CN103762136B

CN103762136B - 一种平行光栅的制作方法

Info

Publication number: CN103762136B
Application number: CN201410027668.5A
Authority: CN
Inventors: 吴华夏; 席洪柱; 贺兆昌; 温旭杰; 张建成; 余峰; 余正红
Original assignee: Anhui East China Institute of Optoelectronic Technology
Current assignee: Anhui Haoxing Photoelectric Technology Co., Ltd.
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103762136A

Abstract

本发明公开了一种平行光栅的制作方法，利用两种不同材料对某种刻蚀溶液的抗刻蚀程度不同，把这两种材料通过压制、打磨等简单机械手段分别制作成两类板体，不同材料制成的板体交叉排列，通过两种板体的尺寸来控制制备光栅的周期，宽度、高度等特征参数。然后把这种交叉排列的板体绑定到一个基板上。最后，通过选择某一刻蚀溶液去除其中一种材料的板体，而留下另一类材料的板体就会形成光栅状结构。本发明所需设备成本低廉，工艺简单，制备出的成品平行光栅具有尺寸精度高、表面及侧面光洁度好、均匀一致性好、硬度强和侧壁陡等优点。

Description

一种平行光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及应用到真空电子器件的慢波结构、光学和微电子等行业的平行光栅，具体地说，本发明涉及一种平行光栅的制作方法。

背景技术

平行光栅结构被广泛应用到电真空行业的慢波结构、微波传输器件、半导体集成电路和光学器件中。随着科技的发展和人类需求的提高，这些器件对平行光栅的要求越来越高，譬如，由于“尺寸共度效应”，随着电真空器件工作频率的提高，要求作为慢波结构的平行光栅周期越来越小，同时为了减小趋肤效应，提高器件的工作效率，对光栅表面的光洁度要求也越来越高。在半导体行业，也要制作一些类似光栅的微结构，随着集成度的提高，器件的特征尺寸越来越小，对这些微结构的沟槽深宽比、侧壁陡直度的要求也越来越高。

为了制备出符合器件所需的结构特征，出现了很多新的加工手段和方法，如电火花加工、光刻、超声加工和激光加工等，但这些加工手段由于自身工作机理的原因而常常受限，如电火花的加工精度取决于机床的精度和电极丝的粗细；而光刻工艺受限于曝光波长和光刻胶的特性和工艺水平，目前，尽管有很多科研人员在研究深刻蚀技术，如“BOSCH”工艺技术，但获得理想深宽比的微纳结构仍是光刻加工的一个技术瓶颈；而超声加工的对象往往是硬脆材料，且加工的结构误差较大，很难大面积推广；激光加工微细结构时，如果利用激光“热效应”进行切割，往往会改变切割边缘材料的物理化学性能，而如果利用激光的“冷效应”进行切割，而整套设备价格高昂，且激光加工受限于激光束的能量、波长和光学最小分辨率。

发明内容

本发明提供一种平行光栅的制作方法，目的是简化工艺流程，提供提高产品质量。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种平行光栅的制作方法，包括如下步骤：

