CN111684598A - 制造微透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
在载体(1)上施加抗蚀剂层(2)，在抗蚀剂层中形成具有悬突或凹入的侧壁的开口，将载体裸露在开口中，沉积透镜材料(5)，因而在开口中的载体上形成透镜(6)，以及去除抗蚀剂层。
Description
本发明涉及微透镜的制造。
微透镜是非常小的透镜，通常直径小于1mm，例如通常可以小到10μm。它们被广泛用作光电半导体设备的无源光学组件，以通过折射来聚焦或散射辐射。微透镜由折射率与相邻材料的折射率不同的材料组成，因此辐射的折射发生在微透镜的表面。因为尺寸小，所以微透镜的制造需要特别高的精度。
球面微透镜能够通过例如抗腐蚀剂的热回流来制造。将抗蚀剂层施加在玻璃衬底或熔融石英晶片上，并且构造成圆柱形的柱子。由于表面张力，柱子随后的热回流产生具有球形表面的结构。这些结构能够通过反应离子刻蚀(RIE)转移到衬底或晶片中。在此过程中，几乎无法避免初始透镜形状的变形。对于一些其他图案转移方法，需要较高的处理温度和较高的压力，这能够导致由应力所引起的最终透镜形状的变形。此外，较低生产量和较高处理成本是这些复杂处理流程的固有问题。
本发明的一个目的是提供一种制造微透镜的有效方法。
该目的通过根据权利要求1的微透镜的制造方法来实现。该方法的变型来自从属权利要求。
该方法利用具有开口的三维结构的抗蚀剂层，该开口具有悬突或凹入的侧壁的轮廓，能够根据半导体技术的标准方法、尤其是使用负性光刻胶和光刻法来生产具有悬突或凹入的侧壁的轮廓的开口。负性光刻胶是一种光致抗蚀剂，其中光致抗蚀剂暴光的部分不能溶解于显影剂，从而仅光致抗蚀剂未曝光的部分被显影剂溶解。
然后提供给微透镜的材料被通过蒸发技术、溅射工艺或与剥离工艺兼容的任何其他工艺来沉积。沉积的透镜材料的一部分在开口内形成微透镜。通过随后的剥离工艺将沉积的透镜材料的剩余部分与残留的抗蚀剂一起去除。
该方法包括：在载体上施加抗蚀剂层；在抗蚀剂层中形成具有悬突或凹入的侧壁的开口，该载体裸露在开口处；沉积透镜材料，从而在开口中的载体上形成透镜；以及去除抗蚀剂层。抗蚀剂层可以特别地包括负性光刻胶。
在该方法的变型中，悬突或凹入的侧壁形成为包括至少一个台阶，该至少一个台阶在抗蚀剂层的不同深度的区域中提供开口的不同宽度。悬突或凹入的侧壁尤其能够形成为包括多个台阶。在该方法的其他变型中，悬突或凹入的侧壁是光滑的。
在该方法的另外的变型中，透镜材料通过蒸发或通过溅射、特别是反应溅射来沉积。
在另外的变型中，透镜材料是无机材料。
在另外的变型中，载体包括半导体衬底和半导体衬底上的电介质，并且抗蚀剂层被施加在电介质上。电介质尤其可以包括金属间电介质，金属层被嵌入其中。电介质可以进一步包括钝化层，该钝化层形成在金属间电介质之上或金属间电介质之中，透镜形成在钝化层的孔径上方。
在另外的变型中，透镜材料包括金属的氧化物。在该变型中，透镜材料尤其可以包括例如选自SiO2、HfO2、Nb2O5和TiO2中的至少一种氧化物。其他氧化物也可以是合适的。例如，透镜材料可以由非晶硅或非晶锗替代。
下面结合附图对本方法进行详细描述。除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。
图1是载体上的三维图案化的抗蚀剂层的剖面图。
图2是根据图1的沉积了透镜材料之后的剖面图。
图3是根据图2的去除了抗蚀剂层之后的剖面图。
图4是取决于侧向位置的透镜高度的图。
图5是包括具有能够根据所描述的方法形成的透镜的光电二极管的半导体装置的剖面图。
图1示出了载体1表面上的抗蚀剂层2。在抗蚀剂层2中形成具有悬突或凹入的侧壁的开口3。开口3穿透抗蚀剂层2，使得载体表面的区域裸露在开口3中。在下文中，术语“开口3的宽度”，参照平行于载体表面的特定平面，该术语表示位于该平面与开口3的相交区域的所有直线的最大长度。因为悬突或凹入的侧壁，距离载体1较近的平面中的开口3的宽度大于距离载体1较远距离的平面中的开口3的宽度。开口3的形状通常可以类似于截锥体。开口3中的载体表面的裸露区域可以具有任何几何形状，并且尤其可以例如是圆形、椭圆形或多边形。
