制造衍射光学元件的方法.pdf

本发明公开了一种用于形成衍射透镜的方法，包括：在硅衬底的第一表面上形成刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层的上方形成衍射光学元件，形成覆盖所述衍射光学元件的平坦层，平坦化所述平坦层，在所述平坦层上形成结合层，将所述透明衬底结合到所述结合层，将所述硅衬底的第二表面刻蚀到所述刻蚀停止层，以去除所述硅衬底的与所述衍射光学元件相对的一部分，其中，所述硅衬底的剩余部分形成结合环。

1.  一种用于形成衍射透镜的方法，包括：
在透明衬底的第一表面上形成叠层，所述叠层包括由刻蚀停止层分开的至少两个相移层，所述透明衬底对于从红外线到紫外线之间选择的波长的光是可透过的；以及
对所述叠层图案化，以形成衍射光学元件的叠层。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，所述透明衬底包括从由石英、派热克斯玻璃和蓝宝石组成的组中选择的材料。

3.  如权利要求1所述的方法，其中，所述形成叠层包括：
(1)沉积第一相移层，所述第一相移层包括从由非晶硅和氮化硅组成的组中选择的材料；
(2)在所述第一相移层上生长包括二氧化硅的刻蚀停止层；以及
(3)在所述刻蚀停止层上沉积包括所述材料的第二相移层。

4.  如权利要求1所述的方法，还包括在所述衬底的第二表面上形成不透明涂层。

5.  如权利要求4所述的方法，其中，所述不透明涂层包括非晶硅。

6.  如权利要求1所述的方法，在所述形成叠层之前还包括：
在所述透明衬底的第一表面上形成抗反射涂层，其中，所述叠层被形成在所述抗反射涂层上。

7.  如权利要求1所述的方法，在图案化所述叠层之后还包括：
在所述衍射光学元件上方形成抗反射涂层。

8.  如权利要求1所述的方法，还包括围绕所述衍射光学元件将结合环结合到所述透明衬底的第一表面。

9.  如权利要求8所述的方法，其中，所述结合包括在所述结合环和所述透明衬底之间形成结合，所述结合从由阳极焊接、粘合剂结合、氢氟酸结合和玻璃熔结组成的组中选择。

10.  如权利要求8所述的方法，还包括将底层载片结合到所述结合环上以形成封装。

11.  如权利要求1所述的方法，还包括通过硅酮将底层载片结合到所述透明衬底的所述第一表面。

12.  如权利要求1所述的方法，其中，所述透明衬底包括绝缘体上硅衬底的器件层，所述绝缘体上硅衬底还包括在所述器件层下的绝缘体层和在所述绝缘体层下的处理层，所述方法还包括：
将所述处理层刻蚀到所述绝缘体层，以去除所述处理层与所述衍射光学元件相对的一部分，其中，所述处理层的剩余部分形成结合环。

13.  如权利要求12所述的方法，还包括：
刻蚀所述绝缘体层以去除所述绝缘体层与所述衍射光学元件相对的一部分。

14.  如权利要求13所述的方法，还包括：
在与所述衍射光学元件相对的所述器件层的第二表面上形成抗反射涂层。

15.  如权利要求12所述的方法，还包括：
在所述结合环上形成结合垫。

16.  如权利要求12所述的方法，还包括：
在所述衍射光学元件上方形成平坦层；以及
平坦化所述平坦层。

17.  如权利要求16所述的方法，还包括：
在所述平坦层上形成抗反射层。

18.  一种衍射透镜，包括：
对从红外线到紫外线之间选择的波长的光是可透过的透明衬底；以及
在所述透明衬底的第一表面上方的衍射光学元件，所述衍射光学元件包括由刻蚀停止层分开的至少两个相移层。

19.  如权利要求18所述的透镜，其中，所述透明衬底包括从由石英、派热克斯玻璃和蓝宝石组成的组中选择的材料。

20.  如权利要求18所述的透镜，还包括在所述衬底的第二表面上的不透明涂层。

21.  如权利要求20所述的透镜，其中，所述不透明涂层包括非晶硅。

22.  如权利要求18所述的透镜，还包括：
在所述透明衬底的第一表面与所述衍射光学元件之间的抗反射涂层。

23.  如权利要求18所述的透镜，还包括：
在所述衍射光学元件上方的抗反射涂层。

24.  如权利要求18所述的透镜，还包括：
围绕所述衍射光学元件被结合到所述透明衬底的第一表面的结合环。

25.  如权利要求24所述的透镜，其中，所述结合环通过选自阳极焊接、粘合剂结合、氢氟酸结合和玻璃熔结的结合方法被结合到所述透明衬底。

26.  如权利要求18所述的透镜，还包括：
被结合到所述结合环上以形成封装的底层载片。

27.  如权利要求18所述的透镜，还包括：
通过硅酮被结合到所述透明衬底的所述第一表面的底层载片。

28.  如权利要求18所述的透镜，其中，所述透明衬底包括绝缘体上硅衬底的器件层，所述绝缘体上硅衬底还包括在所述器件层下的绝缘体层和在所述绝缘体层下的处理层，所述处理层被刻蚀使得所述处理层的剩余部分形成结合环。

