CN104552626B - 镀膜的金刚石切削的复制母盘和相关联的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于制备晶片级透镜阵列的镀膜的、金刚石切削的复制母盘及其形成方法。一种用于制备晶片级透镜阵列的镀膜的、金刚石切削的复制母盘包括低硬度金刚石可切削片、形成在低硬度金刚石可切削片中的型面、和形成在型面上用于保护型面的抗氧化涂层。型面包括多个光学体，所有多个光学体被单个金刚石切割工具切割至内部。一种用于形成镀膜的、金刚石切削的复制母盘的方法包括使用单个金刚石切割工具在低硬度金刚石可切削片中形成型面的步骤。型面包括多个光学体，所有光学体通过单个金刚石切割工具形成。该方法还包括：在形成多个光学体的步骤之后，将型面用抗氧化涂层涂覆。

Description

镀膜的金刚石切削的复制母盘和相关联的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年10月29日提交的、申请号为61/897,163的美国临时专利申请和2014年10月14日提交的、申请号为14/513,705的美国临时专利申请的优先权，该申请的公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及一种用于制备晶片级透镜阵列的镀膜的、金刚石切削的复制母盘及其形成方法。
背景技术
硅晶片可被加工为包括多个光学传感器。将晶片切割为独立传感器之前，包含多个光学部件(例如透镜)的一个或多个另外的层可与晶片组合(堆叠)以形成多个组合传感器/光学部件。每个层上的多个光学部件使用金属复制母盘来制备，金属复制母盘被制备且用于在与硅晶片上形成的光学传感器对应的层中产生需要的多个光学部件。金属母盘典型地通过使用微磨金刚石切削在镍磷合金(NiP)基片中加工出光学体来制备。使用NiP是因为其耐用、稳定且耐化学物质，这使其很适于塑料控制过程的使用过程中的随后清洁。
然而，NiP的高硬度水平导致产生金属母盘过程中的很大的工具磨损，结果是因为制造出更多透镜体而改变了光学体形状。由于单个金属母盘上有数千种透镜体，光学体形状的这种改变是很不需要的。有时，金刚石工具磨损的程度使得新工具(或很多工具)用于制造金属母盘中的所有存在光学体。然而，使用多个工具制造单个金属母盘在金属母盘中产生透镜体位置(配准)的误差和透镜体深度(与最大透镜厚度对应)的误差，结果是使用金属母盘制备的产品的产量更低。
加工成复制母盘的光学体的形状部分取决于被设计用于复制的光学部件。在多个透镜由包括金属母盘的工艺制备的情况下，金属母盘包括各自对应的多个透镜体。
发明内容
根据一个方面，提供了一种用于形成镀膜的、金刚石切削的复制母盘的方法。该方法包括使用单个金刚石切割工具在低硬度金刚石可切削片中形成型面的步骤。型面包括多个光学体，所有光学体通过单个金刚石切割工具形成。该方法还包括：在形成多个光学体的步骤之后，将型面用抗氧化涂层涂覆。
根据另一方面，提供了一种用于制备晶片级透镜阵列的低硬度金刚石可切削的、镀膜的、金刚石切削复制母盘。复制母盘包括低硬度金刚石可切削片、形成在低硬度金刚石可切削片中的型面、和形成在型面上用于保护型面的抗氧化涂层。型面包括多个光学体，所有光学体被单个金刚石切割工具切割至内部。
附图说明
图1示出了一个实施例中的、用于制备晶片级透镜阵列的、其上具有低硬度金刚石可切削层的一种示例性金属母盘。
图2示出了一个实施例中的、用于产生制备晶片级透镜阵列的金属母盘的一种示例性金属母盘形成方法。
图3示出了使用前面已经产生了约七百个类似光学体的金刚石切割工具在现有技术的NiP金属母盘内产生的光学体的一个图像。
图4示出了在层中切割了约四千六百个类似光学体之后用金刚石切割工具在图1的低硬度金刚石可切削层内切割的光学体的一个示例性图像。
图5示出了由图1的金属母盘的第一切割光学体产生的第一透镜的示例性测量。
图6示出了由图1的金属母盘的最后一个切割光学体产生的第二透镜的示例性测量。
图7示出了说明使用现有技术的NiP金属母盘产生的透镜的最佳配准的图形。
图8示出了说明使用图1的金属母盘产生的透镜的最佳配准的一个示例性图形。
图9为示出了切割成现有技术NiP金属母盘的多个光学体的光学体深度的变化的柱状图。
图10示出了说明切割成图1的金属母盘的多个光学体中光学体深度的变化的一个示例性柱状图。
图11为示出了现有技术的NiP母盘中的光学体的残留误差作为沿着光学体的直径的径向位置的函数的图表。
图12为示出了示例性金属母盘中的光学体的残留误差作为沿着光学体的直径的径向位置的函数的图表。
具体实施方式
