CN109387892B - 微反射镜的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微反射镜的制造方法，制造方法包括步骤：提供一(100)晶面的硅衬底；在硅衬底的顶面和底面分别生长一介质层；对硅衬底顶面的介质层进行刻蚀，以在硅衬底的顶面形成第一掩模图案，第一掩模图案包括多个第一掩模，每个第一掩模与硅衬底的[110]晶向的夹角为45°；对形成有第一掩膜图案的硅衬底进行湿法腐蚀，以在硅衬底的表面形成多个45°的V型槽或梯形槽；利用等离子体刻蚀技术对形成有多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行干法刻蚀，以获得微反射镜样材；对微反射镜样材进行划片切割，以获得多个45°的微反射镜。本发明提供的微反射镜的制造方法，能够提高了反射效率、简化工艺以及降低成本。

Description

微反射镜的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种微反射镜的制造方法。
背景技术
在硅基体微加工中，许多器件需要通过硅刻蚀来实现MEMS结构。目前，硅各向异性刻蚀包括干法刻蚀和湿法刻蚀，干法刻蚀通常广泛用于深宽比较大的器件制作中，但是对于某些需要释放或悬空的结构，干法刻蚀仅能从一面刻蚀，而且价格比较昂贵，会对器件造成一定的损伤。相比之下，低成本且操作简单的硅各向异性湿法腐蚀更适合。硅各向异性湿法腐蚀可以在改变腐蚀液的情况下，得到各种形状的MEMS结构，另外还有精确的结构释放。硅的各向异性湿法腐蚀可以仅在某一参数发生很小变动的情况下得到完全不同的结果。硅的各向异性湿法腐蚀是硅片微机械加工的重要技术之一，它被广泛地应用于在硅衬底上加工各种各样的微结构，如膜结构、凹槽结构、悬臂梁等，近年来也被用于很多光学结构的制造。
随着光学系统向小结构体积方向发展，光学系统中的器件微型化成为光学器件的一个重要研究课题。在半导体激光器的封装结构中，通常用到微反射镜结构，它的作用是改变半导体激光器的光路从而缩小封装尺寸。
在硅的各向异性湿法腐蚀技术中，较常用的制作硅基微反射镜的方法是利用硅在KOH或四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液中(100)晶面和(111)晶面的腐蚀速率差异得到54.7°的角度，也有通过带一定偏角的硅片使(100)晶面和(111)晶面呈一定角度，但是以上两种方法制作的得到的硅基微反射镜不能形成光纤的90°反射，反射效率较低，不用于半导体激光器的封装。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种微反射镜的制造方法，能够实现光路90°反射、提高反射效率、简化工艺以及降低成本。
本发明提出的具体技术方案为：提供一种微反射镜的制造方法，所述制造方法包括步骤：
提供一(100)晶面的硅衬底；
在所述硅衬底的顶面和底面分别生长一介质层；
对所述硅衬底顶面的介质层进行刻蚀，以在所述硅衬底的顶面形成第一掩模图案，所述第一掩模图案包括多个第一掩模，每个所述第一掩模与所述硅衬底的[110]晶向的夹角为45°；
对形成有所述第一掩模图案的硅衬底进行湿法腐蚀，以在所述硅衬底的表面形成多个45°的V型槽或梯形槽；
利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行干法刻蚀，以获得微反射镜样材；
对所述微反射镜样材进行划片切割，以获得多个45°的微反射镜。
进一步地，所述多个第一掩模沿直线等间隔设置，相邻两个所述第一掩模之间的间隔为200～500微米；和/或所述第一掩模为长方体，所述第一掩模的宽度为50～200微米。
进一步地，利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行干法刻蚀之后，所述制造方法还包括：
在干法刻蚀后的硅衬底的表面沉积一反射膜，以获得所述微反射镜样材。
进一步地，在所述硅衬底的顶面和底面分别生长一介质层步骤之前，所述方法还包括步骤：
以掩模板为掩模对所述硅衬底的顶面进行刻蚀，以形成标记图案，所述标记图案包括多个标记；
根据所述标记图案确定所述硅衬底的[110]晶向。
进一步地，所述掩模板包括两个掩模阵列，所述两个掩模阵列的几何中心之间的连线与所述硅衬底的切边平行，每个所述掩模阵列包括位于同一个圆上且等间隔设置的多个第二掩模，每个所述掩模阵列中的多个第二掩模关于所述两个掩模阵列的几何中心之间的连线对称。
进一步地，每个所述掩模阵列中第二掩模的个数为5～20，每个所述掩模阵列中相邻两个所述第二掩模之间的角度为0.1°～0.5°。
