CN106817910B - 光学元件堆叠组件 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了包括彼此堆叠的多个基底的光学元件堆叠组件。至少一个所述基底在其表面上包括光学元件(诸如DOE)。所述堆叠组件能够例如在晶片级方法中制造。

Description

光学元件堆叠组件
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月14日提交的美国临时专利申请号62/063,532的优先权的权益。较早申请的公开内容以引用方式全文并入本文。
技术领域
本公开涉及光学元件堆叠组件。
背景技术
各种光电子模块被例如用于成像应用(诸如三维(3D)成像)或距离测量应用 (诸如近接感测)。在一些应用中，光发射器组件可操作来发射结构化光学图案，其可用于成像以及距离感测应用。结构化光可以导致投射到物体上的离散特征(即纹理)的图案。物体所反射的光可以被引导回图像传感器，在所述图像传感器处感测所述光。感测信号可用于距离计算。在一些情况下，结构化光在立体成像应用中提供了用于匹配像素的附加纹理。
在一些模块中，光学元件诸如衍射光学元件(DOE)被引入到由光源发射的光的路径中，所述光源诸如垂直腔面半导体发射激光器(VCSEL)或VCSEL阵列。DOE可用于创建结构化光图案。它还可以促进放大由VCSEL或其他光源产生的结构化光图案。
发明内容
本公开描述了可以例如通过晶片级方法制造的光学元件堆叠组件。
例如，在一个方面中，制造堆叠组件的晶片级方法包括将第一晶片附接到第二晶片以便形成晶片子堆叠。第一晶片或第二晶片中的至少一个在其表面上具有光学元件。附接第一晶片和第二晶片，使得每个光学元件设置在第一晶片与第二晶片之间。方法还包括将间隔件晶片附接到晶片子堆叠以便形成晶片堆叠，以及将晶片堆叠分成堆叠组件，每个所述组件包括至少一个光学元件。
在另一方面中，制造堆叠组件的晶片级方法包括提供第一晶片和第二晶片，其中第一晶片或第二晶片中的至少一个在其表面上具有光学元件。方法包括使用单真空注射技术，以便在第二晶片的相对表面上形成上间隔件和下间隔件。方法还包括将第一晶片附接到第二晶片以便形成晶片堆叠。可以附接第一晶片和第二晶片，使得每个光学元件设置在第一晶片与第二晶片之间。然后可以将晶片堆叠分成堆叠组件，每个所述组件包括至少一个光学元件。
在又另一方面中，制造堆叠组件的晶片级方法包括提供第一晶片和第二晶片，其中第一晶片或第二晶片中的至少一个在其表面上具有光学元件。方法包括将第二晶片附接到带材，并且将第二晶片分成单一化基底。将单一化基底放置到真空注射工具中，以便在单一化基底的相对表面上形成上间隔件和下间隔件。将第一晶片附接到单一化基底以便形成堆叠，使得每个光学元件设置在第一晶片与一个单一化基底之间。然后，将堆叠分成堆叠组件，每个所述组件包括至少一个光学元件。
本公开还描述了一种堆叠组件，所述堆叠组件包括第一基底、附接到第一基底的第二基底、以及位于至少第一基底或第二基底上的光学元件，其中至少一个光学元件设置在第一基底与第二基底之间。堆叠组件包括附接到第一基底或第二基底的外侧的第一间隔件。在一些实现方式中，堆叠组件还包括在第一基底与第二基底之间的第二间隔件，其中第一间隔件和第二间隔件为相同真空注射模制件的部分。此外，在一些情况下，真空注射模制件横向地围绕第二基底的侧边缘。此外，第一基底和第二基底可以通过粘合剂彼此附接在一个或多个光学元件的横向侧面部分上。
各种实现方式包括以下特征中的一个或多个。例如，第一晶片和第二晶片中的每个可以在其表面上具有相应的光学元件，光学元件彼此面对。在一些情况下，光学元件为衍射光学元件。在一些实现方式中，光学元件为复制光学元件。
晶片级方法允许同时并行地制造多个组件。此外，取决于应用，可以有利地使用技术在第一晶片与第二晶片之间提供更小或更大的距离。以下更详细地描述各种实例。其他方面、特征和优点将从以下详述、附图和权利要求书中显而易见。
附图说明
图1示出了光学元件堆叠组件的第一实例。
图2A至图2F示出了图1的光学元件堆叠组件的制造步骤的实例。
图3示出了光学元件堆叠组件的第二实例。
图4A至图4F示出了图3的光学元件堆叠组件的制造步骤的实例。
具体实施方式
本公开描述了包括彼此堆叠的多个基底的光学元件堆叠组件。至少一个基底在其表面上包括光学元件(诸如DOE)。在一些情况下，两个基底在其相应的表面上具有光学元件。基底和光学元件对准，使得穿过堆叠的光信号可穿过基底和光学元件。
