CN103022063B

CN103022063B - 微透镜阵列及其制作方法

Info

Publication number: CN103022063B
Application number: CN201210333616.1A
Authority: CN
Inventors: 曼弗雷德·恩格尔哈德特
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-09-10
Also published as: CN103022063A; US20130070343A1; US9030744B2; DE102012216695A1

Abstract

本发明提供了微透镜阵列及其制作方法。该方法包括在衬底上形成第一透镜材料结构。第一透镜材料结构包括多个升高部分。所述升高部分通过凹部隔开。而且，所述多个升高部分具有至少3微米的平均高度。此外，用于制作微透镜阵列的方法包括在第一透镜材料结构和凹部上沉积介电材料，以形成第二透镜材料结构。第二透镜材料结构具有至少1微米的平均厚度。而且，第一和第二透镜材料结构一起形成该微透镜阵列。

Description

微透镜阵列及其制作方法

技术领域

本发明的一些实施方式涉及一种微透镜阵列。本发明的一些实施方式涉及一种用于制作微透镜阵列的方法。

背景技术

微透镜变得越来越重要。特别是在半导体领域中，微透镜起着重要的作用。例如，微透镜阵列的典型应用是利用微透镜阵列将光聚焦到感光材料上。通常，半导体产品上的微透镜用于将入射光聚焦到下面的层上，下面的层能够将光转换为电信号，以便进一步处理。例如，这些层可以是感光材料层。与半导体产品一起使用微透镜阵列允许处理入射光，例如通过在互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器中采用微透镜阵列。

随着越来越多的应用，需要在半导体产品上高效地制造微透镜。

一种常见的制造方法是在第一处理步骤中制作微透镜。在进一步的处理步骤中，可将微透镜粘贴在半导体芯片上。

然而，需要提供在半导体产品上制作微透镜阵列的有效方法。制作微透镜阵列的方法应该允许在半导体衬底上制作多个微透镜。

发明内容

一些实施方式提供一种用于制作微透镜阵列的方法。用于制作微透镜阵列的方法包括在衬底上形成第一透镜材料结构。第一透镜材料结构包括多个升高部分。所述升高部分通过凹部隔开。而且，多个升高部分具有至少3微米的平均高度。此外，用于制作微透镜阵列的方法包括将介电材料沉积到第一透镜材料结构和凹部上，以形成第二透镜材料结构。第二透镜材料结构具有至少1微米的最小厚度。而且，第一和第二透镜材料结构一起形成微透镜阵列。

其他实施方式提供一种微透镜阵列。该微透镜阵列通过包括在衬底上形成第一透镜材料结构的步骤的方法而产生。第一透镜材料结构包括通过凹部隔开的多个升高部分。而且，多个升高部分具有至少3微米的平均高度。此外，该方法包括将最小厚度为至少1微米的介电材料沉积到第一透镜材料结构和凹部上以形成第二透镜材料结构的另一步骤。第一和第二透镜材料结构一起形成微透镜阵列。

在另一个实施方式中，提供一种微透镜阵列。该微透镜阵列包括位于衬底上的第一透镜材料结构。第一透镜材料结构包括通过凹部隔开的多个升高部分。此外，多个升高部分具有至少3微米的平均高度。而且，该微透镜阵列包括位于第一透镜材料结构和凹部上的第二透镜材料结构。第二透镜材料结构包含介电材料。此外，第二透镜材料结构具有至少1微米的最小厚度。第一和第二透镜材料结构一起形成微透镜阵列。

