CN103359938A - 红外吸收玻璃晶片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外吸收玻璃晶片及其制备方法。具体地，本发明基于如下目的：简化光学系统的制造，所述光学系统包括作为红外滤光器的滤光玻璃，并使其更便宜并且同时减少滤光玻璃所需的空间。为此目的，提供一种玻璃晶片(1)，其由含铜离子的磷酸盐或氟磷酸盐玻璃制成，其中所述玻璃晶片(1)具有大于15厘米的直径和小于0.4毫米的厚度，并且其中将所述玻璃晶片(1)的两个平面平行的表面(3、5)中的至少一个抛光。

Description

红外吸收玻璃晶片及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及玻璃晶片。更特别地，本发明涉及由红外吸收玻璃制成的玻璃晶片。

背景技术

如已知的，相机芯片通常具有芯片像素在红外光谱范围内也敏感的性质。另外，其光学部件由标准玻璃或塑料材料制成的相机模块的光学系统通常表现出一定量的红外透射。然而，到达芯片的红外光导致不希望的色彩和亮度失真。

出于这个原因，相机模块通常配备有红外滤光器。最常见的红外滤光器是干涉滤光器。对于这种滤光器，在基底，通常是玻璃基底上沉积多层的介电层体系。基于物理原因，将所述多层的介电层体系设计成反射红外辐射，但透射可见光。这种滤光器的生产相对廉价，但具有一些问题。干涉滤光器常常赋予透射曲线一定的调制。这种调制具有与梳状滤光器的效果相似的效果并且可影响单个色彩。

另外，与也被称为“着色玻璃”或吸收滤光器的光学滤光玻璃相比，干涉滤光器对来自光入射角的滤光曲线（透射曲线）表现出强得多的依赖性。小型相机通常具有至多30°的全开角并且常常不会远心（telecentrically）对齐，即，光线以一定角度（在所述全开角的情况下）投射至图像传感器。

此外，红外光通过干涉层反射回来进入光学系统。因为干涉滤光器一般至少在近红外范围内仍然表现出残余透射，所以由于多重反射可能在光学系统中出现非常烦人的重影。

通过滤光玻璃形式的红外滤光器对其提供一种替代。由于其特性，滤光玻璃既不表现出上述梳状滤光器效果也不表现出由于多重反射红外光而造成的重影，因为当穿过玻璃时红外光被吸收。

然而，至今为止，与滤光玻璃相比，干涉滤光器的成本有效的制造不是其唯一优点。干涉层非常薄并且能够沉积在非常薄的基底上。至今这已经允许使用干涉滤光器制备更小型的光学系统。

发明内容

因此，本发明的目的是简化光学系统的制造，所述光学系统包括作为红外滤光器的滤光玻璃，并使得其更便宜并且同时减少滤光玻璃所需要的空间。这个目的通过独立权利要求的主题而实现。在各自的从属权利要求中提出了本发明的有利实施方式和改进。

因此，本发明提供了一种玻璃晶片，其由包含铜离子（Cu离子）的氟磷酸盐或磷酸盐玻璃制成。这种用于吸收红外光的包含铜离子的玻璃也被称为蓝玻璃。所述玻璃晶片具有大于15厘米的直径。所述玻璃晶片的厚度小于0.4毫米。将所述玻璃晶片表面中的至少一个抛光。基于不大于1毫米的长度，将波形式的玻璃晶片表面的高度调制限制为小于200纳米，优选小于130纳米的高度。相对于相机传感器的光学分辨率，宽度小于上述1毫米相关规格的波是特别有效的。与此处有关的是波长，或者在0.1至1毫米长度范围内的波的平均周期。

此外，根据本发明的一个实施方式，基于5×5mm或25mm²的表面积，所述玻璃晶片的厚度变化小于±50μm。这种略微的厚度变化对确保滤光曲线（透射曲线）保持大致恒定（即仅略微变化）是有利的。并且可通过如下所述的本发明制备方法来实现所述玻璃晶片的这种特征。

优选地，所述玻璃晶片的厚度在0.18毫米至0.32毫米，更优选地在不小于0.2毫米至不大于0.3毫米的范围内。根据一个示例性实施方式，所述玻璃晶片具有8英寸的直径和0.30mm的厚度。

