CN106415222B - 光谱仪、光谱仪的波导片的制造方法及其结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种光谱仪、光谱仪的波导片的制造方法及其结构。在制造方法中，利用微机电制造程序使硅晶圆形成至少一个波导片(1)，波导片(1)具有至少一定位侧边(12)以及至少一杂光散逸侧边(13)。光谱仪组件(31)可精确定位于定位侧边(12)，减少光谱仪组件间于抵靠波导片时存在的错位现象，且杂光经由杂光散逸侧边(13)而离开，减少噪音误差，可提升光谱仪的感度和解析度。

Description

光谱仪、光谱仪的波导片的制造方法及其结构

【技术领域】

本发明关于一种光谱仪(Spectrometer)构成，尤指包含一种经由微机电制造程序所产生具有精密接触定位面的波导片(Waveguide)，此波导片得以令与之接触的光谱仪组件能被准确定位。

【先前技术】

按，光谱仪是一种应用光学原理将复杂的光解析为光谱的仪器，其主要用来量测样品的吸收、穿透或反射，由于光谱分析的特点包括非破坏性、具化学鉴别力、具波长变通性、灵敏度高及分析速度快，因此使得光谱仪广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等领域，更是军事侦察、宇宙探索、资源和水文勘测等所倚重的方法技术与仪器设备。

现有光谱仪经微型化后，以中华民国新型专利M370071为例，其所揭示的微光谱仪的构件组成如图1所示，微光谱仪90内具有空间91以设置上下成对的反射片作为波导片，此成对波导片之间具有间隙通道供光线行进。微光谱仪90亦包含了多个光谱仪组件，例如入射狭缝装置92、微型光栅93与线型侦测器94。当入射光从入射狭缝装置92进入，接着会于波导片之间的间隙通道前进，并接续投射于微型光栅93进行分光，而分出来各波长的光再投射于线型侦测器94。最后，线型侦测器94可经由光电转换而使接收到的光谱线转换为电流，再经外部元件分析而获得相应光谱线强度的信息。

在前述的微型光谱仪当中，各个光谱仪组件在组装上需要通过定位而确保仪器成品的精确性；然而现有的微型光谱仪并没有特别设置定位处，而是通过机械加工成型的壳体让光谱仪组件承靠，此些经线切割程序而形成的承靠处并没有精确定位的能力，导致组装后的微光谱仪缺乏精确性。

进一步而言，现有的微光谱仪是使用线切割程序加工铝片而形成承靠处，但此种承靠处会因线切割过程中的电火花烧灼而具有毛边、不平整等特征，精确定位的能力很有限。且由于线切割加工方式及后续的抛光作业等的机械加工精度约为20～30um，会累积复合公差，导致狭缝件、光栅等光谱仪组件的设置有错位现象，严重影响光投射的准确度与接收精确度，进而导致光谱仪所分析、量测的光信号产生精确度的问题。

再者，现有微光谱仪当中的波导片于线切割时需冷却伴随切割液，使得波导片表面被污染，需后续进行清洗工序，将增加制程工序及制造成本，显不符制造经济效益；又于线切割加工后的抛光作业，将使得波导片容易产生导角，亦影响了组装的精确性，不利于微光谱仪使用时的光投射传递与处理运作。因此，如何解决现有光谱仪组件，特别是波导片于制造与安装使用精确度的缺失，应为业界或有智的士应努力解决、克服的重要课题。

缘此，本发明人有鉴于现有光谱仪相关组件其制造与精密组配使用的缺失问题及其定位结构设计上未臻理想的事实，本案发明人即着手研发其解决方案，希望能开发出一种更具定位精密性、光精准传输性符合制造经济效率的光谱仪与其波导片的制造方法及其结构，以促进此业的发展，遂经多时的构思而有本发明的产生。

【发明内容】

本发明的主要目的在提供一种光谱仪的波导片的制造方法，其经由微机电制造程序，能使所生产的波导片具有精密的接触定位面供光谱仪组件抵靠，能降低错位现象，确保光信号传输的品质及路径的精准性、稳定性，进而达到光谱仪极佳的分析、量测效果者。

本发明的另一目的在提供一种光谱仪的波导片的制造方法，其能使波导片的制造具有加工时间短的效率性，且能消除其制造的形状限制，能积极配合光谱仪的光路设计而精确定位光谱仪组件。

本发明的再一目的在提供一种光谱仪的波导片的结构，其配合光谱仪的光路设计，可使非主要光路上的杂光从杂光输出口离开，降低其在光谱仪的两片波导片间持续行进的可能，藉此减少光谱仪的噪音误差。

本发明的更一目的在提供一种光谱仪，其在结构组成上包含前述具有精密的接触定位面的波导片，使其所具有的光谱仪组件被准确定位，并且得以让杂光逸散，整体改善光谱仪的感度和解析度。

为了达到上述的目的，本发明揭示了一种光谱仪、光谱仪的波导片的制造方法及其结构，其在制造波导片的方法上，包含步骤：设定一微机电制程图案，该微机电制程图案包括该光谱仪的一第一波导片图案；以及依据该微机电制程图案进行一微机电制造程序以产生至少一波导片，其中上述波导片具有由该微机电制造程序所形成的至少一定位侧边与至少一杂光散逸侧边，上述定位侧边用以供该光谱仪的一光谱仪组件抵靠而使该光谱仪组件定位于上述定位侧边，上述杂光散逸侧边用以作为一杂光输出口的一侧。通过上述的制造方法，即可获得具有高度定位精密性的波导片，得用于搭配光谱仪组件而组装高品质的光谱仪，突破困扰相关业者的技术瓶颈。

