CN117518323A - 闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闪耀光栅的制备方法及用该方法制备的闪耀光栅。制备方法包括：提供单晶硅基底，所述单晶硅基底具有第一表面；在所述单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层；利用所述掩膜层对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构；采用刻蚀工艺从所述光栅结构的倾斜面刻蚀所述单晶硅基底，获得闪耀光栅。本发明的闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅，具有操作简单、可大面积制备、对掩膜层缺陷容差大、表面粗糙度低的优点。
Description
技术领域
本发明是关于衍射光学元件制造技术领域，特别是关于一种闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅。
背景技术
衍射光栅是一种对光束振幅或相位进行周期性空间调制的光学元件，它在光学应用中最为显著的作用是色散，是光栅型光谱仪中的核心元件。当光栅的槽形为“锯齿”形(非对称三角形)时，光栅的光能量便会集中在某一个固定的角度，也就是某级光谱上，此方向的光谱强度最大，这种现象称为“闪耀”(Blaze)，相应的光栅称为闪耀光栅。
目前制作闪耀光栅的方法主要包括机械刻划法、全息离子束刻蚀法等。机械刻划法是最早闪耀光栅的加工方法，可以制备大便面积光栅结构，其缺点是加工时间长、表面粗糙度大、杂散光多、衍射效率低等。全息离子束刻蚀法对掩膜的要求较高，掩膜的缺陷会导致闪耀面粗糙度增加、离子速率的变化也会导致光栅槽型的变化。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅，具有操作简单、可大面积制备、对掩膜层缺陷容差大、表面粗糙度低的优点。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种闪耀光栅的制备方法，包括：提供单晶硅基底，所述单晶硅基底具有第一表面；在所述单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层；利用所述掩膜层对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构；采用刻蚀工艺从所述光栅结构的倾斜面刻蚀所述单晶硅基底，获得闪耀光栅。
在本发明的一个或多个实施方式中，在采用刻蚀工艺刻蚀所述单晶硅基底的步骤之前，还包括：在所述单晶硅基底的第一表面沉积保护层；部分刻蚀所述保护层以使所述保护层形成特定形状的步骤；采用刻蚀工艺刻蚀所述单晶硅基底的同时，还对剩余所述保护层进行刻蚀。
在本发明的一个或多个实施方式中，通过控制单晶硅基底和保护层的刻蚀比，选用单晶硅基底和保护层的刻蚀比在0.8-1.2范围内的刻蚀工艺，获得不同角度的闪耀光栅。
在本发明的一个或多个实施方式中，选用单晶硅基底和保护层的刻蚀比为1：1的刻蚀工艺，获得闪耀光栅。
在本发明的一个或多个实施方式中，沉积所述保护层至所述保护层覆盖所述光栅结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，沉积所述保护层至所述保护层表面与所述光栅结构的尖端齐平。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的部分刻蚀所述保护层以使所述保护层形成特定形状，包括：采用对准掩膜光刻工艺刻蚀所述保护层，以使所述光栅结构中相邻光栅之间的保护层形成垂直于所述单晶硅基底第一表面的刻蚀面，剩余所述保护层仍覆盖所述光栅结构内光栅的其中一个倾斜面。
