半球形結構及其製造方法
2023-12-08 01:59:21
專利名稱：半球形結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半球形結構及其製造方法，特別是涉及一種應用於影像裝置以及微機電系統技術的半球形結構及其製造方法。
背景技術：
微透鏡裝置已廣泛應用於包括光學信息處理系統、光學通訊、光學讀取頭、光學測量以及固態影像元件等不同的領域。典型的固態影像元件包括例如位於基板上的光電二極體的光感測元件、位於光感測元件上的彩色濾光片以及位於彩色濾光片上的微透鏡陣列。光感測元件可為例如光電二極體、互補型金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)傳感器或電荷耦合元件(charge coupled device，CCD)等。利用微透鏡有效地搜集落入微透鏡圓錐面的入射光以及經過影像製造工藝將此入射光折射至焦點平面上，而此焦點平面的深度由光電二極體元件所形成的平面陣列所定義。近年來對於光學裝置的小型化、聚集度以極高性能的需求促進了更高精準度及更小型化微透鏡的發展。
公知的微透鏡裝置製造方法是利用高溫工藝以及全面回蝕刻工藝將基板上的介電層形成為微透鏡陣列，但對微透鏡裝置的均勻度、輪廓以及曲率的控制相當困難。圖1A至圖1D分別示意利用公知的階梯狀蝕刻工藝形成微透鏡陣列的一系列工藝剖面圖。請參考圖1A，其示意一種公知的微透鏡陣列，其形成方式包括，在基板10上形成一氮化矽層12，利用微影工藝在氮化矽層12上形成一分離的光阻圖案；光阻圖案經過熱回流產生一圓滑的分離光阻區域14。請參考圖1B，接著，利用階梯狀蝕刻工藝蝕刻氮化矽層12，形成一階梯狀結構12a。經過灰化工藝將剩餘的光阻移除，利用化學向下蝕刻(chemical downstream etching，CDE)工藝平滑階梯狀結構12a的表面，直到形成如圖1C所示的位於基板10上的曲面狀微透鏡12b。然而這種階梯狀蝕刻工藝具有曲率控制不佳的缺點，所以只能提供高度為2～6K的透鏡。如果將這種將光阻拉回以及階梯狀化高度的方法控制微透鏡高度以及斜率，使微透鏡的高度大於6K，如圖1D所示，將會產生一種不希望得到的飛碟狀(UFO-shape)微透鏡12c，而殘留在飛碟狀微透鏡12c的梯狀輪廓上的光阻並不均勻，因此公知的微透鏡裝置均有表面粗糙的缺點。另外，化學向下蝕刻工藝需要單一機臺，因此在量產時會有工藝時間過長以及產率少的缺點。
因此有需要一種新穎的影像裝置的製造方法，其可以利用一種簡單的蝕刻工藝，形成合乎曲率、高度以及輪廓需求的微透鏡陣列。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的提供一種半球形結構及其製造方法，利用一支撐結構控制半球形結構的曲率、高度以及輪廓。
為實現發明的上述目的，本發明提供了一種半球形結構的製造方法，包括提供一基板，在所述基板上形成一第一層；圖案化所述第一層，形成多個柱狀物區域；在上述柱狀物區域上形成一第二層；以及進行一回蝕刻步驟蝕刻上述第二層，以形成多個半球形薄膜區域，其分別覆蓋於上述多個柱狀物區域上；其中，每一個上述半球形薄膜區域與對應位置的每一個上述柱狀物區域，構成一半球形結構。
為實現上述目的，本發明還提供了一種半球形結構，包括一基板；多個柱狀物區域，位於上述基板上；一圖案層，位於上述多個柱狀物區域以及上述基板上，其中上述圖案層包括多個半球形薄膜區域，分別位於上述多個柱狀物區域上；其中，每一個上述半球形薄膜區域與對應位置的每一個上述柱狀物區域，構成一半球形結構。
