CN106536143A - 通过复制来制造光学元件的方法以及相应的复制工具和光学装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种用来制造包含光学元件的光学结构的复制工具(10)。该复制工具包含：‑中央区段(c)，其具有限定该光学结构的一部分的阴版的形状和垂直地对准的中心轴(A)；‑周围区段(s)，其横向地包围该中央区段(c)；以及‑一个或多个接点间隙器(15)，其限定被称为接触平面(5a)的平面。在第一方位角范围内，该周围部分提供背向该中心轴(A)的第一补偿表面(f1)，以及在第二方位角范围内，该周围部分提供背向该中心轴(A)的第二补偿表面(f1)。在该第二方位角范围内的包含该中心轴(A)的任何横截面中，该第二补偿表面(f2)的陡峭度大于在该第一方位角范围内的包含该中心轴(A)的任何横截面中的该第一补偿表面(f1)的陡峭度。也描述了相应的光学装置以及使用该复制工具20(10)来制造光学结构的相应的方法。本发明可用于在晶圆级的批量制造中实现该光学结构在基底(5)上的局部降低的覆盖区。

Description

通过复制来制造光学元件的方法以及相应的复制工具和光学 装置

技术领域

本发明涉及光学器件(optics)的领域，特别地涉及微光学器件的领域，以及更具体地涉及光学构件的制造。更特别地，本发明涉及复制工具和光学装置以及它们的制造方法。本发明涉及根据权利要求的开头句子所述的方法和设备。

术语的定义

“有源光学构件”：一种光感测或光发射构件。例如，光电二极管、光电二极管阵列、图像传感器、LED、OLED、激光芯片。有源光学构件可以作为裸片(bare die)存在或以封装形式(即，作为封装构件)存在。

“无源光学构件”：通过折射和/或衍射和/或(内部和/或外部)反射来将光线转向的光学构件，诸如透镜、棱镜、另一衍射或折射结构、反射镜、或光学系统，其中光学系统是这种光学构件的集合，这种光学构件还可包括诸如孔径光阑、图像屏幕、支架的机械元件。

“光电模块”：一种构件，其包含至少一个有源光学构件和至少一个无源光学构件。

“复制”：再现出给定结构或其阴版(negative)的技术。例如，蚀刻、模压(压印)、浇铸、模制。

“晶圆”：基本为盘状或板状的物体，其在一个方向(z方向或垂直方向或堆叠方向)上的尺度相对于其在另两个方向(x和y方向或横向)上的尺度小很多。通常，在(非空白的)晶圆上，多个相似的结构或物件被布置或设置于其中，典型地在矩形网格上。晶圆可具有开口或孔，且晶圆甚至可以在其横向区域的主体部分中没有材料。晶圆可具有任何横向形状，其中圆形和矩形是极常见的形状。虽然在许多情境中，晶圆被理解为主要是用半导体材料制成的，但在本专利申请中，并不局限于此。因此，晶圆可以主要由例如半导体材料、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所制成。特别地，可硬化的材料(诸如，可加热或UV硬化的聚合物)都是本发明感兴趣的晶圆材料。

“横向”：参见“晶圆”(注意，基底可以是晶圆或晶圆的一部分)。

“垂直”：参见“晶圆”(注意，基底可以是晶圆或晶圆的一部分)。

“光”：最一般性地是电磁辐射；更特别地是电磁光谱的红外线、可见光或紫外线部分的电磁辐射。

背景技术

用来模制光学元件的方法可从EP 1837165A1中得知，其中使用具有溢流体积(overflow volume)的工具。各式的此种工具被描述于该专利中。

发明内容

本发明源于能够在很严格空间限制下在基底上制造光学元件的期望。小型化及在每单位基底面积提供越来越多的功能的需要在微光学器件中是重要的议题。此外，当光学元件必须被大量制造时，必须达到高处理稳定度，以实现适当的产量及有效率的制造工艺。

特别地，存在着光学元件(例如，透镜元件)必须靠近另一物件(诸如，靠近另一光学元件或靠近用来将两个晶圆或基底彼此保持明确的距离的间隔件的一部分)的情形。而且，在此情形中，在一些方向上(例如，在指向远离该另一物件的方向上)会有更多可用的空间。

在具有不对称空间限制的这种情况中，有用的是，以以下方式来实施该光学元件或包含该光学元件的光学装置的制造，即包含该光学元件的光学结构的覆盖区(footprint)也是不对称的，并且特别地被调整至该不对称的空间限制。

特别地，光学结构可使用模压型工艺来制造，其中，复制工具用于将光学元件制造在基底上。以及更特别地，比最终存在该光学元件本身内的复制材料还要多的复制材料可在该模压型工艺中使用。尤其是，可在该模压型工艺中制造一种光学结构，其包含该光学元件以及另外地在该光学元件周围存在的周围部分。分别提供该额外数量的复制材料(过多的复制材料)和该周围部分的一个理由是，将该复制材料施加至该复制工具和该基底之间(典型地在一者或两者上)的分配处理具有有限的精度。此外，该周围部分使得在模压工艺期间对该复制材料流的控制成为可能。而且，提供过多的复制材料可防止气隙形成在该光学元件内。

本发明人想到的是，复制工具的特殊设计不仅可实现很好的工艺稳定性，而且与此同时还可以实现以模压型复制工艺在基底上制造的该光学结构的极不对称的覆盖区。反之亦然地，本发明人想到的是，光学结构或包含光学元件及周围部分的光学装置的特定类型或设计特别适合非对称空间限制下的批量制造。

在将被使用于模压工艺中的复制工具是用仅具有有限的垂直范围(其中，该复制工具的建造可在该复制工具的制造期间成为可能)的工艺来制造的情况下，可以存在额外的限制。因此，可以提供的是，该复制工具只被建造在有限的(典型地是预定的)最大垂直范围内，因而限制了该周围部分(以及该光学元件)的(最大)高度(最大垂直尺度)。

因此，本发明的一个目的是要创建一种制造光学元件或包含光学元件的光学结构或包含光学元件或光学结构的光学装置的方法，该方法特别适合结合不对称空间限制的批量生产。除了制造方法之外，还将提供相应的复制工具和相应的光学装置。

