用于先进光学和MEMS器件的玻璃微加工技术突破：准各向异性湿法蚀刻方法
2026-01-18 14:43:27 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
大连理工大学的研究团队提出了一种新颖的准各向异性湿法蚀刻方法，通过阐明界面层在界面侧蚀中的核心作用，实现了对湿法蚀刻中各向异性的精确调控。研究人员完善了界面层与玻璃衬底蚀刻之间的竞争机制模型，能够经济高效地制备具有光滑倾斜侧壁的各种微结构。
玻璃具有优异的机械、光学和热学特性，以及良好的绝缘性能，因此，它已成为半导体工业、微流控、传感器、MEMS、光学和显示器件、太阳能电池等众多领域中最重要且最合适的材料之一。对于大部分玻璃基器件而言，实现新兴功能需要依赖微加工技术在玻璃衬底上制造各种类型的微结构。
然而，在玻璃衬底上制造具有光滑倾斜侧壁的微结构仍然是一项挑战。迄今，对玻璃微结构进行微加工以获得具有光滑倾斜侧壁的能力仍然有限，这为微棱镜、MEMS、自清洁表面、LED显示屏等许多领域的应用带来了障碍。
据麦姆斯咨询介绍，大连理工大学的研究团队提出了一种新颖的准各向异性湿法蚀刻方法，通过阐明界面层在界面侧蚀中的核心作用，实现了对湿法蚀刻中各向异性的精确调控。研究人员完善了界面层与玻璃衬底蚀刻之间的竞争机制模型，能够经济高效地制备具有光滑倾斜侧壁的各种微结构。相关研究成果已经以“Quasi-anisotropic wet etching of glass creates inclined microstructures for advanced optical and MEMS devices”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
论文摘要附图
准各向异性湿法蚀刻方法
根据数值模拟和实验表征，基于界面蚀刻与衬底蚀刻的竞争效应，研究人员建立了一种准各向异性湿法蚀刻方法。为了揭示蚀刻过程中的内在规律，并为后续应用提供实际指导，研究了蚀刻时间（t）和掩模开口尺寸（u）对准各向异性湿法蚀刻中蚀刻形貌的影响。
准各向异性湿法蚀刻方法
研究人员提出了一种控制界面侧蚀影响的方法，促使湿法蚀刻从各向同性向准各向异性转变。通过揭示界面层蚀刻与玻璃衬底蚀刻之间的竞争机制，从理论上预测了弧形或倾斜侧壁的形成，并在不同条件下通过实验得到了验证。利用这种准各向异性湿法蚀刻工艺，研究人员制备出了可重复的高质量倾斜侧壁。
倾斜表面倾角的设计
准各向异性湿法蚀刻方法可制备具有倾斜侧壁的微结构，但倾斜角度的值并不取决于蚀刻时间和掩模开口尺寸。为了获得设计倾斜角度的能力，研究人员探讨了蚀刻溶液的影响，特别是浓度和辅助成分的影响。
倾斜侧壁的倾斜角度设计
此外，研究发现掩模层的厚度对倾斜角有影响。研究人员推测，在掩模制备过程中，溅射工艺的增加导致界面层物质发生改变，从而影响界面层的刻蚀速率，最终导致刻蚀后的倾斜角发生变化。这一现象及其潜在机制有待进一步研究。
玻璃准各向异性湿法刻蚀在微结构制造中的能力
制造微光学器件
基于本研究建立的准各向异性湿法刻蚀方法，探索了玻璃微结构在光学器件领域的应用。研究人员制备了可重复且一致性高的微结构阵列，例如微棱镜、微金字塔和微锥。在应用拓展方面，本研究开发了一系列光学器件，包括光扩散板、光耦合元件以及虚拟现实/增强现实（VR/AR）光波导，并完整实现了相应的光学功能。
准各向异性湿法刻蚀方法在微光学器件制造中的应用
基于准各向异性湿法刻蚀方法构建VR/AR显示系统
总结与讨论
该研究构建了一种准各向异性湿法刻蚀方法，首次实现了以高重复性、低成本的方式制造具有光滑倾斜侧壁的玻璃微结构。所制造的玻璃微结构最大深度为167.57 μm，表面粗糙度低至0.43 nm，倾斜角度可在约25°～50°之间调节。该方法克服了现有玻璃微加工技术的局限性，为开发各类新型玻璃基微器件提供了可能，可在光学、显示等诸多领域提供新兴功能。此外，研究人员对湿法刻蚀机理进行了全面研究。
掩模和玻璃之间的界面层在湿法蚀刻中起着重要作用。在该研究中，提出了一种使用铬氧氮化物作为掩模层来构建高度一致界面层的解决方案。实验数据证实了约10 nm厚的界面层的存在。研究还发现，蚀刻剂的浓度和成分会影响玻璃基体的蚀刻速率（v₁）以及界面层的蚀刻速率（v₂），从而改变倾斜角度。然而，界面层的确切蚀刻速率和蚀刻机制仍然未知。为了揭示这一点，可以从几个方面进行研究。首先，需要使用先进工具对界面层进行深入的化学成分分析。其次，分子动力学模拟有助于解释Cr、N和O原子在玻璃表面的沉积过程以及它们与Si分子的结合，从而预测界面层的形成。此外，Cr、N、O原子与蚀刻剂中离子之间的化学反应将为界面蚀刻提供重要信息。随着对界面层特性的进一步研究，可以进一步提出设计界面的方法。由此，准各向异性蚀刻方法在控制倾斜角度方面将具有更大的灵活性和更好的可调性。
最后，研究人员展示了一种采用准各向异性湿法刻蚀方法制备的微结构近眼显示器。该器件成功实现了成像功能，可用于VR/AR应用。该器件中的光调制完全依赖于反射，与衍射光栅方法相比，其不具有波长依赖性。因此，该器件能够消除色差等问题。此外，该器件的光出射区域大小取决于微结构阵列的尺寸。通过设计微结构的尺寸和间隙，有望扩大VR/AR应用中近眼显示器的视场角，进而解决当前VR/AR系统中的关键障碍，并为以简单方式改善用户体验提供途径。未来的研究可以重点优化微结构的几何形状和光学设计，有潜力开发复杂且高性能的近眼显示系统，有望受到市场的欢迎。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01047-6
延伸阅读：
上一篇：沉积AlScN压电薄膜的新工艺：PEALD
下一篇：最后一页