TWI770705B - 在半導體基板上以微影製程形成光學結構之方法 - Google Patents

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Abstract

一種在半導體基板(102)上以微影製程形成一光學結構(120)之方法，其中要形成的該光學結構(120)沿該基板(102)的該區域之一或多個第一子區域(A1 )延伸，該方法包括：提供一半導體基板(102)；在該半導體基板(102)的初始表面(151)上塗抹一層光阻(150)；用曝照光對該光阻(150)進行曝光，然後對該光阻(150)進行顯影，其中該曝照光的劑量沿該基板(102)的該區域變化，以使得在顯影之後，該光阻的剩餘層具有光阻浮雕輪廓，其在該一或多個第一子區域(A1 )內類似於要形成的該光學結構(120)，並且在該一或多個第一子區域(A1 )之外的一或多個第二子區域(A2 )中，其在該半導體基板(102)的該初始表面(151)上之高度超過該一或多個第一子區域(A1 )內該光阻(150)的剩餘層之最大高度；蝕刻該光阻(150)和該半導體基板(102)，以將該光阻浮雕輪廓轉移到該半導體基板(102)中，以在該半導體基板(102)的該一或多個第一子區域(A1 )中獲得該光學結構(120)，並在該半導體基板的該一或多個第二子區域(A2 )中獲得一支撐結構(122)。

Description

在半導體基板上以微影製程形成光學結構之方法
本發明係關於一種在半導體基板上以微影製程形成光學結構之方法。
光學結構，特別是具有結構特徵在μm範圍內的微光學結構，可用於包括一或多個雷射，特別是一或多個垂直腔表面發射雷射（Vertical cavity surface-emitting laser，VCSEL）的雷射配置中。這種雷射配置可用於照明裝置，特別是用於紅外照明。發射短光脈衝的VCSEL陣列可應用於飛行時間應用中，這種應用包括例如可攜式裝置的近距離手勢辨識和3D空間辨識。該光學結構可調適成在目標場景中提供期望的照明場。
VCSEL或VCSEL陣列通常包括半導體基板，也稱為晶圓，在其上磊晶生長VCSEL或VCSEL陣列的層結構。如果將VCSEL或VCSEL陣列配置為底部發射器，即通過半導體基板發光，則基板相對於VCSEL層結構的一側可設置光學結構。這種光學結構用於將VCSEL或VCSEL陣列的發光塑造為期望的照明場。例如，取決於要獲得的期望光束塑型效果，光學結構可包括一或多個具有正或負折射率的透鏡、一或多個繞射元件、一或多個漫射或散射元件等。
期望將光學結構直接整合到VCSEL或VCSEL陣列的半導體基板中，而不是通過施加諸如可固化樹脂的額外材料或將作為單獨部分生產的光學結構連接至基板，來形成光學結構。作為用於VCSEL晶圓的典型半導體材料，例如GaAs，在相關波長範圍內，特別是在紅外波長範圍內至少部分透明，有利的是形成直接整合在半導體基板中的光學結構。
光學結構可具有在沿光學結構的峰和谷之間呈現出較大高度差的表面拓撲或輪廓。高度差可大至數μm或甚至超過10μm。這些大高度差使得難以在半導體基板中以微影製程形成光學結構，因為要形成的光學結構表面輪廓的大高度差可能需要將厚光阻層施加到初始半導體基板上。厚光阻層可能導致氣泡形成，特別是在光阻層的上部區域。在隨後的蝕刻處理中，在光阻曝光之後，這些氣泡也可能轉移到半導體基板中，從而導致最終光學結構表面粗糙，進而可能導致光學結構所需的光學功能變差，並造成大量散射損失。
此外，當將光學結構整合到VCSEL裝置中時，該裝置可能會經歷諸如晶圓級測試、切割等的後續處理步驟。在這些後續處理中，光學結構可能會因與例如晶圓級測試儀或取放工具的硬表面機械接觸而引起的刮擦而損壞。
如此，需要一種在半導體基板上以微影製程形成光學結構之改良方法。
