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微凸透镜阵列结构的加工方法

2021-02-03 20:05:18

微凸透镜阵列结构的加工方法

  技术领域

  本发明涉及半导体加工技术领域,尤其涉及一种微凸透镜阵列结构的加工方法。

  背景技术

  在半导体领域,透镜是一种常用的工具,且由于半导体的尺寸通常较小,应用在半导体加工过程中的透镜的尺寸也通常较小。目前,在加工凸透镜的过程中,通常利用预先制备的纳米压印模具将所需形状尺寸的透镜结构图形复制到压印胶上,之后再通过刻蚀的方式,对衬底进行刻蚀,使压印胶与衬底的选择比接近1:1,即可在衬底上形成与透镜结构图形相对应的三维透镜结构。

  但是,采用上述技术方案加工透镜的过程中,需要先在衬底上布满压印胶,且在刻蚀的过程中,将压印胶层的上半部分刻蚀掉,露出硅衬底,一方面存在材料浪费,另一方面整个加工过程也较为复杂,加工效率较低。

  发明内容

  本发明公开一种微凸透镜阵列结构的加工方法,以解决目前凸透镜加工过程中存在材料浪费,加工过程较为复杂,加工效率较低的问题。

  为了解决上述问题,本发明采用下述技术方案:

  一种微凸透镜阵列结构的加工方法,包括:

  在透镜基材的表面形成图形化的掩膜液滴,其中,所述掩膜液滴包括亲水性掩膜材料;

  固化所述掩膜液滴,形成图形化的掩膜层;

  刻蚀所述掩膜层和所述透镜基材,形成微凸透镜阵列结构,其中,所述透镜基材的被刻蚀速率大于所述掩膜层的被刻蚀速率,所述微凸透镜阵列结构中每个微凸透镜均具有弧形凸面。

  本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果:

  本发明实施例公开一种微凸透镜阵列结构的加工方法,加工方法中,在透镜基材的表面形成图形化的掩膜液滴,由于掩膜液滴包括亲水性掩膜材料,这可以使位于透镜基材表面的掩膜液滴的形状为“凸包”状,也即,掩膜液滴中,位于其四周的区域处的厚度小于位于掩膜液滴中心区域的厚度。

  在掩膜液滴固化为图形化的掩膜层之后,刻蚀掩膜层和透镜基材的过程中,透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,在同样的时间段内,掩膜层被刻蚀的厚度小于透镜基材被刻蚀的厚度。如上所述,由于掩膜层为“凸包”式结构,在掩膜层中心区域处尚未被刻蚀完时,掩膜层中四周区域处已经被刻蚀完,进而,随着刻蚀的持续进行,之前被掩膜层四周区域掩盖的透镜基材也会被刻蚀,在掩膜层中心区域被刻蚀完时,能够在透镜基材上形成与掩膜层被刻蚀之前的初始结构相似的“凸包”结构,且由于透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速度,从而在掩膜层被刻蚀完时,在透镜基材上形成的微凸透镜较掩膜层更凸出,也即,透镜基材上所形成的微凸透镜的曲率更大,且所形成的微凸透镜阵列结构中每个微凸透镜均具有弧形凸面。

  由上可知,采用本发明实施例公开的加工方法加工微凸透镜阵列结构的过程中,无需在透镜基材的整面覆盖压印胶,而仅需在用来形成微凸透镜阵列结构的位置处设置压印胶等掩膜层,进而也无需通过刻蚀或者光刻的方式去除整面压印胶的上层部分,一方面可以降低成本,另一方面可以简化加工过程,提升加工效率。

  附图说明

  此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:

  图1是本发明实施例公开的微凸透镜阵列结构的加工方法的流程框图;

  图2是本发明实施例公开的微凸透镜阵列结构的加工方法的流程示意图;

  图3是本发明实施例公开的微凸透镜阵列结构的加工方法中掩膜层的具体结构的SEM照片;

  图4是本发明实施例公开的微凸透镜阵列结构的SEM照片。

  具体实施方式

  为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

  以下结合附图,详细说明本发明各个实施例公开的技术方案。

  如图1和图2所示,本发明实施例公开一种微凸透镜阵列结构的加工方法,该加工方法包括:

