TW200839299A - Manufacturing method of high numerical aperture micro-lens and its array - Google Patents

Description

200839299 / 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與一種微透鏡有關，更詳而言之，特別是指 一種製程穩定，降低生產成本及提高效能與品質的高數值 孔控微透鏡與其陣列之製法。 【先前技術】 按’局數值孔徑（Numerical Aperture ;以下簡稱να) 之透鏡在光學系統應用甚廣，例如在半導體製程中的光學 p微影系統，最重要的目的就是能將玻璃光罩上的圖案無誤 地轉移到半導體上，對於高密集度的積體電路而言，在單 位面積上所能容納的電晶體越多越好，因此微影線寬就必 須越做越小，而微影系統聚焦光點大小（spot s i π) 〇 其中；l為曝光光源波長’ NA為曝光系統的數值孔徑，顯示 ，的透鏡是光學微影系統提高解析度的重要關鍵。在高 ^光學資訊讀H纟4巾，光學讀寫頭是料場光學技術 犬破光學繞射極限，以固態浸沒式透鏡（SIL)之近場光學 Z合微小ΠΜΝΑ的微透鏡，縮小聚焦之光點 Μ的微透鏡是該光學讀寫頭的重要用门 的微透鏡於新科技產品的發展』應用回M 需求極為迫切。^展甚夕，顯不高NA微透鏡技術 請參閲第一圖所示，光學理論顯示難=膽， 折射係數η是聚;t點環境f的折射係數 虫透 鏡的幾何錢透鏡本身的折射係 則與透 鏡的NA值需從三方面著丰、 而要有效提升透 者手.（υ透鏡本身幾何的特性；（2) 200839299 (3)聚焦環境折射係數 -透鏡本身需採用高折射係數之枯μ 的提升。 ^ ⑴以微模具製作高ΝΑ透鏡，請參閱第二、三、四圖 所示，MaSahlro等人在2〇〇2年利用微加工設備的方式，製 作球面狀的凸模b利用所製作的凸模1在玻璃2上製作玻 璃模具3,最後填人高折射係數之透鏡材料4，以完成透鏡 5，此種方式製成之透鏡5 < NA i可達65，湘此種方 式製作透鏡，可以在模具製作上製作不同曲率甚至非球面 之透鏡，也可改變透鏡材質成高折射係數之透鏡； 目前製作高Μ透鏡方法大致有三種：

