CN102789011A

CN102789011A - 微透镜阵列及其制作方法

Info

Publication number: CN102789011A
Application number: CN2011101313616A
Authority: CN
Inventors: 闫建华; 欧文; 欧毅
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Beijing Zhongke micro Investment Management Co.,Ltd.
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: CN102789011B

Abstract

本发明实施例公开了一种微透镜阵列及其制作方法，所述制作方法包括：提供基底；在基底内形成阵列浅槽；在基底上旋涂光刻胶，所述光刻胶覆盖基底表面及基底内的阵列浅槽；通过光刻、刻蚀工艺使所述阵列浅槽内的光刻胶达到预设高度；通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列；通过刻蚀工艺在基底内形成基底微透镜阵列，所述基底微透镜阵列中相邻的微透镜不在同一水平面内。采用本发明所提供的微透镜阵列制作方法，能够形成填充因子为100％的微透镜阵列，进而在将所述微透镜阵列应用于CCD或IRFPA等器件后，该微透镜阵列能够极大地提高器件的灵敏度。

Description

微透镜阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制作工艺技术领域，更具体地说，涉及一种微透镜阵列及其制作方法。

背景技术

在半导体器件中，微透镜阵列常用来与图像传感器(CCD)、红外焦平面阵列(IRFPA)等集成，起到成像或聚能等作用。微透镜阵列的制作方法有多种，例如：平面工艺离子交换法、光敏玻璃法、全息法、菲涅尔波带透镜法、光刻胶热熔融法等，在这些方法中，光刻胶热熔融法以其制作工艺简单、成本低和周期短等优点而被广泛应用。

采用光刻胶热熔融法制作微透镜阵列的工艺过程主要包括：基片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、熔化、热处理、检测和图案转移等步骤。依据上述工艺过程形成微透镜阵列的主要原理为：将位于基片上的光刻胶进行加热，使固态的光刻胶转变成液态的、可流动的光刻胶，所述液态的、可流动的光刻胶在其表面张力的作用下便可形成球冠状结构的微透镜，多个微透镜以阵列的形式排列即为微透镜阵列。

微透镜阵列的一个重要参数为微透镜阵列填充因子，所述微透镜阵列填充因子，也可称微透镜阵列有效占空比，就是指微透镜所占面积与整个阵列面积之比。当微透镜阵列与CCD或IRFPA等集成后，微透镜阵列填充因子直接影响其在成像或聚能等方面所起作用的大小，进而影响器件的性能参数。微透镜阵列填充因子越大，其在成像或聚能等方面所起作用也越大。

在当今半导体器件越来越小型化的形势下，尺寸较小的CCD或IRFPA等会使得器件的灵敏度有所下降，此时为了提高器件的灵敏度，则需要提高集成在其上的微透镜阵列的填充因子。而现有工艺中常将微透镜阵列设计成圆形基底的形式，这种形式的微透镜阵列，其填充因子最大只能达到78.5％。因此，微透镜阵列填充因子能否提高，直接影响CCD或IRFPA等器件的灵敏度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种微透镜阵列及其制作方法，该方法能够制作出填充因子为100％的微透镜阵列，进而将该微透镜阵列应用于CCD或IRFPA等器件后能够提高器件的灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种微透镜阵列制作方法，该方法包括：

