一种光学三维结构的制造方法与流程

本发明涉及微电子工艺领域，特别是涉及一种光学三维结构的制造方法。

背景技术：

近年来，光子晶体，微透镜等具有特殊光学结构的光学元件在微电子领域的应用越来越广泛，研究发现，将特殊的光学三维结构应用于一些特定的光学器件上，对于提高这些光学器件的光透射率、有效占空比以及开发下一代偏振光电器件等有重要意义。

现有光学三维结构的制造，大多采用多次光刻套刻加刻蚀或腐蚀的方法，这种方法耗时较长，可重复性较差，光刻套刻精度较低，难以保证制造精度从而获得较为复杂的光学三维结构。

技术实现要素：

本发明提供一种光学三维结构的制造方法，用以解决现有技术的如下问题：现有的光学三维结构的制造方法，耗时较长，可重复性较差并且制造精度较低，难以保证制造得到较复杂的光学三维结构。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光学三维结构的制造方法，包括：在衬底材料上涂光刻胶，以生成光刻胶层；对所述光刻胶层进行曝光，以在所述衬底材料上生成第一三维胶形；对所述第一三维胶形采用预定固胶方法生成第二三维胶形；对所述衬底材料和所述第二三维胶形按照预定功率和预定次数进行循环刻蚀，以得到光学三维结构。

可选的，所述第一三维胶形和所述第二三维胶形的底面形状相同。

可选的，对所述衬底材料和所述第二三维胶形按照预定功率和预定次数进行循环刻蚀，包括：s11，按照所述预定功率刻蚀所述衬底材料；s12，按照所述预定功率刻蚀所述第二三维胶形；s13，循环刻蚀次数加一，并检测所述循环刻蚀次数是否达到所述预定次数；s14，在所述循环刻蚀的次数未达到所述预定次数的情况下，执行s11。

可选的，对所述衬底材料和所述第二三维胶形按照预定次数进行循环刻蚀，包括：s21，按照所述预定功率刻蚀所述第二三维胶形；s22，按照所述预定功率刻蚀所述衬底材料；s23，循环刻蚀次数加一，并检测所述循环刻蚀次数是否达到所述预定次数；s24，在所述循环刻蚀的次数未达到所述预定次数的情况下，执行s21。

可选的，所述预定功率为100w-500w。

可选的，所述衬底材料为碲铬锌材料。

可选的，对所述第一三维胶形采用预定固胶方法生成第二三维胶形，包括：对所述第一三维胶形采用曝光后烘烤方式生成第二三维胶形。

可选的，所述曝光后烘烤方式采用的温度范围为90摄氏度至200摄氏度。。

本发明提供的光学三维结构的制造方法，对涂在衬底材料上的光刻胶层进行一次曝光，生成第一三维胶形，在进行固胶后生成第二三维胶形，再对第二三维胶形和衬底按照一定的循环方式进行刻蚀，以得到光学三维结构。该方法操作简便、可重复性好、耗时短、制造精度较高，并且可以制造得到多种形状的光学三维结构，解决了现有技术的如下问题：现有的光学三维结构的制造方法，耗时较长、可重复性较差并且制造精度较低，难以保证制造得到较复杂的光学三维结构。

附图说明

图1是本发明第一实施例中光学三维结构的制造方法的流程图；

图2是本发明第一实施例中第一种循环刻蚀方式的流程图；

图3是本发明第一实施例中第二种循环刻蚀方式的流程图；

图4是本发明第二实施例中光学三维结构的制造方法的流程图；

图5是本发明第二实施例中极限情况对应的光刻胶形状的侧视示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术的如下问题：现有的光学三维结构的制造方法，耗时较长，可重复性较差并且制造精度较低，难以保证制造得到较复杂的光学三维结构。本实施例提供了一种光学三维结构的制造方法，该方法的流程图如图1所示，包括步骤s102至s108：

s102，在衬底材料上涂光刻胶，以生成光刻胶层。

在本实施例中，形成的光刻胶层具有一定的厚度，为生成具有一定高度的光学三维结构奠定基础。

s104，对光刻胶层进行曝光，以在衬底材料上生成第一三维胶形。

该步骤是为了将光学三维结构的底面形状确定下来，在本实施例中，底面形状可以是圆形，可以是正方形，还可以根据实际需要曝光光刻胶生成其他形状。

s106，对第一三维胶形采用预定固胶方法生成第二三维胶形。

在生成上述第一三维胶形之后，需要对其进行固胶，通过控制温度和时间，得到胶厚连续变化的第二三维胶形，所谓胶厚连续变化是指：三维胶形从侧视或者正视方向看，其形状是半圆形或者半椭圆形或者是一个弧形。因此，三维胶形的整体形状可以是半球形，也可以是半椭球形，还可以是其他厚度连续变化的形状，生成这种三维胶形，可以使后续对其进行刻蚀的工艺较为简便，并且具有较好的可重复性。

