CN101248373B - 制造半导体光学透镜的方法 - Google Patents

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Abstract

使具有阳极图案的半导体基板阳极化以成型为光学透镜。所述阳极化利用电解质溶液以使在由于阳极化所导致的氧化部分一形成就被蚀刻掉，由此逐渐形成具有与阳极图案相匹配的图案的多孔层。在移除多孔层之后，处理基板以使保留在基板顶表面中的细微突起平滑，由此获得具有良好透射率的透镜。

Description

制造半导体光学透镜的方法
技术领域
本发明涉及由半导体基板体制造光学透镜的方法以及由该方法制造的半导体光学透镜。
背景技术
日本专利公报No.2000-263556公开了一种制造用于微光学透镜的模制物的方法。该模制物通过如下步骤制造：制备半导体基板，在该基板的顶表面上提供介电掩模，在掩模中形成一个或更多个开口，将基板放入电解质溶液中，和使顶表面中没有被掩模覆盖的部分阳极化以将该部分转变为多孔区。之后，移除该多孔区以在基板的顶表面中留下圆凸面。将可紫外固化的树脂放置在该凸面中并在其中固化以获得凸透镜。虽然现有技术公开了多孔区的形成，但是该方法依赖于具有开口的掩模，使得多孔区从各个开口的中心各向同性地扩展。因此，所得的圆凸面限于基本具有均匀的曲率半径。由于这种局限性，该方法不能适于制造具有非均匀曲率半径或复杂表面外形的光学透镜。
此外，发现由于多孔区留下相对不规则的与半导体基板的界面，因此通过移除多孔区而暴露的圆凸面因细微突起而受损。这种不规则性会降低透镜的透射率，在制造良好透射率的透镜时希望消除这些不规则性。
发明内容
考虑到上述问题，已完成本发明以提供一种制造具有各种表面外形和良好透射率的光学透镜的改进方法。
根据本发明的方法利用具有彼此相反的平坦顶表面和平坦底表面的半导体基板，并且包括在该底表面上形成阳极以及将半导体基板放入电解质溶液中的步骤。在这些步骤之后，在所述溶液中的所述阳极和阴极之间流过电流以将基板的顶表面转变为在不同部分具有不同深度，在顶表面中留下所产生的多孔层，并从基板中移除所述多孔层以在顶表面上留下弯曲表面。该方法的特征在于包括使保留在所述弯曲表面上的细微突起平滑的平滑处理步骤。因此，透镜被抛光成具有平滑的弯曲表面以改善透射率。另外，由于可以配置阳极以产生随基板的各部分而变化的预定电场强度分布，因此容易在所得的弯曲表面获得连续变化的曲率半径。此外，由于阳极化是从完全暴露于电解质溶液的基板顶表面(即没有被限制阳极化的材料所覆盖或掩蔽)进行的，以及主要通过由在基板底表面上的阳极图案所赋予的电场强度分布来控制所述弯曲表面的表面外形，因此容易开发具有精确受控的轮廓或外形的多孔层并因而使所得的透镜具有相应精确的表面外形。因此，可以最佳地利用该方法来制造光学透镜，特别是具有精确受控的表面外形和良好透射率的非球面透镜。
该方法可取决于在移除多孔层之后将半导体基板浸入适当的蚀刻溶液的蚀刻技术。结果，可以优先蚀刻掉细微突起以赋予透镜平滑的弯曲表面。
或者，该方法可以利用热氧化以在弯曲表面的顶部形成氧化层。而且在这种情况下，氧化优先在细微突起中进行以选择性氧化所述细微突起，使得氧化层延伸到所述细微突起，但是氧化不进行深入到半导体基板中。因此，蚀刻掉所述氧化层可以暴露出所述弯曲表面上的平滑表面，以产生具有平滑表面的透镜。
此外，同样可以利用等离子体蚀刻或激光烧蚀方法，在这些方法的任意一种中，可以优先移除所述细微突起从而为透镜提供平滑抛光。
上述平滑处理可以确保产生具有200nm以下的均方根(RMS)表面粗糙度的弯曲表面，这能够使由于表面不规则性所导致的透射率降低减少至10％以下，并因此满足透镜的良好透射率。
而且，本发明提供通过使在半导体基板和多孔层之间界面处形成的突起最小化而促进上述平滑过程的良好溶液。为此，在形成多孔层时，使基板顶表面的阳极化参数随时间而变化，以使与基板的界面处的多孔层的孔隙度低于其它部分处的多孔层的孔隙度。结果，可以进行控制以逐渐形成具有较大孔隙度的多孔层，直到多孔层到达与基板的期望的界面处，并且在该界面处具有较小的孔隙度，由此能够有效地形成并移除多孔层，但使突起或表面不规则性随较小的孔隙度而最小化。