（1）制作两块基板和一块背板；

（2）制作甲板体和乙板体；

（3）选取其中一块基板，将第一块甲板体放置在该基板上，将第一块乙板体放置在甲板体上；

（4）将第二块甲板体放置在第一块乙板体上，将第二块乙板体放置在第二块甲板体上；

（5）重复步骤（4），直至放置第n块甲板体，得到光栅的周期数n；

（6）将另一块基板放置在第n块甲板体上，甲板体和乙板体堆叠形成夹在两块基板之间的光栅毛坯结构；

（7）切割两块基板和光栅毛坯结构，使两块基板的底部端面与光栅毛坯结构的底部端面处于同一平面内；

（8）将两块基板和光栅毛坯结构的底部端面与背板接触并固定到背板上；

（9）精加工光栅毛坯结构；

（10）去除甲板体之间的乙板体；去除两块基板；

（11）得到平行光栅。

在所述步骤（2）中，使用能够与刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉的材料制作乙板体。

在所述步骤（10）中，将光栅毛坯结构连同两块基板和背板一起放入刻蚀溶液中，使乙板体与刻蚀溶液发生反应，直至被刻蚀掉。

在所述步骤（1）中，使用能够与刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉的材料制作基板。

在所述步骤（11）中，将光栅毛坯结构连同两块基板和背板一起放入刻蚀溶液中，使背板与刻蚀溶液发生反应，直至被刻蚀掉。

在所述步骤（8）中，所述两块基板和光栅毛坯结构为焊接或粘接在所述背板上，且所使用的焊料或粘结剂不溶于后续使用的刻蚀溶液。

在所述步骤（3）、（4）、（5）中，在每放置一块甲板体和一块乙板体后，需使用另一块基板盖在最上层的甲板体或乙板体上，并对两基板施加压力以挤压甲板体和乙板体，使甲板体和乙板体表面平整并紧密接触。

所述两个基板和乙板体易与所选的刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉；而背板和甲板体不能与刻蚀溶液发生反应被保留下来；如，选择的刻蚀溶液为强酸性溶液时，基板和乙板体可以选择Al、Fe、Zn等活性材料制作，而所述背板和甲板体则可采用无氧Cu、Ag、Po、Au等材料制作。

所述基板、背板、甲板体和乙板体均为矩形，在所述步骤（3）中，将甲板体放置在基板的中心位置，乙板体与甲板体对齐放置。

本发明的制作方法所需设备成本低廉，工艺简单，制备出的平行光栅具有尺寸精度高、表面及侧面光洁度好、均匀一致性好、硬度强和侧壁陡等优点，提升了产品的质量。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是基板的结构示意图；

图2是甲板体的结构示意图；

图3是乙板体的结构示意图；

图4是将第一块甲板体放置在基板上的结构示意图；

图5是将第一块乙板体放置在甲板体上的结构示意图；

图6是由两块基板夹住光栅毛坯结构的结构示意图；

图7是完成切割后的基板与光栅毛坯结构的结构示意图；

图8是背板与基板、光栅毛坯结构的装配示意图；

图9是精加工后的光栅毛坯结构与背板、基板的装配示意图；

图10是成品平行光栅的结构示意图；

图11是实施例一中将第一块甲板体放置在基板上的结构示意图；

图12是实施例一中使用B₁基板和B₂基板挤压甲板体的状态图；

图13是实施例一中将第一块乙板体放置在甲板体上的结构示意图；

图14是实施例一中由B₁基板和B₂基板夹住光栅毛坯结构的结构示意图；

图15是实施例一中使用夹子夹持B₁基板、B₂基板和光栅毛坯结构的结构示意图；

图16是实施例一中完成切割后的基板与光栅毛坯结构的结构示意图；

图17是实施例一中背板与基板、光栅毛坯结构的装配示意图；

图18是实施例一中精加工后的光栅毛坯结构与背板、基板的装配示意图；

图19是实施例一中成品双梳形矩形光栅结构的结构示意图；

图20是实施例一中成品双梳形矩形光栅结构的侧视图；

图中标记为：

1、基板；2、甲板体；3、乙板体；4、背板。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

为了解决常规加工方法制作平行光栅时，结构侧面光滑度不易控制、深宽比小、精密度低、所需设备昂贵，加工工艺复杂等问题，本发明从而提供一种新的制备平行光栅状结构的新方法。

