專利名稱：制備微透鏡陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用擴(kuò)散限制變溫腐蝕技術(shù)在半導(dǎo)體表面上制備微透鏡陣列的方法。
背景技術(shù)：
在光電器件技術(shù)領(lǐng)域，提高發(fā)光器件的收集效率、壓縮出光角以及穩(wěn)定光場模式始終是永恒的發(fā)展方向。不同的器件結(jié)構(gòu)包括波導(dǎo)、周期性表面以及微腔廣泛地應(yīng)用于該領(lǐng)域，但是同時也存在工藝繁瑣復(fù)雜、周期性長、成本高以及成品率低等不同問題。微透鏡陣列作為一個很好的替代品在越來越多的科學(xué)領(lǐng)域有著日益廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的制備微透鏡陣列方法包括分步光刻技術(shù)、飛秒激光或者聚焦離子束直寫技術(shù)、光刻膠熔融法以及直接生長法，各種制作方法存在不同的優(yōu)缺點，適用的領(lǐng)域范圍也各不相同。 分步光刻技術(shù)主要采用多步光刻工藝在器件表面形成二元臺階，近似于透鏡形貌，理論上臺階級數(shù)越多表面形貌越接近球面結(jié)構(gòu)，但同時制作難度大幅增加，多步工藝也導(dǎo)致了工藝容差度小，不利于重復(fù)生產(chǎn)及陣列均勻性差。而且該方法制作的透鏡陣列存在嚴(yán)重的衍射差問題，通常只適用于近單色系統(tǒng)。飛秒激光或者聚焦離子束直寫技術(shù)主要通過高精度的圖形發(fā)生器，利用高能激光或者離子束轟擊表面形成逐級變深的圓環(huán)。優(yōu)點在于理論上可以制作幾十納米直徑的納米透鏡。但其與分布光刻法同樣存在非理想透鏡形貌的缺點，多級圓環(huán)刻蝕大幅度增加工藝時間，同時在大面積透鏡陣列的制作上存在局限性，工藝設(shè)備的高精度要求預(yù)示著不菲的工藝成本。被轟擊的材料碎屑容易在透鏡表面堆積難以去除影響透鏡形貌。光刻膠熔融法的缺點在于光刻膠與材料體系的兼容性問題以及光刻膠相對較低的折射率限制了其性能的提高，同時光刻膠很難作為結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的器件投入實際應(yīng)用。腐蝕法是一種新型的制備微透鏡陣列的方法，其優(yōu)點在于制備工藝簡單、成本低、表面粗糙度低，而且便于陣列化的大規(guī)模應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的基于擴(kuò)散限制腐蝕法制備微透鏡陣列主要是在常溫條件下，側(cè)向鉆蝕是隨著深度方向的腐蝕同時進(jìn)行的，較小的曲率半徑往往是以犧牲側(cè)向腐蝕為代價的；同時由于擴(kuò)散的溫度依賴性，常溫下的腐蝕難以在曲率半徑獲得進(jìn)一步突破，而傳統(tǒng)溶液配制也限制了其使用的腐蝕作用溫度。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種在低溫下，腐蝕制備微透鏡陣列的方法。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制備微透鏡陣列的方法，該方法包括在鎵系半導(dǎo)體襯底上制備腐蝕掩模圖形，該腐蝕掩模圖形上分布若干的圓孔陣列，該圓孔陣列與待制備微透鏡陣列在位置與形狀上相對應(yīng)；在低溫下，將具有腐蝕掩模圖形的鎵系半導(dǎo)體襯底平放入可生成Br2的腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，其中，該腐蝕液的溶質(zhì)為可生成Br2的反應(yīng)物，溶劑為低熔點輔助溶劑；以及去除鎵系半導(dǎo)體襯底上的腐蝕掩模圖形，形成微透鏡陣列。