CN104937445A - 光学元件制造以及并入有所述光学元件的模块 - Google Patents

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Abstract

制造晶圆级间隔件/光学结构包括：使用单个复制工具将光学复制元件和间隔件复制区段直接复制到光学晶圆(或其它晶圆)上。所复制的光学元件和间隔件元件可由相同或不同的材料组成。

Description

光学元件制造以及并入有所述光学元件的模块
技术领域
本公开案涉及光学元件制造，并且涉及并入有此类光学元件的设备。
背景技术
集成光学器件用于广泛应用，包括(例如)相机设备、用于相机设备的光学器件、以及用于闪光灯的准直光学器件，如移动电话的相机中使用的那些光学器件。集成光学器件可包括沿光传播的大体方向堆叠在一起的功能元件(例如，一或多个光学元件)。功能元件可相对于彼此按照预定空间关系布置，使得行进穿过所述器件的光顺序穿过各种元件。然后，可将集成光学器件并入到另一系统中。
如上所述集成光学器件可通过将晶圆按照明确限定的空间关系逐层堆叠来制造。尽管这样的晶圆级制造工艺已被证明是有效的，但还期望进一步的效率，同时仍然允许所述工艺中存在一些灵活性。
发明内容
本公开案描述一种制造晶圆级间隔件/光学结构的方法。光学复制元件和间隔件复制区段可使用单个复制工具直接复制到光学晶圆(或其它晶圆)上。根据实施方式，所复制的光学元件和间隔件元件可由相同或不同的材料组成。
例如，根据一个方面，一种制造晶圆级间隔件/光学结构的方法包括：提供具有光学元件复制区段和间隔件复制区段的复制工具；使用所述复制工具在晶圆上形成所述光学元件复制区段的负片，以便提供第一材料的复制的光学元件；以及使用所述复制工具在所述晶圆上形成所述间隔件复制区段的负片，以便提供不同于所述第一材料的第二材料的复制的间隔件元件。
根据另一方面，一种制造晶圆级间隔件/光学结构的方法包括：提供具有光学元件复制区段和间隔件复制区段的复制工具；将第一液态、粘性、或塑性可变形的材料提供到所述复制工具的所述光学复制区段上；使晶圆与所述复制工具接触，使得所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料被按压在所述晶圆的表面与所述光学复制区段之间；以及使得所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料硬化，以在所述晶圆表面上形成复制的光学元件。所述方法还包括：在所述晶圆与所述复制工具保持接触时，使真空密封吸盘与所述晶圆背面接触；通过所述真空密封吸盘的入口来注入第二液态、粘性、或塑性可变形的材料，以便实质上填充所述复制的间隔件元件的位置；以及使得所述第二液态、粘性、或塑性可变形的材料硬化，以在所述晶圆的所述表面上形成复制的间隔件元件。
模块可在(例如)晶圆级工艺中制造，使得所得模块包括复制的结构如间隔件元件和光学元件。光学元件可与(例如)光电子光电部件(例如，发光或感光元件)对准。
在附图和以下描述中阐述一或多个实施方式的细节。从详细描述和图式以及权利要求书中，将清楚地知悉其它方面、特征和优点。
附图说明
图1是光电模块的实例的横截面图。
图2A是主晶圆级间隔件/光学结构的横截面图。
图2B是用于制作晶圆级间隔件/光学结构的复制工具的横截面图。
图2C是复制工具的部分的顶视图。
图3A至图3D示出制作复制的晶圆级间隔件/光学结构的技术。
图4示出将晶圆级间隔件/光学结构切成单独间隔件/光学结构。
图5示出形成包括晶圆级间隔件/光学结构的晶圆堆叠的横截面图。
图6示出处于晶圆上的复制的间隔件元件和光学元件的另一实例的横截面图。
具体实施方式