本发明的另一目的是提供一种在基底上定制(tailoring)光学结构的覆盖区的方法。

本发明的另一目的是要提供一种将包含光学元件的光学结构在至少一方向上的覆盖区最小化的方法，尤其是复制工具被使用于该方法中，该复制工具使用限制垂直范围(该复制工具可被建造于该垂直范围内)的工具制造工艺来制造。

其它目的也从下面的描述及实施例中呈现。

这些目的中的至少一者至少部分地被根据专利权利要求的设备和方法实现。

本发明人所获得的一个重要的深刻理解为，提供一种在不同方向上具有不同的陡峭度的复制工具可制造具有很强的不对称性覆盖区的光学结构，同时确保复制材料的良好流动控制，因而可以有良好的工艺稳定性和高的产量。

稍微更具体一些，该复制工具具有横向地包围中央区段的周围区段，且表面(“补偿表面”，参见下文)出现在该周围区段中，其在某些横向方向上(即，光学结构仅可以占据很少的空间处)的高度(垂直方向，背向将设置基底的位置)的增加大于在其它方向上(即，对于光学结构的空间限制较不大的方向上)的高度的增加。

该相应的复制工具可更精确地描述为用来制造包含光学元件的光学结构的复制工具，包括：

—中央区段，其具有限定该光学结构的一部分的阴版的形状和垂直地对准的中心轴(其例如可与该光学结构的光轴重合)；

—周围区段，其横向地包围该中央区段；

—一个或多个接点间隙器(standoff)，其限定被称为接触平面的平面；

其中该复制工具的所有部分被设置在该接触平面的同一侧上。从该接触平面沿着与该接触平面正交地对准的方向指向该侧的方向被称为垂直方向，且横向方向被定义为与该垂直方向正交的方向。

此外，在第一方位角范围内，该周围部分提供背向该中心轴的表面，其被称为第一补偿表面；以及在第二方位角范围内(其通常是指不与该第一方位角范围重叠的范围)，该周围部分提供背向该中心轴的表面，其被称为第二补偿表面。方位角范围被定义为在横向平面内围绕该中心轴的角度范围。

并且，在该第二方位角范围内的包含该中心轴的任何横截面中，该第二补偿表面的陡峭度大于在该第一方位角范围内的包含该中心轴的任何横截面中的该第一补偿表面的陡峭度，其中陡峭度皆被定义为：个别表面的离中心轴的距离的每单位的增加所对应的个别表面的垂直坐标的增加。在陡峭度不是固定值而是随着离该中心轴距离而改变的情况中，陡峭度应是平均陡峭度，更特别地，陡峭度应是将所有陡峭度予以平均后所得到的值。

陡峭度也可(以更数学的方式)被视为依据径向坐标(其相当于前面提到的离该中心轴的距离)描述各补偿表面在各横截面内的轮廓相对于该径向坐标的函数的微分。其中，该径向坐标在该中心轴处为零且朝向该周围部分增加，且该垂直坐标在该接触面处为零且在该复制工具(以及各补偿表面)所在的方向上增加。该垂直坐标是平行于(及非逆平行于(not antiparallel))该垂直方向的坐标。

提供具有该陡峭度的补偿表面能够将该第二方位角范围内的该光学结构的覆盖区保持得相对较小且该第一方位角范围内的该光学结构的覆盖区保持得相对较大。尤其是，在该第一方位角范围内该光学结构的径向尺度(extension)减去该光学元件的径向尺度是在该第二方位角范围内(径向尺度构成横向尺度)该光学结构的径向尺度减去该光学元件的径向尺度的至少3倍，更特别地至少5倍，甚至更特别地至少8倍。在该光学结构实质上是由该光学元件构成的情况中，光学元件的形状主要是由中央区段及周围部分(其形状主要是由该周围区段来确定)来确定，和/或在该光学结构的覆盖区的边界和该周围区段的复制材料与该基底(该光学结构被形成于其上)(或该基底的表面)之间的界面的外部轮廓实质相同的情况中，该周围部分在该第一方位角范围内的径向(横向)尺度是该周围部分在该第二方位角范围内的径向(横向)尺度的至少3倍，更特别地至少5倍，甚至更特别地至少8倍。

在上面段落中所描述及比较的量值可更简单，但较不精确，被描述为该光学结构(在第一基底表面)分别在该第一和第二方位角范围内超出该光学元件的径向尺度。

在横向尺度上的极大的不对称性使得可以用极为靠近邻近的其它物件的方式来制造光学元件。

上文提到的增加(尤其是在坐标上的增加)也可以是负向的，也即实际上是减少的。如将于下文中讨论的，也可提供相应的第二补偿表面。

该中心轴对应于该光学元件的中心轴且可被定义为例如通过该基底上的该光学元件的覆盖区的质量中心的被垂直地对准的轴。特别地，该覆盖区的边界可被理解为该基底和构成该光学元件的该复制材料的部分之间的界面的外部轮廓。在具有圆形孔形状的光学元件的情况中，例如在球形透镜元件的情况中，该中心轴与该光学元件的光轴重合。

该中心轴主要指上文所描述者，用以能够清楚地限定横截面的位置及关于该光学结构的方向及距离。因此，该中心轴的其它定义可被另外地使用。

通常，该周围区段毗邻(紧邻)该中央区段。

该一个或多个接点间隙器主要指上文所描述者，用以能够清楚地限定该接触平面以及由此该光学结构的方向和距离。然而，提供该一个或多个接点间隙器可高精度地限定在该中央区段内介于基底(该光学结构将被形成于其上(更精确来说是在该基底的表面上))和该复制工具之间的垂直距离。因此，该光学元件的垂直尺寸可通过接点间隙器以高精度来限定。

