一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法与治具与流程

本发明涉及硅透镜制造，更具体的说涉及一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法与治具。

背景技术：

1、随着光电系统向微型化、高密度集成、红外高透及晶圆级封装方向快速发展，光通信cpo、车载激光雷达、红外热成像、微型医疗内窥镜与3d传感等下游领域需求持续爆发，推动硅基微透镜成为高端光电设备的核心光学元件。相较于传统玻璃透镜，硅透镜具备红外透过性优异、热稳定性好、与硅基芯片热膨胀匹配度高、适配半导体晶圆级量产等显著优势，有效解决了传统光学器件体积大、集成难度高、一致性差的痛点，行业国产化替代与高端产能升级需求迫切。目前行业主流量产方案为光刻胶热回流结合干法刻蚀形貌转印工艺，该工艺兼容标准半导体产线，可实现整片晶圆微透镜阵列同步成型，具备量产成本低、表面光洁度高、阵列均匀性好的特点，是现阶段球面硅微透镜批量制造的核心技术。

2、但现有传统热回流工艺仍存在明显技术短板，透镜曲率与矢高调控范围有限，难以制备大数值孔径、非球面结构透镜；同时工艺参数对成型效果影响敏感，对温度把控不到位，无法管控气流扰动等，易出现透镜畸变、阵列同轴度偏差、晶圆全域面型一致性不足等问题，制约了高精度、高性能硅微透镜的产业化应用，因此亟需优化改良热回流成型技术，突破现有工艺瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法与治具，通过晶圆倒置、密闭式治具隔离气流、点/线接触支撑及常压环境等多重手段，有效提升了微透镜阵列的面型、曲率半径和矢高均匀性，适合规模化量产。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法，包括如下步骤：

4、s1、将烘箱进行预热至75-85℃；

5、s2、将晶圆以有效面朝下的方式倒置装入治具中，并且晶圆仅通过边缘非有效面与治具接触；

6、s3、将治具盖合形成密封室后置入烘箱中；

7、s4、向烘箱内充入保护气体，排出空气，保持常压环境；

8、s5、烘箱以3-7℃/min的升温速率加热25-40分钟，使温度从75-85℃上升至140-200℃，并在140-200℃保持5-10分钟；

9、s6、热回流完成后，将治具取出并进行冷却，冷却时间为10-20min，随后可进行下一轮作业。

10、进一步所述步骤s2中晶圆放入到治具中后，晶圆与治具内密封室最上方和与治具内密封室最下方的距离是相等的。

11、进一步所述步骤s4中所述保护气体为氮气或氩气。

12、进一步所述步骤s5中所述烘箱的升温速率为5℃/min，加热时间为30分钟，目标温度为160-180℃，保温时间为8分钟。

13、一种用于一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法的治具，包括底座和上盖，所述上盖能够盖合于底座上使底座和上盖内部形成密封室，所述底座内边缘位置设置有若干环形排布的支撑柱，所述支撑柱上设置有支撑结构，所述支撑结构为点接触或线接触结构，所述支撑结构的支持面与密封室最上部和最下部的距离相等。

14、进一步所述支撑结构为点接触结构，所述点接触结构包括支撑针，所述支撑针设置于支撑柱上，当晶圆放置时若干支撑针与晶圆接触支撑。

15、进一步所述支撑结构为线接触结构，所述支持柱朝向中心的一侧设置有放置台面，所述放置台面中心拱起成弧形，晶圆能够放置于放置台面上并进行线接触。

16、进一步所述底座和上盖直接设置有锁定结构。

17、进一步所述底座和上盖直接设置有密封圈。

18、进一步所述底座和上盖的材质为耐高温金属材料或耐高温陶瓷材料。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、显著提升微透镜阵列的均匀性：通过晶圆倒置、边缘点/线接触支撑以及晶圆定位于密封室几何中心等多重手段，最大限度减少了固体热传导和温度场不对称对晶圆面内温度分布的影响。晶圆主要通过热辐射和热对流均匀受热，片内各区域温度差异极小，使得整片晶圆上数千乃至数万个微透镜在面型、roc和矢高方面保持高度一致。

