一种45度硅反射镜的设计制造结构以及制造方法
阅读说明：本技术 一种45度硅反射镜的设计制造结构以及制造方法 (Design and manufacture structure and manufacture method of 45-degree silicon reflector ) 是由 李蜀文 徐艳 李忠旭 于 2021-01-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种45度硅反射镜的设计制造结构以及制造方法,包括晶面硅片衬底,所述硅片衬底正面设置有多组腐蚀坑,所述硅片衬底的底面在靠近每两个腐蚀坑之间均设置有矩形槽,所述晶面硅片衬底在靠近腐蚀坑和矩形槽的底面均竖直设有切割道,且所述切割道的中心轴线分别与腐蚀坑和矩形槽的中心轴线相互重合。该种45度硅反射镜的设计制造结构,降低了成本,提高了器件的可靠性能,硅基材料的芯片上制作的反射镜,它具有尺寸小,产出率高,成本低、重复性好、热学性能稳定等的优点,由于是45度角,平行光入射进去,垂直入射出来,光路调整简洁,且优化的工艺成倍提高了反射镜的输出射功率,得到的图像亮度高,画质更清晰精准,色彩更逼真。(The invention discloses a design and manufacturing structure and a manufacturing method of a 45-degree silicon reflector, which comprises a crystal face silicon wafer substrate, wherein a plurality of groups of corrosion pits are arranged on the front face of the silicon wafer substrate, a rectangular groove is arranged between every two corrosion pits on the bottom face of the silicon wafer substrate, cutting channels are vertically arranged on the bottom faces of the crystal face silicon wafer substrate, the bottom faces are close to the corrosion pits and the rectangular groove, and the central axes of the cutting channels are respectively overlapped with the central axes of the corrosion pits and the rectangular groove. This kind of 45 degrees silicon reflector's manufacturing and designing structure, the cost is reduced, the reliability of device has been improved, the reflector of preparation on the chip of silicon-based material, it has the size little, the output rate is high, and is with low costs, good reproducibility, advantages such as thermal behavior stability, because be 45 degrees angles, the parallel light is incided into, the vertical incidence comes out, the light path adjustment is succinct, and the technology of optimizing has improved the output power of penetrating of reflector at double, the image brightness who obtains is high, the picture quality is more clear accurate, the color is more lifelike.)
技术领域
本发明涉及硅湿法腐蚀制作反射镜技术领域，具体为一种45度硅反射镜的设计制造结构以及制造方法。
背景技术
45度反射镜在光学系统中广泛应用，起到光路90度转换的作用，及入射光和反射光形成90度夹角。在硅光子集成芯片中，45度反射镜可以将波导中的光垂直反射出芯片，比54.74度硅反射镜光路调整更简单，因为集成和成本需求，所以硅腐蚀45度反射镜有很高的应用价值。
湿法腐蚀反射镜目前通常采(100)晶面硅片,腐蚀斜面(111)面和晶面(100)的夹角为54.74度，停在(111)面，(111)面的特性稳定且光滑，可做为光学反射镜面使用，但是入射光和反射光夹角为109.48度，达不到入射角度和反射角度成90度。因此我们对此做出改进，提出一种45度硅反射镜的设计制造结构以及制造方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明一种45度硅反射镜的设计制造方法，包括以下操作步骤：
步骤S1：选材腐蚀，采用(100)硅晶圆衬底，通过KOH(氢氧化钾)等碱性腐蚀液在硅片正面腐蚀出(100)和(111)面的54.74度夹角；并在硅片的背面腐蚀出一个深宽有要求的槽结构；
步骤S2：外侧镀金，在光滑平面上镀金或其它高反射率金属，形成金反射镜；
步骤S3：切割分离，根据需要将硅片背面减薄切割，分离出独立的反射镜面；
步骤S4：贴装，将制造出的54.74度光学反射镜的侧面贴载体上，背面的两支撑边楞线装载在同一水平面上，形成45度反射镜。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中在背面腐蚀出一个的槽的方法不限于湿法腐蚀和干法腐蚀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中的高反射率金属包含但不限于银，金，铜，铝等材料，厚度0.1～10um。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S4中贴装的贴面使用材料不限于银浆等粘性材质。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中的槽结构的深宽要求为H/(2L+切片道宽度d)≈0.08578，其中H是槽深度，2L是槽宽度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中，在切割分离时需保证背面的槽H/L≈0.1715，其中H是槽深度，L是槽宽度的一半。
