CN110082847A - 一种硅基mems闪耀光栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，属于半导体加工技术领域，基于单晶硅的各向异性湿法腐蚀特性，通过将N型(111)硅片按特定切偏角(即闪耀角)进行切割，采用两次光刻腐蚀的方法，利用硅的慢腐蚀面(111)面相交形成闪耀光栅。采用本发明的方法制备硅基MEMS闪耀光栅，可以有效减小光栅顶部平台，改善闪耀光栅的形貌，提高光栅的衍射效率，实现任意闪耀角闪耀光栅的制备；同时还具有精度高、易集成、成本低、重复性好、适合批量生产等优点，制备得到的硅基MEMS闪耀光栅可广泛应用于各类光谱分析仪器中。
Description
技术领域
本发明属于半导体加工技术领域，具体涉及一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法。
背景技术
衍射光栅是现代光学器件中一种重要的分光元件，它可以使复色光发生空间分离而形成光谱，被广泛应用于光谱分析、天文学、光通信以及原子能等领域。
衍射光栅属于多缝衍射，它的能量主要集中在没有色散的零级，且不能把各种波长分开，而在实际应用中往往需要将光能集中在某一特定级次上，因而出现了闪耀光栅。闪耀光栅的特点是刻槽面与光栅面不平行，两者之间有一定的夹角称之为闪耀角。它可以将单个刻槽面衍射的中央极大和诸刻槽间的干涉零级主极大分开，从而使光能量从干涉零级主极大(即零级光谱)转移到某一级上去，从而实现该级次的闪耀，极大地提高光栅的衍射效率。
目前闪耀光栅的制备方法主要由机械划刻法、全息曝光法、全息离子束刻蚀法以及各向异性湿法腐蚀法。
机械划刻法是用金刚石刻刀在金、铝等基底材料上划刻出光栅，它的图形面可以很大，但刻画时要对每一条栅线条进行对准，效率很低，并且刻划时会产生鬼线，表面粗糙度和面型误差大，衍射效率低。
全息曝光法是指通过全息曝光显影在光刻胶上制备闪耀光栅的方法，包括驻波法和傅里叶合成法。驻波法是将两相干平面波的干涉曝光条纹记录在平面光刻胶上，然后显影得到三角槽形；傅里叶合成法是利用傅里叶级数的分量来合成锯齿槽形。全息曝光法制备的光刻胶闪耀光栅槽形差，闪耀角无法精确控制，因而未能得到广泛应用。
全息离子束刻蚀法是先用全息干涉产生正弦槽形的光刻胶光栅，然后采用离子束以一定角度轰击光栅掩模和基底，利用掩模对离子束的遮挡效果，使基底的不同位置先后被刻蚀，从而在基底材料上得到三角形槽形，具有分辨率高、定向性好等优点。然而，全息离子束刻蚀需要专用的刻蚀设备，且图形质量受全息曝光线条的限制，成本高，槽形难以精确控制。
各向异性湿法腐蚀法主要是针对硅基闪耀光栅的一种加工方法，是指将硅片按特定偏转角度切割，利用硅的各向异性湿法腐蚀特性制备闪耀光栅。该方法具有设备简单、成本低、闪耀角可控、表面粗度低、适合批量生产等特点。然而，由于受光刻最小线宽的限制，使得湿法腐蚀制备的闪耀光栅顶部存在非连续的平台，从而使衍射效率降低。
因此，有必要寻求一种新的闪耀光栅制备工艺，以优化闪耀光栅的槽形，进一步提高闪耀光栅的衍射效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对现有闪耀光栅制备技术中的不足，提供一种硅基闪耀光栅的制备方法，采用硅的各向异性湿法腐蚀技术，利用硅的慢腐蚀面(111面)相交形成闪耀光栅，通过两次光刻腐蚀，实现对光栅形貌的精确控制。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将N(111)硅片按特定切偏角进行切割，形成偏晶向硅衬底，所述切偏角为设计的硅基MEMS闪耀光栅的闪耀角，由光谱范围和闪耀波长确定；
(2)在步骤(1)中所述偏晶向硅衬底上生长薄膜材料，作为腐蚀掩膜层；