【图式简单说明】

图1为先前技术的微光谱仪内部结构部分示意图；

图2为本发明的一实施例所制造的波导片于应用时的结构示意图；

图3A为本发明的一实施例中，波导片依据光路设计而包含主要光路区以及非主要光路区的示意图；

图3B为本发明的一实施例所组装的光谱仪剖视结构示意图；

图3C为本发明的另一实施例所使用刀切制作波导片的杂光散逸侧边的结构示意图；

图3D为本发明的再一实施例制作非直线的定位侧边以及杂光散逸侧边的结构示意图；

图4为本发明的第一方法实施例的步骤流程图；

图5A～5H为本发明第一方法实施例中，基板的结构变化流程图；

图6A～6C为本发明一实施例中，使用硅晶圆为基板的示意图；

图7为本发明第二方法实施例的步骤流程图；

图8为本发明第二方法实施例使用硅晶圆为基板的区域划分示意图；

图9为本发明第二方法实施例所制造的波导片结构示意图；

图10为本发明一实施例中，制作非等向性蚀刻斜面的结构示意图；以及

图11为本发明一实施例中，光谱仪的上、下两片波导片的组合示意图。

【实施方式】

为使本发明的特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明，说明如后：

请参阅图2，其为本发明一较佳实施例所制造的波导片的结构示意图；如图所示，波导片1在结构上包含了第一表面11，与第一表面11相连接的边缘为第一定位侧边12以及第一杂光散逸侧边13；其中的第一定位侧边12是由微机电制造程序所形成，因此第一定位侧边12的表面具有微机电制造程序所产生的第一表面特征，为一种微机电制造程序特征，使第一定位侧边12可用以供光谱仪的第一光谱仪组件31抵靠，而使第一光谱仪组件31定位于第一定位侧边12。

第一杂光散逸侧边13亦是由微机电制造程序所形成，因此第一杂光散逸侧边13的表面具有微机电制造程序所产生的第二表面特征，同样为一种微机电制造程序特征，此第一杂光散逸侧边13是用以作为光谱仪的第一杂光输出口14的一侧。上述第一定位侧边12与第一杂光散逸侧边13可选择通过同一道的微机电制造程序制作，使第一表面特征与第二表面特征具有相同的微机电制造程序特征。例如利用非等向性蚀刻同时形成第一定位侧边12与第一杂光散逸侧边13，如此就可使第一表面特征与第二表面特征具有相同的微机电制造程序特征。在其他实施例中，上述第一定位侧边12与第一杂光散逸侧边13也可选择通过不同的微机电制造程序制作，使第一表面特征与第二表面特征不相同，两者具有不同的微机电制造程序特征。例如利用非等向性蚀刻制作第一定位侧边12，以及利用电铸制作第一杂光散逸侧边13，如此就可使第一表面特征与第二表面特征不相同；或者是在两者都使用非等向性蚀刻，而其中的第一定位侧边12使用反应式离子蚀刻，第一杂光散逸侧边13则使用电子束蚀刻，使第一表面特征与第二表面特征不相同。换言之，在本发明的实施例中，定位侧边以及杂光散逸侧边可同时或分别由电子束蚀刻程序、离子蚀刻程序、反应式离子蚀刻程序、深反应式离子蚀刻程序、湿蚀刻程序、光刻程序、电铸程序、纳米压印程序或掀离程序所形成。

此较佳实施例中，波导片1是配合了光谱仪的光路设计而具有特定的外观样式；请辅以参考图3A，此波导片1的第一表面11依据光路设计而包含一主要光路区域41(网点表示的区域)以及非主要光路区域42(非网点表示的区域)，其中的主要光路区域41是光谱仪所预设要利用的有效光L2的行径路线，必须让光线L1在经由作为狭缝件的第二光谱仪组件32或类似的光源组件进入光谱仪内后，精确地投射于作为光栅的第一光谱仪组件31以及作为光感测器的第三光谱仪组件33上；换言之，主要光路区域41是由光谱仪的多个光谱仪组件所定义。举例来说，光线自第二光谱仪组件32进入后，其可投射于第一光谱仪组件31的最大范围，以及第三光谱仪组件33接收第一光谱仪组件31所分光的光线的最大范围。光谱仪组件是于此主要光路区域41的范围内进行有效光信号的传输。而行经非主要光路区域42的光线则是不需利用的杂光，其可能是来自于光谱仪组件缺陷所产生的散射光，或者是非光谱仪组件产生的反射光，其可能在经过反射后仍被第三光谱仪组件33所接收，为造成光谱仪误差的杂光，因此有必要通过杂光输出口的设计而让杂光能在被第三光谱仪组件33接收前离开。故如图3A所示，在本实施例中，波导片1的各边都是采用微机电制造程序所形成。微机电制造程序所采用的图形，例如曝光显影图案，就可以决定波导片1的几何形状。需一提的是，本实施例中波导片1中没有用来定位光谱仪组件的侧边都可以作为杂光散逸侧边而具有杂光削除的效果，例如杂光散逸侧边20。再从另一角度来看，第一杂光散逸侧边13是位于非主要光路区域42，此第一杂光散逸侧边13的任一区段都可让杂光离开而具有杂光削除的效果。而若进一步通过微机电制造程序制作此第一杂光散逸侧边13，可使第一杂光散逸侧边13的一端精确地接触主要光路区域41与非主要光路区域42之间的边界，藉此而尽可能地在让行经非主要光路区域42的杂光能够经由第一杂光输出口14离开，在不影响有效光L1的传输之下，进一步地提升杂光散逸的效率。

