一种基于玻璃微结构阵列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，特别涉及一种基于玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法。


背景技术：

2.光场成像通过对采集到的光场数据进行计算处理，恢复三维世界的视觉信息，弥补了传统成像只能记录二维信息的不足，被认为是下一代重要的显示成像技术。
3.在相机中引入光学调制器是目前实现光场采集的主要方式之一。将玻璃微结构阵列用于光学调制器，是打破光场采集角度与空间分辨率制约关系，保持高信噪比的有益尝试。其中，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，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。
4.利用干法刻蚀和玻璃回流技术加工出的玻璃微结构具备表面光滑、侧壁垂直和高深宽比等优点，是高质量制备玻璃微结构阵列的有效途径。现有干法刻蚀工艺速率慢、成本高，目前的玻璃回流工艺一般采用阳极键合加高温退火的方式实现，在高深宽比玻璃微结构制备方面仍存在加工时间长和成型困难等问题。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种基于玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法，以至少部分解决上述技术问题。
7.(二)技术方案
8.根据本公开的一个方面，提供了一种基于玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法，包括：在硅晶圆上制作硅凹槽阵列；在硅凹槽阵列中致密填充玻璃粉末，且玻璃粉末完全覆盖硅晶圆表面；高温烧结玻璃粉末，使玻璃粉末软化、回流，冷却后形成玻璃微结构阵列；平坦化玻璃微结构阵列的底面；对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出玻璃微结构阵列，并在玻璃微结构阵列的外围形成硅支撑结构；在玻璃微结构阵列表面沉积透明电极层；另取一块玻璃圆片，在玻璃圆片上加工出填充液出入口，并在玻璃圆片的一侧面沉积透明电极层；以及将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与玻璃微结构阵列外围的硅支撑结构进行键合，形成封闭腔体。
9.在一些实施例中，所述在硅晶圆上制作硅凹槽阵列的步骤，包括：选取双表面抛光的硅晶圆，在硅晶圆上表面利用光刻胶或sio2作为掩膜，采用深反应离子刻蚀工艺对硅晶圆进行刻蚀，形成硅凹槽阵列。
10.在一些实施例中，所述硅凹槽阵列作为制作玻璃微结构阵列的模具。所述硅凹槽阵列中的硅凹槽采用圆柱体空心结构或多边形柱状体空心结构，或者采用含圆柱体硅阵列结构或含多边形柱状体硅阵列结构。所述硅凹槽的宽度为100nm～10μm，相邻硅凹槽之间的间距为100nm～10μm。
11.在一些实施例中，所述在硅凹槽阵列中致密填充玻璃粉末，且玻璃粉末完全覆盖硅晶圆表面的步骤中，所述玻璃粉末为研磨玻璃形成的纳米级尺寸玻璃粉末，或者所述玻璃粉末为以sio2纳米粉末为主，辅以含硼化合物纳米粉末、含铝化合物纳米粉末或含钠化合物纳米粉末中的至少一种纳米粉末，而组成的混合粉末。所述纳米级尺寸玻璃粉末是由块状玻璃研磨成的尺寸为10nm～1μm颗粒状粉末，所述sio2纳米粉末、含硼化合物纳米粉末、含铝化合物纳米粉末或含钠化合物纳米粉末的尺寸为10nm～1μm。
12.在一些实施例中，所述在硅凹槽阵列中致密填充玻璃粉末，且玻璃粉末完全覆盖硅晶圆表面的步骤中，所述玻璃粉末填充厚度高于硅凹槽阵列，同时在硅晶圆上表面连接为一体，完全覆盖硅晶圆的上表面，且所述玻璃粉末在硅晶圆上表面的厚度至少为200μm。
13.在一些实施例中，所述高温烧结玻璃粉末，使玻璃粉末软化、回流，冷却后形成玻璃微结构阵列，包括：填充及覆盖有玻璃粉末的硅晶圆被放置于高温管式炉内，以3～6℃/min的速率从室温升温至900～1200℃，在900～1200℃保温3～5小时，再以3～6℃/min的降温速率从900～1200℃降温至550～600℃，在550～600℃保温1～2小时，然后以3～6℃/min的降温速率或自然冷却方式从550～600℃冷却至室温，形成玻璃微结构阵列。
14.在一些实施例中，所述平坦化玻璃微结构阵列的底面的步骤中，所述平坦化选取化学机械研磨方法。
