CN116540499A - 形成光学模块的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及形成光学模块的方法。提供了光学模块及其形成方法。在一个实施例中，示例性方法包括：在第一晶圆之上形成多个第一光学元件，在第二晶圆之上形成多个第二光学元件，在第三晶圆之上形成多个第三光学元件，将第一晶圆与第二晶圆对准，使得在第一晶圆与第二晶圆的对准后，每个第一光学元件与对应的第二光学元件竖直交叠。该方法还包括将第一晶圆与第二晶圆键合以形成第一键合结构，将第二晶圆与第三晶圆对准，使得在将第一键合结构的第二晶圆键合至第三晶圆时，在第二晶圆与第三晶圆的对准后，每个第二光学元件与对应的第三光学元件竖直交叠。

Description

形成光学模块的方法
技术领域
本公开涉及半导体领域，更具体地，涉及形成光学模块的方法。
背景技术
半导体集成电路(IC)行业经历了指数级增长。IC材料和设计的技术进步产生了几代IC，每一代的电路都比上一代更小、更复杂。在IC演进过程中，功能密度(即每芯片面积的互连模块数量)普遍增加，而几何尺寸(即可以使用制造工艺创建的最小组件(或线))减少。这种按比例缩小的过程通常通过提高生产效率和降低相关成本来提供好处。
尽管在半导体制造方面取得了进步，但形成光学模块的现有方法可能仍需要改进。例如，每个光学模块可能通过将多个单独的光学元件对准和组装来形成，导致体积庞大的光学模块，复杂的模块组装过程，以及增加了成本。因此，尽管现有的形成光学模块的方法通常已经足够，但它们在并非在所有方面都是令人满意的。
发明内容
本公开的第一方面涉及一种用于形成半导体结构的方法，包括：在第一晶圆之上形成多个第一光学元件；在第二晶圆之上形成多个第二光学元件；将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准，其中，在将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准后，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件与所述多个第二光学元件中对应的第二光学元件竖直交叠；在将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆键合，从而得到第一键合结构；在第三晶圆之上形成多个第三光学元件；将所述第一键合结构的所述第二晶圆与所述第三晶圆对准，其中，在将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准后，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件与所述多个第三光学元件中对应的第三光学元件竖直交叠；以及在将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准后，将所述第一键合结构的所述第二晶圆键合至所述第三晶圆，从而得到第二键合结构。
本公开的第二方面涉及一种用于形成半导体结构的方法，包括：在第一晶圆之上形成多个第一光学元件；在第二晶圆之上形成多个第二光学元件；在第三晶圆之上形成多个第三光学元件；在形成所述多个第一光学元件以及形成所述多个第二光学元件之后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准；在所述第一晶圆与所述第二晶圆的对准后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆键合；在形成所述多个第三光学元件后，将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准；在所述第二晶圆与所述第三晶圆的对准后，将所述第一晶圆和所述第二晶圆与所述第三晶圆键合，从而得到键合结构；以及切割所述键合结构以形成多个第一光学模块，其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括所述多个第一光学元件之一、所述多个第二光学元件之一和所述多个第三光学元件之一，并且其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括竖直侧壁。
