专利名称：站立式微透镜及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以一般半导体制程方式制作，用于于微光学或微光电系统整合的站立式微透镜的制作方法。
背景技术：
现有的平面微光学或微光电系统中，为简化系统的建置，通常采用横向(即平行系统基板的方向)发射、传输、或接收的光电组件；上述现有的横向组件具有如图1所示的活性区11，其于YZ剖面呈现狭长状的孔径，如此形状的孔径往往造成与波导(如光纤)间的耦合效率不佳，也因此发射或接收组件与波导间，常需安插光模态转换(光束圆化)或聚焦功能的光学器件。
K.Kato及Y.Tohmori(K.Kato，and Y.Tohmori，2000，PLC HybridIntegration Technology and Its Application to Photonic Component，IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics，6(1)4-13)所述的光收发信器次模块是利用渐变式光波导，以达成修正光束模态而提升耦合效率的目的；然而，此方式牵涉较精细繁复之制程，如渐变波导蚀刻、雷射镜面蚀刻，以及二次磊晶等；再者，于此例中渐变式波导为直接附加于光发射组件(半导体激光)的光输出端，造成对组件良率上的疑虑。
而在美国专利US 5,963,577及US 6,160,672中则揭露利用加置的光学器件(如球状透镜、圆柱状透镜等)于平面微光电系统的基板上，以达到提升耦合效率的目的；然而，此方式使用的光学器件尺寸皆在毫米等级，系统基板必须有相对应尺寸的置放槽，如此增大了系统基板尺寸，以及制备上的复杂度；再者，光学器件必须施以固定机制(如粘着剂)以增强系统的机械特性。
在美国专利US 5,420,722中则揭露了激光模块，该激光模块是利用微透镜直立负载于光输出端，以达到修正光束模态的目的；但该发明亦需额外的固定机制，且单一组件的应用必须在微透镜搭载上后进行切割。
另外在美国专利US 5,646,928中所揭露的光储存读取用的微光学读写头中，利用半导体微机电制程，分别于硅(Si)基板表面形成所需光学器件，如Fresnel透镜、分光器(Beam splitter)、反射器(Reflector)等，再将其举立形成光轴平行基板的微光学系统，同时提供必要的支撑；该发明除了建置上非常复杂，该微系统机械及热稳定性在应用上仍有许多限制及考量。
另外，美国专利US 5,079,130、US 5,225,935、US 5,286,338、US 5,298,366、US 5,324,623及US 6,249,034等皆揭露以高温烘烤光阻，使其形成微透镜的方式或其衍生应用，其利用光阻表面张力所制得的圆滑透镜表面，虽然可供改善光学系统耦合效率之用，但所述及皆为平面微透镜(光轴垂直基板)，因此无法直接应用于光轴平行基板的平面微光学或微光电系统。
然而高温烘烤光阻的技术除了可用于制作平面型微透镜外，其亦可应用于微球透镜，H.Yang等人(H.Yang，C.K.Chao，C.P.Lin，S.C.Shen，Micro-ballLens Array Modeling and Fabrication Using Thermal Reflow in Two Polymers，Journal of Micromechanics and Microengineering，2004，14277-282)揭露以高温烘烤双层光阻结构使其上层光阻形成微球透镜，可用于微光学系统以提升光源与光纤耦合效率，但所采用的上层光阻为热塑性高分子材质，不适合用于高温环境中，且所制造的微球透镜大小将受限于光阻涂布之厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热稳定性高的站立式微透镜。
本发明的另一目的在于提供一种站立式微透镜的制作方法，以简化微光学系统的建置。
本发明的又一目的在于提供一种站立式微透镜的制作方法，可搭配光发射组件及光接收组件，使光发射组件及光接收组件可获得耦合效率上的提升。
本发明的技术解决方案是一种站立式微透镜，为附着于高分子柱状结构顶端上的横截面呈弦圆状的高分子材质双凸微透镜。
一种站立式微透镜的制作方法，包括下列步骤
步骤一、提供微光学或微光电系统的基材，至少包含基板与基板上的高分子膜层；步骤二、采用微影制程，于该高分子膜层上定义柱状结构区域，于显影后形成高分子柱状结构；步骤三、提供载台供制备均匀的液态高分子膜；步骤四、将该高分子柱状结构倒置，垂直浸入步骤三所制备的均匀液态高分子膜中，静置一段时间后分离，使液态高分子膜悬附于该柱状结构上，并因表面张力内聚呈透镜状；步骤五、通过热处理去除悬附于柱状结构上液态高分子透镜内的溶剂，形成具热稳定性的双凸微透镜。
