DE10142010A1 - Production of a lens made from a gallium phosphide-based semiconductor material comprises preparing a substrate from the semiconductor material, applying a photolacquer on the substrate, structuring the layer and etching the photolacquer - Google Patents
Production of a lens made from a gallium phosphide-based semiconductor material comprises preparing a substrate from the semiconductor material, applying a photolacquer on the substrate, structuring the layer and etching the photolacquerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Linse aus GaP-basiertem Halbleitermaterial. The invention relates to a method for producing a Lens made of GaP-based semiconductor material.
Derartige Linsen werden unter anderem zur Erweiterung des Anwendungsbereichs von Hochleistungsdiodenlasern mit Wellenlängen für die GaP transparent ist, benötigt. Gegenwärtig sind solche Hochleistungsdiodenlaser wegen ihrer vergleichsweise großen Strahldivergenz und ihres schlechten Strahlprofil auf Anwendungen beschränkt, die nur geringe Anforderungen an die Strahlqualität stellen, wie z. B. das Vorwärmen. Such lenses are used, among other things, to expand the Application area of high-power diode lasers with Wavelengths for which GaP is transparent are required. Are currently such high power diode lasers because of their comparative large beam divergence and their poor beam profile Limited applications that have low requirements on the Make beam quality such. B. preheating.
Damit Hochleistungsdiodenlaser in breiteren Anwendungsbereichen, beispielsweise der direkten Materialbearbeitung, der Sensorik, der Medizintechnik oder dem longitudinalen Pumpen von Festkörper- und Faserlasern eingesetzt werden können, sind Maßnahmen zur Verbesserung und Erhöhung der Strahlqualität erforderlich. So that high-power diode lasers in wider Areas of application, such as direct material processing, the Sensor technology, medical technology or longitudinal pumping solid-state and fiber lasers can be used, are measures to improve and increase the Beam quality required.
Die dafür benötigte Strahlqualität läßt sich nur mit optischen Elementen hoher Abbildungsqualität erzielen. Dabei kommt der Strahlformung mit Hilfe mikrooptischer Komponenten, wie sphärischer oder asphärischer Linsen und Mikrooptiken eine hohe Bedeutung zu. Die zu dieser Strahlformung erforderlichen hohen numerischen Aperturen in Verbindung mit der speziellen Geometrie und den geringen Abmessungen sind eine große Herausforderung für die Realisierung mikrooptischer Komponenten und Mikrooptiken. Gleiches gilt auch für die dazu benötigten Realisierungsverfahren einschließlich der unterstützenden Meß- bzw. Prüftechniken. The beam quality required for this can only be achieved with achieve optical elements of high imaging quality. there comes the beam shaping with the help of micro-optical components, like spherical or aspherical lenses and micro optics of great importance. The one about this beamforming required high numerical apertures in connection with the special geometry and small dimensions are a big one Challenge for realizing micro-optical Components and micro optics. The same applies to them required implementation processes including the supporting measuring and testing techniques.
Die derzeit hergestellten Silizium- und Glaslinsen genügen den Anforderungen für Hochleistungsdiodenlaser nicht. Silizium ist für die benötigte Wellenlänge (Laser mit Wellenlängen von ca. 550 bis 850 nm) nicht transparent, und Glaslinsen haben einen zu geringen Brechungsindex von etwa 1,5. Außerdem ist der Herstellungsprozeß von Glaslinsen aufwendig und teuer. The silicon and glass lenses currently manufactured are sufficient the requirements for high-power diode lasers. Silicon is for the required wavelength (laser with wavelengths 550 to 850 nm) not transparent, and glass lenses have too low a refractive index of about 1.5. Moreover is the manufacturing process of glass lenses complex and expensive.
Einen Ausweg kann die Verwendung von Galliumphosphid (GaP) als Linsenmaterial liefern. Durch den hohen Brechungsindex von etwa 3,1 sind bei gleichen Anforderungen an die Brechkraft der Linse wesentlich geringere Krümmungsradien ausreichend. Dadurch entstehen weniger Verluste durch Totalreflexion. Des weiteren ist GaP für die Wellenlänge der angesprochenen Diodenlaser transparent. One way out can be the use of gallium phosphide (GaP) deliver as lens material. Due to the high refractive index of about 3.1 with the same requirements Refractive power of the lens has significantly lower radii of curvature sufficient. This results in fewer losses through Total reflection. Furthermore, GaP is for the wavelength of addressed diode laser transparent.
