二氧化硅微透镜的制造方法技术

本发明专利技术公开了一种二氧化硅微透镜的制造方法，首先，确定透镜高度和光刻次数，并根据透镜高度H在每一等份高度处的水平线与微透镜表面特性函数两交点之间的距离，确定共轴圆柱堆叠结构中对应高度处的圆柱直径，然后确定每次刻蚀透镜的深度，然后采用二元光学技术，经过N次对版光刻即可形成2N级台阶结构，因而这种方法可以通过较少的光刻次数实现较多的台阶级数。本发明专利技术光刻次数少，而且可使实际制作的透镜表面形状较好地满足理论设计要求，实现透镜表面形状的工艺可控性。

【技术实现步骤摘要】
二氧化硅微透镜的制造方法
本专利技术属于光学器件
，具体涉及一种二氧化硅微透镜的制造方法。
技术介绍
透镜是一种被动光学元件，在光学系统中用来会聚、发散光辐射。利用传统工艺制造出来的透镜不仅制造方法复杂，而且制造出来的透镜尺寸大、重量大，已不能满足当今科技发展的需要。目前，人们已经能够制作出直径非常小的透镜，只有用显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等设备才能观察到，这就是微透镜。微透镜与微透镜阵列以其尺寸小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，在光通讯、光传感、光计算等领域拥有广阔的应用前景。随着半导体工业的发展，光刻和微细加工技术的提高，陆续地出现了一系列新颖的微透镜及微透镜阵列的制作工艺，下面主要介绍几种主流的微透镜及微透镜阵列的制作方法。(1)光刻胶热回流技术整个工艺过程可以分为三步：一、对基板上的光刻胶在掩模的遮蔽下进行曝光，曝光图案呈圆形，矩形或正六边形；二、对曝光后的光刻胶进行显影并清洗残余物质；三、放置于加热平台上，热熔成型。这种技术制作的微透镜及微透镜阵列存在一些缺点：一、由于光刻胶对于基板材料存在浸润现象，当光刻胶在熔融状态时与基板的附着力是一定的，那么当熔融光刻胶最终成型以后微透镜球面轮廓与基板之间存在浸润角，使微透镜的边缘存在一定的曲率，而中间部分下陷；二、一般情况下微透镜阵列的填充因子不会超过80％，而且光刻胶在熔化后容易粘连，相邻的熔融光刻胶一旦接触后，不会形成透镜的面形。由于填充因子不高，使入射的光不能充分利用，并且会引起背景噪声；三、由于光刻胶本身的机械性能和化学性能比较差，光学性能也不高，不适于作为最终的微透镜或其他微结构的材料。(2)灰度掩模技术灰度掩模技术关键之处就是灰度等级掩模版的制作。目前比较常用的两种方法是彩色编码掩模版和高能电子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同颜色，表示不同的灰度等级，一种颜色代表一个灰度等级，然后再将用颜色表示的灰度图形，用高分辨率彩色打印机打印在透明胶片上，再将此彩色胶片通过精缩转到黑白透明胶片上，这样就形成了具有不同灰度等级掩模版，通过一次曝光可得到多相位台阶的浮雕表面分布结构。这种掩模版分辨率较低，器件的相位轮廓台阶直接受到打印机彩色等级限制。高能电子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其对不同能量电子束的敏感程度不同，形成透过率为台阶变化或连续变化的真正灰度掩模版。这种掩模版分辨率较高，且掩模版制作过程简单，但是灰度掩模版的制作随着其灰阶的增多将变得十分困难，制作成本也将大幅度上升。这种微透镜及微透镜阵列的制作方法，对于制作小批量的微透镜及微透镜阵列较为台适，但如果需要大批量生产微透镜及微透镜阵列，这种方法就不太方便，而且成本高，总的生产过程复杂，产品均匀性难以保证。
技术实现思路
本专利技术要解决的是现有微透镜及微透镜阵列制作技术中透镜面形畸变、存在背景噪声、工艺复杂、成本较高、产品一致性难以保证、不适合大规模量产等技术问题，从而提供一种与半导体工艺兼容、易于集成、尺寸小、成本低、可定制化、适合大规模生产的微透镜及其制作方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：步骤S1：确定微透镜的透镜高度H和光刻次数N，则微透镜的透镜高度等分为2N-1份；步骤S2：根据透镜高度H在每一等份高度处的水平线与微透镜表面特性函数两交点之间的距离，确定共轴圆柱堆叠结构中对应高度处的圆柱直径，分别为步骤S3：根据步骤S2中的计算结果，计算第N-n次光刻前所要形成硬掩模层M(N-n)--m的宽度L(N-n)--m，m＝1，2,3,......,2N-n-1；n＝0,1,2,......,N-1；步骤S4：计算第N-n次刻蚀透镜层的深度hN-n；步骤S5：对基底层表面进行清洗处理，所述基地层为石英晶圆；步骤S6：采用PECVD淀积深度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅰ；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％；步骤S7：重复步骤S6，直至生长出深度为10-100um的第一透镜层，然后对第一透镜层进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃，退火时间为3-5小时；步骤S8：对第一透镜层表面做清洗处理；步骤S9：在第一透镜层表面形成掩模层；步骤S10：在掩模层上旋涂一层正性或负性的光刻胶层，然后对光刻胶层做前烘处理并自然降温；步骤S11：采用第1光刻板进行第1次光刻，对光刻胶层进行曝光、显影、后烘，将第1光刻板上的图形转移到光刻胶层上；步骤S12：采用ICP刻蚀掩模层，以形成硬掩模层M1--1，然后采用ICP去除硬掩模层M1--1上的光刻胶层；步骤S13：采用ICP刻蚀第一透镜层，形成第一透镜层的1层圆柱结构的第1级结构；步骤S14：去除第1级结构上的硬掩模层M1--1；步骤S15：重复步骤S9和步骤S10，采用第2光刻板进行第2次光刻，重复步骤S12，以形成硬掩模层M2--1和硬掩模层M2--2；并采用ICP刻蚀第1级结构，形成第一透镜层的3层圆柱结构的第2级结构,重复步骤S14；步骤S16：重复步骤S9和步骤S10，采用第N-n光刻板进行第N-n次光刻，重复步骤S12，以形成硬掩模层M(N-n)--1、硬掩模层M(N-n)--2和硬掩模层M(N-n)--m，m＝2N-n-1；并采用ICP刻蚀第N-n-1级结构，形成第一透镜层的(2N-n-1)层圆柱结构的第N-n级结构，重复步骤S14；步骤S17：采用PECVD淀积深度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ，然后对掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ)做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％；回流温度为900-1100℃，回流时间为5-10小时；步骤S18：重复步骤S17，直至生长出深度为10-100um的第二透镜层，经ICP刻蚀后的第一透镜层和第二透镜层共同构成透镜层；步骤S19：对基底层的背面进行减薄、抛光处理；其中，基底层减薄后的厚度为300μm-500μm；步骤S20：对透镜层的正面和基底层的背面做清洗处理；步骤S21：采用溶胶-凝胶法，在透镜层的正面和基底层的背面分别旋涂增透层Ⅰ和增透层Ⅱ；其中，增透层Ⅰ和增透层Ⅱ的厚度均为285nm；步骤S22：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个微透镜或微透镜阵列。在步骤S3中，第N-n次光刻前所要形成掩模层的宽度L(N-n)--m，具体计算公式如下：...