29.  如权利要求28所述的透镜，还包括：
在与所述衍射光学元件相对的所述器件层的第二表面上的抗反射涂层。

30.  如权利要求28所述的透镜，还包括：
在所述结合环上的结合垫。

31.  如权利要求28所述的透镜，还包括：
在所述衍射光学元件上方的平坦层。

32.  如权利要求28所述的透镜，还包括：
在所述平坦层上方的抗反射层。

33.  一种用于形成衍射透镜的方法，包括：
在硅衬底的第一表面上形成刻蚀停止层；
在所述刻蚀停止层的上方形成衍射光学元件；
在所述衍射光学元件上方形成平坦层；
平坦化所述平坦层；
将透明衬底结合到所述平坦层，所述透明衬底对于从红外线到紫外线之间选择的波长的光是可透过的；以及
将所述硅衬底的第二表面刻蚀到所述刻蚀停止层，以去除所述硅衬底的至少与所述衍射光学元件相对的一部分。

34.  如权利要求33所述的方法，其中，所述透明衬底包括从由石英、派热克斯玻璃和蓝宝石组成的组中选择的材料。

35.  如权利要求33所述的方法，其中，所述形成衍射光学元件包括：
形成叠层，所述叠层包括由另一个在上方的刻蚀停止层分开的至少两个相移层；以及
对所述叠层图案化，以形成衍射光学元件的叠层。

36.  如权利要求33所述的方法，其中，所述将透明衬底结合到所述平坦层包括：
在所述平坦层上形成结合层；以及
通过阳极焊接将所述透明衬底结合到所述结合层上。

37.  如权利要求33所述的方法，在所述形成衍射光学元件前还包括：
在所述刻蚀停止层上形成抗反射层，其中，所述衍射光学元件被形成在所述抗反射层上。

38.  如权利要求37所述的方法，还包括：
刻蚀所述刻蚀停止层，以去除所述刻蚀停止层与所述衍射光学元件相对的一部分。

39.  如权利要求33所述的方法，其中，所述硅衬底的剩余部分形成结合环。

40.  如权利要求39所述的方法，还包括：
在所述结合环上形成结合垫。

41.  如权利要求39所述的方法，还包括：
将底层载片结合到所述结合环以形成封装。

42.  如权利要求33所述的方法，其中，所述刻蚀所述硅衬底的第二表面包括去除所有的硅衬底。

43.  一种衍射透镜，包括：
对于从红外线到紫外线之间选择的波长的光是可透过的透明衬底；
在所述透明衬底下方的平坦层；
在所述平坦层下方的衍射光学元件；以及
在所述衍射光学元件下方的刻蚀停止层。

44.  如权利要求43所述的衍射透镜，其中，所述透明衬底包括从由石英、派热克斯玻璃和蓝宝石组成的组中选择的材料。

45.  如权利要求43所述的衍射透镜，其中，所述衍射光学元件包括由另一个刻蚀停止层分开的至少两个相移层。

46.  如权利要求43所述的衍射透镜，还包括：
在所述透明衬底和所述平坦层之间的结合层。

47.  如权利要求43所述的衍射透镜，还包括：
在所述刻蚀停止层和所述衍射光学元件之间的抗反射层。

48.  如权利要求43所述的衍射透镜，还包括：
在所述刻蚀停止层下方的结合环。

49.  如权利要求48所述的衍射透镜，还包括：
在所述结合环上的结合垫。

50.  如权利要求48所述的衍射透镜，还包括：
被结合到所述结合环以形成封装的底层载片。

51.  一种用于形成衍射透镜的方法，包括：
在硅衬底的第一表面上形成用于衍射光学元件的模；
在所述模上方形成透镜层，其中，所述透镜层与所述模保形相似以形成所述衍射光学元件，所述透镜层对于从红外线到紫外线之间选择的波长的光是可透过的；
平坦化所述透镜层；
将透明衬底结合到所述透镜层；以及
刻蚀所述硅衬底与所述衍射光学元件相对的第二表面，其中，所述硅衬底的剩余部分形成结合环。