图1示出了一种示例性的用于制备晶片级透镜阵列的镀膜的、金刚石切削的复制母盘100。镀膜的、金刚石切削的复制母盘100包括低硬度金刚石可切削片104。低硬度金刚石可切削片为具有低硬度金刚石可切削材料形成的至少一个表面的片。在镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一个实施例中，低硬度金刚石可切削片104通过用低硬度金刚石可切削材料的层涂覆基片102形成。镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一个不同实施例中，不包括基片102，使得低硬度金刚石可切削片104为全部由低硬度金刚石可切削材料形成的、独立片或独立板。
将多个光学体106(和任选的其他特征)磨成低硬度金刚石可切削片104以产生型面108，然后型面108用抗氧化涂层109涂覆。
型面108至少包括光学体106的表面。型面108还可包括相邻光学体106之间的未切割表面区域107。在镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一个实施例中，抗氧化涂层109覆盖光学体106和一个或多个未切割表面区域107。在镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一个不同实施例中，抗氧化涂层109覆盖光学体106，但不覆盖未切割表面区域107的部分。在镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一个不同实施例中，抗氧化涂层109覆盖光学体106和一个或多个未切割表面区域107的、邻近光学体106的边缘的部分。
在镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一个典型实施例中，低硬度金刚石可切削片104由高纯度的铜形成，且抗氧化涂层109由非晶NiP形成。打磨通过，例如金刚石切削机120和金刚石切割工具122，进行。镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的特征不一定按比例来画，且可放大以为了清楚地说明的目的。在一个实施例中，打磨之前的低硬度金刚石可切削片104的厚度114约为一毫米。
数百或数千个光学体106可形成在低硬度金刚石可切削片104中。在一个实施例中，光学体106布置在片104上的一个或多个均匀间隔开的二维网格(又称“砖瓦面(tilings)”)中以最大化裸片数，即，片104上的光学体106的数目。光学体106布置在，例如正方形网格、三角形网格或六边形网格中。在一个实施例中，均匀间隔开的二维网格与CMOS图像传感器晶片上的图像传感器裸片的对应二维网格匹配，使得当网格对齐时，每个图像传感器裸片与光学体对齐。
在一个实施例中，多个光学体106中的每个光学体是相同的。本申请中，如果两个光学体106各自的形状区别小于相关制造公差，则其被认为是相同的。在一个实施例中，低硬度金刚石可切削片104中的每个光学体106具有根据光学体内的位置而变化的深度。例如，图1中的每个光学体106为凹的，且径向对称，在光学体的中心处具有最大深度。在一个不同示例中，每个光学体106具有径向对称的、鸥翅形表面。这样的光学体在离光学体的中心的径向距离为非零处具有最大深度。
抗氧化涂层109的厚度119在0.5μm与3.0μm之间。如果涂层109由镍或具有类似吸收的材料形成，则涂层109为不透可见光和近红外光的：镍的折射率(k)的虚部在可见自由空间波长和近红外自由空间波长(0.4μm<λ0<2μm)处超过k＝3，趋肤深度δ＝λ0/(2πk)小于100nm。在一个实施例中，厚度119为均匀的，而厚度119与型面108垂直地测量。例如，厚度119(2)等于厚度119(1)。
型面108用于产生可与例如硅晶片上形成的多个图像传感器组合的光学元件的阵列。一旦组合，硅晶片和其上的光学阵列被隔开以形成具有光学部件的独立传感器。
低硬度金刚石可切削片104的使用减少了金刚石切割工具122的磨损，由此(a)允许使用单个切割工具形成镀膜的、金刚石切削的复制母盘100，和(b)与使用常规NiP金属母盘相比更高的、组合传感器和光学元件的产量。镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的一些实施例包括比NiP具有更高导热性的、低硬度金刚石可切削材料(诸如铜)形成的片104。这样的实施例通过促进模塑为母盘表面的塑料的冷却，相对于现有技术的NiP母盘提供了另外的优点。
图2示出了形成用于产生图1的复制母盘100的镀膜的、金刚石切削的复制母盘的一种示例性方法200。步骤202为任选的。在不包括任选步骤202的方法200的一个实施例中，片104为低硬度金刚石可切削材料形成的独立片。
任选步骤202中，方法200将基片用低硬度金刚石可切削材料的层涂覆以形成低硬度金刚石可切削片。在步骤202的一个示例中，使用厚度114为约一毫米的低硬度金刚石可切削材料将基片102的所有表面通过电镀涂覆以形成低硬度金刚石可切削片104。基片102可由诸如钢、铝、殷钢36或其他适当材料的材料形成。
