一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法技术

本申请提供一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法，用于在硅基片上制造具有直角顶角的阶梯光栅，该方法包括：在硅基片的表面形成蚀刻掩模，所述蚀刻掩模具有使所述基片的表面露出的开口，所述基片是单晶硅片；对形成有蚀刻掩模的所述基片进行湿法腐蚀，以形成周期性排列的刻槽，其中，每个所述刻槽至少具有相互垂直的两个侧壁，所述侧壁为硅(110)晶面，并且，在相邻的所述刻槽之间形成由相邻的所述侧壁形成的直角顶角；以及在所述刻槽的所述侧壁覆盖光学薄膜层。根据本申请的方法可以获得严格垂直的直角顶角硅阶梯光栅，其闪耀角可根据需求设计，具有工艺简单、光栅刻槽表面质量高、刻槽间距误差小、批量化、低成本的技术优势。

Right angle vertex silicon ladder grating and manufacturing method thereof

This application provides a right angle silicon echelle grating and its manufacturing method, used in the manufacture of grating with rectangular stepped angle on silicon substrate, the method includes: forming an etch mask on the surface of the silicon substrate, the etch mask has an opening to expose the surface of the substrate, the substrate is there a wet etching of silicon wafer; the substrate etching mask to form, to form a groove, periodic arrangement wherein each of the groove has at least two vertical side wall, the side wall of silicon (110) surface, and in the adjacent right angle moment from adjacent the side wall forming groove between the groove; and in the side wall covering the optical film layer. According to the method can obtain the right angle silicon echelle strictly vertical, the blazed angle according to the needs of the design, has the advantages of simple process, high surface quality of grating groove, the groove spacing error is small, bulk, low cost advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法
本申请涉及半导体技术、光学
，尤其涉及一种基于MEMS技术的直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法。
技术介绍
