一种具有支撑结构的集成微透镜及其制备方法

1.本发明属于光探测器和微透镜领域，尤其涉及一种具有支撑结构的集成微透镜制备方法。


背景技术：

2.基于iii-v族半导体材料制成的光探测器广泛应用于光探测器芯片中，光探测器有源区的直径决定着探测器的性能，由于受到光耦合效率的限制，光探测器有源区的直径一般较大，较大的有源区直径会导致器件的结电容变大，使得rc常数增加。微透镜的引入有效的解决了这一问题，在光探测器的背面集成微透镜，可使光探测器有源区的直径大大减小，从而减小了光探测器的体积，使得光探测器更利于集成和大规模量产。
3.使用光刻胶热熔法是现在制备微透镜的主要方法之一，但制备的微透镜的拱高往往都高于周围区域，如果在微透镜制备过程中不采取特殊的防护处理，将使得微透镜顶部暴露在非微透镜区域的表面上方，封装时易破坏微透镜顶部的形貌，不利于微透镜的集成和封装。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有支撑结构的集成微透镜制备方法。本发明实现了受周围支撑的集成微透镜结构，制备过程中周围支撑结构无需再采取特殊的防护处理，优化了微透镜的制备工艺以及提高了光探测器的有效光敏面面积，有利于微透镜与光探测器的集成和成品封装。
5.第一方面，本发明实施例提供的具有支撑结构的集成微透镜制备方法，包括以下步骤：
6.1)准备衬底、大孔径光刻版和微透镜直径的光刻版；
7.2)在所述衬底上生长掩膜；
8.3)在掩膜表面匀胶，用所述大孔径光刻版进行曝光，对衬底进行显影；
9.4)对显影后的衬底进行掩膜开孔处理，进行高温icp刻蚀；
10.5)对高温icp刻蚀后的衬底进行第二次匀胶，用所述微透镜直径的光刻版对第二次匀胶的衬底进行第二次曝光，对衬底进行第二次显影；
11.6)对第二次显影后的衬底进行光刻胶热熔，形成微透镜形貌的胶型；
12.7)对热熔后的衬底进行低温icp刻蚀，将光刻胶的微透镜形貌复制到衬底上。
13.本发明通过先生长一定厚度掩膜、两次光刻、高温和低温两次icp刻蚀的方式，实现一种受周围支撑的集成微透镜结构，制备过程中周围支撑结构无需再采取特殊的防护处理，优化了微透镜的制备工艺，提高了光耦合效率，重复性高，易于与探测器单片集成，有利于微透镜与光探测器的集成和成品封装，适用于小尺寸、可集成微透镜的成型。
14.作为优选，步骤1)中，所述衬底为光探测器中使用的硅衬底或磷化铟衬底；所述大孔径光刻版的直径不小于200um，优选为200um～220um；所述微透镜直径的光刻版直径为80
～120um，所述微透镜直径的光刻版直径优选100
±
5um。本发明采用优选的大孔径光刻版直径为200μm，微透镜光刻版直径为100μm，能够使得入射光经过所制备的微透镜汇聚到光探测器的吸收层区域，从而可以减小有源区的直径进一步提升器件的性能。
15.进一步优选，步骤2)中，所述掩膜的材料为二氧化硅，且均匀生长在所述衬底的刻蚀侧。
16.进一步优选，步骤3)中，所述掩膜表面的光刻胶为根据设计的集成微透镜选择的光刻胶，光刻胶均匀涂覆在所述腌膜表面；根据腌膜厚度和光刻胶厚度设置曝光时间。
17.进一步优选，步骤4)中，根据掩膜厚度进行开孔处理；开孔处理后根据所述高温icp刻蚀的掩膜和衬底材料的刻蚀选择比来刻蚀出制备微透镜的区域；所述高温icp刻蚀的温度为170℃～190℃。本发明采用优选的高温icp刻蚀的温度为180℃，刻蚀出光滑且平整的制备微透镜的区域。
18.进一步优选，步骤5)中，所述第二次匀胶的光刻胶为根据所述设计的集成微透镜选择的光刻胶，所述光刻胶均匀涂覆在所述制备微透镜区域表面，根据第二次匀胶的光刻胶厚度设置第二次曝光时间。
