專利名稱：一種微光學(xué)透鏡的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微光學(xué)透鏡的制造方法，特別是一種可以一般半導(dǎo)體制作工藝制作的微光學(xué)透鏡，利于微光學(xué)或微光電系統(tǒng)整合的微光學(xué)透鏡制造方法。
背景技術(shù)：
如同一般平面光學(xué)系統(tǒng)，光的空間傳遞在平面微光學(xué)或微光電系統(tǒng)中同樣存在著發(fā)散、光軸對準(zhǔn)等問題；而光學(xué)器件的微型化更因接近系統(tǒng)波長而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的繞射效應(yīng)。以微光電系統(tǒng)常用之邊緣發(fā)射型半導(dǎo)體鐳射(Edge-EmittingLaser Diode)為例，其具有如圖1所示的活性區(qū)11，于YZ剖面呈現(xiàn)狹長狀的孔徑，造成相對較大的Z向遠(yuǎn)場發(fā)散角，不僅不利于空間傳遞，與波導(dǎo)(如光纖)間的耦合效率也不佳，也因此常需借助具有聚焦功能或光模態(tài)轉(zhuǎn)換(光束圓化)的光學(xué)器件以減少損耗。
于″PLC Hybrid Integration Technology and Its Appli-cation to PhotonicComponents″，IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics，vol.6，No.1，2000，pp.4-13中所述的光收發(fā)信器次模塊利用漸變式光波導(dǎo)達(dá)成修正光束模態(tài)以提升耦合效率的目的。但此方式牽涉較精細(xì)繁復(fù)的制作工藝，如漸變波導(dǎo)蝕刻、鐳射鏡面蝕刻、及二次磊晶(Epitoxy)等；其次，在此例中漸變式波導(dǎo)為直接附加于光發(fā)射組件(半導(dǎo)體鐳射)的光輸出端，造成對組件良好性能上的較大影響。而在U.S.Pat.No.5,963,577及6,160,672則揭示利用加置的光學(xué)器件(如球狀透鏡、圓柱狀透鏡等)于平面微光電系統(tǒng)的基板上，以達(dá)到提升耦合效率的目的。但此方式使用的光學(xué)器件尺寸都在數(shù)百微米以上，系統(tǒng)基板必須有相對應(yīng)尺寸的置放槽，如此增大了系統(tǒng)基板尺寸以及制備上的復(fù)雜度；再次，光學(xué)器件必須施以固定機(jī)制(如粘著劑)以增強(qiáng)系統(tǒng)的機(jī)械特性。于U.S.Pat.No.5,420,722中則揭示一個(gè)鐳射模塊，其利用一個(gè)微透鏡直立負(fù)載于光輸出端，達(dá)到修正光束模態(tài)的目的，但此例也需額外的固定機(jī)制，且單一組件的應(yīng)用必須在微透鏡搭載上后進(jìn)行切割。另外于U.S.Pat.No.5,646,928所揭示的光儲(chǔ)存讀取用的微光學(xué)讀寫頭中，利用半導(dǎo)體微機(jī)電制作，分別于硅(Si)基板表面形成所需光學(xué)器件，如Fresnel透鏡、分光器(Beam splitter)、反射器(Reflector)等，再將其舉立形成光軸平行基板的微光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)提供必要的支撐。但明顯的，除建置上的復(fù)雜性，此微系統(tǒng)機(jī)械及熱穩(wěn)定性為其應(yīng)用上的主要考慮。于U.S.Pat.No.5,079,130、5,225,935、5,286,338、5,298,366、5,324,623及6,249,034等皆揭示以高溫烘烤光阻使其形成微透鏡的方式或其衍生應(yīng)用，但所述的都是平面微透鏡(光軸垂直基板)，因此無法直接應(yīng)用于光軸平行基板的平面微光學(xué)或微光電系統(tǒng)，然而其利用光阻表面張力所制得的圓滑透鏡表面，確實(shí)可供改善光學(xué)系統(tǒng)耦合效率之用。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)仍有以下可供改進(jìn)之處1.制作工藝較為復(fù)雜。
2.需較大的光學(xué)器件，及增大系統(tǒng)基板尺寸才能達(dá)到提升耦合效率的目的。
3.無法直接應(yīng)用于光軸平行基板的平面微光學(xué)或微光電系統(tǒng)。
4.微透鏡與微光學(xué)系統(tǒng)整合時(shí)，大多需加上固定或支撐。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微光學(xué)透鏡的制作方法，以簡化微光學(xué)系統(tǒng)的建置。
微光學(xué)透鏡為直立式透鏡，其制作方法是利用于微光學(xué)或微光電系統(tǒng)的基板上(如半導(dǎo)體基板、玻璃基板)形成墻柱狀結(jié)構(gòu)，此墻柱狀結(jié)構(gòu)的高度定義出可形成微透鏡的高度，以高分子聚合物材料(如光阻)覆蓋后，利用柱底基板的側(cè)向蝕刻，使高分子聚合物膜懸附于墻柱狀結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，經(jīng)隔離制作工藝及適當(dāng)加熱處理，墻柱狀結(jié)構(gòu)側(cè)面懸附的高分子聚合物膜因表面張力內(nèi)聚，成一平凸透鏡狀。可結(jié)合墻柱狀結(jié)構(gòu)直接作為復(fù)合材質(zhì)微透鏡或利用蝕刻制作工藝拓印其形狀于墻柱狀結(jié)構(gòu)上形成單材質(zhì)微透鏡；也可控制墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)光阻的份量多寡以形成對稱或非對稱的微透鏡。
