硅基狭缝结构及其制备方法

1.本发明涉及到光学狭缝领域，特别涉及硅基狭缝结构及其制备方法。


背景技术：

2.理想的光学狭缝光学特性如图1所示，入射光从入射面照射狭缝，在出射面狭缝对应的位置，光束100％通过；在出射面非狭缝位置，无光束通过，即t1＝0；在入射面的非狭缝位置，反射光强为0，即r1＝0％。传统的狭缝采用激光在金属薄板上制备狭缝，当狭缝的尺寸进一步减小时，例如小于10μm，激光加工金属薄板的边缘形貌不能满足狭缝的要求。另外，金属薄板狭缝在入射面的吸光处理通常采用硼砂的工艺，不能实现100％的吸光。


技术实现要素：

3.本发明为解决上述问题，本发明的目的在于结构简单、成本低、尺寸小的硅基狭缝结构。
4.为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
5.硅基狭缝结构，包括硅基片、狭缝、梯形槽、吸光材料层和金属保护层；
6.硅基片的晶面晶向为《111》；
7.硅基片的入射面开设有至少一个的狭缝，狭缝供入射光通过硅基片；
8.硅基片的出射面开设有梯形槽；
9.从硅基片的入射面至其出射面方向，梯形槽的槽宽逐渐变大；在硅基片的纵截面上，所有狭缝与梯形槽相通，并且梯形槽的槽底的两端与每个狭缝具有间隔；
10.吸光材料层位于硅基片的入射面上，用以减小入射光的反射；
11.金属保护层位于硅基片的出射面上，用以防止杂散光透过硅基片。
12.进一步的，吸光材料层为黑硅结构。
13.进一步的，金属保护层的材料为au、al、ni、a、pt中的任一种。
14.进一步的，梯形槽由湿法刻蚀工艺制备。
15.一种用于制备硅基狭缝结构的制备方法，包括以下步骤：
16.s1、提供硅基片；
17.s2、在入射面上制备第二保护膜，在出射面上制备第一保护膜；
18.s3、制备狭缝和梯形槽；
19.其中制备狭缝的步骤包括：在第二保护膜的部分区域上覆盖第二光刻胶层，以暴露出第二保护膜上的与狭缝的位置对应的区域；刻蚀第二保护膜和硅基片以形成狭缝；去除第二光刻胶层；
20.其中制备梯形槽的步骤包括：在第一保护膜的部分区域上覆盖第一光刻胶层，以暴露出第一保护膜上的与梯形槽的位置对应的区域；刻蚀第一保护膜和硅基片以形成梯形槽；去除第一光刻胶层；
21.s4、去除第一保护膜和第二保护膜；
22.s5、在硅基片上制备黑硅结构；
23.s6、在硅基片上制备金属保护层；
24.s7、切割硅基片、黑硅结构和金属保护层以分离出单件的硅基狭缝结构。
25.进一步的，在步骤s5中通过干法刻蚀、湿法刻蚀、飞秒激光加工中的任一种方法制备黑硅结构。
26.进一步的，在步骤s6中通过真空电子束蒸镀、溅射、热蒸发中的任一种方法制备金属保护层。
27.进一步的，步骤s2中的第二保护膜和第一保护膜的材料分别是sio2、si3n4、al2o3、cr中的任一种。
28.进一步的，步骤s2中的第二保护膜和第一保护膜的材料均是sio2，制备第一保护膜和第二保护膜的方法采用磁控溅射、离子束沉积、化学气相沉积、热氧化法、溶胶-凝胶法中的任一种。
29.进一步的，在步骤s3中采用干法刻蚀方法刻蚀第二光刻胶层和硅基片。
30.本发明能够取得以下技术效果：
31.本发明特别适用于光阑中，本发明采用常用的半导体硅材料加工工艺，具有大批量制备和成本低的优点，更适用于小狭缝的应用场景。
附图说明
32.图1是理想的光学狭缝的光学特性结构示意图；
33.图2是本发明公开的单狭缝的硅基狭缝结构的结构示意图；
34.图3是本发明公开的多狭缝的硅基狭缝结构的结构示意图；
35.图4是本发明公开的制备方法的流程图；
36.图5是本发明公开的硅基片的结构示意图；
37.图6是本发明公开的制备保护膜后的硅基片的结构示意图；