為實現上述目的，本發明還提供了一種半球形結構的製造方法，包括提供一基板，在上述基板上形成一第一層；圖案化上述第一層，形成多個階梯狀物區域；在上述階梯狀物區域上形成一第二層；以及進行一回蝕刻步驟蝕刻上述第二層，以形成多個半球形薄膜區域，其分別覆蓋於上述多個階梯狀物區域上；其中，每一個上述半球形薄膜區域與對應位置的每一個上述階梯狀物區域，構成一半球形結構。
為實現上述目的，本發明還提供了一種半球形結構，包括一基板；多個階梯狀物區域，位於上述基板上；一圖案層，位於上述多個階梯狀物區域以及上述基板上，其中上述圖案層包括多個半球形薄膜區域，分別位於上述多個階梯狀物區域上；其中，每一個上述半球形薄膜區域與對應位置的每一個上述階梯狀物區域，構成一半球形結構裝置。
本發明提供了一種新穎的影像裝置的製造方法，其可以利用一種簡單的蝕刻工藝，形成合乎曲率、高度以及輪廓需求的微透鏡陣列。
圖1A～圖1D分別為示意利用公知階梯狀蝕刻工藝形成微透鏡陣列的一系列工藝的剖面圖。
圖2A～圖2D分別為示意本發明的半球形結構第一實施例的工藝剖面圖。
圖3A～圖3D分別為示意本發明的半球形結構第二實施例的工藝剖面圖。
其中，附圖標記說明如下10基板12氮化矽層12a階梯狀結構 12b曲面狀微透鏡12c飛碟狀微透鏡 14分離光阻區域20基板22第一層22a分離柱狀物區域 22b分離階梯狀物區域24分離式罩幕圖案 26第二層26a半球形薄膜區域 26b平坦區域28半球形結構具體實施方式
本發明的實施例提供了一種半球形結構及其製造方法，本發明的半球形結構應用於光學信息處理系統、光學通訊、光學讀取頭、光學測量以及固態影像元件等。該半球形結構採用利用半導體工藝的微機電系統(MicroElectro-Mechanical System，MEMS)技術以達到精確的機器製造以及大量生產的優點。本發明可較佳地控制半球形結構的曲率、高度以及輪廓以克服先前技術利用階梯狀蝕刻以及化學向下蝕刻工藝方式的缺點。尤其本發明提供了一種利用有機或無機材料形成的半球狀結構，其利用位於半球形結構下方的支撐結構(例如一柱狀物區域或一階梯狀物區域)控制半球形結構的曲率、高度以及輪廓。同樣地，經由一回蝕刻工藝用以彎曲化以及平滑化半球形薄膜區域，同時在兩相鄰的半球形薄膜區域之間形成一平坦區域。在應用到微透鏡領域中時，可以用相同材料形成半球形薄膜區域與支撐結構。在應用到微機電領域中時，可以用相同或不同材料形成半球形薄膜區域與支撐結構。
以下利用工藝剖面圖，以更詳細地說明本發明較佳實施例的半球形結構及其製造方法。在本發明各實施例中，相同的符號表示相同的元件。在附圖中，實施例中的形狀以及厚度可能因為清楚或方便的原因而被誇大，此種描述方式特別應用在本發明裝置中的單一部分或組成的元件。附圖中未詳細描述的元件，本領域技術人員應當可以作些許的更動與潤飾。另外，在描述在基板或其它層「上」形成一層物質時，表示該層物質直接位於基板或其它層上，或者兩者之間存在一中間層。
在此，圖2A至圖2D分別為示意本發明形成半球狀結構較佳實施例的剖面圖。請參考圖2A，其示意在第一實施例中形成一微透鏡裝置的起始步驟。提供一基板20，在基板20上沉積一第一層22，例如在基板20的平坦表面上沉積一第一層22。在影像裝置工藝中，基板20可為一矽基板。位於基板20上的場氧化區域、光二極體、層間介電層、金屬繞線、鈍化層、平坦層以及彩色濾光片均未示意於附圖中。第一層22的可由無機或有機材料製成。第一層22的較佳厚度為300～10000000，但並未限定厚度。第一層22厚度的選擇需要符合半球狀結構的大小需求，且第一層22的厚度會因後續工藝步驟而產生變化。