15.在一些实施例中，所述对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出玻璃微结构阵列，并在玻璃微结构阵列的外围形成硅支撑结构的步骤中，所述硅支撑结构为四方形环状结构，所述玻璃微结构阵列均位于四方形环状结构内，所述硅支撑结构的厚度与硅晶圆的厚度一致。
16.在一些实施例中，所述在玻璃微结构阵列表面沉积透明电极层与所述在玻璃圆片的一侧面沉积透明电极层，二者采用相同的材料，所述材料为ito或azo，沉积方式均采用ald。
17.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玻璃微结构阵列外围的硅支撑结构进行键合的步骤中，所述键合方式采用阳极键合。
18.根据本公开的另一个方面，提供了一种基于玻璃微结构阵列的光学调制器，采用所述的基于玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法制备而成。
19.(三)有益效果
20.从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法，至少具有以下有益效果：
21.1、利用本公开，由于硅凹槽深宽比决定了玻璃微结构深宽比，而玻璃微结构阵列由玻璃粉末烧结直接制备，所以能够获得高深宽比的玻璃微结构阵列，进而得到高深宽比的光学调制器。
22.2、利用本公开，制备过程相较于玻璃-硅键合及热回流工艺，减少了玻璃-硅键合步骤，缩短了制备时间，提高了制备效率。
23.3、利用本公开，采用的玻璃粉末可自行调配成分，因此玻璃微结构阵列的透光度可依据材料特性进行调整，能够显著地提高玻璃微结构阵列的透光性能。
附图说明
24.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：
25.图1为依照本公开实施例的制备基于玻璃微结构阵列的光学调制器的方法流程图。
26.图2为依照本公开实施例的在硅晶圆上制作硅凹槽阵列的示意图。
27.图3为依照本公开实施例的在硅凹槽阵列中致密填充玻璃粉末，且玻璃粉末完全覆盖硅晶圆表面的示意图。
28.图4为依照本公开实施例的高温烧结玻璃粉末，使玻璃粉末软化、回流，冷却后形成玻璃微结构阵列的示意图。
29.图5为依照本公开实施例的平坦化玻璃微结构阵列底面的示意图。
30.图6为依照本公开实施例的对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出玻璃微结构阵列，并在玻璃微结构阵列的外围形成硅支撑结构的示意图。
31.图7为依照本公开实施例的在玻璃微结构阵列表面沉积透明电极层及在玻璃圆片的一侧面沉积透明电极层的示意图。
32.图8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玻璃微结构阵列外围的硅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。
33.【附图标记说明】
34.100-硅晶圆；101-硅凹槽；
35.201-玻璃粉末；
36.301-烧结玻璃；302-玻璃微结构阵列；
37.401-玻璃微结构阵列基底；
38.501-硅支撑结构；502-空腔；
39.601-透明电极；
40.701-玻璃圆片；702-填充液出入口；
41.801-密闭空腔。
具体实施方式
42.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。
43.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。
44.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。
45.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。
46.本公开提供的基于玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法，利用纳米玻璃粉末烧结热回流成型的方式，实现超高深宽玻璃微结构的制备，如图1所示，该方法包括以下步骤：
47.步骤s1：在硅晶圆上制作硅凹槽阵列；
48.步骤s2：在硅凹槽阵列中致密填充玻璃粉末，且玻璃粉末完全覆盖硅晶圆表面；
49.步骤s3：高温烧结玻璃粉末，使玻璃粉末软化、回流，冷却后形成玻璃微结构阵列；