GaP-Linsen wurden bereits durch eine Methode des Verfließens hergestellt. Es handelt sich bei dieser Herstellungsmethode um einen Massentransportprozeß. Die Linse wird durch einen mehrfachen Mesaätzprozeß und einem anschließenden Verfließen hergestellt (Gallium phosphide microlenses by mass transport, Z. L. Liau, V. Diadiuk, J. N. Walpole, and D. E. Mull, Applied Physics Letters (1989) vol. 55, no. 2, p 97-99). Diese Technik verbindet die Phototechnik und naßchemisches Ätzen, um mehrschichtige Mesastrukturen zu erzeugen, aus welchen Mikrolinsen durch Minimierung der Oberflächenenergie durch Verfließen geformt werden. GaP lenses have already been made by a method of blurring manufactured. This is the manufacturing method a mass transportation process. The lens is replaced by a multiple mesa etching process and a subsequent flow manufactured (Gallium phosphide microlenses by mass transport, Z. L. Liau, V. Diadiuk, J.N. Walpole, and D.E. Mull, Applied Physics Letters (1989) vol. 55, no. 2, p 97-99). This technique combines the photo technique and wet chemical Etch to create multilayer mesa structures which microlenses by minimizing the surface energy formed by flowing.
Hierzu werden mehrfach konzentrische zylindrische Strukturen durch eine geeignete Photolithographie und anschließendem naßchemischen Ätzen in einem Brom-Methanolbad erzeugt. Das Verfließen kann in einem Ofen bei ca. 1000°C unter Zugabe von Wasserstoff und Phosphorhydrooxid (PH3) bei einer Prozeßdauer von ca. 80 h realisiert werden. Hierbei bildet sich die energetisch günstigste, sphärische Form aus. For this purpose, multiple concentric cylindrical structures are used by a suitable photolithography and subsequent wet chemical etching in a bromine-methanol bath. The Can flow in an oven at approx. 1000 ° C with the addition of Hydrogen and phosphorus hydrooxide (PH3) in one process time 80 hours. This forms the energetically cheapest, spherical shape.
Nachteile dieses Verfahrens liegen insbesondere in der verwendeten mehrfachen Phototechnik und der langen Prozeßdauer im Ofen bei 1000°C, die einen großen Energiebedarf erfordert. Disadvantages of this method are in particular used multiple photo technology and the long process time in the oven at 1000 ° C, which requires a large amount of energy.
Außerdem zersetzt sich GaP chemisch, schon bevor die Schmelztemperatur von 1460°C erreicht wird. Der Phosphor verdampft und hinterläßt metallisches Gallium, welches einen wesentlich höheren Dampfdruck hat. Um diesen Prozeß zu verlangsamen, wird der Schmelzprozeß in einer Phosphoratmosphäre durchgeführt. Außerdem ist dieser Prozeß nur für sehr kleine Linsen mit einem Durchmesser von ca. 100 µm beschrieben. Größere Linsen erfordern eine noch größere Anzahl von Phototechnikschritten, und damit auch noch längere Ausheizzeiten. In addition, GaP decomposes chemically before the Melting temperature of 1460 ° C is reached. The phosphor evaporates and leaves behind metallic gallium, which is essential has higher vapor pressure. To slow this process down becomes the melting process in a phosphor atmosphere carried out. In addition, this process is only for very small lenses described with a diameter of about 100 microns. larger Lenses require an even larger number of Photo technology steps, and thus even longer baking times.
Bei einem anderen Verfahren zum Herstellen von GaP Linsen wird die Form ausgehend von einer Lacklinse, die durch Verfließen hergestellt wird, durch Ionenstrahlätzen in das Substratmaterial übertragen (Fabrication of microlens arrays by reactive ion milling, H. Sankur, R. Hall, E. Motamedi, W. Gunning, W. Tennant, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng: 1996 vol. 2687, p. 150-155). Ionenstrahlätzen basiert auf dem Effekt des physikalischen Sputterns mit einem Edelgasionenstrahl. Ionenstrahlätzen ermöglicht durch seine Anisotropie eine sehr genaue Formübertragung. Die Selektivität wird über den Sauerstofffluß und der Energie der Argonionen eingestellt. Bei diesem Prozeß ist es ein großes Problem, die geforderte Selektivität bei akzeptablen Ätzraten einzustellen. Another method of making GaP lenses the shape is based on a varnish lens that passes through Is produced by ion beam etching into the flow Transfer substrate material (Fabrication of microlens arrays by reactive ion milling, H. Sankur, R. Hall, E. Motamedi, W. Gunning, W. Tennant, SPIE-Int. Soc. Opt. Eng: 1996 vol. 2687, p. 150-155). Ion beam etching is based on the effect physical sputtering with a noble gas ion beam. Due to its anisotropy, ion beam etching enables a very accurate shape transfer. The selectivity is over the Oxygen flow and the energy of the argon ions set. at In this process, it is a major problem that the required Set selectivity at acceptable etch rates.