提供基底；

在基底内形成阵列浅槽；

在基底上旋涂光刻胶，所述光刻胶覆盖基底表面及基底内的阵列浅槽；

通过光刻、刻蚀工艺使所述阵列浅槽内的光刻胶达到预设高度；

通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列；

通过刻蚀工艺在基底内形成基底微透镜阵列，所述基底微透镜阵列中相邻的微透镜不在同一水平面内。

优选的，上述方法中，通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列，具体包括：

将所述基底放入渐升温箱中保持10分钟；

将所述基底放入恒温箱中保持40分钟；

将所述基底放入渐降温箱中保持10分钟，从而在基底上形成光刻胶微透镜阵列。

优选的，上述方法中，所述恒温箱的温度为160～200℃。

优选的，上述方法中，将所述基底放入渐降温箱中保持10分钟，从而在基底上形成光刻胶微透镜阵列，之后还包括：

对所述具有光刻胶微透镜阵列的基底进行热处理。

本发明还提供了一种微透镜阵列，该微透镜阵列包括：基底；位于基底内的多个以阵列形式排列的微透镜，且相邻微透镜不在同一水平面内。

优选的，上述微透镜阵列中，所述基底为硅基底。

优选的，上述微透镜阵列中，所述微透镜的底面形状为正方形。

优选的，上述微透镜阵列中，相邻微透镜的底面边长相同或不同。

优选的，上述微透镜阵列中，相邻微透镜的矢量高度相同或不同。

优选的，上述微透镜阵列中，相邻微透镜的焦距相等或不相等。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的微透镜阵列制作方法包括：提供基底；在基底内形成阵列浅槽；在基底上旋涂光刻胶，所述光刻胶覆盖基底表面及基底内的阵列浅槽；通过光刻、刻蚀工艺使所述阵列浅槽内的光刻胶达到预设高度；通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列；通过刻蚀工艺在基底内形成基底微透镜阵列，所述基底微透镜阵列中相邻的微透镜不在同一水平面内。本发明所提供的微透镜阵列制作方法，首先在基底内形成阵列浅槽，然后在基底上旋涂光刻胶，接着对阵列浅槽内的光刻胶进行刻蚀，从而使得基底上的光刻胶及阵列浅槽内的光刻胶不在同一水平面内，这样，后续形成的光刻胶微透镜阵列或硅微透镜阵列中相邻的微透镜不在同一水平面内，因此，可形成填充因子为100％的微透镜阵列。当将所形成的填充因子为100％的微透镜阵列集成于CCD或IRFPA等器件内后，该微透镜阵列能够极大地提高器件的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种微透镜阵列制作方法的流程示意图；

图2～图6为本发明实施例所提供的微透镜阵列制作过程中器件的剖面结构示意图；

图7～图10为本发明实施例所提供的不同结构的微透镜阵列示意图；

图11为本发明实施例所提供的相邻微透镜的焦距相等的微透镜阵列示意图；

图12为本发明实施例所提供的相邻微透镜的焦距不相等的微透镜阵列示意图；

图13～图15为本发明实施例所提供的入射光经微透镜阵列会聚后会聚光线与光敏面的位置关系图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

参考图1，图1为本发明所提供的一种微透镜阵列制作方法的流程示意图，该方法具体包括如下步骤：

步骤S1：提供基底。

本发明实施例中所述基底为硅基底，当然，其他实施例中所述基底还可以为锗、磷化铟或砷化镓等半导体材料。

本实施例中所涉及到的“基底上”是指由基底表面向上的区域，该区域不属于基底本身；所述“基底内”是指由基底表面向下延伸的一定深度的区域，该区域属于基底的一部分。

步骤S2：在基底内形成阵列浅槽。

参考图2，对基底1的表面进行抛光，然后在基底1表面旋涂一层光刻胶，接着采用相应的掩膜版对所述光刻胶层进行曝光，之后显影，最后采用刻蚀工艺在基底1内形成边长为D的正方形阵列浅槽2，本实施例中相邻浅槽2的间距也为D。当然，其他实施例中可以设置使得相邻浅槽2的间距与浅槽2的边长不相同，也可以设置浅槽2底面的形状为正六边形等。

步骤S3：在基底上旋涂光刻胶，所述光刻胶覆盖基底表面及基底内的阵列浅槽。

参考图3，在基底1表面均匀旋涂SU-8负性光刻胶3，所述光刻胶3覆盖基底1表面及基底1内的阵列浅槽2。

步骤S4：通过光刻、刻蚀工艺使所述阵列浅槽内的光刻胶达到预设高度。

参考图3和图4，在所述SU-8负性光刻胶3上再旋涂一层正性光刻胶，接着采用步骤S2中所用的掩膜版对基底1表面的正性光刻胶层进行曝光，之后显影，最后采用刻蚀工艺对阵列浅槽2内的负性光刻胶进行刻蚀，通过控制刻蚀时间使得阵列浅槽2内的负性光刻胶达到预设高度。本实施例中阵列浅槽内的光刻胶21的高度(即预设高度)和基底1表面光刻胶31的高度相同，当然，其他实施例中可以设置两者的高度不相同。

步骤S5：通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列。

该步骤又可包括如下几个步骤：

步骤S51：将所述基底放入渐升温箱中保持10分钟。

将表面具有SU-8负性光刻胶的基底放入渐升温箱中保持10分钟，该渐升温箱的温度在10分钟中内由25℃升至180℃。

步骤S52：将所述基底放入恒温箱中保持40分钟。

将所述基底放入恒温箱中保持40分钟，所述恒温箱内的温度为可以在160～200℃之间。

步骤S53：将所述基底放入渐降温箱中保持10分钟，从而在基底上形成光刻胶微透镜阵列。

将所述基底放入渐降温箱中保持10分钟，所述渐降温箱的温度在10分钟中由180℃降至25℃。

参考图5，经60分钟的热熔融工艺后，在基底1表面形成了光刻胶微透镜阵列4，且相邻微透镜4不在同一水平面内。在热熔融工艺过程中，位于基底1浅槽内的微透镜4是通过两侧的阻挡层(即两侧的基底)来形成球形的微透镜的，其形成方法可称为热熔融阻挡法；对于位于基底1表面上的微透镜4，其是通过热熔融自停止法而得到所需的微透镜的。

步骤S6：对所述具有光刻胶微透镜阵列的基底进行热处理。

将表面形成有光刻胶微透镜阵列的基底放入温度稍高于热熔融工艺时温度(即热熔融工艺中所用恒温箱的温度)的恒温箱(例如温度为160℃)中保持30～60min，对所述基底进行热处理，热处理过程中微透镜阵列会进行自我表面修复，从而使微透镜表面的光洁度较小，最终使得微透镜的成像或聚能功能较好。

