CN105742176B - 蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用 - Google Patents

蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法，首先利用二元光学原理设计硅晶圆刻蚀掩模板，并在硅晶圆表面进行精准嵌套刻蚀以制备出菲涅尔透镜结构；然后通过刻蚀好的硅晶圆制备压印模板，并通过压印法和刻蚀工艺在蓝宝石窗片上制备得到菲涅尔透镜；本发明利用了蓝宝石窗片对紫外线良好的透过率，制备得到的菲涅尔透镜能够将紫外线有效地聚焦在紫外探测器的紫外线吸收区域，从而增大了紫外探测器的探测范围，提高其灵敏度。

Description

蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用
技术领域
本发明涉及的是一种光学元件领域的技术，具体是一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用。
背景技术
紫外探测技术在民用和军事领域中应用极其广泛。在民用领域，紫外探测技术可以应用于诸如火焰探测、海上油监、生物医药分析、臭氧的监测、太阳照度监测、公共安全侦察、电力设备检测等；在军事领域中，紫外探测技术则可以应用于导弹的预警制导和紫外通讯等方面。总之，紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的新的军民两用的光电探测技术。
以碳化硅(SiC)和Ⅲ族氮化物为代表的宽禁带半导体是近年来国内外重点研究和发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、导热性能好、电子饱和漂移速度高以及化学稳定性优等特点，用于工作于紫外波段的光探测器件具有显著的材料性能优势。其中SiC材料体系中的4H-SiC半导体，其禁带宽度为3.23eV，是制备可见光盲紫外探测器(响应边小于400nm)的优选材料；而Ⅲ族氮化物体系的禁带宽度可以从GaN的3.4eV连续变化到AlN的6.2eV。对应光吸收波长变化范围为200-365nm，覆盖了大气臭氧层吸收日盲区(240-280nm)，特别适合制备新一代的日盲深紫外探测器。
随着半导体工艺的发展和降低器件漏电流的需要，基于宽禁带半导体材料的紫外探测器件尺寸越来越小，导致紫外探测器探测范围减小，从而对其灵敏度产生比较大的影响。因此为了能够减小紫外探测器的尺寸而不影响其探测范围，研制应用于紫外探测器的聚焦透镜显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法及其应用，利用了蓝宝石窗片对紫外线良好的透过率，制备得到的菲涅尔透镜能够将紫外线有效地聚焦在紫外探测器的紫外线吸收区域，从而增大了紫外探测器的探测范围，提高其灵敏度。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法，首先利用二元光学原理设计硅晶圆刻蚀掩模板，并在硅晶圆表面进行精准嵌套刻蚀以制备出菲涅尔透镜结构；然后通过刻蚀好的硅晶圆制备压印模板，并通过压印法和刻蚀工艺在蓝宝石窗片上制备得到菲涅尔透镜。
所述的二元光学原理利用二元光学原理设计硅晶圆刻蚀掩模板是指：掩模板明暗区域的半径遵循公式k＝0，1，2，3……，r(k，m)是第m层掩模板上第k个圆形图案外层边界的半径，k为0时代表的是最外层透光区域的外边界，从最外层的图案到中间图案k依次递增，f是透镜的焦距，λ为紫外探测器所要探测紫外线的波长。
所述的精准嵌套刻蚀，使用掩模板在硅晶圆上进行四次嵌套刻蚀，在硅晶圆上刻蚀出菲涅尔透镜的台阶结构；后一次的刻蚀与前一次的刻蚀位置精确对准。为了制作出小于400nm波长紫外线的聚焦透镜，每次刻蚀的深度为280～400nm。刻蚀工艺采用但不限于RIE(反应离子刻蚀)和ICP(感应耦合等离子体刻蚀)
所述的压印模板采用但不限于：通过蒸镀镍薄膜后电镀镍厚膜制备镍压印模板，通过旋涂h-PDMS(乙烯基聚二甲基硅氧烷)制备h-PDMS压印模板。
所述的压印法采用但不限于：热压印、紫外压印。
所述的刻蚀工艺，采用但不限于：RIE(反应离子刻蚀)、ICP(感应耦合等离子体刻蚀)等干法刻蚀方法。
本发明涉及上述方法制备得到的菲涅尔透镜的应用，将带有菲涅尔透镜的蓝宝石窗片与紫外探测器芯片对准并封装，从而将紫外线聚焦于紫外探测器的吸收区域。