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明制備微透鏡陣列的方法具有以下有益效果(I)采用低溫腐蝕溶液，有效地降低了腐蝕過程中的側(cè)向鉆蝕效應(yīng)，能夠有效地限定微透鏡的橫向尺寸；(2)本發(fā)明采用低溫控制方式降低腐蝕分子的擴(kuò)散系數(shù)，使得透鏡中心與邊緣的濃度差增加，因而能夠顯著的減小腐蝕法制備微透鏡陣列的最小曲率半徑；(3)本發(fā)明采用傳統(tǒng)的光刻及腐蝕技術(shù)制備微透鏡陣列，具有工藝簡單、成本低的 優(yōu)點；(4)本發(fā)明采用化學(xué)腐蝕法制備微透鏡，具有良好的陣列均勻性，便于芯片上的光電子陣列集成。


圖I為擴(kuò)散限制腐蝕原理的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的制備微透鏡陣列方法的流程圖；圖3A為采用圖I所示方法制備的微透鏡陣列正面的SEM圖像；圖3B為采用圖I所示方法制備的微透鏡陣列側(cè)面的SEM圖像；圖4為采用圖I所述的方法制備的微透鏡陣列的表面曲線與理想球面曲線的對比圖。圖5A為本發(fā)明微透鏡低溫腐蝕參數(shù)隨時間的變化圖；圖5B為本發(fā)明微透鏡在不同腐蝕溫度下的最優(yōu)腐蝕結(jié)果對比圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。本發(fā)明采用擴(kuò)散限制腐蝕法，利用Br2腐蝕鎵系半導(dǎo)體襯底過程中化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于Br2的擴(kuò)散速率的原理，在鎵系半導(dǎo)體襯底表面獲得Br2的梯度濃度分布，同時處2分子濃度直徑影響其腐蝕速率，因而能夠刻蝕形成微透鏡陣列，如圖I所示。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種制備微透鏡陣列的方法。如圖2所示，本實施例包括步驟A，在GaAs (001)襯底上制備SiN材料的腐蝕掩模圖形，該腐蝕掩模圖形上分布的圓孔陣列在位置與形狀與待制備微透鏡陣列相對應(yīng)；
需要說明的是，選用襯底的材料除鎵氮GaAs，還可以為鎵銻等鎵系半導(dǎo)體。除了
(001)取向外，其他取向，如(010)、(111)等，的鎵系半導(dǎo)體材料均會在某一取向產(chǎn)生優(yōu)先腐蝕，從而形成不規(guī)則形狀，例如橢圓，從而形不成圓形的微透鏡陣列。此外，腐蝕掩模圖形材料除SiN之外，還可以為SiO2等不與腐蝕液進(jìn)行反應(yīng)的材料。制備上述的SiN材料的掩模圖形的方式有多種。按照最為常見的工藝，該步驟A又可以分為以下子步驟子步驟Al，對2英寸的GaAs(OOl)襯底,用三氯乙烯、丙酮和無水乙醇對表面進(jìn)行清洗并烘干；子步驟A2，利用PECVD沉積150nm厚的SiN薄膜；
此外，該制備SiN薄膜的工藝還可以為電子束蒸發(fā)、磁控濺射等方式。該SiN薄膜的厚度應(yīng)當(dāng)介于IOOnm至150nm之間,而SiN薄膜太厚或者太薄均會對后期制備微透鏡陣列的形貌產(chǎn)生稍微的影響，子步驟A3，在沉積的SiN薄膜上旋涂光刻膠，光刻膠的厚度控制在I. 8 ii m左右；子步驟A4，利用光刻掩模板經(jīng)過光刻系統(tǒng)在SiN薄膜表面形成光刻膠掩模圖形，該掩模圖像上分布與待制備微透鏡陣列位置與形狀對應(yīng)的圓孔陣列；子步驟A4,利用感應(yīng)稱合等離子體刻蝕方式(Inductively CoupledPlasma,簡稱ICP)在SiN薄膜上轉(zhuǎn)移圖形，形成直徑30um周期為200um的圓孔陣列狀。