CN102636823A - 利用半成品方式的二段式光学对象成形 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种透镜，例如是应用于晶圆级摄影机的透镜，其利用高分子材料及至少一个模具形成半成品透镜，其构成透镜的最终体积的主体，其中，半成品透镜可以被硬化，且在其硬化过程中，可以产生凹陷或收缩。然后，将另一高分子材料加入透镜中，并利用相同的模具配合隔板，或利用第二模具，以形成第一表面层，其用以将半成品透镜的形状修饰成预期最终透镜形状。在实施例中，第一表面层的折射率近似或等同于半成品透镜的折射率；在实施例中，透镜形成于基板上；在实施例中，利用送模(send master)或模具对以形成具有上曲率及下曲率的透镜，其利用第二高分子材料在透镜与第一表面层相对的表面上形成第二表面层。

Description

利用半成品方式的二段式光学对象成形
技术领域
本发明关于一种利用模制方式制造的光学对象，特别但不限于关于一种晶圆级光学透镜，其利用模具成形。
背景技术
行动电话、个人数字助理、笔记型计算机及其它电子产品通常包括影像装置，如摄影机，其组装成晶圆级光学组件，其主要零件通常包括透镜组件(包括一个以上堆栈的透镜)以及设置在下方的影像传感器，晶圆级摄影机通常是利用晶圆级封装技术所制造，其制程例如包括形成光学晶圆、对准晶圆的数层、切割晶圆、及最后封装成独立的摄影模块。
光学晶圆包括多个小型独立透镜，其形成于基板晶圆上，且可以利用数种技术，例如利用主晶圆、模具或压印机，以便将透镜形成于基板晶圆上，各光学晶圆通常具有多个透镜及/或间隔，然后将晶圆切割，因此各摄影模块本身通常仅具有透镜及/或间隔。
发明内容
本发明揭露一种透镜，例如是应用于晶圆级摄影机的透镜，其利用高分子材料及至少一个模具形成半成品透镜，其中，半成品透镜至少部分固化，且在其固化过程中，可以产生凹陷或收缩。然后，将另一高分子材料加入透镜中，并利用相同的模具配合隔板，或利用第二模具，以形成第一表面层，其用以将半成品透镜的形状修饰成预期最终透镜形状。在实施例中，第一表面层的折射率近似或等同于半成品透镜的折射率；在实施例中，透镜形成于基板上；在实施例中，利用送模(send master)或模具对以形成具有上曲率及下曲率的透镜，其利用第二高分子材料在透镜的与第一表面层相对的表面上形成第二表面层。
附图说明
图1A至图1C显示利用习知硬模压印方式在基板上形成透镜的剖面示意图；
图2A至图2C显示利用软模压印方式在基板上形成透镜的剖面示意图；
图3A至图3H显示试误过程的剖面示意图，其利用连续修饰模具数次的方式，以达到预期规格的最终透镜产物；
图4A与图4B显示制程的剖面示意图，其利用两次成形操作以铸模方式制造透镜，其中，两次成形操作分别使用各别的模具，以便制造预期的最终透镜产物；
图5A至图5D显示制程的剖面示意图，其利用两次成形操作以铸模方式制造透镜，其中，两次成形操作可使用同一个模具，以便制造预期的最终透镜产物；
图6A与图6B显示本发明实施例的袋装形式的透镜及悬空形式的透镜的剖面示意图；
图7A与图7B显示习知的袋装形式的凸透镜及袋装形式的凹透镜的剖面示意图；
图8A至图8C显示制程的剖面示意图，其以铸模方式形成袋装形式的透镜，而且其分别利用两个模具或利用一个模具配合一个或数个垂直隔板的组合进行铸模；以及
图9A至图9C显示制程的剖面示意图，其以铸模方式形成悬空形式的透镜，而且其分别利用两个模具或利用一个模具配合一个或数个垂直隔板的组合进行铸模。
具体实施方式
以下将参照相关附图说明本发明优选实施例，其中相同的元件将以相同的元件符号加以说明。
在本说明书中，“实施例”表示本发明的特定的特征、结构包括于本发明的至少一个实施例中，因此，以下叙述中，在不同段落提及“本实施例中”，并不限定为相同实施例，而且，下列的各种特定特征及结构皆可以适当方式结合于一个以上的实施例中。
透镜复制可以达成晶圆级光学系统的量产，其可以利用各种复制技术进行，如模具成形，举例而言，可以利用硬模压印的模具，如图1A所示，硬模压印100(材料为玻璃或钢材)向下施压于滴复制材料110上，其中，复制材料110例如为UV固化高分子，且其预先涂布于基板晶圆120上；另外，复制材料110亦可以是可通过催化剂固化的树脂材料、或热固化塑料。当硬模压印100向下压住高分子材料时，高分子材料会形成模具的形状(如图1B所示)，然后利用UV光照射、加热、使用催化剂等方式，使其固化；如图1C所示，接着将硬模压印100从基板晶圆120上脱离，在基板晶圆120上会留下透镜层150，其包括独立形式的透镜130。然而，若将过多的复制材料110预先设置于基板晶圆120上，则在透镜下方会形成多余层140。另外，亦可以利用软模压印的模具，如图2A所示，软模压印200的材料例如为橡胶(如聚二甲基硅氧烷，PDMS)，复制材料210例如为UV环氧树脂高分子，且其预先涂布于软模压印200上；如图2B所示，软模压印200向下施压于基板晶圆120，并将高分子复制材料210转印到基板晶圆120上，然后进行铸模以便利用高分子复制材料210形成透镜，其中，可利用UV光照射以固化高分子复制材料210，然后将软模压印200从基板晶圆120上脱离，在基板晶圆120上会留下透镜层230，其包括独立形式的多个透镜220，如图2C所示。
