一种光学直角反射镜及其制造方法与流程

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技术的光学直角反射镜及其制造方法。

背景技术：

光学反射镜是光学技术中最基本、应用最广泛的光学元件/器件。根据光的反射定律，当入射光与镜面成一定入射角入射时，反射光的出射角等于光的入射角。因此，当光入射角不为零时，出射光与入射光形成一定夹角，仅当光束垂直镜面入射时，光束能够按原路返回，如果此时光学反射镜有任何角度抖动、振动，反射光束将发生偏离，无法实现按原路返回。在一些光学系统应用中，需要反射光束严格按原光路逆向反射，这些应用包括傅里叶变换光谱仪、光学迈克尔逊干涉仪、激光探测合作目标、光学精密测量等。

在光学技术中，通常采用由两面互相垂直的光学镜面构成的“直角反射镜”来实现光束原光路逆向反射。依据光学反射原理，入射光在光入射面内以不同角度(在一定范围内)入射“直角反射镜”后，均能够沿入射方向原路返回。直角反射镜在要求反射光严格逆向无偏转的光学系统中有较好的应用前景，可以极大地降低反射镜的装配难度、大幅度提高光学系统的稳定性，成为一类重要的光学元器件。利用直角反射镜实现光束逆向反射，仅当光束在入射面内改变入射角可以实现逆向反射，因此称为一维“直角反射镜”。要实现非光入射面内的光束逆向反射，需要两块直角反射镜级联，构成二维“直角反射镜”。

直角反射镜广泛地应用于科学实验和精密测量中,在精密仪器中的定位监测系统如精密机械的控制、校正中有广泛的应用。迈克尔逊干涉仪是依据光反射、干涉原理制造的应用广泛的精密光学测量仪器，将直角反射镜应用于迈克尔逊干涉仪中，不仅能够极大地降低该类仪器的装配、对位难度，而且能够极大地提高仪器稳定性、检测精度和检测范围。傅里叶变换光谱仪是一种重要的精密光谱仪器，其技术关键是运 动的光反射镜(称为“动镜”)在扫描运动过程中不发生抖动、偏转，严格保证光束逆向反射，尤其在高速、大范围动镜扫描时，这是非常困难的，成为制造傅里叶变换光谱仪的主要技术难题。利用直角反射镜作为动镜，可以极大克服动镜在扫描过程中角度抖动对仪器性能的影响、降低光学装配难度、大幅度降低制造成本。直角反射镜作为傅里叶变换光谱仪的固定反射镜也具有重要价值，可以提高仪器的抗震能力。总之，直角反射镜是一种特殊光学元件/器件，在光学系统中应用广泛。

直角反射镜在激光雷达测量、定位中有重要的应用，可以作为远距离探测合作目标，大幅度提高激光探测距离、精度。经激光雷达发射的激光束够由直角反射镜准确地逆向反射回激光雷达，因此可以在很远的距离上发现从反射镜反射回来的信号，由此可以用直角反射镜作为合作目标探测月球到地球的距离。当把直角反射镜安置在江、河、海洋的浅滩上时，领航员在自己的激光雷达屏幕上就能清晰地看见水浅的地方，避免船只搁浅，扩大激光雷达的探测距离。在军事上，直角反射镜还可以用来对抗激光雷达的侦察定位，从飞机上投下直角反射镜，由于其反射信号比飞机的强，能够转移激光雷达的“注意力”，从而飞机趁机逃之夭夭。此外，直角反射镜在光衰减器(例如下面的非专利文献1所述)、光谱测量、led封装等领域中有着广泛的应用。

非专利文献1：[1]gezhu,bing-yanwei,liang-yushi,xiao-wenlin,etc.afastresponsevariableopticalattenuatorbasedonbluephaseliquidcrystal.opticsexpress,2013(21)5:5332-5337.

