CN102701142A - 圆片集成微透镜光学系统制作方法及该器件结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种圆片集成微透镜光学系统制作方法，所述制作方法包括以下步骤：1）提供一硅衬底，在其上下表面沉积腐蚀掩膜层；通过光刻、刻蚀制作出腐蚀窗口图形；2）自所述腐蚀窗口腐蚀硅衬底；形成腐蚀腔体，同时形成悬浮薄膜；3）利用悬浮薄膜的塑性形变形成悬浮薄膜微结构；从而形成微透镜结构；4）将所述微透镜结构与光学系统进行圆片级键合组装，形成密封腔体。由于微透镜结构是凹陷在衬底内部，采用圆盘键合工艺将微透镜和光学器件进行圆片组装并不会导致微透镜结构破裂。由于采用了圆片级键合进行微透镜和光学器件的组装，最终光学系统的尺寸可以大大减小，系统组装效率也能得到大幅提高。

Description

圆片集成微透镜光学系统制作方法及该器件结构

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域和微光学领域，特别涉及一种圆片集成微透镜光学系统制作方法及该器件结构。

背景技术

透镜作为光学系统中一个基本部件，其在光学系统中的应用也日益普遍。在众多光学系统中，必须将透镜和光学器件进行组装才能形成一个完整意义上的光学系统。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。为进一步减小光学系统尺寸和功耗，系统微型化、集成化已成为目前技术发展的一个趋势。然而，尽管微透镜的成功制作能大大减小透镜的尺寸，但由于受系统组装工艺等因素限制，微透镜和其他光学器件组装后的光学系统尺寸并没有得到大大减小，光学系统的微型化和集成化还受到很大的限制。

现有透镜和光学器件的系统组装一般都是采用器件级工艺制作，即先分别获得单个的透镜和光学器件，然后通过倒装焊等方法将单个透镜和单个光学器件进行组装。由于透镜和其他光学器件的组装是器件级工艺，其系统组装成本较高，因此光学系统的成本也一直难以降低。并且由于光学系统是通过单个透镜和单个光学器件进行组装，组装获得的光学系统的体积一般都偏大，不利于光学系统的微型化和集成化。此外，对于大部分光学探测器等器件，封装环境的气氛对其性能具有非常大的影响。然而，由于在器件级组装工艺中较难实现对最终光学系统的环境气氛的精确控制，采用器件级组装工艺制作的光学系统性能也一直无法得到有效提高，这也限制了光学系统的发展。

虽然微透镜和光学器件的组装可以通过圆片级键合工艺提高组装效率，并同时减小系统尺寸，提高系统性能。然而，圆片级键合一般都需要对键合衬底片进行加压以增加键合强度，而透镜微结构一般为凸起结构，在凸起结构上进行加压很容易在凸起部分上产生应力集中，从而导致微透镜凸起结构的破裂。因此，现有微透镜和光学器件的组装并不适合采用圆片级键合工艺进行。

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圆片集成微透镜光学系统制作方法及该器件结构，用于解决目前光学系统中微透镜和其它光学器件集成存在的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种圆片集成微透镜光学系统制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

1）提供一硅衬底，在其上下表面沉积腐蚀掩膜层；通过光刻、刻蚀制作出腐蚀窗口图形；

2）自所述腐蚀窗口腐蚀硅衬底；形成腐蚀腔体，同时形成悬浮薄膜；

3）利用悬浮薄膜的塑性形变形成悬浮薄膜微结构；从而形成微透镜结构；

4）将所述微透镜结构与光学系统进行圆片级键合组装，形成密封腔体。

优选地，所述步骤3）中利用悬浮薄膜的塑性形变形成悬浮薄膜微结构是指采用力载荷或温度使悬浮薄膜发生塑性形变。

优选地，该方法进一步包括步骤5），去除所述悬浮薄膜微结构两侧的硅衬底。

优选地，所述步骤1）中的制作出腐蚀窗口图形是指在硅衬底的下表面制作腐蚀窗口图形。

优选地，在所述步骤2）中形成悬浮薄膜后；与一支撑衬底键合，将腐蚀腔体密封；利用悬浮薄膜的塑性形变形成下凹的悬浮薄膜微结构，从而形成微透镜结构；然后去除所述支撑衬底；最后，将所述微透镜结构反过来与与光学系统进行圆片级键合组装，形成密封腔体。