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Herstellungsverfahren für Linsen aus GaP- basiertem Halbleitermaterial anzugeben, insbesondere ein einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren, bei dem die Ätzselektivität über einen weiten Bereich um 1,0 eingestellt werden kann und gleichzeitig eine hohe Ätzrate und damit kurze Prozeßdauer erzielt wird. This is where the invention comes in. The invention as in the Is characterized, the task is based an improved manufacturing process for lenses made of GaP based semiconductor material, in particular a simple and inexpensive manufacturing process in which the Etching selectivity set over a wide range around 1.0 can be and at the same time a high etching rate and thus short process time is achieved.
Diese Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen. This task is followed by the manufacturing process Claim 1 solved. Preferred embodiments of the method result from the subclaims.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zum Herstellen einer
Linse aus GaP-basiertem Halbleitermaterial die
Verfahrensschritte:
- - Bereitstellen eines Substrats aus GaP-basiertem Halbleitermaterial;
- - Aufbringen einer Photolackschicht auf das Substrat,
- - Strukturieren der Photolackschicht und Verrunden zu einer Lacklinse durch Ausheizen, und
- - Ätzen der verrundeten Photolackschicht und des Halbleitersubstrats gemeinsam in einem Plasmaätzprozeß.
- - Providing a substrate made of GaP-based semiconductor material;
- Applying a photoresist layer to the substrate,
- - Structuring the photoresist layer and rounding to a lacquer lens by heating, and
- - Etching the rounded photoresist layer and the semiconductor substrate together in a plasma etching process.
Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, zunächst auf dem Halbleitersubstrat eine Linse aus Photolack herzustellen, und diese Lacklinse dann durch einen Plasmaätzprozeß in das Substrat zu übertragen. Die Wahlmöglichkeiten bei den Ätzparametern verleihen dem Verfahren eine große Prozeßflexibiltät, beispielsweise ermöglicht eine gezielte Veränderung der Gasflüsse eine Variation der Ätzselektivität Halbleitermaterial/Lack während des Ätzprozesses. The invention is therefore based on the idea, first on the Semiconductor substrate to produce a lens from photoresist, and this lacquer lens then by a plasma etching process in the Transfer substrate. The choices in the Etching parameters give the process great process flexibility, For example, allows a targeted change in the Gas flows a variation in etch selectivity Semiconductor material / lacquer during the etching process.
Die Selektivität bezeichnet dabei das Verhältnis der Ätzrate des GaP-basierten Halbleitermaterials und der Ätzrate des Photolacks. Bei einer Selektivität von Eins wird die Form der Lacklinse im wesentlichen unverändert in das Substrat übertragen. Ein Selektivität größer als Eins führt dagegen zu einer Überhöhung der geätzten Halbleiterlinse verglichen mit der Photolacklinse. Somit bestimmt die Selektivität zusammen mit der Ausgangsform der Lacklinse die spätere Form der Halbleiterlinse. The selectivity denotes the ratio of the etching rate of the GaP-based semiconductor material and the etching rate of the Photoresist. With a selectivity of one, the shape of the Lacquer lens essentially unchanged in the substrate transfer. A selectivity greater than one leads to an increase in the etched semiconductor lens compared with the photoresist lens. The selectivity thus determines together with the initial shape of the lacquer lens the later shape of the Semiconductor lens.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Halbleitersubstrat in dem Plasmaätzprozeß gegen die Photolackschicht mit einer Selektivität von 0,5 bis 4 geätzt wird. In a preferred embodiment, the Semiconductor substrate in the plasma etching process against the photoresist layer a selectivity of 0.5 to 4 is etched.
Mit Vorteil wird bei dem Herstellungsverfahren der anteilige Fluß von eingeleiteten Prozeßgasen während des Plasmaätzens so angepaßt, daß die Selektivität der Ätzung von Halbleiterschicht/Photolack konstant bleibt. Dies gestattet eine konforme Übertragung der Form der Photolacklinse in die Halbleiterschicht. Insbesondere kann aus einer sphärische Lacklinse eine sphärischen Halbleiterlinse erzeugt werden. The proportionate part of the manufacturing process is advantageous Flow of process gases introduced during plasma etching adjusted so that the selectivity of the etching of Semiconductor layer / photoresist remains constant. This allows one conformal transfer of the shape of the photoresist lens into the Semiconductor layer. In particular, a spherical lacquer lens a spherical semiconductor lens can be produced.