该第一方位角范围通常是连续的。而且，该第二方位角范围通常是连续的。而且，方位角范围通常可具有任何大小。

然而，特别地，该第二方位角范围可以是例如至少30°或至少45°，尤其是至少60°，但至少90°或至少130°的第二方位角范围也可被提供。

该第一方位角范围可以是例如至少30°或至少45°，尤其是至少60°，但至少90°或至少130°的第一方位角范围也可被提供。

补偿表面是指可使得多出来的复制材料粘附其上的表面。就此而言，补偿表面用来补偿模压工艺期间太多复制材料存在于该复制工具和该基底之间的情况。补偿表面可以是同一个(连续的)表面的不同区段，特别地其中该一个(连续的)表面可完全横向地包围该中央区段。并且更特别地，补偿表面共同构成一个(连续的)表面，此外该一个(连续的)表面可完全横向地包围该中央区段。

陡峭度的一者或两者(在包含该中心轴的相应横截面中沿着横向(径向)坐标)并不是定值。在该情况中，特别地，该第二补偿表面在该相应横截面(在第一方位角范围内)的任何陡峭度高于该第一补偿表面在该相应横截面(在第一方位角范围内)的任何陡峭度。

此外，特别地，在该第二方位角范围内包含该中心轴的任何横截面中，该第二补偿表面的任何陡峭度至少与该第一补偿表面在该第一方位角范围内包含该中心轴的任何横截面中的任何陡峭度一样大。

结果是，提供非笔直的(弯曲的)且尤其是内凹的第一补偿表面是特别有价值的，因为在该第一方位角范围内包含该中心轴的任何横截面中，该第一补偿表面具有随着离该中心轴的距离的增加而减小的陡峭度。

提供此特征可确保在过多的复制材料的量相对小的情况中有足够的过多的复制材料的量可以保留在该第二方位角范围内，因而确保不会有气隙被产生在该第二方位角范围内，而在过多的复制材料的量相对大的情况中，相对大量的过多的复制材料存在于该第一方位角范围内，使得只有相对小量的过多的复制材料存在于该第二方位角范围内，因而确保在该第二方位角范围内的覆盖区不会变得太大。

此外，提供平滑的补偿表面是有利的，尤其是平滑的第一补偿表面，更特别地是不具有(至少在包含该中心轴的横截面内没有)边缘的(第一)补偿表面。以更数学的方式来表示，在(第一)方位角范围内包含该中心轴的任何横截面中，(第一)补偿表面是可连续微分的。边缘或不可微分的点的存在会扰乱在该复制工艺期间该复制材料在各个方位角范围内的连续流且可能负面地影响工艺稳定性。然而，将边缘设置在其它位置可能是有利的，参见下文所述。

尤其是，该第一补偿表面在该第一方位角范围内的包含该中心轴的横截面内(尤其是在任何横截面内)是平滑的(可连续微分的)，至少在该第一补偿表面离该接触平面的距离不再随着离该中心轴的距离的增加而增加的位置点(例如，复制工具变成平行于该基底表面处)之前都是平滑的。

可替代地或额外地，在该第一方位角范围内的包含该中心轴的任何横截面中，在该第一补偿表面的整个横向(径向)尺度内，该第一补偿表面离该接触平面的距离随着离该中心轴的距离的增加而增加，且该第一补偿表面在离该中心轴的一距离处中止，在该处，该第一补偿表面离该接触平面的距离不再随着离该中心轴的距离的增加而增加。

类似地，在该第二方位角范围的包含该中心轴的任何横截面中，该第二补偿表面中止于该第二补偿表面的陡峭度变成零或改变符号的位置。

此外，结果是，提供笔直的或甚至外凸形状的第二补偿表面是特别有利的，因为在该第二方位角范围内的包含该中心轴的任何横截面中，该第二补偿表面具有恒定的陡峭度或随着离该中心轴的距离增加而增加的陡峭度。以此方式，该覆盖区随着过多的复制材料量的增加而增大的程度与内凹形状相比减小。

特别有利的是，在复制工具中提供内凹的第一补偿表面(以上文所述的方式)以及笔直的或可能甚至外凸的第二补偿表面(以上文所述的方式)。以此方式，可在提供高工艺稳定性的同时，实现随着过多的复制材料的量的增加而在该第二方位角范围内的径向尺度的特别小的增加。

此外，在该中央区段和补偿表面的一者或两者之间，该复制工具(更特别地，该周围区段)具有一部分(其被称为拦挡部分)，在该拦挡部分内，该复制工具延伸得特别靠近该接触平面，但并没有接触该接触平面，因为接点间隙器会接触该接触平面。更特别地，在该第一方位角范围的包含该中心轴的任何横截面中和/或在该第二方位角范围的包含该中心轴的任何横截面中，该周围区段包含一被称为拦挡部分的部分，在该拦挡部分内，该复制工具在各个横截面中具有离该接触平面最小的非零距离，且该拦挡部分位于该中央区段和各补偿表面之间。

以此方式，可以具有作用在该复制材料上的表面力(或毛细力(capillaryforce))，其强有力地将该复制材料保留在该拦挡部分内或接近该拦挡部分的该复制工具和基底之间。因此，可以相当有效地避免复制材料(或至少绝大部分的复制材料)从该拦挡部分或更重要地从该中央区段移除。

此外，该拦挡部分可以完全横向地围绕该中央部分延伸，同时也在任何其他方位角范围内具有所描述的特性。

该拦挡部分可以特别地包括被称为拦挡区段的区段，该复制工具在该区段内主要平行于该接触平面被对准。在该情况中，该拦挡部分可以特别有效地实现，该复制材料(或至少绝大部分的复制材料)从该拦挡部分或更重要地从该中央区段被移除。特别地，该拦挡部分可与该拦挡区段相同。

在该拦挡部分和接触表面之间的垂直距离在该第一方位角范围及该第二方位角范围内可以是恒定的且在该第一方位角范围及该第二方位角范围内可以是相同的，尤其是，该距离对所有方位角都是相同的。然而，该距离也可随着方位角改变。因此，这同样也可适用于该拦挡区段。

此外，在该第一及第二方位角范围的一者或两者中，尤其是至少在第二方位角范围中，该拦挡部分毗邻(紧邻)相应的补偿表面，及更特别地，一边缘存在于该拦挡部分毗邻(紧邻)该相应的补偿表面处。该拦挡部分可实质地和该边缘相同；或该边缘可构成(在径向朝外侧)限定该拦挡区段的边缘(其在任何方位角具有上述的特性)。