在透镜成形后，其外观形状可能会在高分子固化过程中产生变化，例如产生收缩或凹陷，其中，收缩现象与透镜材料(如环氧树脂)的固化特性有关；如收缩等的形状变化会导致透镜产品不符合压印的形状，甚至不符合预期的透镜设计规格。
有数种方法可以消除不需要的收缩效应，其中一种方法是利用模具成形方式进行收缩的补偿，例如可以利用硬模压印100，其具有收缩补偿形状，以便形成收缩前超标的透镜，其略大于预期目标，此设计用以当超标的透镜收缩成较小尺寸时，其最终形状会符合预期的透镜设计规格。然而，此方法是利用试误方式进行，所以通常相当麻烦，其由于收缩现象有时无法完全按照预测，而且其可能依据温度及精确的材料组成而产生变化。
图3A至图3H显示此习知制程的范例，首先，制造第一试验模具300，其具有与预期透镜形状匹配的凹槽，如图3A所示，利用第一试验模具300将高分子材料310铸模于基板120上，以便形成第一试验透镜320(如图3B所示)，当第一试验透镜320进行固化时，其从原先的模制尺寸332收缩成第一缩小透镜330(如图3C所示)；比较第一缩小透镜330与预期的透镜规格，工程师可以评估第一试验模具300上的凹槽必须放大多少，并依此制造第二试验模具305，如图3D所示，此时，第一试验模具300将被舍弃；然后，进行另一个模制成形操作，其利用第二试验模具305以铸模方式将较大量的高分子材料315形成于基板120上，如图3E所示，进而形成第二试验透镜325(如图3F所示)；若第二试验透镜325的材料为UV光固化高分子、或可催化固化的环氧树脂高分子、或热塑型塑料时，则在进行其固化或冷却时，第二试验透镜325会从原先的模制尺寸334收缩成第二缩小透镜335(如图3G所示)；经过上述步骤得到的第二缩小透镜335会更接近预期的透镜规格，但是，若未达预期，则必须反复进行上述的试误程序，直到制得近似于预期透镜形状的最终透镜产物340，如图3H所示。一般而言，需要2次、3次或更多次数的模具加工，以得到最终模具，其能够用来模制符合透镜设计规格的透镜。
本发明揭露一种制程，其可以不需采用试误方式的反复程序，而是利用两个以上的连续且附加的模制成形操作，将最终透镜形成于平板基板上；在实施例中，可以利用两个模具以铸模形成透镜于平板基板上，在第一模制成形操作中，如图4A所示，利用第一模具(或称基体模具)以模制方式在基板120上形成第一透镜，然后进行至少部分固化，而在此固化过程中，可以允许第一透镜产生收缩。在产生收缩后，第一透镜变成半成品透镜410(或称基体410)，其中，用来形成基体410的透镜材料的量通常仅为预期形成最终透镜的所有材料的大部分，但非为全部，例如，在实施例中，可利用预期的所有透镜材料的约95％至99％来形成基体410。经过铸模程序并固化基体后，基体会产生收缩；由于基体包括最终透镜的大部分材料，因此在上述的固化步骤完成后，大部分的变形或较大的收缩现象会形成在基体410上。
上述的基体410可近似于预期的最终透镜的预期设计规格，例如，基体410的测量尺寸仅比预期的最终透镜的尺寸小约10微米。
在基体410产生收缩后，可以利用第二模具进行第二模制成形操作，以便将薄层的外加高分子420转印至基体410上，如图4B所示，其中，第二模具(或称透镜模具)可以具有如同预期最终透镜的正确透镜形状，或者可以具有针对预期最终透镜的收缩补偿的小修饰，而在第二模制成形操作中，转印至基体410上的外加材料的量可以例如约为透镜材料的总量的1％至5％，因此，基体材料与外加材料的总和约等于最终透镜的透镜材料的100％。由于用来铸模形成薄层420的材料仅为小量的透镜材料，所以薄层420相对于最终透镜形状而言仅产生微小的收缩；此外，由于薄层420的材料可以与基体的材料相同或近似，而其尺寸收缩程度与材料的量成正比，且薄层420远薄于基体，所以薄层的收缩对整体透镜尺寸变化的影响相当小，因此，薄层420的最终形状的收缩现象远小于基体的收缩现象的影响，而且薄层可以回填并补偿基体的收缩，通过上述方式，包括基体410及薄层420的最终透镜430可以更接近预期最终透镜形状的设计形状，以符合透镜设计规格。