50.步骤s4：平坦化玻璃微结构阵列的底面；
51.步骤s5：对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出玻璃微结构阵列，并在玻璃微结构阵列的外围形成硅支撑结构；
52.步骤s6：在玻璃微结构阵列表面沉积透明电极层；
53.步骤s7：另取一块玻璃圆片，在玻璃圆片上加工出填充液出入口，并在玻璃圆片的一侧面沉积透明电极层；
54.步骤s8：将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与玻璃微结构阵列外围的硅支撑结构进行键合，形成封闭腔体。
55.在本公开的实施例中，步骤s1中所述在硅晶圆上制作硅凹槽阵列，包括：选取双表面抛光的硅晶圆，在硅晶圆上表面利用光刻胶或sio2作为掩膜，采用深反应离子刻蚀工艺对硅晶圆进行刻蚀，形成硅凹槽阵列。所述硅凹槽阵列作为制作玻璃微结构阵列的模具。所述硅凹槽阵列中的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凹槽阵列；或者所述硅凹槽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凹槽阵列。所述硅凹槽的宽度为100nm～10μm，相邻硅凹槽之间的间距为100nm～10μm。
56.在本公开的实施例中，步骤s2中所述玻璃粉末为研磨玻璃形成的纳米级尺寸玻璃粉末，或者所述玻璃粉末为以sio2纳米粉末为主，辅以含硼化合物纳米粉末、含铝化合物纳米粉末或含钠化合物纳米粉末中的至少一种纳米粉末，而组成的混合粉末。所述纳米级尺寸玻璃粉末是由块状玻璃研磨成的尺寸为10nm～1μm颗粒状粉末，所述sio2纳米粉末、含硼化合物纳米粉末、含铝化合物纳米粉末或含钠化合物纳米粉末的尺寸为10nm～1μm。优选地，所述玻璃粉末为纳米粉末sio2和b2o3两种粉末组成的混合粉末。
57.在本公开的实施例中，步骤s2中所述玻璃粉末填充厚度高于硅凹槽阵列，同时在硅晶圆上表面连接为一体，完全覆盖硅晶圆的上表面。可选地，所述玻璃粉末在硅晶圆上表面的厚度至少为200μm。
58.在本公开的实施例中，步骤s3中所述高温烧结玻璃粉末，使玻璃粉末软化、回流，冷却后形成玻璃微结构阵列，包括：填充及覆盖有玻璃粉末的硅晶圆被放置于高温管式炉内，以3～6℃/min的速率从室温升温至900～1200℃，在900～1200℃保温3～5小时，再以3～6℃/min的降温速率从900～1200℃降温至550～600℃，在550～600℃保温1～2小时，然后以3～6℃/min的降温速率或自然冷却方式从550～600℃冷却至室温，形成玻璃微结构阵列。
59.在本公开的实施例中，填充及覆盖有玻璃粉末的硅晶圆被放置于高温管式炉内，优选地，以5℃/min的速率从室温升温至1000℃，在1000℃保温4小时，再5℃/min的降温速率从1000℃降温至560℃，在560℃保温1小时，然后以5℃/min的降温速率或自然冷却方式从560℃冷却至室温，形成玻璃微结构阵列。
60.在本公开的实施例中，步骤s4中所述平坦化玻璃微结构阵列的底面，所述平坦化选取化学机械研磨方法。
61.在本公开的实施例中，步骤s5中所述硅支撑结构为四方形环状结构，所述玻璃微结构阵列均位于四方形环状结构内，所述硅支撑结构的厚度与硅晶圆的厚度一致。
62.在本公开的实施例中，步骤s6中所述在玻璃微结构阵列表面沉积透明电极层与步骤s7中所述在玻璃圆片的一侧面沉积透明电极层，二者采用相同的材料，所述材料为ito或azo，沉积方式均采用ald。
63.在本公开的实施例中，步骤s8中所述将玻璃圆片沉积有透明电极层的一面与玻璃微结构阵列外围的硅支撑结构进行键合的步骤中，所述键合方式采用阳极键合。
64.基于图1所示的依照本公开实施例的制备基于玻璃微结构阵列的光学调制器的方法流程图，图2至图8示出了依照本公开实施例的制备基于玻璃微结构阵列的光学调制器的工艺流程图，具体包括：
65.如图2所示，图2为依照本公开实施例的在硅晶圆上制作硅凹槽阵列的示意图，显示了本公开实施例的玻璃微结构阵列加工方法第一步的硅晶圆刻蚀结果。硅晶圆100可选为双表面抛光，厚度为300μm。在硅晶圆100上表面利用光刻胶或sio2等作为掩膜，采用深反应离子刻蚀工艺在硅晶圆上刻蚀出宽度相等、间距一致的多个硅凹槽101。硅凹槽101的宽度为100nm～10μm，相邻硅凹槽101之间的间距为100nm～10μm。