如图1所示，堆叠组件10包括彼此堆叠的第一基底12和第二基底14。每个基底12、14可以例如由玻璃、聚合物或对规定的波长或波长范围(例如，在光谱的可见部分、红外(IR)部分和/或近红外部分中)透明的其他材料构成。在图1的实例中，基底12、14具有在其相对表面上形成的无源光学元件16、18。在所示的实例中，光学元件16、18为DOE。在一些实现方式中，可以提供其他类型的无源光学元件(例如，折射透镜或衍射透镜、或诸如微透镜阵列的光学元件阵列)。此外，在一些情况下，一个基底12可以具有与另一个基底14上的光学元件类型不同的类型的光学元件。在一些情况下，基底12、14中仅有一个可以在其表面上具有光学元件。
形成光学元件16、18的材料的横向侧部分20可以用作间隔件，以便在相对的光学元件16、18之间提供明确限定的分离‘d’。横向侧部分20 的通常的厚度“t”为50μm或更小(例如，25-50μm)。在所示的实例中，光学元件16、18由对规定的波长或波长范围透明的环氧树脂材料构成。基底12、14通过设置在横向侧部分20上的胶水或其他粘合剂22的薄层而连接在一起。粘合剂22的通常的厚度小于10μm(例如，7μm)。上述尺寸在一些实现方式中可能不同。
在上基底14的光学元件侧上的薄的非透明涂层24限定光阑26，其用于限定规定波长的光或者在规定波长范围内的光可以穿过的透明窗口。每个基底12、14的外表面可以涂覆有薄抗反射涂层(ARC)28。下基底12的 ARC侧包括间隔件30，以便在光学元件16、18与将组件10安装在其上的表面之间提供良好限定的距离。可以通过粘合剂固定到下基底12的ARC 侧的间隔件30在光阑26下方具有开口32。
图2A至图2F示出了用于制造诸如图1的组件10的光学元件堆叠组件的晶片级方法的步骤。晶片级方法允许同时制造多个组件10。通常，晶片是指基本上圆盘样或板样形状的物品，其在一个方向(z方向或垂直方向) 上的延伸相对于其在另两个方向(x方向和y方向或横向)上的延伸是小的。在一些实现方式中，晶片直径在5cm与40cm之间，并且可以例如在10cm 与31cm之间。晶片可以是圆柱形的，其直径例如为2、4、6、8或12英寸，一英寸为约2.54cm。在晶片级方法的一些实现方式中，可以在每个横向方向上规定至少十个模块，并且在一些情况下可以在每个横向方向上规定至少三十个或甚至五十个或更多个模块。为了便于理解，在图2A至图 2F中仅示出了对应于单个组件10的每个晶片的一部分。
如图2A所示，提供第一透明晶片114，并且第一透明晶片114具有在第一表面上的ARC 128和在其相对第二表面上的不透明层(例如，光致抗蚀剂)123。晶片114可以例如由玻璃、聚合物或对规定的波长或波长范围透明的其他材料构成。如图2B所示，将层123图案化(例如，使用标准光刻技术)以便形成限定每个组件10的不透明涂层24的不透明材料区域124。
接下来，如图2C所示，在基底114的第二表面上形成光学元件118(例如，DOE)。其中一个如图2C所示的光学元件118可以例如通过晶片级复制来形成。一般而言，复制是指通过例如蚀刻、压花或模制结构化表面(例如，光学元件的正极)来再现的技术，通过所述技术使用给定工具(工具包括例如光学元件的负极)结构或其正负极。在复制方法的具体实例中，通过使用工具将结构化表面(例如，限定一个光学元件或多个光学元件)压入液体、粘性或可塑性变形的材料中；然后例如通过使用紫外线辐射和/或加热的固化，使材料硬化；并且然后移除结构化表面工具。因此，获得结构化表面的复制品。适用于复制的材料是例如可硬化的(例如，可固化的)聚合物材料或其他复制材料，即在硬化或凝固步骤(例如，固化步骤)中可从液体、粘性或可塑性变形状态转变成固态的材料。复制材料的码头(yard)部分120的厚度通常为50μm或更小(例如，25-50μm)。图2A至2C中的处理产生了为每个组件10提供上基底14的第一晶片子组件140。
作为制造方法的一部分，提供第二透明晶片112，并且第二透明晶片 112在其第一表面上具有ARC 128。在图2D中示出其中一个的光学元件 116(例如，DOE)在晶片112的第二表面上形成。光学元件116也可以例如通过如上所述的晶片级复制形成。图2D中的处理产生了为每个组件10提供下基底12的第二晶片子组件150。
接下来，如图2E所示，第一晶片组件140和第二晶片组件150彼此附接以便形成晶片子堆叠160。子组件140、150可以例如通过胶水或其他粘合剂(例如，通过胶水固化或丝网印刷)彼此附接。子组件140、150可以彼此附接，使得光学元件116、118彼此面对。此外，如图2F所示，间隔件晶片130附接到第二晶片组件140的ARC侧以便完成晶片堆叠170。间隔件晶片130可以例如通过胶水或其他粘合剂附接。一旦完成晶片级堆叠 170，它可以被分离(例如，通过切削)以便形成多个单独组件10。