通过上述的数个分开外加的模制操作，可以在基体410与薄层420之间形成界面，为了避免此界面造成歪曲、反射、或散射，基体410及薄层420可以是由相同透镜材料所构成，或是由具有相同或近似的光学特性的材料所构成，例如包括基体410的折射率。此外，薄层材料420的黏性低于基体材料的黏性，但其具有相同或近似的折射率，以利于进行薄层420的模制成形。在实施例中，薄层材料420与基体410的材料相同，且其具有相同的折射率；在另一实施例中，薄层材料420与基体410的折射率不同，且薄层材料420的折射率为基体410的折射率的5％以内；在另一实施例中，薄层材料420的折射率为基体410的折射率的10％以内。在实施例中，薄层420可以不需要设置其它中间层而可直接黏设于基体410上，且其折射率相当接近基体410的折射率，以使得在薄层420与基体410的边界422不会产生反射；在另一实施例中，在可能的界面(如薄层420与基体410的边界422)中可以设置中间物质，如折射率匹配及连结材料；此外，在完成薄层420的铸模成形后，可以进行另一个制程步骤以减缓任何可能的界面效应，例如，可以利用回流步骤以缩小薄层420与基体410之间的界面，其在界面混合基体与薄层的材料，因此部分的薄层420会混入基体410的厚度中。
在特定情况下，例如当利用PDMS软模压印进行铸模成形时，形成于平板基板上的透镜主要会在垂直方向上产生收缩，另外，此可压缩且类似橡胶的天然的PDMS亦可以增加收缩及变形。在另一实施例中，当使用两个以上连续外加的模制成形操作以制造位于平板基板上的透镜，可以利用第一模具500(如图5A所示)进行铸模成形以形成半成品透镜或基体510于基板120上(如图5B所示)；然后，在第一模具500上加入或数个隔板540，以构成第二模具550(如图5C所示)，其中第二模具550用以转印薄层520于基体510上(如图5D所示)。在许多实施例中，基体510与薄层520共同形成的最终透镜形状530相当接近预期最终透镜形状的预期设计规格，因此不需要其它补偿；若需要进行修饰，则通过上述模具方式所制造的透镜的待修饰程度将远小于习知透镜制造程序所需的修饰程度。
除了上述形成于平板基板上的透镜的形式外，透镜亦可以其它形式存在，举例而言，在另一实施例中，透镜以袋装形式存在，其将隔板600设置于透镜610之间，然后设置于基板120上(如图6A所示)；在另一实例中，可以制造悬空的透镜620，其中，透镜620设置且提升于隔板600之间(如图6B所示)。
如图7A所示，由于外力(如来自隔板侧壁的横向应力)的关系，所以袋装形式的透镜或悬空形式的透镜会面临到控制透镜变形的问题，利用模具720以铸模方式形成袋装形式的凸透镜710于基板120上，其中，袋装形式的凸透镜710被隔板700固定，另外，空隙730作为溢流空间，以便允许透镜的侧边740产生溢流。如横向应力750的外力会使得收缩补偿的预测更加困难，并使得使用收缩补偿模具(如图3E所示)的制程的再现性降低，例如，除了垂直变形或收缩外，横向应力750可能会导致横向变形或收缩，其可能会受到隔板700的限制，而导致更多的透镜变形。
除了隔板700的横向应力的影响外，溢流突出至空隙730的透镜材料所形成的透镜侧边740会加剧横向应力750，图7B显示一种说明此现象的例子，其中，模具725用以铸模形成袋装形式的凹透镜715于基板120上，其固定于隔板700之间，而模具725周围的空隙735可以作为溢流空间，以便允许透镜侧边745溢流、并容许模具725与基板120之间可以有轻微的对准误差，如横向应力755的外力会使得收缩补偿的控制更加困难，而凹透镜的实施例受到横向应力的影响可能比凸透镜的实施例更多。另外，部分实施例可能受到重力的影响，在透镜侧边745的溢流透镜材料可能会放大横向应力755，且可能会导致明显的横向变形或收缩。此外，若透镜材料的量改变，使得溢流的透镜材料745的量随着改变时，收缩补偿的困难度亦随着增加，因为部分实施例可能会有不同的垂直及/或横向变形或收缩。
以下举例说明利用本发明的方法制造袋装形式的透镜，如图8A所示，在实施例中，利用第一模具(如PDMS软模模具820)铸模形成半成品透镜810于基板120上，其中半成品透镜810固定于隔板800之间，在半成品透镜810完成收缩及硬化后，利用第二模具(如PDMS软模模具825)将少量的透镜材料转印至半成品透镜810上，以形成薄层815，如图8B所示。在另一实施例中，在利用模具820铸模形成半成品透镜810(如图8A所示)后，将垂直隔板或夹铁805加至隔板800上，如图8C所示，然后可以再次利用相同的模具820、并添加少量透镜材料以便形成薄层815于半成品透镜810上(如图8C所示)，其中，垂直隔板或夹铁805用以控制上薄层815的厚度。