进一步地，所述第二掩模为正方体或长方体。
进一步地，根据所述标记图案确定所述硅衬底的[110]晶向步骤具体包括：
从所述标记图案中找出与所述第二掩模的形状匹配的两个所述标记，则两个所述标记的几何中心之间的连线为所述硅衬底的[110]晶向。
进一步地，对形成有所述第一掩模图案的硅衬底进行湿法腐蚀步骤中所采用的溶液为硅的各向异性腐蚀液和非离子表面活性剂溶液的混合液；和/或所述硅的各向异性腐蚀液是掺杂的TMAH溶液，掺杂剂为硅酸或过硫酸铵，TMAH溶液的浓度为10％～25％，所述非离子表面活性剂溶液为异丙醇溶液与聚乙二醇辛基苯基醚溶液的混合液或者异丙醇溶液与NCW系列的混合液。
进一步地，所述V型槽或梯形槽的深度为100～500微米，和/或所述V型槽或梯形槽的宽度为100～200微米。
本发明提供的微反射镜的制造方法，能够在硅衬底的表面形成多个45°的V型槽或梯形槽；利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行干法刻蚀，对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行划片切割，实现微反射镜的批量生产，且获得的微反射镜能够实现光路90°反射，提高了反射效率、简化了工艺以及降低了成本。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1a～1g为微反射镜的制造方法的流程图；
图2为掩模图案的示意图；
图3为掩模板的示意图；
图4为根据标记图案确定硅衬底的[110]晶向示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
实施例1
参照图1a～1g，本实施例提供的微反射镜的制造方法，所述制造方法包括步骤：
S1、提供一(100)晶面的硅衬底1。
其中，硅衬底1的掺杂类型为n型或p型，硅衬底1的尺寸可以根据实际需要来决定，通常根据腐蚀槽及腐蚀花篮的尺寸来决定，本实施例中硅衬底1的尺寸可以为2～8英寸。
S2、在硅衬底1的顶面和底面分别生长一介质层2。
在步骤S2中，介质层2可以是氧化硅或者氮化硅，也可以是氧化硅和氮化硅的复合膜，由于氮化硅在硅湿法腐蚀溶液中的腐蚀速率更低，因此，介质层2优选的为氮化硅。介质层2的生长方式可以采用本领域所熟知的生长工艺，例如，等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、电感耦合等离子体化学气相沉积法((Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer Chemical VaporDeposition，ICPCVD)、低压化学汽相淀积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或者热氧化等生长工艺。介质层2的厚度可以根据腐蚀深度来确定，本实施例中，介质层2的厚度为50～2000nm。
S3、对硅衬底1顶面的介质层2进行刻蚀，以在硅衬底1的顶面形成第一掩模图案3，第一掩模图案3包括多个第一掩模31，每个第一掩模31与硅衬底1的[110]晶向的夹角为45°。
参照图2，多个第一掩模31沿直线等间隔设置，相邻两个第一掩模31之间的间隔为200～500微米。第一掩模31为长方体，第一掩模31的宽度为50～200微米。
S4、对形成有第一掩模图案3的硅衬底1进行湿法腐蚀，以在硅衬底1的表面形成多个45°的V型槽41或梯形槽，本实施例中以V型槽41为例，其中，梯形槽可以通过控制腐蚀反应时间来获得，这里不再赘述。
具体地，步骤S4具体包括：
S41、配置腐蚀液，其中，腐蚀所采用的溶液为硅的各向异性腐蚀液和非离子表面活性剂溶液的混合液，硅的各向异性腐蚀液是掺杂的TMAH溶液，TMAH溶液的浓度为10％～25％，掺杂剂为硅酸或过硫酸铵。例如，在TMAH溶液的体积为300毫升的情况下，掺杂剂硅酸的体积为0.1～10毫升，过硫酸铵的质量为0.1g～10g。
非离子表面活性剂溶液为异丙醇溶液与Triton-x-100溶液的混合液或者异丙醇溶液与NCW系列的混合液。其中，NCW系列为高纯度的半导体行业用清洗剂，其包括NCW-1001、NCW-1002、NCW-1003和NCW-1004。例如，TMAH溶液的体积为300毫升的情况下，异丙醇溶液的体积可以为10～150毫升，Triton-x-100溶液的体积可以为0.1～10毫升。
S42、将形成有第一掩模图案3的硅衬底1放入步骤S41中的腐蚀液中水浴加热，水浴温度控制在70℃～90℃，经过一定时间的腐蚀后在硅衬底1的表面形成多个45°的V型槽41。