本公开的第三方面涉及一种光学模块，包括：第一衬底；图像传感器，设置在所述第一衬底之上并电耦合到所述第一衬底；第一粘合层，设置在所述图像传感器之上；第二衬底，设置在所述图像传感器之上并通过所述第一粘合层附接到所述图像传感器；滤光器，设置在所述第二衬底之上并设置在所述图像传感器的正上方；第三衬底，设置在所述滤光器之上并通过第二粘合层附接到所述滤光器；以及透镜结构，设置在所述第三衬底之上并且设置在所述图像传感器和所述滤光器的正上方，其中，所述第一衬底的侧壁表面与所述第二衬底的侧壁表面对准。
附图说明
当与附图一起阅读时，从以下详细描述可以最好地理解本公开。需要强调的是，根据行业的标准做法，各种特征未按比例绘制，仅用于说明目的。事实上，为了讨论的清晰，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。
图1图示了根据本公开的一个或多个方面的用于同时形成多个第一光学模块和多个第二光学模块的方法的流程图。
图2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21和22图示了根据本公开的一个或多个方面的在图1的方法中的各个制造阶段期间工件的局部剖视图。
图23图示了根据本公开的一个或多个方面的用于形成多个第一光学模块和多个第二光学模块的第一替代方法的流程图。
图24、25、26、27、28、29、30、31、32和33图示了根据本公开的一个或多个方面的在图23的方法中的各个制造阶段期间工件的局部剖视图。
图34图示了根据本公开的一个或多个方面的用于形成多个第一光学模块的第二替代方法的流程图。
图35、36、37、38、39、40、41、42和43图示了根据本公开的一个或多个方面的在图34的方法中的各个制造阶段期间工件的局部剖视图。
图44、45和46图示了根据本公开的一个或多个方面的在各个制造阶段期间替代工件的局部剖视图。
具体实施方式
以下公开提供了许多不同的实施例或示例，用于实现所提供主题的不同特征。下面描述组件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例并且不旨在进行限制。例如，在下面的描述中，在第二特征之上或上形成第一特征可以包括第一和第二特征直接接触地形成的实施例，并且还可以包括附加特征可以在第一和第二特征之间形成、使得第一和第二特征可以不直接接触的实施例。此外，本公开可以在各种示例中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身并不规定所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
为了便于描述，本文可以使用诸如“下方”、“之下”、“下”、“之上”、“上”等空间相关术语来描述如图所示的一个元素或特征与另一元素或特征的关系。除了图中描绘的方向之外，空间相对术语旨在涵盖设备在使用或操作中的不同方向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且本文使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。
此外，当用“大约”、“近似”等描述数字或数字范围时，该术语旨在涵盖在合理范围内的数字，考虑到如本领域普通技术人员所理解的在制造期间固有地出现的变化。例如，基于与制造具有数字所关联的特性的特征相关联的已知制造公差，数字或数字范围涵盖包括所描述的数字在内的合理范围，例如在所描述的数字的+/-10％内。例如，具有“约5nm”厚度的材料层可以涵盖从4.25nm到5.75nm的尺寸范围，其中本领域普通技术人员已知与沉积材料层相关联的制造公差为+/-15％。
光学模块广泛实现在各种设备中，如红外相机和点阵投影仪。一些光学模块可以包括多个光学元件。在一些现有技术中，可以单独制造每个光学元件，然后可以将这些光学元件对准和组装以形成一个光学模块。光学模块可能很笨重(bulky)。此外，形成多个光学模块涉及庞大且复杂的组装过程，这不利地增加了相关成本并降低了生产率。
本公开提供了用于形成光学模块的方法。在示例性方法中，可以在一个或多个晶圆上制造每种类型的光学元件。例如，可以在第一晶圆上制造多个透镜结构，并且可以在第二晶圆上制造多个滤光器结构。在这些晶圆上制造不同的光学元件之后，然后可以执行晶圆级对准和键合工艺。在这些晶圆的对准和键合之后，形成在这些晶圆上的光学元件可以相应地对准。然后可以进行单片化工艺以将键合的晶圆切割成多个光学模块。通过使用半导体可比工艺(semiconductor-comparable process)制造这些光学元件，可以实现具有减小尺寸的光学模块。此外，通过避免对每个单个光学模块执行重复的对准过程，执行晶圆级对准可以提高整体生产率并降低相关成本。
