CN1996150A - 半球形结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半球形结构及其制造方法。此半球形结构包括一基板；一形成于上述基板上的分离阶梯状物区域，可视为一分离支撑结构；一形成于上述分离支撑结构以及上述基板上的图案层；上述图案层在上述分离支撑结构上分别形成一半球形薄膜区域以及在上述半球形薄膜区域之间的上述基板上形成一平坦区域；每一个上述半球形薄膜区域与对应位置的每一个上述分离支撑结构，构成一半球形结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种半球形结构及其制造方法，特别是涉及一种应用于影像装置以及微机电系统技术的半球形结构及其制造方法。
背景技术
微透镜装置已广泛应用于包括光学信息处理系统、光学通讯、光学读取头、光学测量以及固态影像元件等不同的领域。典型的固态影像元件包括例如位于基板上的光电二极管的光感测元件、位于光感测元件上的彩色滤光片以及位于彩色滤光片上的微透镜阵列。光感测元件可为例如光电二极管、互补型金氧半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)传感器或电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)等。利用微透镜有效地搜集落入微透镜圆锥面的入射光以及经过影像制造工艺将此入射光折射至焦点平面上，而此焦点平面的深度由光电二极管元件所形成的平面阵列所定义。近年来对于光学装置的小型化、聚集度以极高性能的需求促进了更高精准度及更小型化微透镜的发展。
公知的微透镜装置制造方法是利用高温工艺以及全面回蚀刻工艺将基板上的介电层形成为微透镜阵列，但对微透镜装置的均匀度、轮廓以及曲率的控制相当困难。图1A至图1D分别示意利用公知的阶梯状蚀刻工艺形成微透镜阵列的一系列工艺剖面图。请参考图1A，其示意一种公知的微透镜阵列，其形成方式包括，在基板10上形成一氮化硅层12，利用微影工艺在氮化硅层12上形成一分离的光阻图案；光阻图案经过热回流产生一圆滑的分离光阻区域14。请参考图1B，接着，利用阶梯状蚀刻工艺蚀刻氮化硅层12，形成一阶梯状结构12a。经过灰化工艺将剩余的光阻移除，利用化学向下蚀刻(chemical downstream etching，CDE)工艺平滑阶梯状结构12a的表面，直到形成如图1C所示的位于基板10上的曲面状微透镜12b。然而这种阶梯状蚀刻工艺具有曲率控制不佳的缺点，所以只能提供高度为2～6K的透镜。如果将这种将光阻拉回以及阶梯状化高度的方法控制微透镜高度以及斜率，使微透镜的高度大于6K，如图1D所示，将会产生一种不希望得到的飞碟状(UFO-shape)微透镜12c，而残留在飞碟状微透镜12c的梯状轮廓上的光阻并不均匀，因此公知的微透镜装置均有表面粗糙的缺点。另外，化学向下蚀刻工艺需要单一机台，因此在量产时会有工艺时间过长以及产率少的缺点。
因此有需要一种新颖的影像装置的制造方法，其可以利用一种简单的蚀刻工艺，形成合乎曲率、高度以及轮廓需求的微透镜阵列。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的提供一种半球形结构及其制造方法，利用一支撑结构控制半球形结构的曲率、高度以及轮廓。
为实现发明的上述目的，本发明提供了一种半球形结构的制造方法，包括：提供一基板，在所述基板上形成一第一层；图案化所述第一层，形成多个柱状物区域；在上述柱状物区域上形成一第二层；以及进行一回蚀刻步骤蚀刻上述第二层，以形成多个半球形薄膜区域，其分别覆盖于上述多个柱状物区域上；其中，每一个上述半球形薄膜区域与对应位置的每一个上述柱状物区域，构成一半球形结构。
为实现上述目的，本发明还提供了一种半球形结构，包括：一基板；多个柱状物区域，位于上述基板上；一图案层，位于上述多个柱状物区域以及上述基板上，其中上述图案层包括多个半球形薄膜区域，分别位于上述多个柱状物区域上；其中，每一个上述半球形薄膜区域与对应位置的每一个上述柱状物区域，构成一半球形结构。
为实现上述目的，本发明还提供了一种半球形结构的制造方法，包括：提供一基板，在上述基板上形成一第一层；图案化上述第一层，形成多个阶梯状物区域；在上述阶梯状物区域上形成一第二层；以及进行一回蚀刻步骤蚀刻上述第二层，以形成多个半球形薄膜区域，其分别覆盖于上述多个阶梯状物区域上；其中，每一个上述半球形薄膜区域与对应位置的每一个上述阶梯状物区域，构成一半球形结构。