附图说明

这里参考附图描述本发明的实施方式。

图1A至图1E描绘了根据一个实施方式的在制造过程的不同阶段时经过衬底上的透镜材料的横截面。

图2A至图2F示出了根据一个实施方式的在制造过程的不同阶段时经过衬底上的透镜材料的其他横截面。

图3描绘了根据一个实施方式的在衬底上生成的微透镜阵列的三维示图。

图4A至图4B示出了根据另一实施方式的在制造过程的不同阶段时经过衬底上的透镜材料的横截面。

图5A至图5D描绘了根据一个实施方式的位于衬底上的升高部分的三维示图，其中升高部分具有不同的形状。

在下面的描述中，具有相同或等同功能的相同或等同元件由相同或等同的参考数字表示。

具体实施方式

图1A至图1E示出了根据一个实施方式的在制造过程的不同阶段时经过衬底上的透镜材料的横截面。

图1A描绘了衬底110。例如，该衬底可包括含有晶体硅的衬底层。而且，衬底110可以在透镜材料与衬底层之间包含一个或多个底层。在图1A中，已经在衬底110上形成了第一透镜材料结构。

第一透镜材料结构包括多个升高部分131、132、133，所述升高部分可包含介电材料，例如二氧化硅。二氧化硅是特别合适的透镜材料。然而，第一透镜材料结构也可以或者替换地包含其他合适的透镜材料，例如聚碳酸酯。

升高部分132包括三个侧面151、152、153：位于升高部分132的顶部上的水平侧面151和两个竖直侧面152、153。在其他实施方式中，升高部分可以例如具有倾斜的侧面。升高部分131、132、133通过凹部141、142隔开，所述凹部可通过蚀刻到第一透镜材料结构中而形成。这将在下面参考图2A至图2F更详细地解释。

在图1A中，箭头h表示升高部分132的高度。升高部分132的侧面151、152、153上的任意位置被认为是升高部分132上的点。升高部分132上的点与衬底110的表面111之间的距离是升高部分132上的点与衬底110的表面111之间的最短直线的长度。当考虑升高部分132上的每个点与衬底110的表面111之间的所有距离时，升高部分132的高度是最大距离。升高部分131、132、133的平均高度是设置在衬底110上的所有升高部分131、132、133的高度的平均值。

升高部分132与升高部分133之间的凹部的最小凹部宽度由箭头w表示。通过凹部隔开的两个邻近升高部分之间的最小距离是所考虑的凹部的最小凹部宽度。该最小凹部宽度是衬底上的所有升高部分之间的所有凹部的最小的凹部宽度。

在图1A中，还没有开始介电材料的沉积。

图1B示出了后续的制造阶段，其中刚刚开始介电材料170在第一透镜材料结构上的沉积。通常，介电材料170共形地（conformally）沉积在第一透镜材料层上。因此，已经沉积的介电材料170在大部分沉积区域上具有相同的厚度。然而，在升高部分131、132、133的边缘161、162、163、164附近，比其他区域沉积的介电材料170更少。因此，在第一透镜材料结构的升高部分131、132、133的边缘161、162、163、164附近开始发生圆滑效应（rounding effect）。结果，在升高部分131、132、133的边缘161、162、163、164附近沉积的介电材料170没有呈现尖锐的边缘。相反，所沉积的介电材料170的表面从竖直侧面到水平侧面的过渡变得圆滑。

第二透镜材料结构的介电材料可以通过应用化学气相沉积（CVD）而共形地沉积。化学气相沉积是沉积固体材料所采用的化学过程。例如，可将衬底暴露于源气体（source gas）。介电材料可以通过采用TEOS化学气相沉积（TEOS=正硅酸乙酯）而沉积。将衬底110暴露于TEOS源气体。源气体在衬底110的表面上反应并产生二氧化硅作为沉积物。

图1C示出了沉积过程的后续阶段。已经在升高部分131、132、133和凹部上沉积了更多的介电材料。上述与升高部分131、132、133的边缘161、162、163、164附近所沉积的介电材料170有关的圆滑效应增加。

图1D描绘了后续的制造阶段，其中沉积更多的介电材料170。随着更多介电材料170的沉积，形成在凹部上的介电材料170的间隙变得更小。

图1E示出了在已经完成介电材料170的沉积之后的最后阶段。介电材料已经沉积在第一透镜材料结构和凹部141、142上，使得第一透镜材料结构完全被所沉积的材料覆盖。在升高部分131、132、133的边缘161、162、163、164附近的区域开始的圆滑效应现在发生在所沉积的介电材料170的整个表面上。