19.进一步优选，步骤6)中，根据制备透镜的直径和拱高设置热熔温度和热熔时间；热熔温度不低于150℃，热熔时间不低于3min。本发明采用优选的热熔温度为150℃，热熔时间为3min，制作出表面光滑、边缘完整的微透镜形貌的胶型。
20.进一步优选，步骤7)中，根据所述低温icp刻蚀的光刻胶和衬底材料的刻蚀选择比，将光刻胶的微透镜形貌复制到衬底上，最终刻蚀出所述具有支撑结构的微透镜，所述低温icp刻蚀温度为15℃～25℃。本发明采用优选的低温icp刻蚀温度为20℃，制备出表面光滑、边缘完整的可集成微透镜。
21.第二方面，本发明实施例提供一种具有支撑结构的集成微透镜，由所述的具有支撑结构的集成微透镜的制备方法制得。
22.本发明的有益效果至少在于：本发明通过先生长一定厚度掩膜、两次光刻、高温和低温两次icp刻蚀的方式，实现一种受周围支撑的微透镜结构，制备过程中周围支撑结构无需再采取特殊的防护处理，优化了微透镜的制备工艺；将光刻胶通过热熔法形成微透镜形貌的胶型，利用低温icp刻蚀将微透镜形貌从光刻胶复制到衬底上，增强了微透镜的耐用性；制备的微透镜拱高低于周围的区域，形成一种具有支撑结构的集成微透镜，保护了微透镜的形貌，便于微透镜与光探测器的集成，有利于成品的封装。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图作简单介绍，在所有的附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的具有支撑结构的集成微透镜的背入射式iii-v族半导体光探测器侧向结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的生长掩膜到刻蚀出制备微透镜区域的结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的生长掩膜到刻蚀出制备微透镜区域的结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的生长掩膜到刻蚀出制备微透镜区域的结构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的第二次光刻后制备微透镜的光刻胶厚度的结构示意图。
29.图6为本发明实施例提供的热熔后形成具有微透镜形貌的光刻胶胶型的结构示意图。
30.图7为本发明实施例提供的具有支撑结构的集成微透镜的结构示意图。
31.附图标记:
32.1-掩膜；2-衬底；3-高于制备微透镜区域的支撑结构；
33.4-第二次匀刻蚀微透镜的光刻胶；5-具有支撑结构的集成微透镜。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
35.以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
36.在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.为了便于理解，图1为实施例中具有支撑结构的集成微透镜的背入射式iii-v族半导体光探测器侧向结构示意图，图2至图7为实施例中具有支撑结构的半球形集成微透镜的成型图示，但本发明实施例的技术方案并不仅限于成型半球形的集成微透镜制备，也可成型其它形状的集成微透镜。本实施例中的具有支撑结构的集成微透镜在背入射式的iii-v族半导体材料的光探测器基础上，在完成外延生长、流片工艺以及部分减薄抛光后进行微透镜的制备，本实施例提供的制备方法包括：