低硬度金刚石可切削片104可由低硬度金刚石可切削材料形成。在一个实施例中，低硬度金刚石可切削片104由高纯度的铜(诸如Sequoia Brass&Copper(Hayward,CA,USA)的合金101OFE铜)形成。
本申请中，“金刚石可切削”材料是指用于使用金刚石切削工艺制造光学部件或光学模具的材料。金刚石可切削材料包括但不限于以下列举的：Handbook of Optics,第II卷(McGraw-Hill,1995)的第41章(表2)和Paul,Evans等的"Chemical Aspects of Tool Wearin Single Point Diamond Turning,"Precision Engineering,第18卷，第4-19页,1996。本申请中，“低硬度”材料是指不如镍硬的材料，其中硬度通过压痕硬度测量法(诸如莫氏级、布式级或维式硬度测试)来表征。Paul,Evans等的表1中列举了布式微硬度值比镍的小的金刚石可切削元素，包括以下九种：铟、锡、铅、锌、镁、铝、银、金和铜。低硬度金刚石可切削片104可由以上提到的九种元素中的任一种单独或与空间均匀的低硬度均质合金组合形成。
步骤204中，方法200使用单个金刚石切割工具在低硬度金刚石可切削片中形成型面。型面包括多个光学体，所有光学体由单个金刚石切割工具形成。在步骤204的一个示例中，使用金刚石切削机120和金刚石切割工具122在低硬度金刚石可切削片104内形成多个光学体106，这形成了型面108。型面108包括光学体106。在步骤204的一个示例中，形成型面包括产生布置在均匀间隔开的二维网格中的多个光学体以最大化裸片数。“单个金刚石切割工具”的说明表示步骤204中至少金刚石切割工具122不被再次抛光、不被再次磨光、或不被更换。
每个光学体106具有深度116。低硬度金刚石可切削片104的厚度114大于深度116。例如，厚度114可比深度116大100微米以上。
步骤206中，方法200清洁型面。在步骤206的一个示例中，将型面108在超声波清洗罐中清洁以除去来自步骤204的碎屑和冷却剂/润滑剂残留物。
步骤208中，方法200将型面用抗氧化材料形成的薄涂层涂覆。在步骤208的一个示例中，将型面108用抗氧化涂层109涂覆。抗氧化涂层109具有厚度119且由例如镍、NiP、NiB(镍-硼)或铜镍合金形成。
在方法200的一个实施例中，步骤208包括化学镀型面，如本领域已知的。在方法200的一个实施例中，步骤208包括电镀型面，如本领域已知的。在方法200的一个实施例中，步骤208包括通过真空沉积法涂覆型面。
抗氧化涂层109保护型面108的光学涂层且阻止型面108的氧化和/或损害。这样的损害和氧化可因为形成光学元件的阵列的塑料母盘形成过程中的清洁而产生。在一个实施例中，抗氧化涂层109在塑料母盘形成过程中仍为未损伤的。例如，镍或NiP形成的抗氧化涂层109在透镜制造过程中可经受表面脱模剂的涂覆。透镜制造方法的一个示例描述在Dowski等的专利号为8,599,301的美国专利申请中。本申请中，表面脱模剂也称为脱模剂、释放层和抗粘涂覆试剂。
如果厚度119太大，则抗氧化涂层109的表面粗糙度降低了由其制备的透镜的光学质量。如果厚度119太小，则覆盖不均匀且可导致型面108的暴露区域。
由于片104的低硬度金刚石可切削材料与常规NiP层相比对金刚石切割工具122的磨损更少，镀膜的、金刚石切削的复制母盘100中光学体106之间的改变减少，因此提高了质量和形成产品的产量。金刚石切割工具122的减少磨损降低了制造成本，因为新切割工具的成本不是微不足道的。
图3示出了使用前面产生约七百(700)个类似光学体的金刚石切割工具在现有技术NiP金属母盘内产生的光学体的一个图像300。具体地，图像300示出了指示金刚石切割工具中的磨损的多个环302。
图4示出了在片104内切割了约四千六百(4600)个类似光学体之后通过金刚石切割工具122在铜形成的低硬度金刚石可切削片104内切割的光学体106的一个图像400。通过比较图像400与图3的图像300可以看出，金刚石切割工具122(甚至在切割了数目显著更多的光学体106之后)的磨损比用于制备图像300的NiP母盘中的光学体的金刚石切割工具的磨损少很多。
图5示出了图1的镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的第一切割光学体106(1)的测量。图6示出了镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的最后一个切割的光学体106(N)的测量，其中N≈6,000。图5和图6的测量用NewViewTM 600光学轮廓仪进行。测量的"rms"值和"Ra"值分别是指来自光学体106的透镜模设计轮廓的均方根差和算术平均偏差。N次切割之后均方根差仍小于10nm，这证明与现有技术NiP母盘的切割相比金刚石切割工具122的损失降低。图像502和图像602分别与光学体106(1)的中心和光学体106(N)的中心对齐的区域为40μm×40μm。