根据另一实施方式，所述玻璃晶片的厚度在0.08至0.15毫米的范围内，并且特别是约0.1毫米。

当然，上述厚度数据并不表示所述玻璃晶片的厚度在指示值之间变化。相反，所述玻璃晶片是平面平行的形状，并且所述玻璃晶片的均匀厚度在上述值的范围内。

通常，将由玻璃晶片制成的红外滤光器安装在相机芯片附近。为避免对相机芯片的阴影效应，优选所述玻璃晶片不具有大于100纳米或大于200nm的气泡和/或包含物。因此，即使在像素尺寸降至约1μm的小像素相机传感器的情况下，阴影效应也几乎是可忽略的。

由于包含铜离子，本发明的玻璃晶片在红外范围内吸收。

所述晶片非常薄，具有小于0.4毫米的厚度，并因此尤其非常适用于小相机的非常小型的光学系统，所述小相机例如并入手机中。

然而，通常随薄玻璃产生的问题是玻璃表面的波纹和玻璃厚度的均匀性。根据本发明，通过研磨过程使晶片从较厚的玻璃基片减薄至小于0.4毫米的厚度来解决这个问题。研磨过程包括抛光作为唯一的步骤或特别是作为最终步骤以获得合适的表面。

具体地，提供用于制造所述玻璃晶片的方法，其包括如下步骤：

-由包含铜离子的磷酸盐或氟磷酸盐玻璃制备玻璃片，所述玻璃片具有至少1.8毫米的厚度；

-在研磨过程中除去玻璃材料，直至所述玻璃片或预先由所述玻璃片制成的晶片具有不大于0.4毫米的厚度，其中所述研磨过程至少包括将玻璃片或已经由玻璃片制成的晶片抛光。由玻璃片制备晶片特别包括以其预定的轮廓形状从玻璃片中加工出晶片。所述加工可例如通过切割、锯切、或甚至磨削例如通过超声振动磨削来完成。

根据所述方法的一种备选方法，如果研磨过程结束时玻璃片仍然不具有晶片的最终轮廓形状，则然后在研磨过程后将晶片从玻璃片中加工出来。

根据上述厚度，为制造晶片，通过抛光，或通过磨削然后抛光，使玻璃至少减薄至原来的4.5分之一。本发明初看起来可能是复杂的，但是以这种方式能够使所述玻璃晶片高度地平面平行，并且尤其是实现低曲度（也被称为“翘曲”）。

现在这种发明允许使所述晶片与在其上布置的具有相机芯片的功能性晶片结合，或与光电阵列传感器结合，并然后分离芯片以制备相机模块。因此，本发明还涉及包括本发明玻璃晶片和光电功能性晶片的晶片组合件，或在其上具有多个用于制造相机模块的光电阵列传感器的半导体晶片和与所述半导体晶片结合的本发明玻璃晶片的组合件。这两种晶片并不必直接结合。而是可在这两种晶片之间提供一个或多个中间层。例如，可在本发明的红外吸收玻璃晶片和功能性晶片之间提供具有微透镜的层或晶片。

附图说明

现在将借助于示例性实施方式并参照附图对本发明进行更详细的说明。在图中，相同的附图标记表示相同或相应的元件。在图中：

图1、图2和图3示例了本发明玻璃晶片的制造；

图4示出了包括半导体晶片和红外吸收玻璃晶片的晶片组合件；

图5示出了包括红外滤光器的相机芯片；

图6示出了具有红外滤光器的相机模块；以及

图7示出了厚度为0.3mm的红外吸收玻璃晶片的透射曲线。

具体实施方式

参照图1、2和3，将示意性地说明本发明玻璃晶片的制造。首先，通过优选的连续熔融法制备熔融玻璃，由所述熔融玻璃制备玻璃片。图1示出了在其底部具有槽式喷嘴的坩埚14。可通过熔槽本身形成该坩埚，或者将在熔槽中制备的氟磷酸盐或磷酸盐玻璃熔体15填充入坩埚14中。使用切割工具17将从槽式喷嘴16中离开的玻璃带分成单独的玻璃片10。因此，在这个示例性实施方式中，以所谓的下拉工艺制造玻璃片。然而，可选地，同样可以使用其它工艺，例如浮法工艺或溢流熔融工艺。

