CN106990461B - 一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法

技术领域

本申请涉及半导体技术、光学技术领域，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。

背景技术

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技术领域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便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

针对目前光栅的制造制造现状，本发明提出了一种基于MEMS技术的直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法，利用单晶硅的晶体结构特征，利用MEMS各向异性湿法腐蚀工艺，特别是硅(110)晶面的自停止湿法腐蚀工艺，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，成为一种有前景的阶梯光栅制造技术。利用本申请的方法，可以用于制造三个品种的阶梯光栅，即阶梯光栅、中阶梯光栅和闪耀光栅。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，用于在基片上制造具有直角顶角硅阶梯光栅，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，以形成周期性、具有数十至数万个所述直角顶角刻槽的硅阶梯光栅。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，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。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述刻槽的截面是直角三角形。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光学薄膜层为金属膜、光介质反射膜或光学增透膜。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述湿法腐蚀所使用的腐蚀液是TMAH与IPA的混合溶液。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：在形成所述蚀刻掩模之前，在所述基片表面形成晶向定位标记图形，其中，所述蚀刻掩模的开口是以所述晶向定位标记图形为定位基准而形成的。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：在覆盖所述光反射层之前，对所述直角顶角进行氧化削角处理，以尽量减少顶角线的宽度，从而进一步提高光栅的衍射效率。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：在覆盖所述光学增透膜层之后，将所述硅基片的另一硅表面与硅直角三棱镜的斜面结合，构成透射式的直角顶角硅阶梯光栅。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种直角顶角硅阶梯光栅，其形成于基片上，该直角顶角硅阶梯光栅包括：

周期性排列的直角三角形刻槽，其形成于基片中，并向所述基片的表面开口，其中，所述基片为单晶硅片，每个所述直角三角形刻槽侧壁为硅(110)晶面；

直角顶角，其形成于相邻的所述直角三角形刻槽之间，并且由相邻的所述侧壁形成；以及

光学薄膜层，其覆盖在所述直角三角形刻槽的所述侧壁表面。

本申请的有益效果在于：根据本申请的方法制造直角顶角硅阶梯光栅，具有光色散能力强、光栅衍射效率高、光偏振衍射特性好、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。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1(a)是透射式的阶梯光栅示意图；

图1(b)是反射式的阶梯光栅示意图；

图2是直角顶角阶梯光栅结构示意图；

图3是该直角顶角中阶梯硅阶梯光栅的制造方法的一个示意图；

图4是硅晶锭的不同切割方式所对应的硅片表面晶面差异的示意图；

图5(a)和图5(b)是阶梯光栅刻槽的直角三角形截面示意图；

图5(c)和图5(d)是阶梯光栅刻槽的立体示意图；

图6是本实施例的硅基片晶向定位标记图形的一个示意图；

图7是在图6的基础上形成的蚀刻掩模的一个示意图；

图8是透射式直角顶角中阶梯光栅的一个组成示意图；

图9的(a)-(f)是实例中直角顶角中阶梯光栅MEMS制造主要工艺流程图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，将基片的形成定位标记图形的一面称为“上表面”，将基片的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反；并且，将与该“上表面”平行的方向称为“横向”，将与该“上表面”垂直的方向称为纵向。在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表基片在制造和使用时的实际方位。

实施例

本申请实施例提供一种直角顶角中阶梯硅阶梯光栅的制造方法，用于在单晶硅基片上制造具有直角顶角的硅阶梯光栅。

图3是该直角顶角硅阶梯光栅的制造方法的一个示意图，如图3所示，该制造方法包括：

S101、在基片的表面形成蚀刻掩模，该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；

S102、对形成有蚀刻掩模的所述基片进行湿法腐蚀，以形成直角三角形刻槽，其中，每个所述直角三角形刻槽的侧壁为硅(110)晶面，并且，在相邻的所述刻槽之间形成有由相邻的所述侧壁形成的直角顶角；以及