【技术保护点】
一种二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：步骤S1：确定微透镜的透镜高度H和光刻次数N，则微透镜的透镜高度等分为2N‑1份；步骤S2：根据透镜高度H在每一等份高度处的水平线与微透镜表面特性函数两交点之间的距离，确定共轴圆柱堆叠结构中对应高度处的圆柱直径，分别为步骤S3：根据步骤S2中的计算结果，计算第N‑n次光刻前所要形成硬掩模层M(N‑n)‑‑m的宽度L(N‑n)‑‑m，m＝1，2，3，......，2N‑n‑1；n＝0,1,2,......,N‑1；步骤S4：计算第N‑n次刻蚀透镜层的深度hN‑n；步骤S5：对基底层表面进行清洗处理，所述基地层为石英晶圆；步骤S6：采用PECVD淀积深度为1‑10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅰ(2‑1)；其中，PECVD设备的腔室气压为2000‑3000mTorr，衬底温度为335‑365℃，下电极射频功率为1600‑2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100‑140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％‑10％，磷烷和氮气混合气体流量为20‑45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％‑10％；步骤S7：重复步骤S6，直至生长出深度为10‑100um的第一透镜层(2‑2)，然后对第一透镜层(2‑2)进行高温退火处理，其中，退火温度为900‑1100℃，退火时间为3‑5小时；步骤S8：对第一透镜层(2‑2)表面做清洗处理；步骤S9：在第一透镜层(2‑2)表面形成掩模层(5)；步骤S10：在掩模层(5)上旋涂一层正性或负性的光刻胶层(6)，然后对光刻胶层(6)做前烘处理并自然降温；步骤S11：采用第1光刻板进行第1次光刻，对光刻胶层(6)进行曝光、显影、后烘，将第1光刻板上的图形转移到光刻胶层(6)上；步骤S12：采用ICP刻蚀掩模层(5)，以形成硬掩模层M1‑‑1，然后采用ICP去除硬掩模层M1‑‑1上的光刻胶层(6)；步骤S13：采用ICP刻蚀第一透镜层(2‑2)，形成第一透镜层(2‑2)的1层圆柱结构的第1级结构(7)；步骤S14：去除第1级结构(7)上的硬掩模层M1‑‑1；步骤S15：重复步骤S9和步骤S10，采用第2光刻板进行第2次光刻，重复步骤S12，以形成硬掩模层M2‑‑1和硬掩模层M2‑‑2；并采用ICP刻蚀第1级结构，形成第一透镜层(2‑2)的3层圆柱结构的第2级结构,重复步骤S14；步骤S16：重复步骤S9和步骤S10，采用第N‑n光刻板进行第(N‑n)次光刻，重复步骤S12，以形成硬掩模层M(N‑n)‑‑1、硬掩模层M(N‑n)‑‑2和硬掩模层M(N‑n)‑‑m，m＝2N‑n‑1；并采用ICP刻蚀第N‑n‑1级结构，形成第一透镜层(2‑2)的(2N‑n‑1)层圆柱结构的第N‑n级结构，重复步骤S14；步骤S17：采用PECVD淀积深度为1‑10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ(2‑3)，然后对掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ(2‑3)做高温回流处理；其中，PECVD设备的腔室气压为2000‑3000mTorr，衬底温度为335‑365℃，下电极射频功率为1600‑2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100‑140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％‑10％，磷烷和氮气混合气体流量为20‑45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％‑10％；回流温度为900‑1100℃，回流时间为5‑10小时；步骤S18：重复步骤S17，直至生长出深度为10‑100um的第二透镜层(2‑4)，经ICP刻蚀后的第一透镜层(2‑2)和第二透镜层(2‑4)共同构成透镜层(2)；步骤S19：对基底层(3)的背面进行减薄、抛光处理；其中，基底层(3)减薄后的厚度为300μm‑500μm；步骤S20：对透镜层(2)的正面和基底层(3)的背面做清洗处理；步骤S21：采用溶胶‑凝胶法，在透镜层(2)的正面和基底层(3)的背面分别旋涂增透层Ⅰ(1)和增透层Ⅱ(4)；其中，增透层Ⅰ(1)和增透层Ⅱ(4)的厚度均为285nm；步骤S22：利用切割机将加工后的石英晶圆切成多个微透镜或微透镜阵列。...