Es kann ebenfalls zweckmäßig sein, den anteiligen Fluß von eingeleiteten Prozeßgasen während des Plasmaätzens so anzupassen, daß die Selektivität der Ätzung von Halbleiterschicht/Photolack in vorbestimmter Weise verändert wird, zum nicht-konformen Übertragen der Form der Photolacklinse in die Halbleiterschicht. Dies ermöglicht insbesondere die Herstellung asphärischer Halbleiterlinsen aus sphärischen Lacklinsen. It may also be appropriate to use the proportional flow of process gases introduced during the plasma etching so adjust that the selectivity of the etching of Semiconductor layer / photoresist is changed in a predetermined manner to non-compliant transfer of the shape of the photoresist lens into the Semiconductor layer. This enables in particular the Manufacture of aspherical semiconductor lenses from spherical Paint lenses.
Sphärische Linsen brechen einfallende Lichtstrahlen am Rand stärker als in der Linsenmitte, so daß die Teilstrahlen nicht in einem Punkt vereinigt werden. Ein Bildfehler, der sphärische Aberration genannt wird, entsteht. Es läßt sich am besten durch die Verwendung asphärische Linsen verhindern, deren Herstellung jedoch in der Regel deutlich aufwendiger und teurer als die sphärischer Linsen ist. Spherical lenses break incident light rays at the edge stronger than in the middle of the lens, so that the partial beams are not be united in one point. A picture error that is called spherical aberration. It can be on best prevent using aspherical lenses, however, their production is usually significantly more complex and is more expensive than spherical lenses.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, asphärische Halbleiterlinsen in vergleichsweise einfacher Weise mithilfe sphärischer Lacklinsen zu ätzen. Dazu ist lediglich erforderlich, die Ätzselektivität während des Ätzprozesses in der gewünschten Weise durch Änderungen der Prozeßgasflüsse zu variieren, wie weiter unten im Detail beschrieben. The present invention enables aspherical Semiconductor lenses in a relatively simple way using to etch spherical lacquer lenses. All that is required is the etch selectivity during the etching process in the to vary as desired by changing the process gas flows, as described in detail below.
Damit können vom Rand der Linse zur Linsenmitte hin unterschiedliche Selektivitäten und damit Übertragungsraten eingestellt werden. Der Krümmungsradius der Linse kann somit vom Rand zur Linsenmitte variieren, wie für eine Aspährenlinse erforderlich. So that from the edge of the lens to the center of the lens different selectivities and thus transfer rates can be set. The radius of curvature of the lens can thus be from The edge to the center of the lens varies, as for an aspheric lens required.
Die allgemeine Asphärengleichung ist dabei durch
gegeben, in der R den Linsenradius, H die Linsenhöhe und k
den Asphärenfaktor bezeichnet. Fig. 1 zeigt einen
Querschnitt durch eine GaP-Zylinderlinse 10 auf einem GaP-Träger
12 mit der Definition der genannten Größen. Die Kurve y(x)
gibt den Verlauf des Querschnitts einer Zylinderlinse
senkrecht zur Zylinderachse oder eines Schnitts einer
rotationssymmetrischen Linse durch den Linsenmittelpunkt an.
The general aspherical equation is thereby through
given, in which R denotes the lens radius, H the lens height and k the aspherical factor. Fig. 1 shows a cross section through a GaP-cylinder lens 10 on a GaP carrier 12 with the definition of the above sizes. The curve y (x) indicates the course of the cross section of a cylindrical lens perpendicular to the cylinder axis or a section of a rotationally symmetrical lens through the lens center.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden als Prozeßgase während des Plasmaätzens ein chlorhaltiges Ätzgas, ein Edelgas, eine Fluorverbindung und eine Wasserstoffverbindung in die Plasmakammer eingeleitet. In a preferred embodiment, the process gases during the plasma etching a chlorine-containing etching gas, a noble gas, a fluorine compound and a hydrogen compound in the Plasma chamber initiated.
Als chlorhaltiges Ätzgas werden bevorzugt Cl2 oder SiCl4 verwendet. Auch ist die Verwendung von Ar als Edelgas bevorzugt. Cl 2 or SiCl 4 are preferably used as the etching gas containing chlorine. The use of Ar as the noble gas is also preferred.
