CN107275356B - 一种传感器微透镜的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传感器微透镜的制造方法，包括：在硅衬底上定义出微透镜形成区域，通过对微透镜形成区域进行离子注入，在微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的不同掺杂浓度梯度，对微透镜形成区域进行刻蚀，利用高掺杂浓度区域硅衬底的刻蚀速率大于低掺杂浓度区域硅衬底刻蚀速率的特性，在硅衬底上形成具有一定曲率的微透镜结构；本发明利用硅衬底上不同掺杂浓度区域存在不同刻蚀速率的特性，通过离子注入工艺的辅助刻蚀形成微透镜结构，可实现工艺的简化和效率的提高，从而降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，更具体地，涉及一种通过离子注入工艺辅助形成的传感器微透镜的制造方法。
背景技术
目前，CMOS图像传感器和红外传感器已得到了广泛的应用。在CMOS图像传感器和红外传感器中，通常都需要使用微透镜来汇聚入射CMOS图像传感器的可见光或入射红外传感器的红外光，以增强CMOS图像传感感光二极管的感光效率或增强红外传感器红外感应结构的吸收率及提高感应灵敏度。
微透镜可通过各种方法制造，诸如使用激光脉冲的刻蚀方法、使用光刻胶的回流方法、干法刻蚀方法、使用二氧化碳(CO2)激光的玻璃表面处理方法、使用液化玻璃表面张力的方法、用于通过激光沉积的聚合物的离子束处理方法、喷墨方法、用于光刻胶的加热方法、灰度级掩模方法以及压印成型(embossing molding)方法等。
然而，上述方法存在着要么制作工艺复杂导致高成本、要么难以大批量生产导致效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种传感器微透镜的制造方法，通过离子注入工艺的辅助形成微透镜，实现工艺的简化和效率的提高。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种传感器微透镜的制造方法，包括以下步骤：
提供一半导体硅衬底，在所述硅衬底上定义出微透镜形成区域；
通过对所述微透镜形成区域进行离子注入，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的不同掺杂浓度梯度；
对所述微透镜形成区域进行刻蚀，利用高掺杂浓度区域硅衬底的刻蚀速率大于低掺杂浓度区域硅衬底刻蚀速率的特性，在所述硅衬底上形成具有一定曲率的微透镜结构。
优选地，通过对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，并在每次离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有注入窗口的光刻掩模，每次使用的所述光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展或者反向逐渐缩小，以在多次离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成内凹的微透镜结构；其中，每次离子注入的剂量相等。
优选地，通过对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，并在每次离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有注入窗口的光刻掩模，每次使用的所述光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展，以在多次离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成内凹的微透镜结构；其中，每次离子注入的剂量递减，并在每次离子注入时，对之前的所有注入窗口区域进行遮挡。
优选地，通过对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，并在每次离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有注入窗口的光刻掩模，每次使用的所述光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展，以在多次离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成外凸的微透镜结构；其中，每次离子注入的剂量递增，并在每次离子注入时，对之前的所有注入窗口区域进行遮挡。
优选地，通过在离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底表面形成注入掩模，并使所述注入掩模的厚度由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐增加，以在离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成内凹的微透镜结构。
优选地，通过在离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底表面形成注入掩模，并使所述注入掩模的厚度由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐减小，以在离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成外凸的微透镜结构。