在第一實施例中，第一層22為一氮化矽層，利用包含低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)、常壓化學氣相沉積(atmospheric-pressure chemical vapor deposition，APCVD)、等離子體增強型化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、濺鍍以及其它後續發展的沉積方式沉積而成。第一層22可由例如二氧化矽、含氧介電材料、含氮介電材料的公知無機介電材料及其組合構成。在第一實施例中，第一層22可為例如利用旋轉塗布或沉積方式形成的光阻層，也可為例如熱塑性塑料材料的公知有機材料或不同折射率的光阻性材料。
接著，在基板20上設置多個分離式罩幕圖案24。在第一實施例中，分離式罩幕圖案24經由包含光阻塗布、軟烤、光罩對準、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影以及硬烤步驟的微影工藝所形成。分離式罩幕圖案24的形狀可為圓柱狀、方柱狀、三角柱狀或類似的形狀。
請參考圖2B，其示意以分離式罩幕圖案24作為蝕刻罩幕，利用幹蝕刻將第一層22蝕刻為分離柱狀物區域22a，接著移除分離式罩幕圖案24。每一個分離柱狀物區域22a為半球形結構的一部分，可視為一支撐結構22a，後續工藝中半球形薄膜區域會形成於分離柱狀物區域22a上。通過控制分離柱狀物區域22a的厚度及大小，可較佳地調整半球形結構的高度以達到高曲率的需求。在第一實施例中，分離柱狀物區域22a的形狀可為圓柱狀、方柱狀、三角柱狀或類似的形狀。
請參考圖2C，其示意在分離柱狀物區域22a以及部分基板20暴露區域上沉積第二層26，第二層26覆蓋了分離柱狀物區域22a的間隔，而第二層26沉積的輪廓大致與暴露表面的輪廓相同。第二層26的可由自無機材料或有機材料製成，在應用到微透鏡領域中時，形成第二層26的材料可以和形成第一層22的材料相同。應用在微機電領域中時，形成第二層26的材料可以用相同或不同於第一層22的材料。第二層26的厚度的較佳厚度為300～10000000，但並未限定厚度。第二層26厚度的選擇需要符合半球狀結構的大小需求，且第二層26的厚度會因後續工藝步驟而產生變化。在第一實施例中，第二層26為一氮化矽層，利用包含低壓化學氣相沉積、常壓化學氣相沉積、等離子體增強型化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺鍍以及其它後續發展的沉積方式沉積而成。形成第二層26的材料可為例如二氧化矽、含氧介電材料、含氮介電材料的公知無機介電材料及其組合。在第一實施例中，第二層26可為例如利用旋轉塗布或沉積方式形成的光阻層，也可為例如熱塑性塑料材料的公知有機材料或不同折射率的光阻性材料。
請參考圖2D，其示意經由回蝕刻步驟，將第二層26圖案化，在每一個分離柱狀物區域22a和基板20上分別形成半球形薄膜區域26a，但不暴露第一層22和基板20。回蝕刻步驟可為反應式離子蝕刻(reactive ion etching)或其它等離子體蝕刻的幹蝕刻步驟，使用例如含氟氣體作為氮化矽的蝕刻劑，以非等向性蝕刻方式蝕刻第二層26。或者選擇以溼蝕刻方式的回蝕刻步驟蝕刻第二層26。鄰近分離柱狀物區域22a側壁區域的第二層26會在分離柱狀物區域22a上形成彎曲和平滑的表面，而在基板20的暴露部分區域上的第二層26會形成一平坦的表面。因此，在分離柱狀物區域22a上順應性沉積的第二層26，最後形成彎曲和平滑的半球形薄膜區域26a，以提供一彎曲層，可視為半球形結構28的一部分。通過控制第二層26的厚度，可較佳地調整半球形結構28的高度以達到高曲率的需求。在經由回蝕刻步驟後，半球形薄膜區域26a並不會完全分離，而其餘位於半球形薄膜區域26a間隙的第二層26會形成平坦區域26b，平坦區域26b用來維持半球形結構28的大小且防止因形成半球形結構28產生的功能缺陷。
