專利名稱：一種狹縫裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種狹縫裝置及其制作方法，特別是涉及一種能用來進行光路選取的狹縫裝置，以及這種狹縫裝置的制作方法。
背景技術(shù)：
近幾年來，光學技術(shù)的不斷發(fā)展促使光學儀器的精確度、微型化要求進一步提高。光縫、光闌屬于光學實驗中的工作部件，是光學實驗和現(xiàn)代光學技術(shù)測量中的關(guān)鍵部件。傳統(tǒng)的狹縫是通過調(diào)節(jié)兩個平行刀片之間的間隙達到的，這種設(shè)計現(xiàn)在多用于光路選取，由于其可調(diào)性，能達到大多數(shù)光路的要求(潘德江，楊岳軍，陳冬穎，狹縫刀片的制造工藝，合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，1998，21(S1)，110-113)。在高、中級的光譜儀器中，狹縫刀片是儀器的重要零件，它不僅精度要求高，制造難度大，加工工藝復雜(通常包括沖料、銑、磨、鉆孔、銼、熱處理等多道工藝程序)，還直接影響線光源的質(zhì)量和整臺儀器的靈敏度；同時，狹縫機構(gòu)是由調(diào)寬機構(gòu)和讀數(shù)機構(gòu)兩部分組成，其傳動形式分螺旋、杠桿、楔形框和斜塊傳動等，狹縫機構(gòu)體積大，難于實現(xiàn)節(jié)省空間的設(shè)計，刀片的平行性允差要求非常高高；而且，由于在組裝的過程中需要特定的夾具或者工具，組裝的步驟地數(shù)目增加，組裝的操作不能簡化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種狹縫裝置及其制作方法，以克服現(xiàn)有的狹縫設(shè)計與制作技術(shù)的不足。本發(fā)明采用微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝制作狹縫裝置，并提供了一套制作該狹縫裝置的工藝流程。該狹縫裝置分兩個部分位于中心的狹縫芯片和狹縫芯片輔助裝置，如圖1所示。狹縫裝置主要用于濾光，選取一定大小的入射光束透過，狹縫芯片中心含有一定尺寸大小的狹縫，狹縫部分可以讓光線通過，而狹縫外側(cè)是由不透光的材料制成，用于屏蔽和濾除不需要的入射光束；狹縫芯片輔助裝置起著固定、安裝或調(diào)節(jié)狹縫芯片的作用。狹縫芯片上狹縫的大小可根據(jù)實際需要進行選取，狹縫芯片輔助裝置也可根據(jù)實際光路進行改進。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是1、狹縫芯片主體材料的選取，硅材料在KOH腐蝕液中會發(fā)生各向異性腐蝕，尤其晶面為(100)的硅片在氧化層保護下可以在KOH腐蝕液中腐蝕形成凹槽結(jié)構(gòu)；2、單面腐蝕和雙面腐蝕的選擇，根據(jù)二氧化硅與硅在KOH腐蝕液中選擇比，合理利用一定厚度的氧化層作為狹縫的保護層進行腐蝕，雙面腐蝕可以比單面腐蝕快一倍，而且所需的氧化層厚度要薄很多；3、狹縫尺寸的設(shè)計與控制，晶面為(100)的硅片腐蝕形成的斜面與硅片表面成54.74°的傾角，所以在進行狹縫設(shè)計的時候必須計算好氧化層開孔大小，如氧化層開孔尺寸太大，腐蝕后形成的狹縫寬度就會大于入射光束，不能達到濾光作用，相反，如果氧化層開孔尺寸太小就可能發(fā)生不能腐蝕穿的現(xiàn)象；4、狹縫芯片輔助裝置的設(shè)計與調(diào)節(jié)，在外圍輪廓上制作出可以正好卡住狹縫的凹槽，利用輪廓上制作好的凹槽可以調(diào)節(jié)狹縫的方向，在該輔助裝置的四周加螺釘固定。
