CN105204097B - 二氧化硅微透镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二氧化硅微透镜及其制造方法，包括基底层和透镜层，透镜层位于基底层的正面上，还包括增透层Ⅰ和增透层Ⅱ，所述增透层Ⅰ覆盖于透镜层的表面，增透层Ⅱ覆盖于基底层的背面；所述透镜层包括第一透镜层和第二透镜层，第二透镜层包裹在第一透镜层上，且通过高温回流融合为一体。透镜层材料选择掺杂硼、磷的二氧化硅材料，这种材料在高温回流时具有良好的流动性，第二透镜层包覆于圆台形状的第一透镜层上，通过高温回流两者可以完全地熔合为一体，并自然形成平凸型结构。保证微透镜整体具有折射率一致性。本发明透镜面形较好、阵列填充因子较高、可靠性较高，工艺简单、成本较低、产品一致性较好、适合大规模生产等优点。
Description
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种二氧化硅微透镜及其制造方法。
背景技术
透镜是一种被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。利用传统工艺制造出来的透镜不仅制造方法复杂，而且制造出来的透镜尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前，人们已经能够制作出直径非常小的透镜，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜。微透镜与微透镜阵列以其尺寸小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，在光通讯、光传感、光计算等领域拥有广阔的应用前景。
随着半导体工业的发展，光刻和微细加工技术的提高，陆续地出现了一系列新颖的微透镜及微透镜阵列的制作工艺，下面主要介绍几种主流的微透镜及微透镜阵列的制作方法。
（1）光刻胶热回流技术
整个工艺过程可以分为三步：一、对基板上的光刻胶在掩模的遮蔽下进行曝光，曝光图案呈圆形，矩形或正六边形；二、对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质；三、放置于加热平台上，热熔成型。这种技术制作的微透镜及微透镜阵列存在一些缺点：一、由于光刻胶对于基板材料存在浸润现象，当光刻胶在熔融状态时与基板的附着力是一定的，那么当熔融光刻胶最终成型以后微透镜球面轮廓与基板之间存在浸润角，使微透镜的边缘存在一定的曲率，而中间部分下陷；二、一般情况下微透镜阵列的填充因子不会超过80%，而且光刻胶在熔化后容易粘连，相邻的熔融光刻胶一旦接触后，不会形成透镜的面形。由于填充因子不高，使入射的光不能充分利用，并且会引起背景噪声；三、由于光刻胶本身的机械性能和化学性能比较差，光学性能也不高，不适于作为最终的微透镜或其他微结构的材料。
（2）灰度掩模技术
灰度掩模技术关键之处就是灰度等级掩模版的制作。目前比较常用的两种方法是彩色编码掩模版和高能电子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同颜色，表示不同的灰度等级，一种颜色代表一个灰度等级，然后再将用颜色表示的灰度图形，用高分辨率彩色打印机打印在透明胶片上，再将此彩色胶片通过精缩转到黑白透明胶片上，这样就形成了具有不同灰度等级掩模版，通过一次曝光可得到多相位台阶的浮雕表面分布结构。这种掩模版分辨率较低，器件的相位轮廓台阶直接受到打印机彩色等级限制。高能电子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其对不同能量电子束的敏感程度不同，形成透过率为台阶变化或连续变化的真正灰度掩模版。这种掩模版分辨率较高，且掩模版制作过程简单，但是灰度掩模版的制作随着其灰阶的增多将变得十分困难，制作成本也将大幅度上升。这种微透镜及微透镜阵列的制作方法，对于制作小批量的微透镜及微透镜阵列较为台适，但如果需要大批量生产微透镜及微透镜阵列，这种方法就不太方便，而且成本高，总的生产过程复杂，产品均匀性难以保证。
发明内容
本发明要解决的是现有微透镜及微透镜阵列制作技术中透镜面形畸变、存在背景噪声、工艺复杂、成本较高、产品一致性难以保证、不适合大规模量产等技术问题，从而提供一种与半导体工艺兼容、易于集成、尺寸小、成本低、可定制化、适合大规模生产的微透镜及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种二氧化硅微透镜，包括基底层和透镜层，透镜层位于基底层的正面上，还包括增透层Ⅰ和增透层Ⅱ，所述增透层Ⅰ覆盖于透镜层的表面，增透层Ⅱ覆盖于基底层的背面；所述透镜层包括第一透镜层和第二透镜层，第二透镜层包裹在第一透镜层上，且通过高温回流融合为一体。
