專利名稱：制備顯微透鏡的方法及使用該方法制備光學模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般而言，本發(fā)明涉及顯微透鏡。更具體而言，本發(fā)明涉及一種制備顯微透鏡的方法，以及一種使用該方法制備光學模塊的方法，所述的光學模塊具有在其中集成的顯微透鏡。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在，顯微透鏡日益成為普及的，并且可見于部件如光學傳感器，光電子產(chǎn)品，和光通訊如在包括光纖、PLC(平面光波電路)、LD(激光二極管)和PD(光電二極管)的光學器件間的光耦合。
建議了許多的方法來嘗試在光學器件之間的光耦合中實現(xiàn)高的光耦合效率。傳統(tǒng)上，在自由空間光場(free space optic field)，光學器件裝配有直徑從幾百微米至數(shù)十毫米的球面透鏡、GRIN(漸變折射率)透鏡；還可以是一個或兩個所使用的球面透鏡，并且將半球面末端的光纖用于提高受光效率。由于近來集成光學器件的開發(fā)，也形成了直徑為幾百微米或更小并且可以收集垂直于Si、InP或SiO2基片的光線的顯微透鏡和具有這種顯微透鏡的透鏡陣列。
這種顯微透鏡陣列廣泛地應用于CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器和FPA(焦平面陣列)中，特別是在用于測量眼睛像差的Hartmann-Shack波前傳感器中。制備這種顯微透鏡和透鏡陣列的主要傳統(tǒng)方法是光刻膠(PR)回流(reflow)。
圖1A至1D順序地舉例說明現(xiàn)有技術(shù)基于PR回流的顯微透鏡的制備方法，并且圖2是通過傳統(tǒng)PR回流制備的顯微透鏡的放大的顯微圖片。
參考圖1A，在Si、石英、InP或GaP的基片11上形成厚光刻膠PR圖案12。
接著，如圖1B所示，由于由在高溫下回流所導致的表面張力，將PR圖案12成形為凸透鏡13。
在將PR圖案成形為凸透鏡13之后，圖1C所示為下一個步驟，其中通過使用PR圖案13的蝕刻方法將凸透鏡形狀的PR圖案13轉(zhuǎn)移至基片11?？梢允褂玫倪@種類型的蝕刻方法中的一種是例如RIE(反應離子蝕刻)。
最后，在圖1D中，所示為制備完成后的透鏡14。
此傳統(tǒng)的顯微透鏡制備方法的收率很低，因為PR對溫度和濕度非常敏感，使其難以容易地復制顯微透鏡。此外，透鏡的厚度受到限制。因此，此顯微透鏡用于收集與基片平行的光是不可行的，該基片具有在其上集成的光學器件如用于光耦合的LD和光纖/PLC。
參考圖3，在一種解決制備問題的嘗試中，在激光二極管LD 32和光纖/PLC 33之間插入非反射性涂布的非球面或球面透鏡31，其直徑為幾百微米至數(shù)十毫米。
但是，LD 32和球面透鏡31之間的距離至少為幾百微米。因此，當從LD 32發(fā)出的光線經(jīng)過球面透鏡31時，經(jīng)過球面透鏡31中心的光線和經(jīng)過該球面透鏡周圍的光線會聚于不同的位置，導致非常低的光耦合效率，在某些地方為約10％。如果使用非球面透鏡，光耦合效率將會增加，但是在這種透鏡用于此目的的實際應用中，增加的成本可以是抑制性的。
圖4舉例說明了傳統(tǒng)的構(gòu)造方法，其中可以將通過倒裝焊接(flip-chipbonding)在基片41上形成的LD 41與范圍在數(shù)十微米之內(nèi)的光纖/PLC 43直接光耦合。
但是，圖4所舉例說明的傳統(tǒng)方法遭受到由于在LD 42和光纖/PLC 43之間模式不匹配而導致的耦合損耗。由于此耦合損耗對于粘接準確度非常敏感，所以粘接錯誤導致大量的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個方面是提供一種制備顯微透鏡的方法，該顯微透鏡適宜用于收集垂直和平行于基片的光線，該基片具有在其中集成的光學器件，并且提供一種制備光學模塊的方法。
本發(fā)明的再一個方面是提供一種制備顯微透鏡的方法，其可以比至今已知的方法更容易復制，容易與光纖或PLC對準，并且容易制備，并且提供一種制備光學模塊的方法。
通過一種制備顯微透鏡的方法及一種使用該方法制備光學模塊的方法來實現(xiàn)上面所述的目的。為了制備顯微透鏡，在基片上由用于顯微透鏡的材料形成薄膜。然后在該薄膜上形成光刻膠圖案，通過使用該光刻膠圖案蝕刻該薄膜形成薄膜結(jié)構(gòu)，并且通過由熱處理該薄膜結(jié)構(gòu)的回流方法來完成顯微透鏡。
優(yōu)選地，根據(jù)薄膜結(jié)構(gòu)之間的距離來控制顯微透鏡的形狀。
優(yōu)選地，根據(jù)光刻膠圖案的形狀和薄膜結(jié)構(gòu)的厚度(或高度)來控制顯微透鏡的形狀。
