GaAs基垂直腔面发射激光器在干法刻蚀过程中，台面侧壁形成的缺陷会导致器件出现层结构分层、断裂以及氧化孔不规则等问题。针对该问题，提出了一种干法刻蚀与硫化铵钝化相结合的氧化前预处理方案，研究了硫化铵钝化处理对器件层结构以及氧化工艺稳定性的影响。扫描电子显微镜测试结果表明：器件侧壁层结构的分层现象减少，器件结构稳定性更好；高 Al 层的氧化速率更稳定，氧化孔形状更为规则。将该工艺方案用于制备氧化孔直径为5 μm的940 nm垂直腔面发射激光器，室温下，与传统工艺制备的器件相比，钝化后的器件的斜率效率提高了5%，各器件之间的性能一致性更好。同时，在1 mA的驱动电流下，激光器的边模抑制比可达36 dB，处于单模激射状态。在优化后的氧化工艺条件下，制备了形状规范的氧化孔结构，进一步改善了氧化限制型垂直腔面发射激光器的性能。

金刚石作为一种具有独特优异性能的半导体材料，在光学和电子学领域具有重要的应用价值。目前生长金刚石最常用的方法是化学气相沉积（CVD）法，采用该方法制备的金刚石薄膜通常为多晶结构，表面粗糙度高、颗粒大的缺点制约了金刚石薄膜的应用。笔者提出了飞秒-纳秒-离子束刻蚀的复合抛光方法并采用该方法对CVD金刚石薄膜进行抛光。结果表明：经飞秒-纳秒激光刻蚀后，金刚石表面粗糙度降低得十分明显，由未刻蚀时的4 μm降至0.5 μm左右，但表面出现了明显的石墨化现象；进一步采用离子束刻蚀去除表面的石墨层，最低可将表面粗糙度降至0.47 μm。所提方法实现了金刚石表面的无改性平滑抛光，为金刚石表面微纳器件的发展奠定了基础。

长波碲镉汞材料受结构、组分等因素影响。在制备器件过程中，刻蚀电极接触孔易发生材料损伤，影响芯片的成像性能。利用现有电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma, ICP)设备刻蚀长波碲镉汞芯片电极接触孔,采用分步刻蚀以避免损伤。该方法虽可提高芯片的成像质量，但效率低，难以应用于大规模生产。为了提高刻蚀效率和实现器件大规模制备，通过对ICP刻蚀机上下电极射频功率的协同优化，开发出长波碲镉汞芯片电极接触孔一次成型工艺。经中测验证，探测器(长波320×256，像元中心间距为30 m)的盲元率仅为026%。该工艺能够实现低损伤电极孔刻蚀，可推广到大批量长波红外芯片制备。

在摩尔定律的影响下，半导体制造的线宽尺寸逐步到达极限。当前28 nm及以下工艺制程中，多晶硅栅极刻蚀普遍采用双层联动的硬掩模刻蚀加多晶硅刻蚀的方法，可以实现关键尺寸的有效控制，但同时也增加了颗粒缺陷的发生率。针对多晶硅硬掩模刻蚀（Polysilicon Hard Mask Etch, P1HM-ET）过程中出现的棒状颗粒缺陷，分析了缺陷的来源和形成机理。通过精准调控刻蚀结束后静电卡盘（Electrostatic-Chuck, ESC）对晶圆的释放时间和自身电荷的释放时间来加强刻蚀腔体内颗粒的清除和减小晶背静电吸附作用。结果显示，当晶圆释放时间增加2 s，ESC电荷释放时间增加6 s后，减少了约80%的棒状颗粒缺陷。通过调控相关联的工艺参数来减少缺陷，可以有效减少消耗性零件的使用，从而降低生产成本。

周期性纳米结构阵列因其独特的光学效应在新型传感技术领域具有巨大的应用潜力, 引起人们极大的兴趣。 其光学特性依赖于形貌和结构参数, 一般可通过调整这些参数来调控其光学性能, 而通过外加磁场调节其光学性能鲜有报道。 通过气液自组装法制备胶体晶体模板, 采用等离子体刻蚀技术实现了对胶体晶体模板结构尺寸的调控。 在此基础上, 结合磁控溅射技术合成了具有六角周期性排列的亚波长尺寸磁性Co纳米球阵列膜, 并研究了其在结构参数和外磁场作用下的光学性质。 通过紫外-可见-近红外光反射谱发现, 随着刻蚀时间从0 min增加到4.5 min, 在可见光波段, 光反射峰波长从512 nm蓝移到430 nm, 蓝移了82 nm, 峰强从10.69%降低到7.96%, 减弱了2.73%; 在近红外光波段, 光反射峰波长从1 929 nm蓝移到1 692 nm, 蓝移了237 nm, 峰强从10.92%降低到7.91%, 减弱了3.01%。 通过控制刻蚀的时间, 可实现对Co纳米球阵列膜光反射峰峰位和峰强的有效调控。 对未刻蚀和刻蚀的Co纳米球阵列膜施加一个垂直的外加磁场, 在外磁场作用下, 二者的光反射峰峰强均表现出不同程度的增强。 随着外加磁场的逐增, 未经刻蚀的Co纳米球阵列膜在近红外波段(1 938 nm)的光反射峰峰强从10.81% (0 Oe) 增加到16.56% (1 100 Oe), 增强了5.8%; 而经等离子体刻蚀后的Co纳米球阵列膜的近红外反射峰(1 921 nm), 其峰强从8.45% (0 Oe) 增加到16.74% (1 000 Oe), 增强了8.29%。 结果表明, 经等离子体刻蚀后的磁性Co纳米球阵列膜的反射光谱表现出更灵敏的外磁场响应。 基于近红外光反射峰最大值与外磁场强度的关系, 定性解释了外磁场对磁性Co纳米球阵列膜的光反射性能的影响: 对于未刻蚀的样品, 外磁场主要通过改变样品的磁有序, 从而影响其复折射率进而影响其光反射性能; 对于刻蚀后的样品, 除了外磁场对样品的磁有序产生影响从而影响其光反射率外, 还有诸如散射、 衍射等其他物理机制相互竞争的影响。 该研究为磁场动态调控材料的光反射性能提供了一种方法, 也为新型光学器件的研究提供了模型。