S103、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。

根据本实施例，能够采用MEMS技术制造直角顶角硅阶梯光栅，采用MEMS(110)晶面各向异性湿法腐蚀工艺加工出相互垂直的光学微镜面，并能控制直角三角形刻槽的直角边长度之比，周期性的直角三角形刻槽可以构成直角顶角硅阶梯光栅。

在本实施例中，可以控制刻槽的深度，从而制造出阶梯光栅的不同品种，如闪耀光栅、中阶梯光栅和阶梯光栅。在刻槽较浅时，例如刻槽深度为数微米至数十微米时，形成闪耀光栅；在刻槽较深时，例如刻槽深度为数十微米至数百微米时，形成中阶梯光栅；在刻槽更深时，例如刻槽深度数百微米至数千微米时，形成阶梯光栅。对于不同刻槽深度的光栅，其硅基片的厚度根据需要而不同，对于制造闪耀光栅其使用硅基片厚度为通常的厚度，而制造中阶梯光栅使用的硅基片厚度就更厚一些，制造阶梯光栅使用的硅基片厚度可能需要数千微米。

在本实施例中，硅基片的表面可以为(100)晶面，也可以与(100)晶面之间存在不为0的夹角，例如，该夹角可以是大于0度且小于等于30度。

图4是硅晶锭的不同切割方式所对应的硅片表面晶面差异的示意图，如图4所示，沿不同的切割面切割硅晶锭A，所得到的硅片的表面晶面是不一样的，1a、1b、1c、1d表示不同的切割面，其中，沿1a切割，表面晶面为(100)，沿1b、1c、1d切割，表面晶面会偏离(100)晶面，得到特殊晶向的(100)硅片。

在本申请的步骤S101中，可以包括以下步骤：

S201、在该基片的表面形成掩模层，该掩模层例如可以是氧化硅层；

S202、利用光刻掩模，通过光刻工艺，在该掩模层上形成由光刻胶形成的掩模图形，该掩模图形可以具有开口；

S203、利用掩模图形，对掩模层进行蚀刻，以形成具有开口的蚀刻掩模，由此，掩模图形中的开口被转移到蚀刻掩模，其中，对掩模层的蚀刻可以是湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀，湿法刻蚀例如可以采用含氢氟酸的腐蚀液来进行，干法刻蚀例如可以采用RIE来进行。

当然，上述步骤S201-S203仅是举例，本实施例并不限于此，也可以采用其他的方法来实现上述步骤S101，以形成蚀刻掩模。

在本实施例的步骤S102中，进行湿法腐蚀的腐蚀液对硅基片的不同晶面可以具有不同的腐蚀速率，因此，具有较高腐蚀速率的晶面的原子层被迅速消耗，具有较低腐蚀速率的晶面的原子层被消耗得较慢，由此，具有较低腐蚀速率的晶面被留下。

例如，当基片的表面是(100)晶面时，该腐蚀溶液可以对硅的(100)晶面具有较高腐蚀速率，对硅的(110)晶面具有较低的腐蚀速率，经过一定时间的腐蚀后，硅的(110)晶面从蚀刻掩模的开口露出，该(110)晶面与(100)晶面具有45度的夹角，并且，在腐蚀出的刻槽中，方向相对的两个(110)晶面之间夹角为90度，如果腐蚀的时间足够长，方向相对的两个(110)晶面相交，相交处的原子腐蚀速率很低，形成腐蚀自停止，此时，刻槽的截面是直角三角形。

