硅光栅的制作与应用

。 =>?@A*+ 等人利用干涉曝光和硅的 各 向 异 性
［!C］
KE0-2:?02+ L+2:2>?M2A?*: ，JKL）技术，然后双面热
氧 化 生 长 /?N$ 厚 度 大 约 为 !CC:1， 或 者 用 低 压 化 学 汽 相 沉 积 （ OLJP%） 在 表 面 生 长 !CC:1 厚 的 ，将涂 /?5G6。然后涂一薄层光刻胶（约为 !CCC:1） 有光刻胶的硅片在 QP 灯下透过带有光栅图形的光 刻掩模版进行接触曝光，然后是在显影液中使曝 光的光刻胶显影，接着在曝光图形上去除保护层， 对于 /?N$ 和 /?5G6 可以使用离子刻蚀或者湿法化学 腐 蚀 （ 仅 适 于 /?N$） 。再去除剩余的光刻胶，以
［!3， !4］
。
全息法制作光栅又称为干涉法，是利用激光 全 息 照 相 来 制 作 光 栅 ， 它 是 %&’()*+,- 和 .&
/0-12-+ 在 !#34 年 提 出 的 。 用 全 息 法 制 作 的 光 栅
没有鬼线，杂散光很低，可以制作大面积光栅。 制作全息光栅必须有可靠的干涉仪系统，具有单 模和选频的激光，以及精制的光致抗蚀剂
腐蚀技术制作周期为 !BC 和 $B7!1 的硅衍射光栅， 探索硅光栅在远紫外和极紫外的应用 光纤的耦合器
［!!， !$］
。在硅基
［!5］
材料上制作的光栅还可以用在集成光学的波导和 以及硅光电池的陷光器 。
D*0E+F: 9&GEE 等人利用各向异性腐蚀和多晶硅面微
机械工艺来制作可动闪耀硅光栅，这种微机械、 微光学 和 微 电 子 技 术 的 结 合 可 以 制 作 出 集 成 式 微型光谱仪
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微纳电子技术
!""! 年第 ! 期
!"!# 器件与技术
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栅作为母版，在母光栅上用真空镀膜方法蒸镀分 离层和铝，然后在粘接剂作用下把这层铝附着在 复制光栅的毛坯上而获得复制光栅。最早成功制 出复制光栅的是英国人托浦 （!"##） ，复制光栅的 出现解决了光栅批量制作问题，满足了光栅光谱 仪器发展的需要
［5］
。由
于全息光栅效率较低，也有采用复杂的耦合波理 论对其进行优化设计，并利用干法刻蚀技术制备 高效率的全息衍射光栅
［6］
。
随着硅微加工技术的迅速发展，带动了微电 子科学的进步，计算机及其它各种电子产品已成 为人类不可缺少的工具。与微电子产品相兼容的 集成化、微型化的产品为传统的仪器及设备打开 了新的应用空间，因而出现了微机械、微光学等 在技术上与硅微加工工艺相兼容的新学科。而光 栅在微观上的周期性，硅作为晶体材料结构上的 特殊性及其加工工艺的兼容性，使人们开始尝试 在 硅 基 材 料 上 制 作 光 栅 的 可 能 性 。 !#47 年 8&
［ $-］
利 用 $))9= 激 光 制
作了周期为 ,+-9= 的硅光 栅 。 该 方 法 与 全 息 光 栅 的制作方法类似，只不过衬底材料不同，一个是 玻璃衬底另一个是硅衬底，同时全息光栅是依赖 于 在 玻 璃 衬 底 的 光 刻 胶 上 形 成 光 栅 条 纹 而 6789接触掩模下 H( 曝光!引言
明，使用的是一种叫做镜铜的高度抛光的金属；
$% 世纪 &% 年代 ’()*+, 又发明了真空镀膜技术。在
这之后，大多数光栅都是利用在玻璃衬底上沉积 铝或金膜然后再刻划而成
［!］
衍射光栅是在平面或凹球面上刻划大量平行、 等距并且具有一定轮廓的沟槽，利用平行沟槽的 周期结构实现分光作用，根据光栅的工作方式可 以分为反射式和透射式两种，光栅毛坯通常选用 玻璃或熔融石英。光栅常用的制作方法有机械刻 划法、真空蒸发法复制光栅、全息法等。 光栅的机械刻划技术由夫琅和费于 !"!# 年发
收稿日期： $%%!U!%U&%
。为了控制槽形和沟