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现要素：

本申请的发明人发现，在现有技术中，普通的直角反射镜是由两块光学加工的反射镜以90°夹角被装配到一起。装配过程采用手工装配，装配难度高，难以达到准确的90°夹角，并且装配后的直角反射镜体积大、重量重、成本高、不方便使用。对于较大光反射面积的直角反射镜，其体积更大、重量更重，成本很高，这些缺点极大地限制了其应用前景。

本申请提供一种基于mems技术制造的直角反射镜，能够很好地克服现有技术中直角反射镜的上述缺点。mems技术属于批量化的制造技术，具有高性能、低成本、高密度集成等优点。本申请的直角反射镜由单晶硅各向异性湿法腐蚀工艺制造，充分利用了单晶硅的晶向特征，光反射面由硅的(110)晶面构成，该晶面族与硅(100)晶面成45°夹角，两个具有一定位向关系的(110)晶面即能够形成一个严格的90°直角反射镜，其90°角度是由单晶硅的晶向严格决定的，而且本申请的(110)晶面反射镜具有高质量的光学表面，能够满足光学镜面的光洁度要求。本申请采用mems技术制造直角反射镜，无需反射镜的研磨与装配，仅需在单晶硅腐蚀掩模版中定义出腐蚀图形的位置、方向，便可以在湿法腐蚀后直接获得具有精确90°夹角的直角反射镜，具有极高的制造精度，而且将大幅度降低直角反射镜的制造成本。利用本申请的方法，能够在单晶硅片上制造出毫米级厚度的阵列式直角反射镜，从而获得较大面积的直角反射镜，大幅度减小了直角反射镜的体积、减轻重量、降低成本。此外，利本申请的方法，还可以制造出具有不同结构的直角反射镜，能够满足较多应用的需求，具有加工精度高、工艺简单、批量制造、价格低廉的优势。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种光学直角反射镜的制造方法，用于在单晶硅基片上制造光学直角反射镜，该方法包括：

在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，以形成刻槽，所述刻槽至少具有相互垂直的两侧壁，所述两侧壁为单晶硅基片的(110)晶面，其夹角为90°；

在所述刻槽的所述两侧壁覆盖光反射层，以在所述刻槽中形成直角反射镜。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述基片的表面为硅(100)晶面。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述刻槽的截面是等腰直角三角形或等腰梯形。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光反射层为金属膜或光介质高反射膜。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述湿法腐蚀所使用的腐蚀液是tmah与ipa的混合溶液。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：

在形成所述蚀刻掩模之前，在所述基片表面形成晶向定位标记图形，其中，所述蚀刻掩模的开口是以所述晶向定位标记图形为定位基准而形成的。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述方法还包括：

在覆盖所述光反射层之后，对所述基片进行切割，以形成单槽直角反射镜芯片或形成阵列式多槽直角反射镜芯片。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种光学直角反射镜，其形成于单晶硅基片上，该光学直角反射镜包括：

刻槽，其形成于基片中，并向所述基片的表面开口，其中，所述基片为单晶硅片，所述刻槽至少具有相互垂直的两侧壁，所述两侧壁为单晶硅基片(110)晶面；

以及光反射层，其至少覆盖在所述刻槽的所述两侧壁表面。

本申请的有益效果在于：根据本申请的方法制造直角反射镜，其光学质量好、精度高、体积小、批量制造、成本低，并且可以方便制造阵列式的直角反射镜，从而获得较大面积的直角反射镜。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本实施例的光学直角反射镜的制造方法的一个示意图；

图2(a)是直角三角形刻槽的截面示意图；

图2(b)是等腰梯形刻槽的截面示意图；

图3是本实施例的单晶硅片晶向定位标记图形的一个示意图；

图4是在图3的基础上形成的蚀刻掩模的一个示意图；

图5是实例的mems工艺流程图；

图6是阵列式直角反射镜芯片的一个截面图；

图7是阵列式直角反射镜芯片的立体图；

图8是梯形截面图的直角反射镜芯片示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，将基片的形成晶向定位标记图形的一面称为“上表面”，将基片的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反；并且，将与该“上表面”平行的方向称为“横向”，将与该“上表面”垂直的方向称为纵向。在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表基片在制造和使用时的实际方位。

