二氧化硅微透鏡及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學器件技術領域，具體涉及一種二氧化硅微透鏡及其制造方法。
【背景技術】
[0002]透鏡是一種被動光學元件，在光學系統中用來會聚、發散光輻射。利用傳統工藝制造出來的透鏡不僅制造方法復雜，而且制造出來的透鏡尺寸大、重量大，已不能滿足當今科技發展的需要。目前，人們已經能夠制作出直徑非常小的透鏡，只有用顯微鏡、掃描電鏡、原子力顯微鏡等設備才能觀察到，這就是微透鏡。微透鏡與微透鏡陣列以其尺寸小、重量輕、便于集成化、陣列化等優點，在光通訊、光傳感、光計算等領域擁有廣闊的應用前景。
[0003]隨著半導體工業的發展，光刻和微細加工技術的提高，陸續地出現了一系列新穎的微透鏡及微透鏡陣列的制作工藝，下面主要介紹幾種主流的微透鏡及微透鏡陣列的制作方法。
[0004]( I)光刻膠熱回流技術
整個工藝過程可以分為三步:一、對基板上的光刻膠在掩模的遮蔽下進行曝光，曝光圖案呈圓形，矩形或正六邊形；二、對曝光后的光刻膠進行顯影并清洗殘余物質；三、放置于加熱平臺上，熱熔成型。這種技術制作的微透鏡及微透鏡陣列存在一些缺點:一、由于光刻膠對于基板材料存在浸潤現象，當光刻膠在熔融狀態時與基板的附著力是一定的，那么當熔融光刻膠最終成型以后微透鏡球面輪廓與基板之間存在浸潤角，使微透鏡的邊緣存在一定的曲率，而中間部分下陷；二、一般情況下微透鏡陣列的填充因子不會超過80%，而且光刻膠在熔化后容易粘連，相鄰的熔融光刻膠一旦接觸后，不會形成透鏡的面形。由于填充因子不高，使入射的光不能充分利用，并且會引起背景噪聲；三、由于光刻膠本身的機械性能和化學性能比較差，光學性能也不高，不適于作為最終的微透鏡或其他微結構的材料。
[0005](2)灰度掩模技術灰度掩模技術關鍵之處就是灰度等級掩模版的制作。目前比較常用的兩種方法是彩色編碼掩模版和高能電子束敏感玻璃掩模版。前者利用不同顏色，表示不同的灰度等級，一種顏色代表一個灰度等級，然后再將用顏色表示的灰度圖形，用高分辨率彩色打印機打印在透明膠片上，再將此彩色膠片通過精縮轉到黑白透明膠片上，這樣就形成了具有不同灰度等級掩模版，通過一次曝光可得到多相位臺階的浮雕表面分布結構。這種掩模版分辨率較低，器件的相位輪廓臺階直接受到打印機彩色等級限制。高能電子束敏感玻璃掩模版(HEBS)利用其對不同能量電子束的敏感程度不同，形成透過率為臺階變化或連續變化的真正灰度掩模版。這種掩模版分辨率較高，且掩模版制作過程簡單，但是灰度掩模版的制作隨著其灰階的增多將變得十分困難，制作成本也將大幅度上升。這種微透鏡及微透鏡陣列的制作方法，對于制作小批量的微透鏡及微透鏡陣列較為臺適，但如果需要大批量生產微透鏡及微透鏡陣列，這種方法就不太方便，而且成本高，總的生產過程復雜，產品均勻性難以保證。
【發明內容】
[0006]本發明要解決的是現有微透鏡及微透鏡陣列制作技術中透鏡面形畸變、存在背景噪聲、工藝復雜、成本較高、產品一致性難以保證、不適合大規模量產等技術問題，從而提供一種與半導體工藝兼容、易于集成、尺寸小、成本低、可定制化、適合大規模生產的微透鏡及其制作方法。
[0007]為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下:
一種二氧化硅微透鏡，包括基底層和透鏡層，透鏡層位于基底層的正面上，還包括增透層I和增透層II，所述增透層I覆蓋于透鏡層的表面，增透層II覆蓋于基底層的背面；所述透鏡層包括第一透鏡層和第二透鏡層，第二透鏡層包裹在第一透鏡層上，且通過高溫回流融合為一體。