优选地，通过对掺杂浓度梯度进行调整，以调节形成的微透镜曲率。
优选地，通过向所述硅衬底表面内凹的微透镜结构的凹槽中填充与硅衬底n/k(n：材料的折射率，k：材料的消光系数)值不同的材料，以形成具有不同折射率或透光效果的微透镜。
优选地，所述微透镜为凸透镜或凹透镜。
优选地，对所述微透镜形成区域进行B离子注入，并对所述微透镜形成区域进行RIE刻蚀。
从上述技术方案可以看出，本发明利用硅衬底上不同掺杂浓度区域存在不同刻蚀速率的特性，通过离子注入工艺的辅助刻蚀形成微透镜结构，并可通过对掺杂浓度梯度的调整，形成具有一定曲率的微透镜，还可通过向硅衬底表面内凹的微透镜结构的凹槽中填充与硅衬底n/k值不同的材料，形成具有不同折射率或透光效果的微透镜，因而可制作多种形态及特性的微透镜，并可实现工艺的简化和效率的提高，从而降低了成本。
附图说明
图1是本发明的一种传感器微透镜的制造方法流程图；
图2是本发明一较佳实施例中根据图1的方法使用的一组光刻掩模的形态对比示意图；
图3是图2中各光刻掩模的重叠形态示意图；
图4-图5是本发明一较佳实施例中根据图1的方法形成的注入掩模形态示意图；
图6-图8是本发明一较佳实施例中根据图1的方法形成的微透镜结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明的一种传感器微透镜的制造方法流程图。如图1所示，本发明的一种传感器微透镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一半导体硅衬底，在所述硅衬底上定义出微透镜形成区域。
所述硅衬底可采用非晶硅、多晶硅或者单晶硅衬底(薄膜)；并可采用CMOS常规工艺手段，在所述硅衬底上定义出后续需要形成微透镜的区域。
步骤S02：通过对所述微透镜形成区域进行离子注入，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的不同掺杂浓度梯度。其中，掺杂浓度梯度包括递增或递减的掺杂浓度梯度。
请参阅图2-图3。可利用一组具有不同半径的圆形贯通窗口的光刻掩模01-05，各光刻掩模01-05的贯通窗口011、021、031、041、051如图示自左而右般的半径逐渐增大；每两个相邻光刻掩模之间半径的差距可根据设计要求进行加工。利用光刻掩模，可在贯通窗口以外区域阻挡注入离子进入硅衬底中，并只能通过贯通窗口注入到硅衬底中。这样，利用每个光刻掩模01-05就可在微透镜形成区域的硅衬底上形成具有不同大小半径、与贯通窗口011、021、031、041、051对应的注入窗口。
作为本发明的一种具体实施方式，需要对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，每次注入可采用相等的剂量。在每次进行离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上布置好光刻掩模，并对上述组中每个光刻掩模依半径大小次序单独使用。其中，使每次使用的光刻掩模的贯通窗口(注入窗口)分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展或者反向逐渐缩小。
为了更清楚地对本发明进行说明，可示意性将各个光刻掩模01-05在垂直方向依次叠加起来，并使各个贯通窗口011、021、031、041、051(注入窗口)的中心对准，如图3所示。这样，可采用两种方式来进行注入。其中，一种是采用每次使用的光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展的方式，即第一次注入时使用具有最小贯通窗口011的一个光刻掩模01，对微透镜形成区域的中心位置进行注入；第二次注入时使用临近第一个光刻掩模01、具有半径增大的贯通窗口021的另一个光刻掩模02，使其注入窗口环绕微透镜形成区域的中心位置且略有增大，对包括微透镜形成区域的中心位置在内的扩大了的区域(即第二个光刻掩模02的注入窗口021区域)进行第二次注入；由于微透镜形成区域的中心位置(即第一个光刻掩模01的窗口011区域)重复经受了两次注入，因而该区域将具有高于其以外区域的注入浓度。依次类推，每次注入采用相等的剂量，完成全部设定次数的注入，就可在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式(因注入窗口是圆形的)逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度。另一种是采用每次使用的光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域边缘向中心以等径方式逐渐缩小的方式，即第一次注入时使用窗口半径最大的一个光刻掩模05，对整个微透镜形成区域进行注入；第二次注入时使用窗口半径缩小且临近第一个光刻掩模的另一个光刻掩模04，其注入窗口在微透镜形成区域内略有缩小，对微透镜形成区域内缩小了的区域(即第二个光刻掩模04的窗口041区域)进行第二次注入；由于微透镜形成区域内第二个光刻掩模04的注入窗口区域重复经受了两次注入，因而该区域将具有高于其以外区域的注入浓度。依次类推，每次注入采用相等的剂量，完成全部设定次数的注入，就可在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度。