為了制備具有集成的顯微透鏡的光學模塊，在基片上順序地形成下層的覆蓋層和核心層。通過選擇性蝕刻核心層和下層的覆蓋層，在基片上形成PLC圖案。通過在基片的整個表面上形成上面的覆蓋層來完成PLC。通過選擇性地除去除了PLC的區(qū)域和透鏡形成區(qū)域外的上面的覆蓋層，在透鏡形成區(qū)域中形成薄膜結(jié)構(gòu)。通過由熱處理該薄膜結(jié)構(gòu)的回流，最終形成顯微透鏡。


從下面結(jié)合附圖時的詳細描述中，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和益處會變得更加明顯，其中圖1A至1D順序地舉例說明現(xiàn)有技術(shù)基于PR回流的顯微透鏡的制備方法；圖2是通過傳統(tǒng)PR回流方法制備的顯微透鏡的高度放大的顯微圖片；圖3描繪了在LD和PLC之間使用球形透鏡的傳統(tǒng)光耦合方法；圖4描繪了在LD和PLC之間傳統(tǒng)的直接光耦合方法；圖5A至5D順序地舉例說明根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案制備顯微透鏡的方法；圖6A、6B和6C舉例說明了按照在薄膜結(jié)構(gòu)之間不同距離的不同形狀的顯微透鏡；圖7A和7B舉例說明了根據(jù)本發(fā)明在單位基片上的非球面透鏡的典型陣列；
圖8A和8B舉例說明了根據(jù)本發(fā)明在單位基片上的球面透鏡的典型陣列；圖9描繪了在LD和PLC之間使用根據(jù)本發(fā)明制備的球面透鏡的光耦合；圖10A至10E順序地舉例說明根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案制備具有在其中集成的球面透鏡和PLC的光學模塊的方法；和圖11是在圖10E中所舉例說明的光學模塊的透視圖。
具體實施例方式
以下通過參考附圖，將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。在下面的描述中，不詳細描述眾所周知的功能或結(jié)構(gòu)，因為它們會使本發(fā)明變得異常羅嗦。
圖5A至5D是順序地舉例說明根據(jù)本發(fā)明一個優(yōu)選的實施方案制備顯微透鏡的方法的圖。
在圖5A中，通過火水解沉積(Flame Hydrolysis Deposition)(FHD)或化學氣相沉積(CVD)，在硅或石英基片51上形成摻雜有GeO2、P2O5、B2O3等的SiO2薄膜52。
在圖5B中，通過光刻法在薄膜52上形成光刻膠(PR)圖案53。PR圖案53的形狀可以是多邊形或圓形的，其取決于預定透鏡的形狀、直徑和高度。
在圖5C中，通過沿著PR圖案53蝕刻薄膜52，例如通過RIE，將薄膜結(jié)構(gòu)54形成為三維形狀，如圓柱體或多邊柱。
如果將薄膜結(jié)構(gòu)54成形為長方體如波導管(waveguide)，那么最容易制備具有半圓或圓形截面的圓柱形透鏡。如果相對于薄膜的厚度，蝕刻的圖案為直徑非常大的圓，那么最容易制備具有長焦距(focus length)的凸透鏡。在本發(fā)明的一個方面，使用規(guī)則方形PR圖案形成球面透鏡，即如二次(quadratic)四面體柱形狀的薄膜結(jié)構(gòu)，并且保持制備步驟的順序而不管透鏡的大小和形狀。
比較圖5C和圖5D，在數(shù)百攝氏度的高溫下加熱薄膜結(jié)構(gòu)54(圖5C所示)，以便產(chǎn)生粘性流。由于在加熱處理中發(fā)生的增加的表面張力的影響，將薄膜結(jié)構(gòu)54改變?yōu)閳A球55，得到透鏡的形式。
在本發(fā)明上面所述的顯微透鏡的制備方法中，可以根據(jù)下面的條件形成各種大小和各種形狀如半球形或球形的顯微透鏡在薄膜中摻雜物的種類和組成，加熱處理的溫度和持續(xù)時間，薄膜結(jié)構(gòu)之間的距離(在圖5C中的距離″d″)，和PR圖案(即，蝕刻圖案)。
圖6A、6B和6C舉例說明了根據(jù)工藝條件具有不同形狀的顯微透鏡。通常，通過下面的方法形成顯微透鏡在1050℃將高度和寬度分別為約6.5μm的長方體截面的薄膜結(jié)構(gòu)加熱12小時。根據(jù)薄膜結(jié)構(gòu)間的距離d，顯微透鏡具有不同的形狀。
參考圖6A，當在相同的條件下進行熱處理時，如果d小(例如，d＝1.2μm)，那么顯微透鏡具有半圓截面。
圖6B舉例說明了當d為2.2μm時的顯微透鏡的截面。如圖6C所舉例說明的，由于d增加(例如，d＝6.2μm)，顯微透鏡的截機接近于圓形。
此外，可以根據(jù)下面的條件控制顯微透鏡的形狀加熱處理的溫度和持續(xù)時間，在薄膜中摻雜物的種類和濃度，以及薄膜結(jié)構(gòu)之間的距離。按照本發(fā)明，可以在單個基片上同時制備多個透鏡，因為該方法涉及一個基片基礎(chǔ)。因此，根據(jù)陣列的用途，可以每次制備一陣列透鏡。
