CN115373056A

CN115373056A - 微透镜及其制备方法

Info

Publication number: CN115373056A
Application number: CN202210911073.0A
Authority: CN
Inventors: 黎步
Original assignee: Synae Microelectronics Co ltd
Current assignee: Synae Microelectronics Co ltd
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2022-07-29
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-07-29
Also published as: CN115373056B

Abstract

本发明公开了一种微透镜及其制备方法，微透镜制备方法包括以下步骤：S1、在衬底上沉积氮氧三元化合物界面层；S2、在氮氧三元化合物界面层上涂覆光刻胶，形成光刻胶层；S3、对所述光刻胶层进行光刻、显影处理，使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱；S4、对所述衬底进行加热，使所述光刻胶柱热回流形成微透镜面形；S5、通过离子束刻蚀技术，将所述微透镜面形转移至所述衬底上，形成微透镜。本发明的微透镜制备方法，通过氮氧三元化合物界面层改变衬底表面的亲疏水性，使得后续光刻胶柱在热回流时与衬底的接触角α在一定范围连续可调，进而使得制备的微透镜面形在一定范围内连续可调，有助于获得不同曲率的微透镜。

Description

微透镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及微透镜制备技术领域，尤其涉及一种微透镜及其制备方法。

背景技术

随着时代的发展，微光学元件的运用越发广泛。微光学元件是制造微型光电系统的关键元件，而其中的微透镜不仅具有基本透镜汇聚、准直光束的基本功能，还能够实现光计算、光传感等一系列传统尺寸透镜无法实现的功能。目前制作微透镜的主要有菲涅耳波带透镜法、光敏玻璃热成形法、模压成型法、平面工艺离子交换法、光刻胶热熔法等，其中光刻胶热熔法由于制备工艺相对简单、对材料和设备的要求不高、成本相对低廉，使得其成为微透镜制备研究领域的热点方法之一。

光刻胶热熔法制备微透镜时，光刻胶热熔后热回流后其边缘与衬底会形成一定的夹角，称为接触角。接触角的大小决定了微透镜的曲率，而微透镜的曲率又是微透镜运用的重要性能参数，与透镜的相对孔径直接相关。微透镜的广泛运用需要其相对孔径在尽可能大的范围内连续可调，所以需要让衬底与热回流的光刻胶接触角连续可调。影响接触角的因素主要有光刻胶的属性以及衬底表面的亲疏水性，与微透镜的半径、焦距等参数无关。确定光刻胶种类后，有效地调节光刻胶与光刻胶接触衬底的亲疏水性是调节接触角的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种利用氮氧三元化合物调控微透镜面形的微透镜制备方法以及制得的微透镜。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微透镜制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上沉积氮氧三元化合物界面层，通过所述氮氧三元化合物界面层改变所述衬底表面的亲疏水性；

S2、在氮氧三元化合物界面层上涂覆光刻胶，形成光刻胶层；

S3、对所述光刻胶层进行光刻、显影处理，使所述光刻胶层形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱；

S4、对所述衬底进行加热，使所述光刻胶柱热回流形成具有预设接触角的微透镜面形；

S5、通过离子束刻蚀技术，将所述微透镜面形转移至所述衬底上，形成微透镜。

优选地，所述衬底的材料包括硅、锗、玻璃、石英、蓝宝石和磷化铟中至少一种。

优选地，所述氮氧三元化合物界面层为硅氮氧化合物、铝氮氧化合物、铪氮氧化合物、锆氮氧化合物、钛氮氧化合物、锌氮氧化合物、镁氮氧化合物、镓氮氧化合物、硼氮氧化合物、铟氮氧化合物、铜氮氧化合物、钙氮氧化合物、钼氮氧化合物、钨氮氧化合物、钒氮氧化合物、铬氮氧化合物、镍氮氧化合物、铁氮氧化合物、钴氮氧化合物、锗氮氧化合物、锡氮氧化合物中至少一种。

优选地，所述氮氧三元化合物界面层的厚度为1nm～20nm。

优选地，步骤S1中，所述衬底的厚度大于所述光刻胶层的厚度。

优选地，所述光刻胶层的厚度为5μm～50μm；

所述光刻胶柱的直径为100μm～2000μm。

优选地，步骤S3中，所述衬底置于可加热底板上，通过所述可加热底板对所述衬底及其上的光刻胶柱加热。

优选地，所述离子束刻蚀技术选用感应耦合等离子刻蚀，蚀刻气体为SF₆和O₂。

优选地，步骤S4中，对所述衬底的加热温度为100℃～200℃，加热时间为1min～10min。

本发明还提供一种微透镜，采用以上任一项所述的微透镜制备方法制成。

本发明的有益效果：通过氮氧三元化合物界面层改变衬底表面的亲疏水性，使得后续光刻胶柱在热回流时与衬底的接触角α在一定范围连续可调，进而使得制备的微透镜面形在一定范围内连续可调，有助于获得不同曲率的微透镜。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一实施例的微透镜制备方法中氮氧三元化合物界面层形成在衬底上的剖面结构示意图；

