CN102491258A

CN102491258A - 圆片级球形微透镜阵列的制备方法

Info

Publication number: CN102491258A
Application number: CN2011104552591A
Authority: CN
Inventors: 尚金堂; 秦顺金; 于慧; 蒯文林
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明球形微透镜阵列的模具及其制作方法。其特征在于，包括以下步骤：在硅圆片上分别刻蚀透镜模具微槽阵列和自对准硅模具微槽，透镜模具微槽阵列间刻蚀有微通道相连；放置一定量的热释气剂粉末；将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片在真空条件下进行键合；加热，真空负压力使软化后的玻璃填入自对准硅槽内得到自对准玻璃凸块，冷却，退火；去除硅，得到玻璃模具；刻蚀出相应的自对准凹槽和透镜控制间距模具凹槽；对上述玻璃模具和硅模具的表面进行抗粘附处理；在玻璃模具的球形玻璃微腔内填满UV固化胶，使透镜成型硅圆片与玻璃模具自对准；对模具内的UV胶进行固化，经脱模后即可得到圆片级球形微透镜阵列。本发明工艺方法简单、成本低廉、可靠性好。

Description

圆片级球形微透镜阵列的制备方法

技术领域

本发明涉及一种MOEMS（微光机电系统）封装技术，尤其涉及一种新型微透镜阵列的制备方法。

背景技术

近年来，在手机等便携式消费电子产品终端上搭载有微型的视频摄像模块。该视频摄像模块一般具备图像传感器（CCD或CMOS图像传感器）等固体图像采集元件和在固体图像采集元件的受光面进行成像的透镜（组）。

随着便携电子产品的不断小型化/薄型化，其中的视频摄像模块也要进一步小型化/薄型化，且符合成本效益因素的要求。微透镜及其阵列在微光学系统中有着显著应用，它可以用于光信息处理、光计算、光互连、光数据传输、产生二维点光源，也可以用于复印机、图像扫描仪、传真机、照相机和医疗器械中；此外由于微透镜阵列具有很强的适应性，可广泛用于通信、显示和成像器件中，有助于实现器件小型化。目前微透镜阵列的制造方法主要有:表面微加工技术、反应离子束刻蚀技术、光刻胶回流法、激光直写、热压模成型法、离子交换法、灰度掩膜法、微喷打印和光敏玻璃热成型法等。在这些制造方法中，通常采用金属材料作为透镜阵列的模具，而由于光学微透镜对尺寸控制的要求高，所以通常金属模具的制造成本也很高。相比较而言，玻璃作为一种透光的常见材料，其成本低。专利申请人发展了几种圆片级玻璃微球腔的制备方法：正压热成型和负压热成型方法。Pyrex7740玻璃（含有碱金属离子，Pyrex是美国Corning公司的品牌）是一种重要的材料，它有着与半导体硅材料（常温下，Pyrex7740玻璃热膨胀系数为

Figure 2011104552591100002DEST_PATH_IMAGE001

，硅的热膨胀系数为

）相匹配的热膨胀系数，有着高透光率和较强的强度，使得Pyrex7740玻璃广泛应用于MOEMS、MEMS封装和微流体等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺流程简单、成本低的圆片级球形微透镜阵列的制备方法。

本发明采用如下技术方案：一种球形微透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：第一步，在硅圆片上分别刻蚀透镜模具微槽阵列和自对准硅模具微槽得到硅圆片模具，透镜模具微槽阵列间刻蚀有微通道相连，透镜模具微槽的宽度至少是微通道宽度的5倍；第二步，在所述硅圆片的透镜模具微槽阵列内放置一定量的热释气剂粉末；第三步，将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片在真空条件下进行键合，使得硅圆片模具的透镜模具微槽及自对准硅模具槽密封；第四步，将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温一定时间，透镜模具微槽阵列内的热释气剂放出的气体使得软化的玻璃成型，从而获得球形玻璃微腔，真空负压力使软化后的玻璃填入自对准硅槽内得到自对准玻璃凸块，冷却，再退火；第五步，去除硅圆片，从而得到带有自对准玻璃凸块的玻璃模具；第六步，在透镜成型硅圆片上相应位置分别刻蚀出相应的自对准凹槽和透镜控制间距模具凹槽；第七步，为了增强玻璃模具的机械强度，用透光的粘结剂将玻璃模具与较厚的透光平板玻璃粘结起来；对上述制得的玻璃模具和硅模具的表面进行抗粘附处理；第八步，在玻璃模具的球形玻璃微腔内填满UV固化胶，并涂满玻璃模具的表面至淹没自对准玻璃凸块高度，然后通过自对准玻璃凸块与自对准凹槽的啮合，使透镜成型硅圆片与玻璃模具自对准；第九步，用紫外光透过玻璃对模具内的UV胶进行固化，经脱模后即可得到圆片级球形微透镜阵列。