作为本发明的另一种具体实施方式，与上述实施方式相同，同样需要对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，可同样使用上述图2形式的光刻掩模01-05，并使每次使用的光刻掩模形成的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展。与上述实施方式不同的是，每次离子注入时，采取注入剂量递增或递减的方式，并在每次离子注入时，对之前的所有注入窗口区域进行遮挡。例如，当采取注入剂量递增方式时，第一次注入时使用上述窗口半径最小的一个光刻掩模01，对微透镜形成区域的中心位置进行注入；第二次注入时使用窗口半径增大且临近第一个光刻掩模的另一个光刻掩模02，使其注入窗口环绕微透镜形成区域的中心位置且略有增大，并对第一次注入时采用的光刻掩模01的窗口011区域采用一个等径的实心光刻掩模进行遮挡，从而在该被遮挡区域边界与第二个光刻掩模02的窗口021的边界之间形成一个环形注入窗口；然后，对该环形注入窗口区域进行剂量增加了的第二次注入，从而可在注入后，在所述微透镜形成区域实现使该环形注入窗口区域的注入浓度高于其以内中心区域(即窗口011区域)的注入浓度。依次类推，每次注入时将剂量逐次提高，完成全部设定次数的注入，就可在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度。可以理解，如果采取在每次离子注入时使注入剂量递减的相反方式，则可在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度。
请参阅图4-图5。作为本发明的再一种具体实施方式，还可通过在离子注入前，在所述微透镜形成区域的硅衬底10表面形成圆形的注入掩模11或12，使所述注入掩模11的厚度由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐增加，如图4所示；或者，使所述注入掩模12的厚度由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐减小，如图5所示。由于注入掩模可对注入浓度及深度产生影响，注入掩模的厚度越厚，注入浓度就越低、注入深度就越浅，因而当在不同区域采用不同厚度的注入掩模进行离子注入后，就可在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度(采用图4的注入掩模11)；或者，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度(采用图5的注入掩模12)。
可采用常用注入离子对上述微透镜形成区域进行注入；例如，可采用B离子对上述微透镜形成区域进行注入。
也可采用除上述光刻掩模、注入掩模以外的其他适用方式，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增或递减的掺杂浓度梯度。
步骤S03：对所述微透镜形成区域进行刻蚀，利用高掺杂浓度区域硅衬底的刻蚀速率大于低掺杂浓度区域硅衬底刻蚀速率的特性，在所述硅衬底上形成具有一定曲率的微透镜结构。
可采用例如RIE(反应离子刻蚀)工艺，对上述形成有递增或递减的掺杂浓度梯度的微透镜形成区域进行刻蚀。利用不同掺杂浓度在刻蚀速率上的不同，即高掺杂浓度区域硅衬底的刻蚀速率大于低掺杂浓度区域硅衬底刻蚀速率的特性，就可以通过常规刻蚀，在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有一定曲率的微透镜结构。也可采用其他适用的干法刻蚀工艺进行形成微透镜的刻蚀。
目前，有两种主流推论对掺杂后刻蚀速率变快的现象进行了解释。推论一认为，掺杂后，杂质成分将影响到硅的晶格强度(化学键强度等)，或者有能够加快反应的中间产物产生，从而导致刻蚀速率较快。
推论二认为，掺杂后，硅衬底的载流子密度将增加(电子空穴)，而载流子能够使得刻蚀反应产物快速离开硅衬底表面，从而加快刻蚀速率。在进行硅RIE刻蚀工艺时，含有F，Cl，Br，I单质或者化合物的气体均可以作为硅的刻蚀剂；如果添加一些辅助气体则有助于提高选择性。常用的刻蚀剂组合如：CF4/O2，CF2Cl2，CF3Cl，SF6/O2/Cl2，CCl4，NF3，CCl4，CHF3等。无论采用哪一种化合物作为刻蚀剂，在等离子体中都会存在大量的卤素原子，它们以化学吸附方式与硅表面结合；在没有外力作用的情况下，反应生成的产物分离的速率很慢，特别是Cl，Br，I原子更是如此，这构成了硅与其他活性成分进一步接触的障碍。但是，当这些卤素原子得到电子之后，就会与硅一起离开衬底表面，从而加快了刻蚀速率。
由微透镜形成区域中心向边缘形成递增的掺杂浓度梯度或递减的掺杂浓度梯度，决定了在刻蚀后所形成的微透镜结构形态。其中，当在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度时，在刻蚀后将在所述微透镜形成区域的硅衬底10上形成外凸的微透镜结构101；在进一步将外凸的微透镜结构周围的硅衬底10材料去除后，就形成了如图6所示的微透镜结构101，其为凸透镜结构。
而当在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度时，则在刻蚀后将在所述微透镜形成区域的硅衬底10上形成内凹的微透镜结构102，如图7所示，其亦为凸透镜结构，只不过是以空气作为其透镜材料。因而，可进一步通过向图7中所述硅衬底表面内凹的微透镜结构的凹槽中填充与硅衬底n/k(n：材料的折射率，k：材料的消光系数)值不同的其他透镜材料，来形成具有不同折射率或透光效果的其他微透镜131。其中，在采用上述填充方式形成微透镜结构时，可利用不同的填充技术来分别形成凸透镜或凹透镜。
此外，还可通过对掺杂浓度梯度进行调整，以调节经刻蚀后形成的微透镜的曲率。