本发明一种平行光栅的制作方法，包括如下步骤：

（1）制作两块基板和一块背板；

（2）制作甲板体和乙板体；

（9）精加工光栅毛坯结构；

（10）去除甲板体之间的乙板体；去除两块基板；

（11）得到平行光栅；

在上述步骤（2）中，甲板体和乙板体此阿勇不同的材料制成。

在上述的步骤（1）中，制作的基板的结构如图1所示，基板为薄板，形状为矩形，要求该薄板的上下表面光滑，表面粗糙度小于最终产品侧壁要求的表面粗糙度，同时要求用于制作基板的材料硬度比较大，且能够溶于后续湿法刻蚀时的刻蚀溶液，如湿法刻蚀选择的是强酸性溶液，该基板可以选用Al、Zn、Fe、Sn等材料。制作的基板不易发生弯曲；基板作为将要制备光栅结构的基板，其长度L₁和宽度W₁都要大于待制备光栅的长度和宽度，其厚度为h₁。

在上述的步骤（1）中，制作的背板的结构如图8所示，背板的形状为矩形，其宽度为W₀。背板作为用于安装基板的光栅毛坯结构的基板，用于制作背板的材料不溶于后续湿法刻蚀所用的刻蚀溶液，如采用无氧Cu材料制作；背板的宽度W₀要大于或等于成品平行光栅的宽度W，背板的上表面粗糙度符合成品光栅指标要求。在步骤（8）中，两块基板和光栅毛坯结构可以通过焊接工艺或粘接法固定到背板上，这就要求所使用的焊料或粘结剂不溶于后续湿法刻蚀时的刻蚀溶液，如湿法刻蚀选择的是强酸性溶液，可采用银基焊料或铜基焊料等。

在上述步骤（2）中，采用两种不同的材料分别制作甲板体和乙板体，要求采用的材料都具有良好的延展性，可以通过压制、锻造、切削或平磨等技术，制备出厚度均匀一致、表面光滑的甲板体和乙板体，甲板体和乙板体均为形状为矩形的薄板。如图2和图3所示，甲板体的长、宽和厚度分别为L₂、W₂、h₂，乙板体的长、宽和厚度分别为L₂、W₃、h₃。甲板体和乙板体的厚度可以通过压制、切削、打磨等手段来精确控制，其中，甲板体和乙板体的厚度大小决定着最终要制备光栅的周期长度（h2+h3）和凹槽的宽度（h2或h3）。

在步骤（2）中，使用不能与刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉的材料制作甲板体；使用能够与刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉的材料制作乙板体；如选择的刻蚀溶液为强酸性溶液时，甲板体则可采用无氧Cu、Ag、Po、Au等材料制作。乙板体可以选择Al、Fe、Zn等材料制作。

在上述步骤（3）中，把制备出厚度符合指标要求的甲板体放到其中一块基板之上，如图4所示。将另一块基板盖在甲板体上，并在两块基板上施加压力以轻轻挤压该甲板体，使甲板体的表面平整，不会出现褶皱、凸起等现象。而且要将甲板体放到基板的正中心位置处，即要使甲板体的宽边和长边与基板的宽边和长边方向都对称。

在上述步骤（3）中，把制备出厚度符合指标要求的第一块乙板体放到之前处理过的第一块甲板体上，如图5所示。同样，将另一块基板盖在乙板体上，并在两块基板上施加压力以轻轻挤压该乙板体和甲板体，以使乙板体的表面平整，不会出现褶皱、凸起等现象。

在上述步骤（4）中，依次在第一块乙板体上放置第二块甲板体，在第二块甲板体上放置第二块乙板体，与上述步骤（3）相同的，需要使用两块基板轻轻挤压，以使第二块甲板体和第二块乙板体表面平整，不会出现褶皱、凸起等现象。

在上述步骤（5）中，需要重复步骤（4），依次放置一块甲板体和一块乙板体，直至放置第n块甲板体时，停止放置乙板体，乙板体的个数比甲板体少一块，此时得到周期数n的光栅，如图6所示。

因此，在上述步骤（3）、（4）、（5）中，在每放置一块甲板体和一块乙板体后，需使用另一块基板盖在最上层的甲板体或乙板体上，并对两基板施加压力以挤压甲板体和乙板体，使后续甲板体和乙板体表面平整，并确保相邻两板体贴合紧密。