(3)在步骤(2)中所述腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1～5μm的光刻胶，于85～115℃下的热板或者烘箱中前烘1～5min以除去所述光刻胶中的溶剂，再经过曝光处理后在85～135℃下将光刻胶进行后烘1～5min，最后经显影、坚膜处理，在腐蚀掩膜层上形成光刻胶光栅层；
(4)以光刻胶光栅层为掩膜，采用缓冲氢氟酸或反应离子刻蚀工艺对掩膜外的腐蚀掩膜层进行刻蚀，然后用丙酮或者氧等离子体除去光刻胶光栅层，再采用标准清洗工艺进行清洗，形成部分裸露的硅衬底；
(5)采用各向异性湿法腐蚀液对裸露的硅衬底进行刻蚀，形成由(111)面组成的硅光栅面A；
(6)用缓冲氢氟酸或反应离子刻蚀工艺去除剩余的腐蚀掩膜层，采用标准工艺进行清洗，得到具有硅光栅面A的偏晶向硅衬底；
(7)再次在步骤(6)中所述具有硅光栅面A的偏晶向硅衬底上生长薄膜材料，形成第二次腐蚀掩膜层；
(8)在步骤(7)中所述第二次腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1～5μm的光刻胶，于85～115℃下的热板或者烘箱中前烘1～5min以除去所述光刻胶中的溶剂，再经过曝光处理后在85～135℃下将光刻胶进行后烘1～5min，最后经显影、坚膜处理形成光刻胶光栅掩膜，所述曝光处理时相对于步骤(3)中形成的光刻胶光栅层平移一个周期；
(9)以步骤(8)中所述光刻胶光栅层为掩膜，对掩膜外的第二次腐蚀掩膜层进行刻蚀，然后用丙酮或者氧等离子体除去光刻胶光栅层，再按标准清洗工艺进行清洗，形成第二次部分裸露的硅衬底；
(10)采用各向异性湿法腐蚀液对步骤(9)中所述裸露的硅衬底进行刻蚀，露出由(111)面形成的硅光栅面B，所述硅光栅面B与所述硅光栅面A相交，形成最终的闪耀光栅；
(11)采用缓冲氢氟酸或反应离子刻蚀工艺去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用磁控溅射或电子束蒸发的方式在光栅面沉积高反射率金属作为反射层，即可形成一种硅基MEMS闪耀光栅。
优选的，步骤(1)中所述硅片为偏晶向N型(111)单晶硅，厚度为300～500μm，所述切偏角为待制备的闪耀光栅的闪耀角。
优选的，所述标准清洗工艺为RCA清洗工艺，即使用SC1清洗液、SC2清洗液或者SPM清洗液进行清洗的工艺。
优选的，步骤(2)和步骤(7)所述薄膜材料为氧化硅或者氮化硅中的任意一种或两种；所述薄膜材料的厚度为50～500nm；所述生长的方法为热氧化、低压化学气相淀积或等离子增强型化学气相淀积法。
优选的，所述曝光的方式为接触式或者步进投影式曝光，曝光的剂量为30～300mJ。
优选的，所述显影、坚膜处理的具体操作步骤如下：首先将经曝光、后烘后的光刻胶经2.38％TMAH显影后形成光刻胶光栅图形；再将所述光刻胶光栅图形在110～150℃的热板上坚膜1～5min进行固化即可形成光刻胶光栅层。
优选的，所述缓冲氢氟酸由氢氟酸、氟化铵和去离子水组成，所述缓冲氢氟酸对氧化硅的的刻蚀速率为30～600nm/min。
优选的，所述反应离子刻蚀采用SF6和O2的混合气体作为刻蚀气体，所述SF6流量为10～50sccm，所述O2的流量为1～20sccm，所述反应离子刻蚀的刻蚀功率为50～200W。
优选的，所述各向异性湿法腐蚀液为质量浓度为10～35％的KOH溶液或者质量浓度为5～25％TMAH溶液，所述腐蚀的温度为50～85℃。
优选的，步骤(11)中所述高反射率金属为铝、金或铂。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用偏晶向硅片的各向异性湿法腐蚀特性，通过两次光刻腐蚀，利用硅的慢腐蚀面(111)面相交形成闪耀光栅，可以有效减小光栅顶部平台，获得理想的闪耀光栅形貌。