在本发明的一个或多个实施方式中，以所述保护层的刻蚀面为基准面，采用ICP刻蚀工艺，刻蚀剩余所述保护层和所述单晶硅基底，以形成由垂直于所述第一表面设置的槽面和闪耀面组成的闪耀光栅槽形。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述保护层为二氧化硅层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在所述单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层，包括：利用热氧化工艺在所述单晶硅基底的第一表面生长一层氧化层；在所述氧化层表面旋涂光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光显影，得到光刻胶掩膜；利用所述光刻胶掩膜对所述氧化层进行刻蚀，直至暴露出部分所述单晶硅基底；去除所述光刻胶掩膜，得到掩膜层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述单晶硅基底的第一表面为{110}晶面，所述光栅结构的平整倾斜面为{111}晶面。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的利用所述掩膜层对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构，包括：采用硅各向异性腐蚀液对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，通过调整腐蚀液的配比、腐蚀时间以及所述掩膜层所形成的掩膜窗口的大小，使得腐蚀结束于所述单晶硅基底的{111}晶面；多个所述{111}晶面两两相交，以在所述单晶硅基底上形成尖角状光栅结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，硅湿法腐蚀工艺的腐蚀液包括：含添加剂的TMAH腐蚀液、含添加剂的KOH溶液，所述添加剂包括过硫酸铵、IPA。
本发明的实施例提供了一种闪耀光栅，由上述的闪耀光栅的制备方法制备而成。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，具有操作简单、可大面积制备、对掩膜层缺陷容差大、表面粗糙度低的优点。
根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，无需对单晶硅基底进行斜切处理，可直接对其进行硅湿法腐蚀以获取所需的表面平整的倾斜面，再通过从倾斜面进行ICP刻蚀，获得闪耀光栅。
根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，从硅湿法腐蚀出来的倾斜面-{111}晶面的表面粗糙度低，进一步ICP刻蚀之后相同的表面粗糙度能够保持下来，延至闪耀面上，进而获得的闪耀光栅的衍射效率会相对更高。
根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，通过沉积保护层-二氧化硅层，再刻蚀保护层形成一垂直的刻蚀面，并以此为基准面，获得闪耀光栅槽形的一个垂直槽面，减少杂散光的形成，提高闪耀光栅的衍射效率。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的闪耀光栅的制备方法的工艺流程图；
图2和图3是根据本发明一实施方式的闪耀光栅的制备方法的工艺细节流程图；
图4a-图4j是根据本发明一实施方式的闪耀光栅的制备方法的工艺步骤图；
图5是根据本发明一实施方式的闪耀光栅的制备方法所制备的具有所需晶面的光栅结构的角度示意图；
图6是根据本发明一实施方式的闪耀光栅的制备方法所制备的闪耀光栅的闪耀角示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如背景技术所言，目前制作闪耀光栅的方法主要包括机械刻划法、全息离子束刻蚀法等。机械刻划法是最早闪耀光栅的加工方法，可以制备大便面积光栅结构，其缺点是加工时间长、表面粗糙度大、杂散光多、衍射效率低等。全息离子束刻蚀法对掩膜的要求较高，掩膜的缺陷会导致闪耀面粗糙度增加、离子速率的变化也会导致光栅槽型的变化。
基于现有方法用于制备闪耀光栅均具有一定缺陷，本申请提供了一种闪耀光栅的制备方法及采用该制备方法制备的闪耀光栅，制备方法是直接对其进行硅湿法腐蚀以获取所需的平整倾斜面-{111}晶面，再通过从平整倾斜面-{111}晶面进行刻蚀，获得闪耀光栅，具有操作简单、可大面积制备、对掩膜层缺陷容差大、表面粗糙度低的优点。
如图1所示，根据本发明一实施方式的闪耀光栅的制备方法，包括：s1，提供单晶硅基底，单晶硅基底具有第一表面；s2，在单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层；s3，利用掩膜层对单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构；s4，采用刻蚀工艺从光栅结构的倾斜面刻蚀单晶硅基底，获得闪耀光栅。其中，单晶硅基底的第一表面为{110}晶面。