图3A亦揭示了杂光散逸侧边交角C的设计，此杂光散逸侧边交角C为两个第一杂光散逸侧边13相交而形成，且杂光散逸侧边交角C是相邻于波导片1依据光路设计而包含的主要光路区域41的边缘。于此，基于第一杂光散逸侧边13是由微机电制造程序所形成，因此可确保杂光散逸侧边交角C的位置的精确性，通过其准确相邻于主要光路区域41的边缘，得以让杂光尽可能地由第一杂光输出口14离开。

请辅以参考图3B，其为包含图2中的剖面线AB的切面结构，以及搭配另一波导片组装的示意图；如图所示，此实施例中的光谱仪包含了作为另一波导片的第一波导片1’以及图2中经剖面线AB切过的第二波导片1，两个波导片中间具有一间隙通道23。在此结构中，光谱仪中的光线可在间隙通道23反复反射并行进，并让不同的光谱仪组件能够通过光谱仪上、下波导片之间的间隙通道23达成光学耦接，其反射的机制是通过第一波导片1’以及第二波导片1当中，分别位于其第一表面11的反射层110而达成。承前所述，光谱仪当中所需排除的杂光于本实施例中，可在经由位于非主要光路区域42的第一杂光输出口14离开。第一杂光散逸侧边13即是位于非主要光路区域42，用以作为第一杂光输出口14的一侧。第一杂光输出口14可通过在波导片的一侧制作第一杂光散逸侧边13而形成，也可通过在单一波导片当中镂空设置开口而形成，本发明并不特别限定其样式。另外，本发明不限制仅于其中一个波导片设置第一杂光输出口14，第一波导片1’以及第二波导片1都可通过微机电制造程序制作第一杂光散逸侧边13而使两者都具有第一杂光输出口14。

另外，在单一波导片的结构中，以图3B中的第二波导片1为例，其更包含一第二表面15，其连接第一定位侧边12与第一杂光散逸侧边13，位于第一表面11的对向侧，此第二表面15具有一研磨程序所产生的研磨制程特征，并不具有反射层的结构。此第二表面并不需要用于反射光线，因此不需作抛光处理。

本发明于一较佳实施例所制造的波导片并不限制只制作单一一个定位侧边，而是依光谱仪所使用的光谱仪组件数量而制作相对应的定位侧边，以降低复合公差，这些光谱仪组件可为光感测器、光栅、狭缝件、滤光片、光挡片、反射镜、聚焦镜或准平面镜等。如图2所示，单一光谱仪组件可抵靠的定位侧边可不只一个，例如此较佳实施例中的第一光谱仪组件31是同时抵靠于第一定位侧边12以及第二定位侧边16。第二定位侧边16连接第一表面11，且也是由微机电制造程序所形成，具有微机电制造程序的第一表面特征。藉由第一定位侧边12以及第二定位侧边16同时供第一光谱仪组件31定位，可使第一光谱仪组件31于X轴及Y轴方向上都获致精确定位的效果。

更进一步而言，此较佳实施例更包含了用以抵靠第二光谱仪组件32和第三光谱仪组件33的第三定位侧边17a、17b，此些第三定位侧边17a、17b连接第一表面11，也都是由微机电制造程序所形成，具有微机电制造程序的第一表面特征，可以让光谱仪当中的多个光谱仪组件皆有精确定位面可抵靠，以降低复合公差。第一定位侧边12、第二定位侧边16以及第三定位侧边17a、17b若是于微机电制造程序中的不同道制程所分别制作完成，各个定位侧边也能提供光谱仪组件精确抵靠的能力；而若是在同一道制程中制作完成，则兼具有制作快速且更为精准的优点，例如，在同一道制程中各边的相对精准度较高，不会衍生不同道制程的对位误差。

杂光散逸侧边的数量可如同定位侧边而不仅只有一个，其可于波导片的不同位置，使用相同或不相同的微机电制造程序形成多个杂光散逸侧边，进而形成多个杂光输出口。此所谓相同或不相同的微机电制造程序，是指可利用不同类型的微机电制造程序制作不同的杂光散逸侧边，并且不限定是在同一道制程中完成所有的杂光散逸侧边的制作；换言之，只要是杂光散逸侧边有利用微机电制造程序参与制作，都可对光谱仪的杂光散逸效率有所改善。例如图2所示的较佳实施例即是具有第一杂光散逸侧边13以外的第二杂光散逸侧边18a，此第二杂光散逸侧边18a连接第一表面11，并可具有不同于形成第一杂光散逸侧边13的微机电制造程序所产生的第二表面特征，第二杂光散逸侧边18a用以作为光谱仪的第二杂光输出口19a的一侧。

请参考图3C，其为具有第三杂光散逸侧边18b的另一较佳实施例的结构示意图，此第三杂光散逸侧边18b连接第一表面11，其并非由是由微机电制造程序所产生，而是通过刀切程序所形成，此第三杂光散逸侧边18b具有刀切程序所产生的第三表面特征，第三杂光散逸侧边18b用以作为光谱仪的第三杂光输出口19b的一侧。