本实施例中V型槽41的深度为100～500微米，V型槽41的宽度为100～200微米。其中，在腐蚀反应过程中需要进行磁力搅拌或者超声，防止反应时气泡附着在腐蚀面上导致其粗糙度变大。腐蚀时间由微反射镜尺寸大小来决定。
S43、用等离子水对步骤S42中的硅衬底1进行清洗。
S5、利用等离子体刻蚀技术对形成有多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1进行干法刻蚀，以获得微反射镜样材。
其中，反应气体包括Ar和CF4/O2混合气，Ar的流量可为50～200sccm，CF4/O2混合气的流量可为1～10sccm；腔体压力可为100～1000mTorr。通过步骤S5可以对45°的V型槽的表面进行充分的干法物理化学研磨，进一步消除湿法腐蚀引入的表面缺陷，提高45°的V型槽的表面光滑度，提升反射效率。
为了提升45°的V型槽的表面的反射率，步骤S5还包括：利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1进行干法刻蚀之后，在干法刻蚀后的硅衬底1的表面沉积一反射膜6，以获得所述微反射镜样材。
具体地，沉积工艺可以为磁控溅射工艺和等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)。以磁控溅射工艺为例，利用磁控溅射设备在形成有多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1的表面镀上一层Al或Au，Al或Au的厚度可以为50～500nm，然后，再用PECVD设备在Al或Au上生长一层SiO2,SiO2的厚度可为100～1000nm。通过制备这两层膜可以进一步填补缺陷并形成双层增反膜，大幅提高了反射率。当然，反射膜6的材料还可以选自其他具有高反射率的材料，这里仅仅作为示例给出，不做限定。
S6、对微反射镜样材进行减薄并划片切割，以获得多个45°的微反射镜5。
其中，从微反射镜样材的顶面进行划片，从相邻两个V型槽41的中间以及沿与硅衬底1的[110]晶向垂直的方向从每个V型槽的中间划片切割，从而获得多个微反射镜5，实现批量生产，如图1g所示。
当然，在其他实施方式中，也可以从其他地方进行划片，以获得不同形状或不同尺寸的微反射镜5，例如，三棱柱。
通过本实施例微反射镜的制造方法，能够在硅衬底1的表面形成多个45°的V型槽41；对形成有多个45°的V型槽41的硅衬底1进行划片切割，最终获得微反射镜5的单元阵列，实现批量生产，且获得的微反射镜能够实现光路90°反射，提高了反射效率、简化了工艺以及降低了成本。此外，本实施例中利用等离子体刻蚀技术对形成有多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1进行干法刻蚀以及在干法刻蚀后的硅衬底1的表面沉积一反射膜6，进一步提高了反射率。
实施2
本实施例是对实施例1的改进，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例在对硅衬底1进行刻蚀之前先确定硅衬底1的[110]晶向。
下面对本实施例进行具体描述，本实施例提供的微反射镜的制造方法包括步骤：
S1、提供一(100)晶面的硅衬底1。
其中，硅衬底1的掺杂类型为n型或p型，硅衬底1的尺寸可以根据实际需要来决定，通常根据腐蚀槽及腐蚀花篮的尺寸来决定，本实施例中硅衬底1的尺寸可以为2～8英寸。
S2、参照图3、图4，以掩模板为掩模对硅衬底1的顶面进行刻蚀，以形成标记图案，标记图案包括多个标记62，其中，步骤S2中的刻蚀为湿法刻蚀。
掩模板包括两个掩模阵列6，两个掩模阵列6的几何中心之间的连线与硅衬底1的切边11平行，其中，硅衬底1的切边为初始的[110]晶向。每个掩模阵列6包括位于同一个圆上且等间隔设置的多个第二掩模61，第二掩模61为正方体或长方体，优选的，每个掩模阵列6中的多个第二掩模61关于两个掩模阵列6的几何中心之间的连线对称，这样可以分别对[110]晶向的正偏差或者负偏差进行校正，其中，正偏差表示的是[110]晶向位于初始的[110]晶向的逆时针旋转的方向上，负偏差表示的是[110]晶向位于初始的[110]晶向的顺时针旋转的方向上。
每个掩模阵列6中第二掩模61的个数为5～20，每个掩模阵列中相邻两个第二掩模61之间的角度为0.1°～0.5°。本实施例中，每个掩模阵列6中第二掩模61的个数为5，第二掩模61的形状为长方体，相邻两个第二掩模61之间的角度为0.5°。
S3、根据标记图案确定硅衬底的[110]晶向。