圖7A、7B和圖8A、8B分別舉例說明了在單位基片71和81上的透鏡陣列。圖7B和圖8B分別是由圖7A和圖8A制備的顯微透鏡的放大的顯微圖片。在圖7A和7B所示的透鏡陣列72包括半球面透鏡，而圖8A和8B所示的透鏡陣列82包括球面透鏡。圖7B和圖8B說明了通過下面的方法制備的半球面和球面透鏡的陣列圖片在通過蝕刻由FHD(火焰水解沉積)形成的摻雜二氧化硅(用GeO2、P2O5、B2O3摻雜的SiO2)的薄膜而制備圓柱之后，于900℃加熱10小時。在此，由于在圖7B和圖8B中所述的兩種透鏡陣列都是同時在單個基片上制備的，除了蝕刻圖案的大小外，所有的制備條件，即薄膜的厚度和加熱條件是相同的。可以將這些透鏡陣列用于CCD圖像傳感器和Hartmann-Shack波前傳感器等。
圖9舉例說明了通過根據(jù)本發(fā)明制備的球面透鏡在LD和PLC之間的光耦合。
參考圖9，在基片91上，在通過倒裝焊接安裝的LD 92和PLC 93之間整合了顯微透鏡94。與在圖4中舉例說明的傳統(tǒng)直接光耦合相比，如果倒裝焊接的準確度與圖4所示的一樣，那么由本發(fā)明可以達到顯著更高的耦合效率。
圖10A至10E為順序地舉例說明具有在其中集成的如圖9所示的球面透鏡和PLC的光學模塊的方法圖。
在圖10A中，在通用PLC制備方法中，在基片101上形成下面的覆蓋層102和核心層103。
在圖10B中，選擇性蝕刻核心層103和下層的覆蓋層102，以形成PLC圖案。在本發(fā)明的此方面中，盡管所示為將除在PLC形成區(qū)域中外的下面的覆蓋層102蝕刻掉以暴露基片101，但是根據(jù)下面的覆蓋層102的厚度，下面的覆蓋層102可以保留在基片101上除PLC形成區(qū)域外的區(qū)域，或者在需要時，可以再蝕刻暴露的基片101。如果基片101是例如石英，需要將石英蝕刻至預定的厚度，因為基片101自身作為下面的覆蓋層102。
在根據(jù)本發(fā)明的通用PLC制備方法中，蝕刻深度，即從核心層的上表面至蝕刻降低的位置(etched-down position)的厚度等于或大于核心層的高度。換言之，通常沒有蝕刻或輕微蝕刻下層的覆蓋層至數(shù)微米或更小。然而，進行蝕刻至足夠均勻形成上面的覆蓋層104的深度，將其形成是為了稍后在圖10B中形成顯微透鏡106，并且這樣控制蝕刻深度，以使核心層103中心與顯微透鏡106中心的高度相一致。
在圖10C中，在核心層103和基片101上沉積上面的覆蓋層104，由此形成PLC。
在圖10D中，將除在PLC形成區(qū)域和透鏡形成區(qū)域外的上面的覆蓋層104除去。因此，由上面的覆蓋層104在PLC的前面形成薄膜結(jié)構(gòu)105。
在圖10E中，熱處理薄膜結(jié)構(gòu)105，由此通過回流完成球面顯微透鏡106。
圖11是在圖10E中所舉例說明的光學模塊的透視圖。標記120表示將在其上安置發(fā)光/接收器件的區(qū)域。
為了減少反射導致的損耗，可以向上面所述的制備方法中增加非反射涂布的步驟。它可以在基片基礎(chǔ)或芯片基礎(chǔ)上進行。
如上所述，本發(fā)明提供下面的益處(1)與傳統(tǒng)方法相比，可以有效地制備各種大小和形狀的顯微透鏡及具有這種顯微透鏡的陣列。尤其是，可以形成三維球面透鏡，其可以收集垂直或平行于基片的光線，該基片具有在其中集成的光學器件。
(2)由于顯微透鏡可以與PLC一體地形成，所以簡化了透鏡的制備并且透鏡可以容易地與光纖或光波導管對準。
(3)利用來自涉及蝕刻薄膜結(jié)構(gòu)的高溫處理的表面張力的回流有利于控制透鏡的形狀，該形狀適宜于工藝條件的改變，提高再現(xiàn)性，并且消除了使用另外的設(shè)備和材料的需要。因此，可以低成本地制備顯微透鏡。
雖然通過參考其特定的優(yōu)選實施方案展示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解的是在其中可以做出各種形式和細節(jié)上的修改而沒有離開本發(fā)明的精神及后附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種制備顯微透鏡的方法，該方法包括如下步驟(a)在基片上形成用于顯微透鏡的材料的薄膜；(b)在所述薄膜上形成光刻膠圖案；(c)通過使用所述光刻膠圖案蝕刻所述的薄膜，形成薄膜結(jié)構(gòu)；和(d)通過熱處理所述薄膜結(jié)構(gòu)，通過回流形成顯微透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在步驟(a)中的所述薄膜材料包含含有摻雜劑的SiO2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