CN1396493A - 应用高能光源制造微型构造的方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用X射线制造微型构造的方法，包括以下步骤：选择感光材料的一个部位暴露于高能光源中，该选择暴光步骤通过一个用于限定微型构造的图形的光掩模来完成，以及进行仅使感光材料暴光部分的上部熔化和变形的一个热处理步骤，当感光材料暴光部分的上部被暴露于X射线中时，它受到大约1kJ/cm3－20kJ/cm3的能级的作用。

Description

应用高能光源制造微型构造的方法
技术领域
本发明涉及一种应用高能光源制造微型构造的方法；具体地说，一种应用同步加速器辐射制造一个微透镜或具有一个预定图形的微型构造的方法。
现有技术的说明
目前，高能同步加速器辐射在半导体工业中已经被广泛地用于X射线光刻领域，以及用在以所谓LIGA(X射线深蚀刻成型技术)制造微型构造的工艺中，该工艺首先在德国发展起来，用在制造一个用来切开铀同位素的缝式喷嘴中。
同步加速器辐射是一个高能光源，其强度比其它光源强几万倍。由于良好的平行光束，它具有低散射性，并且还具有连续的能量频谱，同时在高真空下是一个高清洁度的辐射光源。从而，光刻的暴光时间通过采用同步加速器辐射能比采用其它光源显著地减少。由于同步加速器辐射的低散射特性，其可以被用来制造具有高纵横比的微型构造。由于同步加速器辐射能通过选择合适的波长范围从而在光掩模的选择方面增加自由度，所以它也可能是LIGA方法中最适宜的X射线光源。
LIGA工艺的应用之一是在微透镜领域中。微透镜在光学系统中被作为一个重要的元件使用，其中微透镜的构造需要被控制，以便获得所需的光学特性。
现在将参照图1A到1D对由N·Moldovan在电器与电子工程师学会(IEEE)杂志1997年期第149页至第152页上发表的《用于微光学元件的LIGA和替代技术》一文中提出的一种传统的微透镜制造方案进行说明。
如图1A所示，一种感光材料(如PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯)12被涂在基片10上。此后，用一个X射线光掩模14完成X射线暴光过程。PMMA通常被用作感光材料12，这是由于由PMMA制造的镜头的透明度大约比其它现有技术的塑料镜头好90％，而其它光学特性也同样接近于玻璃镜头。
此后，如图1B所示，应用一个显影工艺，通过去掉经X射线暴光的PMMA的一部分而获得一个圆柱图形16。
然后，如图1C所示，整个圆柱图形16在一个低强度的第二X射线中暴光，第二X射线通过设置在其上方的一个隔膜滤光器(图中未示出)提供。
通过将圆柱图形16在较弱的第二X射线暴光，仅圆柱图形16的一个表面部分16a受到影响，使该部分具有一个比未暴光部分低的璃态转变温度(Tg)。
最后，如图1D所示，圆柱图形16在一个预定的温度下被进行热处理，使得只有暴光后具有低Tg的圆柱图形16的受暴光影响的表面部分16a熔化和变形，以便通过表面张力来形成一个具有半球状顶部的微透镜16b。在此，微透镜16b的直径由原始图形16的直径所确定。同时其高度由热处理温度以及图形16的高度和直径所决定。
上述传统的微透镜制造方法具有一些缺点，其中制造方案需要两个X射线暴光过程以及一个显影过程，使得整个工艺复杂化。
发明内容
由此，本发明的目的在于提出一个只使用一次X射线暴光过程、并不须经过显影过程的简单的微型构造的制造方法。
根据本发明，其中的用一个高能光源制造微型构造的方法包括有选择地将感光材料的一部分在高能光源下暴光的步骤和进行仅使感光材料的暴光部分的上部熔化并变形的热处理步骤。
附图说明
下面结合附图的最佳实施例的说明将使本发明的上述和其它目的和特征成为显而易见的，其中：
图1A到1D显示一个传统的微透镜制造工序；
图2A到2B描绘出本发明的第一实施例的一个微透镜的制造工序；
图3A到3C描述了本发明的第一实施例的一个微型模具的制作工序；
图4显示了本发明的第一最佳实施例用制作的微型模具制造的微透镜的一个立体图；
图5A至5F显示了本发明的X射线光掩模制造工艺；以及
图6A到6B描述了一个根据本发明的第二实施例的采用激光制造微透镜的工艺。