由此制备的玻璃片10具有至少1.8毫米，优选1.8至3.2毫米的厚度，更优选的厚度在2至3毫米的范围内。在这些玻璃厚度的情况下，实现平坦的表面和相对均匀的厚度。另一方面，在玻璃厚度不大于3毫米的情况下，限制了为获得预期最终厚度而待磨削的玻璃材料的量。

随后，如图2中所示，从玻璃片10中切削出晶片形的玻璃片11。

然后，如图3中所示，使用一种或多种磨削工具19，将这些玻璃片11磨削并抛光，从至少1.8毫米的初始厚度加工至小于0.4毫米的厚度。因此，由此制备的玻璃晶片1具有至少一个抛光的表面3。优选地，将玻璃材料从两面除去，从而将玻璃晶片1的两个相对表面3、5抛光。对于抛光，例如可使用抛光板，以及合适的研磨剂例如氧化铈浆料。

在图1至3中示意性解释说明的示例性实施方式中，在抛光前，从玻璃片10中切削出玻璃晶片1。为减少待除去材料的量，这是有利的。然而，同样可以在切削前进行一些磨削步骤。另外，也可切削出预成形物，以将玻璃减薄成预期厚度，然后切削出所述晶片的最终形状。从避免可能由磨削步骤所造成玻璃晶片1边缘处的任何不均质性的观点来看，这可能是有利的。

一般来说，在研磨除去材料前切削出晶片是有利的，因为残余物可作为用于制造玻璃的碎片而回收，因此保护了资源（环境、成本、原料）。

优选地，将所述玻璃片制成具有尽可能少的条纹。条纹，在本领域中也被称为纹影，造成折射率的不均匀性。然而，当将由玻璃晶片1制备的红外滤光器靠近传感器放置时，在一定程度上这种纹影不显著影响相机模块的光学性质。原则上，这种布置是相机模块的常规布置。

然而，存在可能不利地影响光学性质的另一作用。纹影代表玻璃中局部的化学和/或机械变化。这些变化一般伴随着强度的改变。在磨削过程中，这可能导致纹影在玻璃抛光期间不均匀地反射。由于仅是折射率的较小局部变化，因此纹影对于光穿过玻璃体积的光路的影响比较小。

然而，在玻璃表面上这就变得不同。如果在表面上产生纹影，则这些纹影将导致厚度的局部变化，这立刻导致对光束路径的显著影响，并可能不利地影响相机模块的分辨率，因为在抛光期间在纹影处产生的玻璃表面上的波将表现得像透镜。

因此，在本发明的晶片中，由内部的玻璃纹影导致的表面调制小于200nm，更优选地小于130nm。

然而，与磨料除去组合，使用本发明磷酸盐或氟磷酸盐玻璃允许避免这种效应，并且同时允许制备厚度均匀的非常薄的大面积玻璃晶片1。

此外，玻璃中的气泡和/或包含物应小于200nm，更优选地小于100nm，以通过避免阴影效应而确保相机芯片的良好成像质量。

已经发现，包含如下组分（基于氧化物以重量%计）的化学组合物的含铜磷酸盐或氟磷酸盐玻璃适用于本发明：

P₂O₅：   25-80；

Al₂O₃：  1-13；

B₂O₃：   0-3；

Li₂O：   0-13；

Na₂O：   0-10；

K₂O：    0-11；

CaO：    0-16；

BaO：    0-26；

SrO：    0-16；

MgO：    1-10；

ZnO：    0-10；

CuO：    1-7。

偏离上文给出的组合物，不需要包含上文所列的碱土金属氧化物中的全部氧化物。然而，优选地，将碱土金属氧化物CaO、BaO、SrO、和MgO中的至少两种用于该玻璃组合物中。

