CN113260499B - 制造多个光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种制造多个光学元件的方法，包括以下步骤：提供基板(120)；提供工具(100)的步骤，工具(100)包括多个复制部段，每个复制部分限定其中一个光学元件的表面结构，以及至少一个接触间隔件部分(112)，使工具(100)和基板(120)彼此对准并将工具(100)和基板(120)的第一面放在一起，复制材料(124)位于工具(100)和基板(120)之间，接触间隔件部分(112)接触基板(120)的第一侧；硬化复制材料(124)，并将工具(100)与基板(120)分离，硬化的复制材料粘附在基板(120)上，其中工具(100)在复制部段(106)的至少一部分周围具有区域线特征(304)，区域线特征(304)被配置成相对于工具(100)和基板(120)在区域线的第一侧包含复制材料(124)。

Description

制造多个光学元件的方法

技术领域

本发明涉及环氧树脂喷射期间的场地控制特征。

背景技术

包括一个或多个光辐射发射器和一个或多个光传感器的光学设备可以用于广泛的施加，包括例如距离测量、接近感测、手势感测和成像。小型光电模块，如成像设备和光投影仪采用光学组件，光学组件包括沿设备的光轴堆叠的透镜或其他光学元件，以实现所需的光学性能。复制的光学元件包括用于影响光束的透明衍射和/或折射光学元件。在一些施加中，这种光电模块可以包含在各种消费电子产品的壳体中，例如移动计算设备、智能电话或其他设备的壳体中。

发明内容

本公开描述了包括微型间隔件部分的光学和光电组件，以及制造这种组件的方法。

一种制造多个光学元件的方法，包括以下步骤：提供基板；提供工具，工具包括多个复制部段，每个复制部段限定其中一个光学元件的表面结构，并且包括至少一个接触间隔件部分；使工具和基板相对于彼此对准，并且使工具和基板的第一侧在一起，其中复制材料在工具和基板之间，所述接触间隔件部分接触所述基板的第一侧；硬化所述复制材料；并将所述工具与所述基板分离，其中所述硬化的复制材料粘附到所述基板上，其中所述工具具有围绕所述复制部段的至少一部分的区域线特征，所述区域线特征被配置为在所述区域线的第一侧相对于所述工具和所述基板包含所述复制材料。

本文所述的区域控制特征有利地能够创建具有非圆形透镜的密集布局，以及光学结构和机械(例如，间隔件)或电气功能(例如，焊盘)相结合的模块。其他优点包括在复制和堆叠过程中在基板上产生排气通道而不需要额外的切割步骤。这些特征可用于生成更密集的布局，创建包括眼睛安全功能的包装，并减少通风通道生成的过程步骤。这些特征避免了不受控制的环氧树脂流动和气泡的形成，允许密集包装的结构和降低生产成本。

基板可以是“晶片”或其它基础元件，在其上增加了附加结构，例如在其上粘附有硬化的复制材料结构，基板限定了多个光学元件的表面，具有一些光刻增加或去除的特征(例如孔等)或其他结构。基板可以包括任何材料或材料组合。

光学元件可以是影响辐射它们的光的任何元件，包括但不限于透镜/准直器、图案发生器、偏转器、反射镜、分束器、用于将辐射分解成其光谱成分的元件等，以及它们的组合。基板一侧上的复制结构和基板两侧上的两个对准的复制光学元件的集合被称为“光学元件”。

该工具(或“复制工具”)可包括形成刚性背板的第一较硬材料和形成接触间隔件部分和复制部段的第二较软材料部分(复制部分)。通常，接触间隔件部分可以与形成复制部段的工具部分的材料相同，并且可以仅仅是工具的结构特征(没有添加元件)。作为替代，接触间隔件部分可以包括附加材料，例如在最外表面上的柔软和/或粘性材料的涂层。

作为像PDMS那样的低刚度材料的替代，接触间隔件也可以包括粘合剂，例如粘合剂层。对于工具的整个复制部分使用低刚度材料对于其制造是有利的，因为不需要添加接触间隔件或其涂层的单独步骤。整个复制部分可以通过从也包括接触间隔件部分的母板或子母板复制(模制、压花等)以单个形状制造。

接触间隔件部分可操作以在复制过程中靠在基板上，接触间隔件部分和基板之间没有材料。接触间隔件部分可以是连续的，或者可以包括围绕周边的多个离散部分，或者分布在复制表面的周边和/或内部的大部分上。换句话说，接触间隔件部分可以是允许复制工具靠在基板上的任何构造。例如，接触间隔件部分的分布是这样的，即接触间隔件部分位于穿过工具质心的每条共面线的两侧。间隔件被布置和构造成使得如果工具位于基板上，则厚度(垂直于基板和工具平面的z方向)由间隔件部分限定。

本发明的一个或多个实施例的细节在附图和以下描述中阐述。从说明书和附图以及权利要求书中，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示出了用于复制的示例性横截面工具/基板结构。