US 6,071,652 A揭示用於產生光學元件的灰階遮罩。直接接觸或近接曝光用於將真實的灰階圖案轉移到光阻上，然後蝕刻光阻，從而在其中形成期望的圖案。然後，將已蝕刻光阻用於微影蝕刻製造光學元件本身或主板元件。
本發明目的為提供一種在半導體基板上以微影製程形成光學結構之方法，使得所得到的光學結構呈現出光滑表面並因此具有期望的光學性能。
本發明進一步目的為提供一種在半導體基板上以微影製程形成光學結構之方法，從而保護該光學結構免受可能的損壞。
根據本發明的態樣，提供一種在半導體基板上以微影製程形成光學結構之方法，其中要形成的光學結構沿該基板區域的一或多個第一子區域延伸，該方法包括： 提供一半導體基板； 在該半導體基板的初始表面上塗抹一層光阻； 用曝照光對光阻進行曝光，然後對該光阻進行顯影，其中該曝照光的劑量沿基板區域變化，以使得在顯影之後，該光阻的剩餘層具有光阻浮雕輪廓，其在一或多個第一子區域類似於要形成的光學結構，並且在該一或多個第一子區域之外的一或多個第二子區域中，其在該半導體基板初始表面上的高度超過該一或多個第一子區域內光阻剩餘層的最大高度； 蝕刻該光阻和該半導體基板，以將該光阻浮雕輪廓轉移到該半導體基板中，以在該半導體基板的該一或多個第一子區域中獲得該光學結構，並在該半導體基板的該一或多個第二子區域中獲得一支撐結構。
在根據本發明的方法中，該光阻以與在不形成該光學結構的一或多個子區域中劑量不同的劑量，暴露在將要形成該光學結構的該半導體基板之一或多個子區域中。在一正光阻的情況下，該曝照光劑量在要形成該光學結構的一或多個子區域中比在不形成該光學結構的一或多個子區域中更高。在一負光阻的情況下，該曝照光劑量在要形成該光學結構的一或多個子區域中比在不形成該光學結構的一或多個子區域中更低。在不形成該光學結構的一或多個第二子區域中，可選擇曝照光的劑量，使得在該光阻顯影之後，光阻層的剩餘厚度至少等於，較佳大於在一或多個第一子區域中的厚度。在該（等）第一子區域中，該光阻層的上部區域在蝕刻轉移之前已完全顯影並去除，從而形成光滑的光學表面。
因此，在根據本發明的方法中，在顯影之後（另包括去除在顯影之後可去除的光阻部分），在該光阻剩餘層的下部已產生要形成的光學結構前體。這進而使得可使用幾微米或甚至大於10微米厚的光阻層，從而可通過根據本發明的方法形成在光學結構輪廓中具有大高度差之光學結構。在厚光阻層中，該光阻中可能存在氣泡。然而，這樣的氣泡具有聚集在光阻上部區域中的趨勢，而該光阻層下部區域大部分維持無氣泡。由於待形成的光學結構前體在光阻層的下部區域中顯影，因此該光學結構的前體完全或至少大部分沒有氣泡，並具有光滑的表面。
在將剩餘光阻的浮雕輪廓蝕刻轉移到半導體基板中之後，在該半導體基板中因此獲得具有光滑表面的光學結構，並且在該光阻顯影之後在該光阻層上部區域中可能存在的任何氣泡也可轉移到半導體基板中，但是僅轉移到形成光學結構的該（等）子區域之外的該（等）子區域中。
在將剩餘光阻的浮雕輪廓蝕刻轉移到半導體基板中之後，半導體基板將呈現出基板材料過量，例如呈現柱、脊等形狀，其超過所形成的光學結構之最高高度，並且這些過量的基板材料在光學結構之外的該（等）子區域中形成一支撐結構。由此形成的光學結構被掩埋在半導體基板中，並由超過光學結構最高表面高度的支撐結構包圍。支撐結構適合於保護光學結構免受機械損壞。由於支撐結構不具有任何光學功能，因此支撐結構的表面粗糙度並不是缺點。
因此，根據本發明的方法使得能夠在具有光滑表面和良好光學性能的半導體基板中的表面拓撲內形成具有大高度差之光學結構。同時，根據本發明的方法使得能夠形成用於保護光學結構免受機械損壞之支撐結構。
在附屬請求項內指出根據本發明方法之較佳具體實施例。
在一個具體實施例中，要形成的光學結構可具有浮雕輪廓，該浮雕輪廓具有在浮雕輪廓的最高點和最低點間之最大高度差，其中施加到半導體基板表面的光阻層厚度大於該最大高度差與光阻蝕刻速率與半導體基板蝕刻速率之間比率之乘積。