本發(fā)明中狹縫裝置的主體結(jié)構(gòu)——狹縫芯片的制作方法有兩種方法。1、晶面為(100)的硅片氧化后，光刻膠保護背面氧化層，進行正面氧化層開孔；然后進行背面對準，光刻膠保護正面氧化層，進行背面氧化層開孔；最后將兩側(cè)氧化層都開孔的硅片放入一定溫度和一定濃度的氫氧化鉀(KOH)溶液中進行各向異性腐蝕，一直到硅片被腐蝕穿，就形成了一定大小的狹縫。2、晶面為(100)的硅片氧化后，光刻膠在正面，光刻、顯影、堅膜后，再在背面進行對準、光刻、顯影、堅膜，然后進行氧化層開孔，最后在KOH溶液中進行各向異性腐蝕。
具體地說，該狹縫裝置的制作過程可分三大步驟進行首先，用L-Edit版圖設(shè)計軟件(L-Edit Win32 9.00，A Division of TannerResearch，Inc.提供)設(shè)計掩膜版，其中涉及到設(shè)計狹縫的數(shù)目和分布、狹縫寬度和長度、狹縫芯片的尺寸大小。假設(shè)硅片厚度為T，進行雙面腐蝕后所需得到的狹縫尺寸為L×W(L為狹縫長度，W為狹縫寬度)，先應根據(jù)腐蝕傾角θ來計算氧化層開孔的尺寸為(L+T×ctg(θ))×(W+T×ctg(θ))，氧化層開孔尺寸就是掩模版上設(shè)計狹縫的尺寸。狹縫芯片的大小可以根據(jù)實際需要設(shè)計，可大可小。
接著，將掩模版上的圖形通過光刻膠光刻、顯影、堅膜等過程轉(zhuǎn)移到氧化層厚度為2μm的硅片(晶面為(100)，峨嵋半導體材料廠)正面上，并在硅片背面甩涂光刻膠保護氧化層，然后利用氧化硅腐蝕液(比如，氫氟酸∶氟化銨∶水的配比為3ml∶6g∶9ml)腐蝕，正面氧化層就腐蝕出了狹縫成型前圖形；然后在硅片背面進行同樣步驟，不同之處在于需要進行與正面已經(jīng)腐蝕圖形進行對準，同樣可以腐蝕出狹縫成型前圖形；最后利用質(zhì)量含量為40％的KOH腐蝕液在50℃條件下進行各向異性腐蝕，腐蝕穿整個硅片就可形成預先設(shè)計好的狹縫?；蛘?，將掩模版上的圖形通過光刻膠光刻、顯影、堅膜等過程轉(zhuǎn)移到氧化層厚度為2μm的硅片(晶向為(100))正面后，在硅片背面甩涂光刻膠進行背面對準、光刻、顯影、堅膜等過程，然后利用氧化硅腐蝕液(比如，氫氟酸∶氟化銨∶水的配比為3ml∶6g∶9ml)進行氧化層圖形化，正反兩面氧化層就形成狹縫成型前圖形；最后，同樣利用KOH腐蝕液腐蝕穿硅片就可得到狹縫。
最后，根據(jù)狹縫芯片輔助裝置的設(shè)計尺寸利用聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，)板銑削、切割加工制成含有一定深度的凹槽，將PMMA板中心掏空形成中空結(jié)構(gòu)能使光路直接照射在狹縫芯片上，并在板的四角打孔以便用螺釘對狹縫芯片進行夾持固定，如圖1(3)和(4)所示。
綜上所述設(shè)計的狹縫裝置是由位于中心的狹縫芯片和狹縫芯片輔助裝置兩部分構(gòu)成，狹縫芯片安放在狹縫芯片輔助裝置的中空結(jié)構(gòu)中，并在其四角打孔用螺釘對狹縫芯片進行夾持固定，而狹縫芯片中心含有一定大小的狹縫。由此可見，本發(fā)明提供的狹縫裝置及制作方法具有以下五個特點(1)本發(fā)明制成的狹縫裝置與傳統(tǒng)制作狹縫的設(shè)計不同，避免了傳統(tǒng)狹縫的調(diào)寬機構(gòu)和讀數(shù)機構(gòu)在多次使用后發(fā)生偏差，而通過腐蝕工藝在硅襯底中間形成狹縫，其邊緣無需調(diào)節(jié)，其尺寸由掩模版曝光尺寸決定。
(2)本發(fā)明中的狹縫芯片制作方法與傳統(tǒng)制作方法不同，本發(fā)明所述的狹縫芯片是利用晶面為(100)的硅襯底在KOH溶液中的各向異性腐蝕，晶面(100)與晶面(111)的腐蝕速率比達到400∶1，夾角達到54.74°，當腐蝕過程從硅襯底兩面同時開始，可以將襯底腐蝕穿，形成夾角為109.48°的刃口，兩個平行的刃口形成狹縫。
