光学元件结构及用于其的光学元件制造工艺 |
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| 申请号 | CN201310141615.1 | 申请日 | 2013-04-22 | 公开(公告)号 | CN103941313B | 公开(公告)日 | 2016-06-29 |
| 申请人 | 台湾积体电路制造股份有限公司; | 发明人 | 曾俊豪; 郭英颢; 陈海清; 包天一; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种光学元件结构和该光学元件结构的制造工艺。光学元件制造工艺包括提供其上形成有突出物的衬底；以及通过沉积方案在突出物和衬底上方形成上覆涂层以形成光学元件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光学元件制造方法，包括： |
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| 说明书全文 | 光学元件结构及用于其的光学元件制造工艺技术领域背景技术[0003] 通常，利用微透镜将光引导至光敏元件，并且微透镜通常用作聚焦元件。微透镜是在半导体衬底上方形成在光敏元件上的小透镜。因为光穿过微透镜，所以重要的是精确地成形用于将光引导至光敏元件上的微透镜。在一些实例中，微透镜将光图案转换为电荷图案。 [0004] 通常，通过硬成型方法来形成微透镜。然而，硬成型方法很难制造较小的微透镜图案和在较大区域上保持相同的均匀性。 [0005] 另一种方法包括可光图案化聚合物和热回流工艺。常常通过图案化在滤色器或光敏元件、介电层或其他衬底部件上方形成的聚合物层来形成微透镜。随后实施热回流工艺以加热用于变形的图案化的聚合物，从而制造微透镜的期望形状。在一些实例中，在下面的衬底中所形成的相应图像传感器的上方对准每个微透镜。因此，每个微透镜上的入射光都聚焦于相应的图像传感器。在这样的工艺中，通过聚合物的属性来确定和限制微透镜的曲率，并且回流步骤所需的工艺温度很高。 [0006] 然而，由于设计尺寸减小，所以在制造微透镜期间会产生值得关注的问题。例如，由于设计尺寸减小，所以微透镜更紧密地放置在一起。由于微透镜更紧密地放置在一起，所以微透镜在热回流步骤期间趋向于融合。由于微透镜之间的间距缩短，所以很难控制高温下所采用的回流步骤，并且难以阻止微透镜融合。 [0007] 值得关注的另一问题涉及焦距。由于更多的电路被集成到半导体芯片中，所以器件的厚度由于附加层而增加。因为附加层增大了焦距，因此需要更薄的微透镜。用于制造更薄的微透镜的热回流工艺通常使用更高的温度，从而导致微透镜融合的可能性增大。 [0008] 值得关注的另一问题在于光学互连件和光波导。光波导的制造工艺面临着类似于制造微透镜的问题。在一些实例中，需要额外的微透镜以被配置为利用光波导。 发明内容[0010] 用于形成光学元件的光学元件制造工艺包括形成衬底、一组块体(block)和上覆涂层。在衬底上形成该组块体，块体的每一个都具有可控的纵横比。通过沉积方法在衬底和该组块体上方形成上覆涂层以根据纵横比形成光学元件。 [0011] 在光学元件结构中，该结构包括衬底、一组块体和弯曲层。在衬底上形成该组块体。在该组块体和衬底上方形成弯曲层。 [0012] 在用于形成光学元件的光学元件结构中，该结构包括衬底、突出物和上覆涂层。在衬底上形成突出物。在突出物和衬底上方形成上覆涂层。 [0013] 为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种光学元件制造方法，包括：提供其上形成有一组块体的衬底，每个块体都具有可控的纵横比；以及通过沉积方案在所述一组块体和所述衬底上方形成上覆涂层以根据所述纵横比形成光学元件。 [0014] 在该方法中，所述光学元件是微透镜和波导中的一种。 [0016] 在该方法中，提供步骤进一步包括实施光刻工艺和蚀刻工艺中的一种以在所述衬底上形成所述一组块体。 [0017] 在该方法中，所述上覆涂层进一步包括选自由微透镜材料、滤色器材料和波导材料所组成的组中的一种材料。 [0020] 在该方法中，所述一组块体具有密度参数，所述沉积方案具有旋涂速度参数，所述上覆涂层具有相对于所述一组块体的粘性参数和界面性能参数。 [0021] 该方法进一步包括：实施烘焙工艺的步骤。 [0022] 在该方法中，所述波导是聚集光的整体。 [0023] 在该方法中，所述一组块体和所述上覆涂层包括相同的材料。 [0024] 根据本发明的另一方面，提供了一种光学元件结构，包括：衬底；一组块体，形成在所述衬底上；以及弯曲层，形成在所述一组块体和所述衬底上方。 [0025] 在该结构中，所述一组块体具有相同的纵横比。 [0026] 该结构进一步包括：位于所述一组块体中的两个相邻块体之间的间隔。 [0027] 在该结构中，所述弯曲层具有凸起部分和凹进部分，所述凸起部分和所述凹进部分分别具有各自的曲率半径。 [0028] 在该结构中，所述一组块体具有递减的纵横比。 [0029] 该结构进一步包括：斜度为20度的锥形。 [0030] 该结构进一步包括：所述一组块体相对于所述弯曲层的折射率。 [0031] 在该结构中，所述折射率小于0.3，并且以300nm至800nm的范围内的波长进行测量。 [0033] 通过参考附图所进行的以下描述可以更好地理解本发明，其中： [0034] 图1是示出根据本发明所制造的半导体结构中的初始结构的示意图； [0035] 图2是根据本发明示出在半导体结构中所实施的光刻工艺的示意图； [0036] 图3是示出根据本发明所制造的半导体结构中的一组块体的示意图； [0037] 图4是示出根据本发明所制造的半导体结构中的光刻胶层的示意图； [0038] 图5至图7是根据本发明示出在半导体结构中所实施的蚀刻工艺的示意图； [0039] 图8是示出根据本发明所制造的半导体结构中的上覆涂层的示意图； [0041] 图10是示出根据本发明所制造的半导体结构中的微透镜阵列的示意图； [0042] 图11是根据本发明示出在半导体结构中所实施的光刻工艺的示意图； [0043] 图12是示出根据本发明所制造的半导体结构中的一组块体的示意图； [0044] 图13是示出根据本发明所制造的半导体结构中的光刻胶层的示意图； [0045] 图14至图15是根据本发明示出在半导体结构中所实施的蚀刻工艺的示意图； [0046] 图16是示出根据本发明所制造的半导体结构中的沉积工艺的示意图； [0047] 图17和图18是根据本发明示出在半导体结构中所实施的蚀刻工艺的示意图； [0048] 图19是示出根据本发明所制造的半导体结构中的沉积工艺的示意图； [0049] 图20是示出根据本发明所制造的半导体结构中的显影工艺的示意图； [0050] 图21是示出根据本发明所制造的半导体结构中的蚀刻工艺的示意图； [0051] 图22是示出根据本发明所制造的半导体结构中的一组块体的示意图； [0052] 图23和图24是示出根据本发明所制造的半导体结构中的波导的示意图；以及[0053] 图25是根据本发明示出形成半导体结构的半导体制造工艺的流程图。 具体实施方式[0054] 以下将关于具体实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于具体实施例和附图，而是仅通过权利要求进行限定。所描述的附图仅是示意性的而不用于限制。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可以被任意地增大而不必按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定与实际尺寸相对应。 [0055] 而且，说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”等用于区分类似的元件而不用于以等级或任何其他的方式来描述时间或者空间的序列。应该理解，这样使用的术语在合适的情况下是可以互换的，并且本文所描述的实施例能够以不同于本文中所描述或示出的序列的其他序列进行操作。 [0056] 再者，说明书和权利要求中的术语“顶部”、“底部”、“在......上方”、“在......下方”等用于描述的目的而不用来表示相对位置。应该理解，这样使用的术语在合适的情况下是可以互换的，并且本文中所描述的实施例能够以不同于本文中所描述或所示出定向的其他定向进行操作。 [0057] 应该注意，权利要求中所使用的术语“包括”不应该解释为限制于以下所列举的装置；其并不排除其他元件或步骤。因此，该术语应该被解释为指出存在所述部件、整数、步骤或组件被称为(但并不排除)存在或增加一个或多个其他部件、整数、步骤或部件或它们的组。因此，“器件包括装置A和B”的表述的范围不应该限于“器件仅包括部件A和B”。 [0058] 整个说明书中参考“一个实施例”或“某个实施例”意味着结合实施例所描述的具体部件、结构或特征包括在至少一个实施例中。说明书中各个位置出现的短语“在一个实施例中”、“在某个实施例中”不一定都指的是同一个实施例，但是也可以指同一个实施例。而且，在一个或多个实施例中，本领域技术人员通过本发明应该理解，可以以任何合适的方式结合具体的部件、结构或特征。 [0059] 类似地，应该理解，在示例性实施例的描述中，各种部件有时组合在一个实施例、附图及其描述中，从而用于精简本发明和帮助理解各个发明方面中的一个或多个。然而，本发明的该方法不应该解释为反应所要求的发明内容需要比每一项权利要求所明确列举的更多部件的意图。相反，如同以下权利要求所反映的，本发明的发明方面在于比单个前述实施例中的所有部件更少的部件。因此，详细的说明书后的权利要求明确地结合到说明书中，每一项权利要求都代表其具有的一个单独的实施例。 [0060] 再者，本领域技术人员应该理解，本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些部件，但不包括其他实施例中所包括的其他部件，不同实施例的部件组合意图包括在本发明的范围内并且形成不同的实施例。例如，在以下权利要求中，可以以任何的组合来使用所要求的实施例中的任何一个。 [0061] 在本文提供的说明书中，阐述了许多具体细节。然而，应该理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些实施例。在其他情况下，为了不使本发明的理解模糊，没有详细地示出众所周知的方法、结构和技术。 [0062] 本发明所包括的沉积方案可以指的是选自由旋涂方案、电镀方案、原子层沉积方案、基于物理的汽相沉积方案、基于化学的汽相沉积方案、共形沉积方案、非共形沉积方案和它们的组合所组成的组。本发明所包括的蚀刻方案(例如局部蚀刻方案、主要蚀刻方案或回蚀方案)可以指的是选自由干蚀刻方案、湿蚀刻方案、各向同性蚀刻方案、各向异性蚀刻方案和它们的组合所组成的组中的一种。本发明所包括的抛光方案可以指的是化学机械抛光方案。 [0063] 现在通过对数个实施例的详细说明来描述本发明。根据本领域技术人员的知识，在不背离本发明的正确技术教导的情况下配置其他实施例是显而易见的，仅通过所附权利要求来限定本发明范围。 [0064] 现在，参考图1至图10，通过半导体制造工艺的微透镜的一系列过渡结构示出根据本发明的第一个实施例。图1是示出根据本发明所制造的半导体结构中的初始结构的示意图。在图1中，初始结构包括衬底10和透明层11。通过已知的沉积方案(诸如旋涂方案、ALD方案、基于汽相的沉积方案等)在衬底10上形成透明层11。衬底10包括玻璃、树脂、滤色器和晶圆等的材料。 [0065] 图2是根据本发明示出在半导体结构中所实施的光刻工艺的示意图。