在上述位置中边缘的出现可引发或改善将复制材料保持靠近该拦挡部分并由此避免气隙产生在该中央区段中的上述效果。

这可以且通常有助于工艺稳定性并防止中央区段内(以及由此该光学元件内)的气隙产生，以使得该拦挡部分完全横向地包围该中央区段。

表面的(在横截面内的)陡峭度可另外地或额外地通过角度(尤其是，介于该表面的(局部的)正切线或(局部地)垂直于该表面的线与该中心轴或垂直方向或该接触平面之间的角度)来描述。这也类似地适用于光学装置的形状和表面，参见下文所述。

使用上文所描述的复制工具使得可以制造特定的光学装置。

特别地，本发明也可涉及光学装置，包括：

—基底，其具有第一基底表面；以及

—存在于该第一基底表面上的光学结构。

该第一基底表面也被提及以具有涉及该光学结构的方向和距离的参考。然而，也可使用另一参考。

该光学结构包括光学元件和横向地包围该光学元件的周围部分，其中该周围部分包括被称为新月形部分的部分，以及介于该光学元件和该新月形部分之间的被称为中间部分的部分。

该周围部分在该新月形部分内提供内凹的新月形状。

边缘线出现在该新月形部分和该中间部分毗邻(紧邻)处。

在第一方位角范围内，该中间部分提供面向光学元件的垂直地对准的中心轴的表面，其被称为第一上拉表面。

并且在第二方位角范围中(其通常是指没有与该第一方位角范围重叠)，

(I)该中间部分提供面向该光学元件的该中心轴的表面，其被称为第二上拉表面，其中该第二上拉表面比该第一上拉表面相对于该中心轴被更陡峭地对准；和/或

(II)该中间部分提供被称为拦挡表面的表面，其在该第二方位角范围的包含该中心轴的任何横截面中基本平行于该第一基底表面被对准且具有被该边缘线所限制的端部；

其中横向方向被定义为平行于该第一基底表面的方向，以及垂直方向被定义为从该第一基底表面指向远离该第一基底表面的方向，以及其中方位角范围被定义为在横向平面内围绕该中心轴的角度范围。

具有上述特性的光学结构可具有特别强的覆盖区不对称性且同时在批量生产中具有出色的可制造性。

关于情况(I)，特别地，该第二上拉表面在该第二方位角范围的包含该中心轴的任何横截面中的陡峭度大于在该第一方位角范围的包含该中心轴的任何横截面中的陡峭度。

该光学结构由复制材料制成，例如诸如环氧树脂的聚合物，尤其是可固化的聚合物，诸如可UV固化和/或可热固化的聚合物。

该光学结构通常是被一体地形成的(单一)部件。更特别地，通常该光学元件和该周围部分在同一个工艺中被制造，且它们是用相同的(复制)材料制成且它们形成单一部件。

该基底可以是晶圆或晶圆的一部分。它可以由例如玻璃制成或主要地或实质上由聚合物材料制成。

该第一基底表面可以是基本上平的，尤其是在存在该光学结构的区域内。

该光学元件典型地是无源光学构件，例如，透镜或透镜元件或一些其它无源光学构件，其它例子参见上文。它可以是例如衍射元件或折射元件或组合式衍射和折射元件。

典型地，该周围部分完全横向地包围该光学元件。然而，它至少在该第一和第二方位角范围内通常如此。

典型地，该新月形部分完全横向地包围该光学元件。然而，它至少在该第一和第二方位角范围内通常如此。

典型地，该中间部分毗邻(或紧邻)该光学元件。

此外，通常，该中间部分将该新月形部分和该光学元件相互连接和/或该周围部分主要是由该中间部分和该新月形部分构成。

该内凹的新月形部分通常在其与该第一基底表面接触的一个端部(在其外端)处中止。

此外，典型地，该边缘线完全横向地包围该光学元件的该中心轴，或更特别地完全包围该光学元件。

该光学装置可以例如是下列的至少一者：光学模块，尤其是光电模块、照相机(照片和/或视频)、便携式或便携式移动装置、计算装置，尤其是便携式计算装置、平板电脑、智能电话。

而且，在情况(I)中，该拦挡表面存在。这对应于使用具有拦挡区段的复制工具的可能性。特别地，该光学结构可具有完全横向地包围该光学元件的拦挡表面，其中该周围部分平行于该第一基底表面被对准。

在一个实施例中，该光学元件不具有边缘和毗邻该边缘的边缘表面，特别地其中：

-该边缘将沿着横向地对准的笔直线延伸；或

-该边缘表面将会是基本上平的表面；或

-该边缘表面将会是基本上(至少局部地)垂直于横向方向的表面。

在一个实施例中，该光学元件具有覆盖区，其在该第一基底表面上具有边界线或轮廓(对应于该光学元件的孔径形状)，它不包含构成直线的片段，至少不在该第二方位角范围内。

在一个实施例中，该光学元件具有覆盖区，其在该第一基底表面上具有边界线或轮廓(对应于该光学元件的孔径形状)，其描绘出椭圆形，更特别地描绘出圆形。

在一个实施例中，该光学元件的形状主要由复制(模压)工艺的结果来确定。因此，不存在该光学元件的材料的后续移除。这特别地适用于该光学元件被封装在外壳内之后该光学元件的形状。

将会很清楚的是，该光学装置的数个特性可被归因于制造该光学结构的该复制工具。然而，该光学结构的确切形状也取决于在其制造期间所使用的复制材料的量。为了避免不当地限制本发明的范围，上面的情况(I)和(II)被区别。典型地，在情况(I)中，复制材料的量比情况(II)中的量大，当然，这是在其它条件不变的情形下。在相当小量的过多的复制材料被施加的情形中，没有产生第二上拉表面，因为复制材料没有附着至该复制工具的该第二补偿表面，因此，该新月形部分在该边缘线处终止。

