专利名称：制备显微透镜的方法及使用该方法制备光学模块的方法
技术领域：
一般而言，本发明涉及显微透镜。更具体而言，本发明涉及一种制备显微透镜的方法，以及一种使用该方法制备光学模块的方法，所述的光学模块具有在其中集成的显微透镜。
背景技术：
现在，显微透镜日益成为普及的，并且可见于部件如光学传感器，光电子产品，和光通讯如在包括光纤、PLC(平面光波电路)、LD(激光二极管)和PD(光电二极管)的光学器件间的光耦合。
建议了许多的方法来尝试在光学器件之间的光耦合中实现高的光耦合效率。传统上，在自由空间光场(free space optic field)，光学器件装配有直径从几百微米至数十毫米的球面透镜、GRIN(渐变折射率)透镜；还可以是一个或两个所使用的球面透镜，并且将半球面末端的光纤用于提高受光效率。由于近来集成光学器件的开发，也形成了直径为几百微米或更小并且可以收集垂直于Si、InP或SiO2基片的光线的显微透镜和具有这种显微透镜的透镜阵列。
这种显微透镜阵列广泛地应用于CCD(电荷耦合器件)图像传感器和FPA(焦平面阵列)中，特别是在用于测量眼睛像差的Hartmann-Shack波前传感器中。制备这种显微透镜和透镜阵列的主要传统方法是光刻胶(PR)回流(reflow)。
图1A至1D顺序地举例说明现有技术基于PR回流的显微透镜的制备方法，并且图2是通过传统PR回流制备的显微透镜的放大的显微图片。
参考图1A，在Si、石英、InP或GaP的基片11上形成厚光刻胶PR图案12。
接着，如图1B所示，由于由在高温下回流所导致的表面张力，将PR图案12成形为凸透镜13。
在将PR图案成形为凸透镜13之后，图1C所示为下一个步骤，其中通过使用PR图案13的蚀刻方法将凸透镜形状的PR图案13转移至基片11。可以使用的这种类型的蚀刻方法中的一种是例如RIE(反应离子蚀刻)。
最后，在图1D中，所示为制备完成后的透镜14。
此传统的显微透镜制备方法的收率很低，因为PR对温度和湿度非常敏感，使其难以容易地复制显微透镜。此外，透镜的厚度受到限制。因此，此显微透镜用于收集与基片平行的光是不可行的，该基片具有在其上集成的光学器件如用于光耦合的LD和光纤/PLC。
参考图3，在一种解决制备问题的尝试中，在激光二极管LD 32和光纤/PLC 33之间插入非反射性涂布的非球面或球面透镜31，其直径为几百微米至数十毫米。
但是，LD 32和球面透镜31之间的距离至少为几百微米。因此，当从LD 32发出的光线经过球面透镜31时，经过球面透镜31中心的光线和经过该球面透镜周围的光线会聚于不同的位置，导致非常低的光耦合效率，在某些地方为约10％。如果使用非球面透镜，光耦合效率将会增加，但是在这种透镜用于此目的的实际应用中，增加的成本可以是抑制性的。
图4举例说明了传统的构造方法，其中可以将通过倒装焊接(flip-chipbonding)在基片41上形成的LD 41与范围在数十微米之内的光纤/PLC 43直接光耦合。
但是，图4所举例说明的传统方法遭受到由于在LD 42和光纤/PLC 43之间模式不匹配而导致的耦合损耗。由于此耦合损耗对于粘接准确度非常敏感，所以粘接错误导致大量的损耗。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种制备显微透镜的方法，该显微透镜适宜用于收集垂直和平行于基片的光线，该基片具有在其中集成的光学器件，并且提供一种制备光学模块的方法。
本发明的再一个方面是提供一种制备显微透镜的方法，其可以比至今已知的方法更容易复制，容易与光纤或PLC对准，并且容易制备，并且提供一种制备光学模块的方法。
通过一种制备显微透镜的方法及一种使用该方法制备光学模块的方法来实现上面所述的目的。为了制备显微透镜，在基片上由用于显微透镜的材料形成薄膜。然后在该薄膜上形成光刻胶图案，通过使用该光刻胶图案蚀刻该薄膜形成薄膜结构，并且通过由热处理该薄膜结构的回流方法来完成显微透镜。
优选地，根据薄膜结构之间的距离来控制显微透镜的形状。
优选地，根据光刻胶图案的形状和薄膜结构的厚度(或高度)来控制显微透镜的形状。
