CN112034541B - 光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法及系统。所述方法包括：在基片上均匀涂覆光刻胶，并依次进行光刻、显影处理，从而在基片上形成由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；将所述光刻胶胶柱结构倒置于真空环境内，并以支撑装置对其进行支撑；以及，使所述真空环境的温度升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min，获得具有球面结构的硅微透镜产品。本发明还提供了一种制备硅微透镜产品的系统。本发明的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，由于重力的影响，光刻胶热熔后可以更容易成球型，所制备的硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm，更接近标准球面。

Description

光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种硅微透镜的制备方法，更具体涉及一种利用光刻胶热熔法制备硅微透镜芯片等产品的方法及采用的相应系统，有助于提升光刻胶热熔后胶球球面性能，属于微光学及半导体制造技术领域。

背景技术

近年来，随着人工智能、大数据、物联网、5G等新技术的崛起，下游的光通信产业展现出蓬勃发展的态势。而且，随着微纳制造技术的发展，现代光学器件正朝着质量更轻，体积更小的方向发展。微透镜及其阵列，作为具有代表性的微光学器件，在光通信系统、微光机电系统等领域发挥着重要的作用。所谓微透镜(microlenses)，是指通光孔径及浮雕深度为微米级的光学透镜，由这些小透镜排成的阵列称之为微透镜阵列。其中，硅微透镜芯片作为光模块中的重要部件，需求也在逐年增长，而且硅微透镜芯片的性能直接关乎光模块传输光信号的效率。

目前用于制作微透镜的方法包括光刻胶热熔法、光敏玻璃热成型法、离子交换法、光电反应刻蚀法、聚焦离子束刻蚀与沉积法等。其中，在硅微透镜芯片制备过程中，光刻胶热熔法制备硅微透镜芯片是目前主流、最常用的的生产工艺。利用光刻胶热熔法制作微透镜的原理是：在基片上涂覆一定厚度的光刻胶，在圆形掩膜的遮挡下进行紫外曝光，显影后即可得到圆柱形光刻胶结构，将光刻胶加热至熔融状态，其表面张力使得圆柱形结构常规转变成光滑的球冠状结构；接着，可以通过刻蚀工艺或倒模工艺将光刻胶材料的微透镜予以转移或复制至硅或玻璃材料构成的片材上，由此最终形成硅或玻璃材料的微透镜产品。

目前常规光刻胶热熔法制备硅微透镜芯片的方法主要包括：

首先，通过匀胶、光刻、显影一系列关键工艺，完成光刻胶胶柱的制备，如图1所示。

其次，将加热盘升温至120℃，然后将上一步制备的样品放置于加热盘上面。在此温度下，光刻胶熔化变为液态，胶体在表面张力作用下形成球型，光刻胶里面的溶剂会在短时间内挥发完毕，从而固化成为球型，如图2所示。

但是以该常规光刻胶热熔法所制备的硅微透镜芯片主要存在以下的缺陷：胶球球面与标准球面相比有较大偏差，且球面有较大的凹凸起伏。

因此，如何提升热熔光刻胶胶球球面性能便成了制备工艺当中较为重要的环节，也是业界研究人员长期以来一直努力的方向。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法，从而克服了现有技术中的不足。

本发明的另一目的还在于提供了一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的系统。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明实施例提供了一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法，其包括：

在基片上均匀涂覆光刻胶，并依次进行光刻、显影处理，从而在基片上形成由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；

将所述光刻胶胶柱结构倒置于真空环境内，并以支撑装置对所述光刻胶胶柱结构进行支撑；以及，

使所述真空环境的温度升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min，获得具有球面结构的硅微透镜产品。

在一些优选实施例中，所述方法包括：将所述光刻胶胶柱结构以光刻胶胶柱结构的表面朝下的方式放置于真空环境内的支撑装置上，使所述支撑装置的支撑端部与所述光刻胶胶柱结构表面接触。

本发明实施例还提供了一种通过前述方法制备的硅微透镜产品，所述硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm。