所述的紫外探测器包含但不限于：GaN、SiC、AlxGa1-xN、CdS、ZnO、金刚石等紫外探测器。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：紫外窗口具有菲涅尔透镜阵列结构，对紫外线具有聚焦作用。紫外线通过紫外窗口会聚到紫外探测器光敏面上，使得探测器具有更大的光学填充因子，为紫外探测器小型化和高灵敏度的设计和制备提供了有力的支持。
附图说明
图1为利用二元光学原理设计的掩模板示意图；
图中：①②③④依次为四次刻蚀后效果示意；
图2为在硅晶圆上四次嵌套刻蚀菲涅尔透镜结构的示意图；
图3为以硅晶圆为模板制备压印模具示意图；
图4为带有菲涅尔透镜的蓝宝石窗片示意图；
图5为带有菲涅尔透镜的蓝宝石窗片封装紫外探测器示意图；
图中：1为硅晶圆、2为压印模板、3为光刻胶、4为蓝宝石窗片、5为紫外探测器。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
第一步，根据紫外探测器的芯片尺寸，确定制作菲涅尔透镜的尺寸和焦距，设计版图并确定刻蚀深度。
第二步，利用反应离子刻蚀Si微加工工艺在硅晶圆上刻蚀特定图案，四次刻蚀深度相等，每一次刻蚀为280nm，台阶总高度为1.12μm，这样就可以实现对紫外线的聚焦功能。
第三步，通过上述带有菲涅尔透镜结构的硅晶圆制备压印模板。
第四步，在蓝宝石窗片旋涂光刻胶之后，利用上述压印模板进行压印，然后经过刻蚀工艺处理形成带有菲涅尔透镜结构的蓝宝石窗片。
所述的紫外探测器包含但不限于：GaN、SiC、AlxGa1-xN、CdS、ZnO、金刚石等紫外探测器。
所述的四层掩模板嵌套干法刻蚀硅晶圆的工艺，后续的刻蚀要与前面一次进行精确对准，使得硅晶圆上的菲涅尔透镜结构的台阶高度能够满足对特定波长的紫外线的聚焦作用。
所述的硅晶圆上图案结构的微加工工艺为反应离子刻蚀(RIE)，使用的刻蚀气体为SF6，射频功率为20W，工作气压为8.00Pa，刻蚀时间为3min。
所述的制备压印模板的方法为先利用电子束蒸镀在带有菲涅尔透镜结构的硅晶圆生长20nm的镍薄膜，在镍的电镀液中电镀镍层至300μm。
所述的利用压印模板对光刻胶进行压印的方法为在蓝宝石窗片上旋涂2μm厚的PMMA热压胶，80℃下烘干。利用金属镍压印模板压印旋涂好PMMA的蓝宝石窗片，压力为1MPa，温度为160℃，持续5min。
所述的对蓝宝石窗片的刻蚀工艺为ICP，刻蚀条件为：BCl3 80sccm，Cl2 20sccm，ICP 2500W，RF 500W，刻蚀时间为5min。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
第一步，根据紫外探测器的芯片尺寸，确定制作菲涅尔透镜的尺寸和焦距，设计版图并确定刻蚀深度。
第二步，利用反应离子刻蚀Si微加工工艺在硅晶圆上刻蚀特定图案，四次刻蚀深度相等，每一次刻蚀为350nm，台阶总高度为1.4μm，这样就可以实现对紫外线的聚焦功能。
第三步，通过上述带有菲涅尔透镜结构的硅晶圆制备压印模板。
第四步，在蓝宝石窗片旋涂光刻胶之后，利用上述压印模板进行压印，然后经过刻蚀工艺处理形成带有菲涅尔透镜结构的蓝宝石窗片。
所述的紫外探测器包含但不限于：GaN、SiC、AlxGa1-xN、CdS、ZnO、金刚石等紫外探测器。
所述的四层掩模板嵌套干法刻蚀硅晶圆的工艺，后续的刻蚀要与前面一次进行精确对准，使得硅晶圆上的菲涅尔透镜结构的台阶高度能够满足对特定波长的紫外线的聚焦作用。
所述的硅晶圆上图案结构的微加工工艺为反应离子刻蚀(RIE)，使用的刻蚀气体为SF6，射频功率为20W，工作气压为8.00Pa，刻蚀时间为4min。
所述的制备压印模板的方法为先利用电子束蒸镀在带有菲涅尔透镜结构的硅晶圆生长20nm的镍薄膜，在镍的电镀液中电镀镍层至300μm。
所述的利用压印模板对光刻胶进行压印的方法为在蓝宝石窗片上旋涂2μm厚的PMMA热压胶，80℃下烘干。利用金属镍压印模板压印旋涂好PMMA的蓝宝石窗片，压力为1MPa，温度为160℃，持续5min。
所述的对蓝宝石窗片的刻蚀工艺为ICP，刻蚀条件为：BCl3 80sccm，Cl2 20sccm，ICP 2500W，RF 500W，刻蚀时间为7min。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
第一步，根据紫外探测器的芯片尺寸，确定制作菲涅尔透镜的尺寸和焦距，设计版图并确定刻蚀深度。
第二步，利用反应离子刻蚀Si微加工工艺在硅晶圆上刻蚀特定图案，四次刻蚀深度相等，每一次刻蚀为400nm，台阶总高度为1.6μm，这样就可以实现对紫外线的聚焦功能。