s108，对衬底材料和第二三维胶形按照预定功率和预定次数进行循环刻蚀，以得到光学三维结构。

在生成第二三维胶形后，可以根据实际需要，按照一定的功率对衬底材料和第二三维胶形进行刻蚀，上述过程是循环进行的，循环刻蚀一定次数之后就能够得到需要的光学三维结构。

本实施例提供的光学三维结构的制造方法，对涂在衬底材料上的光刻胶层进行一次曝光，生成第一三维胶形，在对其进行固胶后生成第二三维胶形，再对第二三维胶形和衬底按照一定的循环方式进行刻蚀一定次数，以得到三维结构。该方法操作简便、可重复性好、耗时短、制造精度较高，并且可以制造得到多种形状的三维结构，解决了现有技术的如下问题：现有的光学三维结构的制造方法，耗时较长，可重复性较差并且制造精度较低，难以保证制造得到较复杂的光学三维结构。

在本实施例中，步骤s104对光刻胶进行曝光，其目的是固定三维结构的底面形状，对第一三维胶形固胶生成第二胶形，不会改变底面形状，因此，第一三维胶形和第二三维胶形的形状是相同的。

在本实施例中，对衬底材料和第二三维胶形循环刻蚀的循环方式有两种，可以先刻蚀衬底材料，再刻蚀第二三维胶形，也可以将该顺序反过来进行操作，第一种方式的流程图如图2所示，具体步骤包括：

s21，按照预定功率刻蚀衬底材料；

s22，按照预定功率刻蚀第二三维胶形；

s23，循环刻蚀次数加一，并检测循环刻蚀次数是否达到预定次数，在循环刻蚀的次数未达到预定次数的情况下，执行s21，否则，结束循环。

第二种循环方式的流程图如图3所示，具体步骤包括：

s31，按照预定功率刻蚀第二三维胶形；

s32，按照预定功率刻蚀衬底材料；

s33，循环刻蚀次数加一，并检测循环刻蚀次数是否达到预定次数，在循环刻蚀的次数未达到预定次数的情况下，执行s31，否则，结束循环。

上述两种方式，可以根据实际情况进行选择。

此外，刻蚀过程中，由于要对光刻胶和衬底材料都进行刻蚀，为了保证刻蚀的精确性，在本实施例中，将刻蚀采用的预定功率的范围设置为100w-500w。

本实施例中，衬底材料采用碲铬锌材料，碲铬锌具有良好的光电性能，其作为光学三维结构的衬底材料，可以体现应用本实施例制造的光学三维结构的光学器件的性能。

为了生成胶厚连续变化的三维胶形，在本实施例中，可以采用曝光后烘烤的方式生成第二三维胶形，并将该方式的烘烤温度范围设置为90摄氏度至200摄氏度。在具体实现时，所采用的烘烤温度与光刻胶类型和需要生成的第二三维胶形的底面尺寸有关，烘烤温度应高于固化光刻胶所需要的正常硬烘hardbake温度。例如，采用az6130光刻胶作为生成光学三维结构的原材料，如果使用热板对其进行固化，采用的正常温度为90摄氏度，如果使用烘箱对其进行固化，采用的正常温度是65摄氏度。然而，为了生成本实施例中的光学三维结构，可以采用的烘烤温度为150摄氏度。在该温度下，生成的光学三维结构具有特定的底面尺寸，从而使最终生成的光学三维结构的阵列中，每两个三维结构几何中心之间的跨度为50微米。

为了解决现有技术的问题：现有的光学三维结构的制造方法，耗时较长，可重复性较差并且制造精度较低，难以保证制造得到较复杂的光学三维结构。本发明第二实施例提供了一种光学三维结构的制造方法，该方法的流程图如图4所示，包括步骤s402至s408：

s402，在衬底材料上生成光刻胶层。

在本实施例中，衬底材料采用碲铬锌材料，生成的光刻胶层具有一定的厚度，为生成具有一定高度的光学三维结构奠定基础。

s404，对光刻胶层进行曝光，生成第一三维胶形。

该步骤中，采用直写式光刻机对光刻胶层进行曝光，其主要目的目的是生成一个初始胶形，并确定胶形的底面形状，在本实施例中，生成的第一三维胶形的底面形状为圆形，此时其侧面为矩形。此外，也可以通过对曝光工艺的控制生成其他底面形状的第一三维胶形。