步骤S7：通过刻蚀工艺在基底内形成基底微透镜阵列，所述基底微透镜阵列中相邻的微透镜不在同一水平面内。

参考图5和图6，以基底1表面的光刻胶微透镜阵列4为掩膜对所述基底1进行刻蚀，刻蚀过程中所用的等离子体可以由氩气来形成，也可以由氧气和三氟甲烷的混合气体来形成，之后去除基底1表面的光刻胶微透镜阵列4，进而在基底1内形成硅微透镜阵列5。所形成的硅微透镜阵列5中相邻的微透镜5不在同一水平面内。

由上可知，本发明所提供的微透镜阵列制作方法，首先在基底内形成阵列浅槽，接着在阵列浅槽内及基底表面旋涂光刻胶，并对阵列浅槽内的光刻胶进行刻蚀，使得阵列浅槽内的光刻胶和相邻阵列浅槽之间的基底上的光刻胶不在同一水平面内，进而使后续所形成的光刻胶微透镜阵列或基底微透镜阵列中相邻的微透镜不在同一水平面内，这样就能形成填充因子为100％的微透镜阵列。微透镜阵列的填充因子越高，其所发挥的成像或聚能作用就越大，将其应用于小尺寸的CCD或IRFPA等器件中，能极大地提高器件的灵敏度。

下面结合附图详细描述本发明所提供的微透镜阵列。

参考图7，图7为本发明实施例所提供的一种微透镜阵列的结构示意图，该微透镜阵列包括：基底1；位于基底1内的多个以阵列形式排列的微透镜6，且相邻微透镜6不在同一水平面内。本发明实施例中所述基底1为硅基底，因此，所形成的微透镜阵列为硅微透镜阵列。

本实施例中所述微透镜6的底面形状为正方形，其他实施例中也可以设置其底面形状为正六边形等。图7中示出了微透镜6的底面边长为D，且相邻微透镜6的底面边长相同。当然，相邻微透镜的底面边长也可以不同。参考图8，图8中示出了相邻微透镜7的底面边长不同，分别为D和d。

本发明所提供的微透镜阵列中，相邻微透镜的矢量高度可以相同，也可以不同。参考图9和图10，图9中示出了相邻微透镜8的矢量高度相同，均为H，图10中示出了相邻微透镜9的矢量高度不同，分别为H和h。

本发明所提供的微透镜阵列中，相邻微透镜的焦距可以相等，也可以不相等。参考图11和图12，当入射光照射到各微透镜阵列上时，微透镜阵列中的各微透镜均会发生聚焦现象，图11中示出了相邻微透镜聚焦后其焦距相等，均为f，图12中示出了相邻微透镜聚焦后其焦距不相等，分别为f1和f2。对此，本发明并无特别限制。

当所述微透镜阵列与CCD或IRFPA等器件集成后，在入射光的照射下，微透镜阵列中各微透镜的焦点可以均落在光敏面上，也可以不完全或均不落在光敏面上。参考图13、图14和图15，图13中示出了各微透镜10的焦点均落在光敏面11上，图14中示出了微透镜12阵列中部分微透镜的焦点落在光敏面上，部分微透镜的焦点没有落在光敏面上，图15中示出了各微透镜13的焦点均未落在光敏面上。对于图14和图15中微透镜的焦点未落在光敏面上的情况，只要保证入射光经各微透镜后所形成的会聚光线能够进入光敏面即可，即：保证会聚光线与光敏面相交时的开孔小于光敏面的长度即可。

本发明所提供的微透镜阵列，由于相邻微透镜不在同一水平面内，因此，通过设计可使得该微透镜阵列具有100％的填充因子，进而在将其集成于CCD或IRFPA等器件后，能够最大限度地发挥其成像或聚能作用，尤其对于小尺寸的CCD或IRFPA等器件，能够极大地提高器件的灵敏度。

本发明实施例中对微透镜阵列及其制作方法的描述各有侧重点，相关、相似之处可相互参考。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种微透镜阵列制作方法，其特征在于，包括：

提供基底；

在基底内形成阵列浅槽；

通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过热熔融工艺在基底上形成光刻胶微透镜阵列，具体包括：

将所述基底放入渐升温箱中保持10分钟；

将所述基底放入恒温箱中保持40分钟；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述恒温箱的温度为160～200℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述基底放入渐降温箱中保持10分钟，从而在基底上形成光刻胶微透镜阵列，之后还包括：

对所述具有光刻胶微透镜阵列的基底进行热处理。

5.一种微透镜阵列，其特征在于，包括：

基底；

位于基底内的多个以阵列形式排列的微透镜，且相邻微透镜不在同一水平面内。

6.根据权利要求5所述的微透镜阵列，其特征在于，所述基底为硅基底。

7.根据权利要求6所述的微透镜阵列，其特征在于，所述微透镜的底面形状为正方形。

8.根据权利要求7所述的微透镜阵列，其特征在于，相邻微透镜的底面边长相同或不同。

9.根据权利要求7所述的微透镜阵列，其特征在于，相邻微透镜的矢量高度相同或不同。

10.根据权利要求7所述的微透镜阵列，其特征在于，相邻微透镜的焦距相等或不相等。