优选地，所述步骤1）中制作出腐蚀窗口图形是指在硅衬底的上下两个表面制作腐蚀窗口图形。

优选地，在所述步骤2）中自所述上下两个表面分别制作的腐蚀窗口腐蚀硅衬底；形成上下两个腐蚀腔体，同时形成悬浮薄膜；形成悬浮薄膜后；利用圆片级键合将悬浮薄膜和光学系统组装，并在圆片级键合过程中同时实现悬浮薄膜的塑性形变形成上凸的悬浮薄膜微结构，从而形成微透镜结构；，形成密封腔体。

优选地，所述步骤1）中的硅衬底在沉积腐蚀掩膜层之前还包括抛光的步骤。优选地，所述光学系统包括器件衬底以及形成于该器件衬底上的光学器件；所述微透镜结构和光学器件的间距通过控制悬浮薄膜在硅衬底上的位置进行控制。

本发明制作方法是利用高温环境下的悬浮薄膜的塑性形变制作出微透镜，并且微透镜凹陷在微透镜衬底内部，然后再通过圆片键合工艺将光学器件和微透镜进行组装。由于微透镜是凹陷在微透镜内部，微透镜和光学器件圆片键合时施加压力并不会在透镜凸起部分产生应力集中，从而避免了微透镜结构被破坏。

本发明由于采用了圆片集成微透镜光学系统及制作方法，与已有的集成微透镜光学系统相比具有以下优点：

1）微透镜和其他光学器件组装效率高；

2）光学系统的尺寸可以大大减小。

3）由于微透镜采用悬浮薄膜的塑性形变制作，其表面粗糙度较小，并且微透镜的形貌可以通过控制悬浮薄膜的塑性形变量进行控制，从而可以提高微透镜的聚光特性，提升光学系统的性能。

附图说明

图1显示为本发明圆片集成微透镜光学系统结构示意图。

图2-1到图2-6显示为本发明圆片集成微透镜光学系统的工艺流程示意图。

其中，图2-1为在微透镜衬底上制作出腐蚀窗口图形示意图；

图2-2为在微透镜衬底上制作出悬浮薄膜微结构示意图；

图2-3为将具有悬浮薄膜的微透镜衬底和支撑衬底进行键合示意图；

图2-4为利用高温环境制作出微透镜结构示意图；

图2-5为将微透镜衬底和支撑衬底进行分离示意图；

图2-6为利用圆片键合将具有微透镜的衬底和具有光学器件的衬底进行键合示意图。

图3为实施例2中的光学系统结构示意图。

图4-1到图4-3为实施例3中的工艺流程示意图。

其中，图4-1为通过双面腐蚀在微透镜衬底上制作出悬浮薄膜结构示意图；

图4-2为将微透镜衬底和具有光学器件的衬底进行圆片键合示意图；

图4-3为悬浮薄膜结构在高温环境下发生塑性变形，形成微透镜结构示意图。

元件标号说明

11    硅衬底

12    腐蚀掩膜层

13    腐蚀腔体

14    悬浮薄膜微结构

15    支撑衬底

16    密封腔体

17    器件衬底

18    光学器件

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1。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。

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

请参阅图2-1到图2-6所示，在本实施例中，选用硅衬底作为微透镜的衬底，悬浮薄膜选用硅薄膜。

（1）在抛光的硅衬底（微透镜衬底）11正面和背面（即图2-1中上下表面）沉积氧化硅作为腐蚀掩膜材料层12，通过光刻和薄膜刻蚀在该硅片11下表面的腐蚀掩膜材料上制作出腐蚀窗口图形（未标示），其流程截面示意图见图2-1。