悬突或凹入的侧壁尤其可以形成有至少一个台阶4。在图1所示的示例中，作为示例存在三个台阶4。这些台阶的数量是任意的。取决于所应用的生产工艺，台阶4的边缘可以是倒圆的，台阶4的垂直表面和水平表面反而可以是倾斜的。台阶4的高度能够不同的。在该方法的其他变型中，开口3的悬突或凹入的侧壁可以是光滑的。
抗蚀剂层2尤其可以包括负性光刻胶。用构造负性光刻胶来构造具有悬突或凹入的侧壁的开口的各种方法在半导体技术中是众所周知的，因此无需进一步描述。例如，在这些方法中能够运用标准光刻。
图1示出了示例，其中开口3具有对应于四个不同宽度的三个台阶4。在开口3的侧壁所到达的第一深度d1处，存在最大的第一宽度w1，该第一深度等于抗蚀剂层2的厚度。仅在抗蚀剂层2所分别到达的第二深度d2、第三深度d3和第四深度d4处的不同的上部区域中，分别存在较小的第二宽度w2、甚至更小的第三宽度w3和最小的第四宽度w4。通过彼此独立地调节深度d1、d2、d3、d4，以提供开口3的取决于距离载体1的距离的特定宽度w1、w2、w3、w4，通过将透镜材料沉积在开口3中而产生的透镜的形状能够被控制。
图2示出了如何在抗蚀剂层2的开口3中沉积透镜材料5以形成透镜6。与随后的剥离工艺相兼容的沉积工艺是非常有利的。蒸发和反应溅射是常规沉积方法的示例，其适合于透镜材料5的沉积，但是可以应用其他沉积工艺代替。例如，如果使用溅射工艺，则将透镜材料从靶材上溅射下来，并且撞击在载体1和抗蚀剂层2的表面。这由图2中的箭头表示。在图2中用虚线表示沉积过程中使透镜6生长和在抗蚀剂层2上使另外的透镜材料5的层生长的两个中间状态。
例如，特别是通过设置用于溅射过程的参数能够控制沉积，以实现基本上各向同性的沉积特性。开口3的不同宽度w1、w2、w3、w4限定了用于将透镜材料5沉积在载体1上的不同孔径，从而影响了由此获得的透镜6的形状，特别是其表面的曲率。随着越来越多的透镜材料5被沉积在开口3中，根据不同的孔径和各向同性的沉积工艺建立了凸面结构，直到最终获得所需的透镜6的形状。
图3示出了随后的剥离工艺的结果，通过该剥离工艺，抗蚀剂层2与已经沉积在抗蚀剂层2上的透镜材料5一起被去除。现在，完整的透镜6在载体1上突出。
图4的图表示出了如图3所示的透镜6的高度h根据水平距离dh的变化，例如，通过所述方法制造的柱面透镜6，使用SiO2作为透镜材料5。
透镜6能够形成各种几何形状，其取决于抗蚀剂层2的图案。透镜6例如能够至少部分是球形或圆柱形。透镜6的周长例如能够是圆形或如同六边形的多边形。
透镜6的光学特性还取决于透镜材料5。SiO2能够被用作透镜材料5。溅射的SiO2的折射率约为1.4，在可见光谱中几乎没有色散，并且在低至200nm时不被吸收。其他合适的透镜材料是HfO2、Nb2O5和TiO2。HfO2的折射率约为2.0，并且在低至250nm时透明的。Nb2O5在可见光谱和近红外光谱中是透明的，并且折射率通常为2.4。TiO2的折射率甚至更高，值高达2.5，因此，即使对于适度弯曲的镜头而言，提供的焦距也相当短。折射率为2.4或更高是在折射率通常为1.55的透明环氧树脂封装中使用的先决条件。共溅射的可能性使得能够沉积具有单一材料所不具备的折射率的人造材料。非晶硅或非晶锗也能够有利地被用于在红外光谱中必须是透明的透镜6。
图5是通过所述方法制造的具有透镜的半导体装置的示例的剖面图。半导体装置包括例如光检测器的光学组件，例如，其设置有透镜。例如能够以CMOS工艺来制造这种半导体装置。在根据图5的示例中，半导体装置具有带有基本掺杂的半导体衬底7，其设置有相反导电类型的掺杂区域8，以便形成光电二极管的pn结。例如，如果半导体衬底7具有基本的p型导电性，例如，掺杂区域8可以是n阱。金属间电介质9被施加在半导体衬底7上或半导体衬底上方，并且金属层被嵌入在金属间电介质9中以形成布线。