(3)通過改變掩模版曝光尺寸可以制得不同尺寸的狹縫，可自主設(shè)計，制成的狹縫精確度高，穩(wěn)定性強，不易損壞。
(4)本發(fā)明中狹縫芯片輔助裝置利用PMMA聚合物板固定、安裝或調(diào)節(jié)狹縫芯片，制作簡單可行，對狹縫破壞小。
(5)本發(fā)明中狹縫裝置可根據(jù)實際需要制作，體積小、組裝簡單，便于光學檢測儀器的微型化。


圖1狹縫裝置及其部件示意圖(1)含有狹縫的狹縫芯片的正視示意圖(2)含有狹縫的狹縫芯片的側(cè)視示意圖(3)狹縫芯片輔助裝置單層的正視示意圖(4)狹縫芯片輔助裝置單層的側(cè)視示意圖(5)狹縫裝置的正視示意圖(6)狹縫裝置的側(cè)視示意2狹縫芯片的制作流程一示意中(1)為芯片在制作流程中的側(cè)視圖，(2)為芯片在制作流程中的正視圖(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)和(g)為工藝步驟，具體為(a)-清洗(100)硅襯底(b)-硅片雙面氧化(c)-硅片正面光刻 (d)-光刻膠保護下正面氧化層開孔(e)-硅片背面對準、光刻 (f)-光刻膠保護下背面氧化層開孔(g)-在KOH溶液腐蝕，直至腐蝕穿圖3狹縫芯片的制作流程二示意中(1)為芯片在制作流程中的側(cè)視圖，(2)為芯片在制作流程中的正視圖(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)和(g)為工藝步驟，具體為(a)-清洗(100)硅襯底(b)-硅片雙面氧化(c)-硅片正面光刻 (d)-硅片背面對準、光刻(e)-光刻膠保護下雙面氧化層開孔 (f)-在KOH溶液腐蝕，直至腐蝕穿1-狹縫芯片2-狹縫3-狹縫芯片輔助裝置4-狹縫芯片輔助裝置上中空部分5-狹縫芯片輔助裝置上凹槽 6-狹縫芯片輔助裝置上螺栓位置7-狹縫裝置8-掩模版I9-掩模版II10-(100)硅片11-氧化硅 12-正性光刻膠13-開孔的氧化硅具體實施方式
通過下面的具體實施方式
以進一步闡明本發(fā)明所提供的狹縫裝置及制作方法包括三部分1、狹縫裝置主體結(jié)構(gòu)——狹縫芯片的整體設(shè)計；
2、狹縫裝置主體結(jié)構(gòu)——狹縫芯片的制作工藝；3、狹縫裝置的組裝。
實施例寬度分別為100μm、150μm和200μm狹縫裝置的制作設(shè)計該狹縫裝置時考慮以下多個參數(shù)狹縫底座高度調(diào)節(jié)、狹縫外圍輪廓中凹槽尺寸和角度選擇、狹縫開孔的尺寸、掩模版開孔尺寸、狹縫芯片大小、正反面光刻對準標記大小等等。將設(shè)計好的圖形分別制成掩膜版I和II，將分別用于硅片正面和背面光刻。100μm×2000μm、150μm×2000μm和200μm×2000μm狹縫芯片設(shè)計在一片硅片(晶面為(100)、厚度為450μm)和一次工藝流程制作出，根據(jù)(L+T×ctg(θ))×(W+T×ctg(θ))可以計算出掩模版開孔尺寸分別為420μm×2320μm、470μm×2320μm和520μm×2320μm，單個狹縫芯片大小為1cm×1cm。具體制作工藝，包括下列步驟首先，制作狹縫裝置主體結(jié)構(gòu)——狹縫芯片，有兩種方法，第一種方法，如圖2所示(1)基底處理4英寸硅片作為襯底，按半導體制作標準工藝清洗后前烘，如圖2(a)；(2)放入氧化爐進行表面氧化，氧化層厚度約為2μm，如圖2(b)；(3)氧化后在硅片正面甩涂正性光刻膠，110℃熱板烘箱烘1min，利用制好的掩模版I進行曝光，如圖2(c)；(4)顯影并在120℃熱板上堅膜1min后，硅片背面涂膠保護氧化層，120℃烘箱再堅膜25min，用氧化硅腐蝕液(配比為3ml∶6g∶9ml的HF∶NH4F∶H2O的腐蝕液)去除暴露出的氧化硅，如圖2(d)；(5)背面硅片甩涂光刻膠，110℃熱板烘箱烘1min，利用制好的掩模版II進行背面對準并曝光