CN102662305A

CN102662305A - 微透镜模具结构及其制作方法

Info

Publication number: CN102662305A
Application number: CN2012101694078A
Authority: CN
Inventors: 徐德辉; 熊斌; 姚邵康; 徐铭; 马颖蕾; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: CN102662305B

Abstract

本发明涉及微透镜模具结构及制作方法，包括以下步骤：在抛光的硅衬底正面和背面沉积氧化硅作为腐蚀掩膜材料，在硅衬底背面制作出腐蚀窗口图形；从所述硅衬底背面腐蚀硅衬底，形成腐蚀腔体，同时形成悬浮硅薄膜；将具有悬浮硅薄膜结构的结构衬底和支撑衬底键合形成密封腔体；将步骤（3）中获得的结构送入800°C～1200°C的高温环境中，悬浮硅薄膜发生塑性形变形成微透镜形貌腔体结构。由于直接选取抛光材料，微透镜形貌腔体具有较好的表面平整度，从而保证了微透镜腔的光学特性。本发明可以通过调节温度、压力、力载荷、薄膜厚度等方式对悬浮薄膜的塑性形变量和形貌进行控制，从而调节微透镜的形貌，增加微透镜设计的自由度。

Description

微透镜模具结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域和微光学领域，特别涉及一种微透镜模具结构及其制作方法。

背景技术

为进一步减小系统尺寸和功耗，系统微型化、集成化已成为目前技术发展的一个趋势。透镜作为光学系统中一个基本部件，透镜的尺寸制约着光学系统的微型化和集成化。随着微加工技术和微光学技术的发展，尺寸小于毫米量级的微透镜已能成功制作，微透镜也已成为一个研究热点。微透镜的出现使得微型光学系统变得可能，微透镜的应用也已日益普遍。比如，在CMOS图像传感器中，一般都通过微透镜来减小成像系统的尺寸；而在太阳能电池中，则通过微透镜将太阳光聚焦到太阳能电池上，以提高太阳能电池的效率。

现有微透镜一般是通过模具成型法进行制作。一般是先通过微加工方法制作出微透镜的模具，然后利用该模具复制出微透镜。由于微透镜的制作是以微透镜模具为基础，微透镜模具的制作是微透镜制作的一个关键工艺。现有微透镜模具的制作方法如图1-1到图1-3所示，整个模具的制作工艺主要由三个工艺步骤组成：

1)在模具衬底11’上沉积一层薄膜材料作为掩膜层12’，然后通过光刻和薄膜刻蚀在模具衬底上制作出腐蚀窗口图形。

2)通过腐蚀工艺在模具衬底上制作出微透镜的形貌13’。

3)将模具衬底上的腐蚀掩膜层去除，获得一个完整的微透镜模具。

现有微透镜模具一般采用腐蚀的方法在模具衬底上制作出微透镜的形貌。然而，由于腐蚀的方法一般会具有一定的选择性，和腐蚀前的表面相比，采用腐蚀方法获得的表面一般表面平整度较差，具有较大的表面粗糙度。模具上微透镜区域表面粗糙度差则会使得最终复制出的微透镜表面粗糙度也较差，这就不利于微透镜在光学系统中的应用。光学系统一般都要求其部件具有平整的表面，表面粗糙度越小越好。采用表面粗糙度大的光学部件会降低光学系统的整体性能。此外，由于微透镜模具是通过腐蚀工艺制作的，为获得准确的微透镜形貌腔体腔体，需要对腐蚀工艺进行精确控制，并且对腐蚀工艺的一致性要求也较高。由于微透镜的形貌制作也受腐蚀工艺限制，部分微透镜结构设计的形貌由于无法采用腐蚀工艺制作，因此也就无法通过已有的方法实现。这些都增加了微透镜模具的制作工艺难度以及制作成本，不利于微透镜的应用推广。

另外一种微透镜模具制作方法则是采用纳米压印的方法在模具衬底上制作出微透镜的形貌。其制作方法是先在另一衬底上通过薄膜沉积、光刻和刻蚀等工艺制作出微透镜的形状，然后通过高温加压的方法将该衬底和模具衬底进行热接触，利用高温环境加压在模具衬底上制作出微透镜的压痕，实现模具衬底上微透镜形貌腔体腔体的制作。采用纳米压印的方法可以避免腐蚀方法中表面粗糙度差的问题。然而，由于纳米压印技术是通过物理接触的压痕转移形貌，采用纳米压印技术制作的微透镜的形貌一般都是在纳米量级，这就严重限制了微透镜的结构设计。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微透镜模具结构制作方法及该结构，用于解决降低微透镜模具的制作难度，提高微透镜结构设计的自由度以及微透镜的光学性能。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微透镜模具结构制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