本發(fā)明通過墻柱狀結(jié)構(gòu)的高度定義出微透鏡的大小，而通過高分子聚合物膜的體積可定義出微透鏡的曲率半徑及厚度。換言之，本發(fā)明是通過熟知的半導(dǎo)體制作工藝，準(zhǔn)確控制直立式微透鏡形成的位置、尺寸及光軸高度，在積體化微光學(xué)或微光電系統(tǒng)的應(yīng)用上，可提供多透鏡組之一并成型及光軸自動(dòng)對準(zhǔn)能力。而通過半導(dǎo)體材質(zhì)的柱狀結(jié)構(gòu)，也可同時(shí)針對特定波長以下的波段提供濾除的效果，形成濾波微透鏡。
本發(fā)明所提出的微光學(xué)透鏡制作方法，與現(xiàn)有技術(shù)相互比較時(shí)，具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明的微光學(xué)透鏡可以一般半導(dǎo)體制作工藝制作。
2.本發(fā)明提供了較簡化的微透鏡與微光學(xué)系統(tǒng)的整合方式。
3.制造過程中可彈性控制操作條件以形成不同形狀與功能的微透鏡。


圖1為邊緣發(fā)射型半導(dǎo)體鐳射組件示意圖；圖2A～H為實(shí)施例一的階段制作工藝示意圖；圖3為實(shí)施例一形成的站立式微透鏡的立體示意圖；圖4A～F為實(shí)施例二的階段制作工藝示意圖；圖5A～H為實(shí)施例三的階段制作示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出了一種微光學(xué)透鏡的制造方法，可供制作積體化微光學(xué)或微光電系統(tǒng)。此微光學(xué)透鏡的制作方法是利用一般半導(dǎo)體制作工藝，包括于選定基板(如半導(dǎo)體基板、玻璃基板)上形成一個(gè)墻柱狀結(jié)構(gòu)，將高分子聚合物材料(如光阻)成膜懸附于其兩側(cè)，熱處理使高分子聚合物膜因表面張力內(nèi)聚而成平凸透鏡，以及利用蝕刻制作工藝拓印高分子聚合物透鏡于墻柱狀結(jié)構(gòu)上。而通過控制墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)的高分子聚合物膜體積，可形成對稱或非對稱的微光學(xué)透鏡。
以下利用三個(gè)實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的微光學(xué)透鏡制作方法，實(shí)施例中皆采用特定光阻、特定材質(zhì)的基板及墻柱狀結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明仍可適用于其它材料組合。于實(shí)施例一中，所制作的微透鏡為雙凸透鏡，其依使用的需求可為簡易的復(fù)合材質(zhì)(光阻與二氧化硅的組合)對稱/非對稱雙凸透鏡，或進(jìn)一步由蝕刻制作工藝形成穩(wěn)定性較高的單材質(zhì)(二氧化硅)對稱/非對稱雙凸透鏡。實(shí)施例二中，則以實(shí)施例一為基礎(chǔ)制作光電組件平臺(tái)搭載前置平凸透鏡，平臺(tái)約等高于透鏡中心以提供被動(dòng)對準(zhǔn)的機(jī)制，此實(shí)施例可視為本發(fā)明應(yīng)用于微光學(xué)/微光電系統(tǒng)的雛形。實(shí)施例三中，所制作的微透鏡為復(fù)合材質(zhì)雙凸透鏡，其墻柱狀結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體材質(zhì)(磷化銦)，兩側(cè)面各懸附光阻形成的平凸透鏡，光阻透鏡與半導(dǎo)體墻柱的接口則通過介電質(zhì)層提供抗反射機(jī)制，此實(shí)施例的復(fù)合透鏡通過半導(dǎo)體墻柱同時(shí)可達(dá)到濾光的效果。
實(shí)施例一如圖2A至H所示，雙凸微透鏡各個(gè)制作階段如下如圖2A及圖2B所示，利用蝕刻方式于硅基板20上形成二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)211。首先于硅基板20上利用快速化學(xué)汽相沉積形成適當(dāng)厚度(約30至60微米)的二氧化硅21，此厚度必須大于所設(shè)計(jì)的微透鏡高度(約25至55微米)，而二氧化硅的折射率約為1.45～1.47。為定義并形成柱狀結(jié)構(gòu)，于二氧化硅上必須施以蝕刻屏蔽22以定義柱狀結(jié)構(gòu)寬度，采用約5000埃的鉻膜或鎳鉻膜可以達(dá)到較佳的蝕刻屏蔽效果，利用感應(yīng)耦合電漿反應(yīng)離子蝕刻(Inductively CoupledPlasma-Reactive Ion Etching，ICP-RIE)高速蝕刻二氧化硅下可達(dá)100以上的蝕刻選擇比。鉻膜屏蔽的定義與形成可以通過一般微影制作工藝搭配金屬掀離或金屬蝕刻制作工藝達(dá)成，其寬度(約30至70微米)需較所設(shè)計(jì)的微透鏡厚度(約20至60微米)為大。在本實(shí)施例中，二氧化硅柱狀結(jié)構(gòu)的蝕刻采用C4F8/O2的氣體組成，蝕刻速率可達(dá)約0.3m/min，蝕刻深度為25至55微米，此值對應(yīng)所形成的微透鏡高度。在墻柱狀結(jié)構(gòu)形成后，即可進(jìn)行高分子聚合物材料成膜覆蓋，本實(shí)施例中采用Micro Resist Technology公司出品的ma-P系列光阻，以旋轉(zhuǎn)涂布方式施加于試片表面。圖2C所示的是經(jīng)光阻涂布后光阻23的分布剖面。通過微影制作工藝定義制作微透鏡所需光阻體積，光阻23顯影后如圖2D所示，為顯影后光阻231。