根据一个实施方式，优选如下氟磷酸盐玻璃，其具有包含如下组分（基于氧化物以重量%计）的化学组合物：

P₂O₅：   25-60；

Al₂O₃：  1-13；

Li₂O：   0-13；

Na₂O：   0-10；

K₂O：    0-11；

MgO：    1-10；

CaO：    1-16；

BaO：    1-26；

SrO：    0-16；

ZnO：    0-10；

CuO：    1-7；

ΣRO（R=Mg、Ca、Sr、Ba）  15-40；

ΣR₂O（R=Li、Na、K）  3-18；

其中从所述组合物开始，所述玻璃中1至39摩尔%的氧离子（O^2-）由氟离子（F^-）代替。

任选As₂O₃作为澄清剂。当使用As₂O₃时，其含量优选至多为0.02重量%。

因为已经发现，从耐腐蚀性和耐候性的观点来看，在玻璃中含有氟是有用的，因此根据本发明的一个实施方式优选氟磷酸盐玻璃。

根据本发明制备的薄玻璃晶片1如今还使得能够制备相机模块或至少相机传感器，其包括晶片级的红外滤光器。图4示出了晶片组合件13，其包含本发明玻璃晶片1和在其上具有多个相机传感器22的半导体晶片12，其中在半导体晶片12的一侧上将玻璃晶片1结合至半导体晶片12，在所述侧上布置相机传感器22。正如玻璃晶片1，半导体晶片12也具有大于15cm的直径。

由于通过在研磨过程中除去玻璃材料，能够制备大玻璃晶片1，还可相应使用在其上布置有相应大量相机传感器22的大半导体晶片12。然后可通过切割或锯切将具有相机传感器22的单个相机芯片从晶片组合件13中分离。

如已经在上文所述的，在晶片组合件中并不需要将玻璃晶片1直接与半导体晶片12结合，而是可插入其它晶片或中间层。图5示例了具有光学功能层的相机芯片的示例性实施方式，例如可通过从晶片组合件13中分离而获得。在所示例的实施例中，在相机芯片25的一侧上应用具有微透镜的窗27，在该侧上布置光电阵列传感器22。在这个窗27上，布置由玻璃晶片1制成的红外滤光器29。

最后，有利地，使用光学低通滤光器31。在图5所示的实施例中，将该光学低通滤光器31安装到红外滤光器29上。光学低通滤光器31用于避免所捕捉图像中的莫尔图案（moiré pattern），其在记录周期性结构时出现，所述周期性结构的周期性对应于像素间距。还可以晶片的形式将低通滤光器31粘附到晶片组合件13的玻璃晶片1上，然后通过从晶片组合件13中切削而将其与相机芯片25和红外滤光器27一起分离。

现在将通过示例性实施方式解释说明红外滤光器的纹影以及相应的表面变形可能如何影响相机模块的分辨率。出于这个目的，图6示出了包括物镜33的相机模块32，所述物镜33借助于透镜34、35、36、37将光线39的入射光束聚焦到光电阵列传感器22上。

因为红外滤光器29的玻璃中存在的纹影将由于折射率的局部变化而导致光路差，因此可通过红外滤光器29表面的变形来模拟纹影效应，这导致相应的路径差。出于示例的目的，将从玻璃晶片1中切出的红外滤光器29的表面3显示为波形。当然，出于示例的目的，夸大了所述波100的高度。

由纹影赋予的在表面上的波100，局部导致额外的负屈光力或正屈光力。在两种情况下，结果都是光线的各光束不再精确地聚焦在阵列传感器22的光敏感表面上。因此，将存在最大可能的空间分辨率的损失。通过使用由本发明玻璃晶片1制成的红外滤光器而避免或至少减轻这种负面效应，所述玻璃晶片通过使低纹影磷酸盐玻璃，优选氟磷酸盐玻璃机械地减薄而制备。由纹影产生的波100所造成的表面调制小于200纳米，优选小于130纳米。这种高度指示代表峰-谷值。对于波而言相关的表面规格是至多1毫米的长度范围，通常长度在0.1至1毫米的范围内。换句话说，所讲的波结构在与波纵向方向上横向地具有不大于1毫米的平均周期或宽度。

此外，优选地，基于25mm²的表面积，玻璃晶片1的厚度变化小于50μm，从而透射曲线保持大致恒定。

作为示例性实施方式，图7示出包含铜离子的氟磷酸盐玻璃（在这种情况下，玻璃以商品名BG60由肖特股份有限公司（SCHOTT AG）出售，并具有0.3mm的厚度）的透射曲线，例如可将其用于本发明。如从该曲线中所明显示出的，由于铜离子的吸收，因此在高于560纳米处人眼最大红色敏感度的波长下，玻璃的透射率显著下降。在较短波长的可见光谱范围内，透射率相对恒定。如果选择较高的铜含量，则在高于560纳米的波长下，透射率的下降将甚至更急剧。