图5示意性地示出了第一金属层11、第二金属层12、第三金属层13以及金属层之间的垂直互连件14，它们不覆盖光电二极管。钝化层10可以被布置在金属间电介质9中或金属间电介质上方。特别是如果钝化层10包括半导体材料的氮化物，钝化层10可以包括光电二极管上方的开口15，以避免干扰。钝化层可以通过另外的层来平坦化，该另外的层可以包括与金属间电介质9相同的电介质材料，如图5所示的示例。
所描述的方法具有的优点在于，它使得以相对简单和节省成本的方式用无机材料制造微透镜，这与标准CMOS工艺兼容。该方法适合于覆盖了广泛的电磁波谱、并提供了高折射率的透镜材料的应用。此外，所描述的方法可以在同一衬底上生产不同材料和形状的透镜。透镜的直径范围能够从几微米到代表性的约80微米。根据透镜的几何形状，能够在透镜之间实现很小的间距，特别是如果使用两步法进行沉积。如果应用所述方法替代常规的生产微透镜的方法，则微透镜与衬底的对齐将更加精确。通过该方法实现的相对较高的集成密度，有利于诸如抗反射涂层的涂层的额外沉积，例如，在同一衬底上在多个微透镜上沉积。
附图标记列表
1 载体
2 抗蚀剂层
3 开口
4 台阶
5 透镜材料
6 透镜
7 半导体衬底
8 掺杂区域
9 金属间电介质层
10 钝化层
11 第一金属层
12 第二金属层
13 第三金属层
14 垂直互联件
15 开口
d1 第一深度
d2 第二深度
d3 第三深度
d4 第四深度
dh 水平距离
h 高度
w1 第一宽度
w2 第二宽度
w3 第三宽度
w4 第四宽度。
Claims (13)
1.一种微透镜的制造方法，包括：
提供载体(1)，
在所述载体(1)上施加抗蚀剂层(2)，
在所述抗蚀剂层(2)中形成具有悬突或凹入的侧壁的开口(3)，所述载体(1)被裸露在所述开口(3)中，
沉积透镜材料(5)，从而在所述开口(3)中的所述载体(1)上形成透镜(6)，以及
去除所述抗蚀剂层(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述抗蚀剂层(2)包括负性光刻胶。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述悬突或凹入的侧壁形成为包括至少一个台阶(4)，所述至少一个台阶在所述抗蚀剂层(2)的不同深度(d1，d2，d3，d4)的区域中提供所述开口(3)的不同宽度(w1，w2，w3，w4)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述悬突或凹入的侧壁形成为包括多个台阶(4)。
5.根据权利要求1至4中之一所述的方法，其中，所述透镜材料(5)通过蒸发来沉积。
6.根据权利要求1至4中之一所述的方法，其中，所述透镜材料(5)通过溅射来沉积。
7.根据权利要求1至6中之一所述的方法，其中，所述透镜材料(5)是无机材料。
8.根据权利要求1至7中之一所述的方法，其中，所述载体(1)包括半导体衬底(7)和该半导体衬底(7)上的电介质(9、10)，并且所述抗蚀剂层(2)被施加在该电介质(9、10)上。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电介质(9、10)包括金属间电介质(9)，金属层(11、12、13)被嵌入其中。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电介质(9、10)进一步包括钝化层(10)，所述钝化层形成在所述金属间电介质(9)上或金属间电介质之中，所述透镜(6)形成在所述钝化层(10)的开口(15)上方。
11.根据权利要求1至10中之一所述的方法，其中，所述透镜材料(5)包括金属氧化物。
12.根据权利要求1至10中之一所述的方法，其中，所述透镜材料(5)包括选自SiO2、HfO2、Nb2O5和TiO2中的至少一种氧化物。
13.根据权利要求1至10中之一所述的方法，其中，所述透镜材料(5)是非晶硅或非晶锗。
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