（2）从所述硅衬底背面的腐蚀窗口腐蚀硅衬底，形成梯形腐蚀腔体13，同时也制成了悬浮硅薄膜结构，去除腐蚀掩膜材料12。其流程截面示意图见图2-2。

（3）将具有悬浮硅薄膜结构的硅衬底和支撑衬底15密封键合，形成密封腔体16。其流程截面示意图见图2-3。

（4）将步骤（3）中的键合片送入高温环境（一般是指800°C～1200°C），使得悬浮硅薄膜两端产生压力差，从而悬浮硅薄膜结构在高温环境下发生塑性形变，形成下凹的悬浮薄膜微结构14，从而也就形成了微透镜结构。（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2-4。

（5）将微透镜结构和支撑衬底15分离，其流程截面示意图见图2-5。

（6）将微透镜结构反过来和光学系统的衬底键合（采用圆片级气密键合工艺），其中，所述光学系统包括器件衬底17以及形成于该器件衬底上的光学器件18。悬浮薄膜微结构14将光学器件18包裹在其与给器件衬底形成的密封腔体16中。所述其流程截面示意图见图2-6。

在上述实施例中，也可以不采用支撑衬底，即将步骤（3）中获得的结构（即键合片）送入高温环境（一般是指800°C～1200°C），使得悬浮硅薄膜两端产生压力差，从而悬浮硅薄膜结构在高温环境下发生塑性形变，形成凸的悬浮薄膜微结构14，从而也就形成了微透镜结构。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）；直接将然后该微透镜结构和光学系统的衬底键合，其中，所述光学系统包括器件衬底17以及形成于该器件衬底上的光学器件18。悬浮薄膜微结构14将光学器件18包裹在其与给器件衬底形成的密封腔体16中。

实施例2

在本实施例中，选用硅衬底作为微透镜的衬底，悬浮薄膜选用硅薄膜。所述器件结构见图3。

（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，通过光刻和薄膜刻蚀在该硅片下表面的腐蚀掩膜材料上制作出腐蚀窗口图形。

（2）从所述硅衬底背面的腐蚀窗口腐蚀硅衬底，形成腐蚀腔体，同时也制成了悬浮硅薄膜结构，去除腐蚀掩膜材料层。

（3）将具有悬浮硅薄膜结构14的硅衬底和支撑衬底密封键合。形成密封腔体16。

（4）将步骤（3）中的键合片送入高温环境（一般是指800°C～1200°C），使得悬浮硅薄膜两端产生压力差，从而悬浮硅薄膜结构在高温环境下发生塑性形变，形成下凹的悬浮薄膜微结构，从而也就形成了微透镜结构。例如：在30um膜厚，800°C～1200°C高温条件，悬浮薄膜上施加一个大气压的载荷就可以形成塑性变形。塑性变形量和膜厚成反比，与工艺温度成正比，与工艺过程中的力载荷成正比。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）。

（5）将微透镜结构和支撑衬底分离。

（6）将微透镜结构反过来和光学系统的衬底键合，其中，所述光学系统包括器件衬底17以及形成于该器件衬底上的光学器件18。悬浮薄膜微结构将光学器件包裹在其与给器件衬底形成的密封结构中。

（7）采用微透镜衬底腐蚀工艺，将悬浮薄膜微结构两侧（即微透镜两侧）的衬底腐蚀掉，从而提高光学系统的视场范围。其截面示意图见图3。

实施例3

(1)在硅衬底11上通过双面光刻和双面腐蚀的方法制作出凹陷在微透镜内部的悬浮薄膜结构14，同时形成两个对称的腐蚀腔体。其流程截面示意图见图4-1。

(2)将步骤（1）中的微透镜衬底直接和具有光学器件18的光学系统的器件衬底15进行密封键合，使得光学器件18收容在所述腐蚀腔体内。其流程截面示意图见图4-2。

(3)将步骤（2）中的键合片送入高温环境（一般是指800°C～1200°C），使得悬浮硅薄膜两端产生压力差，从而在悬浮薄膜结构上产生塑性形变，制作出微透镜结构，（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4-3。