在第一實施例中，當第一層22為例如有機的光阻材料時，如圖2A所示的在基板20上設置多個分離式罩幕圖案24的步驟可以省略。舉例來說，在基板20上形成的第一層22可以利用包含光阻塗布、軟烤、光罩對準、曝光、曝光後烘烤、光阻顯影以及硬烤步驟的微影工藝直接的被圖案化成為分離柱狀物區域22a。這樣可以簡化半球形結構工藝以及節省工藝成本。
因此，經由簡單的圖案化以及回蝕刻步驟形成的分離柱狀物區域22a和半球形薄膜區域26a，組成了半球形結構28。和公知的階梯狀蝕刻以及化學向下蝕刻工藝方式比較，本發明的半球形結構製造方法具有較高的產率，也較易於應用於量產。同時經由控制分離柱狀物區域22a的高度和/或第二層26的厚度，使本發明的半球形結構28的高度因具有較高曲率而能夠實現高於6K。
另外，圖2B中的分離柱狀物區域22a，在另一實施例中可為一階梯狀物區域，以作為位於半球形薄膜區域26a的下方支撐結構。圖3A至圖3D示意本發明形成半球狀結構第二實施例的剖面圖。其中與圖2A至圖2D所示元件相同的部分，則可參考前面的相關敘述，在此不作重複敘述。請參考圖3A，提供一基板20，一第一層22以及多個分離式罩幕圖案24，分離式罩幕圖案24的形狀可為圓柱狀、方柱狀、三角柱狀或類似的形狀。請參考圖3B，其示意利用一種一系列交替的蝕刻步驟，包含橫向移除分離式罩幕圖案24的邊緣步驟和非等向性地向下蝕刻的階梯狀蝕刻方式蝕刻第一層22。每一個分離階梯狀物區域22b為包含兩個或兩個以上的梯形薄板所組成的堆棧結構，位於下方的梯形薄板，其大小和厚度均大於位於上方的梯形薄板。接下來，移除分離式罩幕圖案24。每一個分離階梯狀物區域22b作為半球形結構的一部分，可視為一支撐結構22b，後續工藝中半球形薄膜區域會形成在分離階梯狀物區域22b上。通過控制分離階梯狀物區域22b的厚度及大小，可較佳地調整半球形結構的高度以達到高曲率的需求。
請參考圖3C，其示意在分離階梯狀物區域22b以及部分基板20暴露區域上沉積第二層26，第二層26覆蓋了分離階梯狀物區域22b的間隙，而第二層26沉積的輪廓大致與暴露表面的輪廓相同。請參考圖3D，其示意經由回蝕刻步驟，在分離階梯狀物區域22b和基板20上將第二層26圖案化形成半球形薄膜區域26a，但不暴露第一層22和基板20。鄰近於分離階梯狀物區域22b的階梯狀輪廓的部分第二層26會分別在分離階梯狀物區域22b上形成彎曲和平滑的表面，而在部分基板20暴露區域上的第二層26會形成一平坦的表面。因此，在分離階梯狀物區域22b上順應性沉積的第二層26最後形成彎曲和平滑的半球形薄膜區域26a，以提供一彎曲層，可視為半球形結構28的一部分。在經由回蝕刻步驟後，半球形薄膜區域26a並不會完全分離，而其餘位於分離階梯狀物區域22b間隙的第二層26會形成平坦區域26b，平坦區域26b用來維持半球形結構28的大小且防止因形成半球形結構28產生的功能缺陷。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，然而其並非用以限制本發明地保護範圍，任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可以做些許更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應當以權利要求書所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種半球形結構的製造方法，包括步驟提供一基板，在該基板上形成一第一層；圖案化該第一層，形成多個柱狀物區域；在該柱狀物區域上形成一第二層；以及進行一回蝕刻步驟蝕刻該第二層，以形成多個半球形薄膜區域，所述半球形薄膜區域分別覆蓋於所述多個柱狀物區域上；其中，每一個所述半球形薄膜區域與對應位置的每一個該柱狀物區域構成一半球形結構。
