CN102470616B - 光学元件及制造晶圆级光学元件的方法 - Google Patents

光学元件及制造晶圆级光学元件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种晶圆级光学元件(200)，其消除了布置于该元件的光学结构(204，206)之间或者光学表面之间的基板晶圆(102)或其一部分。本发明还提供了一种制造晶圆级光学元件的方法。

Description

光学元件及制造晶圆级光学元件的方法
相关的申请数据
本申请要求于2009年7月2日提交的美国专利申请No.12/497,441的优先权，其全部内容通过引用并入于此。
技术领域
本发明涉及光学元件，并且特别地涉及以晶圆(wafer)级制造的具有透镜结构的光学元件。
背景技术
晶圆级制造技术用于有效及大量地制造在光学成像设备中使用的光学元件以及其它构件。现有的用于光学元件的晶圆级制造技术采用在其上形成诸如透镜的光学结构的透明基板晶圆。该透明基板晶圆为光学元件提供机械刚性，由此可便于下游处理及加工。此外，透明晶圆基板提供表面，该表面用于安装一个或多个孔径(aperture)，以控制来自或到达光学系统的其它光学构件或感测构件的期望量的电磁辐射的透射。
图1示出了使用基板的晶圆级光学元件。图l中的光学元件(100)由基板(102)、沉积于基板(102)的一个表面上的第一透镜结构(104)及沉积于基板(102)的相反侧上的第二透镜结构(106)组成。另外，用于光学元件(100)的孔径(108)形成于基板(102)的表面上。
然而，利用透明基板晶圆确实存在一些缺点。一个缺点是当透明基板位于透镜结构之间时调制传递函数(MTF)值会降低。此外，基板晶圆会将设计和/或机械约束施加于沉积于该晶圆上的光学结构上。例如，基板晶圆可限制光学元件的最小中心厚度。并且，与透镜结构相比，基板晶圆会随温度波动表现得不同。此外，基板晶圆占据了制造光学元件的成本的相当大部分。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种晶圆级光学元件，其消除了布置于该元件的光学结构或光学表面之间的支撑基板，例如基板晶圆或其一部分。此外，在另一方面中，本发明提供了一种晶圆级光学元件，在该光学元件内包括一个或多个孔径，其中该光学元件不包括布置于该元件的光学结构或光学表面之间的晶圆基板或其一部分。
在元件的光学结构或表面之间没有支撑基板的晶圆级光学元件可提供若干优点，包括增强元件的光学性能。例如，在光学结构或表面之间没有基板的晶圆级光学元件可呈现减小的中心厚度和改善的MTF值。此外，通过从光学元件的构造去除基板可消除因光学结构或表面沉积于基板上的基板弯曲。
在一个实施例中，本发明的光学元件包括晶圆级透镜，其包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构，其中在第一透镜结构与第二透镜结构之间存在界面。此外，在联接第一透镜结构及第二透镜结构中，本发明的晶圆级透镜不包括位于第一透镜结构及第二透镜结构之间的支撑基板晶圆。在一些实施例中，存在于第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面包括光学活性表面。
晶圆级透镜的第一透镜结构和第二透镜结构可包括任何与本发明的描述对象不一致的材料。在一些实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括聚合材料、玻璃材料或其组合。此外，在一些实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括相同的材料。在其它实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括不同的材料。
在另一实施例中，包括晶圆级透镜的光学元件还包括布置于第一透镜结构与第二透镜结构之间的至少一个孔径，该晶圆级透镜包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构。在一些实施例中，位于第一透镜结构与第二透镜结构之间的至少一个孔径被嵌入晶圆级透镜中。
此外，由于晶圆级透镜不包括根据本发明实施例的晶圆基板，所以在透镜内的至少一个孔径与晶圆基板不相关联。在一些实施例中，晶圆级透镜的一个或多个孔径是与第一透镜结构相关联的。在其它实施例中，晶圆级透镜的一个或多个孔径是与第二透镜结构相关联的。在另一实施例中，一个或多个孔径是与第一透镜结构和第二透镜结构都相关联的。
在一些实施例中，孔径可位于晶圆级透镜中的任何期望位置。在一些实施例中，孔径位于第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面处。