本实施例通过改变悬浮薄膜结构的位置，改变微透镜和光学器件之间的间距，从而使光学器件位于微透镜聚焦点。

实施例4

其具体实施步骤部分可以与实施例1、2或3类似，主要区别在于将实施例3步骤（3）修改为在悬浮薄膜结构上施加力载荷，使悬浮薄膜结构上的应力大于其屈服强度，从而在悬浮薄膜结构上产生塑性形变。形成微透镜结构。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）。实施例1、2或3中的力载荷都是通过悬浮薄膜两端的压力差进行施加，而本实施例中的力载荷是直接通过外界力和悬浮薄膜接触进行施加。

实施例5

(1)在抛光的硅片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该硅片下表面的腐蚀掩膜材料上制作出腐蚀窗口图形。

(2)从硅片背面的腐蚀窗口腐蚀硅衬底，形成梯形腐蚀腔体，同时也制成了悬浮硅薄膜结构，去除腐蚀掩膜材料。悬浮薄膜的厚度进行减小，大致为10～100um。

(3)在步骤（2）后直接在该悬浮薄膜上施加力载荷，使悬浮薄膜上应力大于其屈服强度，从而在悬浮薄膜结构上产生塑性形变，形成下凹的悬浮薄膜微结构，从而制作出完整的微透镜结构。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）。

(4)将上述微透镜结构反过来和光学系统的衬底键合，其中，所述光学系统包括器件衬底以及形成于该器件衬底上的光学器件。悬浮薄膜微结构将光学器件包裹在其与给器件衬底形成的密封结构中。

所述光学系统的视场是由微透镜结构周围的硅衬底确定的（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）。任何光学系统都能对系统光轴周围的空间成像，这就是该系统所可能有的视场。视场是光学系统成像范围的量度。

在上述实施例中，也可以形成上凸的悬浮薄膜微结构，从而也就形成了微透镜结构。然后直接将该微透镜结构和光学系统的衬底键合，其中，所述光学系统包括器件衬底以及形成于该器件衬底上的光学器件。悬浮薄膜微结构将光学器件包裹在其与给器件衬底形成的密封结构中。从而简化制作工艺。

微透镜和光学系统的组装是通过圆片级气密键合工艺进行。所述微透镜结构和光学器件的间距通过控制悬浮薄膜在硅衬底上的位置进行控制。比如，实施例1与实施例3中微透镜结构与光学器件的间距不一样，所对应的微透镜焦距也就不一样。在实施例1中，悬浮薄膜位于微透镜衬底的顶部；而在实施例3中，悬浮薄膜位于微透镜衬底的中间位置。

所述悬浮薄膜由能产生塑性形变的薄膜材料组成。所述悬浮薄膜可以通过腐蚀方法制备，也可通过键合方法制备。微透镜的制作可以通过高温环境（一般是指800°C～1200°C）下塑性形变进行，也可通过常温施加力载荷塑性形变进行，在高温环境下只需较小的力载荷就可以实现塑性形变，而在常温条件下需要较大的力载荷才可实现塑性形变。微透镜的形貌可以通过控制工艺温度进行调节。塑性变形量和膜厚成反比，与工艺温度成正比，与工艺过程中的力载荷成正比。此外，悬浮薄膜的形状也会影响塑性形变量的大小，还直接影响透镜的形状。悬浮薄膜的形状可以为圆形结构、也可为方形结构，但不限于此。（该技术属于本领域的公知常识，在此不再赘述）；

本发明中微透镜凹陷在微透镜衬底内部，微透镜底部和光学器件之间的间距通过控制微透镜凹陷的位置进行控制，微透镜下方为密封腔体，光学系统的视场范围通过微透镜四周的微透镜衬底确定。