如已在上文中描述的，该光学结构和该光学元件的横向尺度可以使得在整个第一方位角范围内(即，在该第一方位角范围内(相对于中心轴)的任何径向方向上)，从该中心轴到该光学结构的覆盖区的外部轮廓的距离减掉从该中心轴到该光学元件的覆盖区的外部轮廓的距离是在整个第二方位角范围内(即，在该第二方位角范围内(相对于中心轴)的任何径向方向上)的同一距离差的至少3倍、或至少5倍、或甚至至少8倍。在该光学结构和该第一基底表面之间的接触角度很小的情况中(例如，在接触角度小于5°的情况中)，该光学结构的覆盖区(以及相应地与其相关的距离)很难确定，且在这种情况中，该覆盖区的轮廓应被视为位于该光学结构的厚度(即，其在该第一基底表面上方的高度)已降低至其在该边缘线处的厚度的1/10处(当然，其总是在该适当的方位角角度内，即在该适当的径向方向上)。

通常，在该复制材料和该复制工具之间的接触角度在该第一方位角范围内和在该第二方位角范围内是相同的。

而且，通常在该复制材料和该基底(更具体地：该第一基底表面)之间的接触角度在该第一方位角范围和该第二方位角范围内是相同的。

结果是，当材料被选择以使得在该复制材料(以及由此该光学结构)与该第一基底表面之间的接触角度小于40°，尤其是小于30°，更特别地小于22°时，可获得特别稳定的处理条件和很好的不对称性。此外，可施加一涂层至该第一基底表面以实现特别小的接触角度的效果。这种涂层可以例如是粘着促进剂，用来提高该复制材料对于该(被涂覆的)第一基底表面的粘着性。小于10°且更特别地小于5°的接触角度可用此方式来实现。

此外，当材料被选择以使得该复制材料(以及由此光学结构)与该复制工具之间的接触角度在35°和75°之间，更特别地在45°和65°之间或甚至更特别地介于55°±7°之间时，可实现特别稳定的工艺条件和良好的不对称性。因此，该光学结构在该第一方位角范围内的包含该中心轴的横截面内也在该边缘线描绘出此角度；以及相应地，可在该第一方位角范围内的横截面内的该边缘线处在光学结构的外部测量的角度为360°减去该接触角度，即例如介于285°至305°之间的角度。

该光学结构和该光学元件的典型尺寸分别如下所述：

在该第一基底表面上方的最大高度：介于5微米至300微米之间，更特别地介于15微米至150微米之间；

该光学元件的覆盖区的最大横向尺度：介于50微米至3000微米之间，更特别地介于100微米至1500微米之间；

该光学元件的覆盖区的最小横向尺度：介于20微米至2500微米之间，更特别地介于50微米至1000微米之间；

该光学结构在该第一方位角范围内超过该光学元件的最大径向尺度(在第一基底表面处)：介于3微米至1000微米之间，更特别地介于10微米至500微米之间；

该光学结构在该第二方位角范围内超过该光学元件的最小径向尺度(在第一基底表面处)：介于1微米至400微米之间，更特别地介于5微米至100微米之间。

用于制造光学装置的方法，包括：

(a)提供具有第一基底表面的基底：

(b)提供所述类型的复制工具；

(c)提供一些复制材料；

(d)在所述一些复制材料在该基底和该复制工具之间时将该基底和该复制材料朝向彼此移动；

(e)将该复制材料硬化。

在步骤(c)和/或(d)期间，典型地在这两个步骤期间，该复制材料通常处于液态或者可塑性变形的状态。并且在步骤(e)之后，该复制材料通常不再是该情况。在步骤(e)之后，该复制材料至少在尺寸上是稳定的。

典型地，该基底和该复制工具在步骤(e)期间被保持就位，但也可能它们早已彼此分开，即在已完成最初的或部分的硬化之后(且在该硬化工艺完成之前)已彼此分开。

步骤(d)通常在一个或多个接点间隙器接触该第一基底表面之后才被执行。而且，在该状态下，该硬化步骤(步骤(e))通常开始。

步骤(c)可包括将预定数量的复制材料分配在该基底上或在该复制工具上，尤其是在该复制工具的该中央区段内。步骤(c)可以特别地使用分配器来完成。

该方法通常以晶圆级实施。在该情况中，复制工具被建构并设计用于在单一模压步骤中制造多个光学结构，例如至少10个或至少30个，或至少50个或甚至多于100个光学结构。为此，其通常包括多个中央区段和相关的周围区段。因此，可获得其上存在多个光学结构的晶圆。该晶圆可以在它被分割成单独的光学装置之前与一个或多个其它晶圆相互连接。

从上述的复制工具以及从上述光学装置可产生其它方法。

其它实施例和优点从从属权利要求和附图中浮现出。

附图说明

下文中，通过示例和所包括的附图来更详细地描述本发明。该图示意地显示：

图1是穿过光学装置的横截面的示图；

图2是穿过图1的光学装置的横截面的示图；

图3是光学结构和方位角范围的示图；

图4是光学结构和方位角范围的示图；

图5是基底上的复制工具的横截面；

图6是使用图5的复制工具所制造的光学装置的横截面；

图7是基底上的复制工具的横截面；

图8是基底上的复制工具的横截面。

所描述的实施例指的是示例且将不限制本发明。

具体实施方式

图1是穿过光学装置1(其更特别地是光电模块)的横截面的示意性示图。图2是穿过图1的光学装置1的另一横截面的示意性示图。在图2中，图1的横截面的大致位置以虚线来标示。

该光学装置1包括基底5和另一基底50，在两者之间存在间隔件20，间隔件20可以是与基底5和50分离的部件，或如图2所示可以构成与例如该基底50一体形成的部件。

在基底5的第一基底表面5a上存在两个光学结构2，2’，它们分别包含光学元件3，3’。此外，在该基底5的另一侧上存在另一光学元件。

在基底50上，存在两个有源光学构件4，4’。

光学元件3，3’可以是例如折射光学元件，诸如图2中以3’示出的折射式透镜元件，或者可以例如是衍射光学元件，诸如图2中以3示出的衍射透镜元件，或者可以是其它光学元件，尤其是其它无源光学构件。