槽的位置，对光栅刻划机的运动精度、刀具的外 形精度以及环境的温度、湿度等要求较高，同时 在制作过程中可能由于摩擦、磨损的原因而中途 失败，生产效率低。 真空镀膜复制法是把用机械刻划法制作的光
；中科院长春光机所青年创新基金项目 （V%!W%2 ） - 中科院知识创新工程项目 （V%!W%# ）
［$］
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硅光栅的加工制作方法
硅光栅的加工主要采用体硅加工技术和表面
微加工技术，体硅加工技术和表面硅加工技术都 是基于微电子集成制作技术发展而来的。 体硅加工技术是为制作微三维结构而发展起 来的，通常是按照设计图形在硅片上有选择地去 除一部分硅材料，形成设计的微型三维结构。体 硅加工技术的关键是刻蚀技术，它包括干法和湿 法两种刻蚀技术。单晶硅片由于其特殊的晶体结 构，在腐蚀液中沿不同的晶向其腐蚀速率有很大 差别，因此又可以分为各向同性腐蚀和各向异性 腐蚀，对于硅片的 （!CC ）面的刻蚀速率可以比它 的 （!!! ）面的刻蚀速率高 !CC 倍，也可以采用重 掺杂法和电化学止停刻蚀法进行有选择性的刻蚀。 干 法 刻 蚀 主 要 采 用 物 理 法 （溅 射 、 离 子 刻 蚀 ） 和 化学等离子刻蚀 （反应离子刻蚀） ，适用于各向同 性和各向异性刻蚀。表面硅加工技术是以硅片作 基片，通过电极与光刻形成多层薄膜图形，再把 下面的牺牲层经刻蚀去除，保留上面结构图形的 加工方法。面硅加工技术与体硅加工技术的主要 区别是它不直接对硅片本身进行加工，而是对硅 片 上 淀 积 的 薄 膜 （通 常 是 多 晶 硅 、 氧 化 硅 和 氮 化 硅等）进行加工，有选择地保留或去除部分薄膜 材料以形成所需的图形
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单晶硅 （,-- ） 沉积二氧化硅 涂光刻胶
!"%&’， 作 为 反 射 光 栅 还 要 在 ( 形 凹 槽 的 表 面 镀 上
一层增反膜
［)， *， +， ,-， ,+］
。
相互作用形成周期槽型。可以通过干涉仪控制曝 光干涉条纹的周期，采用激光功率的输入控制槽 深 ， 6789 6789:;<89 等 人
92:; 和 /&82:; 首 次 在 论 文 中 报 道 了 利 用 硅 加 工
技术制作光栅 的领域。 硅在近红外波段范围内具有非常好的光学特 性 （高折射率和低损耗） ，是制作近红外光栅的极 好 的 材 料 ， 又 由 于 使 用 微 机 械 加 工 技 术 （各 向 异 性腐蚀技术） ，可以直接在硅材料表面制作光 栅
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。
微纳电子技术
!""! 年第 ! 期
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!"#$%&’&%()(#*$%&"# +(#,&%)%-./ !"#$%&$’ ())(
!"!# 器件与技术
!"!# $%&’(% ) *%(+,-.-/0 !"#$ 和 !"%&’ 作掩蔽层，在氢氧化钾溶液中进行湿
法腐蚀硅，得到 ( 形凹槽，再去除掩蔽层 !"#$ 和 由于高功率激光器的发展，用激光直写硅表 面光栅也成为一种很重要的方法。简言之，应用 激光直写制作光栅就是利用激光干涉条纹对样品 曝光的过程。干涉条纹亮线处的光子与样品材料
［ ,5］
。这一方法开拓了制作硅光栅的一种新途
径，即利用单晶硅的各向异性特性来获得锯齿状 外形的光栅。这种光栅的制作成功与否取决于对
’(’) 器件与技术
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硅光栅的制作与应用
鞠 挥，吴一辉，王立鼎 !
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 （!%大连理工大学，辽宁 大连