光栅是现代光学技术中关键的色散光学元件，其色散能力强，得到了广泛的应用。在光栅家族中，有一类应用广泛、重要的高性能光栅——阶梯光栅。阶梯光栅是一种工作于高光谱级次的特殊光栅，具有宽波段、超高光谱分辨率、超强色散能力、高光学衍射效率等技术优势，引起了天文学家的极大兴趣,率先得到了天文学应用，并在光谱学、光通信、光信息处理和光学精密测量等领域获得了非常重要的应用，成为具有广阔发展前景的现代光学色散元件。随着光栅技术的演变与发展，阶梯光栅根据刻槽密度的不同发展出了阶梯光栅、中阶梯光栅和闪耀光栅三个品种。较早期的阶梯光栅(echelon)是由一系列(约20片)长度不同、厚度严格相等、折射率相同的平行玻璃或石英片，按阶梯形状黏合在一起组成的一段阶梯，并且每片凸出的高度相等(约0.1cm)。按其光透射或光反射工作方式，阶梯光栅可以分为透射式阶梯光栅和反射式阶梯光栅两种，如图1所示。早期的阶梯光栅实质上是一种大周期、低槽密度光栅，具有较大的闪耀角，可以用于很高的干涉级次，通常100～1000级，因此可获得极高的光谱分辨率。G.R.Harrison于1949年研制出一种阶梯光栅的新品种——中阶梯光栅(echelle)，其光栅刻槽密度为每毫米数线至数十线，并对这种阶梯光栅的机械刻划技术做出了开拓性的工作。闪耀光栅(echelette，也称为小阶梯光栅)是应用更为广泛的阶梯光栅品种，因其对设计的光波长衍射效率高而得到“闪耀”的称呼，其光栅刻槽密度为每毫米数十至数百线。中阶梯光栅介于闪耀光栅与阶梯光栅之间，在设计上其与闪耀光栅不同之处在于，中阶梯光栅不以增加光栅每毫米的刻槽数(即光栅刻槽密度)为手段，而以增大闪耀角(高光谱级次和加大光栅刻划面积)来获得高光谱分辨本领和高色散率，因此成为一种新品种的阶梯光栅，具有极高的光谱分辨本领。每毫米8～80刻槽的中阶梯光栅，闪耀角为60°～70°，光谱级次高达40～200，其光谱分辨本领大于106，而闪耀光栅的光谱分辨本领通常在105量级。中阶梯光栅工作在高光谱级次，其每一级光谱区很窄，只有1～10nm，因此其光谱存在级次间的重叠，需要利用交叉色散法将这些上百级次的光谱分开。由于一个阶梯光栅对宽谱光波长都是有效闪耀的，因此阶梯光栅在宽波长范围内成为高效率闪耀光栅，高光学衍射效率成为阶梯光栅另一个重要优点。阶梯光栅还有以下几个特点:(1)每级光谱都可以获得高的角色散；(2)许多光谱级次可能重叠在一起，此时需用横向色散元件将级次分离后得到二维光谱，因此一次曝光可得很宽波长范围的光谱；(3)单个光谱级次的色散角小，一般只有几度，自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀峰值附近，因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀，阶梯光栅成为高衍射效率闪耀光栅。阶梯光栅由一系列周期性的平行微光学镜面构成，其刻槽顶角可以是直角，也可以是非直角。直角顶角阶梯光栅的刻槽形状是宽而深的直角三角形(如图2所示)，与普通的非直角刻槽阶梯光栅比较，其具有更高的衍射效率和良好的光偏振衍射特性，是更为理想的阶梯光栅，具有更强的技术竞争力。在图2中，W为阶梯光栅的工作宽度，A、B为阶梯光栅的垂直投影宽度与水平投影宽度，β为光栅闪耀角，a为阶梯光栅的刻槽宽度，s为阶梯光栅刻槽一个反射面的宽度，t为阶梯光栅刻槽的另一个反射面的宽度。光栅的偏振衍射特性是光栅的重要特性之一，对光栅的应用具有重要价值，例如在密集波分复用(DWDM)光通信器件中，要求光栅的衍射效率与光偏振态无关。衍射效率与偏振态无关的光栅的将大大简化光学器件的光路结构、复杂度，从而降低成本。因此，直角顶角阶梯光栅是具有重要应用前景的高性能光栅，引起了本领域技术人员的很大关注。光栅制造一直是光学
高难度的光学元件制造技术，成本很高，阶梯光栅的制造具有更高的技术难度，而控制阶梯光栅的刻槽顶角为直角的技术挑战更进一步，这主要是因为传统的机械刻划光栅制造工艺难以有效控制光栅刻槽的形貌。控制光栅刻槽形貌的技术一直困扰着本领域的工程技术人士，需要创新的工艺技术才能将光栅制造从机械刻划、模压复制中解脱出来。从阶梯光栅的基片材质看，通常采用玻璃或石英，这是因为玻璃和石英是光学技术应用最广泛的材料，但是玻璃和石英的光折射率仅为1.4-1.6，限制了其色散能力的进一步提高，而且玻璃和石英在中红外、远红外波段透明性不良，也限制了玻璃和石英阶梯光栅的应用。单晶硅材料的光学折射率高达3.5，在中红外、远红外波段透明性好，因此硅阶梯光栅不仅可以获得超高的色散能力，而且可以应用于中红外、远红外波段，同时还具有材料成本低、尺寸大、良好的可加工性能，尤其是可以采用微机电(MEMS)技术来低成本、批量化加工，近来也引起了人们广泛的关注。阶梯光栅具有很高的色散能力和高衍射效率，是高分辨率光谱应用的理想选择，人们目前主要关注的是高质量、批量化、低成本的阶梯光栅制造工艺技术。早期的阶梯光栅的制造是由许多平行的厚玻璃平板组成，组成阶梯的玻璃板厚度需要严格相等，折射率相同，每块玻璃板凸出的高度相等，对工艺加工与装配提出了很高的要求，因而成本高，体积大，重量重。