已经沉积在升高部分和凹部上的介电材料170形成第二透镜材料结构。包括升高部分131、132、133的第一透镜材料结构和第二透镜材料结构一起形成微透镜阵列。

第二透镜材料结构具有表面195。第二透镜材料结构的表面195上的任意位置被认为是第二透镜材料结构的表面195上的点。第二透镜材料结构的表面195包含无数个点，例如点197、198、199。

当形成透镜材料阵列时，期望形成具有预定特性的微透镜。例如，期望将要生成的微透镜具有预定的焦距、预定的透镜半径。很多透镜特性取决于微透镜阵列的形状。因此，希望制造具有预定形状的微透镜阵列。

第二透镜材料结构的形状取决于形成第二透镜材料结构的所沉积的介电材料170的最小厚度。相对于第一透镜材料层的升高部分131、132、133来确定介电材料的最小厚度。第二透镜材料结构的表面195上的点197、198、199与第一透镜材料结构的升高部分131、132、133之间的距离是连接点197、198、199与其中一个升高部分131、132、133的最短直线的长度。介电材料170（其形成第二透镜材料结构）的最小厚度是当考虑第二透镜材料结构的表面195上的每个点197、198、199与第一透镜材料结构的其中一个升高部分131、132、133之间的所有距离时的最短距离。在图1E中，箭头t表示第二透镜材料结构的表面195上的点与其中一个升高部分131、132、133之间的最短直线。因此，箭头t描绘了介电材料的最小厚度。应该注意的是，术语“第二透镜材料结构的最小厚度”和“所沉积的介电材料的最小厚度”在本文中具有相同的含义。

沉积之后的第二透镜材料结构150的形状取决于升高部分131、132、133、凹部141、142的形状并且取决于所沉积的透镜材料170的厚度。一方面，升高部分应该至少具有一定的最小高度，从而在升高部分和凹部上沉积介电材料时生成第二透镜材料结构的透镜形状。而且，第二透镜材料结构应该至少具有一定的厚度，从而相对于第二透镜材料结构，在升高部分的转角处发生充分的圆滑效应。根据这些发现，提供下面的实施方式，从而能够形成第二透镜材料结构。

为了减少涉及光辐射的衍射，例如光落在将要生成的微透镜上，升高部分应该具有显著大于光辐射的波长的高度，例如大于可见光辐射的波长（可见光辐射的波长近似在380到780纳米的范围内）。根据一个实施方式，升高部分具有至少3微米的平均高度。升高部分的平均高度取决于蚀刻凹部的深度，例如当在衬底上形成第一透镜材料结构时可调节该平均高度。例如，在衬底上布置最小厚度为至少3微米的第一透镜材料结构可能是必须的。

根据另一实施方式，第二透镜材料结构具有至少1微米的最小厚度。这样的最小厚度再次减少了衍射效应。可以例如通过调节将介电材料沉积在第一透镜材料结构上的步骤的持续时间来控制介电材料的厚度。介电材料在第一透镜材料结构上的沉积持续时间越长，第二透镜材料结构将越厚。

在另一个实施方式中，升高部分具有至少3微米的平均高度，并且第二透镜材料结构具有至少1微米的最小厚度。

此外，沉积在升高部分和凹部上的第二透镜材料结构的形状可以取决于最小凹部宽度。最小凹部宽度对应于邻近的升高部分之间的最小距离（其可以被称作“最小间隙”）。如果凹部宽度太小，则只有少量的介电材料会沉积在凹部中。相反，有利的是，凹部至少具有最小凹部宽度，从而在凹部中也沉积足够程度的介电材料，并且使得第二透镜材料结构形成有期望的透镜形状。

