王 進

(中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米加工平臺，江蘇蘇州 215123)

0 引言

近年來，隨著光學技術在MEMS(微機電系統(tǒng))中越來越深入地應用，進一步發(fā)展為MOEMS(微光機電系統(tǒng))。MOEMS的特點是微型化、規(guī)模化、集成化，廣泛應用于醫(yī)學、航天、通信等領域。微透鏡被廣泛地應用于MOEMS中，從而使系統(tǒng)的集成度和性能都得到了提高。

微透鏡制作方法主要有：

(1)模壓成型法：使材料在熱熔或軟化狀態(tài)通過模具壓制成型，Du Hwan Cha、Ju Hyeon Choi、Jan-Helge Staasmeyer等人先后對此進行了研究[1-4]。該方法對模具的精度要求較高。

(2)高精密加工法：通過設備的精密控制來加工出微透鏡形貌，Tom Nitta等人采用此方法制作了微透鏡[5]。該方法對設備要求高，成本高，效率低。

(3)光刻膠熱熔法：將光刻得到的圓柱圖形加熱至高于玻璃化轉換溫度，使光刻膠在表面張力作用下流動形成微透鏡。Ph Nussbaum、Hiroshi Toshiyoshi和T.H.Lin等人先后對此進行了研究[6-10]。該方法制作微透鏡工藝簡單、成本低，且表面光潔，適于制作微米級的透鏡，對毫米級的透鏡制作則較為困難。

對于焦平面陣列器件來說，盡管單個像元是μm級，但包含M×N像元陣列的芯片則達到了mm級，與此對應的單個透鏡的有效通光口徑也達到了mm級。

本文對適于MOEMS器件的硅微透鏡陣列制造工藝進行了研究。通過光刻膠熱熔法與ICPRIE相結合的方式，實現(xiàn)在硅晶圓上生產(chǎn)微透鏡陣列的硅微加工技術。光刻膠熱熔法研究了多層涂膠及烘烤的方式以及熱熔工藝參數(shù)。ICPRIE控制刻蝕選擇比達到約1∶1，將光刻膠微透鏡轉移到硅晶圓上。獲得的硅微透鏡的通光口徑約為2.4 mm，矢高約為99.85 μm。取樣長度200 μm范圍內(nèi)測得輪廓最大高度Ry約為70 nm。

1 硅基微透鏡陣列制造工藝流程

本文選用4″ 雙拋硅晶圓進行試驗。制造工藝流程主要包含3道工藝，如圖1所示。

(1)厚膠光刻工藝：在硅晶圓上光刻得到圓柱狀光刻膠圖形；

(2)光刻膠熱熔工藝：熱熔光刻膠得到球面輪廓；

(3)深硅刻蝕工藝：通過ICPRIE同時刻蝕光刻膠和硅，并通過調節(jié)至合適的選擇比，將光刻膠微透鏡輪廓轉移到硅晶圓上。

(a)厚膠光刻形成圓柱狀光刻膠圖形

(b)光刻膠熱熔形成球面輪廓

(c)深硅刻蝕將光刻膠微透鏡轉移到硅襯底上圖1 硅基微透鏡陣列制造工藝流程

1.1 厚膠光刻工藝

光刻膠透鏡的直徑取決于圓柱狀光刻膠圖形的直徑和厚度，隨著直徑增加，厚度也需增加。否則后續(xù)熱熔就無法形成球面輪廓。本文選用常用的AZ4620光刻膠，并用多層旋涂法，獲得期望膠厚。

試驗優(yōu)化后，厚膠光刻工藝主要步驟及參數(shù)如下：

(1)將清洗干凈的硅晶圓置于熱板上，100 ℃以上烘烤去除水汽；

(2)選用AZ4620光刻膠，800 r/min勻膠；

(3)熱板100 ℃烘膠；

(4)重復(2)、(3)步完成3層勻膠；

(5)曝光；

(6)顯影。

光刻后測得圖形直徑為2.4 mm，膠厚65 μm。

1.2 光刻膠熱熔工藝

光刻膠輪廓是硅微透鏡輪廓的決定因素之一。而光刻膠熱熔工藝則決定光刻膠的輪廓。熱熔溫度過低，就無法得到理想的球面輪廓；熱熔溫度過高或升溫速率過快，就會使光刻膠中的溶劑瞬間揮發(fā)而產(chǎn)生大量氣泡，從而破壞形成的輪廓。本文通過調節(jié)熱熔溫度和升溫速率來獲得光潔的球面光刻膠輪廓。

試驗優(yōu)化后，光刻膠熱熔工藝曲線如圖2所示。厚膠光刻得到的晶圓置于115 ℃的熱板上，并以2.5 ℃/min的速率升溫至130 ℃，然后取出晶圓并冷卻至常溫。

圖2 光刻膠熱熔工藝曲線

熱熔后，得到通光口徑為2.41 mm、矢高99.9 μm的光刻膠微透鏡陣列。

1.3 深硅刻蝕工藝

光刻膠對硅的刻蝕選擇比是硅微透鏡輪廓的另一個決定因素。通過ICPRIE調節(jié)刻蝕選擇比為1∶1，將光刻膠微透鏡轉移到硅襯底上。從而實現(xiàn)mm級硅基晶圓級鏡頭的制作。當然，也可以調節(jié)其他的刻蝕選擇比來獲得不同曲率的硅微透鏡。本文通過調節(jié)SF6、C4H8和O2的流量、ICP功率和RF功率、氣壓等工藝參數(shù)來控制刻蝕選擇比和表面粗糙度。

試驗優(yōu)化后，主要刻蝕工藝參數(shù)如下：工藝氣體SF6、C4H8、O2的流量分別為5、30、50 sccm，ICP功率和RF功率分別為1 300、50 W，氣壓為10 mTorr。

深硅刻蝕后，光刻膠微透鏡陣列轉移到硅晶圓上，獲得的硅微透鏡陣列局部顯微圖如圖3所示。

圖3 硅微透鏡陣列局部顯微圖

2 測試分析

用臺階儀來測試硅微透鏡的表面輪廓和粗糙度。

2.1 硅微透鏡截面輪廓掃描

硅微透鏡截面輪廓如圖4所示。由圖4可見，獲得的硅微透鏡的通光口徑約為2.4 mm，矢高約為99.85 μm。

2.2 表面粗糙度測試

掃描硅微透鏡陣列之間的刻蝕區(qū)域，取樣長度200 μm，測得輪廓最大高度Ry約為70 nm，表面較為光潔。

3 結論

(1)本文對適于MOEMS器件的硅微透鏡陣列制造工藝進行了研究。通過光刻膠熱熔法與ICPRIE相結合的方式，實現(xiàn)在硅晶圓上生產(chǎn)微透鏡陣列的硅微加工技術。光刻膠熱熔法研究了多層涂膠及烘烤的方式以及熱熔工藝參數(shù)，獲得口徑為2.41 mm、矢高99.9 μm的光刻膠微透鏡陣列。ICPRIE控制刻蝕選擇比達到約1∶1，將光刻膠微透鏡轉移到硅晶圓上。獲得的硅微透鏡的通光口徑約為2.4 mm，矢高約為99.85 μm。取樣長度200 μm范圍內(nèi)測得輪廓最大高度Ry約為70 nm。

(2)通過在不同刻蝕階段控制不同的光刻膠對硅的刻蝕選擇比，可以獲得非球面微透鏡。

致謝

本研究是依托中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所加工平臺提供的設備完成的，在此表示感謝。