本文针对单晶硅在不同温度、浓度、表面活性剂等多种刻蚀条件下的形貌模拟问题, 构建了硅原子结构模型并分析了其主要晶面刻蚀速率和对应原子结构之间的关系, 提出了适应于单晶硅刻蚀模拟的表层原子刻蚀函数(Si-RPF), 明确了晶面宏观刻蚀速率与原子微观移除概率之间的数值联系, 构建了基于遗传算法的动力学蒙特卡罗各向异性湿法刻蚀工艺模型(Si-KMC)。该工艺模型可以基于台阶流动理论,从原子角度解释单晶硅刻蚀各向异性的成因, 能够明确不同类型的原子在刻蚀过程中的作用和实现对不同刻蚀条件下单晶硅衬底三维刻蚀形貌的精确模拟。对比有无表面活性剂添加条件下的单晶硅刻蚀实验数据和模拟结果表明, Si-KMC刻蚀工艺仿真模型模拟结果可以达到90%以上仿真精度。

铌酸锂(LiNbO3, LN)是一种广泛使用的介电材料, 由于其电光系数大, 透明范围大, 本征带宽宽, 因而在集成和非线性光学器件中极为重要。但绝缘体上铌酸锂薄膜(LNOI)的化学稳定性好, 刻蚀速率慢, 其微结构参数难以控制。针对以上问题, 该文开展了基于电感耦合等离子体刻蚀(ICP-RIE)的LNOI脊形微结构的制备工艺研究, 分析了腔室压强、气体总流量及刻蚀功率等参数对刻蚀速率、刻蚀倾角和表面粗糙度(RMS)的影响。研究表明, 在优化的工艺条件下, LNOI薄膜的刻蚀速率达到24.9 nm/min, 制备出刻蚀深度249 nm、刻蚀倾角76°、表面粗糙度(RMS)0.716 nm的LNOI脊形微结构。该文通过对刻蚀工艺与微观结构参数的研究, 建立了基于ICP的LNOI微结构刻蚀方法, 为控制LNOI脊形光波导和提升性能提供了工艺支撑。

开发了一种和MEMS工艺兼容的基于硅微加工技术的简易硅微透镜阵列制造技术。利用光刻胶热熔法和等离子体刻蚀法相结合的方法,实现了在硅晶圆上制作不同尺寸的硅微透镜阵列的工艺过程。实验中,对透镜制作过程中的热熔工艺、刻蚀工艺进行了深入的研究。最终确定了最优的工艺参数,制备了孔径在20~90 μm、表面质量高的硅微透镜阵列。

针对传统熔石英激光窗口在碱金属蒸气环境下易腐蚀的痛点问题，提出了在蓝宝石材料上制备增透微结构的方法，以实现耐高温、耐腐蚀的高透激光窗口。在理论仿真的基础上，采用干涉曝光与反应离子束刻蚀技术，在蓝宝石基底表面上制备了增透微结构，其对795 nm光的单面透过率达到99.23%。在此基础上，制备了双面增透微结构和一面增透微结构一面增透膜的蓝宝石窗口片，相较于蓝宝石基底，它们对795 nm光的透过率分别提升了12.13%和13.02%。高功率激光作用温升测试结果表明，当激光功率从35 W增加到99.6 W时，裸基板温度增加了5.9 ℃，但是双面增透样品的温升均为3.8 ℃，表明双面增透处理可以适当降低温升。同时，光束质量测试结果表明，当高功率激光作用下微结构窗口的温度控制在200 ℃以内时，双面增透样品的光束质量因子在横向上的变化小于0.05，在纵向上的变化小于0.06，表明该增透窗口对入射光光束质量的影响甚小。

为了制备石英晶体谐振器，在石英衬底上采用光刻和电感耦合等离子刻蚀技术制备台阶形貌，研究了制备过程中激励电源功率、偏压电源功率以及导热物质等工艺参数对刻蚀效果的影响。并且利用扫描电子显微镜对刻蚀图形的表面形貌进行了观察，通过实验与分析得到了符合工业生产要求的工艺参数。最后在最优工艺参数条件下，制得了高约22 μm的整齐的台阶形貌，并将干法刻蚀的结果与湿法刻蚀对比，展现了干法刻蚀的特点以及干法刻蚀应用于工业化生产石英晶体谐振器的潜力。