另外，在一些实施例中，包括晶圆级透镜的光学元件还包括一个或多个可操作以减少进入晶圆级透镜的杂散光的量的挡板。在一些实施例中，包括晶圆级透镜的光学元件还包括联接于晶圆级透镜的至少一个间隔物。在一些实施例中，间隔物可增加光学元件的刚性，由此便于下游处理及加工。例如，在一些实施例中，间隔物可便于包括晶圆级透镜的光学元件与其它光学构件或感测构件的堆叠或联接。
在一些实施例中，光学元件的独立组件(包括第一透镜结构与第二透镜结构)具有相同或基本上相同的热膨胀系数(CTE)。此外，一个或多个孔径、挡板及间隔物可具有与第一透镜结构及第二透镜结构相同或基本上相同的热膨胀系数(CTE)。通常用于支撑晶圆级光学元件的构造的玻璃基板可具有约1-6ppm/℃的CTE。相比而言，用于形成支撑玻璃基板上的透镜结构的聚合材料可具有大于10ppm/℃且通常在18-100ppm/℃的之间的CTE。
在另一方面中，本发明包括由晶圆级技术制造多个光学元件的方法。在一个实施例中，制造多个光学元件的方法包括：提供包括多个第一透镜结构的第一晶圆；提供包括多个第二透镜结构的第二晶圆；以及将第一晶圆和第二晶圆联接，其中在第一透镜结构与第二透镜结构之间形成界面。
在被联接时，多个第一透镜结构实现与多个第二透镜结构所要求的对准以提供多个包括晶圆级透镜的组合光学元件。在联接第一透镜晶圆与第二透镜晶圆时，本发明的方法没有利用布置于第一晶圆透镜结构与第二晶圆透镜结构之间的基板晶圆。
在一些实施例中，制造多个光学元件的方法还包括将多个孔径布置于第一晶圆和第二晶圆之间。此外，在一些实施例中，一种制造多个光学元件的方法还包括对多个组合光学元件进行单分以提供多个独立光学元件。
在下文详细描述中将更加详细地描述上述及其它实施例。
附图说明
图1图示了在元件的透镜结构之间包括晶圆基板的现有技术光学元件。
图2图示了根据本发明的一个实施例的光学元件。
图3图示了存在于根据本发明一个实施例的光学元件的第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面。
图4图示了根据本发明的一个实施例的光学元件。
图5图示了根据本发明的一个实施例的光学元件。
图6图示了根据本发明的一个实施例的包括多个第一透镜结构的第一晶圆。
图7图示了根据本发明的一个实施例的包括多个第一透镜结构的第一晶圆，该晶圆被联接于一穿孔晶圆。
图8图示了根据本发明的一个实施例的包括多个第一透镜结构的第一晶圆，该晶圆被联接于一穿孔晶圆。
图9图示了根据本发明的一个实施例的包括多个第一透镜结构的第一晶圆，该晶圆还包括多个光学孔径。
图10图示了根据本发明的一个实施例的包括多个第二透镜结构的第二晶圆，该第二晶圆被联接于包括多个第一透镜结构的第一晶圆以提供多个组合光学元件。
图11图示了根据本发明的一个实施例的联接于多个组合光学元件的挡板晶圆。
图12图示了根据本发明的一个实施例的多个单分的光学元件。
图13图示了根据本发明的一个实施例的光学元件。
具体实施方式
通过参考以下详细描述、实例和附图及其先前及下列描述，能够更容易地理解本发明。然而，本发明的元件、设备及方法不限于在详细描述、实例及附图中给出的具体实施例。应该认识到，这些实施例仅仅是为了说明本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，许多变型和改进对于本领域技术人员来说是显而易见的。
在一个方面中，本发明提供了一种晶圆级光学元件，在该元件的光学结构或光学表面之间没有结合基板晶圆。在另一方面中，本发明提供在该光学元件内包括一个或多个孔径的晶圆级光学元件，其中该光学元件不包括位于该元件的光学结构或光学表面之间的支撑基板。在另一方面中，本发明提供一种晶圆级光学元件，其在该元件的光学结构或光学表面之间结合有非支撑基板。在一些实施例中，非支撑基板的CTE基本上匹配该元件的光学结构或光学表面。
在一个实施例中，本发明的光学元件包括晶圆级透镜，其包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构，其中在第一透镜结构与第二透镜结构之间存在界面。此外，在将第一透镜结构与第二透镜结构联接时，本发明的晶圆级透镜不包括在第一透镜结构与第二透镜结构之间的基板晶圆或其一部分。在一些实施例中，存在于第一透镜结构与第二透镜结构之间的该界面包括光学活性表面。如这里所使用的，如果表面呈现为用以反射、折射或衍射光的在两种介质(诸如空气与聚合物)之间的界面，则该表面是光学活性的。
现参照附图，图2图示了根据本发明一个实施例的光学元件。如图2所示，光学元件(200)包括晶圆级透镜(202)，其包括联接于第二透镜结构(206)的第一透镜结构(204)。当第一透镜结构(204)与第二透镜结构(206)彼此联接时，在第一透镜结构(204)与第二透镜结构(206)之间可存在界面(208)。另外，与图1中所示的光学元件相比，图2的光学元件(200)不包括介于第一透镜结构(204)与第二透镜结构(206)之间的支撑基板晶圆或其一部分。