(2)以ICP蝕刻製作高财折射式GaN (氮化鎵）微透 鏡，請參閱第五圖所示，李明洪在謂年以熱溶法配合感 應耦合電漿（inductively c〇upled plasiQa，Icp)，將一 破璃光罩6上之光阻圖案6a轉移到GaN的基板7上，製作 出以GaN為材質的折射式微透鏡7a，利用GaN有著對藍光 雷射（ 405nm)光源有高穿透率以及高折射係數（n=2.5) G等特性’期望利用Icp蝕刻深度的不同達到Μ=〇. 85之高 N A微透鏡； (3)以灰階光罩製作高να繞射式GaN微透鏡，請參 閱第六圖所示，Chen等人在2002年利用灰階光罩8製作多 階的光阻圖案，再利用ICp將光阻圖案複製到GaN的基板9 上’製作出以GaN為材質的繞射式高NA微透鏡9 a，同樣 的利用GaN有著對藍光雷射（ 405nm)光源有高穿透率以及 局折射係數（η=2· 5 )等特性，利用ICP蝕刻深度的不同達 200839299 到ΝΑ的提升。 【發明内容】 惟，第-種微模具製作高NAit鏡方式 力二的方式製作，要再將透鏡縮小勢必要再透過更 叩貝的儀益來達成，在成本上將會增加，1山更 前2透鏡數十微米的等級可能㈣難；“二 刻袅作局NA折射式GaN微透鏡方式，以目前蝕 Γ： 〇 於深㈣（數十微米），又能保持光學元件的表面輪廊完整及 光學特性是不可行的’主要是因為長時間的二:、 洛度過高致使光阻焦化，因此根據理論計算二目二2 侧深度為數微米，只能製作出NA^.25以下的鏡: 無法製作出高NA的微透鏡；第三種以灰階光罩製作/Μ 鐃射式GaN微透鏡方式，同樣受限於lcp餘刻時間過長會 產生光阻焦化的問題，會影響光阻圖案複製到基板 t ’若能使㈣高溫的餘，並且改善㈣機器的工作環 境，在工作區加裝冷卻系統，降低蝕刻時光阻之溫度光阻 防止光阻焦化，將有利高NA繞射式GaN微透鏡之製作， 惟，由於使用灰階玻璃光罩的方式將會使製作成本增加， 不利於商業發展。 本發明係提供一種高數值孔徑微透鏡與其陣列之製 法，主要是利用光穿透微透鏡後之散射效果，形成高數值 孔徑透鏡之製法，在製程中，先以光阻熱熔（Reflow of Photoresist)法做出所需之微透鏡光罩結構，再以超過光 阻之玻璃轉換溫度之高溫加熱，使得光阻表面能量趨近於 7 200839299 ， .最小’㈣成近似球面的形狀，再以光罩形狀轉移之原理， 在-基材上塗佈較厚的光阻層，即可得到高M微透鏡陣列 結構。 本發明所提供之一種高數值孔徑微透鏡與其陣列之製 去’可製造出高NA微透鏡陣列結構以供廣泛應用於微影系 口光學讀寫頭及其他新科技產品等，其製程穩定且製作 簡單，並可大量翻模複製，以大大降低製作成本。 【實施方式】 μ、首先，請參閱第七圖所示，係本發明一種高數值孔徑 极透鏡與其陣列之製法較佳實施例之流程方塊圖，主要包 含下列步驟： a、 彳政透鏡光罩之預備步驟：請參閱第八、九圖所示， 準備一玻璃光罩10及塗佈有正光阻之一載玻片2〇，該玻璃 光罩10可提供遮蔽紫外線光源的完全照射，且該玻璃光罩 10上具單一或陣列之不透光之圓形圖案11，其中，該玻璃 光罩10設計上，其相鄰圓形圖案11間之間距需大於光穿 透透鏡後之發散角；另，該載玻片20上於本實施例中係採 用AZ4620正光阻材料旋塗於該載玻片2〇上，形成一光阻 層30 〇 b、 微影成型步驟：請配合參閱第十、十一圖所示，將 該玻璃光罩10放置於旋塗有光阻層30之載玻片20上，再 利用紫外光進行350nm〜400nm之光罩對準該玻璃光罩1〇進 打曝光製程後施予顯影3〜5分鐘，當紫外光經過玻璃光罩 10照射至光阻層30上，受到光照射部分之光阻會溶於顯影 8 200839299 ， -液中’即光阻不照光之部分會形成圓柱狀結構31。 光阻熱熔（Reflow of Photoresist)步驟：請配 合束間+ 一 , ^ 巧 / —、十二圖所示，將上述具有圓柱狀結構31之载 玻片送入於烤箱40或置於熱板上，以超過光阻層go之 玻W轉換恤度予以而溫加熱，其加熱溫度依不同光阻材料 之光阻層30而有所差異，一般大約在100〜300°C間，由於 絲材料在加熱至上述溫度後，其时子之動能增加，並 c 又到表面張力作用，使得光阻層3〇之表面能量趨近於最 小，而形成近似球面的形狀，如此，gp完成微透鏡玻璃光 罩50;需特別說明的是，該微透鏡光罩5〇上之 3卜係由玻璃光之圓形圖案_印過去，同時、:1 經過咼溫熱熔步驟，因此該微透鏡光罩5〇上圓柱狀 間之距離不會改變。 ° d、 高ΝΑ值微透鏡陣列之預備步驟：請配合參閱 ^所示’準備-塗佈較厚之正光阻材料之底材6()與前彭程 製成之微透鏡光罩50,其中，該底材6〇於本實施例中 用-種晶® ’並利㈣微透鏡光罩5G作為遮蔽紫外線 的完全照射；另，該底材6G係採用Az侧 二 預定轉速均句旋塗於其表面上，並以兩段轉速 咖Pm、1〇SeC與_咖、15秒進行旋塗製程，並= 均膜厚約2—光阻薄膜6卜該光阻薄膜6 40以參數為90°C、4分鐘進行軟烤。 』用巧相 e、 微影成型步驟：如第十四圖所示，以近 350ΠΙΙ1〜400mn之光罩對準微透鏡光罩5〇進行曝光製程先^ 9 200839299 ^ 行顯影3〜5分鐘，再經與120°C、5分鐘之硬烤，即於該底 材60之光阻薄膜61上形成相對之透鏡陣列，如此即完成 高NA微透鏡陣列結構70。 f、 導電層成型步驟··請配合參閱第十五圖所示，在高 NA彳政透鏡陣列結構70表面丨賤鏡（stupper)—層導電膜71。 g、 複製翻模步驟：請配合參閱第十六、十七圖所示， 於邊導電膜71上電鑄形成一模具8〇,並可再翻印出另一相 對之咼N A微透鏡陣列結構模仁9 〇，以便日後微透鏡結構可 ( 被大量複製，而達到量產的效用。 茲，再將本發明之特徵及其可達成之預期功效陳述如·· 1、 本發明以玻璃光罩形狀轉移原理，在基材上塗佈 較厚的光阻層即可得到高NA值的微透鏡結構，其製程穩定 且製作簡單，並可減少昂貴儀器的使用，且可大量翻模複 製，以大大降低製作成本。 2、 本發明可製作單一高NA微透鏡結構或高難微透 鏡陣列結構。 ϋ . 3、本發明之高ΝΑ微透鏡陣列結構可廣泛應甩於微影 糸統及光學資訊讀寫系統等。