Besonders gute Ergebnisse werden mit NF3 als Fluorverbindung erzielt und/oder mit H2 als Wasserstoffverbindung. Particularly good results are achieved with NF 3 as the fluorine compound and / or with H 2 as the hydrogen compound.
Dabei wird zweckmäßig der anteilige Fluß der Wasserstoffverbindung so gewählt wird, daß die geätzten Oberflächen des GaP-basierten Halbleitersubstrats eine optisch glatte Beschaffenheit aufweisen. The proportionate flow of the Hydrogen compound is chosen so that the etched surfaces of the GaP-based semiconductor substrate is optically smooth Exhibit quality.
Zweckmäßig ist die Prozeßgasmischung im wesentlichen sauerstofffrei, wodurch glattere Oberflächen ermöglicht werden. The process gas mixture is essentially expedient oxygen-free, which enables smoother surfaces.
Ohne an eine bestimmte Erklärung gebunden zu sein, hat dabei nach gegenwärtigem Verständnis die Fluorverbindung die Wirkung, die ansonsten zu große Selektivität deutlich zu erniedrigen. Die Wasserstoffverbindung dient neben einer weiteren Senkung der Selektivität der Erzielung einer glatten Oberfläche der geätzten Halbleiterflächen. Without being tied to a specific explanation, it has according to current understanding, the fluorine compound Effect that otherwise too high selectivity significantly humiliate. The hydrogen compound serves alongside another one Lowering the selectivity of achieving a smooth Surface of the etched semiconductor surfaces.
Die genauen anteiligen Flüsse hängen selbstverständlich vom spezifischen Prozeß ab, insbesondere von der gewählten GaP- basierten Verbindung, Art und Dicke des verwendeten Photolacks, den Anforderungen an das Prozeßprodukt, aber auch von Details und Spezifika der verwendeten Plasmaätzanlage. Es liegt jedoch im Rahmen des fachmännischen Könnens, für einen bestimmten Prozeß die erforderlichen Gasflüsse anhand der genannten Angaben durch Routineversuche zu ermitteln. The exact proportionate flows naturally depend on specific process, especially the selected GaP based connection, type and thickness of the used Photoresists, the requirements of the process product, but also of Details and specifics of the plasma etching system used. It However, is within the scope of the professional ability for one certain process the required gas flows based on the to determine the stated information through routine tests.
Die Photolackschicht wird durch Ausheizen oberhalb der Glastemperatur verrundet. The photoresist layer is removed by heating above the Glass temperature rounded.
Die Halbleiterschicht besteht in bevorzugten Ausgestaltungen aus GaP Verbindungen, sowie ternären und quaternären Verbindungen, die auf GaP basieren, wie beispielsweise InGaP oder InGaAlP, gegebenfalls zusammen mit üblichen n- oder p-Dotierstoffen. The semiconductor layer consists in preferred configurations from GaP compounds, as well as ternary and quaternary Compounds based on GaP, such as InGaP or InGaAlP, possibly together with the usual n- or p-type dopants.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen. Further advantageous configurations, features and details the invention emerge from the dependent claims, the Description of the embodiments and the drawings.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Es zeigt The invention is based on Embodiments explained in connection with the drawings become. These are only for understanding the invention essential elements shown. It shows
Fig. 1 eine Querschnitt einer asphärischen Lacklinse auf einem Substrat in schematischer Darstellung zur Definition auftretender Größen; Figure 1 is a cross section of an aspherical lacquer lens on a substrate in a schematic representation to define occurring sizes.
Fig. 2 ein Höhenprofil einer GaP-Linse im Vergleich mit einem sphärischen Linsenprofil; Fig. 2 is a height profile of a GaP lens in comparison with a spherical lens profile;
Fig. 3 ein Höhenprofil einer anderen GaP-Linse im Vergleich mit einem sphärischen Linsenprofil; Fig. 3 is an elevation profile of another GaP lens in comparison with a spherical lens profile;
Fig. 4 ein Höhenprofil einer weiteren GaP-Linse im Vergleich mit einem sphärischen Linsenprofil. Fig. 4 shows a height profile of another GaP lens in comparison with a spherical lens profile.
Zur Herstellung von GaP-Linsen werden zunächst Photolacklinsen auf GaP-Wafer aufgebracht. Dazu werden sägerauh angelieferte GaP Wafer zuerst beidseitig geschliffen und poliert, um Unebenheiten, die bei den Wafern im Anlieferungszustand auftreten, auszugleichen und um die Transparenz zu verbessern. To manufacture GaP lenses, first of all Photoresist lenses applied to GaP wafers. This will be rough sawn delivered GaP wafers first grinded and polished on both sides Bumps in the wafers in the delivery state occur, balance and to improve transparency.