为了制备具有集成的显微透镜的光学模块，在基片上顺序地形成下层的覆盖层和核心层。通过选择性蚀刻核心层和下层的覆盖层，在基片上形成PLC图案。通过在基片的整个表面上形成上面的覆盖层来完成PLC。通过选择性地除去除了PLC的区域和透镜形成区域外的上面的覆盖层，在透镜形成区域中形成薄膜结构。通过由热处理该薄膜结构的回流，最终形成显微透镜。
从下面结合附图时的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征和益处会变得更加明显，其中图1A至1D顺序地举例说明现有技术基于PR回流的显微透镜的制备方法；图2是通过传统PR回流方法制备的显微透镜的高度放大的显微图片；图3描绘了在LD和PLC之间使用球形透镜的传统光耦合方法；图4描绘了在LD和PLC之间传统的直接光耦合方法；图5A至5D顺序地举例说明根据本发明一个优选的实施方案制备显微透镜的方法；图6A、6B和6C举例说明了按照在薄膜结构之间不同距离的不同形状的显微透镜；图7A和7B举例说明了根据本发明在单位基片上的非球面透镜的典型阵列；
图8A和8B举例说明了根据本发明在单位基片上的球面透镜的典型阵列；图9描绘了在LD和PLC之间使用根据本发明制备的球面透镜的光耦合；图10A至10E顺序地举例说明根据本发明一个优选的实施方案制备具有在其中集成的球面透镜和PLC的光学模块的方法；和图11是在图10E中所举例说明的光学模块的透视图。
具体实施例方式
以下通过参考附图，将描述本发明的优选实施方案。在下面的描述中，不详细描述众所周知的功能或结构，因为它们会使本发明变得异常罗嗦。
图5A至5D是顺序地举例说明根据本发明一个优选的实施方案制备显微透镜的方法的图。
在图5A中，通过火水解沉积(Flame Hydrolysis Deposition)(FHD)或化学气相沉积(CVD)，在硅或石英基片51上形成掺杂有GeO2、P2O5、B2O3等的SiO2薄膜52。
在图5B中，通过光刻法在薄膜52上形成光刻胶(PR)图案53。PR图案53的形状可以是多边形或圆形的，其取决于预定透镜的形状、直径和高度。
在图5C中，通过沿着PR图案53蚀刻薄膜52，例如通过RIE，将薄膜结构54形成为三维形状，如圆柱体或多边柱。
如果将薄膜结构54成形为长方体如波导管(waveguide)，那么最容易制备具有半圆或圆形截面的圆柱形透镜。如果相对于薄膜的厚度，蚀刻的图案为直径非常大的圆，那么最容易制备具有长焦距(focus length)的凸透镜。在本发明的一个方面，使用规则方形PR图案形成球面透镜，即如二次(quadratic)四面体柱形状的薄膜结构，并且保持制备步骤的顺序而不管透镜的大小和形状。
比较图5C和图5D，在数百摄氏度的高温下加热薄膜结构54(图5C所示)，以便产生粘性流。由于在加热处理中发生的增加的表面张力的影响，将薄膜结构54改变为圆球55，得到透镜的形式。
在本发明上面所述的显微透镜的制备方法中，可以根据下面的条件形成各种大小和各种形状如半球形或球形的显微透镜在薄膜中掺杂物的种类和组成，加热处理的温度和持续时间，薄膜结构之间的距离(在图5C中的距离″d″)，和PR图案(即，蚀刻图案)。
图6A、6B和6C举例说明了根据工艺条件具有不同形状的显微透镜。通常，通过下面的方法形成显微透镜在1050℃将高度和宽度分别为约6.5μm的长方体截面的薄膜结构加热12小时。根据薄膜结构间的距离d，显微透镜具有不同的形状。
参考图6A，当在相同的条件下进行热处理时，如果d小(例如，d＝1.2μm)，那么显微透镜具有半圆截面。
图6B举例说明了当d为2.2μm时的显微透镜的截面。如图6C所举例说明的，由于d增加(例如，d＝6.2μm)，显微透镜的截机接近于圆形。
此外，可以根据下面的条件控制显微透镜的形状加热处理的温度和持续时间，在薄膜中掺杂物的种类和浓度，以及薄膜结构之间的距离。按照本发明，可以在单个基片上同时制备多个透镜，因为该方法涉及一个基片基础。因此，根据阵列的用途，可以每次制备一阵列透镜。