這時(shí)如果對光阻進(jìn)行高溫(120℃以上)烘烤，光阻將因表面張力的作用與互成直角的附著面(二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)的上面、側(cè)面與底面)形成如圖2D’的剖面232。欲使光阻形成透鏡形式，必須使其僅具單一附著平面，而此雙凸透鏡所需要的是墻柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面。為使光阻脫離墻柱狀結(jié)構(gòu)的上面與底面，需分別利用干式與濕式蝕刻制作工藝。首先利用濕式蝕刻制作工藝對顯影后光阻231下方的二氧化硅作橫向蝕刻。本實(shí)施例中選擇稀釋HF水溶液(如1HF∶10H2O)或氧化層緩沖蝕刻劑(BOE)達(dá)成隔離光阻與二氧化硅于墻柱狀結(jié)構(gòu)底面的附著。經(jīng)此橫向蝕刻后的二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)212，如圖2E所示。為避免光阻于蝕刻時(shí)底部有脫離墻柱狀結(jié)構(gòu)側(cè)面的現(xiàn)象，于蝕刻前適度的高溫烘烤(約100℃)可提升光阻與墻柱狀結(jié)構(gòu)側(cè)面的附著性，改善整體硅晶圓上微透鏡制作的均勻性。接著利用干式蝕刻移除墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的光阻(上部光阻)。在本實(shí)施例中采用O2活性離子蝕刻(RIE)移除此上部光阻，由于光阻為利用旋轉(zhuǎn)涂布施加，柱狀結(jié)構(gòu)上方(尤其是接近邊角部分)的光阻相較于其它平面上的光阻薄很多，因此蝕刻后如圖2F所示，此時(shí)光阻已分隔于柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)，即分隔于柱狀結(jié)構(gòu)右側(cè)的光阻233與分隔于柱狀結(jié)構(gòu)左側(cè)的光阻234。在此步驟中，柱狀結(jié)構(gòu)上方光阻的移除的另一目的在于隔離左右兩側(cè)的光阻，以避免高溫烘烤時(shí)兩側(cè)光阻呈現(xiàn)不均或失控的狀態(tài)。因此上部光阻的移除可以進(jìn)行至達(dá)到此分隔效果即可，例如將邊角光阻完全削除即可，并不一定要全部移除上部光阻。另外，此上部光阻也可于形成如圖2D所示的微影制作工藝時(shí)利用曝光或較長的顯影時(shí)間移除。
經(jīng)上述制作工藝后光阻僅懸附于墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)，且各自獨(dú)立，為制作微透鏡的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。對此結(jié)構(gòu)于氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行150℃、10分鐘的烘烤，兩側(cè)光阻都因表面張力而內(nèi)聚成平凸透鏡狀，如圖2G所示，為右側(cè)光阻因表面張力而內(nèi)聚成平凸透鏡狀235與左側(cè)光阻因表面張力而內(nèi)聚成平凸透鏡狀236。上述條件下所獲得的兩側(cè)光阻平凸透鏡高為25～55微米、厚為10～30微米、曲率半徑約為12～40微米。此光阻平凸微透鏡的高、厚、與曲率半徑可通過控制光阻體積達(dá)到微光學(xué)/微光電系統(tǒng)的需求值。因此通過微影制作工藝控制兩側(cè)光阻體積可形成對稱或非對稱的復(fù)合雙凸微透鏡。
由于本實(shí)施例采用的ma-P系列光阻(Micro Resist Technology Co.，Ltd.)其折射率約為1.5～1.6，與二氧化硅的折射率1.45～1.47差異在10％以下，反射損耗約僅-26dB，因此可直接作為復(fù)合材質(zhì)的雙凸微透鏡。另外，ma-P系列光阻屬正光阻，在長時(shí)間受光使用上會(huì)有受催化的疑慮，因此可采用負(fù)光阻如ma-N系列(Micro Resist Technology Co.，Ltd.)或BPR-100(Shipley Co.，Ltd.)。其次，進(jìn)一步考慮熱穩(wěn)定性(如后段高溫制作工藝)及耐候性，可利用具橫向蝕刻能力(高等向性)、低蝕刻選擇比的干式蝕刻將光阻透鏡外型拓印于二氧化硅柱狀結(jié)構(gòu)上，形成如圖2H所示的二氧化硅單材質(zhì)雙凸透鏡213(已移除鉻膜)。此干式蝕刻需在很低或零射頻偏壓環(huán)境下，采用CF4/O2氣體組成，使得光阻與二氧化硅的蝕刻主要機(jī)制為化學(xué)分解，而非物理轟擊或化學(xué)沉積，如利用化學(xué)干式蝕刻設(shè)備(CDE，Chemical Dry/Downstream Etcher)；而通過CF4/O2的組成比例調(diào)整蝕刻選擇比，提供改變微透鏡曲率半徑的另一自由度。如圖3所示，硅基板上為本實(shí)施例所形成的站立式二氧化硅雙凸微透鏡31，其對圖1所示的橫向組件于Z向具有收斂或聚焦的效果。
