一種頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法
【專利摘要】一種頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，由硅光柵結(jié)構(gòu)(1)、光刻膠(3)與金屬膜(4)組成；所制作的光柵槽型是頂角等于90°的三角形，可以獲得比頂角不是90°的階梯光柵更高的衍射效率；光柵結(jié)構(gòu)在斜切的單晶硅片中產(chǎn)生，光柵閃耀角度由切割硅片時切偏角決定，可以實(shí)現(xiàn)任意閃耀角光柵制作；90°頂角通過在非直角頂角硅光柵槽中填充光刻膠，并再次進(jìn)行光刻產(chǎn)生，可將以往非90°頂角的硅光柵轉(zhuǎn)變成90°頂角的三角形槽光柵，所制作的光柵結(jié)構(gòu)，光柵閃耀面是光滑的單晶硅<111>晶格面，能有效降低散射，提高光柵衍射效率。根據(jù)使用波段在光柵表面可選擇鍍制不同種類反射膜層，實(shí)現(xiàn)光柵在寬波段均具有高衍射效率。
【專利說明】一種頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光譜儀器中使用的色散元件領(lǐng)域，具體涉及一種用于可見光到紅外波段的階梯光柵光譜儀中使用的階梯光柵的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來快速發(fā)展的階梯光柵光譜儀，利用階梯光柵為主色散元件，輔以橫向色散元件進(jìn)行級次分離，用面陣C⑶同時記錄下寬光譜范圍(可見光至紅外)的譜線，整個系統(tǒng)體積小，工作波長范圍寬，線色散率高，分辨率高。階梯光柵作為閃耀光柵的一種特殊類型，與通常的閃耀光柵主要區(qū)別在于階梯光柵工作時使用溝槽的“短邊”，即閃耀角通常大于 45。。
[0003]對于以光柵為色散元件的光譜儀器，色散率與分辨率是表征其光學(xué)特性的重要參數(shù)。線色散率:
[0004]
【權(quán)利要求】
1.一種頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于步驟如下: 第1步、準(zhǔn)備斜切的單晶硅片； 第2步、在所述斜切單晶硅片上鍍制20-100nm氮化硅(SiNx)膜； 第3步、在所述氮化硅膜上涂100-1000nm厚度的光刻膠層，所述光刻膠層的厚度大于氮化硅(SiNx)膜層的厚度； 第4步、在所述涂布光刻膠層的硅片上，采用有預(yù)定周期光柵圖形的掩模版，通過曝光、顯影等光刻工藝步驟，在所述光刻膠層內(nèi)得到光刻膠光柵圖形； 第5步、以所述光刻膠光柵圖形為掩模，刻蝕氮化硅膜層，將光刻膠光柵圖形轉(zhuǎn)移成氮化娃光柵圖形； 第6步、以所述氮化硅光柵圖形為掩模，使用氫氧化鉀溶液(KOH)或TMAH堿性溶液，各向異性刻蝕硅，形成頂端有剩余氮化硅覆蓋的硅光柵結(jié)構(gòu)； 第7步、將所述頂端有剩余氮化硅覆蓋的硅光柵結(jié)構(gòu)放入氫氟酸(HF)溶液中，去除剩余氮化娃，獲得娃光柵結(jié)構(gòu)； 第8步、在所述硅光柵結(jié)構(gòu)上，涂光刻膠，填充光柵溝槽，獲得槽內(nèi)填滿光刻膠的硅光柵結(jié)構(gòu)； 第9步、對所述填滿光刻膠的硅光柵結(jié)構(gòu)傾斜曝光，入射光線與光柵法線夾角數(shù)值上等于閃耀角，經(jīng)顯影后獲得90°頂角的三角形槽光柵結(jié)構(gòu)； 第10步、在所述90°頂角三角形槽光柵結(jié)構(gòu)上鍍厚度大于IOOnm金屬膜，獲得90°頂角三角形槽階梯光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第I步中用于斜切的單晶硅片是〈110〉或〈100〉單晶硅片，其表面分別與(110)晶格面或(100)晶格面平行；所述斜切單晶硅片是指對普通〈110〉或〈100〉型單晶硅片進(jìn)行切割，新的表面與原表面或與原表面相平行的晶格面有一個角度，即切偏角；切偏角根據(jù)單晶硅片晶向與所制作階梯光柵閃耀角度Gb確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第3步中的光刻膠為正性光刻膠，或負(fù)性光刻膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第5步中的刻蝕氮化硅膜層的條件:采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，反應(yīng)氣體四氟化碳(CF4)，氣壓0.1-1.5Pa，射頻功率50-300W自偏壓100-200V,時間大于等于30秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第6步中的各向異性刻蝕硅的條件為:采用氫氧化鉀溶液或TMAH溶液，濃度20% -60%,溫度根據(jù)刻蝕速率確定，20°C -85°C，80°C時硅在〈110〉方向刻蝕速率約1.2ym/min ;刻蝕深度根據(jù)光柵周期及閃耀角確定，對光柵溝槽密度79線/_，閃耀角55°，深度應(yīng)大于5.95 μ m，刻蝕時間5分鐘。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第7步中的所述去除氮化硅條件:10% -40% HF溶液，時間2-20分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第8步中的光刻膠為正性光刻膠，所填充光刻膠的厚度等于光柵溝槽深度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第9步中對所述填滿光刻膠的硅光柵結(jié)構(gòu)傾斜曝光，不需要掩模版，直接使用光強(qiáng)均勻的紫外光源曝光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂角90°三角形槽階梯光柵的制作方法，其特征在于:所述第10步中鍍制的反射膜根據(jù)階梯光柵工作波段確定，在可見光波段使用鋁膜，在紅外波段使用金膜；鍍制反射膜的方法是熱蒸發(fā)鍍膜或?yàn)R射鍍膜。
【文檔編號】G02B5/18GK103901520SQ201410166870
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】邱克強(qiáng), 王 琦, 劉正坤, 徐向東, 洪義麟, 付紹軍 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)