图7示出了说明了使用现有技术NiP金属母盘产生的透镜的最佳配准的图形700。配准分布(registration spread)的特征是两倍标准偏差值2σNi＝0.89μm：透镜的95％的透镜配准误差小于或等于2σNi。配准分布的特征还为三倍标准偏差值3σNi＝1.1μm：透镜的99.6％的透镜配准误差小于或等于3σNi。
图8示出了说明使用图1的镀膜的、金刚石切削的复制母盘100产生的透镜的最佳配准的一个示例性图形800。配准分布的特征为两倍标准偏差值2σCu＝0.66μm：透镜的95％的透镜配准误差小于或等于2σCu。配准分布的特征还为三倍标准偏差值3σCu＝0.85μm：透镜的99.6％的透镜配准误差小于或等于3σCu。
图形800与图形700的对比说明了镀膜的、金刚石切削的复制母盘100产生的透镜的配准优于现有技术NiP金属母盘产生的透镜的配准。当使用镀膜的、金刚石切削的复制母盘100时，改进了配准，因为所有光学体106可用一个且仅用一个金刚石切割工具122切割，由此导致图2的步骤204的光学体切割过程中金刚石切割工具122的磨损显著减少且不被更换。
图9为柱状图900，柱状图900示出了切割成现有技术NiP金属母盘的多个光学体中的光学体深度的变化。图10为一个示例性柱状图1000，分别说明了切割成图1的镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的多个光学体106的光学体深度的变化。柱状图1000与柱状图900的对比说明了切割成镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的多个光学体中的深度的变化大大少于切割成现有技术的NiP金属母盘的类似光学体的深度的变化。这通过柱状图900和柱状图1000中的分布的标准偏差来定量，其分别为σ9＝1.22μm和σ10＝0.287μm。柱状图900的分布包含隔离的、不同峰，该峰可反映NiP母盘切割过程中使用的不同金刚石切割工具之间的系统差。对比而言，柱状图1000的分布由单个峰组成。
镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的光学体深度的提高的一致性是指镀膜的、金刚石切削的复制母盘100形成的透镜具有比基于相同透镜设计的现有技术NiP金属母盘形成的透镜的光学体深度变化更小的光学体深度变化。
图11为示出了现有技术NiP母盘的光学体的残留数据组1102作为沿光学体的直径的径向位置的函数的图表1100。每个残留数据组1102(1-4)表示来自位于母盘的不同行的中心栏的光学体的残留误差。为了清楚地说明的目的，不是所有残留数据组1102绘制在图表1100中，绘制出的残留数据组中，不是所有的都用标号标出。每个残留数据组1102具有峰谷残留，这是最大残留值与最小残留值之间的差。这些峰谷残留的标准偏差为σpv11＝0.057μm。
在给定径向位置，一些残留数据组1102为正的且一些为负的。例如，在径向位置r＝-0.5mm处，残留数据组1102(1)和残留数据组1102(2)为正的，而残留数据组1102(3)和残留数据组1102(4)为负的。在r＝-0.5mm处，残留延伸，最大残留值与最小残留值之间的差为约Δ11＝0.25微米。残留延伸Δ11的最大值超过0.30微米，例如，在选择的半径值下大于0.5mm。由于给定径向位置处残留数据组1102的正负差异，由具有残留数据组1102的现有技术母盘制成的一些透镜将具有不均匀的焦距误差：一些透镜将具有与设计的焦距相比太长的焦距，而另一些将具有与设计的焦距相比太短的焦距。这使得校正残留比校正具有相同正负号(例如径向位置全部为正或全部为负)的残留困难。
图12为示出了示例性的镀膜的、金刚石切削的复制母盘100中的光学体的残留数据组1202作为沿着光学体的直径的径向位置的函数的图表1200。每个残留数据组1202表示来自位于母盘的不同行的中心栏的光学体的残留误差。为了清楚地说明的目的，不是所有残留数据组1202都绘制在图表1200中，且绘制的残留数据组中，不是所有的都用标号标记。每个残留数据组具有峰谷残留，这是最大残留值与最小残留值之间的差。这些峰谷残留的标准偏差为σpv12＝0.025μm，这小于现有技术值σpv11的一半。
除了比示例性的现有技术NiP母盘具有更小σpv之外，镀膜的、金刚石切削的复制母盘100的光学体106具有与现有技术的残留数据组1102(图11)相比彼此显然更类似的残留数据组1202。同时图表1100(现有技术NiP母盘)中残留延伸Δ11超过0.30μm，图表1200的残留延伸Δ12最大为，例如，径向范围1220中的Δ12≈0.12μm。此外，每个残留数据组1202具有类似的凹形，这将导致镀膜的、金刚石切削的复制母盘100制造的所有透镜具有均匀的焦距误差：所有透镜的焦距将不会太长或太短。这样均匀的焦距误差可用对所有透镜厚度均匀的隔板校正。这样的解决方案不适于残留与图表1100中所示的残留类似的现有技术母盘制成的透镜。
