CN114787709A - 在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法 - Google Patents

在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法 Download PDF

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Abstract

一种在半导体衬底(102)中光刻形成光学结构(120)的方法，其中，要形成的所述光学结构(120)沿着所述衬底(102)的区域的一个或多个第一子区域(A1)延伸，所述方法包括：提供半导体衬底(102)；在所述半导体衬底(102)的初始表面(151)上施加光刻胶(150)层；用曝光用光使所述光刻胶(150)曝光并且随后使所述光刻胶(150)显影，其中，所述曝光用光的剂量沿着所述衬底(102)的区域变化，以使得在显影之后，剩余光刻胶层具有光刻胶浮雕轮廓，所述光刻胶浮雕轮廓在所述一个或多个第一子区域(A1)中类似于要形成的所述光学结构(120)，并且在所述一个或多个第一子区域(A1)之外的一个或多个第二子区域(A2)中具有在所述半导体衬底(102)的初始表面(151)上方的高度，所述高度超过所述一个或多个第一子区域(A1)中的剩余光刻胶(150)层的最大高度；蚀刻所述光刻胶(150)和所述半导体衬底(102)以将所述光刻胶浮雕轮廓转移到所述半导体衬底(102)中，以便在所述一个或多个第一子区域(A1)中在所述半导体衬底中获得所述光学结构(120)并且在所述半导体衬底(102)的所述一个或多个第二子区域(A2)中获得支撑结构(122)。

Description

在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法
技术领域
本发明涉及一种在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法。
背景技术
光学结构、特别是具有在μm范围内结构特征的微光学结构可以用在包括一个或多个激光器、尤其是一个或多个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的激光器装置中。这种激光器装置可以用于照明设备，特别是用于红外照明。发射短光脉冲的VCSEL阵列可以应用于飞行时间应用。这样的应用包括例如用于便携式设备的短距离手势识别和3D空间识别。光学结构可以适于在目标场景中提供期望照明场。
VCSEL或VCSEL阵列典型地包括半导体衬底(也称为晶圆)，VCSEL或VCSEL阵列的层结构外延生长在该半导体衬底上。如果VCSEL或VCSEL阵列被配置为底部发射器，即，光发射通过半导体衬底发生，那么衬底的与VCSEL层结构相反的一侧可以设置有光学结构。这种光学结构用于将VCSEL或VCSEL阵列的光发射成形为期望照明场。例如，取决于要获得的期望光束成形效果，光学结构可以包括具有正或负折光力的一个或多个透镜、一个或多个衍射元件、一个或多个漫射或散射元件等。
希望将光学结构直接集成到VCSEL或VCSEL阵列的半导体衬底中，而不是通过施加如可固化树脂等附加材料或者将作为独立部分生产的光学结构连接到衬底来形成光学结构。因为用于VCSEL晶圆的典型半导体材料(例如，GaAs)在所关注的波长范围内、特别是在红外波长范围内是至少部分透明的，所以形成直接集成在半导体衬底中的光学结构是有利的。
光学结构可以具有可沿着光学结构在峰与谷之间展现出大的高度差的表面拓扑或轮廓。高度差可以大到几μm或者甚至大于10μm。这些大的高度差使得难以在半导体衬底中光刻形成光学结构，因为要形成的光学结构的表面轮廓的大的高度差可能需要将厚的光刻胶层施加到初始半导体衬底。厚的光刻胶层可能导致尤其在光刻胶层的上部区域中形成气泡。在后续蚀刻工艺中，在光刻胶的曝光之后，这些气泡也可能转移到半导体衬底中，从而导致最终光学结构的粗糙表面，这又可能导致光学结构的期望光学功能的劣化和大的散射损耗。
进一步，当光学结构被集成在VCSEL设备中时，该设备可能经受后处理步骤，如晶圆级测试、切割等。在这些后处理中，光学结构可能由于划痕而损坏，这些划痕是由与例如晶圆级测试器或取放工具的硬表面的机械接触而引起的。