利用柱状结构浸入高分子膜的方法，即利用微影制程形成高分子材质的柱状结构，将柱状结构顶端浸入均匀混合之液态高分子溶液中(如光阻、聚醯亚胺Polyimide等)，液态高分子吸附于柱状结构物顶端，该附着于柱状结构顶端上的液态高分子，因表面张力内聚，其横截面呈一弦圆状，经适当热处理去除溶剂及固化后，即可作为微光学系统中的微透镜组件。通过高分子材质的选用，该站立式微透镜可由单一材质或由相异材质所构成。
为了搭配光发射组件及光接收组件，站立式微透镜还可以通过以下步骤制作步骤一提供微光学或微光电系统的基材；步骤二于基材上施加蚀刻屏蔽，定义组件平台区域后，即进行蚀刻制程以形成组件平台；步骤三于该具有组件平台的基材上，以旋转涂布方式覆上感旋光性高分子材料；步骤四通过微影制程于该感旋光性高分子材料层上定义柱状结构区域，显影后形成高分子柱状结构；步骤五提供载台供制备均匀的液态感旋光性高分子膜用；
步骤六将步骤四所述的高分子柱状结构倒置，垂直浸入该均匀的液态感旋光性高分子膜，静置一段时间后分离，使高分子膜悬附于该柱状结构与该组件平台两侧及上方，其中悬附于该柱状结构上的液态高分子膜，因表面张力内聚呈透镜状；步骤七通过热处理去除该悬附于柱状结构与该组件平台两侧及上方的液态高分子膜的溶剂；步骤八通过微影制程移除该组件平台上悬附的感旋光性高分子材料，留下该柱状结构上悬附的透镜状感旋光性高分子材料，此时基材上即具有组件平台及具热稳定性之站立式高分子双凸微透镜。
所述的基板可选用硅、氧化铝、玻璃、砷化镓，或磷化铟等材料制成。
所述的高分子材料可为聚甲基丙烯甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、AZ PLP-100光阻(Clariant公司出品)、NR9-8000光阻(Futurrex公司出品)、SU-8光阻(Micro Resist Technology公司出品)，或能耐高温的聚亚醯胺(Polyimide)等。
本发明通过控制该柱状结构浸入高分子溶液的深度，进而控制此微透镜结构的透镜大小(镜高)，并可藉高分子溶液的粘滞系数或溶剂混合量的不同，以控制高分子微透镜的曲率半径大小。
本发明所提供的利用柱状结构浸入高分子膜方法所制作的站立式微透镜，与前述引证案及其它现有技术相互比较时，更具有下列的优点1、本发明的站立式微透镜的制作方法，制程简单，可简化微光学系统的建置，还可以通过控制柱状结构浸入液态高分子膜的深度，进而控制该微透镜结构的透镜大小(镜高)，并可通过控制高分子溶液的粘滞系数或溶剂含量的不同，来控制高分子微透镜的曲率半径大小。
2、本发明所提供的站立式微透镜的热稳定性高。
3、本发明的站立式微透镜可搭配光发射组件及光接收组件，使光发射组件及光接收组件可获得耦合效率上的提升。
图1为现有技术的横向发射、传输、或接收的组件示意图；图2A至图2E为实施例1中微透镜各制程阶段结构的剖面示意图；图3A至图3C为实施例2中微透镜各制程阶段结构的剖面示意图；图4为实施例1和2中形成的站立式微透镜的立体示意图；图5A至图5G为实施例3中微光电平台各个制程阶段结构的剖面示意图。
11、横向组件的活性区，20、硅基板，21、SU-8厚膜光阻，21a、SU-8光阻柱状结构，22、曝光屏蔽，23、SU-8厚膜负光阻，23a、SU-8光阻，24、硅基板，31、具有凹槽的基板，32、SU-8光阻液，32a、SU-8光阻，33、凹槽侧壁，41、柱状结构，42、双凸透镜，51、硅基板，51a、组件平台，52、蚀刻屏蔽，53、SU-8光阻，53a、SU-8柱状结构，54、硅基板，55、SU-8光阻膜，55a、SU-8光阻，55b、SU-8光阻透镜。
具体实施例方式
以下利用三个实施例详细说明站立式微透镜的制作方法，实施例中柱状结构物皆采用SU-8系列光阻(Micro Resist Technology公司出品)经由微影制程于硅基板上形成，而附着于柱状结构物上作为透镜的高分子材料亦为SU-8光阻。
实施例一请参阅图2，本实施例通过将SU-8材质柱状结构浸入一旋转涂布于硅晶圆上的粘稠液态SU-8膜中，来制作站立式微透镜，该微透镜系为双凸透镜。
如图2A所示，首先于硅基板20上利用旋转涂布均匀施加一层SU-8厚膜光阻21，经过115℃、30分钟烘烤去除溶剂后，光阻厚度约为150至200微米；再利用曝光屏蔽22，并藉由微影制程定义并形成SU-8光阻柱状结构21a，此柱状结构宽度约为30至50微米，高度约为150至200微米(如图2B所示)。