所述基底层的材料为石英玻璃材料，所述透镜层的材料为掺硼、磷的二氧化硅材料，所述增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的材料为氟化镁材料。
所述基底层和透镜层的折射率相同。
所述增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的厚度相同，且等于光在增透层Ⅰ或增透层Ⅱ中波长的四分之一，从而使增透层Ⅰ或增透层Ⅱ的前后表面的两反射光相互抵消。
所述增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的厚度为285nm。
所述透镜层的截面呈平凸结构，所述第一透镜层为圆台形状。
所述基底层的厚度为300μm-500μm。
二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：
步骤S1：对基底层表面做清洗处理，所述基底层为石英晶圆；
步骤S2：采用PECVD淀积厚度为1-10um的掺硼磷的二氧化硅层Ⅰ；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%；
步骤S3：重复步骤S2，直至生长出厚度为10-100um的第一透镜层，然后对第一透镜层进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃，退火时间为3-5小时；
步骤S4：对第一透镜层表面做清洗处理；
步骤S5：在第一透镜层表面形成掩模层；
步骤S6：在掩模层上旋涂一层正性或负性的光刻胶层，然后对光刻胶层6做前烘处理并自然降温；
步骤S7：对光刻胶层进行曝光、显影、后烘，将光刻板上的图形转移到光刻胶层上；
步骤S8：采用ICP刻蚀掩模层，以形成硬掩模层，然后采用ICP去除掩模层上的光刻胶层；
步骤S9：采用ICP刻蚀第一透镜层，以形成锥度为0.2-1的圆台；
步骤S10：去除圆台上的掩模层；
步骤S11：采用PECVD淀积厚度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ，然后对掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%；回流温度为900-1100℃，回流时间为5-10小时；
步骤S12：重复步骤S11，直至生长出厚度为10-100um的第二透镜层，经ICP刻蚀后的第一透镜层和第二透镜层共同构成透镜层；
步骤S13：对基底层的背面进行减薄、抛光处理；其中，基底层减薄后的厚度为300μm-500μm；
步骤S14：对透镜层的正面和基底层的背面做清洗处理；
步骤S15：采用溶胶-凝胶法，在透镜层的正面和基底层的背面分别旋涂增透层Ⅰ和增透层Ⅱ；其中，增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的厚度均为285nm；
步骤S16：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个微透镜或微透镜阵列。
在步骤S5中，所述掩模层为采用LPCVD淀积的多晶硅掩模层或采用磁控溅射生长的金属掩模层或光刻胶掩模层。
在步骤10中，利用湿法腐蚀去除圆台上的多晶硅掩模层或金属掩模层；利用ICP刻蚀去除圆台上的光刻胶掩模层。
本发明中采用成熟的基于二氧化硅的平面光波导技术，所以有利于与现有成熟工艺实现无缝对接，不用额外增加研发投入而节约开发成本。基底层材料选择石英玻璃材料，这种材料耐热性好，透明度高，具有优良的光学一致性。透镜层材料选择掺杂硼、磷的二氧化硅材料，这种材料在高温回流时具有良好的流动性，第二透镜层包覆于圆台形状的第一透镜层上，通过高温回流两者可以完全地熔合为一体，并自然形成平凸型结构。通过改变掺入的硼磷的含量可使基底层和透镜层的折射率相同，从而可保证微透镜整体具有折射率一致性。本发明中采用氟化镁材料作为增透层的材料。这种材料增透效果好、膜层均匀性高，适于不同形状、尺寸的基片。本发明相比于光刻胶热回流技术具有透镜面形较好、阵列填充因子较高、可靠性较高等优点，而且相比于灰度掩模技术具有工艺简单、成本较低、产品一致性较好、适合大规模生产等优点。