本发明实施例还提供了一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的系统，其主要应用于前述方法中，所述系统包括：

光刻胶涂覆装置，其至少用以将光刻胶均匀涂覆于基片上；

光刻装置，其至少用以对涂覆于基片上的光刻胶进行光刻处理；

显影装置，其至少用以对光刻处理后的光刻胶进行显影处理，从而获得由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；

支撑装置，其至少用以在将所述光刻胶胶柱结构倒置于真空环境时对其提供支撑；

真空加热装置，其至少提供真空环境，并对真空环境内的温度进行控制，先升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min。

较之现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，促进反应的温度由低到高渐变，变化趋势稳定可控，由于重力的影响，光刻胶热熔后可以更容易成球型，所制备的硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm，更接近标准球面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术常规光刻胶热熔法中完成光刻胶胶柱的制备过程示意图；

图2是现有技术常规光刻胶热熔法中光刻胶固化成为球型的过程示意图；

图3是本发明一典型实施方案中采用光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法中完成光刻胶胶柱的制备过程示意图；

图4是本发明一典型实施方案中采用光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法中将光刻胶胶柱倒置过程示意图；

图5是本发明一典型实施方案中采用光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法中变温过程示意图；

图6是本发明对比例1中采用常规光刻胶热熔法制备的胶球表面与标准球面比较时的偏差示意图；

图7是本发明实施例1中采用倒置变温方式制备的胶球表面与标准球面比较时的偏差示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是提供一种用于提升光刻胶热熔后表面性能的制备硅微透镜产品的优化方法，引入了变温与重力机制，光刻胶热熔后可以更容易成球型，所制备的硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm，更接近标准球面。

如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法，其包括：

在基片上均匀涂覆光刻胶，并依次进行光刻、显影处理，从而在基片上形成由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；

将所述光刻胶胶柱结构倒置于真空环境内，并以支撑装置对所述光刻胶胶柱结构进行支撑；以及，

使所述真空环境的温度升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min，获得具有球面结构的硅微透镜产品。

通过以上构思，真空环境的温度范围控制在40℃～60℃较为适宜(晶圆在室温状态放入真空烘箱内部，起始温度设定相对低一点的温度可以使得放入烘箱之后，两者温度能更快的同步起来)，温度提升至设定温度(120℃～140℃，不可超过140℃)后保持12～20min。

在一些优选实施例中，所述光刻胶的涂覆厚度为15～30μm。

在一些优选实施例中，所述方法包括：将所述光刻胶胶柱结构以光刻胶胶柱结构的表面朝下的方式放置于真空环境内的支撑装置上，使所述支撑装置的支撑端部与所述光刻胶胶柱结构表面接触。

通过以上构思，光刻胶胶柱结构的表面朝下的方式放置于真空环境内的支撑装置上，光刻胶材料会自身的重力作用有助于球型面的快速成型。倒置的光刻胶胶柱结构需要支撑，支撑装置所起的作用就是支撑晶圆，而且在最小程度上减小对晶圆表面图形的破坏。

在一些优选实施例中，所述支撑装置包括支撑基体，以及设置于所述支撑基体上的一个以上的支撑件。

进一步地，所述支撑装置可以是三脚支架，但不限于此。

进一步地，本发明中的三角支架支撑位置不易确定，因为胶球图形之间的间隙比较小，250～500μm之间。

在一些实施例中，所述匀胶作业为常规标准工艺，使用匀胶台，晶圆放置于吸盘上面，开启抽真空按钮，将光刻胶滴在晶圆中心区域，约15ml，然后以3500转/min的转速匀速旋转35s。取下晶圆，在100℃热板上加热90s。涂覆光刻胶厚度依据设计胶球高度计算确定，一般厚度范围在15～30μm之间调整。

在一些实施例中，所述光刻处理为常规标准作业，通常胶球制作使用正性光刻胶，在波长365nm附近紫外光照射下(曝光)，被紫外光照射过的光刻胶里面感光剂分解，未被紫外光照射区域光刻胶未改变。