s406，对第一三维胶形进行固胶，生成第二三维胶形。

在本实施例中，需要生成的第二三维胶形的形状是半球形，固胶所采用的是曝光后烘烤的方式，采用az6130光刻胶，以150摄氏度烘烤第一三维胶形3分钟至5分钟，使光刻胶中的溶剂挥发出来。曝光后烘烤的方式采用的温度与要生成的光学三维结构的底面形状和光刻胶性质有关，为适应不同情况，本发明中将温度的范围设置为90摄氏度至200摄氏度。此外，在固胶过程中，三维胶形的底面形状不变，但是三维胶形的表面在表面张力的作用下收缩，生成具有球面的第二三维胶形，此时第二三维胶形为半球形。

s408，循环刻蚀衬底材料和第二三维胶形，以生成光学三维结构。

在具体实现时，要根据实际需要生成的光学三维结构的不同，按照不同的预定次数循环刻蚀。在每一次循环中包括如下两个步骤：1、刻蚀衬底材料；2、刻蚀第二三维胶形，每一次循环的步骤也可以将上述两个步骤的顺序调换，以适应多种工况。本实施例中，每一个循环要首先刻蚀衬底材料，再刻蚀光刻胶，本实施例中一个循环中的每一步的刻蚀速率如表1所示，刻蚀的速率单位为

表1

从表1中可以看出，在刻蚀衬底时，同时还要刻蚀一部分光刻胶，而在刻蚀光刻胶时，则不刻蚀衬底。在具体实现时，对光刻胶刻蚀时不加偏压，从而使得从俯视角度看，每次刻蚀形成的形状的几何中心都是重合的，且这些形状与底面相似，每个形状之间都相似，而从侧视角度看光学三维结构，便是若干个连续阶梯。此外，由于衬底材料具有一定硬度，对衬底材料刻蚀时需要加偏压，以形成剪切力来刻蚀衬底材料。

此外，如果只执行上述刻蚀衬底的步骤，则可以得到极限情况对应的光刻胶形状，其底面为直径20微米的圆形，其侧视示意图如图5所示，极限情况光学三维结构的胶形的形状从侧视方向看为半椭圆形，长半轴即光学三维结构的高度为40微米，制造得到该形状所需的刻蚀时间为200分钟。并且，该半椭圆形对应的三维包络面范围以内的光学三维结构均能通过本实施例的制造方法制造得到。

如果对上述三维胶形进行循环刻蚀，最终可以得到一种光学三维结构，其光刻胶部分是阶梯状的结构，从俯视角度看，是一系列不同半径的同心圆，从侧视角度看，光学三维结构的光刻胶形呈若干高度不同的连续阶梯状，每个阶梯的高度可以根据实际需要进行刻蚀。

在对衬底材料和第二三维胶形进行刻蚀时，为保证刻蚀的精确性，本实施例中采用icp(inductivelycoupledplasma，反应耦合等离子体刻蚀)设备进行刻蚀，具体参数如下：

光刻胶刻蚀采用的icp功率范围设置为100w至500w，使用的工艺气体为氧气和氩气的混合气，体积比取值范围是0.3至3；衬底材料刻蚀采用的icp功率范围设置为100w至500w，使用的工艺气体为甲烷和氢气的混合气，体积比取值范围是0.1至0.5；rf射频功率的范围设置为50w至200w。

通过改变曝光时间，以及调节刻蚀功率、刻蚀时间、可以生成不同形状的光学三维结构。例如，可以通过15次刻蚀循环衬底材料与第二三维胶形，生成如下结构：其底面为圆形，上表面是一个圆形平台，高度为5.5微米，侧面有若干阶梯，在本实施例中称为顶部平台结构；还可以通过30次循环刻蚀生成如下结构：底面为正方形，整体为金字塔形，高度12.6微米，在本实施例中称为金字塔结构。

将上述制造方法制造得到的若干个三维结构形成一定规模的阵列，置于一些特定的光学器件的特定部分上，可以提高光学器件的性能。

本实施例提供的光学三维结构的制造方法，对涂在衬底材料上的光刻胶层进行一次曝光，生成第一三维胶形，在对其进行固胶后生成第二三维胶形，再对第二三维胶形和衬底按照一定的循环方式进行刻蚀一定次数，以得到光学三维结构。该方法操作简便、可重复性好、耗时短、制造精度较高，并且可以制造得到多种形状的三维结构，解决了现有技术的如下问题：现有的光学三维结构的制造方法，耗时较长，可重复性较差并且制造精度较低，难以保证制造得到较复杂的光学三维结构。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。