附图说明
图1为本发明的二氧化硅微透镜的结构示意图。
图2为本发明的二氧化硅微透镜的方法流程图。
图3为本发明的二氧化硅微透镜制作方法的工艺流程图。
其中，1：增透层Ⅰ；2：透镜层；3：基底层；4：增透层Ⅱ；5：掩模层；6：光刻胶层；7：圆台；2-1：参硼磷的二氧化硅层Ⅰ；2-2：第一透镜层；2-3：参硼磷的二氧化硅层Ⅱ；2-4：第二透镜层。
具体实施方式
实施例1：如图1、图3所示，一种二氧化硅微透镜，包括基底层3和透镜层2，透镜层2位于基底层3的正面上，且基底层3和透镜层2的折射率相同。还包括增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4，所述增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4的厚度相同均为285nm，且等于光在增透层Ⅰ1或增透层Ⅱ4中波长的四分之一，从而使增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4的前后表面的两反射光相互抵消。
增透层Ⅰ1覆盖于透镜层2的表面，增透层Ⅱ4覆盖于基底层3的背面。所述透镜层2的截面呈平凸结构，包括第一透镜层2-2和第二透镜层2-4，第一透镜层2-2为圆台形状。第二透镜层2-4包裹在第一透镜层2-2上，且通过高温回流融合为一体。
其中，基底层3的厚度为300μm-500μm。基底层3的材料为石英玻璃材料，所述透镜层2的材料为掺硼、磷的二氧化硅材料，所述增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4的材料为氟化镁材料。在1550nm入射光波长下，增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4的折射率均为1.359，透镜层2的折射率为1.445，基底层3的折射率为1.445。
实施例2：一种二氧化硅微透镜，包括基底层和透镜层，透镜层位于基底层的正面上，还包括增透层Ⅰ和增透层Ⅱ，所述增透层Ⅰ覆盖于透镜层的表面，增透层Ⅱ覆盖于基底层的背面；所述透镜层包括第一透镜层和第二透镜层，第二透镜层包裹在第一透镜层上，且通过高温回流融合为一体。
实施例3：一种二氧化硅微透镜，包括基底层和透镜层，透镜层位于基底层的正面上，还包括增透层Ⅰ和增透层Ⅱ，所述增透层Ⅰ覆盖于透镜层的表面，增透层Ⅱ覆盖于基底层的背面；所述透镜层包括第一透镜层和第二透镜层，第二透镜层包裹在第一透镜层上，且通过高温回流融合为一体。
所述基底层的材料为石英玻璃材料，这种材料耐热性好，透明度高，具有优良的光学一致性；所述透镜层的材料为掺硼、磷的二氧化硅材料，这种材料在高温回流时具有良好的流动性；所述增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的材料为氟化镁材料，这种材料增透效果好、镀层均匀性高。
实施例4：一种二氧化硅微透镜，所述基底层和透镜层的折射率相同。其余均与实施例3相同。
实施例5：一种二氧化硅微透镜，所述基底层和透镜层的折射率相同。其余均与实施例2相同。
实施例6：一种二氧化硅微透镜，所述增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的厚度相同，且等于光在增透层Ⅰ或增透层Ⅱ中波长的四分之一，从而使增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的前后表面的两反射光相互抵消。其余均与实施例2相同。
实施例7：一种二氧化硅微透镜，所述增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的厚度为285nm。其余均与实施例6相同。
实施例8：一种二氧化硅微透镜，所述透镜层的截面呈平凸结构，所述第一透镜层为圆台形状。其余均与实施例2相同。
实施例9：一种二氧化硅微透镜，所述基底层的厚度为300μm-500μm。其余均与实施例8相同。
实施例10：一种二氧化硅微透镜，所述基底层的厚度为300μm-500μm。其余均与实施例2相同。
实施例11：一种二氧化硅微透镜的制作方法，步骤如下：如图2、图3所示，
步骤S1：对基底层3表面做清洗处理，所述基底层3为石英晶圆。
具体操作如下：首先采用硫酸和双氧水混合溶液对基底层3进行漂洗，然后用去离子水对基底层3进行漂洗，再用甩干机对基底层3进行干燥。