第三步，通过上述带有菲涅尔透镜结构的硅晶圆制备压印模板。
第四步，在蓝宝石窗片旋涂光刻胶之后，利用上述压印模板进行压印，然后经过刻蚀工艺处理形成带有菲涅尔透镜结构的蓝宝石窗片。
所述的紫外探测器包含但不限于：GaN、SiC、AlxGa1-xN、CdS、ZnO、金刚石等紫外探测器。
所述的四层掩模板嵌套干法刻蚀硅晶圆的工艺，后续的刻蚀要与前面一次进行精确对准，使得硅晶圆上的菲涅尔透镜结构的台阶高度能够满足对特定波长的紫外线的聚焦作用。
所述的硅晶圆上图案结构的微加工工艺为反应离子刻蚀(RIE)，使用的刻蚀气体为SF6，射频功率为20W，工作气压为8.00Pa，刻蚀时间为5min。
所述的制备压印模板的方法为先利用电子束蒸镀在带有菲涅尔透镜结构的硅晶圆生长20nm的镍薄膜，在镍的电镀液中电镀镍层至300μm。
所述的利用压印模板对光刻胶进行压印的方法为在蓝宝石窗片上旋涂2μm厚的PMMA热压胶，80℃下烘干。利用金属镍压印模板压印旋涂好PMMA的蓝宝石窗片，压力为1MPa，温度为160℃，持续5min。
所述的对蓝宝石窗片的刻蚀工艺为ICP，刻蚀条件为：BCl3 80sccm，Cl2 20sccm，ICP 2500W，RF 500W，刻蚀时间为9min。
本发明通过半导体微纳加工技术：反应离子刻蚀刻蚀刻蚀硅晶圆，形成菲涅尔透镜结构。通过压印和感应耦合等离子体刻蚀技术将硅晶圆上的菲涅尔透镜结构转移到蓝宝石窗片上，制造出具有紫外线聚焦功能的二元光学透镜。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种蓝宝石窗片上制备菲涅尔透镜的方法，其特征在于，首先利用二元光学原理设计硅晶圆掩模板，并在硅晶圆表面进行精准嵌套刻蚀以制备出菲涅尔透镜结构；然后通过刻蚀好的硅晶圆制备压印模板，并通过压印法和刻蚀工艺在蓝宝石窗片上制备得到菲涅尔透镜；
所述的利用二元光学原理设计硅晶圆掩模板是指：掩模板明暗区域的半径遵循公式k＝0，1，2，3……，r(k，m)是第m层掩模板上第k个圆形图案外层边界的半径，k为0时代表的是最外层透光区域的外边界，从最外层的图案到中间图案k依次递增，f是透镜的焦距，λ为紫外探测器所要探测紫外线的波长；
所述的精准嵌套刻蚀，使用掩模板在硅晶圆上进行四次嵌套刻蚀，在硅晶圆上刻蚀出菲涅尔透镜的台阶结构；后一次的刻蚀与前一次的刻蚀位置精确对准。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，为了制作出小于400nm波长紫外线的聚焦透镜，所述的精准嵌套刻蚀中每次刻蚀的深度为280～400nm，台阶总高度为1.12～1.6μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的精准嵌套刻蚀，采用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的精准嵌套刻蚀，当采用反应离子刻蚀方式时，使用的刻蚀气体为SF6，射频功率为20W，工作气压为8.00Pa，刻蚀时间为3～5min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的压印模板采用：通过蒸镀镍薄膜后电镀镍厚膜制备镍压印模板，通过旋涂乙烯基聚二甲基硅氧烷h-PDMS制备h-PDMS压印模板。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的压印法，采用压印模板对光刻胶进行压印的方法为在蓝宝石窗片上旋涂2μm厚的PMMA热压胶，80℃下烘干，利用金属镍压印模板压印旋涂好PMMA的蓝宝石窗片，压力为1MPa，温度为160℃，持续5min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的刻蚀工艺，当采用感应耦合等离子体刻蚀时，刻蚀条件为：BCl3 80sccm，Cl2 20sccm，ICP 2500W，RF 500W，刻蚀时间为5～9min。
8.一种根据上述任一权利要求所述方法制备得到的菲涅尔透镜的应用，其特征在于，将带有菲涅尔透镜的蓝宝石窗片与紫外探测器芯片对准并封装，从而将紫外线聚焦于紫外探测器的吸收区域。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征是，所述的紫外探测器为GaN、SiC、AlxGa1-xN、CdS、ZnO或金刚石探测器。
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