Anschließend wird in an sich bekannter Weise eine Photolackschicht auf die Wafer aufgebracht. Eine Quaderstruktur wird durch Belichtung und Entwicklung wird von einer Maske in den Photolack übertragen und durch Ausheizen oberhalb der Glastemperatur verrundet um aus den Quaderstrukturen Zylinder- Lacklinsen zu erhalten. Then in a manner known per se Photoresist layer applied to the wafer. A cuboid structure is by exposure and development is from a mask in the Transfer the photoresist and bake it above the Glass temperature rounded off from the cuboid structures Get patented lenses.
Die erhaltenen Lacklinsen werden auf Gleichmäßigkeit, Beschädigungen und ausgefranste Ränder unter dem Lichtmikroskop untersucht. Zum Schluß werden die Lacklinsen an einem Linsenmeßgerät auf Formtreue, Radius und Durchmesser untersucht. The lacquer lenses obtained are checked for uniformity, Damage and frayed edges under the light microscope examined. Finally, the lacquer lenses on one Lens measuring device examined for shape accuracy, radius and diameter.
Die Lackdicke, die mindestens benötigt wird ist abhängig von Form und Größe der Linse, ist also bei Kugellinsen anders als bei Zylinderlinsen, da sich die Oberflächenspannung anders verhält. Wird das Aspektverhältnis (das Verhältnis Linsenbreite zu Lackdicke) zu groß, so bildet sich keine sphärische Form aus. Das Aspektverhältnis darf aber auch nicht zu klein werden, da sich sonst lediglich eine Halbkugel ausbildet. Wird das Aspektverhältnis zu groß zeigt sich in der Linsenmitte eine Wölbung nach innen. The minimum lacquer thickness required depends on Shape and size of the lens is different for spherical lenses with cylindrical lenses, since the surface tension is different behaves. The aspect ratio (the ratio Lens width too thick) too large, so no spherical forms Shape out. However, the aspect ratio must not be too small be otherwise only a hemisphere is formed. If the aspect ratio becomes too large, it can be seen in the Center of the lens a bulge inwards.
Grundsätzlich ist man bestrebt, möglichst dünne Lacklinsen herzustellen, da sich dadurch die Prozeßdauer verringern läßt. Außerdem kann man dann mit größeren Selektivitäten ätzen und erhält die gleichen Radien wie bei dicken Lacklinsen. Außerdem lassen sich größere Selektivitäten bei GaP leichter erreichen. Basically, the aim is to use the smallest possible paint lenses to manufacture, since this reduces the process time leaves. You can also use greater selectivities etch and maintain the same radii as with thick lacquer lenses. In addition, greater selectivities in GaP are easier to reach.
Anschließend werden die Linsenstrukturen durch Plasmaätzen mit einer ICP(Inductive Coupled Plasma)-Plasmaätzanlage in das GaP-Substrat übertragen. Then the lens structures are plasma etched with an ICP (Inductive Coupled Plasma) plasma etching system in transfer the GaP substrate.
Mit einer derartigen Anlage kann ein hochdichtes Plasma induktiv angeregt werden. Die zu ätzenden Wafer befinden sich auf einer Substratelektrode und werden einem Gasfluß ausgesetzt. Aufgrund der zu geringen Wafertemperatur kann im Allgemeinen keine Reaktion in Abwesenheit eines Plasmas stattfinden. Das Plasma wird von einer Spule in einer zylindrischen Kammer durch Radiofrequenz, zum Beispiel bei 13,56 MHz, mit einer einstellbaren Leistung (nachfolgend ICP-Leistung) angeregt. Der Spulenstrom induziert ein zeitabhängiges magnetisches Feld, welches Leistung induktiv in das Plasma einkoppelt. An die Substratelektrode, auf der sich die Wafer befindet, kann unabhängig davon eine separate RF Spannung angelegt werden um die Ionenenergie zu beeinflussen (nachfolgend RF- Leistung). With such a system, a high-density plasma be inductively excited. The wafers to be etched are located on a substrate electrode and become a gas flow exposed. Due to the low wafer temperature, Generally no response in the absence of a plasma occur. The plasma is from a coil in a cylindrical chamber by radio frequency, for example at 13.56 MHz, with an adjustable power (hereinafter ICP power) stimulated. The coil current induces a time-dependent magnetic field, which power inductively into the plasma couples. To the substrate electrode on which the wafer is located independent RF voltage can be applied to influence the ion energy (hereinafter RF- Power).