上述技术方案中，所述自对准硅模具微槽的图形与（100）硅圆片的（110）方向垂直或平行，可通过设计硅圆片（4）及透镜成型硅圆片（12）上自对准硅模具微槽的开口宽度来精确控制玻璃模具（7）与透镜成型硅圆片（12）之间的间距。所述的硼硅玻璃圆片优选为Pyrex7740玻璃圆片。所述热释气剂优选为碳酸钙（CaCO₃）粉末或氢化钛（TiH₂）粉末。所述退火温度为550℃～570℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第四步所述粘结好的圆片加热温度为820℃～900℃。第三步所述的粘结采用的方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V～800V，温度为300℃～500℃，气压为2E-5～8E-5Pa。

本发明获得如下效果：

1．本发明基于传统的微电子加工工艺，在硅圆片上刻蚀透镜模具微槽阵列和自对准硅模具微槽，尺寸需要根据最终所需要的Pyrex7740玻璃微球腔尺寸和透镜阵列基板的厚度来设计，由于Si微加工技术是非常成熟的工艺，所以本发明使用Si片作为Pyrex7740玻璃成形的模具。在特定槽内放置一定量的热释气剂，随后将该含有浅槽阵列结构的Si片与Pyrex7740玻璃在真空条件下进行阳极键合形成真空状态的微腔，然后在常压下加热到玻璃的软化点温度进行热处理，在微腔内外气压差的作用下，透镜模具微槽阵列上方的玻璃形成半球微腔，自对准硅模具微槽上方的玻璃则在大气压力的作用下与硅自对准硅模具微槽的表面贴合，形成自对准玻璃凸块。由于Pyrex7740玻璃在软化点温度下成型呈液态，因而所形成的微球腔内壁光滑，粗糙度较低，有利于获得表面光滑的透镜。

2．本发明中由于普通玻璃材料及硅材料均与固化后的UV胶(可紫外固化的胶)存在一定的粘性，有碍于透镜的顺利脱模，因此需要对用于制作基于UV固化胶的透镜的玻璃模具和透镜成型硅圆片的表面均进行抗粘附处理。采用F13-TCS（全氟辛基三氯硅烷）的蒸汽与玻璃及硅模具的表面发生化学反应，从而在表面形成一层单分子抗粘附层，减小UV固化胶对模具的粘附，有助于完好地将模具的形貌转移到透镜上。

3．本发明中去除用于加工玻璃模具的硅圆片之后，如有需要，可以在玻璃模具的背面用透光的胶将玻璃模具与较厚的平板玻璃粘接在一起，如此可以提高玻璃模具的机械可靠性。

4．本发明中由于TMAH碱性溶液各向异性湿法刻蚀硅时，会在硅的表面形成由｛100｝面和｛111｝面构成的凹槽，凹槽两侧面的夹角为70.52°。本发明中，硅圆片上自对准硅模具微槽的图形与（100）硅片的（110）方向垂直或平行，以便获得高精度的自对准硅模具微槽；玻璃模具的自对准硅模具微槽比透镜成型硅圆片的自对准凹槽浅（自对准凹槽的深浅可通过自对准凹槽的宽度和刻蚀时间来控制），从而使玻璃模具与透镜成型硅圆片的自对准凹槽在啮合时，玻璃模具与透镜成型硅圆片之间留有可控的间距，便于形成微透镜阵列的基板。

5．本发明中用固化后的UV胶来作为球形微透镜的本体材料，便于节省工艺时间，提高效率，节省成本，对UV胶的特性要求为：固化前粘度适宜，收缩率不超高5%，固化后透光率高，固化后玻璃态转化温度Tg大于200℃，阿贝尔数大于50。

6．本发明中为了缓解脱模过程中给玻璃模具带来的应力，增强玻璃模具的机械强度，用透光的粘结剂将玻璃模具与较厚的透光平板玻璃粘结起来；

7．本发明采用常规Pyrex7740玻璃作为批量制备圆片级微透镜阵列制备的模具，工艺简单，成本低廉。

8．本发明采用与Si热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃模具的材料，在制备玻璃模具时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏，工艺过程中受热时不易发生热失配。

在MEMS制造技术领域，使用MEMS微加工技术可以在硅片上加工出微槽，然后将Pyrex7740玻璃（一种含有碱性离子的玻璃，Pyrex是Corning公司的产品品牌）与刻有微槽（部分槽内放置热释气剂）的硅片进行键合实现密封，加热熔融制备玻璃模具。玻璃模具和透镜成型硅圆片均可以重复使用。