如图2所示，步骤s2中的在单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层的步骤，具体包括：s201利用热氧化工艺在单晶硅基底的第一表面生长一层氧化层；s202在氧化层表面旋涂光刻胶层；s203对光刻胶层进行曝光显影，得到光刻胶掩膜；s204利用光刻胶掩膜对氧化层进行刻蚀，直至暴露出部分单晶硅基底；s205去除光刻胶掩膜，得到掩膜层。
在步骤s3中的利用掩膜层对单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构的步骤，具体包括：采用硅各向异性腐蚀液对单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，通过调整腐蚀液的配比、腐蚀时间以及掩膜层所形成的掩膜窗口的大小，使得腐蚀结束于单晶硅基底的{111}晶面；多个{111}晶面两两相交，以在单晶硅基底上形成尖角状光栅结构。
如图3所示，在步骤s3和步骤s4之间，还可以包括如下步骤：sA01，在单晶硅基底的第一表面沉积保护层；沉积保护层至保护层覆盖光栅结构或者至保护层表面与光栅结构的尖端齐平。sA02，部分刻蚀保护层以使保护层形成特定形状；具体包括，采用对准掩膜光刻工艺刻蚀保护层，以使光栅结构中相邻光栅之间的保护层形成垂直于单晶硅基底第一表面的刻蚀面，剩余保护层仍覆盖光栅结构内光栅的其中一个倾斜面。步骤s4中，采用刻蚀工艺刻蚀单晶硅基底的同时，还对剩余保护层进行刻蚀。具体的，以保护层的刻蚀面为基准面，通过控制单晶硅基底和保护层的刻蚀比，选用单晶硅基底和保护层的刻蚀比在0.8-1.2范围内的ICP刻蚀工艺，刻蚀剩余保护层和单晶硅基底，以形成由垂直于第一表面设置的槽面和{111}晶面(即闪耀面)组成的闪耀光栅槽形，其中，根据刻蚀比的不同可以获得不同角度的闪耀光栅。上述保护层的设置，使得后续制得的闪耀光栅，与闪耀面相对的面是垂直的，可以减少杂散光，提高衍射效率。
图4a至图4j示出了根据本申请一实施例的闪耀光栅的制备方法的过程。以下结合图4a至图4j对本实施例的闪耀光栅的制备方法进行详细展开描述，便于理解本申请的内容。
参考图4a所示，提供普通的单晶硅基底10-{110}硅，单晶硅基底10具有第一表面10a，第一表面10a为{110}晶面。
参考图4b所示，利用热氧化工艺在单晶硅基底10的第一表面10a生长一层氧化层20。示例性的，将处理干净的单晶硅基底10放置在石英晶舟或氧化铝托盘中，放入高温氧化炉中，通入O2并加热至1100℃持续约3小时，使单晶硅基底10的第一表面10a形成一层致密SiO2膜层，热氧化过程几乎不影响基底面形。
参考图4c所示，在氧化层20表面旋涂光刻胶层30。示例性的，将带有SiO2膜氧化层20的单晶硅基底10真空吸附在匀胶机的旋台上，将光刻胶用滴管滴在基底的中心直至滴满整个表面，通过高速离心旋转基底来获得一层均匀的光刻胶层30。涂胶前，先用O2等离子体清洗机对表面进行清洗，再在90℃的热板上进行加热处理，可以使基底表面的疏水性改变为亲水性，有利于后续光刻胶的附着。匀胶转速3000～4000转/分，甩胶时间40秒，这样既保证了光刻胶的均匀性，又可以脱去光刻胶中的水分，有利于光刻胶的固化，最终胶厚约300nm左右。匀胶后，在热板上90℃加热10min，目的是为了去除光刻胶中的多余的水分，使光刻胶固定以及与基底附着紧密，便于后续的加工。
参考图4d所示，对光刻胶层30进行曝光显影，得到光刻胶掩膜31。利用光刻胶掩膜31对氧化层20进行刻蚀，将光刻胶掩膜31图形转移至氧化层20上，直至暴露出部分单晶硅基底10。示例性的，利用ICP等离子体刻蚀机，使用其中的反应离子刻蚀对SiO2层进行垂直刻蚀，刻蚀条件：控制等离子体刻蚀机的压力为10.0mTorr，刻蚀温度为20℃，控制Ar气体流量为20sccm，CHF3气体流量30sccm，RF功率为150W，ICP功率为0W。反应后的部分基底暴露在空气中。
参考图4e所示，去除光刻胶掩膜31，得到掩膜层21。其中，掩膜层21上形成有多个掩膜窗口22，便于后续对单晶硅基底20的湿法腐蚀。示例性的，将基底浸入丙酮、异丙醇、去离子水中各超声清洗10min，洗去光刻胶掩膜31，得到掩膜层21。