在此具體實施例中，考慮到半導體基板和光阻不同的蝕刻速率或蝕刻敏感性，來設置光阻層的厚度。蝕刻選擇性取決於所選擇的蝕刻處理，例如，光阻的蝕刻速率與半導體基板的蝕刻速率間之比率可為1：1.25。例如，如果要形成的光學結構的浮雕輪廓中之最大高度差為例如12 µm，則選擇施加到半導體基板表面的光阻層厚度為至少9.6 µm。
施加在半導體基板表面上的光阻層厚度可比上述乘積大1.01至1.5倍。在前述範例中，施加在基板初始表面上的光阻層可具有12 µm的厚度。
為了使根據本發明的方法起作用，要形成的光學結構的浮雕輪廓之最大高度差可大於5 µm。尤其是，要形成的光學結構的浮雕輪廓之最大高度差可大於10 µm，並且可大於20 µm。根據本發明的方法允許在具有良好光學性能的光學結構之表面拓撲中，形成具有如此大高度差的光學結構。
此外，在光阻顯影之後，在半導體基板初始表面上的一或多個第二子區域中的光阻浮雕輪廓之高度可超過一或多個第一子區域中光阻層最大高度的1.001到1.5倍。在將光阻浮雕輪廓轉移到半導體基板中之後，如此產生充分保護光學結構免受機械損壞的一支撐結構。
在根據本發明的方法中使用之光阻可為正光阻或負光阻。在正光阻的情況下，在一或多個第二子區域中曝照光的劑量最低或為零。如果光阻為負光阻，則在一或多個第二子區域中曝照光的劑量最高。在這兩種情況下，在光阻顯影之後，第一子區域中剩餘的光阻厚度至少與第二子區域中的厚度一樣大，較佳大於第二子區域中的剩餘光阻厚度。
如果使用正光阻，則曝照光的劑量可沿一或多個要形成光學結構的第一子區域變化，範圍為最大曝光劑量的5％至100％，或10％至100％，或20％至100％，或30％至100％。
在負光阻的情況下，曝照光的劑量可沿一或多個第一子區域變化，範圍為最大曝光劑量的0%至95%，或0%至90%，或0%至80%，或0%至70%。
如上所述，較佳為，如果選擇第一子區域中的曝照光劑量，如此在光阻層下部區域中產生已顯影光阻浮雕輪廓中光學結構的前體，在此不大可能存在氣泡。
光阻的曝光可用灰階遮罩來執行。
半導體基板可包括III-V族化合物半導體。
III-V族化合物半導體可為GaAs，或特別適合於VCSEL晶片的基板之任何其他化合物半導體。
要根據本發明方法形成的光學結構可包括一或多個折射結構元件，例如透鏡或透鏡小切面，或一或多個繞射結構元件，例如一或多個光柵，或一或多個漫射或散射結構元件。
光學結構可包括透鏡陣列，這樣的透鏡陣列適合於包括多個VCSEL的VCSEL陣列。
如上所述，該半導體基板可包括一或多個垂直腔表面發射雷射，其形成於基板上與要形成光學結構的一側相對之側邊上。以這種方式，可將VCSEL或VCSEL陣列形成配置為底部發射器，其中通過該半導體基板發出雷射光。
圖1顯示VCSEL 100的剖面，VCSEL 100包括一基板102。基板102可包括半導體材料，特別是III-V族化合物半導體，特別是砷化鎵（GaAs）。在基板102的一側上，VCSEL 100可包括光學共振器，其包括第一分佈式布拉格反射器（Distributed Bragg reflector，DBR）104、主動層106和第二DBR 108。第一DBR 104、主動層106和第二DBR 108可包括形成VCSEL 100的層結構之許多層。第一DBR 104佈置在基板102上，並且主動層106夾在第一DBR 104與第二DBR 108之間。第一DBR 104和第二DBR 108可包括具有不同折射率的多個層配對，以提供反射率。主動層106可包括一或多個量子阱層。由DBR 104和108以及主動層106形成的光學共振器之特徵在於台面結構，其向下蝕刻到第一DBR 104的中間層。第二DBR 108由電接點110覆蓋，以接觸VCSEL 100。另一接點112提供與基板102電接觸。電接點112通過電隔離器114與第一DBR 104分離。電搭接件116導電連接至電接點112。