实施例

本申请实施例提供一种光学直角反射镜的制造方法，用于在单晶硅基片上制造光学直角反射镜。

图1是该光学直角反射镜的制造方法的一个示意图，如图1所示，该制造方法包括：

s101、在基片的表面形成蚀刻掩模，该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；

s102、对形成有蚀刻掩模的所述基片进行湿法腐蚀，以形成刻槽，所述刻槽至少具有相互垂直的两个侧壁，两个所述侧壁是单晶硅(110)晶面；以及

s103、在所述刻槽的所述两侧壁覆盖光反射层，以在所述刻槽表面形成直角反射镜。

根据本实施例，能够在单晶硅片上形成由(110)晶面形成的直角反射镜，并且该直角反射镜的两镜面严格垂直，无需装配，并且能够制造出毫米级厚度的阵列式直角反射镜，具有光学反射面积大、工艺简单、批量制造和价格低廉的优势。

在本实施例中，硅基片的表面可以为(100)晶面，由此，刻槽的两个侧壁与基片的表面夹角为45°，对于接近于硅基片表面法线方向的入射光束具有最大的反射光能利用率。

当然，本申请不限于此，该硅基片也可以是定制的特殊晶向基片，其表面与硅(100)晶面之间存在不为0的夹角，例如，该夹角可以是大于0度且小于等于30度，由此，刻槽的两个侧壁与基片表面夹角可以不是45°。

在下面的说明中，以基片表面为硅(100)晶面为例进行说明。

在本申请的步骤s101中，可以包括以下步骤：

s201、在该基片的表面形成掩模层，该掩模层例如可以是氧化硅层；

s202、利用光刻掩模，通过光刻工艺，在该掩模层上形成由光刻胶形成的掩模图形，该掩模图形可以具有开口；

s203、利用掩模图形，对掩模层进行蚀刻，以形成具有开口的蚀刻掩模，由此，掩模图形中的开口被转移到蚀刻掩模，其中，对掩模层的蚀刻可以是湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀，湿法刻蚀例如可以采用含氢氟酸的腐蚀液来进行，干法刻蚀例如可以采用rie来进行。

当然，上述步骤s201-s203仅是举例，本实施例并不限于此，也可以采用其他的方法来实现上述步骤s101，以形成蚀刻掩模。

在本实施例的步骤s102中，进行湿法腐蚀的腐蚀液对基片的不同晶面可以具有不同的腐蚀速率，因此，具有较高腐蚀速率的晶面的原子层被迅速消耗，具有较低腐蚀速率的晶面的原子层被消耗得较慢，由此，具有较低腐蚀速率的晶面被留下。

例如，当基片表面是硅(100)晶面时，该腐蚀溶液可以对硅(100)晶面具有较高腐蚀速率，对硅(110)晶面具有较低的腐蚀速率，经过一定时间的腐蚀后，硅(110)晶面从蚀刻掩模的开口露出，该(110)晶面与(100)晶面具有45度的夹角，并且，在腐蚀出的刻槽中，方向相对的两个(110)晶面之间夹角为90度，如果腐蚀的时间 足够长，方向相对的两个(110)晶面相交，相交处的原子层腐蚀速率低，形成腐蚀自停止，此时，刻槽的截面是等腰直角三角形，如果缩短腐蚀的时间，刻槽底部的(100)晶面还没有被完全腐蚀掉，此时，刻槽的截面是等腰梯形，并且，梯形的上底长于梯形的下底。

图2(a)是等腰直角三角形刻槽的截面示意图，图2(b)是等腰梯形刻槽的截面示意图。如图2(a)、图2(b)所示，基片上表面201为硅(100)晶面，刻槽的侧壁202为硅(110)晶面，侧壁202与上表面201的夹角a1、a2均为45度，两个侧壁202的夹角为90度，并且，在图2(b)中，刻槽底部的(100)晶面203还没有被完全腐蚀掉。