因此，需要一种在半导体衬底中光刻形成光学结构的改进的方法。
US 6 071 652 A披露了用于产生光学元件的灰度掩模。直接接触或接近印刷用于将真正的灰度图案转移到光刻胶上。接着，蚀刻光刻胶，从而在其中形成期望图案。接着，经蚀刻的光刻胶用于光刻制造光学元件本身或主元件。
发明内容
本发明的目的是提供一种在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法，以使得所得到的光学结构展现出光滑表面并且因此展现出期望光学性能。
本发明的另一个目的是提供一种在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法，以使得光学结构受到保护而免受可能的损坏。
根据本发明的一个方面，提供了一种在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法，其中，要形成的光学结构沿着衬底的区域的一个或多个第一子区域延伸，该方法包括：
提供半导体衬底；
在该半导体衬底的初始表面上施加光刻胶层；
用曝光用光(exposure light)使该光刻胶曝光并且随后使该光刻胶显影，其中，该曝光用光的剂量沿着该衬底的区域变化，以使得在显影之后，剩余光刻胶层具有光刻胶浮雕轮廓(relief profile)，该光刻胶浮雕轮廓在该一个或多个第一子区域中类似于要形成的该光学结构，并且该光刻胶浮雕轮廓在该一个或多个第一子区域之外的一个或多个第二子区域中具有在该半导体衬底的初始表面上方的高度，该高度超过该一个或多个第一子区域中的剩余光刻胶层的最大高度；
蚀刻该光刻胶和该半导体衬底以将该光刻胶浮雕轮廓转移到该半导体衬底中，以便在该一个或多个第一子区域中在该半导体衬底中获得该光学结构并且在该半导体衬底的该一个或多个第二子区域中获得支撑结构。
在根据本发明的方法中，在半导体衬底的要形成光学结构的该一个或多个子区域中使光刻胶曝光，以与在不形成光学结构的该一个或多个子区域中不同的剂量。在正性光刻胶的情况下，在要形成光学结构的该一个或多个子区域中，曝光用光的剂量高于在不形成光学结构的该一个或多个子区域中。在负性光刻胶的情况下，在要形成光学结构的该一个或多个子区域中，曝光用光的剂量低于在不形成光学结构的该一个或多个子区域中。在不形成光学结构的该一个或多个第二子区域中，可以选择曝光用光的剂量，以使得在光刻胶的显影之后，光刻胶层的剩余厚度至少等于、优选大于在该一个或多个第一子区域中的厚度。在(多个)第一子区域中，在蚀刻转移之前，光刻胶层的上部区域被完全显影和移除，从而产生光滑的光学表面。
因此，在根据本发明的方法中，在显影之后(这也包含可在显影之后移除的光刻胶部分的移除)，在剩余光刻胶层的下部部分中已产生要形成的光学结构的前体。这又使得可以利用几微米或者甚至大于10微米的厚的光刻胶层，从而可以通过根据本发明的方法形成在光学结构轮廓中具有大的高度差的光学结构。在厚的光刻胶层中，光刻胶中可能存在气泡。然而，这种气泡倾向于聚集在光刻胶的上部区域中，而光刻胶层的下部区域保持几乎没有气泡。因为要形成的光学结构的前体在光刻胶层的下部区域中显影，所以光学结构的前体完全没有或至少几乎没有气泡，并且具有光滑表面。
在将剩余光刻胶的浮雕轮廓蚀刻转移到半导体衬底中之后，在半导体衬底中获得相应地具有光滑表面的光学结构，并且在光刻胶的显影之后在光刻胶层的上部区域中可能存在的任何气泡也可以转移到半导体衬底中，然而仅在形成有光学结构的一个子区域或多个子区域之外的一个子区域或多个子区域中。
在将剩余光刻胶的浮雕轮廓蚀刻转移到半导体衬底中之后，半导体衬底将展现出衬底材料过剩，例如呈柱、脊等形状，这些衬底材料过剩超过了所形成的光学结构的最高水平，并且这些衬底材料过剩在光学结构之外的一个子区域或多个子区域中形成支撑结构。因此形成的光学结构掩埋在半导体衬底中，并且被超过光学结构的最高表面水平的支撑结构围绕。支撑结构适合于保护光学结构免受机械损坏。因为支撑结构不具有任何光学功能，所以支撑结构的表面粗糙度不是不利的。