38.图7是本发明公开的具有第一光刻胶层的硅基片的结构示意图；
39.图8是本发明公开的刻蚀第一保护膜后的硅基片的结构示意图；
40.图9是本发明公开的制备梯形槽后的硅基片的结构示意图；
41.图10是本发明公开的去除第一光刻胶层后的硅基片的结构示意图；
42.图11是本发明公开的具有第二光刻胶层的硅基片的结构示意图；
43.图12是本发明公开的刻蚀第二保护膜的硅基片的结构示意图；
44.图13是本发明公开的制备狭缝后的硅基片的结构示意图；
45.图14是本发明公开的去除保护膜后的硅基片的结构示意图；
46.图15是本发明公开的制备黑硅结构后的硅基片的结构示意图；
47.图16是本发明公开的制备金属保护层后的硅基片的结构示意图。
48.附图标记：
49.硅基片1、狭缝2、梯形槽3、吸光材料层4、金属保护层5、第一保护膜11、第二保护膜12、第一光刻胶层13、第二光刻胶层14。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
51.如图2-3所示的硅基狭缝结构，从上到下依次包括吸光材料层4狭缝2、硅基片1、梯形槽3和金属保护层5。狭缝2和梯形槽3共同形成的通孔贯穿整个硅基狭缝结构。
52.其中，硅基片1是单晶的，其晶面晶向为《111》，硅基片具有相对的入射面和出射面，这两个面之间的厚度一般在几十到几百微米。硅基片的形状不做限定，可以是长方形、正方形、三角形、圆形等。
53.其中，狭缝2开设在硅基片1的入射面，其宽度通常在几微米到几十毫米之间。特别地，本发明的狭缝可以包括如图2所示的一个狭缝；或如图3所示的多个狭缝、狭缝的宽度可以相同或者不同，多个狭缝并置在硅基片1的宽度方向上。狭缝2供入射光通过硅基狭缝结构。
54.其中，梯形槽3位于硅基片1的出射面，狭缝2的长度方向和梯形槽3的长度方向分别沿硅基片1的长度方向布置。从硅基片1的入射面至其出射面方向，梯形槽3的槽宽逐渐变大。使得在硅基片1的纵截面上，梯形槽3的顶边位于硅基片的内部。梯形槽3与狭缝2连通，并且梯形槽3的槽底(即顶边)的两端与每个狭缝2具有间隔。设计间隔指的是，狭缝2只有一个时，梯形槽3的顶边宽于狭缝的宽度；狭缝2具有多个时，顶边的两个端点与狭缝2之间具有间隔，保留有硅基片1。入射光经过狭缝2后，光线会发散，所以狭缝2的后面是梯形的梯形槽，防止光线照到硅材料上。《111》晶向的硅采用湿法刻蚀，做出来天然就是梯形的，从而快速得到梯形槽3。
55.其中，吸光材料层4位于硅基片1的入射面上，用以减小入射光的反射。优选黑硅结构，黑硅结构为不规则的硅柱丛林，黑硅结构的制备可采用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者飞秒激光加工等。黑硅结构的功能是吸收入射光，防止反射。黑硅本质和硅基是同一种材料，黑硅只是硅的类似森林的结构(尺寸很小)，其优点是同种材料，不需要引入其他材料和制备方法。吸光材料层4也可以采用高吸收率一般大于90％的其他吸光材料。
56.其中，金属保护层5位于硅基片1的出射面上，用以防止杂散光透过硅基片1。金属保护层5的材料为au、al、ni、a、pt中的任一种，但不限于这些。金属反射层5的厚度根据实际需求设置，其功能是防止光透过。
57.一种硅基狭缝结构的制备方法，包括以下步骤：
58.s1、提供硅基片1；如图4所示，硅基片1通常为4寸、6寸、8寸或者12寸的硅片，在硅片上可以同时制备多个硅基狭缝结构。
59.s2、如图6所示，在入射面上制备第二保护膜12，在出射面上制备第一保护膜11；优选这两个保护膜均为sio2薄膜。在硅基片1上下两个表面制备第一sio2薄膜和第二sio2薄膜；sio2薄膜生长可以采用磁控溅射、离子束沉积、化学气相沉积、热氧化法及溶胶-凝胶法等。sio2薄膜在后续si刻蚀工艺中起到保护图形的作用，也可以采用其他的具有保护功能的薄膜材料，比如si3n4薄膜、al2o3薄膜、cr膜等。