在图2中，结合具有预定图案的光掩模12通过实施光刻方案来图案化透明层11，其中，在透明层11上实施软烘(还被称为预烘焙)方法然后在其上应用曝光方法。透明层11是光敏聚合材料、光敏旋涂介电材料等。 [0066] 图3是示出根据本发明所制造的半导体结构中的一组块体的示意图。在图3中，通过实施显影工艺在衬底10上形成多个沟槽13，并且相应地将透明层11转换为一组块体14(还被称为一组突出物)。 [0067] 图4是示出根据本发明所制造的半导体结构中的光刻胶层的示意图。在一些实施例中，透明层11由没有光敏性的材料制成。因此，如图4所示，通过沉积工艺在透明层11上形成光刻胶层20，并且用光掩模12来实施光刻方案以转印光刻胶层20上的预定图案。 [0068] 图5至图7是根据本发明示出在半导体结构中所实施的蚀刻工艺的示意图。在图5中，通过显影工艺去除光刻胶层20中的预定的不想要的部分，从而形成多个开口22。在图6中，多个开口22进一步向下加深至与衬底10共面的平面。在图7中，随后通过剥离工艺去除光刻胶层20的剩余部分，从而形成与图3中的一组块体14相同的一组块体14。 [0069] 图8是示出根据本发明所制造的半导体结构中的上覆涂层的示意图。在图8中，为了在该组块体14和衬底10上方形成透明弯曲层15，随后实施沉积方案，尤其是旋涂工艺。透明弯曲层15是由聚合材料、旋涂介电材料(SOD)或者可以应用于旋涂工艺中的材料制成，并且在该组块体14和透明弯曲层15中适合使用相同的材料。 [0070] 透明弯曲层通过结合金属纳米微粒、半导体纳米微粒等用作波吸收的材料。因此，透明弯曲层15能够用作滤色层。 [0071] 图9是示出根据本发明所制造的半导体结构中的热处理的示意图。在图9中，在透明弯曲层15上实施烘焙工艺以蒸发残留的溶剂和确定透明弯曲层15的形状，从而形成一组微透镜17。为了使透明弯曲层15硬化，实施表面处理16，诸如紫外(UV)固化处理、浮渣去除处理、漂白处理、化学溶剂处理等。在一些实施例中，在高达100摄氏度的情况下实施烘焙工艺。 [0072] 例如，通过用来自UV光源的UV光照射一组微透镜17来实施UV固化处理，并且通过在光刻机(stepper)中暴露该组微透镜17来实施漂白处理。通过用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和丙酮处理该组微透镜17的表面来实施化学溶剂处理。通过用氧等离子体处理该组微透镜17的表面来实施浮渣去除处理。 [0073] 图10是示出根据本发明所制造的半导体结构中的微透镜阵列的示意图。在图10中，该组微透镜17的配置包括衬底10、形成在衬底10上的一组块体14和位于顶部的透明弯曲层15。透明弯曲层15具有凸起部分18和凹进部分19，这两个部分具有相应的曲率半径。随后，通过多个参数来控制曲率半径。这些参数包括该组块体14中的一个块体的纵横比、该组块体14之间的间隔、透明弯曲层15的材料的粘性和旋涂方案的速度。 [0074] 为了利用该组微透镜17，该组块体14和透明弯曲层15之间的折射率应该小于0.3并且在波长为300nm至800nm的范围内测量该折射率，在该组块体14和透明弯曲层15中适合使用相同的材料是以便达到最大转换和最小散射。 [0075] 现参考图11至图23，通过半导体制造工艺的波导的一系列过渡结构示出根据本发明的第二个实施例。图11是根据本发明示出在半导体结构中所实施的光刻工艺的示意图。在图11中，初始结构包括衬底201和层202。通过已知的沉积方案(诸如旋涂方案、ALD方案、基于汽相的沉积方案等)在衬底201上形成层202。衬底201包括选自由覆盖层、印刷电路板、平面镜、凸块下金属化层、玻璃、树脂、半导体晶圆等所组成的组中的一种。结合用具有预定图案的第一光掩模2001通过实施光刻方案来图案化层202，其中，第一光掩模2001是灰度掩模，在层202上实施软烘(还被称为预烘焙)配方，然后在其上应用曝光配方。层202包括光敏聚合材料、光敏旋涂介电材料等。 [0076] 图12是示出根据本发明所制造的半导体结构中的一组块体的示意图。在图12中，由于灰度掩模的影响，通过显影工艺将层202转换为具有不同纵横比的一组块体204，其中纵横比递减。该组块体204包括选自由烯丙基树脂(allyic resin)、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯并环丁烯、含氟聚酰亚胺、SiOxNy、旋涂介电材料等组成的组中的一种。 [0077] 图13是示出根据本发明所制造的半导体结构中的光刻胶层的示意图。在一些实施例中，通过蚀刻方案形成该组块体204。如图13所示，通过沉积工艺在层202上形成光刻胶层203。 [0078] 图14和图15是根据本发明示出在半导体结构中所实施的蚀刻工艺的示意图。在图14中，用具有预定图案的第二光掩模2002来实施光刻方案，然后通过显影工艺去除光刻胶层203的预定的不想要的部分，从而形成第一凹槽205。在图15中，第一凹槽205通过蚀刻工艺进一步向下加深至预定深度以形成第一通孔206。 [0079] 图16是示出根据本发明所制造的半导体结构中的沉积工艺的示意图。在图16中，实施沉积工艺以填充第一通孔206至与光刻胶层203共面的平面。 [0080] 图17和图18是根据本发明示出在半导体结构中所实施的蚀刻工艺的示意图。在图17中，实现第三光掩模2003以通过光刻方案转换光刻胶层203上的期望图案。实施显影工艺以具有期望图案的第二凹槽207。在图18中，第二凹槽207通过蚀刻工艺进一步向下加深至预定深度以形成第二通孔208。 [0081] 图19是示出根据本发明所制造的半导体结构中的沉积工艺的示意图。在图19中，实施沉积工艺以填充第二通孔208至与光刻胶层203共面的平面。 [0082] 图20是示出根据本发明所制造的半导体结构中的显影工艺的示意图。在图20中，实现第四光掩模2004以通过光刻方案转换光刻胶层203上的期望图案。实施显影工艺以去除光刻胶层203的期望图案，从而形成多个凹槽209。 [0083] 图21是示出根据本发明所制造的半导体结构中的蚀刻工艺的示意图。在图21中，多个凹槽209通过蚀刻工艺进一步向下加深至与衬底201共面的平面以形成多个通孔210。 [0084] 图22是示出根据本发明所制造的半导体结构中的一组块体的示意图。在图22中，为了形成该组块体204，随后通过剥离工艺去除光刻胶层203的剩余部分。 [0085] 图23至图24是示出根据本发明所制造的半导体结构中的波导的示意图。在图23中，为了形成波导300，通过沉积方案(尤其是旋涂工艺)在该组块体204和衬底201上方形成上覆涂层211。上覆涂层211由覆盖层、聚合材料、旋涂介电材料(SOD)或者可以应用于旋涂工艺的材料制成，并且在该组块体204和上覆涂层211中适合使用相同的材料。在一些实施例中，在通过诸如湿蚀刻工艺的蚀刻工艺所形成的成角度的侧壁212上形成上覆涂层211，成角度的侧壁212是，从而如图24所示，形成波导300。在一些实施例中，波导300是具有斜度为20度的锥形的聚集光的完整的整体。 [0086] 在上述工艺中，可以通过多个参数高度调节光学元件的形状和性能。第一参数是每个块体的纵横比，其中，在光刻工艺或蚀刻工艺中纵横比是可控的。因此，可以通过纵横比的变化来制造微透镜或波导。其他参数是该组块体的密度、旋涂工艺的旋涂速度、上覆涂层的粘性、上覆涂层和该组块体之间的界面性能等。 [0087] 为了概括用于形成半导体结构的一系列上述过渡结构的工艺，可以相应地提供半导体制造工艺。现在，参考图25，该附图示出根据本发明形成半导体结构的半导体制造工艺的流程图。 [0088] 步骤1001提供衬底。步骤1002在衬底上沉积层。步骤1003图案化层以在衬底上形成一组块体。步骤1004实施旋涂方案以在该组块体和衬底上方形成上覆涂层。步骤1005实施烘焙工艺。 [0089] 以下提供进一步的实施例。 [0090] 实施例1：在用于制造光学元件的制造工艺中，该工艺包括形成衬底、一组块体和上覆涂层。在衬底上形成该组块体。通过沉积方案在该组块体和衬底上方形成上覆涂层。 [0091] 实施例2：在根据上述实施例的工艺中，光学元件是微透镜和波导中的一种。 [0092] 实施例3：在根据上述实施例1或2的工艺中，沉积方案是选自由旋涂方案、原子层沉积方案和基于汽相的沉积方案所组成的组中的一种。 [0093] 实施例4：在根据上述实施例1至3中的任何一个实施例的工艺中，所提供的步骤进一步包括光刻工艺和蚀刻工艺。实施光刻工艺和蚀刻工艺中的一种在衬底上形成块体以用作突出物。 [0094] 实施例5：在根据上述实施例1至4中的任何一个实施例的工艺中，上覆涂层进一步包括一种材料。该材料是选自由微透镜材料、滤色器材料和波导材料所组成的组中的一种。 [0095] 实施例6：在根据上述实施例1至5中的任何一个实施例的工艺中，该衬底进一步包括一种材料。该衬底是选自由覆盖层、印刷电路板、平面镜、凸块下金属化层、玻璃、树脂、半导体晶圆和滤色器所组成的组的一种。 [0096] 实施例7：在根据上述实施例1至6中的任何一个实施例的工艺中，该组块体进一步包括一种材料。该材料是选自由烯丙基树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、苯并环丁烯、含氟聚酰亚胺、SiOxNy和旋涂介电材料所组成的组中的一种。 [0097] 实施例8：在根据上述实施例1至7中的任何一个实施例的工艺中，该组块体具有密度参数，沉积方案具有旋涂速度参数，上覆涂层相对于该组块体具有粘性参数和界面性能参数。 [0098] 实施例9：在上述实施例1至8中的任何一个实施例的工艺中，该工艺进一步包括实施烘焙工艺的步骤。 [0099] 实施例10：在根据上述实施例1至9中的任何一个实施例的工艺中，波导是聚集光的完整的整体。 [0100] 实施例11：在根据上述实施例1至10中的任何一个实施例的工艺中，该组块体和上覆涂层具有相同的材料。 [0101] 实施例12：光学元件结构包括衬底、一组块体和弯曲层。在衬底上形成该组块体。在该组块体和衬底上方形成弯曲层。 [0102] 实施例13：在根据上述实施例的结构中，该组块体具有相同的纵横比。 [0103] 实施例14：在根据上述实施例12和13中的任何一个实施例的结构中，该结构进一步包括间隔。间隔位于该组块体中的两个相邻块体之间。 [0104] 实施例15：在根据上述实施例12至14中的任何一个实施例的结构中，弯曲层具有凸起部分和凹进部分。凸起部分和凹进部分分别具有相应的曲率半径。 [0105] 实施例16：在根据上述实施例12至15中的任何一个实施例的结构中，该组块体具有递减的纵横比。 [0106] 实施例17：在根据上述实施例12至16中的任何一个实施例的结构中，该结构进一步包括斜度为20度的锥形。 [0107] 实施例18：在根据上述实施例12至17中的任何一个实施例的结构中，该结构进一步包括相对于弯曲层该组块体的折射率。 [0108] 实施例19：在根据上述实施例12至18中的任何一个实施例的结构中，折射率小于0.3并且在波长为300nm至800nm的范围内进行测量。 [0109] 实施例20：光学元件结构包括衬底、突出物和上覆涂层。在衬底上形成突出物。在突出物和衬底上方形成上覆涂层。 [0110] 虽然已经就被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的实施例。相反，本发明意图涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和类似布置，所附权利要求与最广泛的解释一致以涵盖所有这样的修改和类似的结构。因此，上述描述和说明不应该被认为是限制通过所附权利要求限定的本发明的范围。 |
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