请参考图3D，其为本发明再一较佳实施例的结构示意图，其揭示了波导片的定位侧边以及杂光散逸侧边为并不局限为一直线，两者也可分别通过微机电制造程序形成为一非直线图形。如图所示，第一定位侧边12为圆弧型，可在作为光栅的第一光谱仪组件31为罗兰圆(Rowland circle)时，让第一光谱仪组件31在得以较方便地抵靠于波导片1的第一定位侧边12；第二光谱仪组件32和第三光谱仪组件33也可分别定位于圆弧型的第三定位侧边17a、17b。另外，波导片1的第一杂光散逸侧边13和第二杂光散逸侧边18a也可为非直线图形，不同于前述较佳实施例的直线样式。在图3D中，光谱仪组件31～33可由微机电制程制作而具有罗兰圆轮廓特征。

本发明的实施例于光谱仪的波导片的制造方法，其于步骤上可先设定一微机电制程图案，此微机电制程图案包括光谱仪的一第一波导片图案，其可依照所要制作的光谱仪系统而作相对应的设计，且图案当中可包含单一或多数个波导片。接着，再依据上述微机电制程图案进行微机电制造程序以产生至少一波导片，其中上述波导片具有由微机电制造程序所形成的至少一定位侧边与至少一杂光散逸侧边，此微机电制造程序不限定为何种类型或是制程方法，也不限定同时或是分别形成定位侧边与杂光散逸侧边。上述定位侧边用以供该光谱仪的光谱仪组件抵靠而使其定位于上述定位侧边，上述杂光散逸侧边则是用以作为杂光输出口的一侧。

本发明的实施例当中所运用的微机电制造程序包含了非等向性蚀刻、电铸、纳米压印或掀离(lift-off)等技术手段，但并不限于此，只要是让微机电制程材料得以形成微米级、或更精细的立体结构的微机电制造程序皆可。其中，电铸是通过离子沉积的极细微的单元特性而复制母模的形状，而建构出精确立体结构；纳米压印则是将母模或图样压入一种保形材料中，这种材料将按照范本的图形产生变形，再经过紫外曝光或者热处理的方法就可以使其成形，不只可以复制X轴、Y轴方向的图形，还可以在Z轴方向上压出台阶和轮廓线的结构，使精确立体结构成形；而掀离则是在已具有图案化光阻的表面上上蒸镀金属，再将光阻去除，使光阻上的金属脱离，留下具有特定图案的金属，具有精密的立体结构。而在非等向性蚀刻的处理上，则可通过反应式离子蚀刻、离子蚀刻、深反应式离子蚀刻、电子束蚀刻、光刻或非等向性湿蚀刻等方法程序，形成定位侧边以及杂光散逸侧边，但并不限定于上述所列举的几个非等向性蚀刻程序。以下系以非等向性蚀刻程序为操作上的实施例，经此非等向性蚀刻程序所制作的定位侧边以及杂光散逸侧边具有非等向性蚀刻特征，并且具有良好的精度等级，优于使用刀具或线切割的机械加工精度水准，可达到3um以下，让光谱仪当中的各式光谱仪组件运作效果能如预期发挥，完成正确的分析、量测结果。

请参阅图4至图5H，其为光谱仪的波导片在制造方法的第一实施例，其制造方法包括：

(1)步骤S10：形成一遮罩层于一基板的一顶面上方，再图案化该遮罩层；基板为一硅晶圆(或如蓝宝石基板等已经过抛光处理的基板)，用以待制成波导片成品，或是光谱仪内需提供精确定位功能的元件，于此以波导片为例。由于硅晶圆已具有良好的抛光品质，因此将的制作为波导片后不需要再进一步为抛光作业，得以减少加工工序并降低于结构上产生导角的可能性。如图5A所示，基板60具有相对的一顶面601及背面602，顶面601上先设有遮罩层603，其可为光阻层、硬遮罩或光罩，在利用蚀刻机台所设定包括有第一波导片图案的微机电制程图案而将遮罩层603图案化处理后，图案化的遮罩层603可暴露出顶面601的一待加工区域604。

(2)步骤S11：非等向性蚀刻基板，使顶面形成至少一非等向性蚀刻沟槽；如图5C所示，于基板60进行非等向性蚀刻加工，基板60会由待加工区域604向下形成一非等向性蚀刻沟槽605，以及位于非等向性蚀刻沟槽605两侧边的非等向性蚀刻面606；换言之，对基板60的非等向性蚀刻加工并未穿透基板60，而是使基板60仍具有一用以连结的背面层607，而非等向性蚀刻面606则待作为接触光谱仪组件的定位侧边或杂光散逸侧边。

(3)步骤S12：去除基板顶面上的遮罩层；即于非等向性蚀刻沟槽605、非等向性蚀刻面606加工完成后，再将顶面601上的遮罩层603予以去除，例如使用丙酮等剂料清洗光阻剂。

(4)步骤S13：进行一镀膜程序，形成一镀膜层于顶面上方；即于基板60已去除遮罩层603的顶面601上设置一镀膜层61，镀膜层61可以蒸镀方式形成于基板60上，此为选择基板60的顶面601作为波导片成品的第一表面，使其具有反射功能。如图5D所示，镀膜层61进一步包括有一附着层611、反射层612及保护层613。其中附着层611设于基板60的顶面601上，其可为一钛(Ti)层；反射层612设于附着层(钛层)611上，其可为一铝(A1)层，且其即为前述发挥波导片反射光线功能的反射层110；保护层613设于反射层(铝层)612上，其可为一氟化镁(MgF2)层，保护层(氟化镁层)613作为一抗氧化层。保护层613也可使用二氧化硅制作。