在基板102與佈置共振器104、106、108的一側相對之一側上，基板102包括-與基板102材料整合在一起的-光學結構120。下面將描述一種形成與基板102整合的光學結構120之方法。
光學結構120沿著基板102中區域A的第一子區域A1 延伸。在圖1的具體實施例中，第一子區域A1 是在第一子區域A1 之外被第二子區域A2 圍繞的單一子區域。支撐結構122形成於第二子區域A2 中。如圖1所示，支撐結構122的高度位準HS 至少為光學結構120的最大高度位準HO 之高度，較佳則超過此位準。光學結構120因此被「掩埋」在基板102中並且被支撐結構122圍繞。支撐結構122避免或至少降低光學結構120可能遭機械損壞的風險，例如刮傷。支撐結構122與光學結構120以相同的方法形成，如下所述。
VCSEL 100是所謂的底部發射器，即在光學共振器104、106、108中發出的雷射光透射過基板102以及整合在基板102中的光學結構120，如箭頭124所示。
圖1的具體實施例中之光學結構120可包括單一折射結構元件，例如透鏡。在其他具體實施例中，光學結構120可配置為繞射結構或漫射器。
圖2顯示VCSEL陣列100的具體實施例。與圖1中VCSEL 100的元件相同、相似或相當的VCSEL陣列100之元件用與圖1中相同的參考編號表示。只要以下沒有另外說明，圖1的描述也適用於圖2。
VCSEL陣列100包括在共用基板102上的多個VCSEL或台面126。類似於圖1中的具體實施例，基板102由半導體材料製成，特別是III-V族化合物半導體材料。基板102可包括GaAs。
基板102包括與多個台面126相關聯的光學結構120（與基板102整合在一起）。在圖2中，顯示四個台面126，並且光學結構120包括四個光學結構元件，例如分別與台面126之一相關聯的透鏡。
光學結構120沿著多個子陣列A1 延伸，並且由佈置在多個子區域A2 中的支撐結構122圍繞。儘管圖2顯示在子區域A1 之外所有子區域A2 中的支撐結構122，但是應當理解，支撐結構122可存在於並非所有子區域A2 中。
在圖2中，僅顯示電接點110，而在圖2中未顯示另外的電接點112、116。
請參考圖3，一種方法200在半導體基板內，諸如圖1和圖2內的半導體基板102，以微影製程形成光學結構，諸如圖1和圖2內的光學結構120。稍後將參考圖4至圖8來說明進一步細節。
在S2上，提供半導體基板。半導體基板具有較佳為平面的初始表面。半導體基板可包括GaAs。如下所述處理半導體基板的初始表面，以便在半導體基板中形成光學結構。
在S4上，在該半導體基板的初始表面上塗抹一層光阻。該光阻可為市面上販售的光阻。光阻可為正光阻或負光阻。正光阻的例子為PMMA、S1800、SPR-220或ma-P1200。負光阻的例子為SU-8、KMPR®、UVN-30、ma-N 1400、ma-N 2400。對於本方法，較佳使用在紫外線波長範圍內感光的光阻。
根據要形成的光學結構之層厚度，將光阻層塗抹到半導體基板的初始表面上。特別是，光阻層的厚度可與要在浮雕輪廓的最高點與最低點之間形成的光學結構浮雕輪廓之最大高度差有關。在圖1中，最大高度差用HD 表示，其為在此簡單範例中形成光學結構120的透鏡頂點與透鏡邊緣間之高度差。如果光學結構具有更複雜的浮雕輪廓，如下面參考圖4和圖5所述，則光阻層的厚度較佳另與浮雕輪廓的最高點與最低點間之最大高度差有關。施加到半導體基板表面上的光阻層厚度可特別大於所述最大高度差與所使用光阻和蝕刻處理中半導體基板的蝕刻速率或蝕刻靈敏度間之比率的乘積。
作為範例，對於光阻蝕刻速率與半導體基板蝕刻速率之比為1：1.25，且浮雕輪廓的最高點與最低點間之最大高度差為12 µm，則光阻層厚度可選擇為至少9.6 µm，並且可選擇大於該值，例如倍數在1.01到1.5之間。
待形成的光學結構浮雕輪廓之最高點與最低點間之最大高度差可在5 µm至20 µm的範圍內，或甚至大於20 µm。