在步骤S102中，当腐蚀到相邻刻槽之间的掩模宽度达到最细时，就可以在相邻刻槽之间形成直角顶角，其中，该掩模宽度的最细值可以是光刻精度的极值，例如1微米-2微米。

图5(a)和图5(b)是刻槽的直角三角形截面示意图，图5(c)和图5(d)是刻槽的立体示意图，分别与图5(a)、图5(b)对应。如图5(a)、5(c)所示，硅基片上表面201为硅(100)晶面，刻槽的侧壁202为硅(110)晶面，侧壁202与上表面201的夹角a1、a2均为45度，每个刻槽中的两个侧壁202的夹角为90度，相邻刻槽中的侧壁202形成直角顶角，因此，图5(a)的结构能形成45度闪耀角直角顶角中阶梯光栅；如图5(b)所示，基片上表面201与硅(100)晶面存在一定夹角，刻槽的侧壁202为硅(110)晶面，侧壁202与上表面201的夹角不为45度，每个刻槽中的两个侧壁202的夹角为90度，相邻刻槽中的侧壁202形成直角顶角，因此，图5(b)的结构能形成非45度的任意闪耀角直角顶角阶梯光栅。

在本实施例中，该湿法腐蚀的腐蚀液例如可以是四甲基氢氧化铵(TMAH)与异丙醇(IPA)的混合溶液，但是，本实施例并不限于此，该腐蚀液也可以是其它的种类。

在本实施例的步骤S103中，可以在刻槽的两侧壁覆盖光学薄膜层，以形成直角顶角的硅阶梯光栅，该光学薄膜层可以是光学反射膜，以形成反射式光栅，该光学反射膜例如可以是金属膜或光介质反射膜等。该光学薄膜层也可以是光学增透膜，以形成透射式光栅。在本实施例中，覆盖光学薄膜层的方法例如可以是蒸发或溅射等。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括步骤S105：

S105、在形成所述蚀刻掩模之前，在所述基片表面形成晶向定位标记图形，其中，所述蚀刻掩模的开口是以所述晶向定位标记图形为定位基准而形成的。

图6是本实施例的晶向定位标记图形的一个示意图，如图6所示，经过步骤S105，可以在基片1的上表面形成晶向定位标记图形300，该晶向定位标记图形300例如可以是以某一中心为圆点的一组射线301，相邻射线301间的夹角相等，并且，根据定位精度需求，可以采用不同的夹角；此外，图6还示出了硅基片的原始切边11，该原始切边在一定的精度范围内指示出了硅基片的(100)晶向。

该晶向定位标记图形300以硅基片的原始切边11为基础，通过光刻机对准光刻、掩模刻蚀而形成，再进行硅湿法腐蚀一定深度而形成，并且可以具有一定的长度。其中，如果射线301偏离硅基片的(100)晶向，其腐蚀侧壁的层错就越多，如果射线301越接近硅基片的(100)晶向，其腐蚀侧壁的层错就越少，俯视侧壁的镜面度就越高，因此，侧壁腐蚀最完整、最光洁的射线301对应着精确的硅基片〈100〉晶向。为了便于观察每个射线301的俯视侧壁的层错数量和镜面度，该一组射线301的腐蚀深度例如可以是几十微米，长度例如可以是几个厘米。

在形成了晶向定位标记图形300的基础上，在实施步骤S101时，将光栅光刻掩模上的对准标记与对应精确的硅基片(100)晶向的射线301在刻机上对准，并进行光刻，以形成阶梯光栅光刻胶掩模图形进而形成蚀刻掩模。

在本实施例中，确定用于标定精确(100)晶向的射线301的方法例如可以是，检测每一个射线301的腐蚀侧壁的层错数量和/或镜面度，将层错数量最少和/或镜面度最高的射线301作为用于标定精确(100)晶向的射线。

图7是经过步骤S105和S101后，在图6的基础上形成的蚀刻掩模示意图，如图7所示，经过步骤S105和S101后，在基片上形成蚀刻掩模，该蚀刻掩模中可以具有开口401，并且，在基片1上还可以显示出晶向定位标记图形300，其中，图7的定位标记300与图6的定位标记图形300的具体形状有所不同，但这只是示意，二者的具体形状实际相同。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括步骤S104：