實(shí)施例二如圖4A至四F所示，本實(shí)施例中，形成包含一個(gè)元件平臺(tái)及一個(gè)前置平凸微透鏡的微光電平臺(tái)的各個(gè)制作工藝階段如下如圖4B所示，利用蝕刻方式于硅基板40上形成二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)411及二氧化硅組件平臺(tái)412。首先于硅基板40上利用快速電漿增益化學(xué)氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)形成一個(gè)適當(dāng)厚度(約60微米)的二氧化硅41，如圖4A所示，此厚度必須大于所欲搭載的微透鏡高度(約50微米)，而二氧化硅的折射率約為1.45～1.47。于二氧化硅上先施以蝕刻屏蔽421以定義墻柱狀結(jié)構(gòu)寬，利用ICP-RIE蝕刻二氧化硅至約欲形成透鏡一半高度的深度(約25微米)后，再施以第二蝕刻屏蔽422以定義組件平臺(tái)大小，利用ICP-RIE繼續(xù)蝕刻二氧化硅至總蝕刻深度等于欲形成的透鏡高度(50微米)。蝕刻屏蔽421與422都采用約5000埃的鉻膜(或鎳鉻膜)以獲致較佳的蝕刻效果，其于ICP-RIE高速蝕刻二氧化硅下可達(dá)100以上的蝕刻選擇比。鉻膜屏蔽的定義與形成可以通過一般微影制作工藝搭配金屬掀離或金屬蝕刻制作工藝實(shí)現(xiàn)。在本實(shí)施例中，二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)及組件平臺(tái)的蝕刻采用C4F8/O2的氣體組成，蝕刻速率可達(dá)約0.3/min。
于墻柱狀結(jié)構(gòu)411及組件平臺(tái)412形成后，即進(jìn)行高分子聚合物材料成膜覆蓋，本實(shí)施例中采用Micro Resist Technology公司出品的ma-P系列光阻，以旋轉(zhuǎn)涂布方式施加于試片表面。圖4B示意經(jīng)光阻涂布后光阻分布的剖面43。通過微影制作工藝定義微透鏡所需光阻體積，光阻43顯影后如圖4C所示，為顯影后光阻431及432。欲使光阻可通過表面張力形成透鏡形式，必須使其僅具單一附著平面，此平凸微透鏡所需要的是墻柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面。前述微影制作工藝已達(dá)到移除柱狀結(jié)構(gòu)上部附著光阻的目的，接著則可利用濕式蝕刻作光阻431下方二氧化硅的橫向蝕刻。本實(shí)施例中采用稀釋HF水溶液(如1HF∶10H2O)或BOE達(dá)成隔離光阻與二氧化硅于墻柱狀結(jié)構(gòu)底面的附著，經(jīng)橫向蝕刻后之二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)，如圖4D中的二氧化硅元件平臺(tái)412。為避免光阻于蝕刻時(shí)底部有脫離墻柱狀結(jié)構(gòu)側(cè)面的現(xiàn)象，于蝕刻前適度之高溫烘烤(約100℃)可提升光阻與墻柱狀結(jié)構(gòu)側(cè)面的附著性，改善整體硅晶圓上微透鏡制作的均勻性。
經(jīng)上述制作工藝后柱狀結(jié)構(gòu)右側(cè)懸附一個(gè)光阻膜432左側(cè)包含組件平臺(tái)則皆受光阻432包覆，而左右兩側(cè)光阻成隔離狀態(tài)。對此結(jié)構(gòu)于氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行120℃、10分鐘的烘烤，右側(cè)光阻431因表面張力而內(nèi)聚成透鏡狀，如圖4E所示的右側(cè)光阻內(nèi)聚所成透鏡433；而左側(cè)光阻內(nèi)聚所成透鏡434則因多附著面仍完整包覆左側(cè)結(jié)構(gòu)，并以最小表面積呈現(xiàn)。上述條件下所獲得的右側(cè)光阻透鏡高約為50微米、厚約為13微米、曲率半徑約為30微米。此光阻微透鏡的高、厚、與曲率半徑可通過控制右側(cè)光阻體積達(dá)到此微光電系統(tǒng)的需求值。
接著利用高等向性、低蝕刻選擇比的干式蝕刻將右側(cè)光阻平凸透鏡外型拓印于二氧化硅墻柱狀結(jié)構(gòu)上，形成如圖4F所示的二氧化硅單材質(zhì)平凸透鏡413(已移除鉻膜)，而左側(cè)組件平臺(tái)412則受光阻包覆得以大致維持原貌。此干式蝕刻需在很低或零射頻偏壓環(huán)境下，采用CF4/O2的氣體組成，使得光阻與二氧化硅的蝕刻主要機(jī)制為化學(xué)分解，而非物理轟擊或化學(xué)沉積，如利用化學(xué)干式蝕刻設(shè)備(CDE，Chemical Dry/Downstream Etcher)；而通過CF4/O2的組成比例調(diào)整蝕刻選擇比，提供改變微透鏡曲率半徑的另一自由度。
將光發(fā)射組件置于本實(shí)施例的元件平臺(tái)上，如利用覆晶鍵合技術(shù)，即可達(dá)到模態(tài)修正或光束圓化的目的；而將光接收元件置于本實(shí)施例的元件平臺(tái)上，則可達(dá)到收斂或聚焦入射光束的目的；兩者皆可獲得耦合效率上的提升。
實(shí)施例三如圖5A至五H所示，本實(shí)施例中，復(fù)合材質(zhì)雙凸微透鏡各個(gè)制作工藝階段如下如圖5A及圖5B所示，定義一個(gè)蝕刻屏蔽51并利用熟知的半導(dǎo)體蝕刻制作工藝于半導(dǎo)體基板50上形成一個(gè)墻柱狀結(jié)構(gòu)52，并利用熟知的介電質(zhì)鍍膜及蝕刻制作工藝于墻柱狀結(jié)構(gòu)52兩側(cè)面鍍上抗反射介電質(zhì)層53。在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體基板50為N型磷化銦(InP)基板，于上利用電漿增益化學(xué)氧相流程(PECVD)、微影(Photolithography)、及活性離子蝕刻(RIE)等制作工藝定義出0.2微米厚、30微米寬的氧化硅(SiOx)蝕刻屏蔽51，采用1HCl:3H3PO4蝕刻溶液進(jìn)行InP濕式蝕刻制作工藝，蝕刻速率約為每分鐘1微米，所形成的InP墻柱狀結(jié)構(gòu)52高約80微米(對應(yīng)所形成之微透鏡高度)，頂部寬約為25微米，此墻柱狀結(jié)構(gòu)為定義于平行晶圓次平面方向，即[x，y，z]＝[1，1，0]方向；墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面利用電漿增益化學(xué)氧相流程(PECVD)及活性離子蝕刻(RIE)制作工藝形成約0.18微米的氮化硅(SiNx)抗反射層53，折射率約為2.0。