在S6上，光阻暴露在曝照光之下。曝照光可以是由合適光源提供的紫外線（Ultraviolet，UV）輻射。曝照光的劑量沿著基板（例如，圖2中的基板102）的區域（例如，圖2中的區域A）變化。曝照光的劑量係指到達光阻層表面的曝照光之量或強度。
可通過使用灰階遮罩來執行光阻的曝光，該灰階遮罩沿著基板區域提供曝照光的劑量變化。灰階遮罩的光密度沿遮罩區域變化。沿著遮罩區域位置處的光密度為通過此位置處遮罩的光透射率之度量。
曝照光劑量根據要形成的光學結構浮雕輪廓，沿著基板區域變化。在正光阻的情況下，沿著基板區域特定位置處較高劑量的曝照光導致在該位置處光阻顯影之後去除大量光阻，反之亦然。在負光阻的情況下，此效果相反。
在正光阻的情況下，曝照光的劑量在半導體基板要形成支撐結構而不形成光學結構的子區域中可為最低或為零。在負光阻的情況下，曝照光的劑量在半導體基板要形成支撐結構而不形成光學結構的一或多個子區域中為最高。
在要形成光學結構的一或多個子區域中，曝照光的劑量在正光阻的情況下，可在最大曝光劑量的5％至100％的範圍內，或在10％至100％的範圍內，或在20％至100％的範圍內，或在30％至100％的範圍內。最大曝光劑量可為將光阻層向下曝光至或接近光阻層下表面所需之劑量。
在負光阻的情況下，則曝光劑量可沿一或多個要形成光學結構的子區域變化，範圍為最大曝光劑量的0%至95%，或0%至90%，或0%至80%，或0%至70%。
在S8上，使用本領域已知的顯影劑，對已曝光的光阻進行顯影。應理解顯影係包含去除曝光後可去除，例如可溶的光阻部分。
已曝光的光阻顯影會導致光阻層的浮雕輪廓，這是在曝光過程中曝照光劑量沿基板區域變化的結果。在要形成光學結構的一或多個第一子區域中，浮雕輪廓類似於要形成的光學結構。「類似於」應理解為在顯影之後殘留的光阻浮雕輪廓為要形成的光學結構浮雕輪廓之前體。這可包含已顯影光阻浮雕輪廓與要形成的光學結構相同或僅相似。「相似」包含已顯影光阻浮雕輪廓可具有與要形成的光學結構浮雕輪廓相同之形狀，但是在光學結構的峰和谷間之高度差方面與之不同。
已顯影光阻浮雕輪廓在要形成光學結構的一或多個子區域之外的一或多個第二子區域中，具有高出半導體基板初始表面的高度位準，其等於或超過在要形成光學結構的一或多個子區域中光阻層的最大高度。換句話說，光阻層的剩餘厚度在半導體基板將要形成支撐結構的區域之一或多個子區域中最高。
在S10上，蝕刻預先顯影的光阻剩餘層和半導體基板。可通過精通技術人士已知適合於蝕刻光阻和半導體基板的任何蝕刻處理來執行蝕刻。通過蝕刻處理，將已顯影之光阻剩餘層的浮雕輪廓轉移到半導體基板中，以在半導體基板將要形成光學結構的一或多個子區域內獲得光學結構，以及在要形成光學結構的一或多個子區域之外的剩餘子區域中獲得支撐結構。如果在第一子區域中已顯影光阻層的浮雕輪廓與要形成光學結構的浮雕輪廓不相同，則光阻和半導體基板不同的蝕刻速率或蝕刻選擇性會將光阻浮雕輪廓轉移到半導體基板內，如此獲得期望的光學結構浮雕輪廓，也獲得峰到谷高度差。例如，如果半導體基板的蝕刻速率高於光阻中的蝕刻速率，則當轉移到半導體基板時，會放大已顯影光阻浮雕輪廓內的高度差。
視需要，可在形成光學結構的最終表面上沉積抗反射塗層。
通過上述方法獲得的支撐結構超過光學結構浮雕輪廓的最高位準，使得該光學結構掩埋在半導體基板中並且被支撐結構的更高材料過量物所包圍，例如脊部。
請參考圖4至圖8，將給出上述方法200的範例，其進一步闡明在半導體基板中以微影製程形成光學結構之方法200。
圖4顯示具有與光學結構120和支撐結構122整合的半導體基板102之俯視圖。圖5顯示包含光學結構120和支撐結構122的半導體基板102之示意側視圖。
在本範例中，光學結構120包括光學結構元件的陣列，其在圖4和圖5中用參考編號1、2、…、10來標示。在此範例中，光學結構元件1至10設置成傾斜的圓柱透鏡。如圖所示，光學結構元件1至10的形狀在元件1至10之間可以不同。
