Microlenses for optical microsystems

Abstract

Lenses have been used by mankind for thousands of years for innumerous different reasons and applications. More recently, lenses in the micro scale dimension, so called microlenses (MLs), have been designed and fabricated using semiconductor technology. These new lenses are used for collimation, focusing or imaging and are an appealing alternative for applications where miniaturization and alignment simplicity are important requirements. Moreover, they also opened a large number of new applications for optical structures and, at the same time, reducing the mechanical and electrical complexity of the existing systems. In this context, the presented thesis has as main purposes, the design and development of a process that allows the fabrication of different sized plano-convex MLs with minor intervention on the process parameters. The MLs were fabricated using a photoresist, the AZ4562, through classical photolithography and the thermal reflow process. Another achievement was the fabrication of MLs directly on the surface of a silicon die containing complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) photodiodes (PDs) for quantifying the differences in their photocurrents generation capacity. The MLs’ optimum fabrication process was achieved when a 128k dots per inch (dpi) super high-resolution chrome on soda lime glass 3×3-0.060” photomask was employed. This photomask allows the design pattern to be transferred into the photoresist with very high precision. Nevertheless, for actually obtaining the desired lens profile, it is necessary to apply a thermal treatment to the fabricated microstructures. When the photoresist is submitted to a temperature higher than its glass transition temperature, it softens allowing the shape change to occur. For MLs, the major external force acting during this process is the surface tension. The fabricated MLs were structurally characterized using a profilometer and scanning electron microscope (SEM) images. For measuring the focal length, an optomechanical alignment system was assembled and a difference of just 4% was found between the measured and the theoretical values. An additional improvement was achieved by introducing a rehydration step in the fabrication process. The prebake stage used during the fabrication serves for evaporating the solvent off the photoresist but also, all of its water content. As a result, it was demonstrated that the AZ4562 needs rehydration in order to obtain excellent results by preventing structural damages in the MLs which are crucial for achieving efficient optical properties. The main advantage of this new optimized process is the further improvement of well-established standard microfabrication processes, i.e., photolithography combined with photoresist thermal reflow. Then, three approaches for integrating the MLs with the photodetecting substrate were tested. The first was using a polydimethylsiloxane (PDMS) intermediate layer for controlling the thickness between the MLs and the photodetecting substrate for allowing different focal lengths to be used depending on the application. The second one is setting the MLs’ focal length within the photodetectors’ depletion region using a 150 μm thin glass substrate for demonstrating that the current generation is enhanced for the same active area. Finally, the third approach consists on a setup composed by a MLs array fabricated directly on top of the PDs and in this approach, two solutions are presented. One is the fabrication of a ML on a square PD with the side measuring 24 μm. This setup enables the capture of light that would otherwise fall outside the photodiodes’ active area resulting in an overall photocurrent generation gain. The other is the fabrication of a MLs array using the same photomask but on a square PD with the side measuring 240 μm for determining the level of photocurrent generation. Moreover, two light sources (red and white lights) were used for evaluating the light acquisition enhancement capacity. From the results that were obtained under different integration solutions, the direct fabrication of MLs on PDs was the one with the better results concerning photocurrent generation by improving it by more than 14% and 2% for red and white lights, respectively. The red light has the ideal penetration depth in silicon for achieving the most prominent enhancement in photocurrent generation presented in this thesis. The MLs that were designed and fabricated, as well as their integration solutions with a photosensitive substrate, show interesting potential in applying them on industry standard fabrication processes for optical microsystems, from light-acquisition enhancement applications to image sensors.