如图4所示，由于硅的各向异性，在刻蚀过程中，硅衬底1腐蚀后不同的晶面所呈现出来的形状和平整度不同，其中，沿[110]晶向刻蚀速率最快，其呈现出来的形状也是最规整的。在步骤S3中，从标记图案中找出与第二掩模61的形状匹配的两个标记62即找出两个形状最规整、最接近长方体，则两个标记62的几何中心之间的连线即为硅衬底1的[110]晶向。
本实施例中掩模板6还可以包括更多个掩模阵列6，通过这些掩模阵列6可以确定硅衬底1的多个[110]晶向，从而可以在硅衬底1的不同的方位来制备得到V型槽41或梯形槽。
S4、在硅衬底1的顶面和底面分别生长一介质层2。
在步骤S4中，介质层2可以是氧化硅或者氮化硅，也可以是氧化硅和氮化硅的复合膜，由于氮化硅在硅湿法腐蚀溶液中的腐蚀速率更低，因此，介质层2优选的为氮化硅。介质层2的生长方式可以采用本领域所熟知的生长工艺，例如，等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、电感耦合等离子体化学气相沉积法((Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer Chemical VaporDeposition，ICPCVD)、低压化学汽相淀积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或者热氧化等生长工艺。介质层2的厚度可以根据腐蚀深度来确定，本实施例中，介质层2的厚度为50～2000nm。
S5、对硅衬底1顶面的介质层2进行刻蚀，以在硅衬底1的顶面形成第一掩模图案3，第一掩模图案3包括多个第一掩模31，每个第一掩模31与硅衬底1的[110]晶向的夹角为45°，这里，硅衬底1的[110]晶向即为步骤S3确定的硅衬底1的[110]晶向。
如图2所示，多个第一掩模31沿直线等间隔设置，相邻两个第一掩模31之间的间隔为200～500微米。第一掩模31为长方体，第一掩模31的宽度为50～200微米。
S6、对形成有第一掩模图案3的硅衬底1进行湿法腐蚀，以在硅衬底1的表面形成多个45°的V型槽41或梯形槽，本实施例中以V型槽41为例，其中，梯形槽可以通过控制腐蚀反应时间来获得，这里不再赘述。
具体地，步骤S6具体包括：
S61、配置腐蚀液，其中，腐蚀所采用的溶液为硅的各向异性腐蚀液和非离子表面活性剂溶液的混合液，硅的各向异性腐蚀液是掺杂的TMAH溶液，TMAH溶液的浓度为10％～25％，掺杂剂为硅酸或过硫酸铵。例如，在TMAH溶液的体积为300毫升的情况下，掺杂剂硅酸的体积为0.1～10毫升，过硫酸铵的质量为0.1g～10g。
非离子表面活性剂溶液为异丙醇溶液与Triton-x-100溶液的混合液或者异丙醇溶液与NCW系列的混合液。其中，NCW系列为高纯度的半导体行业用清洗剂，其包括NCW-1001、NCW-1002、NCW-1003和NCW-1004。例如，TMAH溶液的体积为300毫升的情况下，异丙醇溶液的体积可以为10～150毫升，Triton-x-100溶液的体积可以为0.1～10毫升。
S62、将形成有第一掩模图案3的硅衬底1放入步骤S61中的腐蚀液中水浴加热，水浴温度控制在70℃～90℃，经过一定时间的腐蚀后在硅衬底1的表面形成多个45°的V型槽41。
本实施例中V型槽41的深度为100～500微米，V型槽41的宽度为100～200微米。其中，在腐蚀反应过程中需要进行磁力搅拌或者超声，防止反应时气泡附着在腐蚀面上导致其粗糙度变大。腐蚀时间由微反射镜尺寸大小来决定。
S63、用等离子水对步骤S62中的硅衬底1进行清洗。
S7、利用等离子体刻蚀技术对形成有多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1进行干法刻蚀，以获得微反射镜样材。
其中，反应气体包括Ar和CF4/O2混合气，Ar的流量可为50～200sccm，CF4/O2混合气的流量可为1～10sccm；腔体压力可为100～1000mTorr。通过步骤S5可以对45°的V型槽的表面进行充分的干法物理化学研磨，进一步消除湿法腐蚀引入的表面缺陷，提高45°的V型槽的表面光滑度，提升反射效率。
为了提升45°的V型槽的表面的反射率，步骤S5还包括：利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1进行干法刻蚀之后，在干法刻蚀后的硅衬底1的表面沉积一反射膜6，以获得所述微反射镜样材。