在图2A至图2F的示例性方法中，晶片112、114均具有在其相应表面上复制的光学元件116、118。然而，在一些实现方式中，仅一个晶片(第一晶片114或第二晶片112)在其表面上具有光学元件。此外，尽管光学元件 116、118被示出为DOE，但是在一些情况下可以使用其他类型的光学元件。
图3示出了光学元件堆叠组件300的第二实例。堆叠组件300包括彼此堆叠的第一基底312和第二基底314。每个基底312、314可以例如由玻璃、聚合物或对规定的波长或波长范围(例如，在光谱的可见部分、红外(IR) 部分和/或近红外部分中)透明的其他材料构成。
在图3的实例中，基底312、314具有在其相对表面上形成的无源光学元件316、318。在所示的实例中，光学元件316、318为DOE。在一些实现方式中，可以提供其他类型的无源光学元件(例如，折射透镜或衍射透镜)。此外，在一些情况下，一个基底312可以具有与另一个基底314上的光学元件类型不同的类型的光学元件。在一些情况下，基底312、314中仅有一个可以在其表面上具有光学元件。
在上基底314的光学元件侧上的薄的非透明涂层324限定光阑326，其用作规定波长的光或者在规定波长范围内的光可以穿过的透明窗口。每个基底312、314的外表面可以涂覆有薄抗反射涂层(ARC)328。
为了增加相对的光学元件16、18之间的分离‘d’，真空注射模制间隔件380将形成光学元件316、318的材料的横向侧部分320分离。间隔件 380可以直接(无粘合剂)固定到下基底312上的光学元件316的横向侧部分 320。间隔件380可以通过胶水或其他粘合剂322附接到上基底314上的光学元件318的横向侧部分320。下基底312的ARC侧包括间隔件390，以便在光学元件316、318与将组件300安装在其上的表面之间提供良好限定的距离。间隔件390可为真空注射模制间隔件，其可以直接固定到下基底 312的ARC侧(即，无粘合剂)。间隔件390在光阑326下方具有开口332。
如图3所示，间隔件380和390可以形成为单个真空注射模制件，其部分392围绕下基底312的横向侧边缘394。
图4A至图4F示出了用于制造诸如图3的组件300的光学元件堆叠组件的晶片级方法的步骤。图4A至图4C示出了用于形成为每个组件300提供上基底314的第一晶片子组件440的方法。所述方法的此部分可以与图 2A至图2C中的对应步骤基本相同。因此，如图4A所示，提供第一透明晶片414，并且第一透明晶片114具有在第一表面上的ARC 428和在其相对第二表面上的不透明层(例如，光致抗蚀剂)423。晶片414可以例如由玻璃、聚合物或对规定的波长或波长范围透明的其他材料构成。如图4B所示，将层423图案化(例如，使用标准光刻技术)以便形成限定每个组件300的不透明涂层324的不透明材料区域424。
接下来，如图4C所示，在基底414的第二表面上形成光学元件418(例如，DOE)。其中一个如图4C所示的光学元件418可以例如通过如上所讨论的晶片级复制来形成。图4A至图4C中的处理产生了为每个组件300提供上基底314的第一晶片子组件440。
作为制造方法的一部分，还提供第二透明晶片412，并且第二透明晶片412在其第一表面上具有ARC 428(图4D)。第二晶片412的初始制备和处理可以类似于图2D中的晶片112的制备和处理。因此，在图4D中示出其中一个的光学元件416(例如，DOE)在晶片412的第二表面上形成。光学元件416也可以例如通过如上所述的晶片级复制形成。
接下来，如图4E所示，第二晶片子组件450承受通孔的形成、以及填充通孔并且形成上间隔件380和下间隔件390的真空注射模制方法。因此，间隔件380、390可以形成为单个真空注射模制件，其部分392填充第二晶片412中的通孔。美国专利号9,094,593和美国公布专利申请号 2015-0034975中描述了合适的技术。这些技术包括例如通过切削、微机械加工或激光切割形成穿过晶片的通孔。然后可以使用真空注射来提供环氧树脂或其他合适材料，以便填充晶片中的开口并且形成间隔件。在一些情况下，环氧树脂或其他材料随后被固化(例如，通过暴露于热处理和/或UV 处理)。上述美国专利文献的公开内容以引用的方式并入本文。图4E中的处理产生了为每个组件300提供下基底412的第二晶片子组件450。