S104、在覆盖所述光学薄膜层之前(在S103之前)，对所述直角顶角进行氧化削角处理，削角就是减小光栅掩模图形下硅表面平台部分的宽度。

在本实施例的步骤S104，例如可以对基片进行氧化，以在基片表面形成氧化层，然后去除该氧化层，由于氧化会消耗基片表面的硅原子，因此，经过步骤S104，达到对直角顶角进行削角的目的，能进一步提高阶梯光栅的衍射效率，光栅刻槽密度越高，其提高的效果越显著。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括步骤S106：

S106、在覆盖所述光学增透层之后(步骤S103之后)，将所述硅基片的另一表面与硅直角三棱镜的斜面胶合，以形成硅沉浸式阶梯光栅，其具有更高的光色散能力，主要应用于红外光谱色散。

图8是沉浸式阶梯光栅的一个组成示意图，如图8所示，该沉浸式阶梯光栅可以是完成步骤S103之后所得到的直角顶角硅阶梯光栅800、蒸镀增透膜后与硅直角三棱镜801的斜面之间通过键合或胶接等工艺装配而成，该硅直角三棱镜801的与空气接触的平面上蒸镀有光学增透膜。关于硅直角三棱镜801的制作过程，可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

根据本申请的直角顶角硅阶梯光栅的制造方法，能够依据单晶硅晶体晶向特征，采用MEMS技术中的(110)晶面各向异性湿法腐蚀工艺制造出直角顶角硅阶梯光栅；能够根据所要制造的直角顶角硅阶梯光栅的直角三角形刻槽的直角边的比例，计算所需的特殊晶向单晶硅的晶向，依据单晶硅晶体结构特征，切割获得特殊要求的切割晶面硅圆片；采用添加一定比例有机溶剂的硅腐蚀液对晶向(100)的硅片进行腐蚀；先在硅圆片边缘局部范围内进行硅湿法腐蚀，腐蚀深度可以小于30μm，实现硅晶圆片的高精度(例如，0.01度)硅晶向定位，为在硅片上制作直角顶角硅阶梯光栅奠定基础；依据单晶硅的晶向特征，采用精确晶向定位的方法实现特殊晶向单晶硅的(110)晶面的湿法腐蚀；腐蚀形成具有直角夹角V形硅槽，槽侧壁构成直角顶角硅阶梯光栅的光工作微镜面，在腐蚀中，当掩模宽度腐蚀至最细时，能够得到直角顶角，从而形成所需的光栅三维结构；根据需要，可以加入氧化削角工艺，以进一步提高光栅衍射效率；蒸镀Au或Al金属膜，或光介质高反射膜，构成反射式硅阶梯光栅；蒸镀光学增透膜，构成透射式硅阶梯光栅；直角顶角光栅的划片，得到单个的MEMS直角顶角阶梯光栅；划片后的透射式中阶梯硅阶梯光栅在底面胶合硅三棱镜，构成沉浸式硅阶梯光栅；

在本实施例中，采用MEMS技术，高光学质量、批量化、低成本实现光学直角顶角阶梯光栅的制造，替代传统光学机械刻划加工、模压复制。本发明的工艺能够制造出(100)晶体硅上的(110)晶面微镜，能够形成严格垂直的直角顶角阶梯光栅结构，而且可以硅片的特殊晶向来调控阶梯光栅的闪耀角，能够制造出毫米级至厘米级厚度、大尺寸的MEMS直角顶角阶梯光栅，具有工艺简单、批量制造、价格低廉的优势。

由MEMS技术实现的光学直角顶角阶梯光栅将应用于光谱仪、天文探测、光学通信、光信息处理等仪器设备中。采用MEMS技术可以批量制作阶梯光栅，充分利用单晶硅的晶向特征，可以实现直角顶角阶梯光栅微闪耀面的精确制造，彻底解决采用金刚石刻刀对基片进行物理刻划带来的误差，保证了直角顶角阶梯光栅的光色散特性和高衍射效率。