对于中阶梯光栅和闪耀光栅，其制造技术主要是玻璃基片的机械刻划，即采用金刚石刻刀对玻璃基片进行物理刻划，因此在刻划中必然会产生刻槽间距误差、刻槽面型误差、刻槽槽面粗糙等问题，对阶梯光栅的光谱衍射性能产生极大的影响，同时其成本非常高、生产周期长。为降低刻划阶梯光栅的生产成本，通常采用模压复制技术来批量生产，其成本虽有下降，但其光栅性能亦可能因为复制误差出现大幅度下降，另一方面，模压复制所使用的材料如聚合物、胶等，长期使用存在变形及老化问题，而且随环境温度变化其热膨胀、热变形也较大。为了降低阶梯光栅的制造成本，采用基于微机电技术(MEMS)，批量制造阶梯光栅近来受到人们的关注。这些研究和开发工作主要基于MEMS技术应用最为广泛的单晶硅(111)晶面的自停止湿法腐蚀，中科院长春光机所研究人员采用(100)单晶硅片的(111)晶面腐蚀制造中阶梯光栅，由于两(111)晶面的夹角为70.52°，仅能制作出非直角顶角的阶梯光栅(参见非专利文献[1])。为了制造直角顶角的阶梯光栅，研究人员结合单晶硅(111)晶面各向异性腐蚀，首先制备出具有一定角度的空腔，然后在空腔中填充光刻胶，之后将整个圆片倾斜一定角度后进行光刻，在14°斜切(110)单晶硅片上成功制作出直角顶角的阶梯光栅(参见非专利文献[2])。而其倾斜光刻技术制造难度高，精度差，在倾斜光刻后，光刻胶未去除，而用作光学反射铝膜的沉积基底，其光学质量难以保证，制作工艺复杂，高难度的工艺控制使其很难形成适用型产品，而且还存在光刻胶的热变形问题。非专利文献[1]：焦庆斌，谭鑫，巴音贺希路，等.单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法:中国，102981198.[P].2013-03-20.非专利文献[2]：王琦，郑衍畅，丘克强，等.90°顶角中阶梯光栅的研制[J].光学学报，2014，34(9)：34-39.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，用于在硅基片上制造具有直角顶角的阶梯光栅，其特征在于，该方法包括：在基片的表面形成蚀刻掩模，所述蚀刻掩模具有使所述基片的表面露出的开口，所述基片是单晶硅片；对形成有蚀刻掩模的所述基片进行湿法腐蚀，以形成周期性排列的刻槽，其中，每个所述刻槽至少具有相互垂直的两个侧壁，所述侧壁是硅(110)晶面，并且，在相邻的所述刻槽之间具有由相邻的所述侧壁形成的直角顶角；以及在所述刻槽的所述侧壁覆盖光学薄膜层，以形成所述直角顶角硅阶梯光栅。

【技术特征摘要】
1.一种直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，用于在硅基片上制造具有直角顶角的阶梯光栅，其特征在于，该方法包括：在基片的表面形成蚀刻掩模，所述蚀刻掩模具有使所述基片的表面露出的开口，所述基片是单晶硅片；对形成有蚀刻掩模的所述基片进行湿法腐蚀，以形成周期性排列的刻槽，其中，每个所述刻槽至少具有相互垂直的两个侧壁，所述侧壁是硅(110)晶面，并且，在相邻的所述刻槽之间具有由相邻的所述侧壁形成的直角顶角；以及在所述刻槽的所述侧壁覆盖光学薄膜层，以形成所述直角顶角硅阶梯光栅。2.如权利要求1所述的直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，其特征在于，所述基片的表面为(100)晶面，或者所述基片的表面与(100)晶面有不为0的夹角。3.如权利要求1所述的直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，其特征在于，所述刻槽的截面是直角三角形。4.如权利要求1所述的直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，其特征在于，所述光学薄膜层为光反射膜或增透膜。5.如权利要求1所述的直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀所使用的腐蚀液是TMAH与IPA的混合溶液。6.如权利要求1所述的直角顶角硅阶梯光栅的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚明，翟雷应，徐静，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31