准以上所述者，僅係本發明之一較佳 故舉凡應用本發明說明書及申請專利範 較佳可行實施例而 利範圍所為之等效 200839299 ^ 結構變化，理應包含在本發明之專利範圍内。

C 11 200839299 【圖式簡單說明】 第一圖係—種财值之計算方式示意圖。 圖係習知一種微模具製作高隐透鏡之製作示意圖。 f三圖係習知—種微模具製作高NA透鏡之製作流程圖。 j四圖係習知-種微模具製作高财透鏡之透鏡尺寸圖 第二圖係習知—独！ c ρ關製作高Ν α折射式G & Ν微透 鏡之製作流程圖。 〇 第六圖係習知一種以灰階玻璃光罩製作高n 微透鏡之製作流程圖。 f七圖係本發明高數值孔徑微透鏡之製作流程方塊圖。 第八圖係本發明之玻璃光罩示意圖。 f九圖係本發明之以侧光阻塗佈於載玻片示意圖。 第十圖係本發明之曝光示意圖 第十一圖係本發明之顯影後結構示意圖。 ^十二圖係本發明之光阻以烤箱烘烤示意圖。 C/ 第十三圖係本發明之光阻層高溫熱溶後得微透鏡玻璃光 罩結構示意圖。 第十四圖係本發明之以微透鏡玻璃光罩結構曝光示音 圖。 ^ 第十五圖係本發明之光阻顯影後形成高ΝΑ微透鏡陣列結 構不意圖。 第十六圖係本發明之高ΝΑ微透鏡陣列結構之於 電鑄形成一模具示意圖。 、 第十七圖係本發明之高ΝΑ微透鏡陣列結構之模仁示意 12 200839299 圖。 【主要元件符號說明】 【習知】 1 1 凸模 2 玻璃 3 模具 4 透鏡材料 5 透鏡 6 玻璃光罩 6a 7 光阻圖案 基板 7a 折射式微透鏡 8 灰階光罩 9 基板 9 a 繞射式高NA微透鏡 【本發明】 10 玻璃光罩 11 圓形圖案 20 載玻片 30 光阻層 31 圓柱狀結構 40 烤箱 50 微透鏡光罩 60 底材 61 光阻薄膜 70 高NA微透鏡陣列結構 71 導電膜 80 模具 90 高NA微透鏡陣列結構模仁 13

Claims (1)