  S1、在透镜基材的表面形成图形化的掩膜液滴,其中,掩膜液滴包括亲水性掩膜材料。

  具体来说,掩膜液滴为液态的掩膜液分离出的一部分所形成的,其形状结构为液滴状,亲水性掩膜材料可以使掩膜液形成于透镜基材的表面上时能够为液滴状。更具体地,可以借助尺寸较小的针筒状结构,将掩膜液以滴涂的方式形成在透镜基材的表面,使掩膜液在粘附于基材表面时,在自身亲水性质的作用下铺展开,从而形成“凸包”状结构的掩膜液滴,进而在透镜基材上形成如图3所示的掩膜层。透镜基材可以为含硅材料,以保证后续刻蚀工艺的正常开展,例如,透镜基材可以为硅晶圆。掩膜液滴中的亲水性掩膜材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和紫外固化聚合物中的任意一者。掩膜液滴的体积可以根据所需形成凸透镜结构的尺寸选定,此处不作限定。另外,掩膜液滴的具体图形化形状可以根据实际情况确定,例如,掩膜液滴可以呈阵列式分布,以在完成后续加工过程之后,能够在透镜基材上形成阵列分布的微凸透镜。

  S2、固化掩膜液滴,形成图形化的掩膜层。具体地,可以采用自然风干的方式使掩膜液滴固化,一方面可以降低加工成本,另一方面还可以防止掩膜液滴受到破坏,保证掩膜层的形状完整,以正常进行后续加工过程。当然,在不破坏掩膜层的结构和性质的情况下,还可以采用加热等方式,加速掩膜液滴的固化过程,缩短掩膜液滴的固化时间,提升凸透镜的加工效率。

  在本申请的另一实施例中,掩膜液滴还包括光引发剂,在这种情况下,上述步骤S2可以包括:S21、在紫外线照射的条件下,固化掩膜液滴,形成图形化的掩膜层。采用上述技术方案的情况下,既可以加速掩膜液滴固化速度,还可以防止因加热等因素对掩膜液滴的结构或性质等参数产生不利影响,且量产适用性高。

  S3、刻蚀掩膜层和透镜基材,形成微凸透镜阵列结构,其中,透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,微凸透镜阵列结构中每个微凸透镜均具有弧形凸面。

  可选地,采用湿法刻蚀等方式可以对掩膜层和透镜基材进行刻蚀,在将掩膜层刻蚀完之后,即可在透镜基材上形成微凸透镜阵列,通过使透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,可以使透镜基材上所形成的微凸透镜的曲率更大,并且,由于图形化的掩膜液滴包括亲水性掩膜材料,从而可以保证透镜基材上形成的微凸透镜阵列结构中每个微凸透镜均具有弧形凸面。其中,图形化的掩膜液滴可以采用多次滴涂的方式形成,从而在透镜基材的表面形成阵列分布的掩膜液滴。

  或者,还可以采用ICP刻蚀的方式同时刻蚀掩膜层和透镜基材,且可以根据透镜基材和掩膜层的具体材质,选择提供刻蚀作用的气体等,以使透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率。在这种情况下,当掩膜层被完全刻蚀掉时,可以在透镜基材上形成如图4所示的凸透镜结构。更具体地,刻蚀气体可以包括四氟化碳、三氟化氮、六氟乙烷、全氟丙烷或三氟甲烷等。另外,刻蚀过程中的上电极功率、下电极功率和腔压等参数也均可以根据实际情况灵活选定,此处不作限定。

  另外,可以尽可能地使所形成的掩膜液滴与圆形更加近似,从而使所形成的微凸透镜更加规则,提升微凸透镜的整体性能。当然,在掩膜液滴的形状不是精确的圆形结构的情况下,可以通过打磨或切削等方式,使所形成的微凸透镜的外形更加圆润。

  本发明实施例公开一种微凸透镜阵列结构的加工方法,加工方法中,在透镜基材的表面形成图形化的掩膜液滴,由于掩膜液滴包括亲水性掩膜材料,这可以使位于透镜基材表面的掩膜液滴的形状为“凸包”状,也即,掩膜液滴中,位于其四周的区域处的厚度小于位于掩膜液滴中心区域的厚度。