步骤S2：采用PECVD淀积厚度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅰ2-1；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%。
步骤S3：重复步骤S2，直至生长出厚度为10-100um的第一透镜层2-2，然后对第一透镜层2-2进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃，退火时间为3-5小时。
步骤S4：对第一透镜层2-2表面做清洗处理。
步骤S5：在第一透镜层2-2表面形成掩模层5。
所述掩模层5为采用LPCVD淀积的多晶硅掩模层或采用磁控溅射生长的金属掩模层或光刻胶掩模层。
步骤S6：在掩模层5上旋涂一层正性或负性的光刻胶层6，然后对光刻胶层6做前烘处理并自然降温。
步骤S7：对光刻胶层6进行曝光、显影、后烘，将光刻板上的图形转移到光刻胶层6上。
步骤S8：采用ICP刻蚀掩模层5，以形成硬掩模层，然后采用ICP去除掩模层5上的光刻胶层6。
步骤S9：采用ICP刻蚀第一透镜层2-2，以形成锥度为0.2-1的圆台7。
步骤S10：去除圆台7上的掩模层5。
利用湿法腐蚀去除圆台7上的多晶硅掩模层或金属掩模层；利用ICP刻蚀去除圆台7上的光刻胶掩模层。
步骤S11：采用PECVD淀积厚度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ2-3，然后对掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ2-3做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%；回流温度为900-1100℃，回流时间为5-10小时。
步骤S12：重复步骤S11，直至生长出厚度为10-100um的第二透镜层2-4，经ICP刻蚀后的第一透镜层2-2和第二透镜层2-4共同构成透镜层2。
步骤S13：对基底层3的背面进行减薄、抛光处理；其中，基底层3减薄后的厚度为300μm-500μm。
步骤S14：对透镜层2的正面和基底层3的背面做清洗处理。
步骤S15：采用溶胶-凝胶法，在透镜层2的正面和基底层3的背面分别旋涂增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4；其中，增透层Ⅰ1和增透层Ⅱ4的厚度均为285nm。
步骤S16：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个微透镜或微透镜阵列。
在本实施例中第一透镜层和第二透镜层均采用完全相同的掺硼磷的二氧化硅材料，且其折射率与基底层3折射率相同，可保证本发明整体折射率的一致性，可降低回流温度，防止高温处理引起杂质浓度再扩散和本发明变形，同时使掺硼磷的二氧化硅材料在高温回流时具有良好的流动性。
本实施例中通过对第一透镜层的高温退火步骤，可以消除晶格缺陷和内应力，使生长的二氧化硅层变得致密均匀。
本实施例中通过对第二透镜层的高温回流步骤，可以消除晶格缺陷和内应力，使生长的二氧化硅层变得致密均匀，同时可填充第一透镜层和第二透镜层之间的空洞，使两者完全熔合为一体，以保证微透镜良好的光学性能。
本实施例中通过设置合适的ICP设备的腔室气压、下电极射频功率，以及衬底冷却压力，可以刻蚀出顶面直径小于底面直径的圆台结构，腔室气压越高、下电极射频功率越低、衬底冷却压力越高，等离子体的垂直轰击能力就越弱，各向异性刻蚀能力就越弱。这种圆台结构相比于圆柱结构，最终所形成的微透镜面形更加地圆滑，具有更小的表面曲率半径、更小的有效焦距、更大的数值孔径，可使微透镜具有更好的光学性能。
Claims (9)
1.一种二氧化硅微透镜，包括基底层（3）和透镜层（2），透镜层（2）位于基底层（3）的正面上，其特征在于：还包括增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4），所述增透层Ⅰ（1）覆盖于透镜层（2）的表面，增透层Ⅱ（4）覆盖于基底层（3）的背面；所述透镜层（2）包括第一透镜层（2-2）和第二透镜层（2-4），第二透镜层（2-4）包裹在第一透镜层（2-2）上，且通过高温回流融合为一体；所述基底层（3）的材料为石英玻璃材料；所述透镜层（2）的材料为掺硼、磷的二氧化硅材料，所述增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4）的材料为氟化镁材料。