图2是一种复制结构，其中由于不受控制的环氧树脂流动导致复制过程中形成气泡而导致线的特征不佳。

图3示出了横截面工具/基板结构，其具有用于控制环氧树脂流动的区域线特征。

图4示出了用如图3中所示的区域线特征复制的复制结构的细节。

不同附图中相同的参考符号表示相同的元件。

具体实施方式

图1示意性示出了穿过工具100和基板120的横截面。所示实施例中的工具100包括第一材料(例如玻璃)的刚性背板102和第二较软材料(例如PDMS)的复制部分104。复制部分形成包括多个复制部段106的复制表面108，每个复制部段的表面是要制造的光学元件的表面形状的(负)拷贝。复制部段106可以是凸的并因此限定凹的光学元件表面，或者是凸的并限定凹的光学元件表面。

复制部分104具有接触间隔件部分112，其被图示为外围布置。接触间隔件部分112是复制工具100在z方向上突出最远的结构。接触间隔件部分基本上是平的，因此，在复制过程中可操作地靠在基板102上，接触间隔件部分112与基板120之间没有材料。

基板120具有第一面(例如，基板表面126)和第二面，并且可以是任何合适的材料，例如玻璃。基板120还具有添加到其上的结构，复制品将与该结构对准。该结构例如可以包括在x-y平面中结构化的涂层122，例如具有孔的屏幕，或者结构化的红外滤光器，或者电层(铬、氧化铟锡、金...)，等等。该结构可以附加地或作为替代包括进一步的特征，如标记等。此外，或者作为另一种选择，该结构可以包括构成光学元件表面的硬化复制材料结构。

为了对工具100的复制表面108进行复制，将复制材料124施加到基板120或工具100上或施加到工具100和基板120两者上。复制材料124的这种施加可以包括将复制材料124的多个部分(针对每个复制部段一个部分)施加到工具100和/或基板120(尽管图中示出了复制材料124的单个部分)。每个部分例如可以通过喷出或喷射一个液滴或多个液滴，通过例如可以以类似喷墨打印机的方式工作的分配工具来施加。每个部分可以任选地由仅在复制过程中相互接触的多个子部分组成。一般来说，液滴是环氧树脂。

在施加复制材料124之后，基板120和工具100相对于彼此对准。为此，可以使用类似于在所谓的掩模对准器中使用的过程。对准过程可以包括将工具100和/或基板120的至少一个特定特征(优选使用两个特征)分别与基板120或工具100的至少一个特定特征对准，或者与对准设备的参考点对准。为此，合适的特征包括结构本身的明确定义的元素(例如结构化涂层的定义的角或透镜峰等)，特别添加了对准标记，或者可能还有基本元素等的边缘等。如本领域所知，对准还包括精确地使工具和基板表面平行，以避免楔形误差；这种平行化可以发生在x-y对准之前。

在对准之后，将基板120和工具100放在一起，接触间隔件部分112靠在基板表面上，并且限定(如果存在的话，与浮动间隔一起限定)z尺寸，并且还锁定工具防止x-y移动。此后，将基板-工具-组件从对准站移除，并转移到硬化站。

工具的复制部分104，或者至少接触间隔件部分112的表面，由具有相对较低刚度的材料制成，使得它可以在“正常”条件下(例如，不超过由位于基板上的工具的重力引起的压力，反之亦然)适应微米和/或亚微米级的粗糙度，因此，可以形成与基板表面的紧密连接。此外，工具的复制部分或至少接触间隔件部分的表面可以具有相对较低的表面能，以使得这种对微米和/或亚微米级的粗糙度的适应是有利的。这种材料的优选例子是聚二甲基硅氧烷PDMS。

如图2所示，在复制中，当工具100和基板100(例如玻璃)接触时，在喷射过程中施加的过量环氧树脂202(例如复制材料124)通常溢出感兴趣的区域并形成区域204。如图所示，区域204通常是圆形的。该圆形区域204是由于在复制过程中添加了超过每个结构所需的额外的环氧树脂202而导致溢出形成的。额外的环氧树脂202确保特定结构所需的复制材料的完整体积可用(因为环氧树脂体积的公差不为零)，并且额外的流体池形成区域204。在密集布局中，这些圆形区域204可以通过在这些圆圈之间捕获空气来连接并形成不期望的气穴206。气穴206的位置不能被控制，并且会导致结构不能被完全覆盖，这导致产量损失。在需要堆叠的模块中，复制过程中不受控制的环氧树脂流动可能导致在堆叠过程中需要额外的切割步骤以包括排气通道。

为了在复制过程中控制环氧树脂流动，在工具100的设计中可以包括区域线特征(也被称为“区域线”、“线特征”或“区域线特征”)，以改变局部流体力并为环氧树脂202提供优选的流动方向。这些特征可以包含在母版制作过程本身中(在激光写入过程中)，或者可以随后在光刻过程中添加，在光刻过程中，这些特征可以被构造为附加的环氧树脂层。这里描述的区域线特征可以集成在通过不同技术(EBL、激光写入器等)制造的各种母版中。