  在掩膜液滴固化为图形化的掩膜层之后,刻蚀掩膜层和透镜基材的过程中,透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,在同样的时间段内,掩膜层被刻蚀的厚度小于透镜基材被刻蚀的厚度。如上,由于掩膜层为“凸包”式结构,在掩膜层中心区域处尚未被刻蚀完时,掩膜层中四周区域处已经被刻蚀完,进而,随着刻蚀的持续进行,之前被掩膜层四周区域掩盖的透镜基材也会被刻蚀,在掩膜层中心区域被刻蚀完时,能够在透镜基材上形成与掩膜层被刻蚀之前的初始结构相似的“凸包”结构,且由于透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速度,从而在掩膜层被刻蚀完时,在透镜基材上形成的微凸透镜较掩膜层更凸出,也即,透镜基材上所形成的微凸透镜的曲率更大,且所形成的微凸透镜阵列结构中每个微凸透镜均具有弧形凸面。

  由上可知,采用本发明实施例公开的加工方法加工微凸透镜阵列结构的过程中,无需在透镜基材的整面覆盖压印胶,而仅需在用来形成微凸透镜阵列结构的位置处设置压印胶等掩膜层,进而也无需通过刻蚀或者光刻的方式去除整面压印胶的上层部分,一方面可以降低成本,另一方面可以简化加工过程,提升加工效率。

  详细地,可以通过改变掩膜层的具体材质,或者,也可以通过改变刻蚀用料的种类或配比等方式,改变掩膜层和透镜基材的选择比,使透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率。采用上述技术方案的情况下,可以提升所形成的微凸透镜的曲率,进而使微凸透镜的焦距更小,微凸透镜的放大倍数相对更高,能够提升成像的分辨率。

  下面,以掩膜层的中心区域、次中心区域和边缘区域区分掩膜层中厚度不同的部分,前述三者的厚度依次减小。当然,中心区域、次中心区域和边缘区域三者中,各自的不同位置,厚度也不同,为了更清楚地解释上述结果,此处不作区分,仅区分中心区域、次中心区域和边缘区域三部分,透镜基材中,位于中心区域、次中心区域和边缘区域下方的部分分别为第一部分、第二部分和第三部分。

  如上,由于透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,以及掩膜层中心区域的厚度大于次中心区域的厚度,次中心区域的厚度大于边缘区域的厚度,在掩膜层中边缘区域被完全刻蚀掉时,掩膜层的次中心区域仍有一部分存留,中心区域处剩余的部分则更多,第三部分露出,第二部分和第一部分仍被掩盖,此时,如果继续刻蚀,如上文,则开始形成微凸透镜结构。

  以次中心区域剩余部分的厚度为第一厚度,中心区域剩余的部分的厚度为第二厚度为例,随着刻蚀的继续进行,第一厚度的掩膜层被消耗,而在此时间段内,第三部分也会被刻蚀,由于透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,第三部分被刻蚀的厚度必定大于第一厚度。

  当次中心区域被刻蚀完时,第二部分也被暴露出来,中心区域仍有残留,第一部分仍被掩盖,以中心区域剩余部分的厚度为第二厚度为例,随着刻蚀过程的继续进行,中心区域可以被消耗,与上述原理相同,第三部分和第二部分被消耗的厚度必定均大于中心区域被消耗的厚度,因此,当中心区域被完全消耗掉时,第一部分露出,由于第二部分被消耗的厚度大于中心区域与次中心区域的厚度之差,第三部分被消耗的厚度大于次中心区域与边缘区域的厚度之差,因此,采用上述技术方案所刻蚀形成的凸透镜的曲率大于所形成的掩膜层的曲率。

  如上,掩膜层中,在自中心指向四周的方向上,掩膜层中任意位置处的厚度均不同,且透镜基材的被刻蚀速率大于掩膜层的被刻蚀速率,因此,在刻蚀过程中,透镜基材中位于掩膜层下方的部分中,相对靠外的部分和相对靠内的部分之间被消耗的厚度势必大于掩膜层中位于前述二者上方的部分之间的厚度差,从而使所形成的微凸透镜的曲率大于掩膜层的曲率。