(5)步骤S14：进行一贴膜程序，贴附一贴膜于镀膜层上方；如图5E所示，基板60的顶面601上经形成镀膜层61后，贴设有一贴膜62，也就是在作为波导片成品的第一表面上贴附暂时连接用的切割胶带。此步骤是考量到后续的步骤会使基板60分离为多个波导片成品，因此为了避免散落而先行贴膜作暂时连接，利于批量制造。选择贴膜于镀膜层上则是考量到另一面要进行研磨。

(6)步骤S15：进行一研磨程序，研磨基板的一背面层；即将基板60的背面层607予以磨除，使非等向性蚀刻沟槽605的一沟槽底面608消失，也就是针对作为波导片成品的第一表面的对向面进行研磨，使此第二表面具有研磨特征，相异于第一表面具有反射层的结构。且此第二表面并不需要反射光线，因此不需要做精细的抛光处理，只要粗略地研磨而使背面层607消失，使波导片成品得以分离即可。如图5F所示，经前述多道加工工序处理后的基板在其背面层被研磨后，原将快速分开成多数个波导片成品63，但由于波导片成品63之间已以贴膜62予以连结，因此尚不至于研磨背面层的工序中散开，便于整理波导片成品63。

图5G为波导片成品63于移除贴膜后的单体结构示意图，其具有非等向性蚀刻特征的非等向性蚀刻面606可作为定位侧边或杂光散逸侧边，例如在依据最初所设定的微机电制程图案并经上述步骤加工后，可将基板制成如图5H所示的波导片成品63，其定位侧边606a用以供光谱仪的光谱仪组件抵靠而使光谱仪组件定位于上述定位侧边606a，并让杂光散逸侧边606b用以作为杂光输出口的一侧。

请参考图6A，于设定微机电制程图案的步骤中，如前一较实施例所述，微机电制程图案包括光谱仪的第一波导片图案64，不过参考图6B，其可更包括第二波导片图案65，此第二波导片图案65与第一波导片图案64共用至少一边界，可藉此缩小蚀刻面积，并且能利用同一片以硅晶圆为材料的基板60制造更多片的波导片，同时也可以使开口率下降，提高蚀刻品质。图6C则是揭示微机电制程图案可更包括第三波导片图案66，此第三波导片图案66不同于第一波导片图案64，而得以在光谱仪中的上、下波导片是不同图案时，仍可以一次生产上、下波导片。

请参阅图7至图9，其为光谱仪的波导片在制造方法的第二实施例，其制造方法包括：

(1)步骤S20：形成一遮罩层于一基板的一顶面上方，再图案化该遮罩层；如图8所示，基板70为一硅晶圆(或如蓝宝石基板等已经过抛光处理的基板)，用以待制成波导片成品，或是光谱仪内需提供精确定位功能的元件，于此以波导片为例。基板70具有多数个待加工区域701，而任一待加工区域701的X轴方向及Y轴方向的周边上具有切割预线702而为多个区块；且待加工区域701上设有一经图案化处理的遮罩层(其可为光阻层、硬遮罩或光罩)，如同前一实施例，在利用蚀刻机台所设定包括有第一波导片图案的微机电制程图案而将遮罩层图案化处理后，可使待加工区域701具有局部加工图案703、704、705、706。其中的局部加工图案703、704、705分别邻接至少一切割预线702，而作为形成杂光输出口之用的局部加工图案706则不一定需邻接切割预线702。图8是以其中一个待加工区域701为举例示意。

(2)步骤S21：非等向性蚀刻基板，使顶面形成至少一非等向性蚀刻沟槽；即于局部加工图案703、704、705、706进行非等向性蚀刻加工，使基板70同时由局部加工图案703、704、705、706等四处向下形成一对应的非等向性蚀刻沟槽，可搭配前一实施例的步骤S15而通过研磨基板70的背面层而让非等向性蚀刻沟槽消失，或者是于本步骤中直接经由非等向性蚀刻而贯穿基板70，形成贯穿槽孔，这些贯穿槽孔的内侧面即为非等向性蚀刻面，此些非等向性蚀刻面可作为接触光谱仪组件而作精确定位的表面，或是作为杂光散逸侧边。此时基板70的多数待加工区域701之间是藉由相邻但尚未进行切割的切割预线702而维持连结。

(3)步骤S22：去除基板顶面上的遮罩层；即若于局部加工图案703、704、705、706以外的区域有残留的遮罩层，则会先将之去除。

(4)步骤S23：进行一镀膜程序，形成一镀膜层于顶面上方；即于基板70已去除遮罩层的顶面上设置一镀膜层，此镀膜层可以蒸镀方式设于基板70上，此为选择基板70的顶面作为波导片成品的第一表面，使其具有反射功能，而此镀膜层的结构组成可同前图5D所示的镀膜层61，但并不限定于此，只要是能具备反射能力的合适材料或结构皆可。

(5)步骤S24：进行一贴膜程序，贴附一贴膜于基板的一背面；即于该基板70的背面上贴设置贴膜，此贴膜作为暂时连结作用，同图5E所示的贴膜62，但贴附的位置可在考量到避免污染反射层而相异于前一实施例，改贴附于基板70的背面，也就是在作为波导片成品的第二表面上贴附暂时连接用的切割胶带；第一表面与第二表面分别位于波导片成品的对向面。不过，若待加工区域701的图案分布能让波导片成品于后述刀切程序中并不会任意散开，则可省略此贴膜程序。