在一些实施例中，在本发明的光学元件的第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面是由第一透镜结构和第二透镜结构的表面形成。在其它的实施例中，非支撑材料或基板可位于第一透镜结构与第二透镜结构之间，其中非支撑材料提供第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面。在一些实施例中，非支撑材料或基板具有小于约10GPa的杨氏模量(E)。在另一实施例中，非支撑材料或基板具有小于约5GPa的模量(E)。在一些实施例中，非支撑材料或基板具有小于约2GPa的模量(E)。
光学元件(200)还包括可操作以减少进入晶圆级透镜(202)的杂散光的量的挡板结构(210)。此外，光学元件(200)还包括间隔物(212)。如本发明所提出的，在一些实施例中，间隔物(212)便于光学元件(200)与光学系统的其它光学构件或电磁辐射感测构件的堆叠或联接。在一些实施例中，间隔物(212)为包括晶圆级透镜(202)的光学元件(200)提供机械支撑。
图3图示了存在于根据本发明的一个实施例的光学元件的第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面。如图3所示，第一透镜结构(304)联接到第二透镜结构(306)，使得界面(308)由第一透镜结构(304)与第二透镜结构(306)的表面形成。在图3所示的实施例中，界面(308)是平面的。然而，在其它实施例中，界面可具有任何期望的形状，包括曲线形状、阶梯形状、棱柱形状或其组合。在一些实施例中，界面包括光学活性表面。
图4图示了根据本发明一个实施例的光学元件，其中在第一透镜结构与第二透镜结构间的界面不是平面的。图4的光学元件(400)包括晶圆级透镜(402)，其包括联接于第二透镜结构(406)的第一透镜结构(404)。将第一透镜结构(404)联接至第二透镜结构(406)会在第一透镜结构(404)与第二透镜结构(406)的表面之间产生界面(408)。图4的实施例中所示的界面(408)是弯曲的。在界面(408)为弯曲的时，如果用于形成第一透镜结构(404)和第二透镜结构(406)的材料是在光学上不同时，图4的界面(408)包括光学活性表面。
在另一实施例中，包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构的光学元件还包括布置于第一透镜结构与第二透镜结构之间的至少一个孔径。在至少一个孔径布置于第一透镜结构与第二透镜结构之间时，在一些实施例中，该至少一个孔径被嵌入在晶圆级透镜中。
另外，根据本发明的实施例，当晶圆级透镜不包括支撑晶圆基板时，在透镜内的至少一个孔径是与晶圆基板不相关联的。在一些实施例中，在晶圆级透镜内的一个或多个孔径是与第一透镜结构相关联的。在其它实施例中，在晶圆级透镜中的一个或多个孔径是与第二透镜结构相关联的。在一些实施例中，在晶圆级透镜中的一个或多个孔径是与第一透镜结构和第二透镜结构相关联的。
在一些实施例中的孔径可位于晶圆级透镜中的任何期望位置。例如，在一些实施例中，孔径是位于第一透镜结构与第二透镜结构之间的界面处。
再次参考附图，图5图示根据本发明的一个实施例的光学元件。图5所示的光学元件(500)包括晶圆级透镜(502)，其包括联接于第二透镜结构(506)的第一透镜结构(504)。孔径(508)位于晶圆级透镜(502)内、在第一透镜结构(504)与第二透镜结构(506)的界面(510)处。孔径(508)被嵌入晶圆级透镜(502)中。此外，在孔径位于第一透镜结构(504)与第二透镜结构(506)的界面处时，孔径(508)与图l所提供的支撑基板晶圆并不相关联。
此外，由于第一透镜结构(504)与第二透镜结构(506)是彼此独立地形成的，所以能够控制界面(510)与孔径(508)的相对位置。即，孔径(508)可更靠近第一透镜结构(504)的第一光学活性表面(518)定位，或者更靠近第二透镜结构(506)的第二光学活性表面(520)定位。在图5所示的实施例中，孔径(508)位于离第一光学活性表面(518)距离T1处且离第二光学活性表面(520)距离T2处。取决于期望的光学性能，光学元件(500)的实施例的特征可在于Tl等于T2、大于T2或小于T2。
图5的光学元件(500)还包括可操作以减少进入晶圆级透镜(502)的杂散光的量的挡板结构(514)。光学元件(500)还包括间隔物(516)。如本文所提出，在一些实施例中，间隔物(516)便于光学元件(500)与其它光学构件或电磁辐射感测构件的堆叠或联接。在一些实施例中，间隔物(516)为包括晶圆级透镜(502)的光学元件(500)提供机械支撑。