（1）在抛光的硅衬底正面和背面沉积氧化硅作为腐蚀掩膜材料，通过光刻和薄膜刻蚀在硅衬底背面制作出腐蚀窗口图形；

（2）从所述硅衬底背面腐蚀硅衬底，形成腐蚀腔体，同时在所述腐蚀腔体上形成悬浮硅薄膜；去除其余腐蚀掩膜材料；

（3）将具有悬浮硅薄膜结构的结构衬底和支撑衬底键合形成密封腔体；使得所述密封腔体内的压强不等于外界环境的压强；

（4）将步骤（3）中获得的结构送入800°C～1200°C的高温环境中，悬浮硅薄膜在该高温环境下发生塑性形变，形成微透镜形貌腔体结构。

优选地，所述步骤1）之前还包括在抛光的硅衬底背面制作质量块间隙的步骤以及在步骤2）中形成悬浮质量块结构的步骤。

优选地，该方法还包括在所述步骤2）中形成悬浮质量块结构的步骤以及步骤3）中的支撑衬底上形成空腔的步骤。

优选地，所述密封腔体内的压强大于外界环境的压强。

优选地，所述密封腔体内的压强小于外界环境的压强。

优选地，所述步骤3中的密封键合为真空密封键合或常压环境密封键合或高压环境密封键合。

本发明还提供另一种微透镜模具结构制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

（1）在抛光的硅衬底正面和背面沉积氧化硅作为腐蚀掩膜材料，通过光刻和薄膜刻蚀在硅衬底正面制作出腐蚀窗口图形；

（2）从所述硅衬底正面腐蚀硅衬底，制作腐蚀深腔结构；

（3）将SOI和步骤（2）中获得的结构进行密封键合形成密封腔体；使得所述密封腔体内的压强不等于外界环境的压强；

（4）将SOI的衬底硅和埋层氧化硅去除，在所述密封腔体上方保留SOI的顶层硅，形成悬浮硅薄膜；

（5）将步骤（4）中获得的结构送入800°C～1200°C的高温环境中，悬浮硅薄膜在该高温环境下发生塑性形变，形成微透镜形貌腔体结构。

本发明由于采用了新的微透镜模具及制作方法，与已有的微透镜模具相比具有以下优点：

1）微透镜的形貌直接由薄膜的塑性形变决定，微透镜结构设计具有更大的自由度。

2）由于未对悬浮薄膜表面进行加工处理，微透镜模具的微透镜形貌腔体具有较好的表面平整度，可以提高微透镜的光学性能。

3）微透镜模具制作工艺具有较好的一致性和重复性。

附图说明

图1-1至1-3为传统微透镜模具制作工艺流程图。

其中，图1-1为在模具衬底上制作出腐蚀窗口图形。

图1-2为在模具衬底上腐蚀出微透镜的形貌。

图1-3为去除模具衬底上的掩膜层。

图2为本发明所提出的微透镜模具结构示意图。

图3-1至3-4为本发明所提出的微透镜模具的工艺流程示意图。

其中，图3-1为在模具结构衬底背面刻蚀出腐蚀窗口图形；

图3-2为通过腐蚀在模具结构衬底上制作出悬浮薄膜结构；

图3-3为模具结构衬底和支撑衬底密封键合；

图3-4为悬浮薄膜在高温环境下发生塑性变形，形成微透镜形貌腔体；

图4-1至4-5为本发明实施例2中的工艺流程示意图；

其中，图4-1为在硅衬底背部腐蚀出质量块间隙；

图4-2为硅衬底表面沉积掩膜层材料，并光刻制作出腐蚀窗口；

图4-3为从硅衬底背部腐蚀制作悬浮硅薄膜和悬浮质量块结构；

图4-4为硅结构衬底和支撑衬底密封键合；

图4-5为高温环境下悬浮硅薄膜塑性变形形成微透镜形貌腔体。

图5-1至5-4为本发明实施例3中的工艺流程示意图。

其中，图5-1为硅衬底背部制作腐蚀窗口图形；

图5-2为从硅衬底背部腐蚀制作悬浮硅薄膜和悬浮质量块结构；

图5-3为硅结构衬底和具有空腔结构的支撑衬底密封键合；

图5-4为高温环境下悬浮硅薄膜塑性变形形成微透镜形貌腔体。

图6-1至6-5为本发明实施例4中工艺流程图。

其中，图6-1为硅衬底正面制作腐蚀窗口图形；

图6-2为硅衬底正面腐蚀制作腐蚀腔体结构；

图6-3为将SOI衬底和具有腐蚀腔体的硅衬底键合；

图6-4为SOI衬底去除，腐蚀腔体上方剩余SOI顶层硅材料；

图6-5为高温环境下悬浮硅薄膜塑性变形形成微透镜形貌腔体。

图7为本发明实施例6中最终工艺结果图。

元件标号说明

11 模具结构衬底

110 悬浮硅薄膜