52.  如权利要求51所述的方法，在所述模上方形成透镜层之前还包括：
在所述模上形成刻蚀停止层；并且
其中，所述透镜层被形成在所述刻蚀停止层上，并且，所述刻蚀所述硅衬底的第二表面包括将所述硅衬底刻蚀到所述刻蚀停止层。

53.  如权利要求51所述的方法，其中，所述透镜层包括从由氮化硅和二氧化硅组成的组中选择的材料。

54.  如权利要求51所述的方法，其中，所述透明衬底包括从由石英、派热克斯玻璃和蓝宝石组成的组中选择的材料。

55.  如权利要求51所述的方法，其中，所述形成模包括：
形成包括由刻蚀停止层分开的至少两个透镜层的叠层；以及
对所述叠层图案化，以形成衍射光学元件的多层。

56.  如权利要求51所述的方法，还包括：
在所述结合环上形成结合垫。

57.  如权利要求51所述的方法，还包括将底层载片结合到所述结合环以形成封装。

58.  一种衍射透镜，包括：
对于从红外线到紫外线之间选择的波长的光是可透过的透明衬底；
在所述透明衬底下方的衍射光学元件；以及
在所述衍射光学元件下方的结合环。

59.  如权利要求58所述的衍射透镜，还包括：
在所述衍射光学元件与所述结合环之间的刻蚀停止层。

60.  如权利要求58所述的衍射透镜，其中，所述衍射光学元件包括从由氮化硅和二氧化硅组成的组中选择的材料。

61.  如权利要求58所述的衍射透镜，其中，所述透明衬底包括从由石英、派热克斯玻璃和蓝宝石组成的组中选择的材料。

62.  如权利要求58所述的衍射透镜，还包括：
在所述结合环上的结合垫。

63.  如权利要求58所述的衍射透镜，还包括：
被结合到所述结合环以形成封装的底层载片。

制造衍射光学元件的方法
技术领域
本发明涉及使用互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺来制造衍射光学元件(DOE)的方法。
背景技术
现代光学系统经常使用衍射光学元件(DOE)。例如，可以使用DOE透镜来将激光聚焦到光纤中。DOE通过改变在传输中或者被反射时与元件作用的光的相位而起作用。可以通过将相移材料图案化成合适的透镜来形成DOE。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于形成衍射透镜的方法包括：在硅衬底的第一表面上形成刻蚀停止层，在所述刻蚀停止层的上方形成衍射光学元件，形成覆盖所述衍射光学元件的平坦层，平坦化所述平坦层，在所述平坦层上形成结合层，将所述透明衬底结合到所述结合层，将所述硅衬底的第二表面刻蚀到所述刻蚀停止层，以去除所述硅衬底的与所述衍射光学元件相对的一部分，其中，所述硅衬底的剩余部分形成结合环。
图1是在本发明的一个实施例中用于在透明衬底上制造衍射光学元件(DOE)的方法的流程图。
图2A、2B、2C、2D和2E图示了在本发明的一个实施例中使用图1的方法而形成的结构。
图3是在本发明的另一个实施例中用于在透明衬底上制造DOE的方法的流程图。
图4图示了在本发明的一个实施例中使用图3的方法而形成的结构。
图5是在本发明的另一个实施例中用于在绝缘体上硅(SOI)衬底上制造DOE的方法的流程图。
图6A、6B、6C、6D、6E、6F和6G图示了在本发明的一个实施例中使用图5的方法而形成的结构。
图7是在本发明的另一个实施例中在硅衬底上制造DOE并将该DOE转移到透明衬底上的方法的流程图。
图8A、8B、8C、8D、8E、8F和8G图示了在本发明的一个实施例中使用图7的方法而形成的结构。
图9是在本发明的另一个实施例中通过将DOE图案从硅衬底转移到透明衬底上来制造DOE的方法的流程图。
图10A、10B、10C和10D图示了在本发明的一个实施例中使用图9的方法而形成的结构。
在不同图中使用相同的标号指示相似或相同的物件。横截面图没有按照比例画出，并且只用于图示说明的目的。
衍射光学元件(DOE)可以如下制造：形成支撑在硅衬底上的非晶硅和二氧化硅的多层材料，然后图案化该多层材料来形成DOE。这种DOE利用了硅和多层材料中的交替刻蚀停止层的高折射率，并且利用了由互补型金属氧化物半导体(CMOS)提供的精确掩膜。这种DOE非常适合于长波长，硅衬底对长波长是透明的。由于硅衬底对小于1微米(μm)波长的近红外光的高吸收，这种DOE不能应用于由一些激光器产生的例如850和990纳米(nm)的较短的波长。