为实现上述目的，本发明还提供了一种半球形结构，包括：一基板；多个阶梯状物区域，位于上述基板上；一图案层，位于上述多个阶梯状物区域以及上述基板上，其中上述图案层包括多个半球形薄膜区域，分别位于上述多个阶梯状物区域上；其中，每一个上述半球形薄膜区域与对应位置的每一个上述阶梯状物区域，构成一半球形结构装置。
本发明提供了一种新颖的影像装置的制造方法，其可以利用一种简单的蚀刻工艺，形成合乎曲率、高度以及轮廓需求的微透镜阵列。
附图说明
图1A～图1D分别为示意利用公知阶梯状蚀刻工艺形成微透镜阵列的一系列工艺的剖面图。
图2A～图2D分别为示意本发明的半球形结构第一实施例的工艺剖面图。
图3A～图3D分别为示意本发明的半球形结构第二实施例的工艺剖面图。
其中，附图标记说明如下：
10基板 12氮化硅层
12a阶梯状结构 12b曲面状微透镜
12c飞碟状微透镜 14分离光阻区域
20基板 22第一层
22a分离柱状物区域 22b分离阶梯状物区域
24分离式罩幕图案 26第二层
26a半球形薄膜区域 26b平坦区域
28半球形结构
具体实施方式
本发明的实施例提供了一种半球形结构及其制造方法，本发明的半球形结构应用于光学信息处理系统、光学通讯、光学读取头、光学测量以及固态影像元件等。该半球形结构采用利用半导体工艺的微机电系统(MicroElectro-Mechanical System，MEMS)技术以达到精确的机器制造以及大量生产的优点。本发明可较佳地控制半球形结构的曲率、高度以及轮廓以克服先前技术利用阶梯状蚀刻以及化学向下蚀刻工艺方式的缺点。尤其本发明提供了一种利用有机或无机材料形成的半球状结构，其利用位于半球形结构下方的支撑结构(例如一柱状物区域或一阶梯状物区域)控制半球形结构的曲率、高度以及轮廓。同样地，经由一回蚀刻工艺用以弯曲化以及平滑化半球形薄膜区域，同时在两相邻的半球形薄膜区域之间形成一平坦区域。在应用到微透镜领域中时，可以用相同材料形成半球形薄膜区域与支撑结构。在应用到微机电领域中时，可以用相同或不同材料形成半球形薄膜区域与支撑结构。
以下利用工艺剖面图，以更详细地说明本发明较佳实施例的半球形结构及其制造方法。在本发明各实施例中，相同的符号表示相同的元件。在附图中，实施例中的形状以及厚度可能因为清楚或方便的原因而被夸大，此种描述方式特别应用在本发明装置中的单一部分或组成的元件。附图中未详细描述的元件，本领域技术人员应当可以作些许的更动与润饰。另外，在描述在基板或其它层“上”形成一层物质时，表示该层物质直接位于基板或其它层上，或者两者之间存在一中间层。
在此，图2A至图2D分别为示意本发明形成半球状结构较佳实施例的剖面图。请参考图2A，其示意在第一实施例中形成一微透镜装置的起始步骤。提供一基板20，在基板20上沉积一第一层22，例如在基板20的平坦表面上沉积一第一层22。在影像装置工艺中，基板20可为一硅基板。位于基板20上的场氧化区域、光二极管、层间介电层、金属绕线、钝化层、平坦层以及彩色滤光片均未示意于附图中。第一层22的可由无机或有机材料制成。第一层22的较佳厚度为300～10000000，但并未限定厚度。第一层22厚度的选择需要符合半球状结构的大小需求，且第一层22的厚度会因后续工艺步骤而产生变化。在第一实施例中，第一层22为一氮化硅层，利用包含低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)、常压化学气相沉积(atmospheric-pressure chemical vapor deposition，APCVD)、等离子体增强型化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、溅镀以及其它后续发展的沉积方式沉积而成。第一层22可由例如二氧化硅、含氧介电材料、含氮介电材料的公知无机介电材料及其组合构成。在第一实施例中，第一层22可为例如利用旋转涂布或沉积方式形成的光阻层，也可为例如热塑性塑料材料的公知有机材料或不同折射率的光阻性材料。
接着，在基板20上设置多个分离式罩幕图案24。在第一实施例中，分离式罩幕图案24经由包含光阻涂布、软烤、光罩对准、曝光、曝光后烘烤、光阻显影以及硬烤步骤的微影工艺所形成。分离式罩幕图案24的形状可为圆柱状、方柱状、三角柱状或类似的形状。