該子步驟中，ICP可以適當(dāng)過刻，從而保證圓孔處SiN完全去除；子步驟A4，清洗去除殘余的光刻膠，獲得SiN腐蝕掩模層。該子步驟中，殘余的光刻膠采用丙酮煮沸IOmin去除。步驟B，將具有腐蝕掩模圖形的GaAs (001)襯底置于可生成Br2的腐蝕液中進(jìn)行低溫腐蝕，其基本化學(xué)式為GaAs+3Br2 = GaBr3+AsBr3,或5NaBr+NaBr03+3H2S04 = = Br2+3Na2S04+3H20擴(kuò)散限制理論表明，相對較小的溶液濃度有利于更小的曲率半徑的形成，但是存在腐蝕時間過長的問題，過高的溶液濃度又會導(dǎo)致曲率半徑難以降低以及側(cè)向腐蝕嚴(yán)重的問題。本實施例中，腐蝕溫度由室溫環(huán)境(26°C )變化到腐蝕液凝固點(-8. 30C )以下，低溫腐蝕(如_8°C )會進(jìn)一步降低腐蝕速率，因而一般采用相對較大的溶液配比，可以有效地將腐蝕時間控制在50分鐘以內(nèi)。同時水的凝固點在0°C，因而普通的水腐蝕溶液難以勝任低溫腐蝕要求。實驗中采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12. 3% NaCl溶液配置腐蝕溶液，對應(yīng)的腐蝕溶液凝固點低于-8. 3°C，可以有效地避免腐蝕溶液在_8°C時失去腐蝕效果。此外，還可以根據(jù)需要采用不同濃度的NaCl溶液，以得到不同凝固點的腐蝕液。本實施例中，采用的低溫腐蝕是在零度至腐蝕液凝固點之間的溫度進(jìn)行腐蝕。子步驟BI，由HBr、H202和低熔點輔助溶劑配制腐蝕液，腐蝕液用平底且不與處2及任何配液反應(yīng)的容器盛裝，腐蝕液盡量保持靜置狀態(tài)；該子步驟中，采用40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HBr ;30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H2O2和12. 3%的NaCl、CaCl2等鹽類水溶劑配制腐蝕液，其中，HBr和H2O2的摩爾比大于2 1，從而保持酸性環(huán)境，以防止Br2的分解；HBr和鹽類水溶劑的摩爾比介于I : 60到I : 50之間。由于鹽類水溶劑的凝固點均低于0°C，從而可以防止腐蝕液失效。子步驟B2，腐蝕液配制完成靜置30分鐘使其充分反應(yīng)均勻生成Br2 ；子步驟B3，然后將腐蝕液置于低溫恒溫平臺中至溫度穩(wěn)定為-8V ；子步驟B4，輕輕放入樣品至平底容器底部，正面朝上，盡量減小期間溶液的晃動，靜置50min ；通過降低腐蝕溫度，減小Br2分子的擴(kuò)散系數(shù)以抑制側(cè)向 腐蝕效應(yīng)以及優(yōu)化透鏡中心與邊緣的高度差，從而獲得相對較小曲率半徑的微透鏡陣列，并進(jìn)一步通過控制腐蝕時間和溶液配比獲得不同曲率半徑微透鏡。腐蝕過程可參照圖I。腐蝕時間與腐蝕液的濃度和制備微透鏡陣列的曲率半徑有關(guān)，優(yōu)選地，腐蝕時間介于30min至90min之間。子步驟B5，腐蝕完成后，從容器中撈出樣品，立即用大量去離子水對樣品表面進(jìn)行清洗并用氮氣吹干，以防止腐蝕液對樣品的進(jìn)一步腐蝕。步驟C，去除腐蝕掩模圖形，形成微透鏡陣列，其中SiN掩模層采用氫氟酸浸泡約30min進(jìn)行去除。至此，制備過程介紹完畢。為了驗證本發(fā)明的效果，申請人分別采用常溫19°C、冰水浴5°C以及鹽水溶液_8°C幾個不同的溫度條件對腐蝕結(jié)果進(jìn)行對比。隨著腐蝕溫度的降低，對比于常溫條件(19°C )下的透鏡腐蝕，最小曲率半徑減小23. 9%，側(cè)向腐蝕深度減小37. 5%。最小的曲率半徑(105um)在-8°C下達(dá)到擴(kuò)散限制腐蝕法的理論極限，同時表面粗糙度小于10nm，具有極小的衍射差。