SU-8光阻柱状结构21a完成后，即可制作悬附于该柱状结构21a上的高分子材质透镜；以SU-8光阻作为透镜材质，藉由制备液态SU-8膜，供该完成的柱状结构21a浸入以吸附SU-8光阻；SU-8光阻经过热处理后即可移除多余溶剂，而经照光后进一步增加材料的耐热性与稳定性；此外，使用与该柱状结构物21a相同之材质，亦可减少光源经过不同材料接口的反射损失。
如图2C所示，利用旋转涂布法于硅基板24上均匀涂上一层粘稠液态的SU-8厚膜负光阻23；如图2D所示，此时将该柱状结构21a倒置，并由上往下垂直浸入该SU-8厚膜负光阻23中，静置约1分钟后，如图2E所示，将该柱状结构21a与SU-8厚膜负光阻23分离后，SU-8光阻23a即附着于该柱状结构顶部，此附着于该柱状结构21a顶端上的SU-8光阻23a，因表面张力内聚，其横截面呈弦圆状，经115℃、30分钟烘烤去除光阻内之溶剂后，即形成SU-8光阻材质的双凸透镜，最后置于UV光源下曝光，使光阻分子间互相交联，以提高材料耐温性及稳定性。
实施例二请参阅图3，本实施例通过将SU-8光阻材质柱状结构浸入盛于凹槽中的粘稠液态SU-8膜中，来制作站立式微透镜，此微透镜亦为双凸透镜，此实施例中的凹槽侧壁可提供柱状结构基板的支撑，进而使柱状结构维持固定之浸入深度并保持基板的水平。
由于考量到实施例一应用于多透镜制程时，透镜制作的均匀性及可控制性需倚赖柱状结构向下浸入时的水平及深度控制；因此，如图3A所示，粘稠液态之SU-8光阻液32先盛于具有凹槽的基板31上，给与适度旋转并待SU-8光阻液32均匀布满凹槽后，再如图3B所示，将制作好的SU-8柱状结构21a倒置并垂直浸入凹槽中的SU-8光阻液32中，柱状结构硅基板20因支撑于凹槽侧壁33上，得以保持其水平。通过实际测得的凹槽深度H、柱状结构高度h、以及光阻液面高度t等，即可依下式估计出透镜大小(镜高)dd＝h-(H-t)约静置1分钟后，将柱状结构21a与SU-8光阻液32分离，SU-8光阻32a即附着于该柱状结构21a顶部，该附着于柱状结构21a顶端上的SU-8光32a，因表面张力内聚，其横截面呈弦圆状，经115℃、30分钟烘烤去除光阻内的溶剂后，即形成SU-8材质双凸透镜，如图3C所示；最后置于UV光源下曝光，使光阻分子间互相交联，以提高材料耐温性及稳定性。
前述两实施例中形成的站立式微透镜，其镜高皆可通过柱状结构浸入SU-8光阻液的深度加以控制，而其曲率半径可通过调整光阻液的粘滞系数、溶剂混合量与烘烤条件达到微光学/微光电系统的需求值；另外，经UV光源曝光后的SU-8系列厚膜负光阻(Micro Resist Technology公司出品)为热固性材料，其热裂解温度于5％的重量损耗下约为350℃，在此温度以下，曝光后的SU-8不易因温度效应而变形、损耗，因此适合做为上述实施例中站立式微透镜的材料。
图4所示即为上述实施例中所形成的站立式微透镜的立体示意图，其包含柱状结构41及附着于其上双凸透镜42，此站立式微透镜对图1所示之横向组件于Z轴方向具有收敛或聚焦的效果。
实施例三请参阅图5，本实施例中制作光电组件平台搭载前置双凸透镜，平台等高于透镜中心以提供被动对准的机制，此实施例可视为本发明应用于微光学/微光电系统的雏形。
如图5A所示，以蚀刻屏蔽52于硅基板51上定义组件平台，并利用电感耦合电浆反应性离子蚀刻制程(Inductively Coupled Plasma-Reactive IonEtching，ICP-RIE)蚀刻硅基板51，形成如图5B的平台51a，此组件平台可供放置如图1所示的光电组件；蚀刻气体采用SF6/C4F8的组成，蚀刻速率可达约1.3μm/min，平台蚀刻深度约为100微米。
本实施例中采用Micro Resist Technology公司出品的SU-8光阻53，以2000rpm旋转涂布方式施加于试片表面，并于115℃下进行30分钟烘烤后，此时光阻分布如图5C所示，其厚度至平台底部可达150微米左右；接着以微影制程定义并形成柱状结构53a，其宽度约为50微米，如图5D所示。
如图5E所示，形成该SU-8柱状结构53a后，利用旋转涂布法于另一硅基板54上均匀涂上一层粘稠液态的SU-8光阻膜55，此时将该组件平台51a及柱状结构53a倒置，并由上往下垂直浸入该SU-8光阻膜55中；静置约1分钟后，将该组件平台51a及该柱状结构53a与该SU-8光阻膜55分离后，SU-8光阻55a，55b即附着于该柱状结构53a及组件平台51a顶部，如图5F所示，附着于柱状结构顶端上的SU-8光阻55b，因表面张力内聚，其横截面呈弦圆状，经115℃、30分钟烘烤去除光阻内的溶剂后，即形成SU-8光阻材质的双凸透镜。