图13图示了根据本发明的一个实施例的光学元件。图13中所示的光学元件(13)包括晶圆级透镜(14)，其包括第一透镜结构(16)和第二透镜结构(18)。非支撑材料(20)布置于第一透镜结构(16)与第二透镜结构(18)之间。光学元件(13)包括布置于第一透镜结构(16)与第二透镜结构(18)之间的多个孔径(22,24)。孔径(22)位于或嵌入晶圆级透镜(14)内、处于第一透镜结构(16)和非支撑材料(20)的界面(29)处。此外，孔径(24)位于或嵌入晶圆级透镜(14)内、处于第二透镜结构(18)和非支撑材料(20)的界面(28)处。在图13所示的实施例中，孔径(22,24)具有不同尺寸。
光学元件(13)还包括可操作以减少进入晶圆级透镜(14)的杂散光的量的挡板结构(30)。光学元件(13)还包括间隔物(32)。如本文所提出，在一些实施例中，间隔物(32)便于光学元件(13)与其它光学构件或电磁辐射感测构件的堆叠或联接。在一些实施例中，间隔物(32)为包括晶圆级透镜(14)的光学元件(13)提供机械支撑。
现转至本发明的光学元件的构件，本发明的光学元件包括晶圆级透镜，其包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构。
第一透镜结构包括任何期望轮廓的光学表面。在一些实施例中，第一透镜结构包括具有凸状轮廓的光学表面。在其它实施例中，第一透镜结构包括具有凹状轮廓的光学表面。在另一实施例中，第一透镜结构包括具有平面轮廓的光学表面。在一些实施例中，第一透镜结构包括含有多个形状的光学表面，所述形状例如包括球面形状、非球面形状或局部凹状和/或局部凸状。
此外，第二透镜结构包括任何期望轮廓的光学表面。在一些实施例中，第二透镜结构包括具有凸状轮廓的光学表面。在其它实施例中，第二透镜结构包括具有凹状轮廓或平面轮廓的光学表面。在一些实施例中，第二透镜结构包括含有多个形状的光学表面，所述形状例如包括球面形状、非球面形状或局部凹状和/或局部凸状。
第一透镜结构与第二透镜结构可一起形成具有例如包括弯月形、双凸形或双凹形的多种形状中任一种形状的晶圆级透镜，并由此产生带有正光焦度、负光焦度或其组合的透镜。
第一透镜结构和第二透镜结构可包括与本发明的描述对象不一致的任何材料。在一些实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括聚合材料。在一些实施例中，适用于形成本发明的透镜结构的聚合材料包括环氧化物、氧杂环丁烷或丙烯酸脂，诸如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合。在一些实施例中，透镜结构的适当聚合材料包括马来酸酯(maleate esters)、巯基-乙烯基聚合物或乙烯基醚。在另一实施例中，适当的透镜结构聚合材料包括含全氟环丁烷(PFBC)的聚合物，诸如全氟环丁烷聚(芳基醚)。在一些实施例中，用于透镜结构的适当聚合材料可包括两种或更多种先前聚合物种类中的共聚物。
在一些实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括玻璃材料。例如，适当的玻璃材料可包括旋涂式玻璃或模制玻璃。
在一些实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括相同的材料。例如，在一个实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括相同的聚合材料。在其它的实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构包括不同的材料。例如，在一个实施例中，第一透镜结构包括与第二透镜结构不同的聚合材料。在另一实施例中，第一透镜结构包括聚合材料，而第二透镜结构包括玻璃材料。在一些实施例中，第一透镜结构包括玻璃材料，而第二透镜结构包括聚合材料。
第一透镜结构和第二透镜结构可具有与本发明的描述对象不一致的任何期望厚度。在一个实施例中，第一透镜结构和第二透镜结构具有在约50μm至约2000μm范围内的厚度。在一些实施例中，经减小的厚度可用于极小型照相机或其它非成像方案中。另外，在一些实施例中，厚度增加的第一透镜结构或第二透镜结构可适用于较大型照相机或其它非成像方案。
如本发明所提出的，在一些实施例中，本发明的光学元件还包括位于第一透镜结构和第二透镜结构之间的至少一个孔径。该至少一个孔径可以通过可操作以阻挡或减少期望波长或波长范围的电磁辐射透射的任何材料限定。在一些实施例中，该至少一个孔径可通过可操作以阻挡或减少紫外辐射、可见光辐射或红外辐射或其组合透射的材料来限定。在一些实施例中，限定所述至少一个孔径的材料反射电磁辐射。在其它实施例中，限定所述至少一个孔径的材料吸收电磁辐射。