于此墻柱狀結(jié)構(gòu)形成后，即可進(jìn)行高分子聚合物材料成膜覆蓋，本實(shí)施例中采用Micro ResistTechnology公司出品的ma-P系列光阻，以旋轉(zhuǎn)涂布方式施加于試片表面。圖5C所示為光阻涂布后光阻的分布剖面54。通過微影制作工藝定義制作微透鏡所需光阻體積，并利用較長的顯影時(shí)間移除墻柱狀結(jié)構(gòu)上方很薄的光阻以隔離墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)的光阻。完成顯影后光阻剖面呈現(xiàn)如圖5D中所示，為顯影后右側(cè)光阻剖面541及顯影后左側(cè)光阻剖面542。為使光阻底面脫離InP基板，使光阻僅懸附于墻柱狀結(jié)構(gòu)52的兩側(cè)面，本實(shí)施例采用1HCl:3H3PO4蝕刻溶液進(jìn)行InP基板濕式蝕刻制作工藝。在蝕刻過程中，蝕刻溶液不僅向下繼續(xù)蝕刻InP基板，同時(shí)也進(jìn)行橫向蝕刻，因而使光阻底面脫離InP基板。經(jīng)此濕式蝕刻制作工藝后，墻柱狀結(jié)構(gòu)約往下延伸40微米，此時(shí)光阻剖面541及542如圖5E所示懸附于墻柱狀結(jié)構(gòu)52的兩側(cè)面。于蝕刻前適度之高溫烘烤(約100℃)可提升光阻與墻柱狀結(jié)構(gòu)側(cè)面的附著性，減少塌陷或剝離的現(xiàn)象，改善整體InP基板上微透鏡制作的均勻性。另必須注意，經(jīng)兩次InP濕式蝕刻后，共移除約120微米的InP基板表面厚度，如果未于InP基板背面提供蝕刻保護(hù)，如PECVD成長的SiOx或SiNx，同樣InP基板背面也將移除約120微米厚度，影響基板501的機(jī)械強(qiáng)度。
經(jīng)上述蝕刻制作工藝后，光阻已懸附于墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面，且各自獨(dú)立，為制作微透鏡的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。對此結(jié)構(gòu)于氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行150℃、10分鐘的烘烤，兩側(cè)光阻皆因表面張力而內(nèi)聚成平凸透鏡狀，如圖5F所示，為右側(cè)光阻內(nèi)聚成平凸透鏡狀543與左側(cè)光阻內(nèi)聚成平凸透鏡狀544。必須注意的是，由于本實(shí)施例采用濕式蝕刻制作工藝，為避免光阻于熱流時(shí)產(chǎn)生氣泡，于熱流前應(yīng)對樣品作干燥處理，如置于常溫、干燥的氮?dú)猸h(huán)境下，以移除陷附于樣品結(jié)構(gòu)上的水份。本實(shí)施例所獲得的兩側(cè)光阻平凸微透鏡高約為80微米、厚約為15微米、曲率半徑約為60微米。通過控制兩側(cè)光阻體積可達(dá)到微光學(xué)/微光電系統(tǒng)的需求，如圖5G所示，由非對稱復(fù)合雙凸微透鏡的右側(cè)545與非對稱復(fù)合雙凸微透鏡的左側(cè)546所構(gòu)成的非對稱復(fù)合雙凸微透鏡及圖5H所示的復(fù)合平凸微透鏡547。
由于本實(shí)施例采用的ma-P系列光阻(Micro Resist Technology Co.，Ltd.)其折射率約為1.5～1.6，與二氧化硅的折射率1.45～1.47差異在10％以下，反射損耗約僅-26dB，因此可直接作為復(fù)合材質(zhì)的雙凸/平凸微透鏡。而通過此復(fù)合材質(zhì)微透鏡中的半導(dǎo)體墻柱狀結(jié)構(gòu)，可對入射光波產(chǎn)生濾波效果，如本實(shí)施例的InP墻柱狀結(jié)構(gòu)可濾除約0.9微米以下波段，可供實(shí)際應(yīng)用時(shí)濾除短波長激發(fā)光源。但必須強(qiáng)調(diào)的是ma-P系列光阻屬正光阻，在長時(shí)間受光使用上會(huì)有受催化的影響，因此可采用負(fù)光阻如ma-N系列(Micro Resist Technology Co.，Ltd.)或BPR-100(Shipley Co.，Ltd.)以提升微透鏡的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于，包含以下步驟A.提供基板，其至少包含基板與基板上成長的介電質(zhì)層；B.在該介電質(zhì)層上方施加蝕刻遮罩，以定義蝕刻區(qū)域；C.將該蝕刻區(qū)域向下移除第一厚度，并保留第二厚度，使該介電質(zhì)層表面形成墻柱狀結(jié)構(gòu)；D.施加高分子聚合物膜覆蓋于已具墻柱狀結(jié)構(gòu)的基板上；E.在該高分子聚合物膜上，定義微光學(xué)透鏡體積；F.進(jìn)行蝕刻制作工藝移除該高分子聚合物膜下方接觸的介電質(zhì)層，使高分子聚合物膜懸附于該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面上；G.完全或部分移除該墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的高分子聚合物膜，使該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面的高分子聚合物膜完全隔離；H.