图1是在本发明的一个实施例中在透明晶片上形成DOE的方法的流程图。下面参照图2A到图2E说明方法10。
在步骤12，如图2A所示，在透明衬底34的上侧形成不透明涂层32。对透明衬底34涂覆不透明涂层32，使得使用光传感器的半导体器件可以检测并处理透明衬底34。不透明涂层32仅在图2A中示出。如果由具体应用指定的百分比(例如，对于大部分通信应用来说至少为10％)的入射光传输通过衬底，那么透明衬底34对于感兴趣的波长(例如，从红外线到紫外线之间选择的)是可透过的。透明衬底34可以是石英、硼硅酸钠玻璃(例如Pyrex^)、蓝宝石或熔融石英。不透明涂层32可以是通过低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积的非晶硅(α-Si)。非晶硅涂层32的厚度一般大于0.5μm。
在步骤14中，如图2A所示，在透明衬底34的背面可选地形成抗反射(AR)涂层36。AR涂层36减少光在DOE 50(图2B)和透明衬底34之间传播时的反射。
本领域的技术人员了解，对AR涂层材料的选择取决于入射介质、出射介质和AR涂层材料地折射率。理想的AR涂层材料的折射率是入射介质和出射介质的几何平均值。理想的AR涂层厚度等于AR涂层介质中的光波长的四分之一。在一个实施例中，AR涂层36夹在Pyrex^(派热克斯玻璃)和硅之间。因此，理想折射率的计算如下：sqrt(1.5*3.5)＝2.29，其中1.5和3.5分别是派热克斯玻璃和硅的折射率。因此，选择二氧化钛(TiO₂)作为AR材料，因为其具有与理想值2.29接近的折射率2.2。然后如下计算用于990nm操作的TiO₂ AR涂层36的厚度：990nm/4/2.2＝112.5nm。本领域的技术人员了解，可以据此来调整AR涂层36的折射率和厚度。可以通过电子束(e-beam)蒸发来沉积TiO₂ AR涂层36。
在步骤16中，如图2B所示，在AR涂层36上形成DOE 50。DOE 50包括被图案化以形成所期望的衍射透镜的相移层的叠层。在叠层中相邻的相移层由刻蚀停止层分开。相移层可以是非晶硅(α-Si)，刻蚀停止层可以是二氧化硅(SiO₂)。或者，相移层可以不是非晶硅而是氮化硅(Si₃N₄)。
可以通过PECVD来生长DOE层。非晶硅和氧化物层的厚度取决于感兴趣的波长、层的数量以及材料的折射率。光经过DOE叠层与经过空气相比的总相移应该是2π的整数倍。为了利用硅的高折射率，将较低折射率的氧化物层的厚度最小化至约50。实验确定这一厚度是有效的刻蚀停止层厚度。因此，对于在990nm下工作的具有非晶硅和氧化物层的八个交错层的典型DOE来说，由八个氧化物刻蚀停止层引起的总相移如下计算：
(RI_ox-RI_Air)*2π*(5nm/990nm)*8
＝(1.45-1)*2π*(5nm/990nm)*8
＝0.1142。
RI_ox和RI_Air分别是氧化物刻蚀停止层和空气的折射率。值1.45和1分别是氧化物层和空气的折射率。由八个非晶硅层引起的总相移是：
(RI_si-RI_Air)*2π*(t/990nm)*8。
RI_si是非晶硅层的折射率，t是该层的厚度。为了获得经过DOE叠层的期望相移，如下计算非晶硅层厚度中的每一个：
2π-0.1142＝(RI_si-RI_Air)*2π*(t/990nm)*8，或者
t＝(2π-0.1142)*990nm/[(RI_si-RI_Air)*2π*8]
t＝(2π-0.1142)*990nm/[(3.5-1)*2π*8]
t＝48.6nm。
其中值3.5是非晶硅层的折射率。
一旦形成了叠层，最上面的非晶硅层就被光刻胶掩蔽，然后利用氧化物层作为刻蚀停止层而对其进行刻蚀。在硅被刻蚀之后，改变刻蚀剂成分，并利用下一个硅层作为刻蚀停止层而刻蚀氧化物层。掩蔽并刻蚀每一个相继的层，以形成期望的衍射透镜。