因此，根据本发明的方法使得能够在具有光滑表面和良好光学性能的情况下在半导体衬底中形成在表面拓扑中具有大的高度差的光学结构。同时，根据本发明的方法使得能够形成用于保护光学结构免受机械损坏的支撑结构。
在从属权利要求中指出了根据本发明的方法的优选实施例。
在一个实施例中，要形成的光学结构可以具有浮雕轮廓，该浮雕轮廓具有在浮雕轮廓的最高点与最低点之间的最大高度差，其中，施加到该半导体衬底的表面的该光刻胶层的厚度大于所述最大高度差和该光刻胶与该半导体衬底的蚀刻速率之比的乘积。
在此实施例中，考虑到半导体衬底和光刻胶的不同蚀刻速率或蚀刻灵敏度而设定光刻胶层的厚度。蚀刻选择性取决于所选择的蚀刻工艺。例如，光刻胶的蚀刻速率与半导体衬底的蚀刻速率之比可以是1:1.25。如果要形成的光学结构的浮雕轮廓中的最大高度差是例如12μm，那么施加到半导体衬底的表面的光刻胶层的厚度被选择为至少9.6μm。
施加到半导体衬底的表面的光刻胶层的厚度可以是上述乘积的1.01至1.5倍。在上述示例中，施加在衬底的初始表面上的光刻胶层可以具有12μm的厚度。
要形成的光学结构的浮雕轮廓的最大高度差可以大于5μm，以使根据本发明的方法起作用。特别地，要形成的光学结构的浮雕轮廓的最大高度差可以大于10μm，并且可以大于20μm。根据本发明的方法允许在具有良好光学性能的情况下形成在该光学结构的表面拓扑中具有如此大的高度差的光学结构。
进一步，在光刻胶的显影之后，在该一个或多个第二子区域中的光刻胶浮雕轮廓在半导体衬底的初始表面上方的高度可以是该一个或多个第一子区域中的光刻胶层的最大高度的1.001至1.5倍。在将光刻胶浮雕轮廓转移到半导体衬底中之后，因此产生了支撑结构，该支撑结构充分保护光学结构免受机械损坏。
根据本发明的方法中使用的光刻胶可以是正性光刻胶或负性光刻胶。在正性光刻胶的情况下，曝光用光的剂量在该一个或多个第二区域中最低或为零。如果光刻胶是负性光刻胶，那么曝光用光的剂量在该一个或多个第二子区域中最高。在这两种情况下，在光刻胶的显影之后，该一个第一子区域或多个第一子区域中的剩余光刻胶的厚度至少与在该一个第二子区域或多个第二子区域中的厚度一样大，优选大于在该一个第二子区域或多个第二子区域中的厚度。
在使用正性光刻胶的情况下，曝光用光的剂量可以沿着要形成光学结构的该一个或多个第一子区域在最大曝光剂量的5％至100％的范围内、或者10％至100％的范围内、或者20％至100％的范围内、或者30％至100％的范围内变化。
在负性光刻胶的情况下，曝光用光的剂量可以沿着该一个或多个第一子区域在最大曝光剂量的0％至95％的范围内、或者0％至90％的范围内、或者0％至80％的范围内、或者0％至70％的范围内变化。
如上所述，优选的是，选择(多个)第一子区域中的曝光用光的剂量，以使得在光刻胶层的不太可能存在气泡的下部区域中产生了经显影的光刻胶的浮雕轮廓中的光学结构的前体。
光刻胶的曝光可以用灰度掩模来执行。
半导体衬底可以包括III-V族化合物半导体。
III-V族化合物半导体可以是GaAs或特别适合于VCSEL芯片的衬底的任何其他化合物半导体。
根据本发明的方法要形成的光学结构可以包括一个或多个折射结构元件(例如，透镜或透镜小面)、或者一个或多个衍射结构元件(例如，一个或多个光栅)、或者一个或多个漫射或散射结构元件。
光学结构可以包括透镜阵列。这种透镜阵列适用于包括多个VCSEL的VCSEL阵列。
如上所述，半导体衬底可以包括一个或多个垂直腔表面发射激光器，该一个或多个垂直腔表面发射激光器形成在衬底的与要形成光学结构的一侧相反的一侧上。以这种方式，可以形成被配置为底部发射器的VCSEL或VCSEL阵列，其中激光发射通过半导体衬底发生。
附图说明
通过下文描述和附图，进一步的特征和优点将变得明显。将参考附图来描述本发明的实施例。在附图中：
图1示出了VCSEL的截面的原理示意图；
图2示出了VCSEL阵列的截面的示意图；
图3示出了在半导体衬底中形成光学结构的方法的原理流程图；
图4示出了通过根据本发明的方法要形成的光学结构的俯视平面图；
图5示出了集成到半导体衬底中的图4中的光学结构的侧视图的示意图；
图6示出了根据在半导体衬底中形成光学结构的方法的一个阶段的其上施加有光刻胶层的半导体衬底；
图7示出了根据在半导体衬底中形成光学结构的方法的另一个阶段、在光刻胶的曝光和显影之后的图6中的其上施加有光刻胶层的半导体衬底；