在本实施例中，该湿法腐蚀的腐蚀液例如可以是四甲基氢氧化铵(tmah)与异丙醇(ipa)的混合溶液，但是，本实施例并不限于此，该腐蚀液也可以是其它的种类。

在本实施例的步骤s103中，可以在刻槽的两侧壁覆盖光反射层，该光反射层可以具有高的反射率，以在该刻槽表面形成直角反射镜，该光反射层可以为金属膜或光介质反射膜，其中，该金属膜例如金(au)、铝(al)薄膜等。在本实施例中，覆盖光反射层的方法例如可以是蒸发或溅射等。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括步骤s105：

s105、在形成所述蚀刻掩模之前，在所述基片表面形成晶向定位标记图形，其中，所述蚀刻掩模的开口是以所述晶向定位标记图形为定位基准而形成的。

图3是本实施例的单晶硅晶向定位标记图形的一个示意图，如图3所示，经过步骤s105，可以在基片1的上表面形成晶向定位标记图形300，该晶向定位标记图形300例如可以是以某一中心为圆点的一组射线301，相邻射线301间的夹角相等，并且，根据晶向定位精度需求，可以采用不同的夹角；此外，图3还示出了基片的原始切边11，该原始切边可以在一定的精度范围内指示硅基片的(100)晶向。

上述的一组射线301可以通过对基片1进行一定深度的腐蚀而形成，并且可以具有一定的长度，如果射线301偏离硅基片的(100)晶向，其腐蚀侧壁的层错就越多，如果射线301越接近硅基片的(100)晶向，其腐蚀侧壁的层错就越少，俯视侧壁的镜面度就越高。为了便于观察每个射线301的俯视侧壁的层错数量和镜面度，该一组射线301的腐蚀深度例如可以是几十微米，长度例如可以是几个厘米。

在本实施例中，在形成了晶向定位标记图形300的基础上，在实施步骤s101时，可以从晶向定位标记图形的多个射线中找出能够标定精确(100)晶向的射线301，在光刻机上将光刻掩模上的定位标记与该射线301对准并进行光刻，以形成光刻胶掩模图形进而形成蚀刻掩模。其中，找出用于标定精确(100)晶向的射线301的方法例如可以是，检测每一个射线301的腐蚀侧壁的层错数量和/或镜面度，将层错数量最少和/或镜面度最高的射线301作为用于标定精确(100)晶向的射线。

图4是经过步骤s105和s101后，在图3的基础上形成的蚀刻掩模示意图，如图4所示，经过步骤s105和s101后，在基片上形成蚀刻掩模，该蚀刻掩模中可以具有开口401，并且，在基片1上还可以显示出晶向定位标记图形300，其中，图4的晶向定位标记300与图3的晶向定位标记图形300的具体形状有所不同，但这只是示意，二者的具体形状实际相同。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括步骤s104：

s104、在覆盖所述光反射层之后，对所述基片进行切割，以形成单槽直角反射镜芯片或形成阵列式多槽直角反射镜芯片。

在本实施例中，如果基片1的厚度较薄，例如数百微米，则刻槽的横向开口和腐蚀深度会受到限制，其最大值也在数百微米量级，单个的直角反射镜的反射面积(主要是刻槽的宽度)受到限制，因此，可以将至少两个单槽直角反射镜并排排列，以形成阵列式多槽直角反射镜，该阵列式直角反射镜能够具备较大的反射面积。例如，当基片1的厚度较薄时，可以形成阵列式多槽直角反射镜芯片，并且其中的每一个单槽直角反射镜的截面可以是等腰直角三角形。所述的每个刻槽的开口宽度可以相等，也可以不相等。

在本实施例中，如果基片1的厚度较厚，例如数毫米至数厘米，则刻槽的横向开口和腐蚀深度可以设置得相对较大，其最大值也在数毫米至数厘米量级，因此，单个的直角反射镜的反射面积就可以被设置得较大。例如，当基片1的厚度较厚时，可以形成具有单槽直角反射镜芯片，该单槽直角反射镜的截面可以是等腰直角三角形，也可以是等腰梯形。

当然，本实施例并不限于此，根据实际的需要，在具有单槽直角反射镜芯片中，该直角反射镜的截面也可以是非等腰的直角三角形或梯形；在阵列式多槽直角反射镜芯片中，每一个刻槽的截面也可以是非等腰的直角三角形。