附图说明

图1 为用于制作玻璃模具的硅模具表面示意图

图2 为热成型后的玻璃模具（未去除硅）截面示意图

图3 为热成型后的玻璃模具（已去除硅）截面示意图

图4 为玻璃模具背面与平板玻璃相粘结的截面示意图

图5 为用于制作透镜阵列的透镜成型硅圆片截面示意图

图6 为用紫外光固化玻璃模具/透镜成型硅圆片中UV胶的截面示意图

图7 为球形微透镜阵列的截面示意图。

具体实施方式

实施例1

一种圆片级球形微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：第一步，在硅圆片（例如4英寸圆片）上分别刻蚀透镜模具微槽阵列和自对准硅模具微槽得到硅圆片模具，透镜模具微槽阵列间刻蚀有微通道相连。所述的制备硅圆片上的图案结构的工艺为湿法刻蚀工艺、反应离子刻蚀（RIE）工艺或者深反应离子刻蚀（DRIE）中的一种或组合；第二步，在所述硅圆片的透镜模具微槽阵列内放置一定量的热释气剂粉末，热释气剂为加热后可以释放出气体的粉末，碳酸钙粉末或氢化钛粉末，粉末粒度为300目、800目或者1000目。加入的质量根据所需要成型腔的大小来计算，例如采用碳酸钙，假如质量可以为0.1mg，0.5mg，1mg，1.5mg，2mg；第三步，将Pyrex7740玻璃圆片与上述硅圆片在真空（5E-5Pa）条件下进行阳极键合，使得硅圆片模具的透镜模具微槽及自对准硅模具槽密封，阳极键合条件为：电压600V～800V，温度为300℃～500℃。；第四步，将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温一定时间，透镜模具微槽阵列内的热释气剂放出的气体使得软化的玻璃成型，从而获得球形玻璃微腔，真空负压力使软化后的玻璃填入自对准硅槽内得到自对准玻璃凸块，退火，再冷却；所述键合好的圆片加热温度为820℃～900℃，保温3～8min，在高温下，热释气剂放出气体，腔内的压强大于外部压强，腔内外压力差使软化后的玻璃远离密封腔凸起形成球面及自对准玻璃凸块，冷却，再在常压下退火消除应力。退火温度范围为在550℃～570℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温；第五步，将上述成型后的圆片放入TMAH碱性溶液中腐蚀，去除硅圆片，从而得到带有自对准玻璃凸块的玻璃模具；第六步，用与第一步类似的工艺，在透镜成型硅圆片上相应位置分别刻蚀出设计好的的自对准凹槽和透镜控制间距模具凹槽；第七步，用透光的热固性树脂将玻璃模具与较厚的透光平板玻璃粘结起来；用F₁₃-TCS（全氟辛基三氯硅烷）对上述制得的玻璃模具和硅模具的表面进行抗粘附处理（在水分子含量<1ppm的真空手套箱内，把经过羟基化处理的玻璃模具和透镜成型硅圆片放入蒸发皿中，然后用微量注射器向蒸发皿中注入数微升F₁₃-TCS，用热板把蒸发皿加热到200℃，使F₁₃-TCS气化，保温10～20分钟，使得F₁₃-TCS与玻璃或硅表面充分反应）；第八步，在玻璃模具的球形玻璃微腔内填满UV固化胶，并涂满玻璃模具的表面至淹没自对准玻璃凸块高度，然后通过自对准玻璃凸块与自对准凹槽的啮合，使透镜成型硅圆片与玻璃模具自对准，同时实现间距的控制；第九步，用365nm的紫外光（55mW/cm²）透过玻璃对模具内的UV胶（型号：AD610）进行固化，固化时间约为10秒，经脱模后即可得到圆片级球形微透镜阵列。

实施例2

一种圆片级球形微透镜阵列的制备方法，包括以下步骤：

第一步：利用25%的TMAH溶液湿法腐蚀方法在4英寸硅圆片上刻蚀形状形成特定尺寸的微腔阵列。

第二步：在部分微腔阵列内涂覆热释气剂。热释气剂为加热后可以释放出气体的粉末，碳酸钙粉末或氢化钛粉末，粉末粒度为300目、800目或1000目。加入的质量根据所需要成型腔的大小来计算，例如采用碳酸钙，质量可以为0.1mg，0.5mg，1mg，1.5mg，2mg。

第三步：将硼硅玻璃圆片与所述硅圆片模具键合在一起，使得硅圆片模具的微腔阵列密封。本发明中，所述的玻璃为Pyrex7740玻璃，所述的键合为阳极键合，典型工艺条件为：温度400℃，电压：600V，气压：5E-5Pa。

第四步：将键合好的所述圆片放入加热炉内加热，至玻璃软化温度以上并保温，热释气剂放出的气体使得软化的玻璃成型获得玻璃微腔，冷却，退火。所述键合好的圆片加热温度为820℃～900℃，保温3～8min，在高温下，热释气剂放出气体，腔内的压强大于外部压强，腔内外压力差使软化后的玻璃远离密封腔凸起形成球面及自对准玻璃凸块，冷却，再在常压下退火消除应力。退火温度范围为在550℃～570℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。