在一些实施例中，所述显影处理为常规标准作业，正性光刻胶通常使用3038显影液，将光刻过的晶圆放入3038显影液中，均匀摇晃，时间20s，曝光区域光刻胶溶解，而未曝光区域光刻胶未改变，最终剩余为圆柱状胶柱。

进一步地，所述基片的材质包括硅片，但不限于此。

进一步地，所述硅微透镜产品的直径为200～800μm。

进一步地，所述方法还包括：对获得的具有球面结构的硅微透镜产品从基片上进行转移。

作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种通过前述方法制备的硅微透镜产品，所述硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm。

作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的系一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的系统，其主要应用于前述方法中，所述系统包括：

光刻胶涂覆装置，其至少用以将光刻胶均匀涂覆于基片上；

光刻装置，其至少用以对涂覆于基片上的光刻胶进行光刻处理；

显影装置，其至少用以对光刻处理后的光刻胶进行显影处理，从而获得由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；

支撑装置，其至少用以在将所述光刻胶胶柱结构倒置于真空环境时对其提供支撑；

真空加热装置，其至少提供真空环境，并对真空环境内的温度进行控制，先升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min。

在一些优选实施例中，所述支撑装置包括支撑基体，以及设置于所述支撑基体上的一个以上的支撑件。

进一步地，所述支撑装置可以是三脚支架，但不限于此。

进一步地，所述真空加热装置包括真空干燥箱。

进一步地，所述系统还包括分离装置，其至少用以将获得的具有球面结构的硅微透镜产品从基片上进行转移。

综上所述，本发明提供的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，由于重力的影响，光刻胶热熔后可以更容易成球型，所制备的硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm，更接近标准球面。

下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。

实施例1

本实施例中的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，制备装置为真空烘箱。

首先，通过匀胶、光刻、显影一系列关键工艺，完成光刻胶胶柱的制备，如图3所示。其中，所述匀胶作业为常规标准工艺，使用匀胶台，晶圆放置于吸盘上面，开启抽真空按钮，将光刻胶滴在晶圆中心区域，约15ml，然后以3500转/min的转速匀速旋转35s。取下晶圆，在100℃热板上加热90s。涂覆光刻胶厚度依据设计胶球高度计算确定，一般厚度范围在15～30μm之间调整。所述光刻处理为常规标准作业，通常胶球制作使用正性光刻胶，在波长365nm附近紫外光照射下(曝光)，被紫外光照射过的光刻胶里面感光剂分解，未被紫外光照射区域光刻胶未改变。所述显影处理为常规标准作业，正性光刻胶通常使用3038显影液，将光刻过的晶圆放入3038显影液中，均匀摇晃，时间20s，曝光区域光刻胶溶解，而未曝光区域光刻胶未改变，最终剩余为圆柱状胶柱。