60.s3、制备狭缝2和梯形槽3；制备狭缝2或梯形槽3之间没有先后顺序要求。
61.其中，制备梯形槽3的步骤包括：在第一保护膜11的部分区域上做第一光刻胶层
13，如图7所示，以暴露出第一保护膜11上的与梯形槽3的位置对应的区域；
62.刻蚀第一保护膜11未被光刻胶覆盖的部分，如图8所示；刻蚀方法可以是湿法刻蚀，或者干法刻蚀；
63.刻蚀硅基片1，制备梯形槽3，如图9所示；刻蚀方法可以是湿法刻蚀，或者干法刻蚀；
64.去除第一光刻胶层13，如图10所示。
65.其中，制备狭缝2的步骤包括：
66.在第二保护膜12上做第二光刻胶14，如图11所示；在第二保护膜12的部分区域上覆盖第二光刻胶层14，以暴露出在第二保护膜12上的与狭缝2的位置对应的区域；
67.刻蚀第二保护膜12未被光刻胶覆盖的部分，如图12所示；刻蚀方法可以是湿法刻蚀，或者干法刻蚀；
68.刻蚀硅基片1，制备狭缝2，如图13所示；为了更好控制狭缝2的宽度，通常采用干法刻蚀工艺；
69.s4、去除第二光刻胶14、第一sio2薄膜和第二sio2薄膜，如图14所示；
70.s5、在硅基片1上制备黑硅结构；如图15所示；黑硅结构4与狭缝结构2位于硅基片的同一侧；黑硅结构的制备方法可采用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者飞秒激光加工等。
71.s6、在硅基片1上制备金属保护层5；如图16所示；金属反射层5与梯形槽3位于硅基片1的同一侧；金属反射层材料可以是au、al、ni、ag、pt等，但不限于这些。其制备方法可采用真空电子束蒸镀、溅射、热蒸发等。
72.s7、切割硅基片1、黑硅结构和金属保护层5以分离出单件的硅基狭缝结构。特别是步骤s1中排布了多个硅基狭缝结构时，切割硅片，将整个硅片切成如图2所示的单个狭缝器件。
73.本发明中狭缝的尺寸由光刻工艺的精度决定，克服了传统金属加工采用激光切割，做不了小尺寸狭缝的问题；本硅基狭缝在小尺寸狭缝制备中具有高精度的优势；狭缝的入射面采用黑硅结构，可实现高的光吸收率，减小反射光的不良影响；出射面镀金属膜，防止漏光。
74.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
75.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
76.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.硅基狭缝结构，其特征在于，包括硅基片(1)、狭缝(2)、梯形槽(3)、吸光材料层(4)和金属保护层(5)；所述硅基片(1)的晶面晶向为<111>；所述硅基片(1)的入射面开设有至少一个的所述狭缝(2)，所述狭缝(2)供入射光通过所述硅基片(1)；所述硅基片(1)的出射面开设有梯形槽(3)；从所述硅基片(1)的入射面至其出射面方向，所述梯形槽(3)的槽宽逐渐变大；在所述硅基片(1)的纵截面上，所有所述狭缝(2)与所述梯形槽(3)相通，并且所述梯形槽(3)的槽底的两端与每个所述狭缝(2)具有间隔；所述吸光材料层(4)位于所述硅基片(1)的入射面上，用以减小所述入射光的反射；所述金属保护层(5)位于所述硅基片(1)的出射面上，用以防止杂散光透过所述硅基片(1)。2.根据权利要求1所述的硅基狭缝结构，其特征在于，所述吸光材料层(4)为黑硅结构。3.