在一个实施例中，DOE 50是双焦衍射透镜，其将激光转变成在一个空间内均匀传播的小角度分布。相对于光纤的输入面的大小，该空间的尺寸较大，这样元件可以很容易地对准。双焦衍射透镜的表面具有脊(ridge)，提供两个焦距f1和f2。对双焦衍射透镜的设计过程可以从确定第一相位函数开始，该函数为具有焦距f1的传统衍射透镜定义了表面轮廓。可以使用用于衍射透镜设计的任何传统技术。具体来说，商业软件如Applied Optics Research公司的GLAD或者MM Research公司的DIFFRACT可以分析衍射元件的相位函数。类似地产生第二相位函数，其中，第二相位函数应满足：如果第二相位函数与第一相位函数复用，则这种组合将提供具有第二焦距f2的衍射透镜。然后按比例改变第二相位函数，以提供部分有效的衍射透镜，其汇聚一定百分比(例如50％)的入射光，而使其余(例如50％)的入射光通过而不受干扰。第一相位函数和第二相位函数被复用在一起，以形成最终的双焦透镜设计。
在另一个实施例中，DOE 50是衍射/折射混合元件。该衍射/折射混合元件在一个空间内传播光，以扩大光纤的对准容差，如上所述。衍射/折射混合透镜具有至少一个表面，该表面具有例如f2的一个焦距的曲率。此外，部分有效的衍射透镜的衍射特征在衍射/折射混合透镜的一个或两个表面上叠加，使得该组合对于入射光的不同部分提供两个焦距f1和f2。
在步骤18中，如图2B所示，在DOE 50上可选地形成AR涂层51。AR涂层材料51折射率和厚度可以如上所述地选择。AR涂层51可以是氮化硅(Si₃N₄)。薄膜氮化硅材料可以具有取决于沉积条件的折射率范围。具有1.9折射率的氮化物AR涂层51，可以通过电子束蒸发沉积，并且对于990nm波长一般为130nm厚。电子束蒸发的使用提供了非保形(non-conformal)涂层，其更适于格栅表面。AR涂层51仅在图2B中示出。
在步骤20中，如图2C和2D所示，处理硅衬底62以形成结合环62A。在硅衬底62上形成阻挡层60。阻挡层60防止任何金属与硅衬底62反应，使得在后面的高温操作中将不会形成金属硅化物。阻挡层60可以是氮化硅(Si₃N₄)。氮化物阻挡层60可以通过PECVD沉积，并且一般厚0.5μm。然后在阻挡层60上形成结合垫64。结合垫64可以通过图案化一掀去(liftoff)掩膜、沉积金属然后掀去具有金属的掩膜来形成。金属结合垫64可以是通过电子束蒸发或溅射沉积的钛铂金(TiPtAu)序列。钛的厚度一般为50nm，铂的厚度一般为150nm，金的厚度一般为50nm。然后在阻挡层60上旋转涂上光刻胶66，并对其进行曝光和显影以形成刻蚀窗口67。被刻蚀窗口67暴露出的阻挡层60和硅衬底62的部分被刻蚀掉以形成结合环62A。可以使用深度反应离子刻蚀(DRIE)来刻蚀阻挡层60和硅衬底62。然后去掉光刻胶66。
在步骤22中，如图2D所示，结合环62A被结合到透明衬底34上以形成罩盖80。如果透明衬底34是硼硅酸钠玻璃，那么结合环62A可以通过阳极焊接而被结合到透明衬底34。如果透明衬底34是石英或蓝宝石，那么可以利用粘合剂结合。或者，还可以使用氢氟酸(HF)结合。在HF结合中，被压靠在一起的两个干净的表面可以通过在两个表面之间施用少量HF而被连结。HF会由于毛细管作用而填充进入连结件之间的间隙。当HF变干后，两个件将永久连结。或者，可以使用玻璃熔结。在玻璃熔结中，玻璃的细粉分散在两个连结件之间，并在连结工艺中被加热至玻璃回流温度以上。该温度取决于所选的玻璃熔结材料，一般大于250℃。
在步骤24中，如图2E所示，罩盖80被结合到底层载片(submount)82上，以完成微电子封装84。可以通过焊接来结合罩盖80和底层载片82。底层载片82可以包括光源86(例如，垂直腔表面发射激光器(VCSEL))。底层载片82还可以包括其他有源和无源电路88。
图3是在本发明的另一个实施例中，用于在透明晶片上形成DOE的方法90的流程图。方法90接在图1中方法10的步骤12到18之后。步骤26接在步骤18之后，下面参照图4解释步骤26。
在步骤26中，如图4所示，具有DOE 50的透明衬底34通过硅酮材料94被安装到底层载片92。底层载片92可以包括光源96(例如，VCSEL)。底层载片92还可以包括其他有源和无源电路98。
图5是在本发明的另一个实施例中，用于在绝缘体上硅(SOI)上形成DOE的方法100的流程图。下面参照图6A到图6G说明方法100。