在上述步骤（6）中，甲板体和乙板体堆叠形成夹在两块基板之间的光栅毛坯结构，轻压两块基板，使光栅毛坯结构的各层板体之间紧密贴合。为了确保夹紧可靠，可以使用工具如夹子等夹紧两块基板。

在上述步骤（7）中，对光栅毛坯结构进行初次加工处理，至少对两块基板和光栅毛坯结构的底部端面进行机械加工，使加工后两块基板的底部端面与光栅毛坯结构的底部端面处于同一平面内，且底部端面光滑平整。

要求一：使用机械手段对该光栅毛坯结构该侧端面加工时，保证加工时，采用的手段（如切割、打磨等）不能使整个光栅发生弯曲等结构变形。

要求二：根据最终光栅结构要求，保证加工后底端平面与光栅平面之间的夹角α值（如图7所示）符合实际制作光栅的要求，如光栅平面垂直于底座时，该值为90°，也可使该底部端面与光栅平面成一定倾角。

在上述步骤（8）中，将经步骤（7）处理后的两块基板和光栅毛坯结构固定到背板上，两块基板和光栅毛坯结构的底部端面与背板的上表面贴合，如图8所示。

在上述步骤（9）中，对光栅毛坯结构进行精细加工，要求甲板体和乙板体的高度和宽度的尺寸大小完全符合成品光栅的要求，且需对光栅毛坯结构的上表面和侧表面进行打磨，使表面粗糙度符合成品光栅指标要求，如图9所示。在对光栅毛坯结构进行加工的同时，光栅毛坯结构两侧的基板和底部的背板也同时被加工。

在上述步骤（10）中，经步骤（9）精加工处理后，需采用化学腐蚀的工艺去除甲板体之间的乙板体。把带有基板和背板的光栅毛坯结构放入刻蚀溶液中，经过足够长时间的刻蚀，乙板体由于与溶液发生化学反应而被刻蚀掉，甲板体不溶于刻蚀溶液被完整的保留下来，这样就在背板上初步形成了光栅的结构。

然后还需去除两块基板，基板的去除既可以采用化学腐蚀的工艺，也可以采用机械加工的手段来实现。采用化学腐蚀的工艺时，当基板的材料与乙板体的材料相同时，在去除乙板体时，两块基板会同时被刻蚀掉。当然，也可以选择一种新的刻蚀溶液，使基板与该刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉，并要求该刻蚀溶液不与背板和甲板体发生化学反应。而采用机械手段，可以采用线切割切除两块基板。

在上述步骤（11）中，在去除基板和乙板体后，清洗掉光栅结构表面残留的杂质，最终得到成品平行光栅，如图10。

本发明的制作方法，利用两种（或多种）材料对某种刻蚀溶液的抗刻蚀程度不同，把这两种（或多种）材料通过压制、打磨等简单机械手段制作成甲板体和乙板体，不同材料制成的板体交叉排列，利用乙板体的尺寸来控制制备光栅的周期，宽度、高度等特征参数。然后把这种交叉排列的板体绑定到一个基板上，并通过刻蚀溶液去除乙板体，留下的甲板体就会形成光栅状结构。本发明具有所需设备低廉，工艺简单，制备出光栅尺寸精度高、表面及侧面光洁度好、均匀一致性好、硬度强和侧壁陡等优点。

实施例一

本实施例是利用铜铝薄板来制造绕射辐射器件中双梳形矩形光栅结构。

双梳形光栅结构是绕射辐射器件的一种慢波结构，其光栅结构的周期长度与绕射辐射的频率成反比，表面光洁度也影响绕射辐射的性能，两排光栅的栅片对齐程度影响着电磁波的相互作用，因此制备精密度高、侧壁光滑、两排光栅的栅片完全对齐的双梳形光栅结构是制造这样电真空器件的一个关键。下面简述利用控制不同物质薄板的厚度来制造一个光栅：周期常数为l=0.13mm，光栅沟槽深度h=10mm，沟槽宽度d=0.065mm，周期n=10的双梳形矩形光栅。该双梳形矩形光栅的制作方法的步骤如下：