2、相比于传统湿法腐蚀工艺制备闪耀光栅，本发明降低了对光栅光刻线宽的要求。以周期为4μm的红外光栅为例，采用本发明所述加工方法，最小线宽为光栅周期4μm；而采用传统湿法腐蚀工艺制备光栅一般希望光栅顶部线条越小越好，前期采用步进投影光刻技术可做到0.35～0.5μm，且对衬底和设备的要求较高。
3、本发明通过对硅片进行任意偏转角度的切割，可实现任意闪耀角闪耀光栅的制作。
总之，采用本发明所述方法，可以有效降低光栅顶部平台，改善闪耀光栅的形貌，提高光栅的衍射效率；同时具有闪耀角可控、精度高、易集成、成本低、重复性好、适合批量生产等优点，可广泛应用于各类光谱分析仪器中。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明闪耀光栅的加工工艺流程；
图2为本发明偏晶向硅片的切割示意图；
图3为本发明闪耀光栅的光刻对准示意图；
图4为传统湿法腐蚀制备闪耀光栅的加工工艺流程。
附图标记：1为偏晶向硅衬底，2为腐蚀掩膜层，3为光刻胶光栅层，4为反射层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施方式中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施方式中的特征可以相互组合。
实施例1
一种闪耀角为8.6°，周期为4μm的近红外硅基MEMS闪耀光栅，制备流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)先将厚度为500μm的N型(111)单晶硅的(111)晶面以<110>晶向为轴朝(110)晶面偏转8.6°进行切割，形成偏晶向硅衬底，如图2所示。
(2)将偏晶向硅衬底采用RCA工艺进行清洗，经1050℃下热氧化，在步骤(1)中形成的偏晶向硅衬底上生长成厚度为200nm的SiO2薄膜，作为腐蚀掩膜层。
(3)在步骤(2)中腐蚀掩膜层上旋涂厚度为2μm的正性光刻胶，于90℃下的热板上前烘3min以除去光刻胶中的溶剂，再以200mJ的曝光剂量对光刻胶进行接触式曝光，随后在95℃下将光刻胶后烘2min，并在2.38％的TMAH显影液中显影形成光刻胶光栅图形；最后在120℃的热板上坚膜5min进行固化即可形成光刻胶光栅层。
(4)以光刻胶光栅层为掩膜，用缓冲氢氟酸溶液(由49％氢氟酸和40％氟化铵溶液按照1:6的体积比组成)以50nm/min的刻蚀速率对掩膜之外的SiO2掩膜层进行刻蚀；然后用丙酮清洗除去光刻胶光栅层，再采用RCA标准工艺进行清洗，形成部分裸露的硅衬底。
(5)采用质量分数为25％的TMAH各向异性湿法腐蚀液对部分裸露的硅衬底在80℃水浴恒温下进行腐蚀，腐蚀时间2min，在硅衬底上形成由(111)面组成的硅光栅面A。
(6)继续采用缓冲氢氟酸去除剩余的腐蚀掩膜层，采用RCA工艺清洗。
(7)采用热氧化法在步骤(6)中清洗后的衬底上生长厚度为200nm的SiO2薄膜材料，形成第二次腐蚀掩膜层。
(8)在步骤(7)中所述腐蚀掩膜层上旋涂厚度为2μm的正性光刻胶，于90℃下的热板上前烘3min以除去所述光刻胶中的溶剂，再以250mJ的曝光剂量对光刻胶进行接触式曝光，随后在95℃下将光刻胶后烘2min，最后经2.38％的TMAH显影后形成光刻胶光栅图形；最后在120℃的热板上坚膜5min进行固化即可形成第二次光刻胶光栅层，本次曝光处理时相对于步骤(3)中的形成光刻胶光栅掩膜平移一个周期，以遮挡步骤(5)中形成的硅光栅面A(如图3所示)。
(9)以步骤(8)中光刻胶光栅层为掩膜，对掩膜外的SiO2掩膜层进行刻蚀，然后用氧等离子清洗工艺除去光刻胶光栅层，再按RCA标准工艺对硅衬底进行清洗，从而形成第二次部分裸露的硅衬底。
(10)采用质量分数为25％的TMAH各向异性湿法腐蚀液对第二次部分裸露的硅衬底进行刻蚀，露出由(111)面形成的硅光栅面B，其中硅光栅面B与步骤(5)中形成的硅光栅面A相交，形成最终闪耀光栅。
