[发明专利]制备微透镜阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料与器件技术领域，涉及一种利用扩散限制变温腐蚀技术在半导体表面上制备微透镜阵列的方法。

背景技术

在光电器件技术领域，提高发光器件的收集效率、压缩出光角以及稳定光场模式始终是永恒的发展方向。不同的器件结构包括波导、周期性表面以及微腔广泛地应用于该领域，但是同时也存在工艺繁琐复杂、周期性长、成本高以及成品率低等不同问题。微透镜阵列作为一个很好的替代品在越来越多的科学领域有着日益广泛的应用。传统的制备微透镜阵列方法包括分步光刻技术、飞秒激光或者聚焦离子束直写技术、光刻胶熔融法以及直接生长法，各种制作方法存在不同的优缺点，适用的领域范围也各不相同。

分步光刻技术主要采用多步光刻工艺在器件表面形成二元台阶，近似于透镜形貌，理论上台阶级数越多表面形貌越接近球面结构，但同时制作难度大幅增加，多步工艺也导致了工艺容差度小，不利于重复生产及阵列均匀性差。而且该方法制作的透镜阵列存在严重的衍射差问题，通常只适用于近单色系统。

飞秒激光或者聚焦离子束直写技术主要通过高精度的图形发生器，利用高能激光或者离子束轰击表面形成逐级变深的圆环。优点在于理论上可以制作几十纳米直径的纳米透镜。但其与分布光刻法同样存在非理想透镜形貌的缺点，多级圆环刻蚀大幅度增加工艺时间，同时在大面积透镜阵列的制作上存在局限性，工艺设备的高精度要求预示着不菲的工艺成本。被轰击的材料碎屑容易在透镜表面堆积难以去除影响透镜形貌。

光刻胶熔融法的缺点在于光刻胶与材料体系的兼容性问题以及光刻胶相对较低的折射率限制了其性能的提高，同时光刻胶很难作为结构稳定的器件投入实际应用。

腐蚀法是一种新型的制备微透镜阵列的方法，其优点在于制备工艺简单、成本低、表面粗糙度低，而且便于阵列化的大规模应用。然而，传统的基于扩散限制腐蚀法制备微透镜阵列主要是在常温条件下，侧向钻蚀是随着深度方向的腐蚀同时进行的，较小的曲率半径往往是以牺牲侧向腐蚀为代价的；同时由于扩散的温度依赖性，常温下的腐蚀难以在曲率半径获得进一步突破，而传统溶液配制也限制了其使用的腐蚀作用温度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种在低温下，腐蚀制备微透镜阵列的方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种制备微透镜阵列的方法，该方法包括：在镓系半导体衬底上制备腐蚀掩模图形，该腐蚀掩模图形上分布若干的圆孔阵列，该圆孔阵列与待制备微透镜阵列在位置与形状上相对应；在低温下，将具有腐蚀掩模图形的镓系半导体衬底平放入可生成Br₂的腐蚀液中进行腐蚀，其中，该腐蚀液的溶质为可生成Br₂的反应物，溶剂为低熔点辅助溶剂；以及去除镓系半导体衬底上的腐蚀掩模图形，形成微透镜阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明制备微透镜阵列的方法具有以下有益效果：

(1)采用低温腐蚀溶液，有效地降低了腐蚀过程中的侧向钻蚀效应，能够有效地限定微透镜的横向尺寸；

(2)本发明采用低温控制方式降低腐蚀分子的扩散系数，使得透镜中心与边缘的浓度差增加，因而能够显著的减小腐蚀法制备微透镜阵列的最小曲率半径；

(3)本发明采用传统的光刻及腐蚀技术制备微透镜阵列，具有工艺简单、成本低的优点；

(4)本发明采用化学腐蚀法制备微透镜，具有良好的阵列均匀性，便于芯片上的光电子阵列集成。

附图说明

图1为扩散限制腐蚀原理的示意图；

图2为根据本发明实施例的制备微透镜阵列方法的流程图；

图3A为采用图1所示方法制备的微透镜阵列正面的SEM图像；

图3B为采用图1所示方法制备的微透镜阵列侧面的SEM图像；

图4为采用图1所述的方法制备的微透镜阵列的表面曲线与理想球面曲线的对比图。

图5A为本发明微透镜低温腐蚀参数随时间的变化图；

图5B为本发明微透镜在不同腐蚀温度下的最优腐蚀结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。