(6)步骤S25：进行一刀切程序，切割基板；即于基板70上，针对各个切割预线702使用刀具或切割线进行机械切割加工。经机械切割加工，各个待加工区域701可完成分离并形成多数个如图9所示的波导片成品71，且波导片成品71相对于切割加工处形成一切割面707。此些经切割加工而形成的切割面707并不平整，并不适用于作为光谱仪组件进行接触定位的标的，但仍可作为杂光散逸侧边。另外，这些经刀切程序形成而不能作为定位侧边的其他侧边，并不与经非等向性蚀刻程序形成而作为定位侧边的非等向性蚀刻面在同一直线上。本实施例所生产的波导片成品71经过非等向性蚀刻程序加工而形成具有精度等级在3um以下的非等向性蚀刻面708，此非等向性蚀刻面708可作为发挥波导片成品71精确定位光谱仪组件的区位，而在原局部加工图案706所形成的开孔则可作为杂光输出口710，其内侧边即为杂光散逸侧边709，此为使用单一波导片即完成杂光输出口设置的实施态样。另外，由于波导片成品71之间可予以贴膜连结，因此其并不至于在切割加工工序中散开。最后经撕离贴膜即可完成制作。

上述各实施例中，于对基板进行非等向性蚀刻程序，例如反应离子蚀刻、离子蚀刻、深反应式离子蚀刻(DRIE)、电子束蚀刻、光刻或非等向性湿蚀刻等微机电制造程序处理时，其细部操作处理上各有些许差异。例如采用反应离子蚀刻方法时，其将作为基板的以硅晶圆放置于反应室中，然后导入四氟化碳为蚀刻气体，在施加电压后让蚀刻气体电浆化而形成二氟离子与二氟化碳离子等蚀刻种源，这些蚀刻种源再与基板表面结合而发生反应，产生的四氟化硅、一氧化碳等生成物，可以为气体的形式脱离，达成蚀刻的效果。氩离子束的加入则可大幅提升蚀刻的速率，因为其可打断基板表面的硅原子的化学键结，让四氟化硅更容易产生。更广义而言，本发明亦可使用其他蚀刻气体，通过电浆而让蚀刻气体分解产生自由基，并配合离子束的参与而使基板更快地与自由基反应而形成气态的副产品。

深反应式离子蚀刻是借着高浓度的电浆以及蚀刻-沈积多晶硅保护层的交换步骤，使基板能形成高深宽比的结构。蚀刻-沈积多晶硅保护层是使用六氟化硫及氩气，在-5至-30V的偏压下，使得阳离子产生电浆，并加速使其几近垂直于基板而产生蚀刻的效果。蚀刻短暂的时间后，则开始进行聚合作用。借着使用八氟环丁烷与六氟化硫使得基板外曝的表面全都沈积上一层二氟化碳。在聚合作用后再给予一个偏压，产生离子轰炸以将垂直面的保护层去除，只留下侧壁的保护层。如此重复蚀刻-保护侧壁的循环即可完成对基板的深反应式离子蚀刻。

而在离子蚀刻的方法中，则是将基板单纯受到离子的轰击而以物理性的机制撞击基板表面的材料，使之脱离而达成蚀刻的效果。电子束蚀刻则是使用电子枪产生电子束，而此电子束在原子尺度不会发生绕射现象，可以精密地切割出所需要的精密平整表面，达到非等向性蚀刻的效果。另外，亦可选择使用化学蚀刻液，并且于基板的顶面上在形成遮罩层时，一并考量蚀刻液的等向性蚀刻的性质，而设计补偿图形，以获得雷同于非等向性蚀刻的效果。而光刻则是结合曝光、显影以及蚀刻技术，通过已成熟的尺寸精密度控制及复合照相技术等，于基板上形成精密的蚀刻结构。本发明所采用的微机电制造程序并不局限于上述几种方法。

请参考图10，其进一步揭示通过微机电制造程序制作具有精密接触定位面的光谱仪的波导片时，其在结构上可具有的技术特征。如图所示，基板80在遮罩层81的部分遮蔽下，可经微机电制造程序处理而形成具有斜角的非等向性蚀刻斜面82，如图所示的斜角α大于90°，但不为所限，小于90°亦可。此实施例可搭配抵靠具有斜面形式的光谱仪组件。

通过使用于前述数个实施例揭示的波导片所组装的光谱仪，其得以在使用单一的波导片作为定位光谱仪组件以及设置杂光输出口的样式下，达到整体改善光谱仪的感度和解析度的目的，不过本发明也可让光谱仪的上、下两个波导片都使用微机电制造程序制作，且不限制是于同一制造程序中生产，亦不限制是使用同一材料。请参考图11，其为光谱仪的位于上方的第一波导片1’以及第二波导片1的组合示意图，两者之间具有间隙通道23。此实施例中的第一波导片1’以及第二波导片1可分别定位不同的光谱仪组件；如图所示，第一光谱仪组件31是抵靠于第一波导片1’的第一定位侧边12，而第二光谱仪组件32则是定位于第二波导片1的第三定位侧边17a，两个不同的光谱仪组件可分别被不同的波导片所定位。而在杂光输出的部分，第一波导片1’具有经微机电制造程序所形成的第一杂光散逸侧边13，用以作为杂光输出口14a的一侧，而第二波导片1可以通过其所具有的第二杂光散逸侧边18a作为杂光输出口14a的另一侧，两个波导片共同组成杂光输出口的结构。第二波导片1也可使用习知的机械加工制作，不过此时各个光谱仪组件就需抵靠于第一波导片1’，而非如此实施例让二光谱仪组件32则是定位于第二波导片1。换言之，可仅对单一波导片制作精确的定位侧边，并使所有的光谱仪组件抵靠于此波导片，而另一波导片则仅作为反射光线之用，不为抵靠的用途。