请参考图2B，其示意以分离式罩幕图案24作为蚀刻罩幕，利用干蚀刻将第一层22蚀刻为分离柱状物区域22a，接着移除分离式罩幕图案24。每一个分离柱状物区域22a为半球形结构的一部分，可视为一支撑结构22a，后续工艺中半球形薄膜区域会形成于分离柱状物区域22a上。通过控制分离柱状物区域22a的厚度及大小，可较佳地调整半球形结构的高度以达到高曲率的需求。在第一实施例中，分离柱状物区域22a的形状可为圆柱状、方柱状、三角柱状或类似的形状。
请参考图2C，其示意在分离柱状物区域22a以及部分基板20暴露区域上沉积第二层26，第二层26覆盖了分离柱状物区域22a的间隔，而第二层26沉积的轮廓大致与暴露表面的轮廓相同。第二层26的可由自无机材料或有机材料制成，在应用到微透镜领域中时，形成第二层26的材料可以和形成第一层22的材料相同。应用在微机电领域中时，形成第二层26的材料可以用相同或不同于第一层22的材料。第二层26的厚度的较佳厚度为300～10000000，但并未限定厚度。第二层26厚度的选择需要符合半球状结构的大小需求，且第二层26的厚度会因后续工艺步骤而产生变化。在第一实施例中，第二层26为一氮化硅层，利用包含低压化学气相沉积、常压化学气相沉积、等离子体增强型化学气相沉积、物理气相沉积、溅镀以及其它后续发展的沉积方式沉积而成。形成第二层26的材料可为例如二氧化硅、含氧介电材料、含氮介电材料的公知无机介电材料及其组合。在第一实施例中，第二层26可为例如利用旋转涂布或沉积方式形成的光阻层，也可为例如热塑性塑料材料的公知有机材料或不同折射率的光阻性材料。
请参考图2D，其示意经由回蚀刻步骤，将第二层26图案化，在每一个分离柱状物区域22a和基板20上分别形成半球形薄膜区域26a，但不暴露第一层22和基板20。回蚀刻步骤可为反应式离子蚀刻(reactive ion etching)或其它等离子体蚀刻的干蚀刻步骤，使用例如含氟气体作为氮化硅的蚀刻剂，以非等向性蚀刻方式蚀刻第二层26。或者选择以湿蚀刻方式的回蚀刻步骤蚀刻第二层26。邻近分离柱状物区域22a侧壁区域的第二层26会在分离柱状物区域22a上形成弯曲和平滑的表面，而在基板20的暴露部分区域上的第二层26会形成一平坦的表面。因此，在分离柱状物区域22a上顺应性沉积的第二层26，最后形成弯曲和平滑的半球形薄膜区域26a，以提供一弯曲层，可视为半球形结构28的一部分。通过控制第二层26的厚度，可较佳地调整半球形结构28的高度以达到高曲率的需求。在经由回蚀刻步骤后，半球形薄膜区域26a并不会完全分离，而其余位于半球形薄膜区域26a间隙的第二层26会形成平坦区域26b，平坦区域26b用来维持半球形结构28的大小且防止因形成半球形结构28产生的功能缺陷。
在第一实施例中，当第一层22为例如有机的光阻材料时，如图2A所示的在基板20上设置多个分离式罩幕图案24的步骤可以省略。举例来说，在基板20上形成的第一层22可以利用包含光阻涂布、软烤、光罩对准、曝光、曝光后烘烤、光阻显影以及硬烤步骤的微影工艺直接的被图案化成为分离柱状物区域22a。这样可以简化半球形结构工艺以及节省工艺成本。
因此，经由简单的图案化以及回蚀刻步骤形成的分离柱状物区域22a和半球形薄膜区域26a，组成了半球形结构28。和公知的阶梯状蚀刻以及化学向下蚀刻工艺方式比较，本发明的半球形结构制造方法具有较高的产率，也较易于应用于量产。同时经由控制分离柱状物区域22a的高度和/或第二层26的厚度，使本发明的半球形结构28的高度因具有较高曲率而能够实现高于6K。
另外，图2B中的分离柱状物区域22a，在另一实施例中可为一阶梯状物区域，以作为位于半球形薄膜区域26a的下方支撑结构。图3A至图3D示意本发明形成半球状结构第二实施例的剖面图。其中与图2A至图2D所示元件相同的部分，则可参考前面的相关叙述，在此不作重复叙述。请参考图3A，提供一基板20，一第一层22以及多个分离式罩幕图案24，分离式罩幕图案24的形状可为圆柱状、方柱状、三角柱状或类似的形状。请参考图3B，其示意利用一种一系列交替的蚀刻步骤，包含横向移除分离式罩幕图案24的边缘步骤和非等向性地向下蚀刻的阶梯状蚀刻方式蚀刻第一层22。每一个分离阶梯状物区域22b为包含两个或两个以上的梯形薄板所组成的堆栈结构，位于下方的梯形薄板，其大小和厚度均大于位于上方的梯形薄板。接下来，移除分离式罩幕图案24。每一个分离阶梯状物区域22b作为半球形结构的一部分，可视为一支撑结构22b，后续工艺中半球形薄膜区域会形成在分离阶梯状物区域22b上。通过控制分离阶梯状物区域22b的厚度及大小，可较佳地调整半球形结构的高度以达到高曲率的需求。