[0008]所述基底層的材料為石英玻璃材料，所述透鏡層的材料為摻硼、磷的二氧化硅材料，所述增透層I和增透層II的材料為氟化鎂材料。
[0009]所述基底層和透鏡層的折射率相同。
[0010]所述增透層I和增透層II的厚度相同，且等于光在增透層I或增透層II中波長的四分之一，從而使增透層I或增透層II的前后表面的兩反射光相互抵消。
[0011 ] 所述增透層I和增透層II的厚度為285nm。
[0012]所述透鏡層的截面呈平凸結構，所述第一透鏡層為圓臺形狀。
[0013]所述基底層的厚度為300 μ m-500 μ m。
[0014]二氧化硅微透鏡的制造方法，步驟如下:
步驟S1:對基底層表面做清洗處理，所述基底層為石英晶圓；
步驟S2:采用PECVD淀積厚度為1-1Oum的摻硼磷的二氧化硅層I ;其中，PECVD設備的腔室氣壓為2000-3000mTorr，襯底溫度為335_365°C，下電極射頻功率為1600-2000W，硼烷和氮氣混合氣體流量為100-140sccm，硼烷在混合氣體中的摩爾分數為5%_10%，磷烷和氮氣混合氣體流量為20-45sccm，磷烷在混合氣體中的摩爾分數為5%_10% ；
步驟S3:重復步驟S2，直至生長出厚度為1-1OOum的第一透鏡層，然后對第一透鏡層進行高溫退火處理，其中，退火溫度為900-1100°C，退火時間為3-5小時；
步驟S4:對第一透鏡層表面做清洗處理；
步驟S5:在第一透鏡層表面形成掩模層；
步驟S6:在掩模層上旋涂一層正性或負性的光刻膠層，然后對光刻膠層6做前烘處理并自然降溫；
步驟S7:對光刻膠層進行曝光、顯影、后烘，將光刻板上的圖形轉移到光刻膠層上； 步驟S8:采用ICP刻蝕掩模層，以形成硬掩模層，然后采用ICP去除掩模層上的光刻膠層；
步驟S9:采用ICP刻蝕第一透鏡層，以形成錐度為0.2-1的圓臺；
步驟SlO:去除圓臺上的掩模層；
步驟Sll:采用PECVD淀積厚度為1-1Oum的摻硼、磷的二氧化硅層II，然后對摻硼、磷的二氧化硅層II做高溫回流處理；其中，PECVD設備的腔室氣壓為2000-3000mTorr，襯底溫度為335-365 °C，下電極射頻功率為1600-2000W，硼烷和氮氣混合氣體流量為100-140sccm,硼烷在混合氣體中的摩爾分數為5%_10%，磷烷和氮氣混合氣體流量為20-45sccm，磷烷在混合氣體中的摩爾分數為5%_10% ;回流溫度為900-1100°C，回流時間為5-10小時；
步驟S12:重復步驟S11，直至生長出厚度為1-1OOum的第二透鏡層，經ICP刻蝕后的第一透鏡層和第二透鏡層共同構成透鏡層；
步驟S13:對基底層的背面進行減薄、拋光處理；其中，基底層減薄后的厚度為300 μ m-500 μ m ;
步驟S14:對透鏡層的正面和基底層的背面做清洗處理；
步驟S15:采用溶膠-凝膠法，在透鏡層的正面和基底層的背面分別旋涂增透層I和增透層II ;其中，增透層I和增透層II的厚度均為285nm ;
步驟S16:利用切割機將加工后的石英晶圓切成多個微透鏡或微透鏡陣列。
[0015]在步驟S5中，所述掩模層為采用LPCVD淀積的多晶硅掩模層或采用磁控濺射生長的金屬掩模層或光刻膠掩模層。
[0016]在步驟10中，利用濕法腐蝕去除圓臺上的多晶硅掩模層或金屬掩模層；利用ICP刻蝕去除圓臺上的光刻膠掩模層。