，如圖2(e)；(6)顯影并在120℃熱板上堅膜1min后，硅片正面涂膠保護氧化層，120℃烘箱再堅膜25min，用氧化硅腐蝕液(配比為3ml∶6g∶9ml的HF∶NH4F∶H2O的腐蝕液)去除暴露出的氧化硅，如圖2(f)(7)將氧化層開孔好的硅片放入50℃的KOH腐蝕液(質(zhì)量含量為40％)中進行自停止腐蝕，直到硅片被腐蝕穿，如圖2(g)；第二種方法，如圖3所示(8)基底處理4英寸硅片作為襯底，按半導體制作標準工藝清洗后前烘，如圖3(a)；(9)放入氧化爐進行表面氧化，氧化層厚度約為2μm，如圖3(b)；(10)氧化后在硅片正面甩涂正性光刻膠，110℃熱板烘箱烘1min，利用制好的掩模版I進行曝光，如圖3(c)；(11)顯影并在120℃熱板上堅膜1min后，硅片背面涂膠保護氧化層，利用制好的掩模版II進行背面對準、曝光、顯影，并在120℃烘箱堅膜25min，如圖3(d)；(12)用氧化硅腐蝕液(配比為3ml∶6g∶9ml的HF∶NH4F∶H2O的腐蝕液)去除暴露出的氧化硅，如圖3(e)；(13)將氧化層開孔好的硅片放入50℃的KOH腐蝕液(質(zhì)量含量為40％)中進行自停止腐蝕，直到硅片被腐蝕穿，如圖3(f)；最后，利用PMMA板在聚合物雕刻機上銑削制作出狹縫芯片輔助裝置，其中凹槽大小為1cm×1cm，深度為0.2mm，凹槽中心8mm×8mm區(qū)域被掏空，狹縫芯片放入凹槽正好卡住，而且狹縫不會被凹槽邊緣阻擋，這樣將兩個相同的輪廓從狹縫芯片兩側(cè)都卡住后，狹縫芯片就會固定，這樣狹縫裝置就制成了。如果狹縫芯片輔助裝置的凹槽在制作過程中沿中心轉(zhuǎn)任意角度，就可以調(diào)節(jié)狹縫芯片的位置滿足光路需要。
權(quán)利要求
1.一種狹縫裝置，其特征在于所述的狹縫裝置是由位于中心的狹縫芯片和狹縫芯片輔助裝置兩部分構(gòu)成，狹縫芯片安放在狹縫芯片輔助裝置的中空結(jié)構(gòu)中，狹縫芯片中心含有一定大小的狹縫，狹縫芯片鋪助裝置固定狹縫芯片。
2.按權(quán)利要求1所述的狹縫裝置，其特征在于所述的狹縫是通過腐蝕工藝在硅襯底中間形成的，其尺寸由掩膜版曝光尺寸決定，改變掩膜版曝光尺寸可制成不同尺寸的狹縫。
3.按權(quán)利要求1所述的狹縫裝置，其特征在于所述的狹縫芯片輔助裝置是通過四角打孔螺釘對狹縫芯片進行夾持固定的。
4.按權(quán)利要求1所述的狹縫裝置，其特征在于所述的狹縫由兩平行的刃口形成的，刃口的夾角為109.48°。
5.制作如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的狹縫裝置的方法，其特征在于所述的狹縫裝置的制作過程分為三大步驟首先，用L-Edit版圖設(shè)計軟件設(shè)計掩膜版，其中涉及到設(shè)計狹縫的數(shù)目和分布、狹縫寬度和長度、狹縫芯片的尺寸大?。黄浞椒ㄊ羌僭O(shè)硅片厚度為T，進行雙面腐蝕后所需得到的狹縫尺寸為L×W，L為狹縫長度，W為狹縫寬度，先應根據(jù)腐蝕傾角θ來計算氧化層開孔的尺寸為(L+T×ctg(θ))×(W+T×ctg(θ))，氧化層開孔尺寸就是掩模版上設(shè)計狹縫的尺寸；狹縫芯片的大小可以根據(jù)實際需要設(shè)計，可大可??；第二步是，將掩模版上的圖形通過光刻膠光刻、顯影、堅膜等過程轉(zhuǎn)移到氧化層厚度為2μm，晶面為(100)的硅片正面上，并在硅片背面甩涂光刻膠保護氧化層，然后利用氧化硅腐蝕液腐蝕，正面氧化層就腐蝕出了狹縫成形前的圖形；然后在硅片背面進行同樣的步驟，且需要進行與正面已經(jīng)腐蝕圖形進行對準，同樣可以腐蝕出狹縫成形前圖形；最后利用質(zhì)量百分含量為40％的KOH腐蝕液在50℃條件下進行各向異性腐蝕，腐蝕穿整個硅片就可形成預先設(shè)計好的狹縫；或者，將掩模版上的圖形通過光刻膠光刻、顯影、堅膜過