对本领域技术人员明显的是，本发明不限于图中示例的示例性实施方式，而是可在所附权利要求书范围内以各种方式变化。例如，玻璃晶片1可具有其它层。例如可具有光学抗反射涂层，和/或与用于反射红外光部件的其它介电干涉层体系的组合。

附图标记列表

1        玻璃晶片

3、5     玻璃晶片的表面

10       玻璃片

11       晶片形玻璃片

12       半导体晶片

13       晶片组合件

14       坩埚

15       玻璃熔体

16       槽式喷嘴

17       分离工具

19       磨削工具

22       相机传感器

25       相机芯片

27       具有微透镜的窗

29       红外滤光器

31       光学低通滤光器

32       相机模块

33       物镜

34、35、

36、37  33的透镜

39       光线的光束

100      1表面上的波

Claims (10)

1.一种玻璃晶片(1)，其由包含铜离子的磷酸盐或氟磷酸盐玻璃制成，其中所述玻璃晶片(1)的直径大于15厘米，厚度小于0.4毫米，并且其中将所述玻璃晶片(1)的两个平面平行的表面(3、5)中的至少一个抛光，并且其中基于不大于1毫米的长度，波(100)形式的玻璃晶片(1)表面(3、5)的高度调制具有小于200纳米，优选小于130纳米的高度。

2.如前述权利要求中所述的玻璃晶片(1)，其中基于25mm²的表面积，所述玻璃晶片(1)的厚度变化小于±50μm。

3.如前述权利要求中所述的玻璃晶片(1)，其中所述玻璃晶片(1)的厚度在0.18毫米至0.32毫米的范围内。

4.如前述权利要求中的任一项所述的玻璃晶片(1)，其中气泡和包含物小于200nm，更优选小于100nm。

5.如前述权利要求中的任一项所述的玻璃晶片(1)，其具有包含如下组分的组合物，所述组分基于氧化物以重量百分比计：

P₂O₅：   25-80；

Al₂O₃：  1-13；

B₂O₃：   0-3；

Li₂O：   0-13；

Na₂O：   0-10；

K₂O：    0-11；

MgO：    1-10；

CaO：    0-16；

BaO：    0-26；

SrO：    0-16；

ZnO：    0-10；

CuO：    1-7。

6.如权利要求1至3中的任一项所述的玻璃晶片(1)，其具有包含如下组分的组合物，所述组分基于氧化物以重量百分比计：

P₂O₅：   25-60；

Al₂O₃：  1-13；

Li₂O：   0-13；

Na₂O：   0-10；

K₂O：    0-11；

MgO：    1-10；

CaO：    1-16；

BaO：    1-26；

SrO：    0-16；

ZnO：    0-10；

CuO：    1-7；

ΣRO（R=Mg、Ca、Sr、Ba）   15-40；

ΣR₂O（R=Li、Na、K）   3-18；

其中从所述组合物开始，玻璃中1至39摩尔%的氧离子（O^2-）由氟离子（F^-）代替。

7.一种用于制备如前述权利要求中的任一项所述的玻璃晶片(1)的方法，其包括如下步骤：

-由包含铜离子的磷酸盐或氟磷酸盐玻璃制备玻璃片(10、11)，所述玻璃片(10、11)的厚度至少为1.8毫米；

-在研磨过程中除去玻璃材料，直至所述玻璃片或由所述玻璃片制成的晶片(1)的厚度不大于0.4毫米，其中所述研磨过程包括抛光玻璃片(10、11)或由所述玻璃片制成的晶片(1)。

8.如前述权利要求中所述的方法，其中通过连续熔融法制备熔融玻璃，由所述熔融玻璃制备所述玻璃片。

9.如前述两项权利要求中的任一项所述的方法，其中在抛光前从玻璃片(10)切下晶片(1)。

10.一种组合件，其包含具有多个用于制造相机模块(32)的光电阵列传感器(22)的半导体晶片(12)，和如权利要求1中所述并且结合在所述半导体晶片(12)上的玻璃晶片(1)。

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