2.如權利要求1所述的半球形結構的製造方法，其中圖案化該第一層的步驟包括暴露出一部分位於該柱狀物區域之間的該基板，其中形成該第二層的步驟包括在該柱狀物區域之間暴露出的一部分該基板上形成該第二層。
3.如權利要求2所述的半球形結構的製造方法，其中該回蝕刻步驟包括在該半球形薄膜區域之間暴露出的一部分該基板上，形成該第二層，該第二層為多個平坦區域。
4.如權利要求1所述的半球形結構的製造方法，其中該第一層為氮化矽層、氧化矽層或光阻層，該第二層為氮化矽層、氧化矽層或光阻層。
5.如權利要求1所述的半球形結構的製造方法，其中在圖案化該第一層的步驟前，還包括步驟在該第一層上形成多個分離式罩幕圖案；以及以所述多個分離式罩幕圖案為蝕刻罩幕，進行一幹蝕刻步驟，圖案化該第一層為所述多個柱狀物區域。
6.如權利要求1所述的半球形結構的製造方法，其中該第一層由光阻構成，且圖案化該第一層以形成所述多個柱狀物區域的步驟為一微影步驟。
7.一種半球形結構，包括一基板；多個柱狀物區域，位於該基板上；一圖案層，位於所述多個柱狀物區域以及該基板上，其中該圖案層包括多個半球形薄膜區域，分別位於該多個柱狀物區域上；其中，每一個該半球形薄膜區域與對應位置的每一個該柱狀物區域構成一半球形結構。
8.如權利要求7所述的半球形結構，其中該圖案層包括多個平坦區域，位於該半球形薄膜區域之間的該基板上。
9.如權利要求7所述的半球形結構，其中該柱狀物區域為氮化矽層、氧化矽層或光阻層，該圖案層為氮化矽層、氧化矽層或光阻層。
10.一種半球形結構的製造方法，包括步驟提供一基板，在該基板上形成一第一層；圖案化該第一層，形成多個階梯狀物區域；在該階梯狀物區域上形成一第二層；以及進行一回蝕刻步驟蝕刻該第二層，以形成多個半球形薄膜區域，其分別覆蓋於該多個階梯狀物區域上；其中，每一個該半球形薄膜區域與對應位置的每一個該階梯狀物區域構成一半球形結構。
11.如權利要求10所述的半球形結構的製造方法，其中圖案化該第一層的步驟包括暴露出一部分位於該階梯狀物區域之間的該基板；以及其中形成該第二層的步驟包括在該階梯狀物區域之間暴露出的一部分該基板上形成該第二層。
12.如權利要求10所述的半球形結構的製造方法，其中該回蝕刻步驟包括在該半球形薄膜區域之間暴露出的一部分該基板上，形成該第二層，其為多個平坦區域。
13.如權利要求10所述的半球形結構的製造方法，其中該第一層由光阻構成，且圖案化該第一層以形成所述多個階梯狀物區域的步驟為一微影步驟。
全文摘要
本發明提供了一種半球形結構及其製造方法。此半球形結構包括一基板；一形成於上述基板上的分離階梯狀物區域，可視為一分離支撐結構；一形成於上述分離支撐結構以及上述基板上的圖案層；上述圖案層在上述分離支撐結構上分別形成一半球形薄膜區域以及在上述半球形薄膜區域之間的上述基板上形成一平坦區域；每一個上述半球形薄膜區域與對應位置的每一個上述分離支撐結構，構成一半球形結構。
文檔編號H01L21/00GK1996150SQ20061008424
公開日2007年7月11日 申請日期2006年5月30日 優先權日2006年1月4日
發明者劉銘棋, 羅際興 申請人:臺灣積體電路製造股份有限公司