根据本实施例，可以由mems技术来批量制造光学直角反射镜，该光学直角反射镜能够被应用于多种光学精密测量仪器及检测设备、激光器中，解决精密光学干涉仪、激光器谐振腔安装与调试的抗震技术要求高、实现难度大等问题，尤其是扫描运动反射镜的抗抖动等关键技术问题，可以大幅度降低技术难度和装调成本，同时提高仪器的技术性能和稳定性。mems技术可以大批量制作用于激光雷达探测、测量的光学直角反射镜作为合作目标，大幅度提高激光雷达的探测距离，也可以作为未来飞机空战中的对抗激光雷达侦察的“光学诱饵”。mems光学直角反射镜的另一个重要应用是led芯片的光电封装，以改变led的出光方向。

下面，结合实例，说明本实施例的光学直角反射镜的制造方法。

图5的(a)-(f)是本实例的各步骤所对应的基片1的截面示意图。图5的(a)-(f)仅表示出单个芯片示意图，但是，实际过程为圆片级制造过程。本制作过程所制造的直角反射镜为单个v形直角反射镜芯片。

如图5所示，实例1的各步骤包括：

步骤1、如图5(a)所示，准备一片普通的(100)单晶硅基片1，电阻率为0.01～0.02ω·cm，厚度420μm，其表面为(100)晶面，并将(100)单晶硅基片1表面氧化，以形成2μm厚的氧化硅掩模层101；

步骤2、如图5(b)所示，在正面光刻并采用rie刻蚀工艺制作出晶向定位标记氧化硅掩模102；

步骤3、如图5(c)所示，采用硅湿法腐蚀工艺对硅片腐蚀，腐蚀液采用koh溶液，温度50℃，制作出用于晶向定位的晶向定位标记图形300，该晶向定位标记图形可以是三维结构，具有一定的深度和一定的长度，关于该晶向定位标记图形的说明，可以参考图3；

步骤4、从晶向定位标记图形中确定出能够精确标定硅〈100〉晶向的射线，利用光刻机精确对准该射线，采用光刻工艺制作出光刻胶掩模图形，并采用rie刻蚀工艺对氧化硅掩模层101进行刻蚀，以形成蚀刻掩模103，蚀刻掩模103如图5(d)所示；

步骤5、如图5(d)所示，采用具有一定配比的tmah与ipa的混合腐蚀液对已经制作好蚀刻掩模的基片1进行湿法腐蚀，腐蚀温度75℃，在腐蚀过程中对混合溶液进行持续搅拌,搅拌速率不低于900转/min，在腐蚀一定深度后最终形成所要求的 (110)晶面等腰直角三角形刻槽，该刻槽的两个侧壁202夹角为90度；蚀刻结束后，可以去除蚀刻掩模，如图5(e)所示；

步骤6、如图5(f)所示，在刻槽侧壁202上蒸镀ti/au，厚度作为直角反射镜的光反射膜500；

步骤7、对基片1进行划片，形成具有单个等腰直角三角形反射镜的芯片。

此外，在变形例中，可以在上述步骤7中进行划片，以形成阵列式多槽直角反射镜芯片。图6所示即为阵列式多槽直角反射镜芯片的一个截面图。

在另一个实施方式中，可以在上述步骤5中继续腐蚀，直至蚀刻掩模103自己塌陷掉，以尽量去除相邻之间的硅平台，如图6中相邻的直角三角形刻槽之间没有硅平台，图7所示为阵列式多槽直角反射镜芯片的立体图(反射膜未在图7中示出)，与图6的截面图对应。在图6和图7中，由于相邻的直角三角形刻槽之间没有平台，增大了反射镜的面积，提高了该反射镜阵列的光利用率。

此外，在变形例中，采用较厚的硅基片，可以控制上述步骤5的腐蚀时间，以形成截面为梯形的刻槽，并形成具有梯形直角反射镜的芯片。图8所示即为梯形截面图的直角反射镜芯片。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。