其中，袋装形式的透镜的结构及操作参数与设置于平板基板上的透镜的结构及操作参数相似，例如，半成品透镜810可以构成透镜材料总量的95％至99％，由于收缩通常与体积成正比，所以大部分的收缩或变形效应会发生在添加薄层815前；在另一实例中，半成品透镜810的测量尺寸比预期的最终透镜的尺寸小约10微米，所以半成品透镜810相当接近预期最终透镜形状。在另一实例中，在半成品透镜810与薄层815之间具有界面，其可能造成表面相关误差，如在界面可能产生光线歪曲、折射或反射，因此，半成品透镜810与薄层815可以由相同透镜材料所制造，或是不同透镜材料但具有相同或近似的光学折射率，以减少或消除界面的折射及反射。此外，亦可以将中间物质(如折射率匹配材料)设置于可能的界面；在完成铸模成形薄层815后，可以再进行步骤(如回流步骤)，以便混合薄层815至基体810中，进而减轻界面效果。
与袋装形式的透镜相同，悬空形式的透镜固定于隔板之间，换言之，对悬空形式的透镜而言，在进行透镜的铸模成形时，其上表面及下表面皆需要进行铸模成形，以下列举数个悬空形式的透镜的实施例。在实施例中，如图9A所示，其同时利用第一上模具922及第一下模具924进行铸模成形以形成半成品透镜910于隔板900之间，在半成品透镜910完成收缩后，利用第二上模具926(如图9B所示)及第二下模具928将少量的透镜材料转印至半成品透镜910的上表面及下表面上，以形成上薄层912及下薄层914。在另一实施例中，在利用上模具922及下模具924铸模形成半成品透镜910(如图9A所示)后，将垂直隔板或夹铁905加至隔板900的上方及下方上，如图9C所示，然后可以再次利用相同的上模具922及下模具924，以便形成上薄层912及下薄层914于半成品透镜910上(如图9C所示)，其中，垂直隔板905用以控制上薄层912及下薄层914的厚度。
其中，悬空形式的透镜的结构及操作参数与袋装形式的透镜的结构及操作参数相似，例如，半成品透镜910可以构成透镜材料总量的95％至99％，因此大部分的收缩或变形效应会发生在半成品透镜910；在另一实例中，半成品透镜910的测量尺寸比预期最终透镜形状的尺寸小约10微米，所以可以通过添加材料使得半成品透镜910相当接近预期最终透镜形状。
在另一实例中，在半成品透镜910与上薄层912及下薄层914之间具有界面，其可能造成表面相关误差，如在界面可能产生光线歪曲(如前述的袋装形式的透镜的叙述)，其中，半成品透镜910与上薄层912及下薄层914可以由相同透镜材料所制造，或是不同透镜材料但具有相同或近似的光学折射率，以减少或消除界面效果。此外，亦可以将中间物质(如折射率匹配材料)设置于可能的界面；在完成铸模成形上薄层912及下薄层914后，可以再进行回流步骤或其它步骤，以便混合界面的上薄层912及下薄层914与半成品透镜910的材料，进而减轻可能的界面效果。
需注意的是，本发明的透镜制造方法用以形成各种透镜，如凸透镜、凹透镜、球面透镜或非球面透镜等，所形成的透镜的形状依据用来形成透镜的模具而定。
以上所述仅是举例性，而非限制性。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括在权利要求所限定的范围内。

Claims (24)

1.一种透镜，其特征在于，包括：
基体，形成所述透镜的最终体积的主体，其中所述基体由可模制材料所形成，且所述可模制材料于固化过程中产生收缩；以及
上层，形成于所述基体上方；
其中，包括所述基体与所述上层的组合物构成或接近于预期最终透镜形状，而且所述上层的光学折射率近似于所述基体的折射率。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述上层包括透镜材料，且所述透镜材料的折射率与所述基体的折射率的差异在所述基体的折射率的10％以内。
3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述基体构成所述透镜的总体积的95％至99％。
4.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述基体包括缺陷变形，且所述上层修饰所述缺陷变形，使得所述透镜符合设计规格。
5.根据权利要求4所述的透镜，其特征在于，所述缺陷变形对应所述基体于所述固化过程的所述收缩。