所述参数可以是流过阳极和阴极的电流的电流密度，并且控制所述电流密度以在多孔层逐渐形成至影响表面平滑度的厚度的最后阶段中降低。
作为替代方案或者与电流密度的控制相结合，可以控制电解质溶液以在形成多孔层的最后阶段中增大电解质溶液的浓度。
根据以下结合附图的详细说明，本发明的这些和其它有利的特征将变得更加显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个优选实施方案制造的平凸透镜的透视图；
图2是上述透镜的截面图；
图3A是示出使用上述透镜的装置的截面图；
图3B是上述装置的顶视图；
图4是上述装置的分解透视图；
图5是用于实施本发明方法的阳极化设备的截面图；
图6A～6E是示出形成透镜的步骤的截面图；
图7A和7B是示出在形成透镜的过程中形成的电场强度分布的示意图；
图8是示出在半导体基板的底表面上形成的阳极图案的平面图；
图9A和9B是示出对形成多孔层进行控制的图；
图10A和10B是示出对形成多孔层进行另一控制的图；
图11A～11D是示出使透镜表面平滑的步骤的截面图；
图12是示出透镜的透射率和表面粗糙度之间的关系的图；和
图13A～13E是示出使透镜表面平滑的另一步骤的截面图。
本发明最佳实施方式
参考图1～5，现在通过制造平凸透镜作为根据本发明一个优选实施方案的半导体光学透镜的一个具体代表性实例来对本发明进行说明。如图1～3所示，透镜L配置为具有整体凸缘(integral flange)F，凸缘F用于在例如光学传感器200的装置中安装透镜，光学传感器200是透镜的一个典型应用并且被配置为具有例如热电元件210的感测元件以及相关的电子电路模块220以接收通过透镜的光，如图3和4所示。热电元件210负载在电路模块220上，电路模块220安装在具有多个引线脚240的基座230上，同时透镜L由覆盖物250支撑。
透镜由半导体材料例如硅(Si)、锗(Ge)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)和磷化铟(InP)制成。在该实施方案中，通过半导体基板10的选择性阳极化，从而利用p-型Si的半导体基板10来制造平凸透镜。通过利用阳极化设备100来进行所述阳极化，如图5所示，阳极化设备100配置为将基板10放置在电解质溶液140内，并且配置为配有调节器130，用于调节流过浸入所述溶液中的阳极电极120和阴极110之间的电流。阳极电极120与基板10的底表面保持接触，以在与阴极110相对的顶表面中推动阳极化至不同的程度。阳极电极120和阴极110均由铂或其它合适的金属制成。
在该实施方案中，基板10选择为具有几个欧姆厘米(Ω·cm)到几百个欧姆厘米(Ω·cm)的低电阻。例如，通过图6A至6E的步骤，将80Ω·cm的厚度为0.5mm的平坦p-型Si基板10成型为透镜。在洗涤和清洁之后，将基板10加工成在整个底表面上具有导电层20(图6B)。导电层20由铝制成，并且例如通过溅射等技术在基板10上沉积为1μm的均匀厚度。然后，通过光刻法使导电层20形成具有光刻胶图案，并且通过湿蚀刻部分蚀刻掉导电层20，留下与待制造的透镜直径相匹配的直径为2mm的圆形开口22，从而产生其中导电层20限定具有整合至基板10的阳极图案的阳极的整体化结构(consolidated structure)(图6C)。上述蚀刻不限于湿蚀刻而且可以通过干蚀刻来进行。在下文中，使用术语“阳极”来替代导电层，在此认为它适合说明本发明。接着，将基板10浸入阳极化设备100内的电解质溶液140中，同时阳极20与阳极电极120接触，然后接收流过阳极20和阴极110之间的电流，从而对应于阳极图案选择性地使半导体基板10的顶表面阳极化，由此在基板10的顶表面中形成多孔层30(图6D)。通过调节器130将电流调节成具有预定的电流密度例如30mA/cm2并且持续预定的时间例如120分钟。之后，蚀刻掉多孔层30和阳极20以获得透镜(图6E)。