(11)采用缓冲氢氟酸溶液去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用磁控溅射技术在在光栅面沉积高反射率金属Al作为反射层，其厚度为100nm，最终形成一种硅基MEMS闪耀光栅。
制备过程中的RCA工艺采用的清洗液为SC1清洗液(氨水：双氧水：去离子水＝1:1:5)、SC2清洗液(盐酸：双氧水：去离子水＝1:1:5)80℃各清洗10min。
实施例2
一种闪耀角为1°，周期为4μm的紫外硅基MEMS闪耀光栅，制备流程包括以下步骤：
(1)先将厚度为400μm的N型(111)单晶硅的(111)晶面以<110>晶向为轴朝(110)晶面偏转1°进行切割，形成偏晶向硅衬底。
(2)将偏晶向硅衬底采用SPM清洗液进行清洗，采用等离子增强型化学气相淀积(PECVD)在步骤(1)中形成的偏晶向硅衬底上生长成厚度为300nm的SiO2薄膜材料，作为腐蚀掩膜层。
(3)在步骤(2)中腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1.5μm的正性光刻胶，于100℃下的热板上前烘1min以除去光刻胶中的溶剂，再以200mJ的曝光剂量对光刻胶进行接触式曝光，随后在95℃下将光刻胶后烘2min，并在2.38％的TMAH显影液中显影形成光刻胶光栅图形；最后在115℃的热板上坚膜3min进行固化即可形成光刻胶光栅层。
(4)以光刻胶光栅层为掩膜，用缓冲氢氟酸溶液(由49％氢氟酸和40％氟化铵溶液按照1:6的体积比组成)以50nm/min的刻蚀速率对掩膜之外的SiO2掩膜层进行刻蚀；然后用丙酮清洗除去光刻胶光栅层，再采用SPM标准工艺进行清洗，形成部分裸露的硅衬底。
(5)采用质量分数为20％的TMAH各向异性湿法腐蚀液对部分裸露的硅衬底在70℃水浴恒温下进行腐蚀，腐蚀时间1min，在硅衬底上形成由(111)面组成的硅光栅面A。
(6)继续采用缓冲氢氟酸去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用SPM工艺清洗。
(7)采用PECVD法在步骤(6)中清洗后的衬底上生长厚度为300nm的SiO2薄膜材料，形成第二次腐蚀掩膜层。
(8)在步骤(7)中所述腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1.5μm的正性光刻胶，于100℃下的热板上前烘1min以除去所述光刻胶中的溶剂，再以200mJ的曝光剂量对光刻胶进行接触式曝光，随后在95℃下将光刻胶后烘3min，最后经2.38％的TMAH显影后形成光刻胶光栅图形；最后在115℃的热板上坚膜3min进行固化即可形成第二次光刻胶光栅层，本次曝光处理时相对于步骤(3)中形成的光刻胶光栅掩膜平移一个周期，以遮挡步骤(5)中形成的硅光栅面A。
(9)以步骤(8)中光刻胶光栅层为掩膜，对掩膜外的SiO2掩膜层进行刻蚀，然后用氧等离子干法去胶工艺除去光刻胶光栅层，再按SPM标准工艺进行清洗，形成第二次部分裸露的硅衬底。
(10)采用质量分数为20％的TMAH各向异性湿法腐蚀液对第二次部分裸露的硅衬底进行刻蚀，露出由(111)面形成的硅光栅面B，其中硅光栅面B与步骤(5)中形成的硅光栅面A相交，形成最终闪耀光栅。
(11)采用缓冲氢氟酸溶液去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用电子束蒸法工艺在光栅面沉积200nm Al作为反射层，最终形成一种紫外硅基MEMS闪耀光栅。
制备过程中的SPM清洗工艺采用的清洗液为浓硫酸与双氧水按3:1的体积比组成，120℃清洗10min。
实施例3
一种闪耀角为35.4°，周期为4μm的中红外硅基MEMS闪耀光栅，制备流程包括以下步骤：
