CN1242276C - 一种基于{100}晶面硅锭制作的红外闪耀光栅结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于{100}晶面硅锭制作的红外闪耀光栅结构。其关键是对{100}晶面硅锭进行特定角度θ_c切割形成基片，再对基片进行常规半导体工艺，包括光刻、氧化、各向异性湿法腐蚀等，从而制作出特定的闪耀光栅倾角，实现闪耀光栅结构；其光栅闪耀角θ_b和切割角度θ_c满足关系式：θ_b+θ_c＝54.7°。所得到的闪耀光栅的闪耀角范围可以从1到54度。由于本发明采用硅的慢腐蚀面{111}面来保证闪耀光栅的闪耀角，具有精度高、易集成、工艺简单、成本低廉、易于控制、成品率高、重复性好、易批量生产等优点，特别适合于量大面广、需要集成的场合使用。

Description

一种基于{100}晶面硅锭制作的红外闪耀光栅结构及方法

技术领域

本发明涉及一种基于{100}晶面硅锭制作的闪耀光栅结构，适合于红外光谱分析、红外气体传感器及相关用途。属于红外光学领域。

背景技术

光栅是具有周期性的空间结构的常用光学元件。利用光栅衍射场可以将不同波长的光进行分光，实现光谱分析和结构分析。在实际应用中通常采用闪耀光栅以获得大的衍射效率。目前的闪耀光栅〔赵凯华，钟锡华，光学(下册)，北京大学出版社，23(1984)。〕是以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为材料，用劈形钻石刀头在上面刻划出一系列锯齿状槽面。刻划一块精密的光栅不但要保持每条刻痕都很直，而且还要求刻痕的间隔十分均匀，深度和剖面形状很一致，因此对刻划的仪器有很高的要求。为了降低成本通常是先刻好一块母光栅，然后以之作模型进行复制。但这种加工方法缺乏可集成性。随着光学仪器的减小，具有集成性的光栅结构日益显示其重要性。采用半导体平面工艺进行加工可以获得大批量、高精度、低成本的光栅，将光栅与其他光学元件集成，就可以获得微型的光学系统，完成复杂的测试。但目前通常都只是制作黑白光栅〔S.H.Kong，D.D.L.Wijingaards and R.F.Wolffenbuttel，Infrared microspectrometer based on a diffraction grating，Sensorsand Actuators A，92，88(2001).〕，尚未见有基于{100}晶面硅锭制作的红外闪耀光栅结构的报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于{100}晶面硅锭制作的红外闪耀光栅结构及方法。其关键是对{100}晶面硅锭进行特定角度θ_c切割形成基片，再对基片进行常规半导体工艺，包括光刻、氧化、各向异性湿法腐蚀等，从而制作出特定的闪耀光栅倾角，实现闪耀光栅结构；其光栅闪耀角θ_b和切割角度θ_c满足关系式：θ_b+θ_c＝54.7°。

对于通常的{100}硅锭，本光栅所需硅片的切割方法应以其<0，1，-1>晶向为轴，以{100}晶面为基准，顺时针或逆时针方向转θ_c角度进行切片，形成所需基片。(图1)

从图2的{100}晶面硅片各向异性腐蚀结果的示意图可以看出，掩膜窗口最终都形成了沿<011>和<0，1，-1>方向且以{111}慢腐蚀面为停止面的结构。

图3是{100}晶面硅片与图一所形成硅片的各向异性腐蚀结果{011}或{0，1，-1}面的剖面示意图。其中θ_s为{111}面与{100}面的夹角，为54.7度。θ_c为与{100}面偏离的切割角度，θ_b为光栅的闪耀角。从图中可以得到光栅闪耀角θ_b和切割角度θ_c满足关系式：θ_b+θ_c＝54.7°。所得到的闪耀光栅的闪耀角范围可从1度到54度。

图4为按照图1制作的硅片腐蚀出的闪耀光栅衍射示意图。其光栅衍射公式为sin(θ_b-θ₀)+sin(θ_b+θ)＝kλ/d    〔1〕其中θ₀为入射角，θ为衍射角，k为衍射级数，λ为波长(单位：微米)，d为光栅常数(单位：微米)。

本发明的工艺实施步骤如下：

(1)对{100}硅锭按图1所示，进行切割、单面成双面抛光形成基片。

(2)对双面抛光的硅片由热氧化方法生长氧化层10纳米到2微米，进行光刻，用各向异性腐蚀液如10-80％质量比30-80摄氏度的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀，确定<011>或<0，1，-1>晶向。

(3)采用稀氢氟酸溶液去除所有氧化层。

(4)重新对单面成双面抛光的硅片进行热氧化方法生长氧化层10纳米到4微米，进行光刻，用各向异性腐蚀液10-80％质量比30-80摄氏度的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀，制作出光栅结构。