在一个实施方式中，凹部具有至少2微米的最小凹部宽度。这样的最小凹部宽度特别适合形成具有期望的透镜形状的第二透镜材料结构。

而且，第二透镜材料结构的形状取决于最小凹部宽度与升高部分的平均高度的比率。最小凹部宽度w与升高部分的平均高度h的比率通过用最小凹部宽度w除以升高部分的平均高度h来计算，从而该比率是w/h。在一个实施方式中，最小凹部宽度与升高部分的平均高度的比率可以是至少0.75。

在其他实施方式中，结合上述最小值、平均值或者比率值要求中的至少两个。

微透镜的效率由第一和第二透镜材料结构的厚度和材料特性确定。而且，第二透镜材料结构的效率取决于临界尺寸（CD）、间距（例如，中心到中心的距离）和蚀刻（部分蚀刻或者完全蚀刻）到透镜材料中的沟槽的深度、以及最终（例如共形地）沉积的介电膜的厚度、形状和材料特性。

图2A至图2F示出了根据一个实施方式的如何可以形成第一透镜材料结构。也可以采用制作第一透镜材料结构的其他概念。

图2A示出了经过衬底的横截面。该衬底包括底层210和衬底层220。

此外，衬底可包括感光材料层，用于接收和进一步处理入射光。底层210可包括彩色滤光片，例如对红光透明的一个或多个红色滤光片、对绿光透明的一个或多个绿色滤光片、以及对蓝光透明的一个或多个蓝色滤光片。而且，衬底可包括光电元件，例如光电二极管、光敏晶体管或光敏电阻器，并且可包括用于根据入射光输出电信号和/或光信号的触发电路。

在由图2A所示的处理步骤中，第一透镜材料层还没有设置在衬底上。

图2B描绘了在后续的处理步骤之后的横截面，在该步骤中，第一透镜材料结构230已经设置在衬底上，例如设置在衬底的底层210上。第一透镜材料结构230可通过沉积透镜材料而设置在衬底上。在一个实施方式中，第一透镜材料结构230可包含二氧化硅。透镜材料可通过共形沉积而沉积到衬底上。根据一个实施方式，第一透镜材料可通过采用化学气相沉积而沉积到衬底上，例如通过采用TEOS-CVD（正硅酸乙酯化学气相沉积）。根据一个实施方式，底层210是平坦层。由于化学气相沉积是共形沉积，所以由该沉积得到的第一透镜材料结构230也是平坦层。然而，在其他实施方式中，底层210不是平坦层，并且由该沉积得到的第一透镜材料结构230也不是平坦层。

图2C描绘了在第一透镜材料结构230上设置图案化光刻胶240之后的横截面。在一个实施方式中，可在第一透镜材料结构上设置未图案化光刻胶，并且可通过实施光刻技术（例如半导体光刻技术）从未图案化光刻胶生成图案化光刻胶240。可以采用光掩模在未图案化光刻胶上形成图案。在第一透镜材料结构230上设置图案化光刻胶240支持蚀刻到第一透镜材料结构230中的后续处理步骤。

图2D示出了蚀刻到第一透镜材料结构的处理步骤之后的横截面。在图2D所示的实施方式中，第一透镜材料结构的未被图案化光刻胶覆盖的所有那些部分已经通过蚀刻完全去除。第一透镜材料结构的被图案化光刻胶覆盖的所有部分仍保留在衬底上，因为它们没有受到蚀刻的影响。在图2D所示的实施方式中，第一透镜材料结构的未被图案化光刻胶覆盖的透镜材料已经完全去除，从而实施了完全蚀刻。实施蚀刻，直到到达衬底的底层。在其他实施方式中，实施部分蚀刻，因此第一透镜材料结构的未被图案化光刻胶覆盖的透镜材料没有完全去除。

在图2D所示的实施方式中，蚀刻在第一透镜材料结构中生成多个凹部。第一透镜材料结构的其余透镜材料在蚀刻的凹部241、242、243、244之间形成升高部分231、232、233、234、235。所生成的升高部分231、232、233、234、235和凹部241、242、243、244取决于图案化光刻胶的图案。