步骤1、利用两块Al材料薄板作为基板，基板的表面粗糙度小于1.6um，长、宽和厚度分别为20mm、15mm和2mm。为了叙述方便，其中一块基板命名为B₁基板，另一块基板命名为B₂基板。

选择牌号为TU1的一片Cu材料矩形板作为背板。

步骤2、选择牌号为TU1的无氧Cu薄板，通过切削和压制，制作厚度均匀一致、长、宽和厚度分为15mm、12mm和0.065mm的甲板体。

选择牌号为L1的高纯铝薄板，通过机械加工，制作厚度均匀一致、长、宽和厚度分别为15mm、12mm和0.065mm的乙板体。

步骤3、把步骤2制作的一块甲板体放到基板B₁的上表面上的正中心位置处，并且使长宽边分别与B₁基板的长宽边平行，如图11所示；然后把B₂基板放到甲板体的上表面上，使用夹子（或其他工具），用较小的力轻轻挤压一下B₁基板和B₂基板，使夹在其中的甲板体（Cu板体）比较平整，如图12所示；然后移走基板B₂，把一块乙板体（Al板体）放到甲板体（Cu板体）的上表面上，且使其长宽边分别与甲板体的长宽边对齐，如图13所示；最后把B₂基板再放到乙板体的上表面上，使用夹子（或其他工具），用较小的力轻轻挤压一下B₁基板和B₂基板，使夹在其中的乙板体比较平整。

步骤4、移走B₂基板，将第二块甲板体放置在第一块乙板体上，且使该甲板体的长宽边与乙板体的长宽边对齐，与步骤3相同的，同样使用B1基板和B2基板进行挤压，使夹在其中的第二块甲板（Cu板体）体比较平整；移走B2基板，将第二块乙板体（Al板体）放置在第二块甲板体（Cu板体）上，且使该乙板体（Al板体）的长宽边与甲板体（Cu板体）的长宽边对齐，与步骤3相同的，同样使用B₁基板和B₂基板进行挤压，使夹在其中的第二块乙板体（Al板体）比较平整。

步骤5、重复步骤4，依次放置一块甲板体（Cu板体）和乙板体（Al板体），直至放置第26块甲板体（Cu板体）后，停止放置板体，此时交叉分布的甲板体（Cu板体）和乙板体（Al板体）的结构周期等于待制造的成品平行光栅的周期数n=10，如图14所示。

在本步骤5中，在每放置一块甲板体（Cu板体）和一块乙板体（Al板体）后，与步骤3和步骤4相同的，同样要使用B₁基板和B₂配合对两者之间的所有板体进行挤压，使后续增加的甲板体（Cu板体）和乙板体（Al板体）表面平整，并确保相邻两板体贴合紧密。

步骤6、把B₂基板放到最上层的甲板体（Cu板体）的上表面上，用夹子夹住B₁基板和B₂基板，夹在B₁基板和B₂基板之间的板体堆叠形成光栅毛坯结构，B₁基板和B₂基板使夹在其中的光栅毛坯结构保持形状不变，如图15所示。

步骤7、采用线切割手段，对B₁基板、B₂基板和它们之间夹着的光栅毛坯结构其中一个宽边进行加工。加工后，B₁基板、B₂基板和光栅毛坯结构的板体的该端面都在同一平面上，该端面可以作为与背板固定的端面，为了保证该端面光滑，可以对其进行打磨处理，使其表面光滑，如图16所示。

步骤8、把步骤7切割后的端面作为焊接面，利用焊料把光栅毛坯结构和B₁基板、B₂基板焊接固定到背板的上表面上，如图17所示；为了使焊料不溶于后续湿法刻蚀的酸溶液，可以采用银基焊料或铜基焊料等。