图1示出光电模块20的实例，所述光电模块20容纳有源光学部件24，如发光元件或感光元件。发光元件的实例包括LED、OLED和激光芯片；感光元件的实例包括光电二极管和图像传感器。模块20还包括了至少一个无源光学元件40。无源光学元件40可(例如)通过折射和/或衍射和/或反射而使光重新定向，并且可包括(例如)一或多个透镜或棱镜。
模块20包括在竖直方向上互相堆叠的若干组成部分。在图1的实例中，模块20包括基板28、间隔件构件30、光学构件32和挡板34。光学部件24安装在基板28上，并被间隔件构件30的壁包围。光学部件24的电触点电连接至模块20外部附接有焊球22的地方。替代焊球22，一些实施方式包括处于基板28上的接触垫，所述接触垫可稍后与焊球一起提供。模块20可(例如)使用表面安装技术(SMT)贴近于其它电子部件安装在印刷电路板42上。印刷电路板42可为电子设备如移动电话或其它器具的部件。模块20特别适于此类应用，因为所述模块20可制造成具有特别小的尺寸，并可使用晶圆级制造技术来大量生产。
在图1的实例中，光学构件32具有挡光部分36、和透明部分38，光可通过所述透明部分38离开模块20，和/或光可通过所述透明部分38从模块20的外部进入。附接到光学构件32的无源光学元件40可帮助将光导引到光学部件24、或导离光学部件24。
在图1的示出实例中，间隔件构件30和光学元件40是可由相同或不同的材料组成并可使用单个复制工具形成的复制结构。本段和以下段描述一种用于制造间隔件构件30和无源光学元件40的复制技术。一般来讲，复制是指(例如)蚀刻、压印或模制的技术，给定结构或其负片可借助于所述技术再生。在复制工艺的特定实例中，将结构化表面压印到液态、粘性、或塑性可变形的材料中，然后硬化所述材料(例如，通过使用紫外线辐射或加热固化)，然后将结构化表面移除。因此，获得结构化表面的复制品(在这种情况下，所述复制品是负片复制品)。用于复制的合适材料是(例如)可硬化的(例如，可固化的)聚合物材料或其它复制材料，即，可在硬化或固结步骤(例如，固化步骤)中从液态、粘性、或塑性可变形的状态转变成固体状态的材料。
复制工艺包括提供复制工具，所述复制工具具有用以复制光学元件(如光学元件40)和间隔件构件(如间隔件构件30)的结构。复制工具50本身可(例如)通过从如图2A和图2B所示主(或次主)晶圆级间隔件/光学结构52进行复制来制成。主结构52包括与在复制工具50正面上的间隔件复制区段60的尺寸和形状相对应的特征54，并还包括与在复制工具50正面上的光学元件复制区段58的尺寸和形状相对应的特征56。在示出实例中，处于复制工具50上的间隔件复制区段60是复制工具50正面上的锯齿状的区域。每一光学元件复制区段58具有与图1中的光学元件40的负片相对应的特征。主结构52还具有在其外周附近的凹部66。凹部66对应于复制工具50正面上的局部间隔件复制区段68。主结构52可由(例如)玻璃、金属、或环氧树脂材料组成，并包括结合到包括特征56的主(或次主)光学晶圆64上的主(或次主)间隔件晶圆62。
为了从主结构52制作复制工具50，硅树脂材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)被倾倒在复制工具50上方。具有牺牲性脱模支撑件(例如，合适塑料如聚乙二醇对苯二甲酸酯的箔片)的玻璃板可放置于主结构52顶部，以便将硅树脂材料按压到特征54和特征56的区域中。在硅树脂材料硬化之后，将玻璃板和脱模支撑件从硬化的硅树脂上移除，所述硬化的硅树脂从主结构52上移除，从而最终产生复制工具50，如图2B和图2C所示。
如图2C所示，复制工具50的光学元件复制区段58可形成在立柱顶上，并且间隔件复制区段60可形成为互连栅格。局部间隔件复制区段68也可形成在立柱顶上。这种布置允许复制材料流入到间隔件复制区段60中，如下文结合图3D所述。