附着于组件平台51a上方的SU-8光阻55a影响光发射组件的放置，且可能造成光轴对准的误差，因此必须加以去除；本实施例利用微影制程，使附着于组件平台51a上方未受曝光的光阻55a藉由显影液将其去除，而柱状结构53a上的光阻透镜55b则因曝光后光阻内分子间互相交联而得以保留，如图5G所示。将光发射组件置于本实施例的平台51a上，即可达到模态修正或光束圆化的目的；而将光接收组件置于本实施例的组件平台51a上，则可达到收敛或聚焦入射光束的目的；两者皆可获得耦合效率上的提升。
权利要求
1.一种站立式微透镜，其特征在于它为附着于高分子柱状结构顶端上的横截面呈弦圆状的高分子材质双凸微透镜。
2.一种站立式微透镜的制作方法，包括下列的步骤步骤一提供微光学或微光电系统的基材，至少包含基板与基板上的高分子膜层；步骤二采用微影制程，于该高分子膜层上定义柱状结构区域，于显影后形成高分子柱状结构；步骤三提供载台供制备均匀的液态高分子膜；步骤四将该高分子柱状结构倒置，垂直浸入步骤三所制备的均匀液态高分子膜中，静置一段时间后分离，使液态高分子膜悬附于该柱状结构上，并因表面张力内聚呈透镜状；步骤五通过热处理去除悬附于柱状结构上液态高分子透镜内的溶剂，形成具热稳定性的双凸微透镜。
3.一种站立式微透镜的制作方法，包括下列的步骤步骤一提供微光学或微光电系统的基材；步骤二于基材上施加蚀刻屏蔽，定义组件平台区域后，即进行蚀刻制程以形成组件平台；步骤三于该具有组件平台之基材上，以旋转涂布方式覆上感旋光性高分子材料；步骤四通过微影制程在该感旋光性高分子材料层上定义柱状结构区域，显影后形成高分子柱状结构；步骤五提供载台供制备均匀的液态感旋光性高分子膜用；步骤六将步骤四所述的高分子柱状结构倒置，垂直浸入该均匀的液态感旋光性高分子膜，静置一段时间后分离，使高分子膜悬附于该柱状结构与该组件平台两侧及上方，其中悬附于该柱状结构上的液态高分子膜，因表面张力内聚呈透镜状；步骤七通过热处理去除该悬附于柱状结构与该组件平台两侧及上方的液态高分子膜的溶剂；步骤八通过微影制程移除该组件平台上悬附的感旋光性高分子材料，留下该柱状结构上悬附的透镜状感旋光性高分子材料，此时基材上即具有组件平台及具热稳定性之站立式高分子双凸微透镜。
4.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于所述的基板可为硅、氧化铝、玻璃、砷化镓，或磷化铟等所制成的基板。
5.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于所述的载台为一平坦表面，可供盛放液态高分子膜。
6.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于所述的载台具有凹槽，可供盛放液态高分子膜。
7.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于其中液态高分子膜的热裂解温度高于200℃。
8.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于其中该双凸微透镜通过高分子材料的选用，可为单一材质微透镜或复合材质微透镜。
9.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于其中该双凸微透镜的曲率半径可通过调整液态高分子膜的粘稠度加以控制。
10.根据权利要求2或3所述的站立式微透镜的制作方法，其特征在于其中该双凸微透镜的镜高可通过浸入液态高分子膜的深度加以控制。
全文摘要
一种可整合于微光学或微光电系统的站立式微透镜及其制作方法，是利用微影制程形成的高分子材质柱状结构，将柱状结构顶端浸入均匀混合的液态高分子溶液中(如光阻、聚亚酰胺Polyimide等)，该液态高分子吸附于柱状结构物顶端，该附着于柱状结构顶端上的液态高分子，因表面张力内聚，其横截面呈弦圆状，通过热处理去除溶剂及固化后，即可作为微光学系统中的微透镜组件；通过高分子材质的选用，此站立式微透镜可由单一材质或由复合材质所构成。
文档编号G02B3/06GK1713001SQ20051008568
公开日2005年12月28日 申请日期2005年7月26日 优先权日2005年7月26日
发明者杨智超, 何充隆, 何文章, 廖枝旺, 吴孟奇 申请人:中华电信股份有限公司