(1)先将厚度为300μm的N型(111)单晶硅的(111)晶面以<110>晶向为轴朝(110)晶面偏转35.4°进行切割，形成偏晶向硅衬底。
(2)将偏晶向硅衬底采用RCA标准工艺进行清洗，采用低压化学气相淀积(LPCVD)法在步骤(1)中形成的偏晶向硅衬底上生长成厚度为200nm的Si3N4薄膜材料，作为腐蚀掩膜层。
(3)在步骤(2)中腐蚀掩膜层上旋涂厚度为3μm的负性光刻胶，于95℃下的热板上前烘3min以除去光刻胶中的溶剂，再以150mJ的曝光剂量对光刻胶进行接触式曝光，随后在130℃下将光刻胶后烘3min，并在2.38％的TMAH显影液中显影形成光刻胶光栅图形；最后在150℃的热板上坚膜5min进行固化即可形成光刻胶光栅层。
(4)以光刻胶光栅层为掩膜，用反应离子刻蚀工艺对掩膜之外的氮化硅层进行刻蚀，刻蚀功率150W，O2流量5sccm，SF6流量30sccm，刻蚀时间2min10s，然后用丙酮清洗除去光刻胶光栅层，再采用RCA标准工艺进行清洗，形成部分裸露的硅衬底。
(5)采用质量分数为34％的KOH各向异性湿法腐蚀液对部分裸露的硅衬底在80℃水浴恒温下进行腐蚀，腐蚀时间2min，在硅衬底上形成由(111)面组成的硅光栅面A。
(6)采用缓冲氢氟酸去除剩余的腐蚀掩膜层，采用RCA标准工艺清洗。
(7)采用LPCVD法在步骤(6)中清洗后的硅衬底上生长厚度为200nm的Si3N4薄膜材料，形成第二次腐蚀掩膜层。
(8)在步骤(7)中所述腐蚀掩膜层上旋涂厚度为3μm的负性光刻胶，于95℃下的热板上前烘3min以除去光刻胶中的溶剂，再以150mJ的曝光剂量对光刻胶进行接触式曝光，随后在130℃下将光刻胶后烘3min，并在2.38％的TMAH显影液中显影形成光刻胶光栅图形；最后在150℃的热板上坚膜5min进行固化即可形成第二次光刻胶光栅层。本次曝光处理时相对于步骤(3)中的光刻胶光栅掩膜平移一个周期，以遮挡步骤(5)中形成的硅光栅面A。
(9)以步骤(8)中光刻胶光栅层为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺对掩膜外的Si3N4掩膜层进行刻蚀，然后用丙酮去除光刻胶光栅层，再按RCA标准工艺进行清洗，从而除去光刻胶光栅层，形成第二次部分裸露的硅衬底。
(10)采用质量分数为34％的KOH各向异性湿法腐蚀液对第二次部分裸露的硅衬底进行刻蚀，露出由(111)面形成的硅光栅面B，其中硅光栅面B与步骤(5)中形成的硅光栅面A相交，形成最终闪耀光栅。
(11)采用缓冲氢氟酸溶液去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用磁控溅射技术在在光栅面沉积厚度为200nm的高反射率金属Pt作为反射层，其中在反射层下设置一层粘附层，粘附层的材料为Ti，厚度为40nm，最终形成一种硅基紫外MEMS闪耀光栅。
制备过程中的RCA标准清洗工艺为SC1清洗液(氨水：双氧水：去离子水＝1:1:5)、SC2清洗液(盐酸：双氧水：去离子水＝1:1:5)在80℃下各清洗10min。
实施例4
一种闪耀角为54.7°，周期为4μm的硅基MEMS闪耀光栅，制备流程包括以下步骤：
(1)先将厚度为500μm的N型(111)单晶硅的(111)晶面以<110>晶向为轴朝(110)晶面偏转57.4°进行切割，形成偏晶向硅衬底。
(2)将偏晶向硅衬底采用SPM标准清洗工艺进行清洗，采用热氧化法在步骤(1)中形成的偏晶向硅衬底上生长成厚度为200nm的SiO2层，随后采用低压化学气相淀积(LPCVD)法在氧化硅层上淀积厚度为100nm的Si3N4薄膜材料，形成双层腐蚀掩膜层。
(3)在步骤(2)中腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1μm的正性光刻胶，于90℃下的热板上前烘1min以除去光刻胶中的溶剂，再采用步进投影式曝光方式以120mJ的曝光剂量对其进行曝光，随后在85℃下将光刻胶后烘3min，并在2.38％的TMAH显影液中显影形成光刻胶光栅图形；最后在120℃的热板上坚膜2min进行固化即可形成光刻胶光栅层。