在步骤104中，如图6A所示，在SOI衬底142上形成DOE 50。SOI衬底142包括硅器件层144、氧化物绝缘体层146、硅处理层148。硅器件层144一般小于20μm厚，使得其对于850和990nm的波长是可透过的。在后面刻蚀硅处理层148以形成结合环148A(图6E)时，可以使用氧化物绝缘体层146作为刻蚀停止层。在一个实施例中，SOI衬底142还包括在器件层144和氧化物绝缘体层146之间的氮化硅层145(仅在图6A中示出)。这种SOI衬底142可以通过将被氧化的晶片与涂覆有氮化硅的晶片结合来形成。在结合之后，具有氮化硅的晶片可以被研磨薄以形成器件层144。使用这种SOI衬底142将消除在后面描述的步骤128。
按照上述图1的方法10来形成DOE 50，但是对该方法要进行如下修正。在方法10中，相移是由于光在DOE 50和空气中的不同传播速度而造成的。在这个实施例中，相移是由于光在DOE 50和氧化物平坦层160(图6C)中的不同传播速度而造成的。因为氧化物平坦层160具有等于或类似于DOE 50中的刻蚀停止氧化物的折射率，所以如下计算非晶硅的厚度：(990nm/[8*(3.5-1.45)])＝60.37nm。如下计算DOE总叠层的厚度：[990nm/(3.5-1.45)+5nm]*8＝523nm。
在步骤106中，如图6B所示，在DOE 50上可选地形成了AR涂层150。如上所述地选择AR涂层150的材料和厚度。AR涂层150可以是二氧化钛(TiO₂)。TiO₂ AR涂层150可以通过电子束蒸发来沉积，并且对于990nm的波长其一般为112.5nm厚。AR涂层150仅在图6B中示出。
在步骤108中，如图6C所示，在器件层144和DOE 50上形成平坦层160，如果期望所得的结构具有平坦的上表面，则再对其进行平坦化。平坦层160可以是通过PECVD形成的二氧化硅(SiO₂)。氧化物平坦层160一般比DOE 50厚0.3μm，因此可以通过化学机械抛光(CMP)被抛光到比200埃()更好的平坦度。在对于990nm波长的一个实施例中，DOE50具有523nm的典型厚度。这样，氧化物平坦层160具有823nm的典型厚度。
在步骤110中，如图6D所示，在SOI衬底142的背面形成阻挡层170。阻挡层170可以是二氧化硅(SiO₂)。氧化物阻挡层170可以通过PECVD沉积，并且一般厚0.5μm。
在步骤112中，如图6D所示，在阻挡层170上形成结合垫172。结合垫172可以是通过电子束蒸发或溅射沉积并通过掀去掩膜被图案化的钛铂金(TiPtAu)序列。钛的厚度一般为50nm，铂的厚度一般为150nm，金的厚度一般为50nm。
在步骤114中，如图6D所示，在阻挡层170和结合垫172上形成刻蚀掩膜层174。如果将使用湿法刻蚀，那么刻蚀掩膜层174可以是通过PECVD沉积的氮化硅(Si₃N₄)。如果将使用干法刻蚀，那么刻蚀掩膜层174可以是旋转涂上的光刻胶。
在步骤116中，如图6E所示，对刻蚀掩膜层174进行图案化，以形成刻蚀窗口176的一部分。如果刻蚀掩膜层174是氮化物，那么其可以通过旋转涂上光刻胶、曝光光刻胶、显影光刻胶并刻蚀氮化物而被图案化。如果刻蚀掩膜层174是光刻胶，那么可以通过曝光和显影光刻胶来对其进行图案化。
在步骤118中，如图6E所示，使用刻蚀掩膜层174对阻挡层170进行图案化，以形成刻蚀窗口176的一部分。
在步骤120中，如图6E所示，将与DOE 50相对、被刻蚀窗口176暴露出的硅处理层148的一部分刻蚀到氧化物绝缘体层146以形成结合环148A，其中氧化物绝缘体层146作为刻蚀停止层。如果刻蚀掩膜层174是氮化物，那么可以使用氢氧化钾(KOH)溶液来刻蚀硅处理层148。如果刻蚀掩膜层174是光刻胶，那么可以使用DRIE来刻蚀硅处理层148。
在步骤122中，如图6E和6F所示，将剩余的刻蚀掩膜层174刻蚀掉。
在步骤124中，如图6E和6F所示，将与DOE 50相对的氧化物绝缘体层146的一部分刻蚀掉。可以使用氢氟酸(HF)将氧化物绝缘体层146刻蚀掉。
在步骤126中，如图6G所示，在平坦层160上可选地形成AR涂层190。如上所述地选择AR涂层190的材料和厚度。AR涂层190可以是氟化镁(MgF₂)。MgF₂ AR涂层190可以通过电子束蒸发沉积，并且对于990nm的波长一般厚179.3nm。