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅微透镜的制造方法，步骤如下：步骤S1：确定微透镜的透镜高度H和光刻次数N，则微透镜的透镜高度等分为2N-1份；步骤S2：根据透镜高度H在每一等份高度处的水平线与微透镜表面特性函数两交点之间的距离，确定共轴圆柱堆叠结构中对应高度处的圆柱直径，分别为步骤S3：根据步骤S2中的计算结果，计算第N-n次光刻前所要形成硬掩模层M(N-n)--m的宽度L(N-n)--m，m＝1，2,3,......,2N-n-1；n＝0,1,2,......,N-1；步骤S4：计算第N-n次刻蚀透镜层的深度hN-n；步骤S5：对基底层表面进行清洗处理，所述基底层为石英晶圆；步骤S6：采用PECVD淀积深度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅰ(2-1)；其中，PECVD设备的腔室气压为2000-3000mTorr，衬底温度为335-365℃，下电极射频功率为1600-2000W，硼烷和氮气混合气体流量为100-140sccm,硼烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％，磷烷和氮气混合气体流量为20-45sccm，磷烷在混合气体中的摩尔分数为5％-10％；步骤S7：重复步骤S6，直至生长出深度为10-100um的第一透镜层(2-2)，然后对第一透镜层(2-2)进行高温退火处理，其中，退火温度为900-1100℃，退火时间为3-5小时；步骤S8：对第一透镜层(2-2)表面做清洗处理；步骤S9：在第一透镜层(2-2)表面形成掩模层(5)；步骤S10：在掩模层(5)上旋涂一层正性或负性的光刻胶层(6)，然后对光刻胶层(6)做前烘处理并自然降温；步骤S11：采用第1光刻板进行第1次光刻，对光刻胶层(6)进行曝光、显影、后烘，将第1光刻板上的图形转移到光刻胶层(6)上；步骤S12：采用ICP刻蚀掩模层(5)，以形成硬掩模层M1--1，然后采用ICP去除硬掩模层M1--1上的光刻胶层(6)；步骤S13：采用ICP刻蚀第一透镜层(2-2)，形成第一透镜层(2-2)的1层圆柱结构的第1级结构(7)；步骤S14：去除第1级结构(7)上的硬掩模层M1--1；步骤S15：重复步骤S9和步骤S10，采用第2光刻板进行第2次光刻，重复步骤S12，以形成硬掩模层M2--1和硬掩模层M2--2；并采用ICP刻蚀第1级结构，形成第一透镜层(2-2)的3层圆柱结构的第2级结构,重复步骤S14；步骤S16：重复步骤S9和步骤S10，采用第N-n光刻板进行第N-n次光刻，重复步骤S12，以形成硬掩模层M(N-n)--1、硬掩模层M(N-n)--2和硬掩模层M(N-n)--m，m＝2N-n-1；并采用ICP刻蚀第N-n-1级结构，形成第一透镜层(2-2)的2N-n-1层圆柱结构的第N-n级结构，重复步骤S14；步骤S17：采用PECVD淀积深度为1-10um的掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ(2-3)，然后对掺硼、磷的二氧化硅层Ⅱ(2-3)做高温回流处理；其中，PECV...

【专利技术属性】
技术研发人员：田亮，安俊明，尹小杰，张家顺，
申请(专利权)人：河南仕佳光子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41