图8示出了在将经显影的光刻胶层的浮雕轮廓蚀刻转移到半导体衬底中之后的图6和图7中的半导体衬底。
具体实施方式
图1示出了VCSEL 100的截面。VCSEL 100包括衬底102。衬底102可以包括半导体材料，特别是III-V族化合物半导体，特别是砷化镓(GaAs)。在衬底102的一侧，VCSEL 100可以包括光学谐振器，该光学谐振器包括第一分布式布拉格反射器(DBR)104、有源层106和第二DBR 108。第一DBR 104、有源层106和第二DBR 108可以包括形成VCSEL 100的层结构的几个层。第一DBR 104被布置在衬底102上，并且有源层120夹在第一DBR 115与第二DBR 108之间。第一DBR 104和第二DBR 108可以包括具有不同折射率的多对层以提供反射率。有源层106可以包括一个或多个量子阱层。由DBR 104和108以及有源层106形成的光学谐振器的特征在于台面结构，该台面结构被蚀刻直到第一DBR 104的中间层。第二DBR 108被电触点110覆盖以接触VCSEL 100。另一个触点112提供了与衬底102的电触点。电触点112通过电隔离器114与第一DBR 104分离。电键合部116导电地连接到电触点112。
在衬底102的、与布置了谐振器104、106、108的一侧相反的一侧，衬底102包括与衬底102的材料集成的光学结构120。下文将描述形成与衬底102集成的光学结构120的方法。
光学结构120沿着衬底102的区域A的第一子区域A1延伸。在图1的实施例中，第一子区域A1是被第一子区域A1之外的第二子区域A2围绕的单一子区域。支撑结构122形成在第二子区域A2中。如在图1中所示，支撑结构122具有高度水平HS，该高度水平至少与光学结构120的最大高度水平HO一样高、优选超过该最大高度水平。光学结构120因此被“掩埋”在衬底102中，并且被支撑结构122围绕。支撑结构122避免或至少降低了光学结构120可能被机械损坏(例如，刮擦)的风险。支撑结构122与光学结构120一起以相同的方法形成，如下文将描述的那样。
VCSEL 100是所谓的底部发射器，即，在光学谐振器104、106、108中产生的激光发射透射通过衬底102并通过集成在衬底102中的光学结构102，如由箭头124所展示的那样。
图1中的实施例中的光学结构120可以包括单一折射结构元件，例如，透镜。在其他实施例中，光学结构120可以被配置为衍射结构或漫射体。
图2示出了VCSEL阵列100的实施例。与图1中的VCSEL 100的元件相同、相似或相当的VCSEL阵列100的元件用与图1中相同的附图标记表示。只要在下文中没有另外指出，图1的描述就也适用于图2。
VCSEL阵列100包括共用衬底102上的多个VCSEL或台面126。类似于在图1中的实施例中，衬底102由半导体材料制成，特别是由III-V族化合物半导体材料制成。衬底102可以包括GaAs。
衬底102包括与衬底102集成的光学结构120，该光学结构与该多个台面126相关联。在图2中，示出了四个台面126，并且光学结构120包括四个光学结构元件(例如，透镜)，这些光学结构元件在每种情况下与台面126中的一个台面相关联。
光学结构120沿着多个子阵列A1延伸，并且被布置在多个子区域A2中的支撑结构122围绕。虽然图2示出了在子区域A1之外的全部子区域A2中的支撑结构122，但是应理解，支撑结构122可以存在于少于全部的子区域A2中。
在图2中，仅示出了电触点110，而另外的电触点112、116未在图2中示出。
参考图3，在半导体衬底(比如，图1和图2中的半导体衬底102)中光刻形成光学结构(比如，图1和图2中的光学结构120)的方法200。稍后将参考图4至图8描述进一步的细节。
在S2，提供半导体衬底。半导体衬底具有优选为平面的初始表面。半导体衬底可以包括GaAs。如下所述处理半导体衬底的初始表面，以便在半导体衬底中形成光学结构。
在S4，将光刻胶层施加到半导体衬底的初始表面。光刻胶可以是可商购的光刻胶。光刻胶可以是正性光刻胶或负性光刻胶。正性光刻胶的示例是PMMA、S1800、SPR-220或ma-P1200。负性光刻胶的示例是SU-8、