图7A、7B和图8A、8B分别举例说明了在单位基片71和81上的透镜阵列。图7B和图8B分别是由图7A和图8A制备的显微透镜的放大的显微图片。在图7A和7B所示的透镜阵列72包括半球面透镜，而图8A和8B所示的透镜阵列82包括球面透镜。图7B和图8B说明了通过下面的方法制备的半球面和球面透镜的阵列图片在通过蚀刻由FHD(火焰水解沉积)形成的掺杂二氧化硅(用GeO2、P2O5、B2O3掺杂的SiO2)的薄膜而制备圆柱之后，于900℃加热10小时。在此，由于在图7B和图8B中所述的两种透镜阵列都是同时在单个基片上制备的，除了蚀刻图案的大小外，所有的制备条件，即薄膜的厚度和加热条件是相同的。可以将这些透镜阵列用于CCD图像传感器和Hartmann-Shack波前传感器等。
图9举例说明了通过根据本发明制备的球面透镜在LD和PLC之间的光耦合。
参考图9，在基片91上，在通过倒装焊接安装的LD 92和PLC 93之间整合了显微透镜94。与在图4中举例说明的传统直接光耦合相比，如果倒装焊接的准确度与图4所示的一样，那么由本发明可以达到显著更高的耦合效率。
图10A至10E为顺序地举例说明具有在其中集成的如图9所示的球面透镜和PLC的光学模块的方法图。
在图10A中，在通用PLC制备方法中，在基片101上形成下面的覆盖层102和核心层103。
在图10B中，选择性蚀刻核心层103和下层的覆盖层102，以形成PLC图案。在本发明的此方面中，尽管所示为将除在PLC形成区域中外的下面的覆盖层102蚀刻掉以暴露基片101，但是根据下面的覆盖层102的厚度，下面的覆盖层102可以保留在基片101上除PLC形成区域外的区域，或者在需要时，可以再蚀刻暴露的基片101。如果基片101是例如石英，需要将石英蚀刻至预定的厚度，因为基片101自身作为下面的覆盖层102。
在根据本发明的通用PLC制备方法中，蚀刻深度，即从核心层的上表面至蚀刻降低的位置(etched-down position)的厚度等于或大于核心层的高度。换言之，通常没有蚀刻或轻微蚀刻下层的覆盖层至数微米或更小。然而，进行蚀刻至足够均匀形成上面的覆盖层104的深度，将其形成是为了稍后在图10B中形成显微透镜106，并且这样控制蚀刻深度，以使核心层103中心与显微透镜106中心的高度相一致。
在图10C中，在核心层103和基片101上沉积上面的覆盖层104，由此形成PLC。
在图10D中，将除在PLC形成区域和透镜形成区域外的上面的覆盖层104除去。因此，由上面的覆盖层104在PLC的前面形成薄膜结构105。
在图10E中，热处理薄膜结构105，由此通过回流完成球面显微透镜106。
图11是在图10E中所举例说明的光学模块的透视图。标记120表示将在其上安置发光/接收器件的区域。
为了减少反射导致的损耗，可以向上面所述的制备方法中增加非反射涂布的步骤。它可以在基片基础或芯片基础上进行。
如上所述，本发明提供下面的益处(1)与传统方法相比，可以有效地制备各种大小和形状的显微透镜及具有这种显微透镜的阵列。尤其是，可以形成三维球面透镜，其可以收集垂直或平行于基片的光线，该基片具有在其中集成的光学器件。
(2)由于显微透镜可以与PLC一体地形成，所以简化了透镜的制备并且透镜可以容易地与光纤或光波导管对准。
(3)利用来自涉及蚀刻薄膜结构的高温处理的表面张力的回流有利于控制透镜的形状，该形状适宜于工艺条件的改变，提高再现性，并且消除了使用另外的设备和材料的需要。因此，可以低成本地制备显微透镜。
虽然通过参考其特定的优选实施方案展示和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解的是在其中可以做出各种形式和细节上的修改而没有离开本发明的精神及后附权利要求的范围。
权利要求