程轉(zhuǎn)移到氧化層厚度為2μm，晶面為(100)硅片正面后，在硅片背面甩涂光刻膠進行背面對準、光刻、顯影、堅膜等過程，然后利用氧化硅腐蝕液進行氧化層圖形化，正反兩面氧化層就形成狹縫成型前圖形；最后，同樣利用KOH腐蝕液腐蝕穿硅片就可得到狹縫；最后，根據(jù)狹縫芯片輔助裝置的設(shè)計尺寸利用聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯板銑削、切割加工制成含有一定深度的凹槽，再將板的中心掏空形成中空結(jié)構(gòu)，狹縫芯片放入中空結(jié)構(gòu)，使光路直接照射在狹縫芯片上，并在板的四角打孔以便用螺釘對狹縫芯片進行夾持固定。
6.按權(quán)利要求5所述的狹縫裝置的制作方法，其特征在于第二步中狹縫芯片兩種方法中第一種方法制作步驟是①基底處理以硅片作為襯底，按半導體制作標準工藝清洗后前烘；②放入氧化爐進行表面氧化，氧化層厚度約為2μm；③氧化后在硅片正面甩涂正性光刻膠，110℃熱板烘箱烘1min，利用制好的掩模版I進行曝光；④顯影并在120℃熱板上堅膜1min后，硅片背面涂膠保護氧化層，120℃烘箱再堅膜25min，用氧化硅腐蝕液去除暴露出的氧化硅；⑤背面硅片甩涂光刻膠，110℃熱板烘箱烘1min，利用制好的掩模版II進行背面對準并曝光；⑥顯影并在120℃熱板上堅膜1min后，硅片正面涂膠保護氧化層，120℃烘箱再堅膜25min，用氧化硅腐蝕液去除暴露出的氧化硅；⑦將氧化層開孔好的硅片放入質(zhì)量百分含量為40％的50℃的KOH腐蝕液中進行自停止腐蝕，直到硅片被腐蝕穿。
7.按權(quán)利要求5所述的狹縫裝置的制作方法，其特征在于第二步中狹縫芯片兩種方法中第二種方法制作步驟是①基底處理以硅片作為襯底，按半導體制作標準工藝清洗后前烘；②放入氧化爐進行表面氧化，氧化層厚度為2μm；③氧化后在硅片正面甩涂正性光刻膠，110℃熱板烘箱烘1min，利用制好的掩模版I進行曝光；④顯影并在120℃熱板上堅膜1min后，硅片背面涂膠保護氧化層，利用制好的掩模版II進行背面對準、曝光、顯影，并在120℃烘箱堅膜25min，如圖3(d)；⑤用氧化硅腐蝕液去除暴露出的氧化硅；⑥將氧化層開孔好的硅片放入質(zhì)量百分含量為40％的50℃的KOH腐蝕液(質(zhì)量含量為40％)中進行自停止腐蝕，直到硅片被腐蝕穿。
8.按權(quán)利要求5、6或7所述的狹縫裝置的制作方法，其特征在于所述的氧化硅腐蝕液為氫氟酸∶氟化銨∶水＝3ml∶6g∶9ml。
9.按權(quán)利要求5所述的狹縫裝置的制作方法，其特征在于所述的L-Edit版圖設(shè)計軟件為L-Edit Win32 9.00。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種狹縫裝置及其制作方法，其特征在于所述的狹縫裝置是由位于中心的狹縫芯片和狹縫芯片輔助裝置兩部分構(gòu)成，狹縫芯片安放在狹縫芯片輔助裝置的中空結(jié)構(gòu)中，狹縫芯片中心含有一定大小的狹縫，狹縫芯片鋪助裝置固定狹縫芯片。所述的狹縫是通過腐蝕工藝在硅襯底中間形成的，其尺寸由掩膜版曝光尺寸決定，改變掩膜版曝光尺寸可制成不同尺寸的狹縫。所述的狹縫芯片輔助裝置是通過四角打孔螺釘對狹縫芯片進行夾持固定的。其制作方法包括狹縫芯片的整體設(shè)計、制作以及組裝三步。所涉及的狹縫裝置可依實際需要制作，便于光學檢測儀器的微型化。
文檔編號G06F17/50GK101055323SQ200710039450
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者許寶建, 金慶輝, 程建功, 趙建龍, 繆金明, 李躍 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所