图2是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶层形成在氮氧三元化合物界面层上的剖面结构示意图；

图3是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶层形成光刻胶柱的剖面结构示意图；

图4是本发明一实施例的微透镜制备方法中光刻胶柱热回流形成微透镜面形的剖面结构示意图；

图5是本发明一实施例的微透镜制备方法制得的微透镜的剖面结构示意图；

图6是本发明一实施例的微透镜制备方法制得的微透镜的俯视图；

图7是本发明另一实施例的微透镜制备方法制得的微透镜的俯视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-6所示，本发明一实施例的微透镜制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底100上沉积氮氧三元化合物界面层200，通过氮氧三元化合物界面层200改变衬底100表面的亲疏水性，如图1所示。

其中，衬底100可选用硅、锗、玻璃、石英、蓝宝石和磷化铟等能通过沉积方式在其表面生长氮氧化物的材料制成。沉积氮氧三元化合物界面层200前，对衬底100表面进行清洗，去除表面的自然氧化层、杂质等。

例如，对于衬底100采用硅制成，可使用缓冲氧化物刻蚀液(BOE)将硅表面的氧化层去除干净。

由于纯净氮化物表面无羟基，和水分子之间无法形成氢键相互作用，具有疏水性；而氧化物表面由于存在氧悬挂键，因而很容易在表面形成大量亲水性的羟基，使得氧化物具有天然的亲水性，因此，本发明利用上述氮化物和氧化物的特点，在衬底100表面沉积氮氧三元化合物作为界面层，即氮氧三元化合物界面层200，通过调节氮氧三元化合物中氧元素与氮元素的比例(0-100％)，能够在一定范围内连续调控衬底100表面的亲疏水性。

氮氧三元化合物界面层200通过物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积等方式沉积在衬底100的表面上。其中，可通过采用不同的前驱体量配比，在衬底100表面生长不同性质的氮氧三元化合物，使得衬底100表面的亲疏水性改变。

氮氧三元化合物界面层200可为硅氮氧化合物、铝氮氧化合物、铪氮氧化合物、锆氮氧化合物、钛氮氧化合物、锌氮氧化合物、镁氮氧化合物、镓氮氧化合物、硼氮氧化合物、铟氮氧化合物、铜氮氧化合物、钙氮氧化合物、钼氮氧化合物、钨氮氧化合物、钒氮氧化合物、铬氮氧化合物、镍氮氧化合物、铁氮氧化合物、钴氮氧化合物、锗氮氧化合物、锡氮氧化合物等中至少一种。

氮氧三元化合物界面层200的厚度为纳米级，例如为1nm-20nm。

作为选择，可采用等离子增强化学气相沉积工艺在硅制的衬底100上进行氮氧三元化合物生长。以氨气为氮源，以氧气为氧源，以硅烷为硅源，制备10nm厚度的硅氮氧化合物，生长时间为30s，使之形成氮氧三元化合物，即氮氧三元化合物界面层200。

S2、在氮氧三元化合物界面层200上涂覆光刻胶，以在氮氧三元化合物界面层200上形成厚度均匀的光刻胶层301，如图2所示。

可采用匀胶机/旋涂仪等设备将光刻胶均匀涂覆在氮氧三元化合物界面层200的表面上，所形成的光刻胶层301的厚度可通过改变匀胶机/旋涂仪的转速、时间以及旋涂次数进行控制，并且使得形成的光刻胶层301的厚度小于衬底100的厚度，从而保证后续通过离子束刻蚀将光刻胶的微透镜图形转移到衬底100上，形成微透镜。

衬底100厚度可为50μm～1000μm，例如可选500μm。光刻胶层301的厚度可为5μm～50μm。

S3、对光刻胶层301进行光刻、显影处理，使光刻胶层301形成一个或多个圆柱状的光刻胶柱302，如图3所示。

图3示出了在衬底100上形成一个光刻胶柱302的结构示意图。当在衬底100上形成多个光刻胶柱302时，多个光刻胶柱302可呈阵列排布。

对于厚度为5μm～50μm的光刻胶层201，曝光后形成的光刻胶柱302的直径为100μm～2000μm，直径结合厚度设置，以保证微透镜具有良好的曲面面形。

该步骤S3具体操作如下：对光刻胶层301进行紫外曝光，再经过显影液浸泡，去除变性的光刻胶，使得光刻胶图形化，形成光刻胶柱302。

结合图2至图3，以上步骤S2和S3，在一选择性实施方式中，选用光刻胶AR-P 3220，旋涂仪转速为1000rpm，时间为90s，形成70μm后的光刻胶层201。经过紫外曝光，剂量设置为950mJ/cm²，然后再经过显影液AR 300-26浸泡6min，形成图形化的光刻胶柱302。

