时将支撑结构表面的硅氧化为二氧化硅，包括：将硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆放入氧化炉内进行一次或多次热氧化处理，热氧化温度为850℃～1100℃，直至硅微纳结构阵列中的硅完全被氧化为二氧化硅，即硅微纳结构阵列氧化为二氧化硅微纳结构阵列，同时支撑结构表面的硅氧化为二氧化硅。62.在本步骤中，所述对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理之后，通过氢氟酸湿法腐蚀的方式调整二氧化硅微纳结构阵列的尺寸。此处主要是对二氧化硅微纳结构阵列的尺寸进行调整，可通过氢氟酸湿法腐蚀的方式调整二氧化硅微纳结构阵列的尺寸，具体可以采用氢氟酸湿法腐蚀二氧化硅的方式一步到位调整硅微纳结构阵列的尺寸。也可以在硅微纳结构阵列中的硅被氧化为二氧化硅的过程中，通过热氧化、湿法腐蚀、再热氧化、再湿法腐蚀等多次循环的方式调整硅微纳结构阵列的尺寸，再经热氧化形成尺寸合适的二氧化硅微结构阵列。当然如果热氧化后二氧化硅微纳结构阵列的尺寸合适，也可以不对二氧化硅微纳结构阵列的尺寸进行调整。63.在本公开的实施例中，步骤s4中所述在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层与所述在玻璃圆片的一面沉积透明电极层，二者采用相同的材料。可选地，所述透明电极层采用的材料为氧化铟锡ito或掺铝氧化锌azo，所述透明电极层的厚度为1nm～50nm。所述在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层采用原子层沉积ald，所述在玻璃圆片的一面沉积透明电极层采用原子层沉积ald或溅射方式。64.在本公开的实施例中，步骤s5中所述在玻璃圆片上加工出填充液出入口采用湿法腐蚀、激光钻孔或喷砂工艺实现。65.在本公开的实施例中，步骤s6中所述将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与二氧化硅微纳结构阵列外围的支撑结构进行键合的步骤中，采用阳极键合或聚酰亚胺键合的方式进行键合。在采用阳极键合时，如果键合失败，则需要对支撑结构和玻璃圆片的键合面进行去除处理，去除支撑结构键合面附近的热氧化层和透明电极层，同时去除玻璃圆片键合面附近的透明电极层。66.基于图1所示的依照本公开实施例的制备基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的方法流程图，图2至图6示出了依照本公开实施例的制备基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的工艺流程图，具体包括：67.如图2所示，图2为依照本公开实施例的在硅晶圆上制作高深宽比硅微纳结构阵列的示意图，显示了本公开实施例的二氧化硅微纳结构阵列加工方法第一步的硅晶圆金属辅助化学刻蚀结果示意图。硅晶圆100可选为双表面抛光，厚度为200μm～500μm，可选地厚度为300μm。在硅晶圆100上表面利用钛/金、银等金属层作为掩膜，采用金属辅助化学刻蚀工艺mace在硅晶圆上刻蚀出尺寸相等、间距一致的硅微纳结构阵列。所述硅微纳结构为孔结构，硅凹槽101的宽度为10nm～10μm，相邻硅凹槽之间的间距为10nm～10μm。在形成硅微纳结构阵列之后，去除硅微纳结构阵列内的金属层掩膜。68.如图3所示，图3为依照本公开实施例的对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出硅微纳结构阵列，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构的示意图，显示了本公开实施例的二氧化硅微纳结构阵列加工方法第二步的硅微纳结构阵列释放工艺结果示意图。采用刻蚀工艺例如深反应离子刻蚀工艺在硅晶圆背面上刻蚀出空腔201，直至上表面硅微纳结构完全释放，同时在硅微纳结构阵列的外围形成支撑结构。69.如图4所示，图4为依照本公开实施例的对硅微纳结构阵列完全释放且形成支撑结构的硅晶圆进行热氧化处理的示意图，显示了本公开实施例的二氧化硅微纳结构阵列加工方法第三步的热氧化结果示意图。将上表面硅微纳结构完全释放的硅晶圆100放入氧化炉内进行热氧化处理，热氧化工艺参数为温度850℃～1100℃，时间根据需求调整，直至硅微纳结构阵列中硅完全被氧化为二氧化硅301。所述硅微纳结构阵列中硅经热氧化后二氧化硅微纳结构阵列的尺寸，可通过氢氟酸湿法腐蚀的方式调整二氧化硅微纳结构阵列的尺寸，具体可以采用氢氟酸湿法腐蚀二氧化硅的方式一步到位调整二氧化硅微纳结构阵列的尺寸。此外，在硅微纳结构阵列中的硅被氧化为二氧化硅的过程中也可以通过热氧化、湿法腐蚀、再热氧化、再湿法腐蚀等多次循环的方式调整硅微纳结构阵列的尺寸，再经热氧化形成尺寸合适的二氧化硅微结构阵列。当然如果热氧化后二氧化硅微纳结构阵列的尺寸合适，也可以不对二氧化硅微纳结构阵列的尺寸进行调整。70.如图5所示，图5为依照本公开实施例的在二氧化硅微纳结构阵列表面沉积透明电极层及在玻璃圆片的一面沉积透明电极层的示意图，显示了本公开实施例的基于二氧化硅微纳结构阵列的光学调制器制备工艺的玻璃表面沉积透明电极结果示意图。在具有二氧化硅微纳结构阵列的硅晶圆100表面沉积一层透明电极401，完全覆盖其表面。另取一块玻璃圆片501，在玻璃圆片501上采用湿法腐蚀、机械加工、喷砂等工艺加工出填充液出入口502，选取玻璃圆片501其中一面，沉积一层透明电极402。所述透明电极401、402厚度优选1nm～50nm，所述沉积方法优选原子层沉积ald，所述透明电极材料优选氧化铟锡ito或掺铝氧化锌azo。可选地，在进行热氧化处理的硅晶圆表面沉积透明电极层采用原子层沉积ald，在玻璃圆片的一面沉积透明电极层采用原子层沉积ald或溅射方式。71.如图6所示，图6为依照本公开实施例的将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与二氧化硅微纳结构阵列外围的支撑结构进行键合形成具有封闭腔体的光学调制器的示意图，显示了本公开实施例的基于二氧化硅微纳结构阵列的光学调制器制备工艺的硅/玻璃键合封装结果示意图。所述封装方式优选阳极键合，封装后二氧化硅微纳结构阵列和玻璃圆片间形成封闭空腔，用于贮存甘油等填充液，进而形成具有封闭腔体的光学调制器。72.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。73.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的基于二氧化硅微纳结构阵列的光学调制器的制备方法有了清楚的认识。74.综上所述，本公开提供的这种基于高深宽比二氧化硅微纳结构的光学调制器的制备方法，利用刻蚀结合热氧化工艺，能够获得高深宽比的二氧化硅微纳结构阵列，进而得到高深宽比的光学调制器。因此，该工艺制备的光学调制器具备更佳的性能。75.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。76.说明书与权利要求中所使用的序数例如“步骤s1”、“步骤s2”、“步骤s3”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。77.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。78.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。