在不超出本申请的范围的情况下，以上方法和系统可做改变。因此，应当注意的是，以上描述中包含或附图中所示的母盘应当理解为说明性的意思且不是限制性的意思。以下权利要求书用于包含本申请中描述的所有通用特征和具体特征，以及本申请的方法和系统的范围的语言上的所有声明可理解为落入权利要求书中。

Claims (21)

1.一种用于形成镀膜的、金刚石切削的复制母盘的方法，包括以下步骤：
使用单个金刚石切割工具在低硬度的金刚石可切削片中形成型面，所述型面包括多个光学体，所有所述多个光学体通过所述单个金刚石切割工具形成；和
将所述型面用抗氧化涂层涂覆。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在形成所述型面的步骤之前，形成厚度在0.5mm与2mm之间的低硬度金刚石可切削材料的片。
3.根据权利要求1所述的方法，其中涂覆所述型面的步骤包括：形成厚度在0.5μm与3μm之间的抗氧化涂层的层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述型面的步骤包括：产生多个相同的光学体。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述型面的步骤包括：产生布置在均匀间隔开的二维网格中的多个光学体。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述均匀间隔开的二维网格与CMOS图像传感器晶片上的图像传感器裸片的对应二维网格匹配。
7.根据权利要求1所述的方法，其中涂覆所述型面的步骤包括：电镀所述型面和化学镀所述型面中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的方法，其中涂覆所述型面的步骤包括：真空沉积所述抗氧化涂层。
9.一种用于制备晶片级透镜阵列的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，包括：
低硬度金刚石可切削片；
型面，所述型面形成在所述低硬度金刚石可切削片中，所述型面包括多个光学体，所有所述多个光学体被单个金刚石切割工具切割至内部；和
抗氧化涂层，所述抗氧化涂层形成在所述型面上用于保护所述型面。
10.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述低硬度金刚石可切削片包括涂覆有低硬度金刚石可切削材料的基片。
11.根据权利要求10所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述基片由钢、铝或殷钢中的一种形成。
12.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述低硬度金刚石可切削片由选自以下元素构成的组中的至少一种元素形成：铟、锡、铅、锌、镁、铝、银、金和铜。
13.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述多个光学体具有光学体深度，且所述低硬度金刚石可切削片的厚度比所述光学体深度大至少100μm。
14.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述抗氧化涂层的厚度在0.5μm与3μm之间。
15.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述抗氧化涂层由包括镍、镍磷合金、镍硼合金或铜镍合金中的一种或多种的材料形成。
16.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述抗氧化涂层由非晶材料形成。
17.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述型面包括布置在均匀间隔开的二维网格中的多个光学体。
18.根据权利要求17所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述均匀间隔开的二维网格与CMOS图像传感器晶片上的图像传感器裸片的对应二维网格匹配。
19.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述多个光学体是相同的。
20.根据权利要求9所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述多个光学体中的每个光学体具有根据所述光学体内的位置而变化的深度。
21.根据权利要求20所述的镀膜的、金刚石切削的复制母盘，其中所述多个光学体中的每个光学体在离所述光学体的中心的径向距离为非零处具有最大深度。
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