在一些实施例中，限定所述至少一个孔径的材料包括金属。金属可包括大致纯金属或其合金。在一些实施例中，金属包括过渡金属、铝或其组合。在一些实施例中，金属包括金属膜。
在其它实施例中，限定所述至少一个孔径的金属包括一种或多种聚合材料，诸如抗光刻树脂。在一些实施例中，抗光刻剂包括正光阻剂或负光阻剂。在一些实施例中，抗光刻剂包括化学放大光阻剂。在另一实施例中，限定所述至少一个孔径的材料包括一种或多种聚合材料及一种或多种金属的组合。
限定所述至少一个孔径的材料具有足以阻挡期望波长或波长范围的辐射透射的厚度。在一些实施例中，材料具有在约10nm至约0.5mm范围内的厚度。在另一实施例中，材料具有在约250μm至约750μm范围内的厚度。在一些实施例中，材料具有在约300μm至约500μm范围内的厚度。
在一些实施例中，当至少一个孔径布置于第一透镜结构与第二透镜结构之间时，该至少一个孔径被嵌入晶圆级透镜中且可操作以控制穿过晶圆级透镜的光量。该至少一个孔径可被定做以提供任何期望尺寸。孔径的大小可基于许多因素而变化，所述因素例如包括所形成透镜的大小、期望的光学性能、期望的F/#、或应用尺寸。例如，用于成像在具有2.2μm像素的VGA传感器上的透镜的孔径具有约0.5mm至1.0mm的直径。
在一些实施例中，本发明的光学元件包括至少一个间隔物。在一些实施例中，该至少一个间隔物联接于晶圆级透镜。在一些实施例中，间隔物可以为光学元件提供增加的刚性，由此便于光学元件下游的处理及加工。例如，在一些实施例中，间隔物可便于包括晶圆级透镜的光学元件与其它光学部件或电磁辐射感测部件的堆叠或联接。
在一个实施例中，光学元件的间隔物由例如包括聚酰亚胺或液晶聚合物的聚合材料所构成，其特征在于热膨胀系数(CTE)大于约11-12ppm/℃。在一个实施例中，间隔物包括经玻璃纤维强化的聚合树脂。在一些实施例中，经玻璃纤维强化的聚合树脂包括FR-4。FR-4的某些形成物在不同方向上具有不同的CTE。例如，在一个实施例中，间隔物材料的特征在于沿第一方向的较大的热膨胀系数及沿第二基本正交方向的明显较小的热膨胀系数。该CTE差异可大至一个数量级(例如，约175ppm/℃相比于正交方向的约14ppm/℃)。在这种情况下，间隔物材料可被定向以使得在基本平行于光学元件的晶圆级透镜的方向上出现最小量的热膨胀。因此，沿着元件的光轴方向将出现相应较大的热膨胀。该特定构造有助于最小化温度变化范围内在粘合接合部处的应力。
在一些实施例中，包括晶圆级透镜的光学元件还包括可操作以减少进入晶圆级透镜的杂散光的量的一个或多个挡板结构。在一些实施例中，挡板结构联接于晶圆级透镜。挡板结构可具有与本发明的描述对象不一致的任何期望尺寸。
挡板结构可包括可操作以阻挡或减少任何期望波长或波长范围的电磁辐射透射的任何材料。在一些实施例中，挡板结构包括可操作以阻挡或减少紫外辐射、可见光辐射或红外辐射或其组合透射的材料。在一些实施例中，挡板结构包括聚合材料。在其它实施例中，挡板结构包括金属或合金。
在一些实施例中，本发明的光学元件的独立构件包括第一透镜结构及第二透镜结构、孔径、挡板和间隔物，它们具有相同或基本上相同的热膨胀系数(CTE)。在其它实施例中，光学元件的独立构件的任何组合具有相同或基本上相同的热膨胀系数。
在一些实施例中，包括晶圆级透镜结构的本发明的光学元件可用于照相机模块应用中，包括但不限于便携式电话的照相机模块。在一些实施例中，本发明的光学元件可用于各种监视应用以及需要微型化光学元件的设备中，诸如，移动计算装置、汽车、安保、消费性电子产品、玩具等。
在另一方面中，本发明提供了制造包括晶圆级透镜的多个光学元件的方法，晶圆级透镜包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构。由于本发明的光学元件在第一透镜结构与第二透镜结构之间不包括支撑基板，所以本发明的方法在一些实施例中不使用基板晶圆。
在一个实施例中，一种制造多个光学元件的方法包括：提供包括多个第一透镜结构的第一晶圆；提供包括多个第二透镜结构的第二晶圆；以及将第一晶圆联接于第二晶圆，其中在第一透镜结构与第二透镜结构之间形成界面。在被联接时，多个第一透镜结构与多个第二透镜结构获得期望的对准，从而可以制造多个包括晶圆级透镜的组合光学元件。
在一些实施例中，提供包括多个第一透镜结构的第一晶圆包括：提供第一透镜材料并将第一透镜材料形成为包括多个第一透镜结构的第一晶圆。此外，在一些实施例中，提供包括多个第二透镜结构的第二晶圆包括：提供第二透镜材料并将第二透镜材料形成为包括多个第二透镜结构的第二晶圆。在一些实施例中，将第一透镜材料形成为包括多个第一透镜结构的第一晶圆包括：将第一透镜材料模制成多个第一透镜结构。在一些实施例中，将第二透镜材料形成为包括多个第二透镜结构的第二晶圆包括：将第二透镜材料模制成多个第二透镜结构。