圖4和圖5顯示具有x軸、y軸和z軸的笛卡爾座標系統。光學結構元件1至10具有在x軸方向、在y軸方向和在z軸方向上的延伸。VCSEL的陣列（未顯示）可與基板102相關聯，如以上參考圖2所述。光學結構元件1至10可與VCSEL陣列的VCSEL相關聯。光學結構元件1至10可與VCSEL陣列的VCSEL以1：1關係相關聯。因此，在此範例中，VCSEL陣列可包括10個VCSEL。
圖5中的箭頭140指示在VCSEL陣列的操作中，通過包含光學結構120的基板102之光傳播方向。
圖5顯示光學結構120和支撐結構122的浮雕輪廓。沿z軸方向，光學結構120的浮雕輪廓在峰和谷之間具有變化的高度差，其中最高峰（在元件1和10處）略低於位準142，而最低谷（在元件1和10處）在位準144上。位準142是基板102的表面最上部。如圖5中可見，在此範例中，光學結構元件1和10具有大約11.5 µm的最大高度差。
光學結構120的光學結構元件1至10佔據半導體基板102的總面積之第一子區域。支撐結構122佔據第一子區域之外基板102的總面積之第二子區域。支撐結構122包括在圖5中用參考編號21、22、…、26標示的支撐結構元件。支撐結構元件122設置為脊部，其在光學結構元件2和3、4和5、6和7、8和9之間並且在光學結構元件1的左側和光學結構元件10的右側上。支撐結構122還可往x方向存在於基板102的邊緣處。
如圖5中可見，支撐結構元件21至26具有沿基板102的最高高度位準，就是位準142，即基板102的頂面。光學結構120因此被掩埋在基板102中並且被支撐結構122圍繞。
以下，參照圖6至圖8，將描述在可為GaAs基板的半導體基板102中形成光學結構120之過程。關於步驟S4至S10也請參考圖3。在圖7和圖8中，僅顯示光學結構元件1至6。圖6至圖8與圖4和圖5不成比例。
在圖6中，並且如以上關於圖3在S4處所述，將光阻層150施加到基板102的初始表面151上。在圖6中，虛線152例示光阻層150的頂面。
在圖4和圖5的當前範例中，其中要形成光學結構120的浮雕輪廓之最高峰與最低谷之間的高度差為約11.5 µm，可如下選擇光阻層的厚度T。可以假設光阻150的蝕刻速率或靈敏度與半導體基板的蝕刻速率或靈敏度之比為1：1.25。光學結構120的浮雕輪廓之最大高度差與上述蝕刻速率比的乘積，提供約9 µm的光阻層150之最小厚度。較佳是，選擇厚度T大於此乘積。厚度T可選擇為例如比前述乘積大3 µm，使得在此範例中，光阻層150的厚度T可選擇為大約12 µm。
如圖6所示，光阻層150如此大的厚度T可導致在光阻層150的上部區域中形成氣泡154。圖6另顯示要形成光學結構120的第一子區域A1 ，以及不形成光學結構而是形成支撐結構122的第二子區域A2 。可以看出，氣泡154可存在於第一子區域A1 和第二子區域A2 中。
根據圖3中的S6，光阻由圖6中一些箭頭所示的曝照光156所曝光。該曝照光可為UV光。應當理解，沿著光阻層150的整個表面152施加曝照光。圖6中箭頭156的不同寬度例示出不同劑量的曝照光，從而指示沿著光阻層150的表面152之曝照光的劑量變化。箭頭越寬，曝照光的劑量越高。光阻150的曝光可透過灰階遮罩來執行，如上所述。
對於以下描述，假設光阻150為正光阻。根據以下描述，對於精通技術人士而言，如果使用負光阻必須如何修改該方法將是顯而易見的。
在其中要形成光學結構120的第一子區域A1 中，曝照光的劑量可在最大曝光劑量的5％和100％之間變化。在此，最大曝光劑量（100％）是在顯影光阻150之後，導致光阻向下完全去除到基板102的表面151之曝光劑量。在第二子區域A2 中，曝照光的劑量最低，例如為零。