间隔件20存在于基底5和50之间，且提供两个分离的，尤其是被光学地分离的空间，一个空间包含光学结构2及有源光学构件4，另一空间包含光学结构2’及有源光学构件4’。例如，该空间提供该光学装置1的不同光学通道。有源光学构件4及光学元件3相互关联且交互，并且与有源光学构件4’和光学元件3’(它们彼此关联且交互)光学地分离。

如可从图1中看出的，在某些区域内或某些方向上(当从个别的光学元件观看时)，光学元件3，3’被(横向地)设置得很靠近间隔件20，例如参见在图1的光学元件3’处的虚线三角形。然而，在其它区域中(或方向上)，在个别的光学元件3和间隔件20或该光学装置1的其它构件之间有较多的(横向)空间。

如果光学元件(诸如，光学元件3或光学元件3’)使用模压型复制方法被制造在基底(诸如，基底5)上的话，则必须要接受与该光学元件连续但不构成该光学元件本身的额外的(过多的)复制材料的存在。在空间限制的情况下(诸如，图1和2所示)，不对称地分配该过多的复制材料是可能的且是明智的。在复制工艺中使用的该复制工具的适当的设计可以局部地减小该光学结构在基底上的覆盖区。

图3是光学结构2及不同的方位角范围的示意图，在该方位角范围内，被过多的复制材料占据的横向空间根据不对称的空间需求来调整。横向是指平行于其上有光学结构的该基底表面，参见图2中的物件5a。而且，方位角范围指围绕中心轴的角度范围，该中心轴是该光学元件的垂直对准的轴(即，垂直于该基底表面对准的轴)，其可与该光学元件的光轴重合(例如，在标准的圆形球面透镜的情况中)。更一般地，该中心轴可被限定为通过该光学元件在该基底上的覆盖区的质量中心的垂直轴。

该光学结构2包含光学元件3和周围部分S，该周围部分S具有一径向尺度(即，从该中心轴测量的横向尺度)，其随着方向(即，随着绕着该中心轴的方位角)改变。在方位角范围中，该径向尺度小于在方位角范围内的径向尺度。

在该光学元件3本身和该光学结构2的覆盖区的外围轮廓之间存在一边缘线E(如虚线所示)，该光学结构在该处有一边缘(在包含该中心轴的横截面中)，该边缘通常完全横向地包围该光学元件3，如图3所示。

图4是另一光学结构2和不同的方位角范围的示意图，在该方位角范围内，被过多的复制材料占据的横向空间根据不对称的空间需求来调整。所示出的情形原则上与图3相同，但在图4中，光学元件3和光学结构2这两者的形状不同于图3的形状。而且，在图4中，方位角范围彼此以不同于图3的方式被设置。

图5是在基底5上(更特别地在该基底5的表面5a上)的复制工具10的示意横截面。复制工具10具有中央区段c，其主要地确定将在模压工艺中制造的光学元件的形状。中央区段c具有与该光学元件的中心轴重合的中心轴(当该中央区段和该光学元件在该模压工艺期间硬化开始时被对准的时候)。该中心轴被标示为A。轴A设置有一箭头，其标示垂直方向，其为一指向性的量。

在轴A的左边示出该第一方位角范围的横截面，以及在轴A的右边示出该第二方位角范围的横截面。因此，根据空间限制以及该光学结构及该复制工具的设计，图5的整个横截面可以是在单一平面内的横截面，但也可以是两个成角度的半平面内的横截面，例如在半平面之间具有接近直角的角度。相同的情况也适用于下文所描述的复制工具或光学结构的类似横截面示图。

一个或多个接点间隙器15存在于周围部分s外侧。它们可精确地限定该光学元件的高度。通过接点间隙器15，接触平面被限定，如果复制工具10如图5所示与基底表面5a接触，接触平面与该基底表面5a重合。

该中央区段c被该周围区段s横向地包围，更特别地，周围区段s毗邻(或紧邻)该中央区段c。在该周围区段s中，复制工具10包含具有不同陡峭度的补偿表面f1、f2。补偿表面f1、f2皆背向该中心轴A，然而，补偿表面f2比补偿表面f1更陡峭。随着离该轴A的距离的增大，相较于补偿表面f2的急剧升高(补偿表面f2相对于该基底表面5a甚至垂直地升高)，补偿表面f1与基底表面5a之间的垂直距离增大得相对缓慢。这影响的是，受表面张力效应(即，毛细力)所控制地，相对大量的过多的复制材料将累积在该第一方位角范围内，在此，可接受该光学结构的(径向)宽的覆盖区，而较少的过多的复制材料将累积在该第二方位角范围内，在此，只接受该光学结构的(径向)相对小的覆盖区。

此外，补偿表面f1的内凹的截面形状对该效果有所贡献。或者，更一般地，对该效果有贡献的是，该第一补偿表面f1的内凹面比第二补偿表面f2的内凹面更显著，这意味着即使第二补偿表面f2不是内凹的表面，而是如图5所示的平的或甚至是外凸的表面时仍然适用。

补偿表面f1、f2终止于复制工具的(横截面)形状变得与表面5a平行地对准的地方。

分别将补偿表面f1和f2与表面5a互相连接的细线以示意方式示出通过复制工具10形成的复制材料的轮廓。

补偿表面f1的横截面形状是可连续微分的。因此，它没有边缘(edge)，但在其内端部可能有边缘。

此外，该复制工具10(的横截面)最靠近表面5a、接点间隙器且不包括该中央区段的地方被视为复制工具10的拦挡部分r’，其在图5的例子中被体现为拦挡区段r，该复制工具10在该拦挡区段r内平行于表面5a。此特征对于工艺稳定性及避免气隙在模压工艺期间形成在该中央区段内及形成在该光学元件内具有显著的贡献，尤其是在拦挡部分r’和拦挡区段r分别地不仅部分地、而是完全地横向地包围该中央区段c的情况下。

图6是使用图5的复制工具10所制造的光学装置1的示意横截面图。光学结构2是由复制材料8(诸如，可固化的环氧树脂(在固化状态下))制成的。光学结构2是一体地形成的部件，其包含中央部分C及周围部分S，或甚至是由它们所构成。