Um eine ausreichend niedrige Selektivität im Bereich unterhalb von 4 bei gleichzeitig glatter Oberflächenbeschaffenheit der geätzten Linsen wurde ein Ätzgasgemisch aus Cl2/Ar/NF3/H2 verwendet. An etching gas mixture of Cl 2 / Ar / NF 3 / H 2 was used in order to achieve a sufficiently low selectivity in the range below 4 with a smooth surface quality of the etched lenses.
Die Selektivität am Beginn des Ätzprozesses bei großem
Lack/Substratverhältnis wurde in einem Vorversuch zu etwa 1,3
bestimmt. Die Prozeßparameter waren:
Cl2 5 sccm; Ar 45 sccm; NF3 4,2 sccm; H2 10 sccm; ICP 950 W; RF
150 W; Druck 3 mTorr; Waferkühlung 10°C.
The selectivity at the beginning of the etching process with a large lacquer / substrate ratio was determined to be about 1.3 in a preliminary test. The process parameters were:
Cl 2 5 sccm; Ar 45 sccm; NF 3 4.2 sccm; H 2 10 sccm; ICP 950 W; RF 150 W; Pressure 3 mTorr; Wafer cooling 10 ° C.
Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Bestimmung des Höhenprofils 20 der geätzten GaP-Linse, verglichen mit einem sphärischen Linsenprofil 22. Fig. 2 shows the result of the determination of the height profile 20 of the etched GaP lens compared with a spherical lens profile 22.
Die Linsenhöhe nach dem Ätzen beträgt 23,4 µm, die der Lacklinse betrug 22,8 µm. daraus ergibt sich eine Selektivität über die gesamte Prozeßdauer von 1,0. Wäre die Selektivität während der gesamten Prozeßdauer konstant, müßte die ideale Lacklinse formtreu übertragen werden. The lens height after etching is 23.4 µm, that of Lacquer lens was 22.8 µm. this results in selectivity over the entire process duration of 1.0. Would be selectivity constant throughout the process, should be the ideal Lacquer lens can be transferred true to form.
Fig. 2 zeigt, daß die Form der Halbleiterlinse im oberen Bereich 24 sehr gut mit einer idealen Sphäre übereinstimmt. Im unteren Bereich 26 ist jedoch eine starke Abweichung zu erkennen. Die Linse ist hier steiler als die Idealform, woraus ersichtlich ist, daß die Selektivität am Prozeßanfang höher als am Prozeßende ist. Die Selektivität sinkt also mit kleiner werdendem Flächenverhältnis Lack/Substrat. FIG. 2 shows that the shape of the semiconductor lens in the upper region 24 corresponds very well to an ideal sphere. However, a large deviation can be seen in the lower region 26 . The lens is steeper than the ideal shape, which shows that the selectivity at the beginning of the process is higher than at the end of the process. The selectivity therefore drops as the area / lacquer / substrate area ratio becomes smaller.
Um eine sphärische Linse zu erhalten, werden die Prozeßparameter gezielt geändert, um die Selektivität während des Prozesses konstant zu halten. To get a spherical lens, the Process parameters specifically changed to the selectivity during the To keep the process constant.
In einer Reihe von Vorversuchen wurde die Selektivität S0 des Ätzens von GaP gegen Photolack für kurze Ätzzeiten (15 min) bestimmt. Da dabei das Flächenverhältnis Lack/Substrat noch hoch ist, gibt S0 eine Anfangsselektivität an, die sich im Lauf des Prozesses bei unveränderten Prozeßparametern erniedrigt. The selectivity S 0 of the etching of GaP against photoresist for short etching times (15 min) was determined in a series of preliminary tests. Since the area ratio of lacquer / substrate is still high, S 0 indicates an initial selectivity which decreases over the course of the process with unchanged process parameters.
Ein Konstanthalten der Selektivität während der Prozeßdauer erfordert somit einen Übergang zu Prozeßparametern mit einer höheren Anfangsselektivität S0. Die genaue Wahl der Parameter muß für jede Linsenform durch eine Reihe von Routineversuchen und Vergleich mit der gewünschten Form ermittelt werden. Keeping the selectivity constant during the process duration therefore requires a transition to process parameters with a higher initial selectivity S 0 . The exact choice of parameters must be determined for each lens shape through a series of routine tests and comparison with the desired shape.
Tabelle 1 zeigt die Prozeßschritte für eine sphärische GaP-
Linse, bei denen obigen Überlegungen Rechnung getragen wurde.