1.一种制备显微透镜的方法，该方法包括如下步骤(a)在基片上形成用于显微透镜的材料的薄膜；(b)在所述薄膜上形成光刻胶图案；(c)通过使用所述光刻胶图案蚀刻所述的薄膜，形成薄膜结构；和(d)通过热处理所述薄膜结构，通过回流形成显微透镜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(a)中的所述薄膜材料包含含有掺杂剂的SiO2。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的掺杂剂包含GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3中的一种。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述的掺杂剂包括一种或多种选自GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3的材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在基片上制备多个显微透镜，并且根据形成多个显微透镜的基片上安置的相应的薄膜结构之间的距离来控制每一个显微透镜的形状。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述显微透镜的形状是根据在步骤(a)中形成的薄膜的厚度和在步骤(b)中形成的光刻胶图案的形状来控制的。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包含(e)在所述显微透镜的表面上形成非反射性涂层。
8.一种根据权利要求1所述的方法制备的显微透镜。
9.一种根据权利要求3所述的方法制备的显微透镜。
10.一种根据权利要求5所述的方法制备的显微透镜阵列。
11.一种制备光学模块的方法，该模块具有在其中集成的显微透镜，该方法包括如下步骤(a)在基片上顺序地形成下面的覆盖层和核心层；(b)通过选择性蚀刻所述的核心层和下面的覆盖层而在所述的基片上形成平面光波线路(PLC)图案；(c)通过在基片的整个表面上形成上面的覆盖层来形成PLC；(d)通过选择性地除去除了PLC的区域和透镜形成区域外的上面的覆盖层，在透镜形成区域中形成薄膜结构；和(e)通过热处理所述薄膜结构，通过回流形成显微透镜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述薄膜是由含有掺杂剂的SiO2形成的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述的掺杂剂包含GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3中的一种。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述的掺杂剂包括一种或多种选自GeO2、P2O5、B2O3、TiO2和Al2O3的材料。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述显微透镜的形状是根据光刻胶图案的形状和上面的覆盖层的厚度来控制的。
16.根据权利要求11所述的方法，该方法还包含(f)在所述显微透镜的表面上形成非反射性涂层。
17.一种根据权利要求11所述的方法制备的光学模块。
18.一种根据权利要求13所述的方法制备的光学模块。
19.一种显微透镜，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胶图案，其中通过使用所述光刻胶图案蚀刻所述薄膜，形成薄膜结构；和包含在基片上回流的薄膜结构的透镜。
20.一种具有在其中集成的显微透镜的光学模块，其包含安置在基片上的下面的覆盖层和核心层；平面光波电路(PLC)图案，其是通过选择性从基片蚀刻核心层和下面的覆盖层的部分而安置在基片上的；安置于基片的整个表面上的上面的覆盖层；和薄膜结构，其是通过除去除了PLC的区域和透镜形成区域外的上面的覆盖层而安置在基片的透镜形成区域中的；和透镜，其包含所述薄膜结构的受控回流。
全文摘要
本发明提供了一种制备显微透镜的方法及一种使用该方法制备光学模块的方法。为了制备显微透镜，在基片上形成用于显微透镜的材料的薄膜。在该薄膜上形成光刻胶图案，通过使用该光刻胶图案蚀刻该薄膜来形成薄膜结构，和通过由热处理该薄膜结构的回流而形成显微透镜。
文档编号G03F7/00GK1576895SQ200410003230
公开日2005年2月9日 申请日期2004年2月2日 优先权日2003年7月1日
发明者赵在桀, 郑善太 申请人:三星电子株式会社