在一些实施例中，在提供第一晶圆时，多个第一透镜结构同时地或基本上同时地形成。在其它实施例中，多个第一透镜结构连续地或依次地形成。在一些实施例中，在提供第二晶圆时，多个第二透镜结构同时地或基本上同时地形成。在其它实施例中，多个第二透镜结构连续地或依次地形成。
在模制第一透镜材料和/或第二透镜材料的一些实施例中，适用于将第一透镜材料和第二透镜材料模制成包括透镜结构的第一及第二晶圆的模具可具有任何期望形状和/或尺寸。在一些实施例中，用于制造包括多个第一透镜结构的第一晶圆的模具具有与用于制造包括多个第二透镜结构的第二晶圆的模具不同的形状和/或尺寸。模具的形状和/或尺寸通常取决于晶圆的透镜结构的期望形状和/或尺寸。
如本发明所提出的，第一透镜材料和第二透镜材料可包括与本发明的描述对象无不一致的任何材料。在一些实施例中，第一透镜材料和第二透镜材料可包括本发明所述的聚合材料或玻璃材料中的任何一种。此外，在一些实施例中，第一透镜材料与第二透镜材料相同。在其它实施例中，第一透镜材料与第二透镜材料不同。
包括多个第一透镜结构的第一晶圆及包括多个第二透镜结构的第二晶圆可通过各种方法联接。在一个实施例中，通过将第二晶圆形成于第一晶圆的表面上而将第一晶圆和第二晶圆联接。在另一实施例中，通过将第一晶圆形成于第二晶圆的表面上而将第一晶圆和第二晶圆联接。
在一些实施例中，通过将第二晶圆模制于第一晶圆的表面上而将第一晶圆和第二晶圆联接。在另一实施例中，通过将第一晶圆模制于第二晶圆的表面上而将第一晶圆和第二晶圆联接。
另外，在一些实施例中，通过粘合剂或其它非刚性、非晶体或非支撑的材料联接第一晶圆和第二晶圆。
在一些实施例中，一种制造光学元件的方法还包括将多个孔径布置于包括多个第一透镜结构的第一晶圆和包括多个第二透镜结构的第二晶圆之间。
在一些实施例中，将多个孔径布置于第一晶圆与第二晶圆之间包括：以诸如光阻剂的材料在第一晶圆的表面上形成图案。在一些实施例中，形成图案包括将材料选择性地沉积于第一晶圆的表面上。在其它实施例中，形成图案包括将材料沉积于第一晶圆的表面上并选择性地蚀刻被沉积孔径材料的区域从而在材料中提供孔径。在一些实施例中，蚀刻包括化学蚀刻、辐射蚀刻或其组合。
在一些实施例中，将多个孔径布置于第一晶圆和第二晶圆之间包括以诸如光阻剂的材料在第二晶圆的表面上形成图案。在一些实施例中，形成图案包括将材料选择性地沉积于第二晶圆的表面上。在其它实施例中，形成图案包括将材料沉积于第二晶圆的表面上并选择性地蚀刻被沉积孔径材料的区域从而在材料中提供孔径。在一些实施例中，蚀刻包括化学蚀刻、辐射蚀刻或其组合。
此外，在一些实施例中，将多个孔径布置于第一晶圆和第二晶圆之间包括以一种或多种孔径材料在第一晶圆的表面上形成图案且在第二晶圆的表面上形成图案。
在一些实施例中，在晶圆联接之前，以孔径材料在第一晶圆和/或第二晶圆的表面上形成图案。在其它实施例中，在晶圆联接之后，以孔径材料在第一晶圆和/或第二晶圆的表面上形成图案。
在一些实施例中，制造多个光学元件的方法还包括将穿孔晶圆联接于组合光学元件。在一些实施例中，穿孔晶圆被联接于包括多个第一透镜结构的第一晶圆。在其它实施例中，穿孔晶圆被联接于包括多个第二透镜结构的第二晶圆。在另一实施例中，第一穿孔晶圆被联接于第一晶圆，而第二穿孔晶圆被联接于第二晶圆。
通过本领域技术人员已知的任何方法，可以将穿孔晶圆联接于第一晶圆或第二晶圆。例如，在一个实施例中，穿孔晶圆可通过粘合剂、例如可通过暴露于紫外光或热而固化的粘合剂被联接于第一或第二晶圆。
在一些实施例中，穿孔晶圆是间隔物晶圆。在其它实施例中，穿孔晶圆是挡板晶圆。
如本发明所提出的，通过将包括多个第一透镜结构的第一晶圆与包括多个第二透镜结构的第二晶圆联接，提供了多个包括晶圆级透镜的组合光学元件。在一些实施例中，本发明的方法还包括单分多个组合光学元件以提供多个独立光学元件。通过切割刀、激光或本领域技术人员已知的任何其它适当的技术能够实现组合光学元件的单分。
再次参照附图，图6至图12示范了根据本发明的非限制性实施例的光学元件的制造。
图6图示了根据本发明的一个实施例的包括多个第一透镜结构的一第一晶圆。如图6所示，第一晶圆(600)包括多个模制的第一透镜结构(602)。在被模制时，第一晶圆(600)和与多个第一透镜结构(602)包括第一聚合材料。第一晶圆(600)包括联接于用以机械支撑的一刚性载体基板(606)的一表面(604)，以便于在下游加工成本发明的一光学元件。一离型层(608)布置是位于第一晶圆(600)的表面(604)与载体(606)之间，以于在必需要时自从基板(606)移除去第一晶圆(600)。在一个实施例中，载体(606)是透明的以允许通过穿透载体(606)的UV光曝光而固化第一晶圆(600)。