將該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面分離懸附的高分子聚合物膜進(jìn)行高溫烘烤，使高分子聚合物膜內(nèi)聚成平凸透鏡狀，形成雙凸微透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板適用于微光學(xué)系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板適用于微光電系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其其特征在于步驟A所述的基板材質(zhì)為硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的介電質(zhì)層形成方法為快速化學(xué)汽相沉積。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的介電質(zhì)層厚度需大于微透鏡高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻遮罩寬度大于微透鏡寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻遮罩為鉻膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻遮罩為鎳鉻膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B是以微影制作工藝搭配蝕刻制作工藝定義蝕刻區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B是以微影制作工藝搭配金屬掀離定義蝕刻區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟C所述的第一厚度是與欲形成的透鏡等高。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的高分子聚合物膜具有熱流內(nèi)聚性質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的高分子聚合物膜為光阻劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟E是利用微影制作工藝定義微透鏡體積。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟E是利用微影制作工藝搭配蝕刻制作工藝定義微透鏡體積。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟F所述的蝕刻制作工藝為濕式蝕刻制作工藝。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于所述的濕式蝕刻制作工藝，在蝕刻前以100℃烘烤。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟G是以干式蝕刻制作工藝移除該墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的高分子聚合物膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟H所述的高溫烘烤，其溫度大于120℃。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟H所述的雙凸微透鏡為復(fù)合材質(zhì)雙凸微透鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟H是利用干式蝕刻制作工藝將微透鏡外型拓印于該墻柱狀結(jié)構(gòu)上，形成單材質(zhì)雙凸微透鏡。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于可通過控制該高分子聚合物膜體積以調(diào)整微光學(xué)透鏡的高、厚及曲率半徑。
24.一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于，包含以下步驟A.提供基板，其至少包含基板與基板上成長的介電質(zhì)層；B.在該介電質(zhì)層上方施加第一蝕刻遮罩定義蝕刻區(qū)域；以及第二蝕刻遮罩定義元件平臺(tái)區(qū)域；C.將該蝕刻區(qū)域向下移除第一厚度，并保留第二厚度，使該介電質(zhì)層表面形成墻柱狀結(jié)構(gòu)；D.施加高分子聚合物膜覆蓋于已具墻柱狀結(jié)構(gòu)的基板上；E.在該高分子聚合物膜上，定義微光學(xué)透鏡體積；F.進(jìn)行蝕刻制作工藝移除該高分子聚合物膜下方接觸的介電質(zhì)層，使高分子聚合物膜懸附于該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面上；G.完全或部分移除該墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的高分子聚合物膜，使該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面的高分子聚合物膜完全隔離；H.將該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面分離懸附的高分子聚合物膜進(jìn)行高溫烘烤，使高分子聚合物膜內(nèi)聚成平凸透鏡狀；I.利用低選擇比的蝕刻制作工藝拓印墻柱狀結(jié)構(gòu)外側(cè)高分子聚合物透鏡外形于介電質(zhì)墻柱狀結(jié)構(gòu)上，形成前置介電質(zhì)平凸透鏡。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板適用于微光學(xué)系統(tǒng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板適用于微光電系統(tǒng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板材質(zhì)為硅。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的介電質(zhì)層形成方法為快速化學(xué)汽相沉積。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的介電質(zhì)層厚度需大于微透鏡高度。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的第一蝕刻遮罩寬度大于微透鏡寬度。