最佳实施例的说明
现在参照图2A至6B对本发明的最佳实施例进行说明。
由本发明的第一实施例，一个微透镜能够通过具有高能光源特性的X射线制造出来。
图2A和2B显示出本发明的第一实施例的一个微透镜的制造工序。单个或许多以一定方式排列的微透镜能够被本发明制造出来。然而，为简明起见，仅一个微镜头在图2A和2B中被显示。
参见图2A，X射线暴光过程通过采用一个X射线光掩模1来完成，其中光掩模1具有确定出用来成型微透镜的一个预定区域的不透明图形114。附图标记110、100b、102、100a分别表示一个金属层、一个顶部硅层、一个绝缘层和一个底部硅层。其详细说明将在后面参照附图5A至5F进行。
由本发明的第一最佳实施例，感光材料116通过光掩模1的一个透明部分而被X射线暴光。最好用PMMA作为感光材料116。Zeonex、光可定义玻璃或类似材料也能等同地用来替代PMMA，只要它能被光刻限定并具有所需的光学特性。在X射线暴光过程中，感光材料116的暴光部分118暴露于X射线中。
由本发明的第一最佳实施例，仅暴光部分118的上部显著地受到由一个粒子加速器发出的X射线的影响，该粒子加速器具有能量级别1KJ/CM3到20KJ/CM3，最好是2.4KJ/CM3。通过上述暴光过程，暴光的部分118的分子重量与感光材料116剩余的仍未暴光部分的不同。具体地说，暴光部分118上部的聚合体的分子重量变得比未暴光部分的小；而且相应地，其Tg变得比感光材料116未暴光部分的低。
然后，如图2B所示，暴光部分118的上部通过热处理被熔化并变形以形成一个半球状的微透镜118a，同时感光材料116的未暴光部分保持原样。所述热处理是在一个温度范围50℃到250℃下，最好在110℃到120℃下经过5到10分钟时间完成的。由于除去其边缘，仅暴光部分118的中心受表面张力而变形，所以可获得半球状的微透镜118a。
应当认识到，本发明也可以被应用于制造其它类型的微型构造，所述微型构造可通过一个X射线暴光过程来制作。
图3A到3C描述了本发明的第一实施例的一个微型模具的制作工序和模制过程。
参见图3A，一个钛层200首先被沉积在微透镜118a的顶部和感光材料116的未暴光部分上。钛层200大约300厚，而且作为随后的镀镍工艺的基层。然后，一个镀镍层202在氨基磺酸盐-氯化物镀镍溶液(55℃，pH4)中通过镀镍工艺被成型在钛层200上。
此后，如图3B所示，微透镜118a、暴光部分118和感光材料116通过一个有机溶剂被溶解和被移走，由此获得一个微型模具2，例如一个用于大量生产微型结构的镍微型模具。
然后如图3C所示，一种透明材料，如PMMA或类似的材料被涂覆在微型模具2上，并在其上进行一个微型模压或一个热模压工艺，以能够大量生产统一形状的微透镜构造117。
图4显示出一个用上述微透镜生产方法制造的微透镜构造117的立体图。微透镜构造117包括一个微透镜117a和一个基座部分117b。
图5A至5F显示了本发明的X射线光掩模制造工艺。
首先参见图5A，X射线光掩模制造步骤开始于一个具有一个插入到底部硅层110a和顶部硅层100b之间的绝缘层102的覆硅绝缘层(SOI)基片。最好顶部硅层100b、绝缘层102和底部硅层110a各自的厚度为20μm、1μm和400μm。
然后通过进行干氧化或湿氧化或两者的结合而将各自厚1μm的第一和第二氧化层104、106成型在SOI基片的上下表面上。例如，氧化层104、106都以如下方式成型：首先，SOI基片都被设置在一个例如大约700℃的炉子里。然后，炉子的温度被上升到大约例如1050℃，并且在这一温度进行15分钟的干氧化，然后湿氧化4小时，然后在该温度下再干氧化15分钟。
而后，炉子的温度下降到大约例如700℃并且将基片从炉子中取出。
然后，图5C所示的一个X射线的辐射区域108通过如下过程被成型。首先，氧化层106上形成一个图形，以使底部硅层100a的下表面的中心部分暴露。然后，通过大量的微加工工艺，利用起保护层作用的图形化的氧化层而使底部硅层100a被蚀刻。在这种情况下，20％的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液能够被用来作为蚀刻溶液，而大约400μm厚的底部硅层100a由此被蚀刻7小时，以将绝缘层102的中间部分暴露。随后，保留的第一和第二氧化层104、106和暴露的绝缘层102的中间部分以稀释的氢氟酸(BHF)蚀刻30分钟，最终形成如图5C所示的X射线辐射区域108的形状。