12 腐蚀掩膜层

13 微透镜形貌腔体

14 腐蚀腔体

15 支撑衬底

16 SOI衬底

17 SOI埋层

18 SOI顶层硅

19 质量块间隙

20 悬浮质量块

21 支撑衬底上的腐蚀腔体

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提出的微透镜模具是通过微细加工工艺制作，具体工艺步骤包括：

1)在抛光的结构衬底上制作出悬浮薄膜结构。

2)将具有悬浮薄膜结构的结构衬底和另一衬底进行密封键合，在悬浮薄膜下方制作出密封腔，密封腔体内的压力小于大气压。

3)在高温环境下，悬浮薄膜由于外界压力的载荷发生塑性形变，形成微透镜的形貌。

该制作方法的具体特征是先制作出悬浮薄膜结构，然后再在悬浮薄膜结构下方制作密封腔体，最后通过高温环境下的悬浮薄膜的塑性形变制作出微透镜的形貌腔体，用于微透镜的复制。

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。

实施例1

选用硅衬底作为微透镜模具的结构衬底，悬浮薄膜选用硅薄膜。

（1）在抛光的硅衬底11正面和背面上沉积氧化硅作为腐蚀掩膜材料层12，通过光刻和薄膜刻蚀制作出腐蚀窗口图形（未标示），其流程截面示意图见图3-1。

（2）从硅衬底11的背面腐蚀硅衬底，形成梯形腐蚀空腔；同时形成悬浮硅薄膜110，其流程截面示意图见图3-2。

（3）将具有悬浮硅薄膜结构的结构衬底和支撑衬底15真空密封键合，形成密封空腔14。其流程截面示意图见图3-3。

（4）将步骤（3）中获得的结构（即键合片）送入800°C～1200°C高温环境中，悬浮硅薄膜110在高温环境下发生塑性形变，形成微透镜形貌腔体结构13。塑性形变的量与工艺温度成反比，与力载荷成正比，与悬浮薄膜厚度成反比。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）其流程截面示意图见图3-4。

实施例2

本实施例是在悬浮硅薄膜上制作悬浮质量块结构20，高温环境下悬浮薄膜发生塑性形变，而悬浮质量块20则不会发生塑性形变，从而可以对微透镜形貌腔体进行调节。此外，由于悬浮质量块也增加了悬浮薄膜上方的力载荷，悬浮质量块的增加也可以降低塑性形变的温度，从而可以降低塑性形变需要的工艺温度。

（1）在抛光的硅衬底11背部制作出质量块间隙19，其流程截面示意图见图4-1。

（2）在上述硅衬底正面及背面上沉积氮化硅作为腐蚀掩膜材料层12，通过光刻和薄膜刻蚀制作出腐蚀窗口图形，其流程截面示意图见图4-2。

（3）从硅衬底背面对硅衬底进行腐蚀，形成相邻的腐蚀空腔，从而制作出悬浮硅薄膜和悬浮质量块结构20，其流程截面示意图见图4-3。

（4）将带有悬浮硅薄膜和悬浮质量块的硅衬底和支撑衬底15进行密封键合，形成密封空腔14。其流程截面示意图见图4-4。

（5）将步骤（4）中获得的结构（即键合片）送入800°C～1200°C高温环境，悬浮硅薄膜在高温工艺环境下发生塑性形变，形成微透镜形貌腔体结构13，其流程截面示意图见图4-5。

实施例3

（1）在硅衬底11正面和背面上沉积氮化硅作为腐蚀掩膜材料层12，通过光刻和薄膜刻蚀制作出腐蚀窗口图形，其流程截面示意图见图5-1。

（2）从硅衬底背面对硅衬底进行腐蚀，形成相邻的腐蚀空腔，从而制作出悬浮硅薄膜和悬浮质量块结构20，其流程截面示意图见图5-2。

（3）将带有悬浮硅薄膜和悬浮质量块的硅衬底和具有空腔结构21的支撑衬底进行密封键合，形成密封空腔14。其流程截面示意图见图5-3。

（4）将步骤（3）中的键合片送入800°C～1200°C高温环境，悬浮硅薄膜在高温环境下发生塑性形变，由于硅材料的屈服强度和温度成反比，在高温环境下，硅材料的屈服强度将大大降低，从而可以在较低的力载荷下发生不可逆转的塑性形变，形成微透镜形貌腔体结构，（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）其流程截面示意图见图5-4。