第五步：将上述成型后的圆片放入TMAH碱性溶液中腐蚀，除去硅，从而得到带有自对准玻璃凸块的玻璃模具。

第六步，用各向异性湿法刻蚀在另一个硅圆片上的相应位置分别刻出自对准硅模具微槽等图形；

第七步，用透光的热固性树脂将玻璃模具与较厚的透光平板玻璃粘结起来；用F₁₃-TCS（全氟辛基三氯硅烷）对上述制得的玻璃模具和透镜成型硅圆片的表面进行抗粘附处理（在水分子含量<1ppm的真空手套箱内，把经过羟基化处理的玻璃模具和透镜成型硅圆片放入蒸发皿中，然后用微量注射器向蒸发皿中注入数微升F₁₃-TCS，用热板把蒸发皿加热到200℃，使F₁₃-TCS气化，并保温10～20分钟，使得F₁₃-TCS与玻璃或硅表面充分反应）。

第八步，在玻璃模具表面施加Dymax公司的UV固化胶（较量一般要大于模具间的实际体积），然后通过自对准玻璃凸块将玻璃模具与透镜成型硅圆片啮合，同时实现两者之间间距的控制；

第九步，用55mW/cm²UVA紫外光透过玻璃对模具内的UV胶照射10秒左右，使UV胶固化，经脱模后即可得到圆片级球形微透镜阵列。

Claims

1.一种圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片（4）上分别刻蚀透镜模具微槽（5）阵列和自对准硅模具微槽（1）得到硅圆片模具，透镜模具微槽（5）阵列间刻蚀有微通道（6）相连，透镜模具微槽（5）的宽度至少是微通道宽度的5倍；第二步，在所述硅圆片（4）的透镜模具微槽（5）阵列内放置一定量的热释气剂粉末（2）；第三步，将硼硅玻璃圆片与上述硅圆片（4）在真空条件下进行键合，使得硅圆片模具的透镜模具微槽（5）及自对准硅模具槽（1）密封；第四步，将上述键合好的圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温一定时间，透镜模具微槽（5）阵列内的热释气剂放出的气体使得软化的玻璃成型，从而获得球形玻璃微腔（9），真空负压力使软化后的玻璃填入自对准硅槽内得到自对准玻璃凸块（8），冷却，再退火；第五步，去除硅圆片（4），从而得到带有自对准玻璃凸块（8）的玻璃模具（7）；第六步，在透镜成型硅圆片（12）上相应位置分别刻蚀出相应的自对准凹槽（81）和透镜控制间距模具凹槽（13）；第七步，为了增强玻璃模具的机械强度，用透光的粘结剂（11）将玻璃模具与较厚的透光平板玻璃粘结起来，对上述制得的玻璃模具（7）和硅模具（12）的表面进行抗粘附处理；第八步，在玻璃模具（7）的球形玻璃微腔（9）内填满UV固化胶（15），并涂满玻璃模具（7）的表面至淹没自对准玻璃凸块（8）高度，然后通过自对准玻璃凸块（8）与自对准凹槽（81）的啮合，使透镜成型硅圆片（12）与玻璃模具（7）自对准；第九步，用紫外光透过玻璃对模具内的UV胶（15）进行固化，经脱模后即可得到圆片级球形微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，利用正压法制得的球形玻璃微腔作为微透镜成型的模具，利用负压法制得的自对准玻璃凸块来实现模具间的定位和间距精确控制。

3.根据权利要求2所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，用正压法和负压法在键合片上同时形成球形玻璃微腔和自对准玻璃凸块。

4.根据权利要求3所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述硅圆片（4）为（100）方向的硅圆片，且自对准硅模具槽的图形与（100）硅圆片的（110）方向垂直或平行。

5.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，可通过设计硅模具（4）及透镜成型硅圆片（12）上自对准硅模具槽的开口宽度来精确控制玻璃模具（7）与透镜成型硅圆片（12）间的间距。

6.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述的硼硅玻璃圆片为Pyrex7740玻璃圆片。

7.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，所述热释气剂为碳酸钙（CaCO₃）粉末或氢化钛（TiH₂）粉末。

8.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，退火工艺温度为550℃～570℃，退火保温时间约为30min，然后自然冷却至室温。

9.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，第三步所述的粘结采用的方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V～800V，温度为300℃～500℃，气压为2E-5～8E-5Pa。

10.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，第四步中键合圆片的热成型加热温度为820℃～900℃。

11.根据权利要求1所述的圆片级球形微透镜阵列的制备方法，其特征在于，第六步中气相单分子抗粘附层处理工艺中所采用的试剂为F₁₃-TCS（全氟辛基三氯硅烷）。