Figure BDA0003687490940000081
UVN-30、ma-N 1400、ma-N 2400。对于本方法，优选使用在紫外波长范围内敏感的光刻胶。
光刻胶层被施加到半导体衬底的初始表面上，该光刻胶层具有取决于要形成的光学结构的层厚度。特别地，光刻胶层的厚度可以与要形成的光学结构的浮雕轮廓的在浮雕轮廓的最高点与最低点之间的最大高度差相关。在图1中，最大高度差用HD表示，在这个简单示例中，该最大高度差是在形成光学结构120的透镜的顶点与透镜的边缘之间的高度差。如下文参考图4和图5所述，如果光学结构具有更复杂的浮雕轮廓，那么光刻胶层的厚度也优选与浮雕轮廓的最高点与最低点之间的最大高度差相关。施加到半导体衬底的表面的光刻胶层的厚度可以特别地大于上述最大高度差与蚀刻工艺中所使用的光刻胶和半导体衬底的蚀刻速率或蚀刻灵敏度之比的乘积。
例如，在光刻胶的蚀刻速率与半导体衬底的蚀刻速率之比为1:1.25并且浮雕轮廓的最高点与最低点之间的最大高度差为12μm时，光刻胶层的厚度可以被选择为至少9.6μm，并且可以被选择为所述值的例如1.01至1.5倍。
要形成的光学结构的浮雕轮廓的最高点与最低点之间的最大高度差可以在5μm至20μm的范围内，或者甚至大于20μm。
在S6，用曝光用光使光刻胶曝光。曝光用光可以是由合适光源提供的紫外(UV)辐射。曝光用光的剂量沿着衬底(例如，图2中的衬底102)的区域(例如，图2中的区域A)变化。曝光用光的剂量是指到达光刻胶层的表面的曝光用光的量或强度。
使光刻胶曝光可以通过使用灰度掩模来执行，该灰度掩模提供了曝光用光的剂量沿着衬底的区域的变化。灰度掩模具有沿着掩模的区域变化的光密度。沿着掩模的区域的一个位置处的光密度是光在此位置穿过掩模的透射率的量度。
曝光用光的剂量取决于要形成的光学结构的浮雕轮廓沿着衬底的区域变化。在正性光刻胶的情况下，在沿着衬底的区域的某个位置处的较高剂量的曝光用光导致在使光刻胶显影之后在此位置处移除的光刻胶的量较大，反之亦然。在负性光刻胶的情况下，这种效果是相反的。
在正性光刻胶的情况下，在半导体衬底的要形成支撑结构而不形成光学结构的子区域中，曝光用光的剂量可以最低或为零。在负性光刻胶的情况下，在半导体衬底的要形成支撑结构而不执行光学结构的一个子区域或多个子区域中，曝光用光的剂量最高。
在正性光刻胶的情况下，在要形成光学结构的一个子区域或多个子区域中，曝光用光的剂量可以在最大曝光剂量的5％至100％的范围内、或者10％至100％的范围内、或者20％至100％的范围内、或者30％至100％的范围内变化。最大曝光剂量可以是将光刻胶层曝光直到或接近光刻胶层的下表面所需的剂量。
在负性光刻胶的情况下，曝光用光的剂量可以沿着要形成光学结构的该一个或多个子区域在最大曝光剂量的0％至95％的范围内、或者0％至90％的范围内、或者0％至80％的范围内、或者0％至70％的范围内变化。
在S8，使用如本领域已知的显影剂来使经曝光的光刻胶显影。显影被理解为包含可在曝光之后移除(例如，溶解)的光刻胶部分的移除。
使经曝光的光刻胶显影产生光刻胶层的浮雕轮廓，这是在曝光工艺中曝光用光的剂量沿着衬底的区域变化的结果。在要形成光学结构的一个或多个第一子区域中，浮雕轮廓类似于要形成的光学结构。“类似于”被理解为显影之后剩余的光刻胶的浮雕轮廓是要形成的光学结构的浮雕轮廓的前体。这可能包含经显影的光刻胶的浮雕轮廓与要形成的光学结构相同或仅相似。“相似”包含经显影的光刻胶的浮雕轮廓可以具有与要形成的光学结构的浮雕轮廓相同的形状，但是在光学结构的峰与谷之间的高度差方面与其不同。
在要形成光学结构的该一个或多个子区域之外的一个或多个第二子区域中，经显影的光刻胶的浮雕轮廓展现出在半导体衬底的初始表面上方的高度水平，该高度水平等于或超过要形成光学结构的该一个子区域或多个子区域中的光刻胶层的最大高度。换句话说，光刻胶层的剩余厚度在半导体衬底的区域的要形成支撑结构的该一个子区域或多个子区域中最高。