接下來，當顯影光阻150時（圖3中的S8），光阻150的剩餘層呈現出浮雕輪廓，如圖7所示。在第一子區域A1 中，剩餘光阻150的浮雕輪廓類似於要在半導體基板102內形成的光學結構120之浮雕輪廓，因此為要形成的光學結構120之浮雕輪廓的前體。然而，光阻浮雕輪廓中的峰與谷間之高度差可不同於要形成的光學結構浮雕輪廓中的峰與谷間之相應高度差，特別是更低。在第二子區域A2 中，以低於子區域A1 中最低曝光劑量的劑量來曝照光阻150，例如以低於5％或甚至0％的劑量，顯影之後剩餘光阻150的浮雕輪廓呈現出光阻層的最大剩餘厚度，其可與光阻曝光之前的原始厚度T一樣大。
在第一子區域A1 中，剩餘光阻厚度不高，甚至比第二子區域A2 中的還低，例如在上述範例中0 µm至9 µm之間的範圍內，而在此範例中，第二子區域A2 內光阻層的剩餘厚度等於或大於9 µm。第二子區域A2 中剩餘光阻150的厚度可比第一子區域A1 中的厚度大1.001至1.5倍。
從圖7與圖6的比較可看出，在對光阻150進行曝光和顯影之後，通過去除這些子區域中光阻150的上部區域，來去除第一子區域A1 中的氣泡。因此，在子區域A1 中，剩餘的光阻層150具有光滑表面。換句話說，由於光學結構的前體產生於光阻層150的下部區域中，因此至少大部分消除了該前體中存在氣泡的風險。
根據圖3中的S10，接著將光阻層150中剩餘的光阻浮雕輪廓蝕刻轉移到半導體基板102中，從而形成掩埋的光學結構元件1、2、…、6和支撐結構122，如圖8所示。
在圖7中光阻150的剩餘層之浮雕輪廓蝕刻轉移之後，如圖8所示，光學結構元件1至6整合在基板102中產生。由於光阻與基板102的半導體間之蝕刻選擇性，該蝕刻轉移會導致光學結構120的浮雕輪廓中預定之全高差。圖7中的虛線表示半導體基板102的初始表面151。
圖8所示的光學結構元件1至6具有光滑的表面，並且沒有氣泡。僅在形成支撐結構122的子區域A2 中，氣泡154可能已經從光阻150轉移到半導體基板102中。因此，如圖6所示，如果在光阻層150的上部區域中存在氣泡154，則其將僅影響支撐結構122的表面粗糙度，而不會影響光學結構120的光學品質。
1-10:光學結構元件 21-26:支撐結構元件 100:垂直腔表面發射雷射（ VCSEL） 102:基板 104:第一DBR；共振器 106:主動層；共振器 108:第二DBR；共振器 110:電接點 112:接點 114:電隔離器 116:電搭接件；電接點 120:光學結構 122:支撐結構元件 124、140:箭頭 126:台面 142、144:位準 150:光阻層 151:初始表面 152:虛線 154:氣泡 156:曝照光 200:方法 A:區域 A1 :第一子區域 A2 :第二子區域 HD :最大高度差 HS :高度位準 Ho :最大高度位準 T:厚度
根據以下描述和附圖，其他特徵和優點將變得顯而易見。此後將參考圖式來說明本發明的具體實施例。於圖式中：
圖1顯示VCSEL的剖面原理圖；
圖2顯示VCSEL陣列的剖面圖；
圖3顯示在半導體基板中形成光學結構的方法之原理流程圖；
圖4顯示通過根據本發明方法形成的光學結構俯視圖；
圖5顯示整合到半導體基板中的圖4中光學結構之側視示意圖；
圖6顯示根據在半導體基板中形成光學結構的方法場，在其上施加有光阻層的半導體基板；
圖7顯示圖6中根據在半導體基板中形成光學結構的另一方法場，在光阻曝光與顯影之後於其上施加有光阻層的半導體基板；
圖8顯示圖6和圖7中將已顯影光阻層的浮雕輪廓蝕刻轉移到半導體基板中之後的半導體基板。
102:基板
150:光阻
151:初始表面
152:虛線
154:氣泡

Claims (14)