中央部分C构成该光学元件3。周围部分S包含新月形部分M(其提供内凹的新月形状)及中间部分I，其在该边缘线E处毗邻该新月形部分M。该新月形部分M和该中间部分I具有共同的边缘线E。用一种可在模压工艺期间形成内凹的新月形的方式来选择所使用的材料及更具体地选择它们各自的表面张力对处理稳定性及所期望的周围部分的不对称性的形成有正面的影响。沿着边缘线E，光学结构2形成突出部。

上拉表面P1和P2分别出现在该中间部分I中且紧邻该边缘线E，其分别具有基本上由各补偿表面f1和f2确定的形状。在上拉表面P1、P2的一者或两者的内端部存在边缘可提高工艺稳定性并防止气隙形成。该边缘可以但不一定必须位于该复制工具最靠近在各补偿表面和该中央区段c之间的表面5a处。然而，如果该边缘是如此的话，则可获得特别良好的工艺稳定性且可防止气隙形成。在图6中，边缘出现在上拉表面P2的内端处，但不在上拉表面P1的内端处，在上拉表面P1的内端处该复制工具10的(截面)形状是略圆的(roundish)(更特别地：外凸和弯曲的)。

此外，拦挡表面R可出现在该边缘处，该光学结构的厚度在该表面内是恒定的(在横截面内)，如图6所示。而且，这可提高工艺稳定性并防止气隙形成。

因为选择不同陡峭度的补偿表面f1、f2，所以周围部分S的(径向)宽度极不对称，参见图6的距离d1、d2。可以很容易实现的是，对于指示的距离d1、d2，适用：d1/d2>5，以及甚至是d1/d2>10。标号d0仅仅标示该横向尺度在该横截面被截取的特定方向上的标记，该横截面的两个半部沿着一直线延展。

图7是另一复制工具10在基底5上的示意横截面。图7中所用的附图标记已于上文中说明过，参见例如图5。图7将主要描述图5的实施例中存在的特征的替代性特征。因此，该替代性特征可以个别地或以任意组合与图5相结合。

与图5的实施例相反，在图7中，拦挡区段r在两侧(内部和外部界限)被出现在方位角范围和内的边缘限制且可出现在方位角横截面内。此外，补偿表面f2比图5中的补偿表面f2被较不陡峭地对准。然而，补偿表面f1的任何陡峭度仍然小于补偿表面f2的任何陡峭度。

图8是另一复制工具10在基底5上的横截面。图8中所用的附图标记已于上文中说明过，参见图5及7。图8主要将描述图5和/或图7的实施例中的特征的替代性特征。因此，该替代性特征可以个别地或以任意组合与图5或7相结合。

与图5和7的实施例相反，在图8中，补偿表面f1不是内凹的，而是具有笔直的轮廓。然而，在许多情形中，因为上文中所述的原因，该内凹的轮廓是较佳的。此外，补偿表面f2被特别陡峭地对准。它甚至部分面朝上。除了是笔直的之外，它也可以是弯曲的，这也适用于较不陡峭地对准的补偿表面f2，像是例如图5和7中。

如图8中示例性示出的补偿表面f2的陡峭度或倾斜度或更确切地方位可例如特别地结合该复制工具10的至少一部分由弹性材料来制造的假设来实现。如果复制工具10在该拦挡区段r内及与之接近处是刚性的，则该复制结构的剥落或破裂会在(至少部分地)硬化该复制材料之后移除该复制工具时发生。另一方面，也可使用在(完全地或部分地)硬化(例如，固化)该复制材料之后移除该复制工具时是(某些程度上是)有弹性的复制材料。

该复制材料可涂覆补偿表面f2的一部分(如，图5和7所例示)，这主要取决于所施加的复制材料的量。但如果施加较少量的复制材料，会发生的是，该复制材料不会上拉补偿表面f2，而是会在分别连接该补偿表面f2和该拦挡部分r’和拦挡区段r的边缘处终止，如图8所示。此现象与该边缘的存在有关，但和补偿表面f2的陡峭度无关(或只有很小的关系)，因此也可能发生在其它复制工具上，如在图5和7中描述的复制工具。

此现象的结果是，所制造出来的光学结构不具有第二上拉表面P2(参见图8的虚线，而在图6中呈现上拉表面P2)。更具体地，在该第二方位角范围内，该新月形部分M毗邻该中间部分I或特别地该拦挡表面R(参见图6的介于该新月形部分M和该中间部分I之间表面P2出现的地方)。

而且，在特别陡峭的补偿表面f2的情况下(诸如图8所示)，因此制造出来的光学结构的周围部分S与其它被描述的例子一样在该新月形部分M中形成有描述内凹的新月形状的表面。

陡峭度可根据随着在径向(离该轴A的距离)的增加而在垂直方向上的改变来描述。但陡峭度也可用倾斜度或用角度来描述。例如，陡峭度可被称为形成在分别与补偿表面f1和f2(局部)正交(在各自的横截面内)的方向和该垂直方向(参见轴A的箭头)之间的角度。该角度从该垂直方向到该(局部)正交的方向(且永远都是正的)测量。

通常，该角度在该第一方位角范围内将介于90°和180°之间，且在第二方位角范围内介于50°(更精确地说60°)和135°之间。

在图5、7及8中，小箭头被画在补偿表面f1，f2处，其指示一些局部的正交方向(其指向远离各表面的方向)。

在图8中，该角度在该第一方位角范围内是约90°，且该角度在该第二方位角范围内是约78°。在图5中，该角度在该第一方位角范围内从约90°变动至180°(随着增大的径向坐标而增大)，且该角度在第二方位角内是90°。而且，在图7中，该角度在该第一方位角范围内从约130°变动至180°(随着增大的径向坐标而增大)，且该角度在第二方位角范围内是约98°。

利用所述角度可得到的是，该第二补偿表面f2(以及该第一补偿表面f1)终止于一位置点，该复制工具的局部正交方向在该位置点垂直地指向该基底表面5a(及终止于一位置点，该复制工具的局部正交方向逆平行(antiparallel)于该垂直方向)。

