MOEMS器件的硅微透鏡陣列制造工藝

王 進

(中國科學院蘇州納米技術(shù)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(shù)在MEMS(微機電系統(tǒng))中越來越深入地應(yīng)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)?；?、集成化，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學、航天、通信等領(lǐng)域。微透鏡被廣泛地應(yīng)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(jié)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(shù)。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(zhuǎn)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(diào)節(jié)至合適的選擇比，將光刻膠微透鏡輪廓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)節(jié)刻蝕選擇比為1∶1，將光刻膠微透鏡轉(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(zhuǎn)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(jié)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(jié)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(shù)。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(zhuǎn)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(shù)與納米仿生研究所加工平臺提供的設(shè)備完成的，在此表示感謝。