DE10135872A1

DE10135872A1 - Verfahren zur Herstellung einer Linse

Info

Publication number: DE10135872A1
Application number: DE10135872A
Authority: DE
Inventors: Guido Weis; Frank Singer
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-02-27
Also published as: WO2003012829A1; US20040251233A1; EP1412967A1

Abstract

Zur Herstellung von asphärischen Linsen auf einem Halbleitermaterial wird vorgeschlagen, die Struktur einer Photolackkalotte auf das darunter liegende Halbleitersubstrat mit Hilfe eines reaktiven Ion-Ätzverfahrens zu übertragen. Dabei wird eine Gaskomponente verwendet, die den Photolack ätzt, und eine weitere Gaskomponente, die das darunter liegende Halbleitersubstrat ätzt. Das Verhältnis der Gasflüsse wird während des Ätzvorgangs variiert. Das Ergebnis ist eine asphärische Linse, deren gemessenes Querschnittsprofil (12) von einer Idealkurve (13) nur geringe Fehler (14) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Linse, insbesondere aus einem Halbleitermaterial, wie zum Beispiel Silizium.
Derartige Linsen aus Silizium werden beispielsweise dazu verwendet, das Strahlenbündel eines im infraroten Wellenlängenbereich emittierenden Lasers auf einen Punkt zu fokussieren. Um das Strahlenbündel des Lasers möglichst verlustfrei in eine Lichtleitfaser einzukoppeln oder um ein hohes Auflösungsvermögen beim Beschreiben oder Auslesen eines magnetooptischen Speichermediums zu erzielen, ist eine möglichst präzise Fokussierung des Strahlenbündels erforderlich.

Ein zur Herstellung der Linsen verwendetes Verfahren muß daher zu Linsen führen, die die Spezifikation mit großer Genauigkeit einhalten. Daneben sollen bei einem derartigen Verfahren möglichst die aus der Verarbeitung von Halbleitermaterialien bekannten Prozesse verwendet werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches und präzises Verfahren zur Herstellung von Linsen aus einem Halbleitermaterial anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten gelöst:

- Ausbilden einer kugelsegmentartigen Maske auf einem Substrat; und
- Übertragen der Struktur der Maske auf das darunterliegende Substrat mit Hilfe eines Trockenätzverfahrens auf der Basis einer überwiegend das Substrat ätzenden Gaskomponente und einer überwiegend die Maske ätzenden weiteren Gaskomponente.

Durch dieses Verfahren wird die Struktur der Maske auf das darunterliegende Substrat übertragen. Demnach wird die Form der Linse durch die Struktur der Maske bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß sich mit diesem Verfahren Linsen hoher Präzision fertigen lassen. Darüber hinaus kommen bei diesem Verfahren nur Prozesse zur Anwendung, die üblicherweise bei der Bearbeitung von Halbleitermaterialien in der Halbleitertechnik verwendet werden. Daher kann auf die üblichen Prozeßschritte zurückgegriffen werden, und es werden keine zusätzlichen Anlagen zur Herstellung der Linsen benötigt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Siliziumlinse mit sphärischem Profil; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Siliziumlinse mit asphärischem Profil; und
Fig. 3a bis 3e eine schematische schrittweise Darstellung eines des Verfahrensablauf zur Herstellung einer Siliziumlinse;
Fig. 4 ein Diagramm mit dem gemessenen Profil einer asphärischen Linse und der Abweichung der Meßkurve von einem an die Meßkurve angefitteten idealen Profil.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine aus Silizium gefertigte Linse 1 dargestellt, die dazu dient, von einer Strahlungsquelle 2 ausgehendes Licht möglichst auf einen Fokus 3zu konzentrieren. Die in Fig. 1 dargestellte Linse 1 weist eine planare Rückseite 4 und eine Vorderseite 5 auf, die im Bereich des Strahlengangs - also im Bereich einer Strahlenfläche 6 - sphärisch ausgebildet ist. Das bedeutet, daß die Vorderseite 5 im Bereich des Strahlengangs ein kreisbogenförmiges Querschnittsprofil aufweist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Linse 7 dagegen ist die Vorderseite 5 asphärisch ausgebildet. Das bedeutet, daß die Linse 6 ein von einem Kreisbogen abweichendes Querschnittsprofil aufweist.
Allgemein wird die Höhe h der Strahlenfläche 6 in Abhängigkeit vom Abstand x von der optischen Achse durch die folgende Formel festgelegt:

wobei R der Radius und k der Asphärenfaktor ist. Falls der Asphärenfaktor k = 0 ist, ist die Strahlenfläche 6 sphärisch ausgebildet. Falls dagegen für den Asphärenfaktor k ≍ 0 gilt, ist die Strahlenfläche 6 asphärisch.
Zur Herstellung der sphärischen Linse 1 und der asphärischen Linse 7 wird gemäß Fig. 3a zunächst auf ein Substrat 8, beispielsweise aus Silizium, eine Photolackschicht 9 aufgebracht, belichtet und entwickelt, so daß einzelne Photolackzylinder 10 (Fig. 3b) auf dem Substrat 8 zurückbleiben. Anschließend wird das Substrat 8 mit den Photolackzylindern 10 für eine Zeit zwischen 0,5 und 1 Stunden bei Temperaturen um 200°C wärmebehandelt. Dadurch wird der Photolackzylinder 10 zu einer Photolackkalotte 11 verrundet (Fig. 3c), deren Struktur mit Hilfe eines anisotropen Ätzverfahrens (angedeutet durch die Pfeile 15 in Fig. 3d) auf das darunterliegende Substrat 8 übertragen wird. Dadurch wird aus einem Teil des Substrats 8 eine Linse 1 herausgebildet (Fig. 3e). Das übrige Substrat 8 kann nachfolgend beispielsweise mit mechanischen Mitteln gedünnt oder vollständig von der Linse 1 entfernt werden.
Als Ätzverfahren kommt insbesondere reaktives Ionen-Ätzen in Frage. Daneben eignen sich auch Ätzverfahren wie anodisch gekoppeltes Plasmaätzen im Parallelplattenreaktor, Trioden-Reaktives-Ionenätzen, induktiv gekoppeltes Plasmaätzen, reaktives Ionenstrahlätzen oder ähnliche Verfahren, die es gestatten, mehrere Gaskomponenten mit unterschiedlicher Selektivität gegenüber der Photolackschicht 9 und dem Substrat 8 zu verwenden.
Denn im Plasmareaktor muß eine Gaskomponente enthalten sein, die die Photolackkalotte 11 abträgt und eine weitere Gaskomponente, die das Substrat 8 zurückätzt. Wenn das Substrat 8 aus Silizium hergestellt ist, kann für die Gaskomponente, die die Photolackkalotte 11 ätzt, Sauerstoff verwendet werden. Als Gaskomponente, das das Substrat 8 aus Silizium zurückätzt, eignet sich beispielsweise Schwefelhexafluorid. Durch das Verhältnis der Gasflüsse der beiden Ätzgaskomponenten kann dabei der Radius der Strahlenfläche 6 eingestellt werden.
Zur Herstellung der sphärischen Linse 1 wird das Verhältnis der Gasflüsse konstant gehalten. Der Radius der Strahlenfläche 6 ist dabei umso kleiner je größer der Gasfluß an Schwefelhexafluorid im Verhältnis zum Sauerstoffgasfluß ist.
Durch eine Veränderung des Verhältnisses der beiden Gasflüsse während des Ätzvorgangs läßt sich auch die Strahlenfläche 6 der asphärischen Linse 7 ätzen. Ein Beispiel für die Steuerung der Gasflüsse ist in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
Fig. 4 zeigt schließlich ein gemessenes Profil einer asphärischen Linse 7, mit einem Asphärenfaktor von -4, einem Radius R von 594,3 µm, einer Höhe H von 37,3 µm und einem Durchmesser von 440,6 µm. Das gemessene Querschnittsprofil 12 wurde mit Hilfe eines Lasers aufgenommen, der die Vorderseite 5 abtastet. Dabei wurde jeweils im Abstand von 1 µm jeweils ein Höhenmeßwert aufgenommen. An das gemessene Querschnittsprofil 12 wurde eine Fitkurve 13 in der Form einer Hyperbolischen Funktion mit dem Asphärenfaktor -4 angepaßt. Die Differenz zwischen dem Querschnittsprofil 12 und der Fitkurve 13 ist in Fig. 4 durch eine Fehlerkurve 14 dargestellt. Um den Fitfehler zu bestimmten, wurden die Fitfehler an den Meßpunkten quadriert und aufsummiert. Es ergab sich ein Fitfehler von 3 µm². Dabei wurde jedoch nur die Strahlenfläche 6, also in etwa 40% des Durchmessers der Linse 7, bewertet.
Die Messung zeigt, daß sich insbesondere asphärische Linsen 7 durch das beschriebene Verfahren mit großer Genauigkeit fertigen lassen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Linse (1, 7) mit den Verfahrensschritten:

- Ausbilden einer kugelsegmentartigen Maske (11) auf einem Substrat (8) und

- Übertragen der Struktur der Maske (11) auf das darunterliegende Substrat (8) mit Hilfe eines Trockenätzverfahrens auf der Basis einer überwiegend das Substrat (8) ätzenden Gaskomponente und einer überwiegend die Maske (11) ätzenden weiteren Gaskomponente.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Ätzvefahren ein reaktives Ionen-Atzverfahren verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem während des Ätzvorgangs das Verhältnis der Gasflüsse der überwiegend das Substrat (8) ätzenden Gaskomponente und der überwiegend die Maske (11) ätzenden Gaskomponente zur Herstellung einer asphärischen Linse variiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem während des Ätzvorgangs das Verhältnis der Gasflüsse der überwiegend das Substrat (8) ätzenden Gaskomponente zu der überwiegend die Maske (11) ätzenden Gaskomponente zur Herstellung einer asphärischen Linse gesenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Substrat auf der Basis von Silizium verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Herstellung der Maske (11) zunächst eine Photolackschicht (9) auf das Substrat (8) aufgebracht und anschließend strukturiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Strukturen (10) der Photolackschicht (9) durch eine Wärmebehandlung verrundet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem für die die Maske (11) überwiegend ätzende Gaskomponente Sauerstoff und für die das Substrat (8) überwiegend ätzende Gaskomponente Schwefelhexafluorid verwendet wird.