另外，若波导片所定位的光谱仪组件为光档片，其可发挥类似杂光散逸侧边的功能，因为杂光散逸侧边是让杂光有出口离开，而光挡片则是可以将杂光挡住。藉由波导片的定位侧边是经由微机电制制造程序制作，相较于机械加工，精确定位光挡片也得以有效解决杂光的问题。又，针对光谱仪使用环境的温度变化，波导片与其相抵靠的光谱仪组件，例如前述第一波导片1’与第一光谱仪组件31，两者可藉由使用相同材料制作而得以在热胀冷缩发生时，并不会因为元件间的热膨胀系数存在差异而让定位精确性降低。

综上所述，本发明的实施例详细揭示了一种光谱仪、光谱仪的波导片的制造方法及其结构，其利用已经抛光的硅晶圆为基础，结合曝光显影技术，以及微机电制造程序而对硅晶圆作非等向性蚀刻程序处理，使之形成具有精密定位能力的波导片，这种具精密定位能力的波导片不但能让光谱仪组件经组装而产生的错位现象降低，可确保光信号传递的品质及路径的精准性、稳定性，还可通过杂光散逸侧边所构成的杂光输出口让杂光能够有效率地离开光谱仪，进而能发挥光谱仪理应有的极佳的分析、量测效果。在兼顾到光谱仪的品质及其结构在制作上的变化灵活性，总结而言，本发明的实施例无疑提供了充分展现经济及应用价值的一种光谱仪、光谱仪的波导片的制造方法及其结构。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，举凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

【符号说明】

1 波导片、第二波导片

1’ 第一波导片

11 第一表面

110 反射层

12 第一定位侧边

13 第一杂光散逸侧边

14 第一杂光输出口

14a 杂光输出口

15 第二表面

16 第二定位侧边

17a、17b 第三定位侧边

18a 第二杂光散逸侧边

18b 第三杂光散逸侧边

19a 第二杂光输出口

19b 第三杂光输出口

20 杂光散逸侧边

23 间隙通道

31 第一光谱仪组件

32 第二光谱仪组件

33 第三光谱仪组件

41 主要光路区域

42 非主要光路区域

60、70、80 基板

601、801 顶面

602 背面

603、81 遮罩层

604、701 待加工区域

605 非等向性蚀刻沟槽

606、708 非等向性蚀刻面

606a 定位侧边

606b、709 杂光散逸侧边

607 背面层

608 沟槽底面

61 镀膜层

611 附着层

612 反射层

613 保护层

62 贴膜

63、71 波导片成品

64 第一波导片图案

65 第二波导片图案

66 第三波导片图案

702 切割预线

703、704、705、706 局部加工图案

707 切割面

710 杂光输出口

71 波导片

82 非等向性蚀刻斜面

90 微光谱仪

91 空间

92 入射狭缝装置

93 微型光栅

94 线型侦测器

AB 剖面线

C 交角

α 斜角

L1 光线

L2 有效光

S10～S15 步骤

S20～S25 步骤

Claims (28)

1.一种光谱仪的波导片的制造方法，其特征在于，包括：

设定一微机电制程图案，该微机电制程图案包括该光谱仪的一第一波导片图案；以及

依据该微机电制程图案进行一微机电制造程序以产生至少一波导片，其中上述波导片具有由该微机电制造程序所形成的至少一定位侧边与至少一杂光散逸侧边，上述定位侧边用以供该光谱仪的一光谱仪组件抵靠而使该光谱仪组件定位于上述定位侧边，上述杂光散逸侧边用以作为一杂光输出口的一侧。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序包括：

进行一非等向性蚀刻程序，使上述定位侧边或上述杂光散逸侧边具有非等向性蚀刻特征。

3.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，进行该非等向性蚀刻程序包括：

非等向性蚀刻一基板，使该基板的一顶面形成至少一非等向性蚀刻沟槽，该非等向性蚀刻沟槽的侧边形成至少一非等向性蚀刻面，其中该非等向性蚀刻面作为该定位侧边或该杂光散逸侧边。

4.如权利要求2所述的制造方法，其特征在于，进行该非等向性蚀刻程序包括：

进行一电子束蚀刻程序、一离子蚀刻程序、一反应式离子蚀刻程序、一深反应式离子蚀刻程序、一湿蚀刻程序或一光刻程序，使上述定位侧边或上述杂光散逸侧边具有一电子束蚀刻特征、一离子蚀刻特征、一反应式离子蚀刻特征、一深反应式离子蚀刻特征、一湿蚀刻特征或一光刻程序特征。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序包括：

进行一电铸程序、一纳米压印程序或一掀离程序，使上述定位侧边或上述杂光散逸侧边具有一电铸特征、一纳米压印特征或一掀离特征。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该微机电制程图案还包括该光谱仪的一第二波导片图案，该第一波导片图案与该第二波导片图案共用至少一边界。

7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该微机电制程图案还包括一第三波导片图案，该第三波导片图案不同于该第一波导片图案。

8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序包括：

进行一镀膜程序，使上述波导片的一第一表面具有一反射层。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序还包括：