使用的电解质溶液是氢氟酸(HF)与乙醇以适当比例混合的水溶液。在阳极化过程中，发生下列反应：
Si+2HF+(2-n)h+→SiF2+2H++n·e-
SiF2+2HF→SiF4+H2
SiF4+2HF→SiH2F6
其中h+表示空穴，e-表示电子。
一旦Si基板被阳极氧化，所氧化的部分通过与电解质溶液反应而被除去，从而在基板10的表面中留下多孔层30。因此，阳极化进行而不受所述氧化部分的阻碍，这使得可以逐渐形成具有较大深度的多孔层30，并由此能够制造相对大厚度的透镜。
如图7A所示意性图示，平面内电场强度或电流密度按照阳极图案而变化分布。在该图中，带有黑箭头的线指示流过基板10的正电流路径，而带有白箭头的线指示流过基板10的电子的路径。由于平面内电流密度朝向开口22的周边变得比在该开口中心处更高，因此所产生的多孔层30具有连续变化的深度，该深度朝向开口22的周边比在该开口的中心处更大。因此，通过移除多孔层30和任选通过移除阳极20获得平凸透镜。平面内电场强度的分布将主要由阳极图案、其次由基板10的电阻率和厚度、电解质溶液140的电阻、基板10和阴极110之间的距离以及阴极110的平面结构(即在平行于基板的平面中的阴极布置)来确定。因此，可以容易地通过结合阳极图案适当选择这些参数来产生任意所需的透镜。在此应该注意，由于阳极化进行以连续形成多孔层而不受在基板中在其它情形中将出现的氧化部分的阻碍，因此可以容易地在单一阳极化过程中制造厚透镜，这提高了透镜设计的灵活性。
电解质溶液140的电阻可以通过氟化氢(HF)水溶液的浓度和/或通过HF与乙醇的混合比来调节。阴极110可以设计为具有与阳极图案精确一致的图案，如图7A所示，或具有在平行于基板10的平面中相反的阴极元件112稍微朝向阳极图案的开口22中心偏移的图案，如图7B所示。偏移量可以根据电流密度以及相对基板10的距离来调节。
在阳极化过程中，调节器130用于将电流密度基本保持在恒定水平。但是，优选在阳极化过程的最后阶段中逐渐减小电流密度，以相应地减小形成多孔层30的速率。利用这种技术，多孔层的孔隙度可以通过在阳极化过程中降低电流密度来降低，这使得通过移除多孔层而暴露出的弯曲表面上的表面不规则度最小化，并因此赋予所得透镜更平滑的表面。电流密度的调节通过监测电流水平或电压水平来进行。
多孔层30和导电层20的移除可以利用碱溶液例如KOH、NaOH和TMAH(四甲基氢氧化铵)或HF溶液来进行。
图9A和9B分别表示通过将电流密度从I1(例如30mA/cm2)连续降低到I2(例如5mA/cm2)或使电流密度从I1分步降低到I2而在阳极化过程的最后阶段中减小电流密度的控制。结果，阳极化以较低速率进行使得在与基板的界面处的孔隙度小于在其它部分处的孔隙度，如图11A所示意性图示，由此在移除多孔层30之后在基板10的所得弯曲表面上仅留下微细突起。注意，图11A以放大形式示出变化的孔隙度仅仅是为了说明阳极化过程，孔的尺寸和分布不反映实际尺寸和分布。考虑到当降低电流密度时多孔层以低速率形成从而相应降低孔隙度，因此优选仅在形成多孔层30的最后阶段产生较小孔隙度。为了满足快速蚀刻掉多孔层30的要求并且同时使在基板的弯曲表面上的突起最小化，适当选择在大电流密度I1下阳极化的时间T1和在减小的电流密度I2下阳极化的时间T2。例如，T1和T2分别选择为30分钟和10分钟。
作为替代方案或与电流密度的控制相结合，通过使浓度从M1分步增加到M2或使浓度从M1连续增加到M2，可以控制电解质溶液的浓度例如HF浓度在阳极化过程的最后阶段中增加，如图10A和10B所示。电解质溶液的浓度越高，就形成具有相应较低孔隙度的越细微的孔，从而在基板10表面上留下越细微的突起。此外，适当选择时间T1和T2以促进多孔层的形成和移除，而在多孔层30和基板10之间的界面处仅留下细微的突起。