参考图4f所示，利用掩膜层21对单晶硅基底10的第一表面10a进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构11。具体的，采用硅各向异性腐蚀液对单晶硅基底10的第一表面10a进行硅湿法腐蚀，通过调整腐蚀液的配比、腐蚀时间以及掩膜层21所形成的掩膜窗口22的大小，使得腐蚀结束于单晶硅基底10的{111}晶面A。多个{111}晶面A两两相交，以在单晶硅基底10上形成尖角状光栅结构11。尖角状光栅结构11的每个光栅均对称设置，即该光栅对应的两个{111}晶面A均与第一表面10a之间形成35.26°的夹角，参考图5所示。理论结果表明，{110}单晶硅基底在掩膜窗口22下的腐蚀发展趋势是，腐蚀腔的{110}底面将逐渐缩小，最终完全消失，两个与第一表面10a倾角成35.26°的{111}晶面A将相交成一直线。示例性的，硅湿法腐蚀工艺的腐蚀液包括含添加剂的TMAH腐蚀液或含添加剂的KOH溶液。添加剂包括过硫酸铵、IPA。其中，腐蚀液的配比为25wt％TMAH：4wt％过硫酸铵，腐蚀时间3-4小时。
可以理解的是，采用硅湿法腐蚀工艺本身即可以获得平整的倾斜面，即{111}晶面，而该{111}晶面的表面平整度也满足本申请所需制备的闪耀光栅的平整度要求。当然，在其他实施例中，也可以采用其他方式在单晶硅基底的第一表面形成倾斜面，只要倾斜面的平整度满足一定要求即可，但目前而言，除了硅湿法腐蚀，还未出现一种刻蚀或腐蚀工艺能达到所需要求。
参考图4g所示，去除掩膜层21，并在单晶硅基底10的第一表面10a沉积保护层40，保护层40覆盖光栅结构11或者保护层40表面与光栅结构11的尖端齐平。示例性的，保护层40为二氧化硅层。
参考图4h所示，部分刻蚀保护层40以使保护层40形成特定形状。特定形状为直角三角形的形状。具体的，采用对准掩膜光刻工艺刻蚀保护层40，以使光栅结构11中相邻光栅之间的保护层40形成垂直于单晶硅基底10第一表面10a的刻蚀面B(直角三角形的一个直角面)，剩余保护层40(直角三角形的一个斜面)仍覆盖光栅结构11内光栅的其中一个晶面A。
参考图4i和图4j所示，以保护层40的刻蚀面B为基准面，采用对二氧化硅和硅没有选择性的刻蚀工艺，如ICP刻蚀工艺，刻蚀剩余保护层40和单晶硅基底10，以形成由垂直于第一表面10a设置的槽面C和{111}晶面(即闪耀面D)组成的闪耀光栅槽形。其中，通过控制硅和二氧化硅的刻蚀比，选用硅和二氧化硅刻蚀比在0.8-1.2范围内的刻蚀工艺，可以获得不同角度的闪耀角(闪耀面D和第一表面10a之间的夹角)。参考图6所示，图6是采用硅和二氧化硅刻蚀比约为1:1的刻蚀工艺获得的闪耀角，其中，组成闪耀光栅槽形的{111}晶面(即闪耀面D)相对第一表面10a之间的夹角为35.26°
上述实施例中，在图4f所示的步骤之后，是通过保护层-二氧化硅的沉积以及后续对二氧化硅和单晶硅基底进行刻蚀比在一定范围内的刻蚀工艺，获得想要的不同范围角度的闪耀光栅的。在其他实施例中，也可以在图4f所示的步骤之后，直接通过刻蚀工艺，如ICP刻蚀工艺对单晶硅基底进行倾斜一定角度的刻蚀，获得想要角度的闪耀光栅。只是此方式中，光栅的两个面均为斜面(其中一个作为闪耀面)，当一部分光线打在闪耀面之外的另一个面上，这部分光线反射后会造成杂散光，影响闪耀光栅的衍射效率。
与现有技术相比，根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，具有操作简单、可大面积制备、对掩膜层缺陷容差大、表面粗糙度低的优点。
根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，无需对单晶硅基底进行斜切处理，可直接对其进行硅湿法腐蚀以获取所需的表面平整的倾斜面，再通过从倾斜面进行ICP刻蚀，获得闪耀光栅。
根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，从硅湿法腐蚀出来的倾斜面-{111}晶面的表面粗糙度低，进一步ICP刻蚀之后相同的表面粗糙度能够保持下来，，延至闪耀面上，进而获得的闪耀光栅的衍射效率会相对更高。
根据本发明实施方式的闪耀光栅的制备方法，通过沉积保护层-二氧化硅层，再刻蚀保护层形成一垂直的刻蚀面，并以此为基准面，获得闪耀光栅槽形的一个垂直槽面，减少杂散光的形成，提高闪耀光栅的衍射效率。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (10)
1.一种闪耀光栅的制备方法，其特征在于，包括：
提供单晶硅基底，所述单晶硅基底具有第一表面；
在所述单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层；