(4)以光刻胶光栅层为掩膜，用反应离子刻蚀工艺对掩膜之外的氮化硅层进行刻蚀，功率150W，O2流量5sccm，SF6流量30sccm，刻蚀时间1min30s，随后采用缓冲氢氟酸溶液(由49％氢氟酸和40％氟化铵溶液按照1:6的体积比组成)腐蚀裸露的氧化硅层，然后用丙酮清洗除去光刻胶光栅层，再采用SCR标准工艺进行清洗，形成部分裸露的硅衬底。
(5)采用质量分数为25％的KOH各向异性湿法腐蚀液对部分裸露的硅衬底在60℃水浴恒温下进行腐蚀，腐蚀时间4min，在硅衬底上形成由(111)面组成的硅光栅面A。
(6)采用缓冲氢氟酸去除剩余的腐蚀掩膜层，采用SPM标准工艺清洗。
(7)采用热氧化法在步骤(1)中形成的偏晶向硅衬底上生长成厚度为200nm的SiO2层，随后采用低压化学气相淀积(LPCVD)法在氧化硅层上淀积厚度为100nm的Si3N4薄膜材料，形成第二次腐蚀掩膜层。
(8)在步骤(7)中所述腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1μm的正性光刻胶，于90℃下的热板上前烘1min以除去光刻胶中的溶剂，再采用步进投影式曝光方式以120mJ的曝光剂量对其进行曝光，随后在85℃下将光刻胶后烘3min，并在2.38％的TMAH显影液中显影形成光刻胶光栅图形；最后在120℃的热板上坚膜2min进行固化即可形成第二次光刻胶光栅层。本次曝光处理时相对于步骤(3)中的光刻胶光栅掩膜平移一个周期，以遮挡步骤(5)中形成的硅光栅面A。
(9)以步骤(8)中光刻胶光栅层为掩膜，采用反应离子刻蚀工艺对掩膜外的Si3N4掩膜层进行刻蚀，采用缓冲氢氟酸腐蚀SiO2掩膜层，然后用丙酮去除光刻胶光栅层，再按SPM标准工艺进行清洗，形成第二次部分裸露的硅衬底。
(10)采用质量分数为25％的KOH各向异性湿法腐蚀液对第二次部分裸露的硅衬底进行刻蚀，露出由(111)面形成的硅光栅面B，其中硅光栅面B与步骤(5)中形成的硅光栅面A相交，形成最终闪耀光栅。
(11)采用缓冲氢氟酸溶液去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用电子束蒸发技术在光栅面沉积Cr/Au反射薄膜，其中Cr为粘附层，厚度为20nm，金为反射层，厚度为100nm，最终形成一种硅基MEMS闪耀光栅。
制备过程中的SPM清洗工艺采用的清洗液为浓硫酸与双氧水按3:1的体积比组成，120℃清洗10min。
图4为通过传统湿法腐蚀工艺制备闪耀光栅的加工工艺流程，相比而言，本发明中利用硅的各向异性湿法腐蚀特性采用两次光刻腐蚀法、通过两次腐蚀的(111)面相交形成闪耀光栅，可消除光栅顶部平台，同时降低了对光栅光刻线条的要求。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将N(111)硅片按特定切偏角进行切割，形成偏晶向硅衬底，所述切偏角为设计的硅基MEMS闪耀光栅的闪耀角，由光谱范围和闪耀波长确定；
(2)在步骤(1)中所述偏晶向硅衬底上生长薄膜材料，作为腐蚀掩膜层；
(3)在步骤(2)中所述腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1～5μm的光刻胶，于85～115℃下的热板或者烘箱中前烘1～5min以除去所述光刻胶中的溶剂，再经过曝光处理后在85～135℃下将光刻胶进行后烘1～5min，最后经显影、坚膜处理，在腐蚀掩膜层上形成光刻胶光栅层；
(4)以光刻胶光栅层为掩膜，采用缓冲氢氟酸或反应离子刻蚀工艺对掩膜外的腐蚀掩膜层进行刻蚀，然后用丙酮或者氧等离子体除去光刻胶光栅层，再采用标准清洗工艺进行清洗，形成部分裸露的硅衬底；