然后，可使用复制工具50来形成例如在阵列(例如，栅格构形)中包括复制的间隔件和光学元件两者的晶圆级结构。如下文所解释，可使用相同的复制工具50将光学复制元件和间隔件复制区段的负片直接复制到光学晶圆(或其它晶圆)上。如图3A所示，通过在复制工具50的光学元件复制区段58上提供第一复制材料70，复制光学元件结构(例如，透镜)。复制材料70是能够从液态或塑性可变形的状态变成固体状态的材料。复制材料70的实例是UV或可热固化透明环氧树脂。复制材料70可倾倒或施布到复制工具50的光学元件复制区段58上。
接着，如图3B所示，作为第一复制步骤的一部分，使光学晶圆(或其它晶圆)72与复制工具50的局部间隔件复制区段68接触。这会导致复制材料70被按压在限定光学元件复制区段58的区域与光学晶圆72表面之间。光学元件复制区段58由此压印在复制材料70上。
复制工具50上的局部间隔件复制区段68用来限定复制工具50与光学晶圆72的相对竖直位置，并且在一些实施方式中，用来将光学晶圆72保持在距光学元件复制区段58微小、预定距离上。
光学晶圆72可完全由透明材料(如玻璃或透明塑性材料)组成。在一些实施方式中，光学晶圆72由具有用透明材料填充的开口的非透明材料(例如，玻璃增强的环氧树脂层压薄板(“FR4”)或黑色环氧树脂)组成。在此类实施方式中，非透明材料的区域可提供来对应于光学构件32的挡光部分36，并且透明材料区域可提供来对应于光学元件32的透明部分38(参见图1)。在那种情况下，光学晶圆72的透明区域应与复制工具50的光学元件复制区段68对准，使得复制的光学元件将形成于所述光学晶圆的透明区域上。
作为第一复制步骤的一部分，将UV辐射引向复制材料70上，以便固化(即，硬化)所述复制材料。UV辐射可从工具侧面(在这种情况下，复制工具50需要是对UV辐射可透射的)或从光学晶圆侧面入射。在一些实施方式中，替代UV(即，光学)固化，通过热固化来硬化复制材料70。在任何情况下，复制的光学元件40由此形成在光学晶圆72的表面上。
在第二复制步骤中，如图3C所示，使PDMS真空密封吸盘74与光学晶圆72背面(即，光学晶圆72与其上形成有复制的光学元件58的表面相对的表面)接触。这一步骤是在将复制工具50从光学晶圆72释放之前执行。然后，将第二复制材料76注入到真空密封吸盘74中的入口78中。第二复制材料76也是能够从液态或塑性可变形的状态变成固体状态的材料。复制材料76的实例是可透明或非透明的(即，黑色)UV或可热固化环氧树脂。第二复制材料76可与第一复制材料70相同，也可不同。例如，在一些实施方式中，第一复制材料70对于特定波长(或波长范围，如可见光)而言实质上是透明的，而第二复制材料76对于相同波长或波长范围而言实质上是不透明的。
提供在真空密封吸盘74的出口82附近的真空泵80促进复制材料76围绕复制工具50的光学元件复制区段58流动，并且填充间隔件复制区段60。参见图2C，其中箭头61指示复制材料76的流动。复制材料76也填充在光学晶圆72正上方的、邻近先前硬化的复制材料70的区域。因此，复制材料76可与复制材料70接触和邻接。
作为第二复制步骤的一部分，将UV辐射引向复制材料76上，以便固化(即，硬化)所述复制材料。UV辐射从工具侧面(在这种情况下，复制工具50需要是对UV辐射可透射的)或从光学晶圆侧面入射。在一些实施方式中，替代紫外线(即，光学)固化，通过热固化来硬化复制材料76。所注入的复制材料76形成间隔件结构的连续栅格，使得复制的间隔件元件30形成于光学晶圆72的表面上(参见图3)。
在固化复制材料76之后，晶圆级间隔件/光学结构84从复制工具50和真空密封吸盘74释放。所得晶圆级结构84包括在光学晶圆72上的复制的光学元件40和间隔件元件30的栅格(图3D)。在示出实例中，复制的光学元件40通过复制的间隔件元件40而与相邻光学元件40分离。光学元件40与间隔件元件30侧面接触或邻接，但不需要在所有实施方式中都是这种情况。结构84是复制工具50的复制侧的复制品(图3A)，并且与主晶圆级间隔件/光学结构520(图2A)相似。.