利用所述掩膜层对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构；
采用刻蚀工艺从所述光栅结构的倾斜面刻蚀所述单晶硅基底，获得闪耀光栅。
2.如权利要求1所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，在采用刻蚀工艺刻蚀所述单晶硅基底的步骤之前，还包括：
在所述单晶硅基底的第一表面沉积保护层；
部分刻蚀所述保护层以使所述保护层形成特定形状的步骤；
采用刻蚀工艺刻蚀所述单晶硅基底的同时，还对剩余所述保护层进行刻蚀。
3.如权利要求2所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，通过控制单晶硅基底和保护层的刻蚀比，选用单晶硅基底和保护层的刻蚀比在0.8-1.2范围内的刻蚀工艺，获得不同角度的闪耀光栅。
4.如权利要求2所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，沉积所述保护层至所述保护层覆盖所述光栅结构；或者，
沉积所述保护层至所述保护层表面与所述光栅结构的尖端齐平。
5.如权利要求2所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述的部分刻蚀所述保护层以使所述保护层形成特定形状，包括：
采用对准掩膜光刻工艺刻蚀所述保护层，以使所述光栅结构中相邻光栅之间的保护层形成垂直于所述单晶硅基底第一表面的刻蚀面，剩余所述保护层仍覆盖所述光栅结构内光栅的其中一个倾斜面。
6.如权利要求5所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，以所述保护层的刻蚀面为基准面，采用ICP刻蚀工艺，刻蚀剩余所述保护层和所述单晶硅基底，以形成由垂直于所述第一表面设置的槽面和闪耀面组成的闪耀光栅槽形。
7.如权利要求1所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述的在所述单晶硅基底的第一表面上制备掩膜层，包括：
利用热氧化工艺在所述单晶硅基底的第一表面生长一层氧化层；
在所述氧化层表面旋涂光刻胶层；
对所述光刻胶层进行曝光显影，得到光刻胶掩膜；
利用所述光刻胶掩膜对所述氧化层进行刻蚀，直至暴露出部分所述单晶硅基底；
去除所述光刻胶掩膜，得到掩膜层。
8.如权利要求1所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述单晶硅基底的第一表面为{110}晶面，所述光栅结构的平整倾斜面为{111}晶面。
9.如权利要求8所述的闪耀光栅的制备方法，其特征在于，所述的利用所述掩膜层对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，以获得具有平整倾斜面的光栅结构，包括：
采用硅各向异性腐蚀液对所述单晶硅基底的第一表面进行硅湿法腐蚀，通过调整腐蚀液的配比、腐蚀时间以及所述掩膜层所形成的掩膜窗口的大小，使得腐蚀结束于所述单晶硅基底的{111}晶面；
多个所述{111}晶面两两相交，以在所述单晶硅基底上形成尖角状光栅结构。
10.一种闪耀光栅，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的闪耀光栅的制备方法制备而成。
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|---|---|---|---|
| CN202311593153.7A CN117518323A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311593153.7A CN117518323A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅 |
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| CN202311593153.7A Pending CN117518323A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 闪耀光栅的制备方法及闪耀光栅 |
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