具体地，沉积工艺可以为磁控溅射工艺和等离子体增强化学气相沉积法(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)。以磁控溅射工艺为例，利用磁控溅射设备在形成有多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底1的表面镀上一层Al或Au，Al或Au的厚度可以为50～500nm，然后，再用PECVD设备在Al或Au上生长一层SiO2,SiO2的厚度可为100～1000nm。通过制备这两层膜可以进一步填补缺陷并形成双层增反膜，大幅提高了反射率。当然，反射膜6的材料还可以选自其他具有高反射率的材料，这里仅仅作为示例给出，不做限定。
S8、对微反射镜样材进行减薄并划片切割，以获得多个45°的微反射镜5。
其中，从微反射镜样材的顶面进行划片，从相邻两个V型槽41的中间以及沿与硅衬底1的[110]晶向垂直的方向从每个V型槽的中间划片切割，从而获得多个微反射镜5，实现批量生产，如图1g所示。
当然，在其他实施方式中，也可以从其他地方进行划片，以获得不同形状或不同尺寸的微反射镜5，例如，三棱柱。
本实施例在对硅衬底1进行湿法腐蚀形成V型槽41之前先确定硅衬底1的[110]晶向，然后再在硅衬底1的表面形成多个45°的V型槽41；对形成有多个45°的V型槽41的硅衬底1进行划片切割，最终获得微反射镜5的单元阵列，实现批量生产，本实施例中获得的微反射镜能够实现光路90°反射，其表面平整度更高，能够进一步的提高反射效率。
需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种微反射镜的制造方法，其特征在于，包括步骤：
提供一(100)晶面的硅衬底；
以掩模板为掩模对所述硅衬底的顶面进行刻蚀，以形成标记图案，所述标记图案包括多个标记；所述掩模板包括两个掩模阵列，所述两个掩模阵列的几何中心之间的连线与所述硅衬底的初始的[110]晶向平行，每个所述掩模阵列包括等间隔设置的多个第二掩模，所述多个第二掩模的几何中心位于同一个圆上，每个所述掩模阵列中的多个第二掩模关于所述两个掩模阵列的几何中心之间的连线对称；
从所述标记图案中找出与所述第二掩模的形状相似度最高的两个所述标记，则两个所述标记的几何中心之间的连线为所述硅衬底的[110]晶向；
在所述硅衬底的顶面和底面分别生长一介质层；
对所述硅衬底顶面的介质层进行刻蚀，以在所述硅衬底的顶面形成第一掩模图案，所述第一掩模图案包括多个第一掩模，每个所述第一掩模与所述硅衬底的[110]晶向的夹角为45°；
对形成有所述第一掩模图案的硅衬底进行湿法腐蚀，以在所述硅衬底的表面形成多个45°的V型槽或梯形槽；
利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行干法刻蚀，以获得微反射镜样材；
对所述微反射镜样材进行划片切割，以获得多个45°的微反射镜；
对形成有所述第一掩模图案的硅衬底进行湿法腐蚀步骤中所采用的溶液为硅的各向异性腐蚀液和非离子表面活性剂溶液的混合液；所述硅的各向异性腐蚀液是掺杂的四甲基氢氧化铵溶液，掺杂剂为硅酸或过硫酸铵，四甲基氢氧化铵溶液的浓度为10％～25％，所述非离子表面活性剂溶液为异丙醇溶液与聚乙二醇辛基苯基醚溶液的混合液或者异丙醇溶液与NCW系列的混合液，其中，所述NCW系列选自NCW-1001、NCW-1002、NCW-1003、NCW-1004中的一种。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述多个第一掩模沿直线等间隔设置，相邻两个所述第一掩模之间的间隔为200～500微米；和/或所述第一掩模为长方体，所述第一掩模的宽度为50～200微米。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，利用等离子体刻蚀技术对形成有所述多个45°的V型槽或梯形槽的硅衬底进行干法刻蚀之后，所述制造方法还包括：
在干法刻蚀后的硅衬底的表面沉积一反射膜，以获得所述微反射镜样材。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，每个所述掩模阵列中第二掩模的个数为5～20，每个所述掩模阵列中相邻两个所述第二掩模之间的角度为0.1°～0.5°。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第二掩模为正方体或长方体。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述V型槽或梯形槽的深度为100～500微米，和/或所述V型槽或梯形槽的宽度为100～200微米。
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