如图11B所示，在基板10上留下的细微突起12的一般尺寸为具有1μm的平均高度并且彼此之间的间隔为几个微米。通过在移除多孔层30之后的平滑过程来消除表面不规则性。在本实施方案中，将移除了多孔层30的基板10(如图11B所示)浸入干蚀刻溶液例如KOH、NaOH和TMAH(四甲基氢氧化铵)或HF基溶液中。在该过程中，基板表面上的细微突起12被选择性蚀刻掉，如图11C中虚线所示，由此在基板10上留下平滑表面，如图11D所示。
实施例
形成直径100mm、厚0.5mm、电阻率为80Ω·cm的p-型Si基板10，在该基板的底表面上通过溅射形成1μm厚的铝导电层。在将导电层20在420℃下烧结20分钟之后，采用具有多个直径为2mm窗口的光刻胶图案通过光刻法对层20进行掩蔽。然后通过干蚀刻蚀刻掉导电层20的未掩蔽部分，以在导电层中形成多个直径为2mm的开口22，如图8所示。在移除光刻胶图案之后，将基板10放置在图5的阳极化设备中，该设备含有由混合比为1∶1的氢氟酸(HF)和乙醇的50％水溶液组成的电解质溶液。然后，将基板在30mA/cm2的电流密度下阳极化3小时。发现在对应于导电层20的部分处的所得多孔层30的厚度为0.3mm，在平行于基板的平面中所得多孔层具有朝向开口22的中心处逐渐减小的厚度。然后通过10％的KOH水溶液在15分钟内蚀刻掉多孔层30和导电层20，由此形成多个平凸透镜。之后，将基板10浸入HF水溶液中1小时，以选择性蚀刻掉保留在基板10表面上的细微突起12。然后将基板10切割成多个透镜。移除多孔层30的蚀刻速率大于移除基板10上细微突起的蚀刻速率的10倍。由此形成的透镜均配置成具有0.195mm的透镜厚度和50nm的均方根表面粗糙度(RMS)。
图12示出均方根表面粗糙度(RMS)与波长为5μm的红外线的透射率(％)之间的关系，该红外线代表由人体发射的波长为5μm-10μm的辐射之一并且才艮据用于检测人存在的红外传感器来选择。在图12中，黑点指示测量的粗糙度和透射率，而曲线指示由下列等式所表示的理论关系。
Figure S2006800311771D00071
其中σ是表面粗糙度
由图可知，按照理论关系，所测量的透射率随着表面粗糙度的增加而降低。对于实际应用，优选将由于表面不规则性的散射所导致的透射率降低减小至10％以下。在这点上，要求透镜具有42％以上的透射率以及200nm以下的表面粗糙度(RMS)。在这种情况下，在上述实施例中制造的具有50nm表面粗糙度(RMS)的透镜可以良好地满足该要求，并且在上述过程中制造的具有200nm以下的表面粗糙度(RMS)的透镜足以满足实际应用。
或者，透镜表面的平滑可以通过在热氧化基板表面之后蚀刻掉所得的氧化层的另一方法来进行，如图13A-3E所示。首先，如图13A所示，在基板10的顶表面上形成多孔层30，以对应于阳极20的开口(即以上文所述方式形成的阳极图案)在多孔层30与基板10之间产生弯曲界面。蚀刻掉多孔层30以产生图13B的结构，其中细微突起12保留在基板10的顶表面中。随后，将基板10放置在氧化炉中并加热，以在基板10的顶表面中产生氧化层14，如图13C所示。为了进行热氧化，在炉中引入水蒸汽从而在1000℃温度下处理基板200分钟，从而形成厚度为0.4μm的氧化层。在热氧化过程中，在垂直于基板表面的方向上Si均匀进行氧化形成SiO2，使得氧化优先在突起12处而不是在其它部分处进行，从而平滑基板的顶表面，如图13D所示。因此，可以容易地控制热氧化以形成包括全部突起12但不包括剩余基板10的氧化层14。之后，蚀刻掉氧化层14以产生基板10的平滑顶表面，如图13E所示。
此外，同样可以利用等离子体蚀刻以从基板10的顶表面移除突起12。在该过程中，将移除了多孔层30的基板10暴露于等离子体流中，以选择性地并优先地蚀刻掉保留在基板顶表面上的突起。当使用氩气时进行溅射蚀刻，而当使用CF4气体或包括CF4和O2的混合气体时进行反应性离子蚀刻。