對于鹽水溶液_8°C所制備的微透鏡陣列，邊緣與中心透鏡腐蝕深度偏差在IOOnm以內(nèi)；原位腐蝕獲得折射率與器件相同的微透鏡大大增加透鏡的數(shù)值孔徑(NAmax 0. 14)與收集效率，為光纖收集特別是單量子點的單光子光纖集成提供了很好的解決方案。通過掃描電鏡(SEM)對制備的微透鏡陣列的腐蝕形貌進(jìn)行觀察。圖3A為采用圖I所示方法制備的微透鏡陣列正面的SEM圖像，圖3B為采用圖I所示方法制備的微透鏡陣列側(cè)面的SEM圖像。由圖3A和圖3B可知，有一定的側(cè)向腐蝕，總體表面形貌光滑，粗糙度小于10nm。圖4為采用圖I所述的方法制備的微透鏡陣列的表面曲線與理想球面曲線的對比圖。其中，虛線為理想球面曲線，實線為利用本實施例方法制備的微透鏡陣列的表面曲線。由圖4可知，我們在GaAs襯底上獲得了表面光滑的微透鏡結(jié)構(gòu)，透鏡表面粗糙度小于10nm。
圖5A為采用圖I所述的方法低溫(_8°C )腐蝕樣品腐蝕深度隨腐蝕時間的變化規(guī)律。如圖5A所示，透鏡邊緣的腐蝕深度隨著時間的增加而增加，但是并非簡單的線性關(guān)系，而是與不同時刻的濃度分布梯度相關(guān)。當(dāng)腐蝕時間過長時，腐蝕深度急劇增加，側(cè)向腐蝕液遵循相似的規(guī)律。對比于常溫條件(19°C )下的透鏡腐蝕，低溫_8°C腐蝕獲得微透鏡側(cè)向腐蝕深度減小37.5%。圖5B為采用圖I所述的方法低溫(_8°C )腐蝕樣品透鏡曲率半徑隨腐蝕時間的變化規(guī)律。如圖5B所示，在一定的時間范圍內(nèi)，曲率半徑隨著腐蝕時間的增加而減小，但是過長的腐蝕時間則會使得曲率半徑急劇增加，從而微透鏡形貌不再明顯而趨于平面形貌。在溶液配比2 I 50的情況下，腐蝕35min，獲得最小曲率半徑105um，相應(yīng)的數(shù)值孔徑NA ^ 0. 14。對比于常溫條件(19°C )下的透鏡腐蝕，低溫_8°C腐蝕獲得微透鏡最小曲率半徑減小23. 9%0本發(fā)明可應(yīng)用于GaAs基面陣列激光器、LED、二極管以及單光子源器件的光纖集成等領(lǐng)域?；诒景l(fā)明方法制備的微透鏡陣列，無論是傳統(tǒng)的面發(fā)射激光器還是新興的單光子面發(fā)射集成均有廣闊的應(yīng)用前景，特別在面陣列器件集成上具有巨大的優(yōu)勢。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制備微透鏡陣列的方法，其特征在于，包括 在鎵系半導(dǎo)體襯底上制備腐蝕掩模圖形，該腐蝕掩模圖形上分布若干的圓孔陣列，該圓孔陣列與待制備微透鏡陣列在位置與形狀上相對應(yīng)； 在低溫下，將具有腐蝕掩模圖形的鎵系半導(dǎo)體襯底平放入可生成Br2的腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，其中，該腐蝕液的溶質(zhì)為可生成Br2的反應(yīng)物，溶劑為低熔點輔助溶劑；以及 去除所述鎵系半導(dǎo)體襯底上的腐蝕掩模圖形，形成微透鏡陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述將具有腐蝕掩模圖形的鎵系半導(dǎo)體襯底平放入可生成Br2的腐蝕液中進(jìn)行腐蝕的步驟包括 由可生成Br2的反應(yīng)物及低熔點輔助溶劑配置腐蝕液； 在低溫下，將鎵系半導(dǎo)體襯底平放至盛放腐蝕液容器的底部，正面朝上，保持預(yù)設(shè)的腐蝕時間；以及 腐蝕完成后，從容器中撈出樣品，對樣品表面進(jìn)行清洗并吹干。