实施例4

（1）在抛光的硅衬底11正面和背面沉积氧化硅作为腐蚀掩膜材料层12，通过光刻和薄膜刻蚀制作出腐蚀窗口图形，其流程截面示意图见图6-1。

（2）从硅衬底正面腐蚀硅衬底，形成倒梯形腐蚀深腔结构，其流程截面示意图见图6-2。

（3）将SOI材料和步骤（2）之后获得的结构进行密封键合，形成密封空腔14。其流程截面示意图见图6-3。

（4）将SOI的衬底硅16和埋层氧化硅17去除，在密封腔体上方保留SOI的顶层硅材料层18，形成悬浮硅薄膜结构，其流程截面示意图见图6-4。

（5）将步骤（4）之后获得的结构（即键合片）送入800°C～1200°C高温环境，悬浮硅薄膜在高温环境下发生塑性形变，形成微透镜形貌腔体结构13，其流程截面示意图见图6-5。

实施例5

其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于将实施例1步骤（4）中的高温工艺环境修改为高温高压工艺环境，通过增加外界环境的压强，以增加外界环境在悬浮薄膜上施加的力载荷，从而可以进一步增加悬浮薄膜的塑性形变，从而对微透镜形貌腔体结构进行调节。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）

实施例6

其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于将实施例1步骤（3）中的真空密封键合为常压或高压环境密封键合，使密封腔内压强大于外界环境的压强。由于密封腔体内压强大于外界环境的压强，悬浮薄膜将向发生上凸塑性形变。（如果密封腔的压强小于外界压强是否塑性变形方向就向下凹）在高温工艺环境后，悬浮薄膜将会在其底部受力，其塑性形变方向将向上，从而实现另一种微透镜形貌，其制作结果如图7所示。

本发明提出的微透镜模具结构的截面结构如图2所示，整个微透镜模具结构包括结构衬底，支撑衬底，密封腔，悬浮薄膜、微透镜形貌腔体等五部分。悬浮薄膜下方为密封腔体，其内部压强小于大气压（也可以大于大气压）。在高温环境下，由于外界压强大于密封腔体压强，外界压强在悬浮薄膜上形成一个力载荷。在该力载荷的作用下，悬浮薄膜在高温环境下发生塑性形变。由于塑性形变为不可恢复形变，塑性形变在低温环境下也能保持。从而利用悬浮薄膜的塑性形变制作出微透镜形貌腔体，形成了微透镜模具结构。

由于悬浮薄膜直接由抛光的衬底材料组成，其表面平整度与抛光的衬底材料的表面平整度完全一致，从而保证了制作的微透镜也具有较好的表面平整度。由于本发明提出的微透镜模具是采用塑性形变进行制作，微透镜模具制作摆脱了对腐蚀工艺的依赖。并且由于塑性形变量可以高达几百微米，塑性形变可以通过控制负载、压强、薄膜厚度和薄膜形状进行控制，微透镜的结构设计也将具有更大的自由度。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述步骤1）之前还包括在抛光的硅衬底背面制作质量块间隙的步骤以及在步骤2）中形成悬浮质量块结构的步骤。

3.根据权利要求1所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，该方法还包括在所述步骤2）中形成悬浮质量块结构的步骤以及步骤3）中的支撑衬底上形成空腔的步骤。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述密封腔体内的压强大于外界环境的压强。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述密封腔体内的压强小于外界环境的压强。

6.根据权利要求1所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述步骤3中的密封键合为真空密封键合或常压环境密封键合或高压环境密封键合。

7.一种根据权利要求1至6任意一项制作方法制备的微透镜模具结构。

8.一种微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：

（2）从所述硅衬底正面腐蚀硅衬底，制作腐蚀深腔结构；

9.根据权利要求8所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述密封腔体内的压强大于外界环境的压强。

10.根据权利要求8所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述密封腔体内的压强小于外界环境的压强。

11.根据权利要求8所述的微透镜模具结构制作方法，其特征在于，所述步骤3中的密封键合为真空密封键合或常压环境密封键合或高压环境密封键合。

12.一种根据权利要求8至11任意一项制作方法制备的微透镜模具结构。