6.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述基体的测量尺寸小于所述透镜的设计规格达约10微米。
7.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述基体与所述上层形成界面，其实质上充满折射率匹配材料。
8.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，还包括下薄层，设置于所述第一部位下方，其中所述下薄层的折射率实质上近似于所述基体的折射率。
9.根据权利要求8所述的透镜，其特征在于，所述基体构成所述透镜的总体积的95％至99％。
10.根据权利要求8所述的透镜，其特征在于，所述基体包括缺陷变形，且所述下薄层修饰所述缺陷变形，使得所述透镜符合设计规格。
11.根据权利要求10所述的透镜，其特征在于，所述缺陷变形部对应所述基体于成形过程后产生的收缩。
12.根据权利要求8所述的透镜，其特征在于，所述基体的测量尺寸小于所述透镜的设计规格约10微米。
13.根据权利要求8所述的透镜，其特征在于，所述主部位(所述基体)与所述下薄层形成界面，其实质上充满折射率匹配及连结材料。
14.一种透镜制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
利用第一模具模制形成半成品透镜；以及
利用第二模具于所述半成品透镜上形成上层，其中所述半成品透镜包括缺陷变形，其于模制形成所述半成品透镜后，通过所述半成品透镜的收缩而形成，而且所述上层实质上修饰所述缺陷变形；
其中，所述半成品透镜构成透镜的最终体积的主体。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，模制形成所述半成品透镜的步骤包括形成所述半成品透镜于平板上。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，模制形成所述半成品透镜的步骤包括形成所述半成品透镜于隔板之间。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
利用第三模具于所述半成品透镜下方形成下层。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第二模具包括所述第一模具及隔板的组合。
19.一种透镜制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
利用第一组模具模制形成半成品透镜的上表面及下表面，其中所述半成品透镜的材料于形成后产生收缩；以及
利用第二组模具于所述半成品透镜上方模制形成上层，并于所述半成品透镜下方模制形成下层，
其中，所述半成品透镜构成透镜的最终体积的主体。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，模制形成所述上层及所述下层的步骤包括利用于模制形成后产生收缩的材料来形成所述上层及所述下层。
21.一种透镜制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
利用上模具及透镜材料形成半成品透镜；
插入至少一个隔板于所述上模具的下方；
加入另一透镜材料于所述半成品透镜与所述上模具之间；以及
利用所述上模具于所述半成品透镜上方形成上层，并通过所述隔板控制所述上层的厚度；
其中，所述半成品透镜构成透镜的最终体积的主体。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，利用所述上模具形成所述半成品透镜的步骤包括形成所述半成品透镜于平板上。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述半成品透镜形成于隔板之间。
24.一种透镜制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
利用包括上模具及下模具的组模具，以利用透镜材料分别形成半成品透镜的上表面及下表面；
插入至少一个隔板于所述上模具与所述下模具之间；
加入另一透镜材料于所述半成品透镜与所述上模具之间、及所述半成品透镜与所述下模具之间；以及
利用所述组模具将所述另一透镜材料形成上层于所述半成品透镜上方，并形成下层于所述半成品透镜下方；
其中，所述半成品透镜构成透镜的最终体积的主体。
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