请参考图3C，其示意在分离阶梯状物区域22b以及部分基板20暴露区域上沉积第二层26，第二层26覆盖了分离阶梯状物区域22b的间隙，而第二层26沉积的轮廓大致与暴露表面的轮廓相同。请参考图3D，其示意经由回蚀刻步骤，在分离阶梯状物区域22b和基板20上将第二层26图案化形成半球形薄膜区域26a，但不暴露第一层22和基板20。邻近于分离阶梯状物区域22b的阶梯状轮廓的部分第二层26会分别在分离阶梯状物区域22b上形成弯曲和平滑的表面，而在部分基板20暴露区域上的第二层26会形成一平坦的表面。因此，在分离阶梯状物区域22b上顺应性沉积的第二层26最后形成弯曲和平滑的半球形薄膜区域26a，以提供一弯曲层，可视为半球形结构28的一部分。在经由回蚀刻步骤后，半球形薄膜区域26a并不会完全分离，而其余位于分离阶梯状物区域22b间隙的第二层26会形成平坦区域26b，平坦区域26b用来维持半球形结构28的大小且防止因形成半球形结构28产生的功能缺陷。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限制本发明地保护范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的范围为准。
Claims (13)
1.一种半球形结构的制造方法，包括步骤：
提供一基板，在该基板上形成一第一层；
图案化该第一层，形成多个柱状物区域；
在该柱状物区域上形成一第二层；以及
进行一回蚀刻步骤蚀刻该第二层，以形成多个半球形薄膜区域，所述半球形薄膜区域分别覆盖于所述多个柱状物区域上；
其中，每一个所述半球形薄膜区域与对应位置的每一个该柱状物区域构成一半球形结构。
2.如权利要求1所述的半球形结构的制造方法，其中图案化该第一层的步骤包括暴露出一部分位于该柱状物区域之间的该基板，其中形成该第二层的步骤包括在该柱状物区域之间暴露出的一部分该基板上形成该第二层。
3.如权利要求2所述的半球形结构的制造方法，其中该回蚀刻步骤包括：
在该半球形薄膜区域之间暴露出的一部分该基板上，形成该第二层，该第二层为多个平坦区域。
4.如权利要求1所述的半球形结构的制造方法，其中该第一层为氮化硅层、氧化硅层或光阻层，该第二层为氮化硅层、氧化硅层或光阻层。
5.如权利要求1所述的半球形结构的制造方法，其中在图案化该第一层的步骤前，还包括步骤：
在该第一层上形成多个分离式罩幕图案；以及
以所述多个分离式罩幕图案为蚀刻罩幕，进行一干蚀刻步骤，图案化该第一层为所述多个柱状物区域。
6.如权利要求1所述的半球形结构的制造方法，其中该第一层由光阻构成，且图案化该第一层以形成所述多个柱状物区域的步骤为一微影步骤。
7.一种半球形结构，包括：
一基板；
多个柱状物区域，位于该基板上；
一图案层，位于所述多个柱状物区域以及该基板上，其中该图案层包括多个半球形薄膜区域，分别位于该多个柱状物区域上；
其中，每一个该半球形薄膜区域与对应位置的每一个该柱状物区域构成一半球形结构。
8.如权利要求7所述的半球形结构，其中该图案层包括多个平坦区域，位于该半球形薄膜区域之间的该基板上。
9.如权利要求7所述的半球形结构，其中该柱状物区域为氮化硅层、氧化硅层或光阻层，该图案层为氮化硅层、氧化硅层或光阻层。
10.一种半球形结构的制造方法，包括步骤：
提供一基板，在该基板上形成一第一层；
图案化该第一层，形成多个阶梯状物区域；
在该阶梯状物区域上形成一第二层；以及
进行一回蚀刻步骤蚀刻该第二层，以形成多个半球形薄膜区域，其分别覆盖于该多个阶梯状物区域上；
其中，每一个该半球形薄膜区域与对应位置的每一个该阶梯状物区域构成一半球形结构。
11.如权利要求10所述的半球形结构的制造方法，其中图案化该第一层的步骤包括暴露出一部分位于该阶梯状物区域之间的该基板；以及
其中形成该第二层的步骤包括在该阶梯状物区域之间暴露出的一部分该基板上形成该第二层。
12.如权利要求10所述的半球形结构的制造方法，其中该回蚀刻步骤包括：
在该半球形薄膜区域之间暴露出的一部分该基板上，形成该第二层，其为多个平坦区域。
13.如权利要求10所述的半球形结构的制造方法，其中该第一层由光阻构成，且图案化该第一层以形成所述多个阶梯状物区域的步骤为一微影步骤。
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