步骤9、焊接完成后，取下夹子，对光栅毛坯结构进行精密加工，使其尺寸完全符合待制造成品平行光栅的要求。首先，对光栅毛坯结构的宽和高进行切削，使其分别为12mm、10mm。其次，为了获得双梳形光栅结构，再在宽边的中心进行切割，切割出一个宽带为2mm，高度为12mm的矩形，如图18所示。

步骤10、去除光栅毛坯结构中的乙板体（Al板体），使用刻蚀溶液对光栅毛坯结构进行刻蚀。因为该光栅毛坯结构中的B₁基板、B₂基板和乙板体（Al板体）易与酸发生反应而溶于酸性溶液，而甲板体（Cu板体）和背板不易溶于酸性溶液，故可选浓HCl作为刻蚀溶液。把该光栅毛坯结构连同三块基板一起放入浓HCl溶液中，经过足够长时间的刻蚀，B₁基板、B₂基板和乙板体（Al板体）被刻蚀掉。而甲板体（Cu板体）和背板被保留下来，初步形成了待制备的双梳形矩形光栅结构，如图19和图20所示。

步骤11、利用超声清洗机，依次在去离子水、丙酮溶液、酒精溶液、去离子水中清洗经步骤10处理后的光栅结构10分钟，去掉光栅结构表面残留的离子，并经清洗，最终得到一个周期常数l=0.065mm+0.065mm=0.13mm的成品双梳形矩形光栅结构，该光栅具有比较大的深宽比和比较光滑的侧表面。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种平行光栅的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）制作两块基板和一块背板；

（2）制作甲板体和乙板体；

（9）精加工光栅毛坯结构；

（10）去除甲板体之间的乙板体；去除两块基板；

（11）得到平行光栅；

在步骤（1）中，基板采用能够溶于湿法刻蚀的刻蚀溶液的材料制作，基板的长度和宽度都要大于待制备光栅的长度和宽度，背板采用不溶于湿法刻蚀的刻蚀溶液的材料制作；在上述步骤（2）中，甲板体和乙板体采用不同的材料制成，甲板体采用不溶于湿法刻蚀的刻蚀溶液的材料制作，乙板体采用能够溶于湿法刻蚀的刻蚀溶液的材料制作；

在所述步骤（9）中，对光栅毛坯结构的精加工是对其尺寸、上表面及侧面的加工；

在所述步骤（10）中，将光栅毛坯结构连同两块基板和背板一起放入刻蚀溶液中，使乙板体与刻蚀溶液发生反应，直至被刻蚀掉；基板的去除是通过刻蚀溶液与基板发生反应而刻蚀掉或通过机械加工去除。

2.根据权利要求1所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，使用能够与刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉的材料制作乙板体。

3.根据权利要求1所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，使用能够与刻蚀溶液发生反应而被刻蚀掉的材料制作基板。

4.根据权利要求3所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：在所述步骤（10）中，将光栅毛坯结构连同两块基板和背板一起放入刻蚀溶液中，使背板与刻蚀溶液发生反应，直至被刻蚀掉。

5.根据权利要求2或3所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：在所述步骤（8）中，所述两块基板和光栅毛坯结构为焊接或粘接在所述背板上。

6.根据权利要求3所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：在所述步骤（3）、（4）、（5）中，在每放置一块甲板体和一块乙板体后，需使用另一块基板盖在最上层的甲板体或乙板体上，并对两基板施加压力以挤压甲板体和乙板体，使甲板体和乙板体表面平整并紧密接触。

7.根据权利要求6所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：所述基板和乙板体采用Al、Fe或Zn材料制作，所述背板和甲板体采用无氧Cu、Ag、Po或Au材料制作。

8.根据权利要求7所述的平行光栅的制作方法，其特征在于：所述基板、背板、甲板体和乙板体均为矩形，在所述步骤（3）中，将甲板体放置在基板的中心位置，乙板体与甲板体对齐放置。