  1. 一種在一半導體基板(102)上以微影製程形成複數個光學結構(120)之方法，其中要形成的該等光學結構(120)沿該基板(102)的一區域(A)之一或多個第一子區域(A1)延伸，該方法包括：提供一半導體基板(102)；在該半導體基板(102)的初始表面(151)上塗抹一層光阻(150)；用曝照光(156)對該光阻(150)進行曝光，然後對該光阻(150)進行顯影，其中該曝照光(156)的劑量沿該基板(102)的該區域(A)變化，以使得在顯影之後，該光阻(150)的剩餘層具有光阻浮雕輪廓，其在該一或多個第一子區域(A1)內類似於要形成的該等光學結構(120)，並且在該一或多個第一子區域(A1)之外的一或多個第二子區域(A2)中，其在該半導體基板(102)的該初始表面(151)上之高度超過該一或多個第一子區域(A1)內該光阻(150)的剩餘層之最大高度；蝕刻該光阻(150)和該半導體基板(102)，以將該光阻浮雕輪廓轉移到該半導體基板(102)中，以在該半導體基板(102)的該一或多個第一子區域(A1)中獲得該等光學結構(120)，並在該半導體基板(102)的該一或多個第二子區域(A2)中獲得一支撐結構(122)，其中該等光學結構(120)設置成傾斜的圓柱透鏡，且該等光學結構(120)的形狀在相對應的元件之間不同；及其中要形成的該等光學結構(120)具有浮雕輪廓，該浮雕輪廓具有在該浮雕輪廓的最高點和最低點間之最大高度差，其中施加到該半導體基板(102)的該初始表面(151)之該光阻層(150)的厚度(T)，大於該最大高度差與該光阻(150)的蝕刻速率與該半導體基板(102)的蝕刻速率之間比率之乘積。
  2. 如請求項1所述之方法，其中施加在該半導體基板(102)的該初始表面(151)上之該光阻層的該厚度(T)比該乘積大1.01至1.5倍。
  3. 如請求項1或2所述之方法，其中該最大高度差大於5μm。
  4. 如請求項1所述之方法，其中在該光阻(150)顯影之後，在該半導體基板(102)的該初始表面(151)上的該一或多個第二子區域(A2)中該光阻浮雕輪廓之該高度超過該一或多個第一子區域(A1)中該光阻層(150)的該最大高度1.001到1.5倍。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該光阻(150)為一正光阻，並且該曝照光(156)的劑量在該一或多個第二子區域(A2)內為最低或為零。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該光阻(150)為一負光阻，並且該曝照光(156)的劑量在該一或多個第二子區域(A2)內為最高。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該曝照光(156)的劑量沿該一或多個第一子區域(A1)變化，範圍為該最大曝光劑量的5%至100%。
  8. 如請求項1所述之方法，其中該曝照光(156)的劑量沿該一或多個第一子區域(A1)變化，範圍為該最大曝光劑量的0%至95%。
  9. 如請求項1所述之方法，其中用一灰階遮罩執行該光阻(150)的曝光。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該半導體基板(102)包括一III-V族化合物半導體。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該半導體基板(102)包括GaAs。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該等光學結構(120)包括一或多個折射元件，或一或多個繞射元件，或一或多個漫射元件。
  13. 如請求項1所述之方法，其中，該等光學結構(120)包括透鏡的陣列。
  14. 如請求項1所述之方法，其中，該半導體基板(102)包括一或多個垂直腔表面發射雷射(100)，其形成於該基板(102)上與要形成該等光學結構(120)的一側相對之側邊上。
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