然后，将制备好的光刻胶胶柱以胶柱面朝下放置于真空烘箱内部，以三脚支架进行支撑，如图4所示：

然后，真空烘箱以初始较低的温度(60℃)开始均匀升温，温度提升至设定温度(120℃)后保持15分钟(如图5所示)，制备完成取出样品。

实施例2

本实施例中的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，制备装置为真空烘箱。

首先，通过匀胶、光刻、显影一系列关键工艺(同实施例1)，完成光刻胶胶柱的制备，如图3所示。

然后，将制备好的光刻胶胶柱以胶柱面朝下放置于真空烘箱内部，以三脚支架进行支撑，如图4所示：

然后，真空烘箱以初始较低的温度(40℃)开始均匀升温，温度提升至设定温度(130℃)后保持20分钟(如图5所示)，制备完成取出样品。

实施例3

本实施例中的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，制备装置为真空烘箱。

首先，通过匀胶、光刻、显影一系列关键工艺(同实施例1)，完成光刻胶胶柱的制备，如图3所示。

然后，将制备好的光刻胶胶柱以胶柱面朝下放置于真空烘箱内部，以三脚支架进行支撑，如图4所示：

然后，真空烘箱以初始较低的温度(50℃)开始均匀升温，温度提升至设定温度(140℃)后保持12分钟(如图5所示)，制备完成取出样品。

对比例1

本对比例中采用常规光刻胶热熔法制备胶球的方法包括：

首先，通过匀胶、光刻、显影一系列关键工艺，完成光刻胶胶柱的制备，如图1所示。

其次，将加热盘升温至120℃，然后将上一步制备的样品放置于加热盘上面。在此温度下，光刻胶熔化变为液态，胶体在表面张力作用下形成球型，光刻胶里面的溶剂会在短时间内挥发完毕，从而固化成为球型，如图2所示。

以实施例1、对比例1的样品为例进行测试，在测试范围内，对比例1中以常规热熔法所制备的胶球球面与标准球面相比，有360nm偏差，且球面有较大的凹凸起伏，如图6所示。实施例1中以倒置变温方法制备的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm，更接近标准球面，如图7所示。

藉由上述技术方案，本发明提供的光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法引入了变温与重力机制，由于重力的影响，光刻胶热熔后可以更容易成球型，所制备的硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm，更接近标准球面。

本发明的各方面、实施例、特征及实例应视为在所有方面为说明性的且不打算限制本发明，本发明的范围仅由权利要求书界定。在不背离所主张的本发明的精神及范围的情况下，所属领域的技术人员将明了其它实施例、修改及使用。

在本发明案中标题及章节的使用不意味着限制本发明；每一章节可应用于本发明的任何方面、实施例或特征。

在本发明案通篇中，在将组合物描述为具有、包含或包括特定组份之处或者在将过程描述为具有、包含或包括特定过程步骤之处，预期本发明教示的组合物也基本上由所叙述组份组成或由所叙述组份组成，且本发明教示的过程也基本上由所叙述过程步骤组成或由所叙述过程步骤组组成。

应理解，各步骤的次序或执行特定动作的次序并非十分重要，只要本发明教示保持可操作即可。此外，可同时进行两个或两个以上步骤或动作。

此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (6)

1.一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的方法，其特征在于包括：

在基片上均匀涂覆光刻胶，并依次进行光刻、显影处理，从而在基片上形成由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；

将所述光刻胶胶柱结构以光刻胶胶柱结构的表面朝下的方式放置于真空环境内的支撑装置上，以支撑装置对所述光刻胶胶柱结构进行支撑，使所述支撑装置的支撑端部与所述光刻胶胶柱结构表面接触；

使所述真空环境的温度升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min，获得具有球面结构的硅微透镜产品；

其中，所述光刻胶的涂覆厚度为15～30μm；所述基片的材质为硅片；所述硅微透镜产品的直径为200～800μm，所述硅微透镜产品的胶球球面与标准球面相比，偏差小于50nm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述支撑装置包括支撑基体，以及设置于所述支撑基体上的一个以上的支撑件。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：对获得的具有球面结构的硅微透镜产品从基片上进行转移。

4.一种光刻胶热熔法制备硅微透镜产品的系统，其主要应用于权利要求1-3中任一项所述方法中，其特征在于，所述系统包括：

光刻胶涂覆装置，其至少用以将光刻胶均匀涂覆于基片上；

光刻装置，其至少用以对涂覆于基片上的光刻胶进行光刻处理；

显影装置，其至少用以对光刻处理后的光刻胶进行显影处理，从而获得由光刻胶材料构成的光刻胶胶柱结构；

支撑装置，其至少用以在将所述光刻胶胶柱结构倒置于真空环境时对其提供支撑；

真空加热装置，其至少提供真空环境，并对真空环境内的温度进行控制，先升温至40～60℃，之后升温至120～140℃并保持12～20min。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述支撑装置为支撑基体，以及设置于所述支撑基体上的一个以上的支撑件；

和/或，所述真空加热装置为真空干燥箱；

和/或，所述系统还包括分离装置，其至少用以将获得的具有球面结构的硅微透镜产品从基片上进行转移。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述支撑 装置为三脚支架。

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