本发明提高了微透镜和其它光学器件组装的效率，减小了光学系统的尺寸和制造成本，并同时对光学系统的密封环境气氛进行控制，提高光学系统的性能。本发明提出的圆片集成微透镜光学系统的截面结构如图1所示，整个结构包括微透镜结构、硅衬底、密封腔、光学器件、光学器件衬底等五部分。微透镜下方为密封腔体和光学器件，密封腔体内的压力通过键合工艺进行控制。微透镜是凹陷在微透镜衬底内部，光学系统的视场范围通过微透镜衬底结构上的微结构进行控制。由于本发明提出的微透镜和光学器件的组装是采用圆片级键合工艺进行，光学系统的尺寸可以大大减小，透镜组装效率也可以得到大幅度的提高。此外，微透镜和光学器件之间的间距可以通过调节微透镜和微透镜衬底之间的间距进行，从而实现光学器件位于微透镜的焦点。

该制作方法利用高温环境下的悬浮薄膜的塑性形变制作出微透镜，并且微透镜凹陷在微透镜衬底内部，然后再通过圆片键合工艺将光学器件和微透镜进行组装。由于微透镜是凹陷在微透镜内部，微透镜和光学器件圆片键合时施加压力并不会在透镜凸起部分产生应力集中，从而避免了微透镜结构被破坏。

本发明由于采用了圆片集成微透镜光学系统及制作方法，与已有的集成微透镜光学系统相比具有以下优点：

1）微透镜和其他光学器件组装效率高；

2）光学系统的尺寸可以大大减小。

3）由于微透镜采用悬浮薄膜的塑性形变制作，其表面粗糙度较小，并且微透镜的形貌可以通过控制悬浮薄膜的塑性形变量进行控制，从而可以提高微透镜的聚光特性，提升光学系统的性能。

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 (10)

1.一种圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：

1）提供一硅衬底，在其上下表面沉积腐蚀掩膜层；通过光刻、刻蚀制作出腐蚀窗口图形；

2）自所述腐蚀窗口腐蚀硅衬底；形成腐蚀腔体，同时形成悬浮薄膜；

3）利用悬浮薄膜的塑性形变形成悬浮薄膜微结构；从而形成微透镜结构；

4）将所述微透镜结构与光学系统进行圆片级键合组装，形成密封腔体。

2.根据权利要求1所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，所述步骤3）中利用悬浮薄膜的塑性形变形成悬浮薄膜微结构是指采用力载荷或温度使悬浮薄膜发生塑性形变。

3.根据权利要求1所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，该方法进一步包括步骤5），去除所述悬浮薄膜微结构两侧的硅衬底。

4.根据权利要求1所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，所述步骤1）中的制作出腐蚀窗口图形是指在硅衬底的下表面制作腐蚀窗口图形。

5.根据权利要求4所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，在所述步骤2）中形成悬浮薄膜后；与一支撑衬底键合，将腐蚀腔体密封；利用悬浮薄膜的塑性形变形成下凹的悬浮薄膜微结构，从而形成微透镜结构；然后去除所述支撑衬底；最后，将所述微透镜结构反过来与与光学系统进行圆片级键合组装，形成密封腔体。

6.根据权利要求1所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，所述步骤1）中制作出腐蚀窗口图形是指在硅衬底的上下两个表面制作腐蚀窗口图形。

7.根据权利要求6所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，在所述步骤2）中自所述上下两个表面分别制作的腐蚀窗口腐蚀硅衬底；形成上下两个腐蚀腔体，同时形成悬浮薄膜；形成悬浮薄膜后；利用圆片级键合将悬浮薄膜和光学系统组装，并在圆片级键合过程中同时实现悬浮薄膜的塑性形变形成上凸的悬浮薄膜微结构，从而形成微透镜结构；，形成密封腔体。

8.根据权利要求1所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，所述步骤1）中的硅衬底在沉积腐蚀掩膜层之前还包括抛光的步骤。

9.根据权利要求1所述的圆片集成微透镜光学系统制作方法，其特征在于，所述光学系统包括器件衬底以及形成于该器件衬底上的光学器件；所述微透镜结构和光学器件的间距通过控制悬浮薄膜在硅衬底上的位置进行控制。

10.一种根据权利要求1-9任意一项制作方法制备的圆片集成微透镜光学系统器件结构，所述光学系统的视场是由微透镜结构周围的硅衬底确定的。

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