另外，可以通过激光烧蚀来进行平滑，其中将激光束辐照到基板的顶表面以选择性地并优先地移除细微突起。
应该注意，优选改变电流密度或电解质溶液浓度的阳极化过程，但是本发明并不限于此，可以等同地利用阳极化而不对这些参数的变化进行控制。
此外，本发明应该解释为不限于使用硅基板，而是允许使用与特定的电解质溶液组合的其它半导体材料，如下表所示。
  半导体材料  电解质溶液  掩模材料
  Si  HF:C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>OH  SiN
  Ge  HCl:C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>OH  SiO<sub>2</sub>，SiN，SiC
  SiC  HF:C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>OH  SiN
  GaAs  HCl  SiO<sub>2</sub>，SiN，SiC
  GaP  H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>  SiO<sub>2</sub>，SiN，SiC
  InP  HCl  SiO<sub>2</sub>，SiN，SiC
在上表中，列出在半导体材料和电解质溶液组合中可用的掩模材料。

Claims (9)

1.一种制造半导体光学透镜的方法，所述方法包括如下步骤：
制备具有彼此相反的平坦顶表面和平坦底表面的半导体基板；
在所述底表面上形成阳极；
将所述半导体基板放置在电解质溶液中；
在所述溶液中的所述阳极和阴极之间流过电流以将所述基板的顶表面阳极化为在不同部分具有不同深度，从而在所述顶表面中留下多孔层；和
从所述基板中移除所述多孔层以在所述顶表面上留下弯曲表面，由此在所述基板的顶部上形成具有所述弯曲表面的透镜；
所述方法的特征在于
所述阳极沉积在所述底表面上以产生所述阳极整体结合至所述半导体基板的整体化结构，并配置为产生跨越所述基板的所述顶表面和底表面的随着所述基板的各部分而变化的预定电场强度分布，由此提供具有与所述电场强度分布相匹配的具有不同深度的所述多孔层，所述方法的特征还在于
包括使保留在所述弯曲表面上的细微突起平滑的平滑处理步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中
所述平滑处理步骤在移除所述多孔层的步骤之后进行，并且包括
将所述半导体基板浸入蚀刻溶液中以蚀刻掉所述细微突起。
3.如权利要求1所述的方法，其中
所述平滑处理步骤在移除所述多孔层的步骤之后进行，并且包括如下子步骤：
通过热氧化在所述弯曲表面的顶部中形成氧化层，和
蚀刻掉所述氧化层以移除所述细微突起。
4.如权利要求1所述的方法，其中
所述平滑处理步骤在移除所述多孔层的步骤之后进行，并且包括使所述弯曲表面暴露于等离子体中以移除所述细微突起。
5.如权利要求1所述的方法，其中
所述平滑处理步骤在移除所述多孔层的步骤之后进行，并且包括使激光束辐照所述弯曲表面以移除所述细微突起。
6.如权利要求2～5中任一项所述的方法，其中
进行所述平滑处理步骤以将所述弯曲表面抛光成具有200nm以下的均方根表面粗糙度(RMS)。
7.如权利要求1所述的方法，其中
形成所述多孔层的步骤包括随时间改变阳极化所述基板顶表面的参数，以使所述多孔层的孔隙度在与所述基板的界面处低于其它部分。
8.如权利要求7所述的方法，其中
所述参数是流过所述阳极和所述阴极之间的电流的电流密度，
将所述电流密度控制为在形成所述多孔层的最后阶段中减小。
9.如权利要求7所述的方法，其中
所述参数是所述电解质溶液的浓度，以将所述浓度控制为在形成所述多孔层的最后阶段中增大。
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