在一些实施方式中，间隔件元件30(在竖直Z方向)延伸超过光学元件40约100μm-1500μm，其中光学元件40的厚度为约50μm-600μm。特征形成(在横向x-y方向上)例如每1-10mm、或在一些情况下每2-5mm重复的阵列(例如，栅格)。不同尺寸可适用于其它实施方式。
在一些实施方式中，如图4所指示，晶圆级间隔件/光学结构84沿着分隔线86被分隔成多个单独光学结构，每个单独光学结构包括安置在光学晶圆72的一区段上并由间隔件元件30的壁包围的光学元件40(例如，透镜)。晶圆级间隔件/光学结构84可(例如)通过切割、激光切割、冲压、水射流切割或其它分隔技术来分隔。所述单独光学结构可并入到光学、光机、光电、或其它器件中。
在一些实施方式中，晶圆级间隔件/光学结构84附接到一或多个其它晶圆，以便形成晶圆堆叠。举例而言，图5示出基板晶圆90(在其上安装有光学部件24，例如，发光或感光元件)和挡板晶圆92，所述基板晶圆90和所述挡板晶圆92可附接到晶圆级结构84。一般来说，晶圆是指实质上盘状或板状物件，其在一个方向(z方向或竖直方向)上的延度相对于其在另外两个方向(x方向和y方向或横向方向)上的延度而言较小。在(非空白)晶圆上，多个相似结构或物件可布置或提供在其中，例如，在矩形栅格上。晶圆可具有开口或孔洞，并且在一些情况下，晶圆在其横向区域的主要部分中可不含有相应材料。根据实施方式，晶圆可由(例如)半导体材料、聚合物材料、包含金属和聚合物或聚合物和玻璃材料的复合材料制成。晶圆可包含可硬化材料，如可热固化或UV可固化聚合物。在一些实施方式中，晶圆的直径介于5cm与40cm之间，并且可为(例如)介于10cm与31cm之间。所述晶圆可以是直径为(例如)2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸的圆柱体，其中1英寸为约2.54厘米。晶圆厚度可为(例如)介于0.2mm与10mm之间，并且在一些情况下，介于0.4mm与6mm之间。不同的材料和尺寸可适合于其他实施方式。在晶圆90、92附接到晶圆级间隔件/光学结构84之后，所得晶圆堆叠可被分隔(沿竖直分隔线)，以便形成类似于图1的模块20的单独模块。
光学元件40的特定结构可根据实施方式而改变。因此，在一些实施方式中，处于晶圆级间隔件/光学结构84上的每个光学元件40(图3D)可以是作为(例如)光学元件复制区段58的复制品并相对于间隔件元件30而凹陷的透镜。通过上述由复制工艺形成的光学元件40可为(例如)衍射透镜、折射透镜或组合的衍射/折射透镜。
前述技术可有利于使用单个复制工具来形成晶圆级间隔件/光学结构，所述单个复制工具允许复制的间隔件元件与复制的光学元件由相同材料或不同材料制成。在一些实施方式中，鉴于在将间隔件元件和光学元件并入到器件中时提供的不同功能性，将不同的材料用于间隔件元件和光学元件可能是期望的。因此，例如，所公开的技术可有利于使用单个复制工具来制造透镜结构和黑色(非透明)间隔件结构。甚至当使用两种不同复制材料时，在一些情况下，在形成光学元件的材料与形成间隔件元件的材料之间也看不见结合线。此外，通过使用相同复制工具，一些实施方式可仅需要一个对准步骤来形成晶圆级间隔件/光学结构。
在一些情况下，所公开的技术可使得需要更少的间隔件环氧树脂。例如，在一些现有技术中，可能需要9英寸主结构来制作8英寸间隔件晶圆。使用本公开案所描述的技术，可不需要如此大的主结构。此外，通过将间隔件结构直接复制到光学晶圆上，可减小或消除间隔件结构的收缩或膨胀。所述技术也可帮助减小或消除对复制区域的严格局部限制的需要，这会允许光学有源区域大于使用一些其它制造技术时的光学有源区域。
在一些情况下，作为第一复制步骤的一部分，当光学晶圆72与复制工具50接触以使得光学元件复制区段58被压印在复制材料70(图3B)中时，所述复制材料中的一些可沿光学晶圆72表面而被横向向外(即，朝向相邻间隔件复制区段60)推动。当第二复制材料76随后注入到复制工具50(参见图3C)中时，所述复制材料中的一些将覆盖之前沉积的第一复制材料70，所述第一复制材料70存在于光学晶圆70中与间隔件复制区段60相对的区域上。结果，在一些实施方式中，少量复制材料70可存在于间隔件元件30与光学晶圆72(参见图6)表面之间。在一些情况下，少量复制材料70可沿特定的间隔件元件30与光学晶圆72之间的界面的很大部分而存在。甚至在光学晶圆或晶圆堆叠随后切成独立模块(例如，像图1所示模块20)之后，此类特征仍可保持可见。
其它实施方式在权利要求书的范围内。

Claims (18)

1.一种制造晶圆级间隔件/光学结构的方法，所述方法包括：
提供具有光学元件复制区段和间隔件复制区段的复制工具；
使用所述复制工具在晶圆上形成所述光学元件复制区段的负片，以便提供第一材料的复制的光学元件；以及
使用所述复制工具在所述晶圆上形成所述间隔件复制区段的负片，以便提供不同于所述第一材料的第二材料的复制的间隔件元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述复制工具在所述晶圆上形成所述光学元件复制区段的负片包括：
将第一液态、粘性、或塑性可变形的材料提供到所述复制工具的所述光学复制区段上；
使所述晶圆与所述复制工具接触，使得所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料被按压在所述晶圆的表面与所述光学复制区段之间；以及
使所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料转变成固体状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料转变成固体状态包括光学固化或热固化步骤。