S4、对衬底100进行加热，使光刻胶柱302通过热回流具有预设接触角α的微透镜面形303，如图4所示。

作为加热的可选实施方式，对衬底100进行加热，使其达到符合光刻胶柱302热回流的温度，使光刻胶柱302上通过热回流形成微透镜面形。或者，衬底100置于可加热底板(未图示)上，通过可加热底板对衬底100及其上的光刻胶柱302加热，使光刻胶柱302上通过热回流形成微透镜面形。

作为选择，对衬底100的加热温度为100℃～200℃，加热时间为1min～10min。加热的温度和时间根据光刻胶的种类不同而不同。

在一选择性实施方式中，采用AR-P 3220光刻胶形成厚度为70μm的光刻胶柱302，对衬底100的加热温度为150℃，加热时间为8min，保证光刻胶进行充分地热回流。

其中，当光刻胶柱302热回流时，衬底100表面通过氮氧三元化合物界面层200实现的亲疏水性的改变，使得热回流时光刻胶与衬底100的接触角α在一定范围连续可调，进而使得制备的微透镜面形在一定范围内连续可调。同时，该氮氧三元化合物界面层200的厚度极薄(纳米级)，不会影响后续刻蚀进行图案转移。由此通过利用氮氧三元化合物可以在一定范围中获得曲率连续可调的微透镜。

S5、通过离子束刻蚀技术，将微透镜面形303转移至衬底100上，形成微透镜304，如图4-图6所示。

其中，以图形化且经过热回流的微透镜面形303作为掩模，采用离子束刻蚀技术使微透镜面形303和底部的衬底100实现1：1的刻蚀速率，当微透镜面形303被完全刻蚀干净时，微透镜面形303的图案也就成功转移到衬底100上，形成微透镜304。

由于衬底100上的氮氧三元化合物界面层200的厚度极薄(纳米级)，通过刻蚀技术进行微透镜面形转移时可以迅速被刻蚀掉，从而不影响刻蚀所得的微透镜整体形貌。

离子束刻蚀技术可选反应离子束刻蚀(RIE)或者感应耦合等离子蚀刻(ICP)，优选地采用刻蚀光洁度较高的ICP进行刻蚀。

对于感应耦合等离子蚀刻工艺，蚀刻气体为SF₆和O₂。进一步地，反应刻蚀气体流量及其种类为50sccm的SF₆和10sccm的O₂，ICP功率为2000W，HF功率为250W，刻蚀腔体内压强为30mtorr。

针对70μm厚的微透镜面形303，刻蚀时间可为60min，以使微透镜面形303能够充分刻蚀，图案成功转移到衬底100上，形成微透镜304。

上述实施例的微透镜制备方法制得的微透镜，可如图5、图6所示，在衬底100上形成一个微透镜304。

在其他实施例中，通过在衬底100上形成多个阵列排布的光刻胶柱302，通过后续的热回流及蚀刻等，在衬底100上形成阵列排布的多个微透镜304，实现微透镜面形的批量调控与制备，也适用于半导体光学芯片，如图7所示。

上述的微透镜，由于在衬底100表面通过氮氧三元化合物界面层200进行亲疏水性的改变，结合后续光刻胶柱302的热回流形成不同接触角α的微透镜面形，实现微透镜面形的可调，从而得到具有所需曲率的微透镜304。

本发明的制备方法实现了不同曲率微透镜的制备获得。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种微透镜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述衬底的材料包括硅、锗、玻璃、石英、蓝宝石和磷化铟中至少一种。

3.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述氮氧三元化合物界面层为硅氮氧化合物、铝氮氧化合物、铪氮氧化合物、锆氮氧化合物、钛氮氧化合物、锌氮氧化合物、镁氮氧化合物、镓氮氧化合物、硼氮氧化合物、铟氮氧化合物、铜氮氧化合物、钙氮氧化合物、钼氮氧化合物、钨氮氧化合物、钒氮氧化合物、铬氮氧化合物、镍氮氧化合物、铁氮氧化合物、钴氮氧化合物、锗氮氧化合物、锡氮氧化合物中至少一种。

4.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述氮氧三元化合物界面层的厚度为1nm～20nm。

5.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述衬底的厚度大于所述光刻胶层的厚度。

6.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述光刻胶层的厚度为5μm～50μm；

所述光刻胶柱的直径为100μm～2000μm。

7.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述衬底置于可加热底板上，通过所述可加热底板对所述衬底及其上的光刻胶柱加热。

8.根据权利要求1所述的微透镜制备方法，其特征在于，所述离子束刻蚀技术选用感应耦合等离子刻蚀，蚀刻气体为SF₆和O₂。

9.根据权利要求1-8任一项所述的微透镜制备方法，其特征在于，步骤S4中，对所述衬底的加热温度为100℃～200℃，加热时间为1min～10min。

10.一种微透镜，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的微透镜制备方法制成。