66.如图3所示，图3为依照本公开实施例的在硅凹槽阵列中致密填充玻璃粉末，且玻璃粉末完全覆盖硅晶圆表面的示意图，显示了本公开实施例的玻璃微结构阵列加工方法第二步的玻璃粉末填充结果。所述玻璃粉末201被填充至硅凹槽101阵列中，并完全覆盖玻璃基底100上表面。所述玻璃粉末可以是由块状玻璃研磨成的10nm～1μm颗粒状粉末，也可以是以sio2纳米粉末为主，辅以含硼化合物纳米粉末、含铝化合物纳米粉末或含钠化合物纳米粉末中的至少一种纳米粉末，而组成的混合粉末。所述sio2纳米粉末、含硼化合物纳米粉末、含铝化合物纳米粉末或含钠化合物纳米粉末的尺寸为10nm～1μm。优选地，所述玻璃粉末为纳米粉末sio2和b2o3两种粉末按一定比例组成的混合粉末。
67.如图4所示，图4为依照本公开实施例的高温烧结玻璃粉末，使玻璃粉末软化、回流，冷却后形成玻璃微结构阵列的示意图，显示了本公开实施例的玻璃微结构阵列加工方法第三步的玻璃粉末烧结结果。其中，所述填充有玻璃粉末的硅晶圆被放置于高温管式炉内，以5℃/min的速率从室温升温至1000℃，在1000℃保温4小时，再5℃/min的降温速率从1000℃降温至560℃，在560℃保温1小时，然后以5℃/min的降温速率从560℃冷却至室温，也可以自然冷却至室温。
68.如图5所示，图5为依照本公开实施例的平坦化玻璃微结构阵列底面的示意图，显示了本公开实施例的玻璃微结构阵列加工方法第四步的烧结玻璃基底表面平坦化结果。玻璃粉末烧结后表面往往呈现不平整状态，通过平坦化使烧结玻璃基底表面光滑平整，再在玻璃基底表面利用光刻胶作为掩膜，刻蚀/腐蚀出玻璃微结构阵列基底401。所述平坦化优
选化学机械研磨方法。
69.如图6所示，图6为依照本公开实施例的对硅晶圆背面进行刻蚀或腐蚀，完全释放出玻璃微结构阵列，并在玻璃微结构阵列的外围形成硅支撑结构的示意图，显示了本公开实施例的玻璃微结构阵列加工方法第五步的玻璃微结构阵列释放工艺结果。在硅晶圆100下表面利用光刻胶或sio2等作为掩膜，刻蚀/腐蚀出硅支撑结构501，刻蚀/腐蚀掉硅凹槽101，完全释放出玻璃微结构阵列302。
70.如图7所示，图7为依照本公开实施例的在玻璃微结构阵列表面沉积透明电极层及在玻璃圆片的一侧面沉积透明电极层的示意图，显示了本公开实施例的基于玻璃微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。在玻璃微结构阵列302表面沉积一层透明电极，完全覆盖其表面。另取一块玻璃圆片701，在玻璃圆片701上加工出填充液出入口702，选取玻璃圆片701其中一侧表面，沉积一层透明电极。所述透明电极厚度优选10nm～50nm，所述沉积方法优选ald，所述透明电极材料优选ito或azo。
71.如图8所示，图8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玻璃微结构阵列外围的硅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玻璃微结构阵列的光学调制器制备工艺的两玻璃封装结果。所述封装方式优选阳极键合，封装后玻璃微结构阵列和玻璃圆片间形成封闭空腔，贮存填充液，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玻璃微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玻璃微结构阵列的光学调制器的制备方法，由于硅凹槽深宽比决定了玻璃微结构深宽比，而玻璃微结构阵列由玻璃粉末烧结直接制备，所以能够获得高深宽比的玻璃微结构阵列，进而得到高深宽比的光学调制器。本公开的制备过程相较于玻璃-硅键合及热回流工艺，减少了玻璃-硅键合步骤，缩短了制备时间，提高了制备效率。另外，本公开采用的玻璃粉末可自行调配成分，因此玻璃微结构阵列的透光度可依据材料特性进行调整，能够显著地提高玻璃微结构阵列的透光性能。
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。
[0076]
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。
[0077]
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。
[0078]
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。