31.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的第一蝕刻遮罩為鉻膜。
32.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的第一蝕刻遮罩為鎳鉻膜。
33.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的平臺(tái)區(qū)域的高度為該蝕刻區(qū)域高度的一半。
34.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B是以微影制作工藝搭配蝕刻制作工藝定義蝕刻區(qū)域與平臺(tái)區(qū)域。
35.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B是以微影制作工藝搭配金屬掀離定義蝕刻區(qū)域與平臺(tái)區(qū)域。
36.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟C所述的第一厚度與欲形成之透鏡等高。
37.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的高分子聚合物膜具有熱流內(nèi)聚性質(zhì)。
38.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的高分子聚合物膜為光阻劑。
39.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟E是利用微影制作工藝定義微透鏡體積。
40.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟E是利用微影制作工藝搭配蝕刻制作工藝定義微透鏡體積。
41.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟F所述的蝕刻制作工藝為濕式蝕刻制作工藝。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于所述的濕式蝕刻制作工藝，在蝕刻前以100℃烘烤。
43.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟G是以干式蝕刻制作工藝移除該墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的高分子聚合物膜。
44.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟H的高溫烘烤，其溫度大于120℃。
45.根據(jù)權(quán)利要求24所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于通過控制該高分子聚合物膜體積以調(diào)整微光學(xué)透鏡的高、厚及曲率半徑。
46.一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于，包含以下步驟A.提供基板，其至少包含基板與基板上成長的介電質(zhì)層；B.在該介電質(zhì)層上方施加蝕刻遮罩定義蝕刻區(qū)域；C.將該蝕刻區(qū)域向下移除第一厚度，并保留第二厚度，使該介電質(zhì)層表面形成墻柱狀結(jié)構(gòu)；D.在該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面各形成一個(gè)抗反射介電質(zhì)層；E.施加高分子聚合物膜覆蓋于具有抗反射介電質(zhì)層的墻柱狀結(jié)構(gòu)上；F.在該高分子聚合物膜上，定義微光學(xué)透鏡體積；G.進(jìn)行蝕刻制作工藝移除該高分子聚合物膜下方接觸的介電質(zhì)層，使高分子聚合物膜懸附于步驟E所述的墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面上；H.完全或部分移除該墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的高分子聚合物膜，使該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面的高分子聚合物膜完全隔離；I.將該墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)面分離懸附的該高分子聚合物膜進(jìn)行高溫烘烤，使高分子聚合物膜內(nèi)聚成平凸透鏡狀，形成復(fù)合材質(zhì)雙凸透鏡。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板適用于微光學(xué)系統(tǒng)。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板適用于微光電系統(tǒng)。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板材質(zhì)為N型磷化銦。