采用上述方法形成的微透镜结构，可以灵活地应用于CMOS影像传感器、红外传感器等领域。
综上所述，本发明利用硅衬底上不同掺杂浓度区域存在不同刻蚀速率的特性，通过离子注入工艺的辅助刻蚀形成微透镜结构，并可通过对掺杂浓度梯度的调整，形成具有一定曲率的微透镜，还可通过向硅衬底表面内凹的微透镜结构的凹槽中填充与硅衬底n/k值不同的材料，形成具有不同折射率或透光效果的微透镜，因而可制作多种形态及特性的微透镜，并可实现工艺的简化和效率的提高，从而降低了成本。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种传感器微透镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一半导体硅衬底，在所述硅衬底上定义出微透镜形成区域；
通过对所述微透镜形成区域进行离子注入，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的不同掺杂浓度梯度；其中，掺杂浓度梯度包括递增或递减的掺杂浓度梯度；
对所述微透镜形成区域进行干法刻蚀，利用高掺杂浓度区域硅衬底的刻蚀速率大于低掺杂浓度区域硅衬底刻蚀速率的特性，在所述硅衬底上形成具有一定曲率的微透镜结构。
2.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，并在每次离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有注入窗口的光刻掩模，每次使用的所述光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展或者反向逐渐缩小，以在多次离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成内凹的微透镜结构；其中，每次离子注入的剂量相等。
3.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，并在每次离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有注入窗口的光刻掩模，每次使用的所述光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展，以在多次离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成内凹的微透镜结构；其中，每次离子注入的剂量递减，并在每次离子注入时，对之前的所有注入窗口区域进行遮挡。
4.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过对所述微透镜形成区域进行多次离子注入，并在每次离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底上形成具有注入窗口的光刻掩模，每次使用的所述光刻掩模的注入窗口分别由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐扩展，以在多次离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成外凸的微透镜结构；其中，每次离子注入的剂量递增，并在每次离子注入时，对之前的所有注入窗口区域进行遮挡。
5.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过在离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底表面形成注入掩模，并使所述注入掩模的厚度由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐增加，以在离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递减的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成内凹的微透镜结构。
6.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过在离子注入前，先在所述微透镜形成区域的硅衬底表面形成注入掩模，并使所述注入掩模的厚度由微透镜形成区域中心向边缘以等径方式逐渐减小，以在离子注入完成后，在所述微透镜形成区域形成由其中心向边缘以等径方式逐渐扩展的递增的掺杂浓度梯度，从而在刻蚀后，在所述微透镜形成区域形成外凸的微透镜结构。
7.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过对掺杂浓度梯度进行调整，以调节形成的微透镜曲率。
8.根据权利要求2、3或5所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，通过向所述硅衬底表面内凹的微透镜结构的凹槽中填充与硅衬底n/k值不同的材料，以形成具有不同折射率或透光效果的微透镜；其中，n代表材料的折射率，k代表材料的消光系数。
9.根据权利要求8所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，所述微透镜为凸透镜或凹透镜。
10.根据权利要求1所述的传感器微透镜的制造方法，其特征在于，对所述微透镜形成区域进行硼离子注入，并对所述微透镜形成区域进行反应离子刻蚀。
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