采用MEMS技术制造的直角顶角中阶梯光栅，能够很容易地与MEMS驱动器集成制造，形成具有特殊功能的MEMS器件，使其极大地扩展了应用领域。

下面，结合实例，说明本实施例的光学直角顶角硅阶梯光栅的制造方法。

图9的(a)-(f)是本实例的各步骤所对应的基片1的截面示意图。图9的(a)-(f)仅表示出单个芯片示意图，但是，实际过程为圆片级制造过程。

如图9所示，该实例的各步骤包括：

步骤1、如图9(a)所示，准备一片普通的(100)单晶硅基片1，厚度420μm，其表面为(100)晶面，并将(100)单晶硅基片1表面氧化，以形成2μm厚的氧化硅掩模层101；

步骤2、如图9(b)所示，在正面光刻并采用RIE刻蚀工艺制作出定位标记氧化硅掩模102；

步骤3、如图9(c)所示，采用硅湿法腐蚀工艺对硅片腐蚀，腐蚀液采用KOH溶液，温度50℃，制作出用于晶向定位的定位标记图形300，该晶向定位标记图形可以是三维结构，关于晶向该定位标记图形的说明，可以参考图6；

步骤4、从晶向定位标记图形中确定出能够精确标定(100)硅切边的射线，对准该射线进行光栅掩模图形的对准光刻，图形转移制作出光刻胶掩模图形，并采用RIE刻蚀工艺对氧化硅掩模层101进行刻蚀，以形成蚀刻掩模103，蚀刻掩模103如图9(d)所示；

步骤5、如图9(e)所示，采用体积比为6：1的TMAH(质量百分比为25％)与IPA(质量百分比为17％)的混合腐蚀液对已经制作好蚀刻掩模的基片1进行腐蚀，温度75℃，在腐蚀过程中对混合溶液进行持续搅拌,搅拌速率不低于900转/min，在腐蚀一定深度后最终形成所要求的(110)晶面V形直角刻槽，该刻槽的两个侧壁202夹角为90度，并且，相邻刻槽之间形成直角顶角，当掩模腐蚀至最细时蚀刻结束，可以去除蚀刻掩模；此外，还可以根据根据所形成的直角顶角的尖角情况，进行氧化削尖处理，进一步调高光栅的衍射效率；

步骤6、如图9(f)所示，在刻槽侧壁202上蒸镀Ti/Au,厚度

作为微反射镜的光学反射膜500；

步骤7、对基片1进行划片，形成直角顶角阶梯光栅芯片。

此外，在变形例中，可以选用表面不为(100)晶面的基片1，例如，基片1是以30度斜切(100)硅晶锭的工艺制备的特殊晶向(100)硅片，由此，能够形成闪耀角为60°的直角顶角阶梯光栅。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (7)

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，所述湿法腐蚀所使用的腐蚀液是TMAH与IPA的混合溶液；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，

所述方法还包括：

在形成所述蚀刻掩模之前，通过对所述基片的表面进行湿法腐蚀而在所述基片的表面形成晶向定位标记图形，该晶向定位标记图形是以某一中心为圆点的一组射线，且相邻射线间的夹角相等；以及

检测侧壁的层错数量最少和/或镜面度最高的射线，使用该射线标定所述基片的表面的<100>晶向，

其中，所述蚀刻掩模的开口是以所述射线标定的<100>晶向为定位基准而形成的，

所述方法还包括：

在覆盖所述光学薄膜层之前，对所述直角顶角进行氧化削角处理。

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，所述方法还包括：

在覆盖所述光学增透膜层之后，将所述基片的另一硅表面与硅直角三棱镜的斜面结合。

6.一种采用权利要求1-5中的任一项的制造方法制造的直角顶角硅阶梯光栅，其形成于硅基片上，其特征在于，该直角顶角硅阶梯光栅包括：

周期性排列的刻槽，其形成于硅基片中，并向所述基片的表面开口，其中，所述硅基片为单晶硅片，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；

直角顶角，其形成于相邻的所述刻槽之间，并且由相邻的所述侧壁形成；以及

光学薄膜层，其至少覆盖在所述刻槽的所述侧壁表面。

7.如权利要求6所述的直角顶角硅阶梯光栅，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。

Images