  需要说明的是,不能使透镜基材的被刻蚀速率超过掩膜层的被刻蚀速率过多,以防止所形成的微凸透镜过于狭长,而丧失微凸透镜本该具有的功能,本领域技术人员可以根据所需形成的微凸透镜的实际曲率确定透镜基材和掩膜层之间的选择比。另外,还可以通过改变所形成的“凸包”状的掩膜层的凸出程度,改变所需形成的凸透镜的曲率。

  由于在半导体领域所需的透镜的尺寸较小,因此,可以借助尺寸较小的结构蘸取掩膜液,且通过接触粘附的方式使掩膜液转移至透镜基材上,形成掩膜液滴,在采用上述方式的情况下,一方面便于控制所形成的掩膜液滴的体积,另一方面还可以使微凸透镜的加工过程量产程度更高。因此,上述步骤S1可以包括:

  S11、获取压印模具;

  S12、在压印模具的图形化表面粘附掩膜液,其中,掩膜液包括亲水性掩膜材料;

  S13、使压印模具粘附有掩膜液的图形化表面与透镜基材的表面接触,且将至少部分掩膜液转移至透镜基材的表面,形成图形化的掩膜液滴。

  具体地,压印模具可以采用模板浇筑的方式形成,浇筑尺寸较小的尺寸相对简单,且技术成熟度更高。压印模具的选材相对宽泛,硬度相对较大的金属材料和非金属材料均可以用来制作压印模具,以保证压印模具的结构强度相对较高,提升其使用寿命。更具体地,可以选用铜、铁或不锈钢等材料制作压印模具,或者,也可以采用聚二甲基硅氧烷材料形成压印模具。由于端面面积较大的压印模具所能够蘸取的液态的形成材料也相对较多,因此,压印模具的端部表面的面积可以根据所需形成的微凸透镜的尺寸相应确定。

  进一步地,可以通过将压印模具的图形化表面伸入至盛放有掩膜液的器皿中,在压印模具的一端表面粘附掩膜液。或者,还可以通过喷淋或滴涂等方式在压印模具的图形化表面粘附掩膜液。

  进一步地,可以采用人工转移的方式,将压印模具上粘附有掩膜液的图形化表面与透镜基材的表面接触,以将至少部分掩膜液转移至透镜基材表面,形成图形化的掩膜液滴;或者,也可以采用机械手使压印模具上粘附有掩膜液的图形化表面与透镜基材的表面接触,且将至少部分掩膜液转移至透镜基材的表面,形成图形化的掩膜液滴。如上,压印模具的图形化表面为阵列式分布的结构,从而使得形成于透镜基材表面的掩膜液滴也呈阵列式分布。其中,通过多次蘸取,多次转移的方式,即可在透镜基材上形成阵列分布的掩膜液滴。

  另外,为了保证所形成的掩膜液滴的外周轮廓更加符合圆形,可以采用多次蘸取多次粘附的方式,提升掩膜液滴的圆润程度。在本申请的另一实施例中,压印模具的图形化表面上包括多个圆形结构件,在这种情况下,当压印模具粘附有掩膜液的图形化表面与透镜基材的表面接触时,可以直接在透镜基材的表面形成圆形或近似圆形的掩膜液滴,降低圆形的掩膜液滴的形成难度,提升微凸透镜阵列结构的加工效率。

  进一步地,上述步骤S11可以包括:

  S111、在模具基材的表面上形成光刻胶层;

  S112、曝光光刻胶层,形成图形化的光刻胶掩膜层,其中,图形化的光刻胶掩膜层分为多个呈阵列分布的部分;

  S113、刻蚀模具基材和光刻胶掩膜层,形成压印模具,其中,压印模具包括本体和多个压印柱,多个压印柱阵列分布于本体的同一侧面,形成图形化表面。

  由上述过程可知,通过对模具基材进行刻蚀,可以得到包括多个压印柱的压印模具,在这种情况下,通过在压印模具中压印柱所在的一侧粘附掩膜液,且通过接触转移的方式,即可在透镜基材上形成多个阵列分布且互相独立的掩膜液滴,即在透镜基材上形成图形化的掩膜层,完成刻蚀之后,即可形成微凸透镜阵列结构。