在S10，蚀刻经预先显影的剩余光刻胶层和半导体衬底。可以通过本领域技术人员已知的适合于蚀刻光刻胶和半导体衬底的任何蚀刻工艺来执行蚀刻。通过蚀刻工艺，经显影的剩余光刻胶层的浮雕轮廓被转移到半导体衬底中，以便在要形成光学结构的该一个或多个子区域中在半导体衬底中获得光学结构，并且在要形成光学结构的该一个子区域或多个子区域之外的剩余的一个子区域或多个子区域中获得支撑结构。如果(多个)第一子区域中的经显影的光刻胶层的浮雕轮廓与要形成的光学结构的浮雕轮廓不相同，那么光刻胶和半导体衬底的不同蚀刻速率或蚀刻选择性将光刻胶浮雕轮廓转移到半导体衬底中，从而获得了光学结构的期望浮雕轮廓，在峰谷高度差方面也是如此。例如，如果半导体衬底的蚀刻速率高于光刻胶中的蚀刻速率，那么当转移到半导体衬底中时，经显影的光刻胶的浮雕轮廓中的高度差将按比例增大。
可选地，可以将抗反射涂层沉积到所形成的光学结构的最终表面上。
通过上述方法获得的支撑结构超过光学结构的浮雕轮廓的最高水平，以使得光学结构被掩埋在半导体衬底中并且被支撑结构的更高的材料过剩(例如，脊)围绕。
参考图4至图8，将呈现上述方法200的示例，该示例进一步阐明了在半导体衬底中光刻形成光学结构的方法200。
图4示出了半导体衬底102的俯视平面图，该半导体衬底具有与其集成的光学结构120和支撑结构122。图5示出了半导体衬底102的示意性侧视图，该半导体衬底包含光学结构120和支撑结构122。
在本示例中，光学结构120包括光学结构元件的阵列，这些光学结构元件在图4和图5中用附图标记1、2、……、10表示。在此示例中，光学结构元件1至10被配置为倾斜柱面透镜。如所示出的那样，光学结构元件1至10的形状在元件1至10之间可以不同。
图4和图5示出了具有x轴、y轴和z轴的笛卡尔坐标系。光学结构元件1至10在x轴方向上、在y轴方向上和在z轴方向上具有延伸。如上文参考图2所述，VCSEL阵列(没有示出)可以与衬底102相关联。光学结构元件1至10可以与VCSEL阵列的VCSEL相关联。光学结构元件1至10可以以1:1的关系与VCSEL阵列的VCSEL相关联。因此，在此示例中，VCSEL阵列可以包括10个VCSEL。
图5中的箭头140表示在VCSEL阵列的操作中通过包含光学结构120的衬底102的光传播方向。
图5示出了光学结构120和支撑结构122的浮雕轮廓。在z轴方向上，光学结构120的浮雕轮廓在峰和谷之间具有变化的高度差，其中最高的峰(在元件1和10处)略低于水平142，并且最低的谷(在元件1和10处)位于水平144处。水平142是衬底102的表面的最高部分。如图5中可以看出，在此示例中，光学结构元件1和10具有约11.5μm的最大高度差。
光学结构120的光学结构元件1至10占据半导体衬底102的总区域的第一子区域。支撑结构122占据第一子区域之外的、衬底102的总区域的第二子区域。支撑结构122包括支撑结构元件，这些支撑结构元件在图5中用附图标记21、22、……、26表示。支撑结构元件122被配置为脊，这些脊位于光学结构元件2与3、4与5、6与7、8与9之间，并且位于光学结构元件1的左侧和光学结构元件10的右侧。支撑结构122也可以在x方向上存在于衬底102的边缘处。
如图5中可以看出，支撑结构元件21至26沿着衬底102具有最高高度水平，该最高高度水平是水平142，即衬底102的顶表面。光学结构120因此被掩埋在衬底102中并且被支撑结构122围绕。
在下文中，参考图6至图8，将描述用于在可以是GaAs衬底的半导体衬底102中形成光学结构122的过程。关于步骤S4至S10，也参考图3。在图7和图8中，仅示出了光学结构元件1至6。图6至图8与图4和图5不成比例。
在图6中并且如上文关于图3在S4所述，将光刻胶150层施加到衬底102的初始表面151上。在图6中，虚线152展示了光刻胶150层的顶表面。
在图4和图5的本示例(其中，要形成的光学结构120的浮雕轮廓的最高峰与最低谷之间的高度差为约11.5μm)中，可以如下选择光刻胶层的厚度T。光刻胶150的蚀刻速率或灵敏度与半导体衬底的蚀刻速率或灵敏度之比可以假定为1:1.25。光学结构120的浮雕轮廓的最大高度差与上述蚀刻速率之比的乘积提供了光刻胶150层的约9μm的最小厚度。优选地，厚度T被选择为大于此乘积。例如，在此示例中，厚度T可以被选择为比上述乘积大3μm，从而光刻胶150层的厚度T可以被选择为约12μm。