50.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板材質(zhì)為硅。
51.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的基板材質(zhì)為砷化鎵。
52.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟A所述的介電質(zhì)層厚度需大于微透鏡高度。
53.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻遮罩寬度大于微透鏡寬度。
54.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻遮罩材質(zhì)為氧化硅。
55.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻區(qū)域是以微影制作工藝定義的。
56.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻區(qū)域是以活性離子蝕刻制作工藝定義的。
57.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟B所述的蝕刻區(qū)域是以電漿增益化學(xué)氧相流程定義的。
58.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟C所述的第一厚度與欲形成的透鏡等高。
59.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層是以電漿增益化學(xué)氧相流程制作的。
60.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層是以活性離子蝕刻制作工藝制作的。
61.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層為二氧化硅。
62.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層為氮氧化硅。
63.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層為氮化硅。
64.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層為二氧化鈦。
65.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層為氧化鋇。
66.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟D所述的抗反射的介電質(zhì)層為氧化鋁。
67.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟E所述的高分子聚合物膜具有熱流內(nèi)聚性質(zhì)。
68.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟G所述的蝕刻制作工藝是濕式蝕刻工藝制作工藝。
69.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟H所述的移除該墻柱狀結(jié)構(gòu)上方的高分子聚合物膜方法為濕式蝕刻制作工藝。
70.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟H所述的高溫烘烤，其溫度大于120℃，且于熱流前干燥處理。
71.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于通過控制該高分子聚合物膜體積以調(diào)整微光學(xué)透鏡之高、厚及曲率半徑。
72.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟I所述的復(fù)合材質(zhì)雙凸透鏡是對稱的。
73.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟I所述的復(fù)合材質(zhì)雙凸透鏡是不對稱的。
74.根據(jù)權(quán)利要求46所述的一種微光學(xué)透鏡的制造方法，其特征在于步驟I所述的復(fù)合材質(zhì)雙凸透鏡包括復(fù)合材質(zhì)平凸透鏡。
全文摘要
一種微光學(xué)透鏡的制造方法，于微光學(xué)或微光電系統(tǒng)的基板上形成墻柱狀結(jié)構(gòu)，以高分子聚合物材料覆蓋后，利用柱底基板的側(cè)向蝕刻使之懸附于墻柱狀結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，經(jīng)隔離制作工藝及適當(dāng)加熱處理，該高分子聚合物材料因表面張力內(nèi)聚，成一平凸透鏡狀。通過控制高分子覆蓋層于墻柱狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)懸附量的大小，可結(jié)合墻柱狀結(jié)構(gòu)直接形成復(fù)合材質(zhì)的對稱雙凸微透鏡、非對稱雙凸微透鏡、平凸微透鏡等。也可通過蝕刻制作工藝拓印高分子微透鏡外型于墻柱狀結(jié)構(gòu)上形成單材質(zhì)微透鏡。
文檔編號G03F7/00GK1564043SQ20041003447
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月14日
發(fā)明者何充隆, 何文章, 廖枝旺 申請人:中華電信股份有限公司