4.根据权利要求2所述的方法，所述方法包括使所述晶圆与所述复制工具接触，以便将所述复制工具的所述光学元件复制区段压印在所述晶圆上。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括：
使所述晶圆与所述复制工具接触，以便将所述复制工具的所述光学元件复制区段复制到所述晶圆正面上；
在所述晶圆与所述复制工具保持接触时，在对应于所述复制的间隔件元件的位置的区域中提供液态、粘性、或塑性可变形的材料；以及
使所述液态、粘性、或塑性可变形的材料硬化，以便形成所述复制的间隔件元件。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括：
在所述晶圆与所述复制工具接触时，使真空密封吸盘与所述晶圆背面接触；以及
通过所述真空密封吸盘的入口来注入所述液态、粘性、或塑性可变形的材料，以便实质上填充所述复制的间隔件元件的所述位置。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料硬化包括光学固化或热固化步骤。
8.根据权利要求1所述的方法：
其中使用所述复制工具在所述晶圆上形成所述光学元件复制区段的负片包括：
将第一液态、粘性、或塑性可变形的材料提供到所述复制工具的所述光学复制区段上；
使所述晶圆与所述复制工具接触，使得所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料被按压在所述晶圆的表面与所述光学复制区段之间；以及
使所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料转变成固体状态；以及
其中使用所述复制工具在所述晶圆上形成所述间隔件复制区段的负片包括：
在所述晶圆与所述复制工具保持接触时，在对应于所述复制的间隔件元件的位置的区域中提供第二液态、粘性、或塑性可变形的材料；以及
使所述第二液态、粘性、或塑性可变形的材料转变成固体状态。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括：
在所述晶圆与所述复制工具接触时，使真空密封吸盘与所述晶圆背面接触；以及
通过所述真空密封吸盘的入口来注入所述第二液态、粘性、或塑性可变形的材料，以便实质上填充所述复制的间隔件元件的所述位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学元件包括透镜结构，并且其中所述间隔件元件是实质上非透明的。
11.一种制造晶圆级间隔件/光学结构的方法，所述方法包括：
提供具有光学元件复制区段和间隔件复制区段的复制工具；
将第一液态、粘性、或塑性可变形的材料提供到所述复制工具的所述光学复制区段上；
使晶圆接触与所述复制工具接触，从而使得所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料被按压在所述晶圆的表面与所述光学复制区段之间；
使所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料硬化，以便在所述晶圆的表面上形成复制的光学元件；
在所述晶圆与所述复制工具保持接触时，使真空密封吸盘与所述晶圆背面接触；
通过所述真空密封吸盘的入口来注入第二液态、粘性、或塑性可变形的材料，以便实质上填充复制的间隔件元件的位置；以及
使所述第二液态、粘性、或塑性可变形的材料硬化，以便在所述晶圆的所述表面上形成复制的间隔件元件。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一液态、粘性、或塑性可变形的材料和第二液态、粘性、或塑性可变形的材料是彼此不同的。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括：从所述复制工具和所述真空密封吸盘，释放具有所述复制的光学元件和所述复制的间隔件元件形成在其上的所述晶圆。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述复制的光学元件的至少部分与所述复制的间隔件元件直接接触。
15.一种光电模块，所述光电模块包括：
光电器件，所述光电器件安装在基板上；
光学构件，所述光学构件处于所述光电器件上方；
复制的间隔件构件，所述复制的间隔件构件在所述光学构件表面上，其中所述复制的间隔件构件将所述基板和光电器件与所述光学构件分离；以及
复制的光学元件，所述复制的光学元件在所述光学构件的所述表面上，所述复制的光学元件实质上与光电器件对准，
其中所述复制的光学元件由第一固化材料组成，并且所述复制的间隔件构件由不同的第二固化材料组成，并且其中所述复制的光学元件的所述第一固化材料中的一些与所述复制的间隔件构件的第二固化材料直接接触。
16.根据权利要求15所述的光电模块，其特征在于，所述复制的光学元件的所述第一固化材料邻接所述复制的间隔件构件的所述第二固化材料的侧表面。
17.根据权利要求15所述的光电模块，其特征在于，所述复制的光学元件的所述第一固化材料是沿所述复制的间隔件构件与所述光学构件之间的界面的至少一部分存在。
18.根据权利要求15所述的光电模块，其特征在于，所述复制的光学元件包括透镜结构，并且其中所述复制的间隔件构件是实质上非透明的。。
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