光刻胶150层的如此的大的厚度T可能导致在光刻胶150层的上部区域中的气泡154的形成，如在图6中所展示。图6还示出了要形成光学结构120的第一子区域A1以及不形成光学结构而是代替地要形成支撑结构122的第二子区域A2。可以看出，气泡154可能存在于第一子区域A1中和第二子区域A2中。
根据图3中的S6，光刻胶用在图6中由几个箭头所示的曝光用光156进行曝光。曝光用光可以是UV光。应理解，曝光用光沿着光刻胶150层的整个表面152施加。图6中的箭头156的不同宽度展示了曝光用光的不同剂量，从而表示了曝光用光的剂量沿着光刻胶150层的表面152的变化。箭头越宽，曝光用光的剂量越高。光刻胶150的曝光可以如上所述通过灰度掩模来执行。
对于以下描述，假设光刻胶150是正性光刻胶。如果使用负性光刻胶，根据下文的描述，本领域技术人员将清楚必须如何修改该方法。
在要形成光学结构120的第一子区域A1中，曝光用光的剂量可以在最大曝光剂量的5％与100％之间变化。此处，最大曝光剂量(100％)是在使光刻胶150显影之后导致光刻胶完全移除直到衬底102的表面151的曝光剂量。在第二子区域A2中，曝光用光的剂量最低，例如为零。
接着，当使光刻胶150显影时(图3中的S8)，剩余光刻胶150层展现出如图7中所示的浮雕轮廓。在第一子区域A1中，剩余光刻胶150的浮雕轮廓类似于在半导体衬底102中要形成的光学结构120的浮雕轮廓，因此是要形成的光学结构120的浮雕轮廓的前体。然而，光刻胶浮雕轮廓中的峰与谷之间的高度差可以不同于要形成的光学结构浮雕轮廓中的峰与谷之间的对应高度差，特别是低于该对应高度差。在光刻胶150以比子区域A1中的最低曝光剂量更低的剂量曝光、例如以低于5％或者甚至0％的剂量曝光的第二子区域A2中，显影之后剩余光刻胶150的浮雕轮廓展现出光刻胶层的最大剩余厚度，该最大剩余厚度可以与使光刻胶曝光之前的原始厚度T一样大。
在第一子区域A1中，剩余抗蚀剂厚度较低，特别是显著低于在第二子区域A2中，例如，在上述示例中在0μm与9μm之间的范围内，而在此示例中，第二子区域A2中的光刻胶层的剩余厚度等于或大于9μm。第二子区域A2中的剩余光刻胶150的厚度可以是第一子区域A1中的厚度的1.001至1.5倍。
如通过比较图7和图6可以看出，在使光刻胶150曝光和显影之后，第一子区域A1中的气泡随着这些子区域中的光刻胶150的上部区域的移除而被移除。因此，在子区域A1中，剩余光刻胶150层具有光滑表面。换句话说，因为光学结构的前体在光刻胶150层的下部区域中产生，所以前体中的气泡的风险至少大部分被消除。
根据图3中的S10，接着将光刻胶150层的剩余光刻胶的浮雕轮廓蚀刻转移到半导体衬底102中，从而导致掩埋的光学结构元件1、2、……、6和支撑结构122，如在图8中所示。
在图7中剩余光刻胶150层的浮雕轮廓的蚀刻转移之后，光学结构元件1至6被产生为集成在衬底102中，如在图8中所示。由于光刻胶和衬底102的半导体之间的蚀刻选择性，蚀刻转移导致光学结构120的浮雕轮廓中的预定全高度差。图7中的虚线表示半导体衬底102的初始表面151。
图8中所示的光学结构元件1至6具有光滑的表面并且没有气泡。仅在形成有支撑结构122的子区域A2中，气泡154可能已经从光刻胶150转移到半导体衬底102中。因此，如果如图6中所示，气泡154存在于光刻胶150层的上部区域中，那么它们将仅影响支撑结构122中的表面粗糙度，而不影响光学结构120的光学质量。

Claims (14)

1.一种在半导体衬底(102)中光刻形成光学结构(120)的方法，其中，要形成的所述光学结构(120)沿着所述衬底(102)的区域(A)的一个或多个第一子区域(A1)延伸，所述方法包括：
提供半导体衬底(102)；
在所述半导体衬底(102)的初始表面(151)上施加光刻胶(150)层；
用曝光用光(156)使所述光刻胶(150)曝光并且随后使所述光刻胶(150)显影，其中，所述曝光用光(156)的剂量沿着所述衬底(102)的区域(A)变化，以使得在显影之后，剩余光刻胶(150)层具有光刻胶浮雕轮廓，所述光刻胶浮雕轮廓在所述一个或多个第一子区域(A1)中类似于要形成的所述光学结构(120)，并且，所述光刻胶浮雕轮廓在所述一个或多个第一子区域(A1)之外的一个或多个第二子区域(A2)中具有在所述半导体衬底(102)的初始表面(151)上方的高度，所述高度超过所述一个或多个第一子区域(A1)中的剩余光刻胶(150)层的最大高度；