到第一透镜材料结构的透镜材料的蚀刻可以称为沟槽蚀刻。可以采用干蚀刻来仅去除透镜材料的未被图案化光刻胶覆盖的那些部分。可将透镜材料暴露于例如反应气体。例如，可以采用等离子腐蚀。然而，在其他实施方式中，可替换地，可以采用湿蚀刻，通过蚀刻到透镜材料中来形成第一透镜材料结构的升高部分。

图2E示出了从第一透镜材料结构去除图案化光刻胶的步骤之后的横截面。通过采用传统的光刻胶剥离方法可以完成光刻胶剥离。在图2E中，示出了已经形成在衬底上的第一透镜材料结构。第一透镜材料结构包括通过凹部隔开的多个升高部分。

图2F描绘了在升高部分和凹部上沉积介电材料之后的横截面。在升高部分和凹部上沉积介电材料的步骤可以如关于图1A至图1E所描述的来实施。

图3示出了根据一个实施方式的在衬底310上生成的微透镜阵列320的三维示图。所制作的微透镜阵列320包括位于衬底310上的多个（六个）纵向微透镜。

图4A至图4B示出了另一实施方式，其中第一透镜材料结构包括至少部分倾斜或锥形的轮廓。

图4A示出了经过衬底上的第一透镜材料结构的横截面，该衬底包括底层410和衬底层420。在图4A中，示出了第一透镜材料层的五个升高部分。每一个升高部分包括三个侧面：水平侧面441、442、443、444、445和两个竖直侧面451、461、452、462、453、463、454、464、455、465。

图4B示出了后续处理步骤之后的经过衬底上的第一透镜材料结构的横截面。已经从升高部分的侧面部分地去除透镜材料，使得第一透镜材料结构包括部分锥形的轮廓。在其他实施方式中，可以提供完全倾斜或锥形的轮廓。例如，通过将第一透镜材料结构的相应部分物理暴露于惰性气体等离子体，可以实现锥形的引入。可以实施等离子蚀刻，以从第一透镜材料结构去除透镜材料，从而生成锥形的轮廓。在一个实施方式中，可以采用氩等离子体。

提供具有至少部分倾斜或锥形的轮廓的第一透镜材料层是有利的。当在第一材料结构上沉积介电材料时，可通过提供相应（部分）倾斜或锥形的轮廓来调节沉积介电材料之后第二透镜材料结构将呈现的形状。

图5A示出了第一透镜材料结构的升高部分511、512、513、514已经设置在衬底510上之后关于第一透镜材料结构的三维视图。升高部分具有矩形基底（footprint）。矩形基底的长度l可以不同于升高部分（例如升高部分512）的矩形基底的宽度d。

图5B示出了关于衬底520上的第一透镜材料结构的三维视图，其中升高部分521、522、523、524具有圆锥形状。

图5C描绘了三维视图，其中衬底530上的升高部分536、537、538、539具有截头圆锥的形状。

然而，升高部分还可以呈现出不同的形状。例如，图5D示出了根据一个实施方式的设置在衬底540上的升高部分541、542、543、544，其呈现出圆柱形状。

例如，升高部分的基底可以是矩形、椭圆形或圆形。

根据一个实施方式，提供了一种包括位于衬底上的第一透镜材料结构的微透镜阵列。第一透镜材料结构包括通过凹部隔开的多个升高部分，其中所述多个升高部分具有至少3微米的平均高度。此外，该微透镜阵列包括位于第一透镜材料结构和凹部上的第二透镜材料结构，其中第二透镜材料结构包含介电材料，并且其中第二透镜材料结构具有至少1微米的最小厚度，其中第一和第二透镜材料结构一起形成微透镜阵列。