如图7的实施例中所示，穿孔晶圆(700)通过粘合剂(702)随后联接于包括多个第一透镜结构(602)的第一晶圆(600)的安装表面。在一些实施例中，当从模具移除第一晶圆(600)时，提供了第一晶圆(600)的安装表面。在一些实施例中，用于将穿孔晶圆(700)联接于第一晶圆(600)的粘合剂(702)可以是辐射固化或热固化的粘合剂。在一个实施例中，载体(606)与第一晶圆(600)的透明性质允许通过提供穿过基板(606)和第一晶圆(600)的适当波长的辐射而使粘合剂(702)固化。在另一实施例中，经由另一催化剂(例如，热、时间或厌氧)而使粘合剂(702)固化。因此，载体(606)可由非透明材料构成。
如本发明所提出的，在一些实施例中，穿孔晶圆可以是间隔物晶圆，且可对光学元件和/或其构件提供机械支撑以便于下游处理及加工。因此，一旦穿孔晶圆(700)被联接于包括多个第一透镜结构(602)的第一晶圆(600)，则可如图8的实施例中所示地从载体移除第一晶圆(600)。
根据图9，随后将多个孔径(900)以图案形成于先前联接于载体(606)的第一晶圆(600)的表面(604)上。通过可操作以阻挡期望波长辐射的透射的材料(902)来限定多个孔径(900)。孔径(900)可操作以调节穿过本发明的光学元件的晶圆级透镜的光量。
图10图示了根据本发明一个实施例的包括多个第二透镜结构的第二晶圆，第二晶圆被联接于包括多个第一透镜结构(602)的第一晶圆(600)。如图10所示，包括多个第二透镜结构(12)的第二晶圆(10)被联接于第一晶圆(600)的表面。如本发明所提出的，第二晶圆(10)可形成于第一晶圆(600)的表面上。可替代地，第二晶圆(10)可通过诸如粘合剂的非支撑材料被联接于第一晶圆(600)。
在一些实施例中，界面(16)形成于第一透镜结构(602)与第二透镜结构(12)之间。
如图10所示，将包括多个第二透镜结构(12)的第二晶圆(10)联接到第一晶圆(600)的表面(604)，可以提供多个具有嵌入其中的孔径(904)的组合光学元件(18)，该孔径通过材料(902)限定。
如本发明所述，在一些实施例中，第二穿孔晶圆被联接于组合光学元件。在一些实施例中，第二穿孔晶圆是挡板晶圆。在图11所示的实施例中，挡板晶圆(24)被联接于第二晶圆(10)的表面(26)。通过诸如辐射或热可固化粘合剂的粘合剂(28)将挡板晶圆(24)联接于第二晶圆(10)。挡板晶圆(24)为每一个光学元件(18)提供挡板结构，其可操作以减少进入由第一透镜结构(602)和第二透镜结构(12)形成的每一个元件的晶圆级透镜的杂散光的量。
此外，多个组合光学元件可被单分，从而提供多个独立光学元件(30)，如图12所示。
在以下非限制性实例中进一步阐述了本发明的实施方式。
实例1
多个光学元件
根据以下工序制造本发明的多个光学元件。
在熔凝硅石玻璃的临时载体晶圆上以2700rpm旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)的临时涂层，然后在150℃下固化30分钟。在PDMS临时涂层上重复旋涂光学聚合物以形成包括多个第一透镜结构的第一晶圆。在20mW/cm2下UV处理聚合物50秒。随后在90℃下使用热环氧树脂(353ND)达一小时，将穿孔基板结合于第一晶圆。然后，使临时载体晶圆与第一晶圆分离。
在150℃下烘烤每一个孔上具有第一透镜表面的穿孔基板达3小时。利用热蒸发设备将厚度约为500μm的Cr金属层沉积于包括多个第一透镜结构的第一晶圆的背面。将正光阻剂以3000rpm旋涂在沉积的Cr金属顶部，接着在110℃下在对流烘箱中软固化30分钟。以约100mJ/cm2的能量辐射穿过具有孔径图案的掩模而使光阻剂曝光。将晶圆在类似TMAH溶液中显影30秒，然后进行金属蚀刻以在光阻剂中形成孔径开口。以约300mJ/cm2辐射使光阻剂的剩余部分进行全面曝光，接着在类似TMAH溶液中移除。
以使第一透镜结构及第二透镜结构两者与金属孔径相应对准以提供多个组合光学元件的方式，将包括多个第二透镜结构的第二透镜晶圆复制于第一晶圆的背面上。第二透镜结构包括与第一透镜结构相同的光学聚合物。界面存在于第一透镜结构与第二透镜结构之间。在150℃下固化多个组合光学元件达3小时。利用树脂刀片的切割锯将多个组合光学元件单分为独立光学元件。测试该独立元件的光学性以得到MTF与FFL值。在装配至插座后，利用预封装的VGA传感器获得图像。
本发明的各种实施例被描述以实现本发明的各种目的。应该认识到，这些实施例仅用于说明本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可显而易见地获得本发明的许多变型和改进。