38.步骤1，准备制作微透镜的衬底、具有大孔径的光刻版和具有微透镜直径的光刻版。
39.如图2所示，所使用的衬底2为光探测器中的硅衬底、或者磷化铟衬底，通过软件设计并制备出光刻版的直径，大孔径光刻版的直径不小于200微米优选200um～220um，微透镜直径的光刻版直径约为100微米，采用更优的大孔径光刻版直径为200μm，微透镜光刻版直径为100μm。
40.步骤2，在衬底的刻蚀侧生长一定厚度的掩膜。
41.如图2-3所示，掩膜1的材料一般为二氧化硅，且按照一定的厚度均匀生长在衬底的刻蚀侧。
42.步骤3，将掩膜表面匀上光刻胶并用大孔径光刻版进行曝光，曝光后对衬底进行显影。
43.生长均匀掩膜后，按照一定的厚度将第一次光刻使用的光刻胶均匀涂覆在掩膜上，第一次使用的光刻胶为根据所述设计的微透镜选择的光刻胶，然后用大孔径光刻版对其进行一定时间的曝光，曝光后等待3至5分钟，进行一定时间的显影处理。
44.步骤4，对显影后的衬底进行掩膜开孔处理，开孔后进行高温icp刻蚀，刻蚀出要制备微透镜的区域。
45.通过开孔处理，得到衬底待刻蚀区域，利用高温icp刻蚀对待刻蚀区域进行刻蚀处理，通过计算掩膜材料与衬底材料的刻蚀比来确定高温icp刻蚀时间，高温icp刻蚀可以加快对衬底材料的刻蚀速率，使其快速形成具有支撑结构的台面，高温icp刻蚀的温度为170℃至190℃之间，优选的高温icp刻蚀的温度为180℃，刻蚀出光滑且平整的制备微透镜的区域。如图4所示，刻蚀出要制备微透镜的区域，其中3为高于制备微透镜区域的支撑结构。
46.步骤5，对高温icp刻蚀后的衬底进行第二次匀光刻胶，用微透镜直径的光刻版对第二次匀胶的衬底进行第二次曝光，第二次曝光后对衬底进行第二次显影。
47.对刻蚀出待刻微透镜区域的衬底进行第二次匀刻蚀微透镜的光刻胶4，如图5所示，光刻胶的厚度根据热熔后透镜的拱高高度来决定，待刻透镜的光刻胶均匀涂覆在制备微透镜区域的表面，根据第二次匀的光刻胶厚度来设置第二次曝光的曝光时间，曝光后等待3至5分钟，进行一定时间的显影处理。
48.步骤6，对第二次显影后的衬底进行加热，通过光刻胶的表面张力热熔成球冠型，直至形成微透镜形貌的胶型。
49.如图6所示，对显影后的片子进行一定温度和一定时间的热熔，通过控制热熔的温度和时间使微透镜区域的光刻胶利用表面张力形成微透镜形貌的胶型，热熔的时间一般不小于3分钟，温度一般不低于150℃，为制作出表面光滑、边缘完整的微透镜形貌的胶型，优选的热熔温度为150℃，热熔时间为3min。由于下一步的低温icp刻蚀无法改变微透镜的直径和拱高，所以此时的光刻胶直径和拱高均为制备的微透镜的尺寸和高度。
50.步骤7，对热熔后的衬底进行低温第二次icp刻蚀，将光刻胶的微透镜形貌复制到衬底上形成具有周围保护结构的微透镜。
51.通过光刻胶和衬底材料的刻蚀比来确定所需低温第二次icp刻蚀的时间，从而将光刻胶的微透镜形貌复制到衬底上，为了防止糊胶，低温icp刻蚀的温度为15℃至25℃，为更好地制备出表面光滑、边缘完整的可集成微透镜，优选的低温icp刻蚀温度为20℃，在衬底另一面使用真空硅脂或泵油对其进行导热。如图7所示，最终得到具有支撑结构的集成微透镜5。
52.至此，已对本发明实施例中具有支撑结构的集成微透镜制备方法进行了详细说明，这种制备方法，首先通过生长一层掩膜，高温icp刻蚀出制备集成微透镜的区域；然后进行光刻胶热熔，在制备微透镜区域得到微透镜形貌的胶型；最后利用设定好的低温icp刻蚀的刻蚀比来将光刻胶的微透镜形貌复制到衬底上，最终得到具有支撑结构的集成微透镜。
53.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。