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將具有腐蝕掩模圖形的鎵系半導(dǎo)體襯底平放入至盛放腐蝕液容器的底部進(jìn)行腐蝕的步驟中，所述低溫介于零度與腐蝕液的凝固點之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)腐蝕時間為30min至90min之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述由可生成Br2的反應(yīng)物及低熔點輔助溶劑配置的腐蝕液的步驟中， 所述可生成Br2的反應(yīng)物為HBr溶液和H2O2溶液，其中，HBr和H2O2的摩爾比等于或大于2 I，以保持酸性環(huán)境； 所述低熔點輔助溶劑為NaCl溶液或CaCl2溶液，所述HBr與該NaCl或CaCl2的摩爾比介于I : 60至Ij I : 50之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述HBr溶液為40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HBr溶液；所述H2O2溶液為30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的H2O2溶液；所述NaCl溶液為12. 3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述低溫為-8°C，所述預(yù)設(shè)腐蝕時間為50mino
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述將鎵系半導(dǎo)體襯底平放至盛放腐蝕液容器底部的步驟之前還包括 將配制完成的腐蝕液靜置30分鐘使其充分反應(yīng)均勻生成Br2。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述在鎵系半導(dǎo)體襯底上制備 腐蝕掩模圖形的步驟包括 沉積掩模薄膜，該掩模薄膜的厚度介于IOOnm至150nm之間； 在沉積的掩模薄膜上旋涂光刻膠， 利用光刻掩模板經(jīng)過光刻系統(tǒng)在掩模薄膜表面形成光刻膠掩模圖形，該掩模圖像上分布與待制備微透鏡陣列位置與形狀對應(yīng)的圓孔陣列； 在掩模薄膜上過刻蝕轉(zhuǎn)移圖形，形成掩模薄膜的圓孔陣列狀；以及 去除殘余的光刻膠，獲得具有腐蝕掩模圖形的鎵系半導(dǎo)體襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述鎵系半導(dǎo)體襯底的材料為(001)取向的GaAs或GaSb ;所述腐蝕掩模圖形的材料為SiN。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備微透鏡陣列的方法。該方法包括在鎵系半導(dǎo)體襯底上制備腐蝕掩模圖形，該腐蝕掩模圖形上分布若干的圓孔陣列，該圓孔陣列與待制備微透鏡陣列在位置與形狀上相對應(yīng)；在低溫下，將具有腐蝕掩模圖形的鎵系半導(dǎo)體襯底平放入可生成Br2的腐蝕液中進(jìn)行腐蝕，其中，該腐蝕液的溶質(zhì)為可生成Br2的反應(yīng)物，溶劑為低熔點輔助溶劑；以及去除鎵系半導(dǎo)體襯底上的腐蝕掩模圖形，形成微透鏡陣列。本發(fā)明采用低溫腐蝕溶液，有效地降低了腐蝕過程中的側(cè)向鉆蝕效應(yīng)，能夠有效地限定微透鏡的橫向尺寸。
文檔編號G02B3/00GK102967891SQ20121050520
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者査國偉, 喻穎, 李密峰, 王莉娟, 倪海橋, 賀正宏, 牛智川 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所