的摻雜劑包含GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述的摻雜劑包括一種或多種選自GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在基片上制備多個顯微透鏡，并且根據(jù)形成多個顯微透鏡的基片上安置的相應的薄膜結(jié)構(gòu)之間的距離來控制每一個顯微透鏡的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述顯微透鏡的形狀是根據(jù)在步驟(a)中形成的薄膜的厚度和在步驟(b)中形成的光刻膠圖案的形狀來控制的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，該方法還包含(e)在所述顯微透鏡的表面上形成非反射性涂層。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備的顯微透鏡。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法制備的顯微透鏡。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法制備的顯微透鏡陣列。
11.一種制備光學模塊的方法，該模塊具有在其中集成的顯微透鏡，該方法包括如下步驟(a)在基片上順序地形成下面的覆蓋層和核心層；(b)通過選擇性蝕刻所述的核心層和下面的覆蓋層而在所述的基片上形成平面光波線路(PLC)圖案；(c)通過在基片的整個表面上形成上面的覆蓋層來形成PLC；(d)通過選擇性地除去除了PLC的區(qū)域和透鏡形成區(qū)域外的上面的覆蓋層，在透鏡形成區(qū)域中形成薄膜結(jié)構(gòu)；和(e)通過熱處理所述薄膜結(jié)構(gòu)，通過回流形成顯微透鏡。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述薄膜是由含有摻雜劑的SiO2形成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的摻雜劑包含GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3中的一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述的摻雜劑包括一種或多種選自GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3的材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述顯微透鏡的形狀是根據(jù)光刻膠圖案的形狀和上面的覆蓋層的厚度來控制的。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，該方法還包含(f)在所述顯微透鏡的表面上形成非反射性涂層。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法制備的光學模塊。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法制備的光學模塊。
19.一種顯微透鏡，其包含安置在基片上的材料薄膜；形成在所述薄膜上的光刻膠圖案，其中通過使用所述光刻膠圖案蝕刻所述薄膜，形成薄膜結(jié)構(gòu)；和包含在基片上回流的薄膜結(jié)構(gòu)的透鏡。
20.一種具有在其中集成的顯微透鏡的光學模塊，其包含安置在基片上的下面的覆蓋層和核心層；平面光波電路(PLC)圖案，其是通過選擇性從基片蝕刻核心層和下面的覆蓋層的部分而安置在基片上的；安置于基片的整個表面上的上面的覆蓋層；和薄膜結(jié)構(gòu)，其是通過除去除了PLC的區(qū)域和透鏡形成區(qū)域外的上面的覆蓋層而安置在基片的透鏡形成區(qū)域中的；和透鏡，其包含所述薄膜結(jié)構(gòu)的受控回流。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備顯微透鏡的方法及一種使用該方法制備光學模塊的方法。為了制備顯微透鏡，在基片上形成用于顯微透鏡的材料的薄膜。在該薄膜上形成光刻膠圖案，通過使用該光刻膠圖案蝕刻該薄膜來形成薄膜結(jié)構(gòu)，和通過由熱處理該薄膜結(jié)構(gòu)的回流而形成顯微透鏡。
文檔編號G03F7/00GK1576895SQ200410003230
公開日2005年2月9日 申請日期2004年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月1日
發(fā)明者趙在桀, 鄭善太 申請人:三星電子株式會社