  具体地,模具基材可以采用硅制成,可以通过旋涂的方式在模具基材的平面上形成光刻胶层,光刻胶层的厚度可以根据光刻胶层与模具基材之间的选择比,以及所需形成的压印柱的高度等实际参数确定,之后,可以借助光罩遮住覆盖有光刻胶层的模具基材进行曝光,最后,也可以通过ICP刻蚀的方式对模具基材和光刻胶掩膜层进行刻蚀,以形成上述结构的压印模具。

  其中,光罩中用来遮挡光刻胶层的部分包括阵列分布的遮光区,以得到具有特定形状的光刻胶掩膜层,即图形化的光刻胶掩膜层。可选地,光罩的任一遮光区均可以为圆形结构件,在这种情况下,所形成的压印柱的端部表面也为圆形结构件,这可以较为容易地在透镜基材的表面形成多个圆形的掩膜液滴。

  如上,可以通过ICP刻蚀的方式对透镜基材和掩膜层进行刻蚀,可选地,上述步骤S3包括:

  S31、将带有掩膜层的透镜基材置于ICP刻蚀腔内,通入刻蚀气体,将刻蚀气体激发为等离子体,刻蚀掩膜材料和透镜基材,形成微凸透镜阵列结构,其中,刻蚀气体包括六氟化硫、氩气和氧气。其中,六氟化硫具有较强的化学刻蚀能力,而氩气则具有较强的物理轰击能力,因此采用上述技术方案的情况下,可以提升刻蚀气体对透镜材料的刻蚀能力,提升所形成的凸透镜结构的良品率。当然,在通入刻蚀气体之前,还可以通过抽气的方式,将ICP刻蚀腔抽真空至1mTorr一下,尽量防止ICP刻蚀腔内原来存留的气体对刻蚀过程产生不利影响。另外,可以借助机械手等设备将带有掩膜层的透镜基材放置在ICP刻蚀腔内,且通过线圈将刻蚀气体激发为等离子体。

  进一步地,刻蚀气体中,可以使六氟化硫所占的比例为氩气所占的比例的一倍至两倍,在这种配比下,可以进一步提升刻蚀效率和刻蚀效果。优选地,可以使六氟化硫所占的比例为氩气所占的比例的1.5倍。

  另外,可以使氧气所占的比例为氩气所占的比例的两倍,可选地,六氟化硫、氩气和氧气的比例为1:1:2至2:1:2。

  基于上述配比的刻蚀气体,可选地,掩膜材料可以为聚甲基丙烯酸甲脂,上电极功率范围为500~3000W,优选为2000W,下电极功率范围为20~300W,优选为150W,ICP刻蚀腔内气体压强为5~100mTorr,优选为50mTorr。

  由于在刻蚀过程中,可能因所形成的掩膜液滴的形状和实际结构的不同,导致在掩膜材料尚未被全部消耗掉时,已经形成符合需求的凸透镜结构,而如果继续刻蚀,可能会破坏所形成的微凸透镜阵列结构,造成最终所形成的微凸透镜阵列结构的各项参数更差,进一步地,上述步骤S3之后还可以包括:

  S4、去除微凸透镜阵列结构表面剩余的掩膜层。具体地,可以根据掩膜层的实际材质选择清洗掩膜层的物质,在掩膜材料为聚甲基丙烯酸甲酯的情况下,可以采用丙酮氰醇法去除凸透镜结构表面的掩膜层。

  另外,在上述步骤S4之后还可以包括检测步骤,检测步骤具体可以为对微凸透镜阵列结构的表面粗糙度、曲率半径和垂直高度进行检测。如上,可以通过多种方式在一次刻蚀的过程中形成阵列分布的多个凸透镜,根据实际需求,还可以对凸透镜阵列进行切割。

  本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同,各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾,均可以组合形成更优的实施例,考虑到行文简洁,在此则不再赘述。

  以上所述仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。

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