1. 200839299 十、申請專利範圍： 1、一種高數值孔徑微透鏡與其陣列之製法，係包含 下列步驟： a、 微透鏡玻璃光罩之預備步驟：準備一玻璃光罩及塗 佈有正光阻之-載玻片，該載玻片上係形成一光阻層，該 玻璃光罩可提供遮蔽紫外線光源的完全照射，且該玻璃光 罩上具單一或陣列之不透光之圓形圖案； b、 微影成型步驟：將該玻璃光罩放置於旋塗有光阻層 (之載玻片上，再利用紫外光進行曝光後施予顯影，當紫外 光經過該玻璃光罩照射至該光阻層上，受到光照射部分之 光阻會溶於顯影液中，即光阻不照光之部分會形成一圓柱 狀結構； 二光阻熱熔（Refl〇w 〇f ph〇t〇resist)步驟：將該 具有圓柱狀結構之載玻片送入於烤箱或置於熱板上，以超 過該光阻層之玻璃轉換溫度予以高溫加熱，其加熱溫度依 不同光阻材料之光阻層而有所差異，使得該光阻層之表面 J能量趨近於最小，而形成近似球面的形狀，如此，即完成 一微透鏡玻璃光罩； d、高NA值微透鏡陣列之預備步驟：準備一塗佈較厚之 正光阻材料之底材與該微透鏡光罩，利用該微透鏡光罩作 為遮蔽紫外線光源的完全照射，該底材係以預定轉速均勻 旋，於其表面上，並以預定轉速進行旋塗製程，並獲得一 預疋膜厚之光阻薄膜，該光阻薄膜再利用烤箱進行軟烤； e、微影成型步驟：以近紫外光之光罩對準該微透鏡光 14 200839299 . 罩進行曝光製程後施予顯影，再經硬烤，即於該底材之光 阻薄膜上形成相對之透鏡陣列，如此即完成一高NA微透鏡 陣列結構； f、 導電層成型步驟：在該高NA微透鏡陣列結構表面 錢錢（Stupper) —層導電膜； g、 複製翻模步驟：於該導電膜上電鑄形成一模具，並 可再翻印出另一相對之高NA微透鏡陣列結構模仁，以便日 後微透鏡結構可被大量複製，而達到量產的效用。 ( 2依申请專利範圍第1項所述之高數值孔徑微透鏡 …、陣列之製法中該玻璃光罩設計上，其相鄰圓形圖 案間之間距需大於光穿透透鏡後之發散角。 3、依申請專利範圍第丨項所述之高數值孔徑微透鏡 與其陣列之製法，其中該載玻片上係採用az4㈣正光阻材 料旋塗於該載玻片上。 4依申明專利範圍第1項所述之高數值孔徑微透鏡 …、陣W之製法’纟中該步驟b之玻璃光罩以近紫外光為 350nm 400nm之光罩進行曝光製程，並經顯影3〜5分鐘。 5依申睛專利範圍第1項所述之高數值孔徑微透鏡 :、:八陣歹!，製法’其中該步驟e具有圓柱狀結構之載玻片 ^於烤粕或置於熱板之加熱溫度大約在100〜300°C間。 斑呈1、依申請專利範圍第1項所述之高數值孔徑微透鏡 ”二!5列之製法，其中該底材係採用AZ462〇正光阻材料以 員定轉速均勻旋塗於其表面上，並以兩段轉速分別為 15 200839299 150rpm、lOsec 與 60〇rpra、私、★一 ^ m m ^ on v進行旋塗製程，並獲得平 均膜厚約20// m光阻薄膜。 又行十 7、 依申請專利範圍第1 _ 與其陣列之製法，其中該底材係為晶數值孔徑微透鏡 8、 依申請專利範圍笫β 項所述之而數值孔徑微透镑 qn〇p , yV^ 以先阻薄膜再利用烤箱以參數為 9 0 C、4分鐘進行軟烤。 Γ λ甘!依申明專利範圍第1項所述之高數值孔徑微透鏡 …、陣列之製法，其中該步驟e之微透鏡光罩以近紫外光 為350nm〜400nm之光罩進行曝光製程。 10依申清專利範圍第9項所述之高數值孔徑微透 鏡與其陣列之製法，其中，該微透鏡光罩並經顯影3〜5分 鐘0 1、依申請專利範圍第g項所述之高數值孔徑微透 鏡與其陣列之製法，其中，該微透鏡光罩再經硬烤12〇。〇、 5分鐘。 16