图3示出了区域线304，其将避免液态环氧树脂302(例如，复制材料124)的流动，使得区域204形成圆形。相反，在液态环氧树脂302与区域线304接触时，线特征304使液态环氧树脂302跟随区域线304。在一些情况下，线特征304在工具100中在其复制表面108上被蚀刻(或以其他方式制造)，和/或线特征304可以替代地或附加地存在于基板120上。

区域线304产生毛细管力的局部变化。毛细作用是在没有重力等外力的帮助的情况下，甚至在与重力等外力相反的情况下，液体在狭窄空间中流动的能力；在这种情况下，狭窄的空间位于工具100(特别是区域线304)和基板120之间。

毛细管力的局部变化改变了液态环氧树脂302流动的优选方向。参考图3，示例性的区域线304将工具表面108与基板126的表面之间的距离从距离d1减小到距离d2，改变了区域线304外部的液体与空气之间的接触角。这种物理变化导致毛细管力以高度局部化的方式快速变化(如图3中的箭头312所指向的曲线图所示)，从而促使液态环氧树脂302停留在区域线304内(例如，如箭头310所示朝向结构内部)。区域线304将分离距离减小到d2，使得液态环氧树脂302被包含而不是散开。可以选择区域线304的形状(例如，其角度和高度d2)以包含液态环氧树脂302的最大体积，例如，不能克服针对特定区域线304结构存在的毛细管力的最大环氧树脂体积。尽管示出了三角形的区域线特征304，但是这些特征可以是减小工具100与基板120之间的间隔距离的任何形状，例如矩形或正方形台阶、曲线或不规则形状。

图4示出了使用区域线特征304制造的基板400。通过具有区域线304的复制过程形成的区域线结构404创建了所示的大致正方形的区域406。也就是说，区域线304(如图3所示)被配置为大致成正方形。当在正常复制过程中喷射液态环氧树脂302时，区域线304使得液态环氧树脂302不超过区域线304。结果是由区域线结构404界定的所示正方形区域形状406。尽管示出了正方形区域406，但是通过区域线304形成的环氧树脂区域可以是任何形状，例如可以是不规则形状。例如，示例性基板400具有不规则拐角410，它们是正方形区域406的一部分。这些不规则拐角410可以是完整光学元件的设计特征。

在一些实施例中，区域线304可用于将液态环氧树脂302从基板120的一部分中排除，而不是将其保持在基板120的期望部分中。例如，基板的区域可以有意保持清洁，例如用于眼睛安全特征的焊盘或电触点。要保持清洁的区域可以是由区域线304以任何期望的形状环绕的区域。

如上所述，切割可以在上述用于对准复制的方法步骤之后的某个阶段进行。附着有复制品的基板被分成或切割成单独的光学元件。该步骤对于排出气泡(例如，图2中的气泡206)可能是必要的。利用由区域线304描述的区域技术，可以消除该切割步骤。

本文所述的区域控制特征有利地能够创建具有非圆形透镜的密集布局，以及光学结构和机械(例如，间隔件)或电气功能(例如，焊盘)相结合的模块。其他优点包括在复制和堆叠过程中无需额外的切割步骤而产生排气通道。这些特征可用于生成更密集的布局，创建包括眼睛安全功能的包装，并通过通风通道生成减少工艺步骤的数量。

已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种制造多个光学元件的方法，包括以下步骤：

提供基板；

提供在复制侧包括多个复制部段的工具，每个复制部段限定所述光学元件之一的表面结构，所述工具还包括至少一个接触间隔件部分，所述接触间隔件部分在复制侧比复制部段的最外特征更突出；

将所述工具和所述基板相对于彼此对准，并将所述工具和所述基板的第一面放到一起，复制材料位于所述工具与所述基板之间，所述接触间隔件部分接触所述基板的第一面，从而使所述间隔件部分粘附到所述基板的第一面；

硬化所述复制材料；和

将所述工具与所述基板分离，硬化的所述复制材料粘附到所述基板上，其中所述工具在所述复制部段的至少一部分周围具有区域线特征，所述区域线特征被配置为减小所述工具与所述基板之间的间隔距离，并因而产生毛细管力的局部变化以相对于所述工具和所述基板两者在所述区域线的第一侧包含所述复制材料。

2.一种用于制造多个光学元件的设备，包括：

基板；和

工具，所述工具在复制侧包括多个复制部段，每个复制部段限定所述光学元件之一的表面结构，所述工具还包括至少一个接触间隔件部分，所述接触间隔件部分在复制侧比复制部段的最外特征更突出，其中所述工具在所述复制部段的至少一部分周围具有区域线特征，所述区域线特征被配置为减小所述工具与所述基板之间的间隔距离，并因而产生毛细管力的局部变化以相对于所述工具和所述基板两者在所述区域线的第一侧包含复制材料。