在步骤128中，如图6G所示，在与DOE 50相对的硅器件层144上形成AR涂层192。如上所述地选择AR涂层192的材料和厚度。AR涂层192可以是氮化硅(Si₃N₄)。氮化物AR涂层192可以通过遮盖掩模(shadow mask)由电子束蒸发来沉积，并且对于990nm的波长一般厚132.3nm。遮盖掩模可以是经化学刻蚀的金属箔。来自源的气化的氮化硅将通过掩膜中的孔，并沉积在晶片上。该掩模通常与晶片机械对准，并被放置在靠近晶片处。注意，例如氮化硅和非晶硅的材料具有可以由工艺参数调节的折射率范围。本领域的技术人员了解如何通过调节例如沉积温度、气流条件和压力等参数来调节折射率。这时，形成罩盖194，并可以将其安装到底层载片上以完成微电子封装。
或者，如果使用包括氮化硅层145(图6A)的SOI衬底142，可以绕过步骤128。如果使用这种SOI衬底142，那么氮化硅层145变成DOE 50的AR涂层。
图7是在本发明的一个实施例中，用于在硅衬底上形成DOE并将该DOE转移到透明衬底上的方法200的流程图。下面参照图8A到图8G来说明方法200。
在步骤202中，如图8A所示，在硅衬底242的上侧形成刻蚀停止层240。刻蚀停止层240可以是二氧化硅(SiO₂)。刻蚀停止层240可以热生长或通过PECVD沉积，并且一般厚0.5μm。
在步骤204中，如图8A所示，在刻蚀停止层240上可选地形成AR涂层244。如上所述地选择AR涂层244的材料和厚度。AR涂层244可以是氮化硅(Si₃N₄)。氮化物AR涂层244可以通过PECVD沉积，并且对于990nm的波长一般厚132.3nm。
在步骤208中，如图8A所示，在AR涂层244上形成DOE 50。按照图1的方法10形成DOE 50。DOE层的厚度可以如上所述地选择。
在步骤210中，如图8B所示，在DOE 50上可选地形成AR涂层248。如上所述地选择AR涂层248的材料和厚度。AR涂层248可以是二氧化钛(TiO₂)。TiO₂ AR涂层248可以通过电子束蒸发来沉积，并且对于990nm的波长其一般为112.5nm厚。AR涂层248仅在图8B中示出。
在步骤212中，如图8C所示，在AR涂层244和DOE 50上形成平坦层260，然后对其进行平坦化。平坦层260可以是通过PECVD形成的二氧化硅(SiO₂)。氧化物平坦层260一般比DOE 50厚0.3μm，所以其可以通过CMP被抛光到比200埃()更好的平坦度。氧化物平坦层260一般厚0.8μm。
在步骤214中，如图8C所示，在平坦层260上形成结合层262。结合层262可以是统PECVD沉积的非晶硅(α-Si)。硅结合层262的厚度为感兴趣波长的一半，或者是感兴趣波长的一半的整数倍。硅结合层262对于990nm的波长一般是141.4nm。硅结合层262提高了氧化物涂覆的硅衬底到硼硅酸钠玻璃(例如Pyrex^，派热克斯玻璃)透明衬底270(图8D)的阳极焊接力。对于除阳极焊接之外的其他结合方法，可以省略该层。
在步骤216中，如图8D所示，将透明衬底270结合到结合层262。在后面刻蚀掉硅衬底242之后，透明衬底270为剩余的结构提供机械支持。如果由具体应用指定的百分比(例如，对于大部分通信应用来说至少为10％)的入射光传输通过衬底，那么透明衬底270对于感兴趣的波长(例如，从红外线到紫外线之间选择的)是可透过的。透明衬底270可以是石英、硼硅酸钠玻璃(例如Pyrex^)、蓝宝石或熔融石英。优选的透明衬底270是可以通过阳极焊接被结合到结合层262的硼硅酸钠玻璃。或者，可以使用粘合剂结合、HF结合或玻璃熔结。
在步骤218中，如图8E所示，在硅衬底242的背面形成阻挡层271。阻挡层271可以是二氧化硅(SiO₂)。氧化物阻挡层271可以通过PECVD形成，并且一般厚0.5μm。
在步骤220中，如图8E所示，在阻挡层271上形成结合垫272。结合垫272可以是通过电子束蒸发或溅射沉积并利用掀去掩膜被图案化的钛铂金(TiPtAu)序列。钛的厚度一般为50nm，铂的厚度一般为150nm，金的厚度一般为50nm。
在步骤224中，如图8E和8F所示，形成光刻胶层274并对其进行图案化以形成刻蚀窗口278的一部分。
