[发明专利]一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法

说明书

本申请提供一种直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法，用于在硅基片上制造具有直角顶角的阶梯光栅，该方法包括：在硅基片的表面形成蚀刻掩模，所述蚀刻掩模具有使所述基片的表面露出的开口，所述基片是单晶硅片；对形成有蚀刻掩模的所述基片进行湿法腐蚀，以形成周期性排列的刻槽，其中，每个所述刻槽至少具有相互垂直的两个侧壁，所述侧壁为硅(110)晶面，并且，在相邻的所述刻槽之间形成由相邻的所述侧壁形成的直角顶角；以及在所述刻槽的所述侧壁覆盖光学薄膜层。根据本申请的方法可以获得严格垂直的直角顶角硅阶梯光栅，其闪耀角可根据需求设计，具有工艺简单、光栅刻槽表面质量高、刻槽间距误差小、批量化、低成本的技术优势。

技术领域

本申请涉及半导体技术、光学技术领域，尤其涉及一种基于MEMS技术的直角顶角硅阶梯光栅及其制造方法。

背景技术

光栅是现代光学技术中关键的色散光学元件，其色散能力强，得到了广泛的应用。在光栅家族中，有一类应用广泛、重要的高性能光栅——阶梯光栅。阶梯光栅是一种工作于高光谱级次的特殊光栅，具有宽波段、超高光谱分辨率、超强色散能力、高光学衍射效率等技术优势，引起了天文学家的极大兴趣,率先得到了天文学应用，并在光谱学、光通信、光信息处理和光学精密测量等领域获得了非常重要的应用，成为具有广阔发展前景的现代光学色散元件。随着光栅技术的演变与发展，阶梯光栅根据刻槽密度的不同发展出了阶梯光栅、中阶梯光栅和闪耀光栅三个品种。

较早期的阶梯光栅(echelon)是由一系列(约20片)长度不同、厚度严格相等、折射率相同的平行玻璃或石英片，按阶梯形状黏合在一起组成的一段阶梯，并且每片凸出的高度相等(约0.1cm)。按其光透射或光反射工作方式，阶梯光栅可以分为透射式阶梯光栅和反射式阶梯光栅两种，如图1所示。早期的阶梯光栅实质上是一种大周期、低槽密度光栅，具有较大的闪耀角，可以用于很高的干涉级次，通常100～1000级，因此可获得极高的光谱分辨率。

G.R.Harrison于1949年研制出一种阶梯光栅的新品种——中阶梯光栅(echelle)，其光栅刻槽密度为每毫米数线至数十线，并对这种阶梯光栅的机械刻划技术做出了开拓性的工作。闪耀光栅(echelette，也称为小阶梯光栅)是应用更为广泛的阶梯光栅品种，因其对设计的光波长衍射效率高而得到“闪耀”的称呼，其光栅刻槽密度为每毫米数十至数百线。中阶梯光栅介于闪耀光栅与阶梯光栅之间，在设计上其与闪耀光栅不同之处在于，中阶梯光栅不以增加光栅每毫米的刻槽数(即光栅刻槽密度)为手段，而以增大闪耀角(高光谱级次和加大光栅刻划面积)来获得高光谱分辨本领和高色散率，因此成为一种新品种的阶梯光栅，具有极高的光谱分辨本领。每毫米8～80刻槽的中阶梯光栅，闪耀角为60°～70°，光谱级次高达40～200，其光谱分辨本领大于10⁶，而闪耀光栅的光谱分辨本领通常在10⁵量级。中阶梯光栅工作在高光谱级次，其每一级光谱区很窄，只有1～10nm，因此其光谱存在级次间的重叠，需要利用交叉色散法将这些上百级次的光谱分开。

由于一个阶梯光栅对宽谱光波长都是有效闪耀的，因此阶梯光栅在宽波长范围内成为高效率闪耀光栅，高光学衍射效率成为阶梯光栅另一个重要优点。阶梯光栅还有以下几个特点:

(1)每级光谱都可以获得高的角色散；

(2)许多光谱级次可能重叠在一起，此时需用横向色散元件将级次分离后得到二维光谱，因此一次曝光可得很宽波长范围的光谱；

(3)单个光谱级次的色散角小，一般只有几度，自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀峰值附近，因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀，阶梯光栅成为高衍射效率闪耀光栅。