为了描述光学结构的上拉表面的陡峭度或形状或对准，它可以完全地类似地与角度有关，它可用180°减去上文提到的为了补偿表面而被获得的角度来获得。

在图8中，基底表面5a和光学结构的复制材料之间的接触角度θ被示出。复制材料和基底表面5a之间及复制材料和复制工具之间的适当的接触角度可例如通过下面材料的选择来实现：

—选择以下所列的一者或多者来作为复制材料：环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、硅酮、氰基丙烯酸酯、有机-无机混合材料(例如，以“Ormocer”为商标的材料或溶胶凝胶(sol-gel))、聚氨基甲酸(polycarbaminacid)衍生物；

—选择以下所列的一者或多者来作为复制工具的材料：硅酮橡胶、诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、全氟聚醚(PFPE)、PFPE-(甲基)丙烯酸酯、氰基丙烯酸酯、有机-无机混合材料(例如，以“Ormocer”为商标的材料或溶胶凝胶(sol-gel))、聚酯、橡胶、聚氨基甲酸(polycarbaminacid)衍生物；

—选择以下所列的一者或多者来作为基底(在该基底表面5a处)的材料：玻璃、蓝宝石、玻璃强化的环氧树脂，诸如FR4或G10、可能包含通孔(其填充了列于上文中作为复制材料的类型的材料)，其中涂层可被使用在基底表面5a上，诸如以无机(介电的和/或部分金属的)光学过滤材料为主的涂层、以聚合物光学过滤材料为主的涂层、或以光阻材料为主的涂层；其中该涂层可以是连续的或可被图案化。

通常，复制工具是晶圆级的复制工具，其具有用于多个光学结构的设置，例如沿着矩形的栅格被分布在该晶圆上。在图7中，所示出的是该复制工具10如何可以向左边延续下去。在单一复制工艺中，多个光学结构可以之后被制造，例如一次可制造数十或数百个或甚至数千个。在稍后的时间，该如此被制造的其上有多个光学结构的晶圆被分切成多个光学装置，诸如光学模块，例如像是图1和2中所示的光学模块。

Claims (10)

1.一种用于制造包含光学元件的光学结构的复制工具，所述复制工具包括：

—中央区段，其具有限定所述光学结构的一部分的阴版的形状并具有垂直地对准的中心轴；

—周围区段，其横向地包围所述中央区段；

—一个或多个接点间隙器，其限定被称为接触平面的平面；

其中，所述复制工具的所有部分被设置在所述接触平面的同一侧上，其中沿着与所述接触平面正交地对准的方向从所述接触平面指向该侧的方向被称为垂直方向，且其中横向方向被定义为与所述垂直方向正交的方向，

其中，在第一方位角范围内，所述周围部分提供背向所述中心轴的表面，其被称为第一补偿表面，以及

其中，在第二方位角范围内，所述周围部分提供背向所述中心轴的表面，其被称为第二补偿表面，

其中，方位角范围被定义为在横向平面内围绕所述中心轴的角度范围，以及

其中，在所述第二方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中，所述第二补偿表面的陡峭度大于在所述第一方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中的所述第一补偿表面的陡峭度，其中所述陡峭度皆被定义为：相应表面的离中心轴的距离的每单位的增加所对应的相应表面的垂直坐标的增加。

2.根据权利要求1所述的复制工具，其中，在所述第一方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中，所述第一补偿表面具有随着离所述中心轴的距离增加而减小的陡峭度。

3.根据权利要求1或2所述的复制工具，其中，在所述第二方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中，所述第二补偿表面具有恒定的陡峭度或随着离所述中心轴的距离增加而增大的陡峭度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的复制工具，其中，在所述第一方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中，所述第一补偿表面是可连续微分的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的复制工具，其中，在所述第一方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中和/或在所述第二方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中，所述周围区段包括被称为拦挡部分的部分，在所述拦挡部分中，所述复制工具在各横截面内具有其离所述接触平面最小的非零距离，且所述拦挡部分位于所述中央区段和各补偿表面之间。

6.根据权利要求5所述的复制工具，其中，所述拦挡部分包括被称为拦挡区段的区段，所述复制工具在所述拦挡区段内被基本平行于所述接触平面地对准。

7.根据权利要求5或6所述的复制工具，其中，所述拦挡部分完全地横向包围所述中央区段。

8.一种用于制造光学装置的方法，包括：

(a)提供具有第一基底表面的基底；

(b)提供根据权利要求1至7中任一项所述的复制工具；

(c)提供一些复制材料；

(d)在所述一些复制材料在所述基底和所述复制工具之间时将所述基底和所述复制工具朝向彼此移动；

(e)将所述复制材料硬化。

9.一种光学装置，包括：

—具有第一基底表面的基底；

—在所述第一基底表面上存在的光学结构；

其中，所述光学结构包括光学元件和横向地包围所述光学元件的周围部分；

其中，所述周围部分包括被称为新月形部分的部分以及在所述光学元件和所述新月形部分之间的被称为中间部分的部分，其中所述周围部分在所述新月形部分中提供内凹的新月形状，以及其中在所述新月形部分和所述中间部分毗邻处存在边缘线，

其中，在第一方位角范围内，所述中间部分提供被称为第一上拉表面的表面，其面向所述光学元件的被垂直地对准的中心轴，以及

其中，在第二方位角范围内，

(I)所述中间部分提供面向所述光学元件的所述中心轴的表面，其被称为第二上拉表面，其中所述第二上拉表面比所述第一上拉表面相对于所述中心轴被更陡峭地对准；和/或

(II)所述中间部分提供被称为拦挡表面的表面，其在所述第二方位角范围内的包含所述中心轴的任何横截面中被基本平行于所述第一基底表面地对准且具有被所述边缘线所限制的端部；

其中横向方向被定义为平行所述第一基底表面的方向，以及垂直方向被定义为从所述第一基底表面指向远离所述第一基底表面的方向，以及其中方位角范围被定义为在横向平面内围绕所述中心轴的角度范围。

10.根据权利要求9所述的光学装置，其中，在所述光学结构和所述第一基底表面之间的接触角度小于40°，尤其是小于30°，更特别地小于22°。