Tabelle 1
Table 1 shows the process steps for a spherical GaP lens in which the above considerations were taken into account. Table 1
Die ICP Leistung betrug 750 W, die RF Leistung 150 W, der Druck 3 mTorr, und die Waferkühlung 10°C. The ICP power was 750 W, the RF power 150 W, the pressure 3 mTorr, and the wafer cooling 10 ° C.
Zeile 2 der Tabelle zeigt die vorab ermittelte Anfangsselektivität für die jeweilige Parameterkombination. Die mit der Zahl der Prozeßschritte ansteigende Anfangsselektivität kompensiert gerade den Abfall der Selektivität durch das mit fortschreitender Prozeßdauer sinkende Flächenverhältnis Lack/Substrat. Line 2 of the table shows the previously determined one Initial selectivity for the respective parameter combination. The one with the Initial selectivity increasing in number of process steps compensates for the drop in selectivity with the progressing process duration, decreasing area ratio Coat / substrate.
Fig. 3 zeigt die eine Höhenprofil 30 der so erhaltenen GaP- Linse im Vergleich mit einem sphärischen Linsenprofil 32. Es ergibt sich über praktisch die gesamte Höhe der Linse eine sphärische Form. FIG. 3 shows a height profile 30 of the GaP lens obtained in this way in comparison with a spherical lens profile 32 . A spherical shape results over practically the entire height of the lens.
In einem weiteren Experiment wurde die Prozeßparameter so angepaßt, daß sich die Selektivität mit zunehmender Prozeßdauer ansteigt, so daß Asphären mit negativem Asphärenfaktor k erhalten werden. In another experiment, the process parameters were like this adjusted that the selectivity with increasing process time increases so that aspheres with negative aspheric factor k be preserved.
Dabei mußte die Anzahl der Prozeßschritte auf 6 erhöht
werden, um eine kontinuierliche Änderung der Krümmungsradius zu
erhalten.
Tabelle 2
The number of process steps had to be increased to 6 in order to obtain a continuous change in the radius of curvature. Table 2
Die ICP Leistung betrug 750 W, die RF Leistung 100 W, der Prozeßdruck 3 mTorr und die Waferkühlung 5°C. The ICP power was 750 W, the RF power was 100 W Process pressure 3 mTorr and the wafer cooling 5 ° C.
Fig. 4 zeigt das Höhenprofil 40 dieser Linse am Linsenmeßgerät. Es handelt sich um eine 220 µm breite Struktur. Die angefittete Linse 42 hat einen Radius von 91 µm. Die gemessene Linse zeigt gegenüber der Angefitteten eine Aufweitung in Richtung eines negativen Asphärenfaktors. Es ist somit möglich, durch mehrere Prozeßschritte die Linsenform gezielt zu beeinflussen. Fig. 4 shows the height profile 40 of this lens on the lens measuring device. It is a 220 µm wide structure. The fitted lens 42 has a radius of 91 μm. The measured lens shows a widening in the direction of a negative aspheric factor compared to the fitting. It is therefore possible to influence the lens shape in a targeted manner by means of several process steps.
Bei diesem Experiment konnte durch die Wahl der Ätzgase und der Prozeßparameter eine Linse mit einer glatten Oberfläche erzeugt werden. Außerdem ist keine sprunghafte Änderung des Krümmungsradius zwischen den einzelnen Schritten zu erkennen. In this experiment, the choice of etching gases and the process parameter is a lens with a smooth surface be generated. In addition, there is no sudden change in the Detect radius of curvature between the individual steps.
Selbstverständlich können die Prozeßparameter nicht nur in diskreten Schritten, sonderen auch kontinuierlich verändert werden. Of course, the process parameters can not only be in discrete steps, but also continuously changing become.
Claims (13)
ein Substrat aus GaP-basiertem Halbleitermaterial bereitgestellt wird;
eine Photolackschicht auf das Substrat aufgebracht wird,
die Photolackschicht strukturiert und durch Ausheizen zu einer Lacklinse verrundet wird, und
die verrundete Photolackschicht und das Halbleitersubstrat gemeinsam in einem Plasmaätzprozeß geätzt werden. 1. A method for producing a lens from GaP-based semiconductor material, in which
a substrate made of GaP-based semiconductor material is provided;
a photoresist layer is applied to the substrate,
the photoresist layer is structured and rounded to a lacquer lens by heating, and
the rounded photoresist layer and the semiconductor substrate are etched together in a plasma etching process.
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