在步骤226中，如图8E和8F所示，使用光刻胶层274来刻蚀由刻蚀窗口278暴露出的阻挡层271的一部分，以形成刻蚀窗口278的一部分。
在步骤228中，如图8E和8F所示，将与DOE 50相对、被刻蚀窗口278暴露出的硅衬底242的一部分刻蚀到刻蚀停止层240，以形成结合环242A。可以使用DRIE来刻蚀硅衬底242。
在步骤230中，如图8F和8G所示，通过刻蚀剂去除剂(resiststriper)来化学去除剩余的光刻胶层274。
在步骤232中，如图8F和8G所示，将与DOE 50相对的氧化物刻蚀停止层240的一部分刻蚀掉，以暴露出AR涂层244的一部分。可选的氟化镁(MgF₂)AR涂层可以被电子束蒸发到透明衬底270上。可以如上所述地选择MgF₂的厚度和折射率。这时，形成罩盖280，并可以将其安装到底层载片上以完成微电子封装。
作为步骤224到232的替换，可以刻蚀掉所有的硅衬底242，以形成安装到透明衬底270的DOE 50。这导致没有结合环242A的罩盖280。
图9是在本发明的一个实施例中，通过将用于DOE的图案从硅衬底上转移到透明衬底上来形成DOE的方法360的流程图。下面参照图10A到图10D来说明方法360。
在步骤362中，如图10A所示，在硅衬底392上形成DOE的模(mold)390。模390可以按照图1的方法10中形成DOE 50的方法类似地形成，只是它是DOE的倒像而不是DOE本身。因为倒像将由折射率为2.1的氮化硅填充，所以这个模390的总厚度将是990nm/(RI_sin-RI_air)＝990nm/(2.1-1)＝900nm。
在步骤363中，如图10A所示，在模390上形成非保形二氧化硅(SiO₂)层393。非保形氧化物层393可以通过电子束蒸发而沉积。氧化物层393将作为刻蚀停止层以及用于氮化物DOE 394A(图10B)的AR涂层。氧化物层393的折射率一般是1.45。如上所述地选择氧化物层393的厚度(例如990nm/4/1.45＝170.7nm)。因为氮化物DOE 394A具有约2.1的折射率，所以具有1.45折射率的氧化物层393可以是非常有效的AR涂层材料。
在步骤364中，如图10B所示，形成透镜层394以覆盖氧化物层393，然后平坦化透镜层394。如图所示，与氧化物层393的图案保形相似的透镜层394的一部分形成DOE 394A。透镜层394可以是通过PECVD沉积的氮化硅(Si₃N₄)或二氧化硅(SiO₂)，并且一般厚1200nm。透镜层394可以通过CMP被平坦化到900nm厚。
在步骤365中，如图10B所示，透明衬底398被结合到刻蚀掩膜层394。如果由具体应用指定的百分比(例如，对于大部分通信应用来说至少为10％)的入射光传输通过衬底，那么透明衬底398对于感兴趣的波长(例如，从红外线到紫外线之间选择的波长)是可透过的。透明衬底398可以是石英、硼硅酸钠玻璃(例如Pyrex^)、蓝宝石或熔融石英。如果透明衬底398是硼硅酸钠玻璃，那么它可以通过阳极焊接被结合到氮化物透镜层394。或者，可以在氧化物透镜层394上形成硅结合层，并且硅酸纳玻璃衬底398可以通过阳极焊接而被结合到硅结合层。
在步骤366中，如图10B所示，在硅衬底392的背面形成结合垫395。结合垫395可以是通过电子束蒸发或溅射沉积并通过掀去掩膜被图案化的钛铂金(TiPtAu)序列。钛的厚度一般为50nm，铂的厚度一般为150nm，金的厚度一般为50nm。
在步骤368中，如图10B所示，在硅衬底392和结合垫395的背面形成刻蚀掩膜层396。刻蚀掩膜层396可以是由PECVD沉积的氮化硅(Si₃N₄)。
在步骤372中，如图10B和10C所示，对刻蚀掩膜层396进行图案化以形成刻蚀窗口400。
在步骤374中，如图10C和10D所示，将与DOE 394A相对、被刻蚀窗口400暴露出的硅处理层392的一部分刻蚀到氧化物层393，以形成结合环392A。可以使用DRIE来刻蚀掉硅衬底392。
在步骤376中，将刻蚀掩膜层396刻蚀掉。这时，形成罩盖402，并可以将其安装到底层载片上以完成微电子封装。
所公开实施例的特征的各种其他改变和组合处于本发明的范围内。所附权利要求所包括了许多的实施例。