Claims (26)

1.一种制造多个光学元件的方法，包括：
提供包括多个模制的第一透镜结构的第一晶圆，所述第一晶圆被联接于基板；
将第一穿孔晶圆联接于所述第一晶圆；
移除所述基板以使所述第一晶圆的表面暴露；
提供包括多个模制的第二透镜结构的第二晶圆；和
将所述第二晶圆联接于所述第一晶圆的所述表面，其中，在所述第一透镜结构与所述第二透镜结构之间形成界面。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述提供第一晶圆包括：提供第一透镜材料，并且将所述第一透镜材料模制成包括所述多个第一透镜结构的所述第一晶圆。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述将第一穿孔晶圆联接于第一晶圆包括：从模具移除所述第一晶圆，以提供用于所述第一穿孔晶圆的安装表面。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一透镜材料包括聚合材料。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述提供第二晶圆包括：提供第二透镜材料，并且将所述第二透镜材料模制成包括所述多个第二透镜结构的所述第二晶圆。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述第二透镜材料包括聚合材料。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一透镜结构包括与所述第二透镜结构不同的聚合材料。
8.如权利要求5所述的方法，其中，将第一晶圆与第二晶圆联接包括：将所述第二晶圆模制在所述第一晶圆的所述表面上。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：将多个离散的孔径布置在所述第一晶圆与所述第二晶圆之间。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述将多个离散的孔径布置在所述第一晶圆与所述第二晶圆之间包括：将材料选择性地沉积于所述第一晶圆或所述第二晶圆上。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述将多个孔径布置在所述第一晶圆与所述第二晶圆之间包括：将材料沉积于所述第一晶圆或所述第二晶圆上，并且对所述材料进行蚀刻以提供所述多个孔径。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述蚀刻包括化学蚀刻或辐射蚀刻。
13.如权利要求1所述的方法，还包括将第二穿孔晶圆联接于所述第二晶圆的表面。
14.如权利要求1所述的方法，还包括对所述多个光学元件进行单分。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述将第一穿孔晶圆联接于所述第一晶圆是在移除所述基板以使所述第一晶圆的所述表面暴露之前且在提供所述第二晶圆之前发生的。
16.一种光学元件，包括：
晶圆级透镜，所述晶圆级透镜包括联接于第二透镜结构的第一透镜结构，在所述第一透镜结构与所述第二透镜结构之间设置有界面；和
孔径，所述孔径布置于所述第一透镜结构与所述第二透镜结构之间，其中，所述孔径接触所述第一透镜结构和所述第二透镜结构，且其中，所述界面包括在所述第一透镜结构的第一平面区域的至少一部分与所述第二透镜结构的第二平面区域的至少一部分之间的直接联接。
17.如权利要求16所述的光学元件，其中，所述第一透镜结构包括第一聚合材料，且所述第二透镜结构包括第二聚合材料。
18.如权利要求17所述的光学元件，其中，所述第一聚合材料与所述第二聚合材料是相同的。
19.如权利要求17所述的光学元件，其中，所述第一聚合材料与所述第二聚合材料是不相同的。
20.如权利要求16所述的光学元件，其中，所述孔径包括金属或聚合光阻剂。
21.如权利要求16所述的光学元件，还包括间隔物。
22.如权利要求21所述的光学元件，其中，所述间隔物被联接于所述晶圆级透镜。
23.如权利要求22所述的光学元件，还包括被联接于所述晶圆级透镜的一个或多个挡板结构。
24.如权利要求16所述的光学元件，其中，所述第一透镜结构与所述第二透镜结构具有相同的热膨胀系数(CTE)。
25.如权利要求22所述的光学元件，其中，所述第一透镜结构、所述第二透镜结构以及所述间隔物具有相同的CTE。
26.如权利要求16所述的光学元件，其中，所述界面是整体平面的。
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