接下来，如图4F所示，第一晶片组件440和第二晶片组件450彼此附接以便形成晶片堆叠470。子组件440、450可以例如通过胶水或其他粘合剂(例如，通过喷胶或丝网印刷)彼此附接，并且可以彼此附接使得光学元件 416、418彼此面对。然后晶片级堆叠470可以被分离(例如，通过切削)以便形成多个单独组件300。
在一些情况下，在图4E中，第二晶片子组件450可以例如附接到UV 切削带，并且然后被切削以便形成多个单一化基底。然后可以向真空注射工具提供单一化基底以便形成上间隔件380和下间隔件390。在这种情况下，晶片级方法可以包括将第一晶片414附接到单一化的基底以便形成堆叠，使得每个光学元件416、418设置在第一晶片414与一个单一化基底之间。然后，将堆叠分成(例如，通过切削)多个堆叠组件，每个所述组件包括至少一个光学元件。
使用真空注射技术来形成间隔件380、390可以是有利的。例如，上间隔件380的添加允许增加光学元件316、318之间的距离‘d’，即使用于光学元件316、318的复制材料的横向侧部分320的厚度受到某种程度的限制 (例如，在一些情况下限制到50μm或更小)。
在图4A至图4F的示例性方法中，晶片412、414均具有在其相应表面上复制的光学元件416、418。然而，在一些实现方式中，仅一个晶片(第一晶片414或第二晶片412)在其表面上具有光学元件。此外，尽管光学元件416、418被示出为DOE，但是在一些情况下可以使用其他类型的光学元件。
堆叠组件10(图1)和堆叠组件300(图3)可以集成到大范围的光电子模块中并且与其一起使用。此类模块可以包括有源光电子部件，诸如光发射器(例如，发光二极管(LED)、红外(IR)LED、有机LED(OLED)、红外(IR) 激光器或垂直腔面表面发射激光器(VCSEL))和/或光传感器(例如，CCD或 CMOS传感器)。此外，此类模块可以集成到各种类型的消费者电子产品和其他装置中，诸如手机、智能手机、个人数字助理(PDA)、平板计算机和笔记本计算机、以及生物装置、移动机器人和数码相机等。
各种修改将是显而易见的并且在本发明的精神内。因此，其他实现方式也在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种制造多个堆叠组件的晶片级方法，所述方法包括：
提供第一晶片和第二晶片，其中所述第一晶片或所述第二晶片中的至少一个在其表面上具有多个光学元件；
在所述第二晶片中形成通孔；
使用真空注射技术，以便在所述第二晶片的相对表面上形成上间隔件和下间隔件，其中所述真空注射技术用形成所述上间隔件和所述下间隔件的相同材料来填充所述第二晶片中的所述通孔；
将所述第一晶片附接到所述第二晶片以便形成晶片堆叠，所述第一晶片和所述第二晶片被附接使得每个光学元件设置在所述第一晶片与所述第二晶片之间，其中所述第一晶片和第二晶片通过粘合剂彼此附接，所述粘合剂设置在所述第一晶片的所述光学元件的横向侧部分与所述第二晶片上的所述上间隔件之间；以及
将所述晶片堆叠分成多个堆叠组件，每个所述堆叠组件包括至少一个所述光学元件。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述光学元件为衍射光学元件。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述光学元件为复制光学元件。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述上间隔件和所述下间隔件形成为填充所述第二晶片中的所述通孔的单真空注射模塑部件。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述通孔通过切削、微机械加工或激光切割形成。
6.如权利要求4所述的方法，其中所述上间隔件和所述下间隔件由环氧树脂构成。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述粘合剂通过喷胶来施加。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述粘合剂通过丝网印刷来施加。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片和所述第二晶片中的每一个在其表面上具有多个光学元件。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片上的所述多个光学元件面对所述第二晶片上的所述多个光学元件。
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