进行一贴膜程序，使上述第一表面贴附有一切割胶带。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序还包括：

进行一研磨程序，使上述波导片的一第二表面具有一研磨特征，其中该第一表面与该第二表面分别位于上述波导片的对向面。

11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序还包括：

进行一刀切程序，切割上述波导片的一其他侧边，上述其他侧边与上述定位侧边不在同一直线上。

12.如权利要求11所述的制造方法，其特征在于，进行该微机电制造程序还包括：

进行一贴膜程序，在进行该刀切程序之前使上述波导片的一第二表面贴附有一切割胶带，其中该第一表面与该第二表面分别位于上述波导片的对向面。

13.一种光谱仪的波导片，其特征在于，包括：

一第一表面，具有一反射层；

一第一定位侧边，连接该第一表面，该第一定位侧边由一微机电制造程序所形成，该第一定位侧边具有该微机电制造程序所产生的一第一表面特征，该第一定位侧边用以供该光谱仪的一第一光谱仪组件抵靠而使该第一光谱仪组件定位于该第一定位侧边；以及

一第一杂光散逸侧边，连接该第一表面，该第一杂光散逸侧边由该微机电制造程序所形成，该第一杂光散逸侧边具有该微机电制造程序所产生的一第二表面特征，该第一杂光散逸侧边用以作为该光谱仪的一第一杂光输出口的一侧；

其中该波导片采用微机电制程材料。

14.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，还包括：

一第二定位侧边，连接该第一表面，该第二定位侧边由该微机电制造程序所形成，该第二定位侧边具有该微机电制造程序的该第一表面特征，其中该第一定位侧边与该第二定位侧边用以供该光谱仪的该第一光谱仪组件抵靠而使该第一光谱仪组件定位于该第一定位侧边与该第二定位侧边。

15.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，还包括：

一第三定位侧边，连接该第一表面，该第三定位侧边由该微机电制造程序所形成，该第三定位侧边具有该微机电制造程序的该第一表面特征，该第三定位侧边用以供该光谱仪的一第二光谱仪组件抵靠而使该第二光谱仪组件定位于该第三定位侧边。

16.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，该第一定位侧边为一直线或一非直线图形。

17.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，还包括：

一第二杂光散逸侧边，连接该第一表面，该第二杂光散逸侧边由该微机电制造程序所形成，该第二杂光散逸侧边具有该微机电制造程序所产生的该第二表面特征，该第二杂光散逸侧边用以作为该光谱仪的一第二杂光输出口的一侧。

18.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，还包括：

一第三杂光散逸侧边，连接该第一表面，该第三杂光散逸侧边由一刀切程序所形成，该第三杂光散逸侧边具有该刀切程序所产生的一第三表面特征，该第三杂光散逸侧边用以作为该光谱仪的一第三杂光输出口的一侧。

19.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，该第一杂光散逸侧边为一直线或一非直线图形。

20.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，该第一表面规画有一主要光路区域与一非主要光路区域，该主要光路区域由该光谱仪的多个光谱仪组件所定义，该些光谱仪组件通过该主要光路区域进行有效光信号的传输，该第一杂光散逸侧边位于该非主要光路区域上，并接触该主要光路区域与该非主要光路区域之间的边界。

21.如权利要求13所述的波导片，其特征在于，还包括：

一第二表面，连接上述第一定位侧边与上述第一杂光散逸侧边，该第二表面位于该第一表面的对向侧，该第二表面具有一研磨程序所产生一研磨特征。

22.一种光谱仪，其特征在于，包括：

一第一波导片，具有包括经一第一微机电制造程序所形成的至少一第一定位侧边以及至少一第一杂光散逸侧边，该第一上述杂光散逸侧边用以作为一杂光输出口的一侧；

一第一光谱仪组件，抵靠于该第一定位侧边；以及

一第二波导片，设置于该第一波导片的下方而与该第一波导片间形成一间隙通道。

23.如权利要求22所述的光谱仪，其特征在于，该第一光谱仪组件为光感测器、光栅、狭缝件、滤光片、光挡片、反射镜、聚焦镜或准平面镜。

24.如权利要求22所述的光谱仪，其特征在于，该第一光谱仪组件与该第一波导片采用相同材料。

25.如权利要求22所述的光谱仪，其特征在于，该第一波导片还包括经该第一微机电制造程序所形成的一第二定位侧边，该第一光谱仪组件抵靠于该第一定位侧边与该第二定位侧边。

26.如权利要求22所述的光谱仪，其特征在于，该第一波导片还包括经该第一微机电制造程序所形成的一第三定位侧边，该光谱仪还包括一第二光谱仪组件，该第二光谱仪组件抵靠于该第三定位侧边。

27.如权利要求22所述的光谱仪，其特征在于，该第二波导片还包括经一第二微机电制造程序所形成的一第三定位侧边与一第二杂光散逸侧边，该光谱仪还包括一第二光谱仪组件，该第二光谱仪组件抵靠于该第三定位侧边，该第二杂光散逸侧边作为该杂光输出口的另一侧。

28.如权利要求22所述的光谱仪，其特征在于，还包括：

一第二光谱仪组件，通过该间隙通道光学耦接该第一光谱仪组件，进而在该第一波导片定义出一主要光路区域与一非主要光路区域，该主要光路区域用来传输有效光信号，该第一杂光散逸侧边位于该非主要光路区域上并接触该主要光路区域与该非主要光路区域之间的边界。