在另一实施方式中，可提供一种根据其中一种上述制作方法产生的微透镜阵列。

尽管这里已经示出并描述了具体的实施方式，但是本领域技术人员应当理解，多个普通和/或等同的实施过程可以替换所示和所述的具体实施方式，而不偏离本发明的范围。这个应用旨在覆盖这里所讨论的这些具体实施方式的任何改编或变型。

Claims

1.一种用于制作微透镜阵列的方法，包括：

在衬底上形成第一透镜材料结构，其中，所述第一透镜材料结构包括通过凹部隔开的多个升高部分，其中，所述多个升高部分具有至少3微米的平均高度；以及

在所述第一透镜材料结构和所述凹部上沉积最小厚度为大于1微米的介电材料，以形成第二透镜材料结构，其中，所述第一和第二透镜材料结构一起形成所述微透镜阵列。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述凹部具有至少2微米的最小凹部宽度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述最小凹部宽度与所述升高部分的平均高度的比率是至少0.75。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在衬底上形成所述第一透镜材料结构包括至少部分地蚀刻到所述第一透镜材料结构的透镜材料中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在衬底上形成所述第一透镜材料结构包括蚀刻到所述第一透镜材料结构的透镜材料中直到到达底层。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一透镜材料结构形成为包括具有矩形、椭圆形或圆形基底的多个升高部分。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一透镜材料结构进一步包括：

将透镜材料设置在衬底上作为第一透镜材料结构；

在所述第一透镜材料结构上形成图案化光刻胶；以及

蚀刻到所述第一透镜材料结构的未被所述图案化光刻胶覆盖的区域中。

8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：

在所述蚀刻之后从所述第一透镜材料结构去除所述图案化光刻胶。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一透镜材料结构上沉积所述介电材料通过TEOS化学气相沉积过程实施。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构包含相同的透镜材料或者具有光学上等效特性的不同的透镜材料。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构中的至少一个包含二氧化硅。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述第一透镜材料结构进一步包括从所述第一透镜材料结构的至少一个侧面去除一部分所述透镜材料，使得所述第一透镜材料结构包括至少部分倾斜或锥形的轮廓。

13.一种微透镜阵列，通过以下方法产生：

在所述第一透镜材料结构和所述凹部上沉积最小厚度为大于1微米的介电材料，以形成第二透镜材料结构，

其中，所述第一和第二透镜材料结构一起形成所述微透镜阵列。

14.根据权利要求13所述的微透镜阵列，其中，所述凹部具有至少2微米的最小凹部宽度，并且其中，所述最小凹部宽度与所述升高部分的平均高度的比率是至少0.75。

15.根据权利要求14所述的微透镜阵列，其中，所述第一透镜材料结构包括具有矩形、椭圆形或圆形基底的多个升高部分。

16.根据权利要求13所述的微透镜阵列，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构包含相同的透镜材料或者具有光学上等效特性的不同的透镜材料。

17.根据权利要求13所述的微透镜阵列，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构中的至少一个包含二氧化硅。

18.一种微透镜阵列，包括：

第一透镜材料结构，位于衬底上，其中，所述第一透镜材料结构包括通过凹部隔开的多个升高部分，其中，所述多个升高部分具有至少3微米的平均高度；以及

第二透镜材料结构，位于所述第一透镜材料结构和所述凹部上，其中，所述第二透镜材料结构包含介电材料，并且其中，所述第二透镜材料结构具有大于1微米的最小厚度，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构一起形成所述微透镜阵列。

19.根据权利要求18所述的微透镜阵列，其中，所述凹部具有至少2微米的最小凹部宽度。

20.根据权利要求19所述的微透镜阵列，其中，所述最小凹部宽度与所述升高部分的平均高度的比率是至少0.75。

21.根据权利要求18所述的微透镜阵列，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构包含相同的透镜材料或者具有光学上等效特性的不同的透镜材料。

22.根据权利要求18所述的微透镜阵列，其中，所述第一透镜材料结构和所述第二透镜材料结构中的至少一个包含二氧化硅。