Desde há milhares de anos que a Humanidade tem usado lentes por inúmeras razões e para diferentes aplicações. Mais recentemente, têm sido desenvolvidas e fabricadas lentes de microdimensões, também designadas de microlentes (MLs), utilizando a tecnologia dos semicondutores. Este novo tipo de lentes é normalmente utilizado para colimar, focar ou criar imagens, e é uma alternativa apelativa para aplicações onde a miniaturização e simplicidade de alinhamento são requisitos importantes. Além disso, elas também deram origem a um conjunto de novas aplicações para estruturas óticas reduzindo, ao mesmo tempo, as complexidades mecânicas e elétricas dos sistemas existentes. Nesta perspetiva, a presente tese tem como principais objetivos o desenho e desenvolvimento de um processo que permita o fabrico de MLs plano-convexas de diferentes tamanhos com intervenção mínima nos parâmetros do processo. As MLs foram fabricadas utilizando um polímero fotosensível (PF), o AZ4562, através de fotolitografia e refluxo térmico. Outro objetivo foi o fabrico de MLs diretamente na superfície de um die de silício, que contém fotodíodos (FDs) em tecnologia complementary metal–oxide semiconductor (CMOS), para quantificar as diferenças na sua capacidade de gerar fotocorrente (FC). O processo de fabrico ótimo de MLs foi alcançado quando uma fotomáscara (FM) de crómio de super alta-resolução de 128k dots per inch (dpi) foi usada. Esta FM permite que o desenho-padrão seja transferido para o PF com elevada precisão. No entanto, para se obter o perfil de lente, é necessário aplicar um tratamento térmico à microestrutura fabricada. Quando o PF é submetido a uma temperatura mais alta do que a sua temperatura de transição vítrea, este amolece permitindo assim que a sua forma se altere. No caso das MLs, a principal força responsável para que essa mudança ocorra durante este processo térmico é a tensão superficial. As MLs fabricadas, foram estruturalmente caracterizadas usando um perfilómetro e imagens de scanning electron microscope (SEM). Para medir a distância focal (f), foi concebido um sistema de alinhamento opto-mecânico e verificou-se que existe uma pequena diferença de 4% entre o valor medido e o calculado. Foi conseguida ainda uma melhoria adicional com a introdução de uma fase de reidratação no processo de fabrico. A fase de prebake utilizada no fabrico serve para evaporar os solventes do PF mas, todavia, retira também todo o seu conteúdo de água. Por isso, foi demonstrado que o AZ4562 necessita de ser reidratado para se conseguir excelentes resultados prevenindo danos estruturais nas MLs que é fundamental para a obtenção de propriedades óticas eficientes. A maior vantagem neste novo processo otimizado é a melhoria conseguida nos processos de microfabricação standard estabelecidos, i.e., fotolitografia combinada com o refluxo térmico do PF. Em seguida, foram testadas três formas para integrar as MLs num substrato fotossensível. A primeira consistiu em utilizar uma camada intermédia de polidimetilssiloxano (PDMS) para controlar a espessura entre as MLs e o substrato fotodetetor e assim, permitir a utilização de diferentes f dependendo da aplicação. A segunda foi colocar f dentro da região de depleção do FD usando um substrato de vidro com 150 μm de espessura demonstrando que a geração de FC é aumentada para a área ativa. Por último, a terceira abordagem foi o desenvolvimento de um setup composto por um array de MLs fabricado diretamente sobre os FDs e duas soluções são apresentadas. Uma delas é o fabrico de uma ML num FD quadrado com 24 μm de lado. Este setup permite a captura de luz que não iria incidir na área ativa do FD resultando num aumento de geração de FC. O outro é o fabrico de um array de MLs usando a mesma FM, mas num FD quadrado com 240 μm de lado, para determinar o nível de geração de FC. Nestes testes, recorreu-se a duas fontes de luz (vermelha e branca) para avaliar a capacidade de aumentar a aquisição de luz. Relativamente à geração de FC, o melhor dos resultados obtidos nas várias soluções de integração propostas, foi conseguido com o fabrico direto de MLs nos FDs com aumentos superiores a 14% e 2% para as luzes vermelha e branca, respetivamente. A luz vermelha tem a penetração ideal no silício para atingir os resultados mais proeminentes no que concerne aos ganhos obtidos na geração de FC apresentado nesta tese. As MLs que foram desenhadas e fabricadas, bem como as soluções propostas de integração num substrato fotossensível, demonstram um potencial interesse de aplicação em processos industriais de fabrico standard para microsistemas óticos, desde aplicações de aumento de aquisição de luz, até sensores de imagens.