根据权利要求1所述的硅基狭缝结构，其特征在于，所述金属保护层(5)的材料为au、al、ni、a、pt中的任一种。4.根据权利要求1所述的硅基狭缝结构，其特征在于，所述梯形槽(3)由湿法刻蚀工艺制备。5.一种用于制备权利要求2所述的硅基狭缝结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、提供所述硅基片(1)；s2、在所述入射面上制备第二保护膜(12)，在所述出射面上制备第一保护膜(11)；s3、制备所述狭缝(2)和所述梯形槽(3)；其中制备所述狭缝(2)的步骤包括：在所述第二保护膜(12)的部分区域上覆盖第二光刻胶层(14)，以暴露出所述第二保护膜(12)上的与所述狭缝(2)的位置对应的区域；刻蚀所述第二保护膜(12)和所述硅基片(1)以形成所述狭缝(2)；去除所述第二光刻胶层(14)；其中制备所述梯形槽(3)的步骤包括：在所述第一保护膜(11)的部分区域上覆盖第一光刻胶层(13)，以暴露出所述第一保护膜(11)上的与所述梯形槽(3)的位置对应的区域；刻蚀所述第一保护膜(11)和所述硅基片(1)以形成所述梯形槽(3)；去除所述第一光刻胶层(13)；s4、去除所述第一保护膜(11)和所述第二保护膜(12)；s5、在所述硅基片(1)上制备所述黑硅结构；s6、在所述硅基片(1)上制备所述金属保护层(5)；s7、切割所述硅基片(1)、所述黑硅结构和所述金属保护层(5)以分离出单件的硅基狭缝结构。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤s5中通过干法刻蚀、湿法刻蚀、飞秒激光加工中的任一种方法制备所述黑硅结构。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤s6中通过真空电子束蒸镀、溅射、热蒸发中的任一种方法制备所述金属保护层(5)。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的所述第二保护膜(12)
和第一保护膜(11)的材料分别是sio2、si3n4、al2o3、cr中的任一种。9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中的所述第二保护膜(12)和所述第一保护膜(11)的材料均是sio2，制备所述第二保护膜(12)和所述第一保护膜(11)的方法采用磁控溅射、离子束沉积、化学气相沉积、热氧化法、溶胶-凝胶法中的任一种。10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤s3中采用干法刻蚀方法刻蚀所述第二光刻胶层(14)和所述硅基片(1)。

技术总结
本发明提供硅基狭缝结构及其制备方法，包括硅基片、狭缝、梯形槽、吸光材料层和金属保护层；硅基片的晶面晶向为(111)；硅基片的入射面开设有至少一个的狭缝，狭缝结构供入射光通过硅基片；硅基片的出射面开设有梯形槽，狭缝的长度方向和梯形槽的长度方向分别沿硅基片的长度方向布置；从入射面至其出射面方向，梯形槽的槽宽逐渐变大；在硅基片的纵截面上，所有狭缝与梯形槽相通，并且梯形槽的槽底的两端与每个狭缝具有间隔；吸光材料层位于硅基片的入射面上，用以减小入射光的反射；金属保护层位于硅基片的出射面上，用以防止杂散光透过硅基片。本发明采用常用的半导体硅材料加工工艺，具有大批量制备和成本低的优点。具有大批量制备和成本低的优点。具有大批量制备和成本低的优点。


技术研发人员：陶金 李盼园 樊凯莉 孙文超 朱立财 吕金光 秦余欣 王惟彪 梁静秋
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8