蚀刻所述光刻胶(150)和所述半导体衬底(102)以将所述光刻胶浮雕轮廓转移到所述半导体衬底(102)中，以便在所述一个或多个第一子区域(A1)中在所述半导体衬底(102)中获得所述光学结构(120)并且在所述半导体衬底(102)的一个或多个第二子区域(A2)中获得支撑结构(122)，
其中，要形成的所述光学结构(120)具有浮雕轮廓，所述浮雕轮廓具有在所述浮雕轮廓的最高点与最低点之间的最大高度差，其中，施加到所述半导体衬底(102)的初始表面(151)的所述光刻胶(150)层的厚度(T)大于所述最大高度差和所述光刻胶(150)与所述半导体衬底(102)的蚀刻速率之比的乘积。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，施加到所述半导体衬底(102)的初始表面(151)的所述光刻胶层的厚度(T)是所述乘积的1.01至1.5倍。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述最大高度差大于5μm，并且特别是大于10μm，并且特别是大于20μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，在所述光刻胶(150)的显影之后，在所述一个或多个第二子区域(A2)中的光刻胶浮雕轮廓在所述半导体衬底(102)的初始表面(151)上方的所述高度是在所述一个或多个第一子区域(A1)中的所述光刻胶(150)层的最大高度1.001至1.5倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶(150)是正性光刻胶，并且所述曝光用光(156)的剂量在所述一个或多个第二子区域(A2)中最低或为零。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶(150)是负性光刻胶，并且所述曝光用光(156)的剂量在所述一个或多个第二子区域(A2)中最高。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述曝光用光(156)的剂量沿着所述一个或多个第一子区域(A1)在最大曝光剂量的5％至100％的范围内、或者10％至100％的范围内、或者20％至100％的范围内、或者30％至100％的范围内变化。
8.根据权利要求1至4或6中任一项所述的方法，其中，所述曝光用光(156)的剂量沿着所述一个或多个第一子区域(A1)在最大曝光剂量的0％至95％的范围内、或者0％至90％的范围内、或者0％至80％的范围内、或者0％至70％的范围内变化。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述光刻胶(150)的曝光是用灰度掩模来执行的。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述半导体衬底(102)包括III-V族化合物半导体。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述半导体衬底(102)包括GaAs。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述光学结构(120)包括一个或多个折射元件、或者一个或多个衍射元件、或者一个或多个漫射元件。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述光学结构(102)包括透镜阵列。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述半导体衬底(102)包括一个或多个垂直腔表面发射激光器(126)，所述一个或多个垂直腔表面发射激光器形成在所述衬底(102)的与要形成所述光学结构(120)的一侧相反的一侧上。
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