2.根据权利要求1所述的二氧化硅微透镜，其特征在于：所述基底层（3）和透镜层（2）的折射率相同。
3.根据权利要求1所述的二氧化硅微透镜，其特征在于：所述增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4）的厚度相同，且等于光在增透层Ⅰ（1）或增透层Ⅱ（4）中波长的四分之一，从而使增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4）的前后表面的两反射光相互抵消。
4.根据权利要求3所述的二氧化硅微透镜，其特征在于：所述增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4）的厚度为285nm。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅微透镜，其特征在于：所述透镜层（2）的截面呈平凸结构，所述第一透镜层（2-2）为圆台形状。
6.根据权利要求1或5所述的二氧化硅微透镜，其特征在于：所述基底层（3）的厚度为300μm-500μm。
7.根据权利要求1所述的二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：
步骤S1：对基底层（3）表面做清洗处理，所述基底层（3）为石英晶圆；
步骤S2：采用PECVD淀积厚度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅰ（2-1）；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%；
步骤S3：重复步骤S2，直至生长出厚度为10-100um的第一透镜层（2-2），然后对第一透镜层（2-2）进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃，退火时间为3-5小时；
步骤S4：对第一透镜层（2-2）表面做清洗处理；
步骤S5：在第一透镜层（2-2）表面形成掩模层（5）；
步骤S6：在掩模层（5）上旋涂一层正性或负性的光刻胶层（6），然后对光刻胶层（6）做前烘处理并自然降温；
步骤S7：对光刻胶层（6）进行曝光、显影、后烘，将光刻板上的图形转移到光刻胶层（6）上；
步骤S8：采用ICP刻蚀掩模层（5），以形成硬掩模层，然后采用ICP去除掩模层（5）上的光刻胶层（6）；
步骤S9：采用ICP刻蚀第一透镜层（2-2），以形成锥度为0.2-1的圆台（7）；
步骤S10：去除圆台（7）上的掩模层（5）；
步骤S11：采用PECVD淀积厚度为1-10μm的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ（2-3），然后对掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ（2-3）做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5%-10%；回流温度为900-1100℃，回流时间为5-10小时；
步骤S12：重复步骤S11，直至生长出厚度为10-100μm的第二透镜层（2-4），经ICP刻蚀后的第一透镜层（2-2）和第二透镜层（2-4）共同构成透镜层（2）；
步骤S13：对基底层（3）的背面进行减薄、抛光处理；其中，基底层（3）减薄后的厚度为300μm-500μm；
步骤S14：对透镜层（2）的正面和基底层（3）的背面做清洗处理；
步骤S15：采用溶胶-凝胶法，在透镜层（2）的正面和基底层（3）的背面分别旋涂增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4）；其中，增透层Ⅰ（1）和增透层Ⅱ（4）的厚度均为285nm；
步骤S16：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个微透镜或微透镜阵列。
8.根据权利要求7所述的二氧化硅微透镜的制造方法，其特征在于：在步骤S5中，所述掩模层（5）为采用LPCVD淀积的多晶硅掩模层或采用磁控溅射生长的金属掩模层或光刻胶掩模层。
9.根据权利要求7或8所述的二氧化硅微透镜的制造方法，其特征在于：在步骤10中，利用湿法腐蚀去除圆台(7)上的多晶硅掩模层或金属掩模层；利用ICP刻蚀去除圆台(7)上的光刻胶掩模层。
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