(5)对制作出的光栅结构淀积高反射率金属如金和铬形成反射层，完成制作。沉积铬为30-50纳米，沉积金为100-120纳米。

(6)在步骤(4)和(5)之间也可以用1000℃以上的多次高温氧化的办法，对光栅结构进行削尖，以提高光栅衍射效率。

本发明采用用硅的慢腐蚀面{111}面来保证闪耀光栅的闪耀角，具有精度高、易集成、工艺简单、成本低廉、易于控制、成品率高、重复性好、易批量生产等优点，特别适合于量大面广、需要集成的场合使用。

附图说明

图1是基于{100}硅锭的切割角度示意图。

图2是{100}晶面硅片各向异性腐蚀结果的示意图。

图3是{100}晶面硅片与图一所形成硅片的各向异性腐蚀结果{011}或{0，1，-1}面的剖面示意图。

图4是本发明之闪耀光栅衍射示意图。

图5为实施例一各向异性腐蚀后的光栅结构扫描电镜照片。

图6为实施例一氧化削尖后的光栅结构扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。

实施例一：对于k＝1，λ＝5.5微米，d＝14微米，取θ₀＝θ＝θ_b，由公式〔1〕得到其闪耀角θ_b为11.6度，切割角为43.1度。按如下过程实施制作。

(1)对{100}硅锭按图1所示，进行切割，切割角为43.1度，双面抛光形成基片。

(2)对双面抛光的硅片清洗后，经1050℃热氧化，形成2微米的氧化层，进行光刻，用60℃、40％质量比的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀，确定<011>晶向。

(3)用氢氟酸溶液去除所有氧化层。

(4)重新对双面抛光的硅片进行1050℃热氧化，形成0.3微米的氧化层，光刻后得到光栅图形，用40℃、50％质量比的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀，制作出光栅结构，如图5所示。

(5)用氢氟酸溶液去除所有氧化层，在1050℃下进行氧化，对光栅结构进行削尖。重复两次。其结构如图6。图5和图6对比可见通过高温氧化可使光栅削尖，提高光栅衍射效率。

(6)在制作出的光栅结构表面淀积40纳米铬和120纳米金形成反射层，完成制作。

实施例二：对于k＝1，λ＝4.2微米，d＝10微米，取θ₀＝θ＝0(即垂直入射)，由公式〔1〕得到其闪耀角θ_b为12.1度，切割角为42.6度。按如下过程实施制作。

(1)对{100}硅锭按图一所示，进行切割，切割角为42.6度，单面抛光形成基片。

(2)对单面抛光的硅片清洗后，经1050℃热氧化，形成2微米的氧化层，进行光刻，用30℃、60％质量比的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀，确定<011>晶向。

(3)用氢氟酸溶液去除所有氧化层。

(4)重新对单面抛光的硅片进行1050℃热氧化，形成0.3微米的氧化层，光刻后得到光栅图形，用40℃、40％质量比的氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀，制作出光栅结构，扫描照片削尖后的光栅结构扫描电镜照片如图5所示。

(5)用氢氟酸溶液去除所有氧化层，在1000℃下进行氧化，对光栅结构进行削尖。重复4次。其结构如图6。

(6)在制作出的光栅结构表面淀积60纳米铬和100纳米金形成反射层，完成制作。

Claims (7)

1.一种基于{100}晶面硅锭制作红外闪耀光栅结构的方法，其特征在于光栅闪耀角θ_b和切割角度θ_c的关系式为θ_b+θ_c＝54.7°，具体制作步骤是：

1)以<0，1，-1>晶面为轴，以{100}晶面为基准，顺时针或逆时针方向转θ_c角进行切片，抛光形成基片；

2)对抛光的硅基片由热氧化方法生长氧化层，进行光刻，再用各向异性溶液腐蚀，确定<011>或<0，1，-1>晶向；以{111}慢腐蚀面为停止面的结构；

3)采用稀氢氟酸溶液去除氧化层；

4)重新对抛光的硅片进行热氧化，进行光刻和用各向异性腐蚀液进行腐蚀，制成光栅结构；

5)对步骤4)制作的光栅结构沉积高反射率金属铬和金，形成反射层。

2.一种根据权利要求1的方法，其特征在于闪耀光栅的闪耀角范围从1到54度，所述的闪耀角是在硅的慢腐蚀面{111}面上实现的。

3.一种根据权利要求1的方法，其特征在于步骤2)形成的氧化层厚度10纳米到2微米；在步骤4)中形成的氧化层厚度10纳米到4微米。

4.一种根据权利要求1的方法，其特征在于步骤2)和4)中使用的各向异性溶液为KOH溶液，其浓度为10-80％质量比，温度为30-80℃。

5.一种根据权利要求1的方法，其特征在于在步骤4)和5)之间，用1000-1050℃多次高温氧化方法，对光栅结构进行削尖。

6.一种根据权利要求1的方法，其特征在于对硅基片的抛光是单面抛光或双面抛光。

7.一种根据权利要求1的方法，其特征在于对步骤4)制作的光栅结构沉积30-50纳米铬和100-120纳米金。

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