一种45度硅反射镜的设计制造结构，包括晶面硅片衬底，所述硅片衬底正面设置有多组腐蚀坑，所述硅片衬底的底面在靠近每两个腐蚀坑之间均设置有矩形槽，所述晶面硅片衬底在靠近腐蚀坑和矩形槽的底面均竖直设有切割道，且所述切割道的中心轴线分别与腐蚀坑和矩形槽的中心轴线相互重合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述腐蚀坑的腐蚀斜面与晶面的夹角为54.74度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述矩形槽的整个槽宽度是2L+d,其中d为切割道的宽度，且所述矩形槽的槽深度H满足公式H/L＝tan(9.74度)。
作为本发明的一种优选技术方案，所述腐蚀坑的腐蚀斜面表面设有反射镜面，且所述反射镜面的表面溅射/蒸镀一层金属层，且金属层可为Ti/AL和Ti/AU，所述反射镜面镀有为高反射率金属，所述高反射率金属包含但不限于银，金，铜，铝等材料。
本发明的有益效果是：
本专利的技术方案，降低了成本，提高了器件的可靠性能，硅基材料的芯片上制作的反射镜，它具有尺寸小，产出率高，成本低、重复性好、耐用性强、热学性能稳定等的优点。由于是45度角，平行光入射进去，垂直入射出来，光路调整简洁，且优化的工艺成倍提高了反射镜的输出射功率，得到的图像亮度高，画质更清晰精准，色彩更逼真，属于超精密光学元器件。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种45度硅反射镜的设计制造结构的晶圆制造完成未切割时的芯片内部结构侧面图；
图2是本发明一种45度硅反射镜的设计制造结构未旋转的反射镜侧视图；
图3是本发明一种45度硅反射镜的设计制造结构沿虚线方向顺时针旋转9.74度后的45度反射镜侧视图；
图4是本发明另一种实施方案的45度硅反射镜的设计制造结构实现45度反射镜功能的侧视图；
图5是本发明一种45度硅反射镜的设计制造结构54.74度反射镜的俯视图基本结构。
图中：1、切割道；2、硅片衬底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：本发明一种45度硅反射镜的设计制造方法，包括以下操作步骤：
步骤S1：选材腐蚀，采用(100)硅晶圆衬底，通过KOH(氢氧化钾)等碱性腐蚀液在硅片正面腐蚀出(100)和(111)面的54.74度夹角；并在硅片的背面腐蚀出一个深宽有要求的槽结构；
步骤S2：外侧镀金，在光滑平面上镀金或其它高反射率金属，形成金反射镜；
步骤S3：切割分离，根据需要将硅片背面减薄切割，分离出独立的反射镜面；
步骤S4：贴装，将制造出的54.74度光学反射镜的侧面贴载体上，背面的两支撑边楞线装载在同一水平面上，形成45度反射镜。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中在背面腐蚀出一个的槽的方法不限于湿法腐蚀和干法腐蚀。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中的高反射率金属包含但不限于银，金，铜，铝等材料，厚度0.1～10um。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S4中贴装的贴面使用材料不限于银浆等粘性材质。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S1中的槽结构的深宽要求为H/(2L+切片道宽度d)≈0.08578，其中H是槽深度，2L是槽宽度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中，在切割分离时需保证背面的槽H/L≈0.1715，其中H是槽深度，L是槽宽度的一半。
一种45度硅反射镜的设计制造结构，包括晶面硅片衬底2，所述硅片衬底2正面设置有多组腐蚀坑，所述硅片衬底2的底面在靠近每两个腐蚀坑之间均设置有矩形槽，所述晶面硅片衬底2在靠近腐蚀坑和矩形槽的底面均竖直设有切割道1，且所述切割道1的中心轴线分别与腐蚀坑和矩形槽的中心轴线相互重合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述腐蚀坑的腐蚀斜面与晶面的夹角为54.74度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述矩形槽的整个槽宽度是2L+d,其中d为切割道1的宽度，且所述矩形槽的槽深度H满足公式H/L＝tan(9.74度)。
作为本发明的一种优选技术方案，所述腐蚀坑的腐蚀斜面表面设有反射镜面，且所述反射镜面的表面溅射/蒸镀一层金属层，且金属层可为Ti/AL和Ti/AU，所述反射镜面镀有为高反射率金属，所述高反射率金属包含但不限于银，金，铜，铝等材料。
实施1：
首先按照传统方法制造出和晶面成54.74度的结构：如图5所示。采用(100)晶向的衬底2，生长一层掩膜层，掩膜层根据工艺需要选择不同的厚度二氧化硅或氮化硅薄膜，或者二氧化硅和氮化硅的双层薄膜，采用光刻和干法刻蚀的方法，将需要打开的掩膜层的窗口设计一个矩形窗口：两边平行<110>平边，另两边垂直<110>平边。然后再用一定浓度的KOH腐蚀液在特定的温度下，在掩膜层打开的窗口处向下腐蚀硅，实验室中通常在80度下用30％KOH的水溶液中腐蚀，最后腐蚀形成的(100)面和(111)面的夹角就是反射镜实际夹角54.74度，如图1所示。
进一步的将晶圆背面翻正面挖槽，正面用膜保护起来，背面腐蚀出一个矩形槽坑：这里我们用采用干法腐蚀的方法腐蚀的槽坑。如图1所示，整个槽宽度是2L+d,d为切割道宽度。槽深度H满足公式H/L＝tan(9.74度)，例如L＝200um,时，刻蚀深度为H＝34.3um。切割道d为60um,d的大小和切割相关，与角度无关。若宽度固定200um，角度在45+/-1度范围对应的H为34.3+/-3.5um,公差约为+/-10％。如果反射角度是45+/-2度，H公差约为+/-20％,最后晶圆正面去除保护膜，清洗干净后再去除二氧化硅/氮化硅薄膜，但若要得到高质量的镜面还需要在正面表面溅射/蒸镀一层金属层，比如Ti/AL或者Ti/AU。
进一步的将切割好的最小单元按图3所示胶面进行贴装：镜面左右侧面根据需要的一面贴在胶面上，下压使其底面的两个槽边都和平面接触即可，这样优良稳固的45度反射镜面就形成了。
实施2：
首先按照传统方法制造出和晶面成54.74度的结构和实施1一致。
进一步的将晶圆背面翻正面挖槽，正面用膜保护起来，背面腐蚀出一个矩形槽坑：这里我们主要采用湿法法腐蚀的方法腐蚀出槽坑：先打开底部矩形窗口，再湿法KOH腐蚀出斜的槽坑。工艺设计时，只要保证背面的槽棱线连线和斜面夹角为45度，如图4所示。
本专利所述结构：
工艺中用设计弥补角度差异，得到需求的45度斜面，以此类推调整背面腐蚀深度和宽度比值可以得到小于54.7度任意角度，由于晶面图形方位固定，重复性好，适合批量生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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