21、2、有效避免“爆胶”与表层结皮缺陷：采用烘箱预热至75-85℃后置入晶圆，使晶圆逐步适应温度环境，避免了直接将常温晶圆置入高温环境造成的热冲击。配合3-7℃/min的平缓升温速率，确保光刻胶柱内外温度同步上升、同步熔融，杜绝了"爆胶"现象。常压环境下溶剂平缓挥发，避免了真空环境下表层提前硬化结皮的问题。

22、3、消除气流扰动对成型质量的影响：密闭式治具将晶圆与外部烘箱腔体的气流环境隔离，晶圆在密封室内处于静止气体氛围中。即使烘箱内部存在热风循环造成的气流扰动，也不会直接作用于晶圆表面的光刻胶柱，彻底消除了气流对熔融态光刻胶成型过程的干扰。

23、4、兼顾批量化生产与工艺灵活性：烘箱式加热方式可同时容纳多个治具进行多片晶圆同步热回流，相较于单片处理的热板方式大幅提升了产能。同时，热回流完成后仅需10-20分钟的冷却时间即可开启下一批次作业，批次间切换灵活，设备利用率高，适合规模化量产需求。

24、5、重力辅助成球提升透镜饱满度：晶圆以有效面朝下的方式倒置，熔融态光刻胶在表面张力的基础上额外受到重力向下的作用，两者方向一致，共同驱动胶体向下流动成球。相比正置方式（重力与表面张力方向相反或垂直），倒置方式使透镜更易获得饱满的球面轮廓，尤其有利于大矢高、大数值孔径微透镜的制备。

25、6、密封室内自生加压效应提升面型一致性：晶圆加热过程中光刻胶释放的有机溶剂蒸气被限制在密闭室内无法逸出，随着温度升高，密封室内气压自然升高。这一均匀的静压力作用于所有微透镜表面，使熔融态光刻胶在成球过程中受到各向同性的压应力，有利于消除局部表面缺陷，进一步提升片内透镜面型、roc和矢高的一致性。

26、7、治具结构精巧、耐用、易维护：底座与上盖通过扣合结构快速盖合，操作简便；密封圈确保气密性；耐高温金属或陶瓷材质保证长期使用中的尺寸稳定性和抗腐蚀性。支撑针或弧形放置台面等点/线接触结构加工精度高、磨损后可快速更换，降低了治具的维护成本和使用寿命周期费用。

1.一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法，其特征在于：所述步骤s2中晶圆放入到治具中后，晶圆与治具内密封室最上方和与治具内密封室最下方的距离是相等的。

3.根据权利要求1所述的一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法，其特征在于：步骤s4中所述保护气体为氮气或氩气。

4.根据权利要求1所述的一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法，其特征在于：步骤s5中所述烘箱的升温速率为5℃/min，加热时间为30分钟，目标温度为160-180℃，保温时间为8分钟。

5.一种用于权利要求1-4中任一项所述一种密闭式硅透镜倒置热回流工艺方法的治具，其特征在于：包括底座和上盖，所述上盖能够盖合于底座上使底座和上盖内部形成密封室，所述底座内边缘位置设置有若干环形排布的支撑柱，所述支撑柱上设置有支撑结构，所述支撑结构为点接触或线接触结构，所述支撑结构的支持面与密封室最上部和最下部的距离相等。

6.根据权利要求5所述的治具，其特征在于：所述支撑结构为点接触结构，所述点接触结构包括支撑针，所述支撑针设置于支撑柱上，当晶圆放置时若干支撑针与晶圆接触支撑。

7.根据权利要求5所述的治具，其特征在于：所述支撑结构为线接触结构，所述支持柱朝向中心的一侧设置有放置台面，所述放置台面中心拱起成弧形，晶圆能够放置于放置台面上并进行线接触。

8.根据权利要求5所述的治具，其特征在于：所述底座和上盖直接设置有锁定结构。

9.根据权利要求5所述的治具，其特征在于：所述底座和上盖直接设置有密封圈。

10.根据权利要求5所述的治具，其特征在于：所述底座和上盖的材质为耐高温金属材料或耐高温陶瓷材料。