如图5D所示，然后，一个金属层110被沉积在顶部硅层100b的顶部。例如，一个用于随后的AU电镀的基层的铬/铝金属层110通过一个热蒸发器而沉积大约300厚度。然后通过例如在2000rpm下旋转涂覆光致抗蚀剂60秒并进行传统的光刻法工艺而成型一个具有大约10μm厚度的圆柱形感光图形层112。此后，在例如90℃下缓慢烘干100秒。
随后，通过例如在基部金属层110上电镀一个金属层，使一个X射线吸收膜114被成型为具有圆柱形感光图形层112的高度。例如，X射线吸收膜114通过在5.5mA的电流密度下电镀一个AU层2小时而形成。
然后，圆柱形感光材料图形层112通过在丙酮、甲醇和DI水中被顺序地处理而被去除。此后，通过一个适当的蚀刻溶液将处于被去除的感光图形层112底部的金属层110的暴光部分去除，从而获得如图5F所示的X射线光掩模。
微透镜也可以用一个不采用光掩模的激光源来制造。图6A到6B描述了一个根据本发明的第二实施例的采用激光制造微透镜的工艺。
首先，如图6A所示，感光材料116，例如PMMA没有任何光掩模而暴露在一个激光束132下。这样经过例如3至180分钟，激光暴光被完成，其中激光具有一个2.4mJ/脉冲到180mJ/脉冲的能级和一个10Hz的频率。由此暴光部分118的PMMA的分子重量变得小于感光材料116未暴光部分的分子重量。
暴光部分118的顶部区域然后通过热处理而被熔化和变形以形成一个如图6B所示的微透镜118a。热处理是在大约50℃到250℃的较佳的温度之间进行的。由于除了边缘部分，仅暴光部分118的中间部分受表面张力而变形，因而获得了半球型的微透镜118a。
至此，通过结合具体的实施例，本发明已经被展示和说明，对于所述领域的普通技术人员来说，显然可以在不脱离本发明所限定的精神和范围内做出许多的变化和改造。

Claims (10)

1、一种应用高能光源制造微型构造的方法，其包括步骤：
选择感光材料的一个部位暴露于高能光源中；以及
进行热处理以便仅使感光材料的暴光部分的上部熔化和变形。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，高能光源是X射线。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，微型构造包括一个微透镜或许多以阵列形式排列的微透镜。
4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过应用一个光掩模以限定微型构造的图形，选择暴光步骤被实现。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，感光材料暴光部分的上部被暴露于X射线中时，被暴光在大约1kJ/cm3和大约20kJ/cm3的能级之间。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，高能光源是一个激光。
7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过采用具有一个2.4mJ/脉冲到180mJ/脉冲之间的能级和一个10Hz的频率的激光来进行选择暴光步骤。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，微型构造包括一个微透镜。
9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，热处理在大约50℃到大约250℃的温度之间进行。
10、如权利要求1所述的方法，进一步包括在进行热处理步骤之后，制造微型模具，以及通过应用微型模具并采用微型模制或热模压工艺生产许多具有相同形状的微型构造的步骤。
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