[0017]本發明中采用成熟的基于二氧化硅的平面光波導技術，所以有利于與現有成熟工藝實現無縫對接，不用額外增加研發投入而節約開發成本。基底層材料選擇石英玻璃材料，這種材料耐熱性好，透明度高，具有優良的光學一致性。透鏡層材料選擇摻雜硼、磷的二氧化硅材料，這種材料在高溫回流時具有良好的流動性，第二透鏡層包覆于圓臺形狀的第一透鏡層上，通過高溫回流兩者可以完全地熔合為一體，并自然形成平凸型結構。通過改變摻入的硼磷的含量可使基底層和透鏡層的折射率相同，從而可保證微透鏡整體具有折射率一致性。本發明中采用氟化鎂材料作為增透層的材料。這種材料增透效果好、膜層均勻性高，適于不同形狀、尺寸的基片。本發明相比于光刻膠熱回流技術具有透鏡面形較好、陣列填充因子較高、可靠性較高等優點，而且相比于灰度掩模技術具有工藝簡單、成本較低、產品一致性較好、適合大規模生產等優點。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的二氧化硅微透鏡的結構示意圖。
[0019]圖2為本發明的二氧化硅微透鏡的方法流程圖。
[0020]圖3為本發明的二氧化硅微透鏡制作方法的工藝流程圖。
[0021]其中，1:增透層I ;2:透鏡層；3:基底層；4:增透層II ;5:掩模層；6:光刻膠層；7:圓臺；2-1:參硼磷的二氧化硅層I '2-2:第一透鏡層；2-3:參硼磷的二氧化硅層II ;2-4:第二透鏡層。
【具體實施方式】
[0022]實施例1:如圖1、圖3所示，一種二氧化硅微透鏡，包括基底層3和透鏡層2，透鏡層2位于基底層3的正面上，且基底層3和透鏡層2的折射率相同。還包括增透層I I和增透層II 4，所述增透層I I和增透層II 4的厚度相同均為285nm，且等于光在增透層I I或增透層II 4中波長的四分之一，從而使增透層I I和增透層II 4的前后表面的兩反射光相互抵消。
[0023]增透層I I覆蓋于透鏡層2的表面，增透層II 4覆蓋于基底層3的背面。所述透鏡層2的截面呈平凸結構，包括第一透鏡層2-2和第二透鏡層2-4，第一透鏡層2-2為圓臺形狀。第二透鏡層2-4包裹在第一透鏡層2-2上，且通過高溫回流融合為一體。
[0024]其中，基底層3的厚度為300 μ m-500 μ m。基底層3的材料為石英玻璃材料，所述透鏡層2的材料為摻硼、磷的二氧化硅材料，所述增透層I I和增透層II 4的材料為氟化鎂材料。在1550nm入射光波長下，增透層I I和增透層II 4的折射率均為1.359，透鏡層2的折射率為1.445，基底層3的折射率為1.445。
[0025]實施例2:—種二氧化硅微透鏡，包括基底層和透鏡層，透鏡層位于基底層的正面上，還包括增透層I和增透層II，所述增透層I覆蓋于透鏡層的表面，增透層II覆蓋于基底層的背面；所述透鏡層包括第一透鏡層和第二透鏡層，第二透鏡層包裹在第一透鏡層上，且通過高溫回流融合為一體。
[0026]實施例3:—種二氧化硅微透鏡，包括基底層和透鏡層，透鏡層位于基底層的正面上，還包括增透層I和增透層II，所述增透層I覆蓋于透鏡層的表面，增透層II覆蓋于基底層的背面；所述透鏡層包括第一透鏡層和第二透鏡層，第二透鏡層包裹在第一透鏡層上，且通過高溫回流融合為一體。
[0027]所述基底層的材料為石英玻璃材料，這種材料耐熱性好，透明度高，具有優良的光學一致性；所述透鏡層的材料為摻硼、磷的二氧化硅材料，這種材料在高溫回流時具有良好的流動性；所述增透層I和增透層II的材料為氟化鎂材料，這種材料增透效果好、鍍層均勻性高。
[0028]實施例4:一種二氧化硅微透鏡，所述基底層和透鏡層的折射率相同。其余均與實施例3相同。
[0029]實施例5:—種二氧化硅微透鏡，所述基底層和透鏡層的折射率相同。其余均與實施例2相同。
[0030]實施例6:—種二氧化硅微透鏡，所述增透層I和增透層II的厚度相同，且等于光在增透層I或增透層