(5)采用各向异性湿法腐蚀液对裸露的硅衬底进行刻蚀，形成由(111)面组成的硅光栅面A；
(6)用缓冲氢氟酸或反应离子刻蚀工艺去除剩余的腐蚀掩膜层，采用标准工艺进行清洗，得到具有硅光栅面A的偏晶向硅衬底；
(7)再次在步骤(6)中所述具有硅光栅面A的偏晶向硅衬底上生长薄膜材料，形成第二次腐蚀掩膜层；
(8)在步骤(7)中所述第二次腐蚀掩膜层上旋涂厚度为1～5μm的光刻胶，于85～115℃下的热板或者烘箱中前烘1～5min以除去所述光刻胶中的溶剂，再经过曝光处理后在85～135℃下将光刻胶进行后烘1～5min，最后经显影、坚膜处理形成光刻胶光栅掩膜，所述曝光处理时相对于步骤(3)中形成的光刻胶光栅层平移一个周期；
(9)以步骤(8)中所述光刻胶光栅层为掩膜，对掩膜外的第二次腐蚀掩膜层进行刻蚀，然后用丙酮或者氧等离子体除去光刻胶光栅层，再按标准清洗工艺进行清洗，形成第二次部分裸露的硅衬底；
(10)采用各向异性湿法腐蚀液对步骤(9)中所述裸露的硅衬底进行刻蚀，露出由(111)面形成的硅光栅面B，所述硅光栅面B与所述硅光栅面A相交，形成最终的闪耀光栅；
(11)采用缓冲氢氟酸或反应离子刻蚀工艺去除剩余的腐蚀掩膜层，并采用磁控溅射或电子束蒸发的方式在光栅面沉积高反射率金属作为反射层，即可形成一种硅基MEMS闪耀光栅。
2.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述硅片为偏晶向N型(111)单晶硅，厚度为300～500μm，所述切偏角为待制备的闪耀光栅的闪耀角。
3.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述标准清洗工艺为RCA清洗工艺，即使用SC1清洗液、SC2清洗液或者SPM清洗液进行清洗的工艺。
4.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(7)所述薄膜材料为氧化硅或者氮化硅中的任意一种或两种；所述薄膜材料的厚度为50～500nm；所述生长的方法为热氧化、低压化学气相淀积或等离子增强型化学气相淀积法。
5.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述曝光的方式为接触式或者步进投影式曝光，曝光的剂量为30～300mJ。
6.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述显影、坚膜处理的具体操作步骤如下：首先将经曝光、后烘后的光刻胶经2.38％TMAH显影后形成光刻胶光栅图形；再将所述光刻胶光栅图形在110～150℃的热板上坚膜1～5min进行固化即可形成光刻胶光栅层。
7.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述缓冲氢氟酸由氢氟酸、氟化铵和去离子水组成，所述缓冲氢氟酸对氧化硅的的刻蚀速率为30～600nm/min。
8.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀采用SF6和O2的混合气体作为刻蚀气体，所述SF6流量为10～50sccm，所述O2的流量为1～20sccm，所述反应离子刻蚀的刻蚀功率为50～200W。
9.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述各向异性湿法腐蚀液为质量浓度为10～35％的KOH溶液或者质量浓度为5～25％TMAH溶液，所述腐蚀的温度为50～85℃。
10.根据权利要求1所述的一种硅基MEMS闪耀光栅的制备方法，其特征在于，步骤(11)中所述高反射率金属为铝、金或铂。
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