现在将参照附图更详细地描述本公开的各个方面。在这方面，图1是图示根据本公开的实施例的形成多个第一光学模块和多个第二光学模块的方法100的流程图。下面结合图2-22描述方法100，图2-22是根据方法100的实施例在不同制造阶段工件的局部剖视图。图23是图示根据本公开的实施例的形成多个第一光学模块和多个第二光学模块的替代方法300中的示例性操作的流程图。下面结合图24-33描述方法300，图24-33是根据方法300的实施例在不同制造阶段工件的局部剖视图。图34是图示根据本公开的实施例的形成多个第一光学模块的另一替代方法500中的示例性操作的流程图。下面结合图35-46描述方法500，图35-46是根据方法500的实施例的在不同制造阶段工件的局部剖视图。方法100、300和500仅仅是示例并且不旨在将本公开限制于其中明确说明的内容。可以在方法100、300和/或500之前、期间和之后提供额外的步骤，并且对于方法的额外实施例可以替换、消除或移动所描述的一些步骤。为简单起见，本文并未详细描述所有步骤。为避免疑虑，图2-22、24-33和35-46中的X、Y和Z方向相互垂直，并在整个2-22、24-33和35-46中始终如一地使用。在整个本公开中，相似的附图标记表示相似的特征，除非另有说明。
参考图1、2和3，方法100包括框102，在框102处，提供第一衬底202A和第二衬底202B。第一衬底202A(或第一晶圆202A)和第二衬底202B(或第二晶圆202B)中的每一个可以由石英、熔融石英、蓝宝石或对感兴趣光的波长透明的其他合适材料形成。在一些实施例中，第一衬底202A和第二衬底202B中的每一个都包括多个对准标记。例如，第一衬底202A包括两个对准标记203，第二衬底202B包括两个对准标记205。可以理解的是，图2和图3中表示的对准标记203/205的布置(例如，位置、形状、尺寸)和数量只是示例。其他布置和数量(例如，3个或更多)是可能的。在实施例中，第一衬底202A的俯视尺寸及形状与第二衬底202B的俯视尺寸及形状相同。
参考图1、2、4和6，方法100包括框104，在框104处，在第一衬底202A之上形成分束器208的上部208a。参考图2，第一材料层204设置在第一衬底202A上。第一材料层204可以使用原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或其他合适的方法形成在第一衬底202A上。第一材料层204可以包括金属(例如铝)、电介质材料(例如氮化硅)或任何其他合适的材料。
参考图4，在形成第一材料层204之后，使用CVD或ALD在第一衬底202A之上沉积掩模膜，然后通过光刻工艺图案化掩模膜，从而形成图案化掩模膜206。示例性光刻工艺包括旋涂涂覆光致抗蚀剂层、光致抗蚀剂层的软烘烤、掩模对准、曝光、曝光后烘烤、显影光致抗蚀剂层、冲洗和干燥(例如，硬烘烤)。图案化掩模膜206暴露第一材料层204的设置在第一衬底202A的第一区域R1正上方的部分。在使用图案化掩模膜206作为蚀刻掩模的同时，进行蚀刻工艺以去除第一材料层204被图案化掩模膜206暴露的部分。在一些实施例中，第一衬底202A的第一区域R1可以基于其他光学元件(例如，图19中所示的图像传感器236)的配置以及其他光学元件和相应对准标记之间的位置关系来确定。然后可以选择性地去除图案化掩模膜206。
参考图6，在去除图案化掩模膜206之后，可以对第一材料层204的剩余部分进行诸如光刻和蚀刻之类的进一步工艺，以在第一衬底202A的第二区域R2的正上方形成分束器208(图10所示)的上部208a。分束器208的上部208a可以包括形成在第一材料层204中的沟槽(例如，沟槽208T)。可以理解的是，图6所示的分束器208的上部208a的截面图的形状只是示例，并不旨在将本公开限制为其中显式图示的内容。
参考图1、3、5、7，方法100包括框106，在框106处，在第二衬底202B之上形成分束器208的下部208b。参考图3，第二材料层210设置在第二衬底202B上。第二材料层210的成分构成和形成可以类似于第一材料层204的成分构成和形成。在一个实施例中，第二材料层210的成分构成与第一材料层204的成分构成相同。
在第二材料层210的形成之后，在图5所示的实施例中，在第二材料层210之上形成图案化掩模膜212。图案化掩模膜212暴露第二材料层210的设置在第二衬底202B的第一区域R1’的正上方的部分。图案化掩模膜212的形成可以类似于图案化掩模膜206的形成。随后可以进行蚀刻工艺，以去除第二材料层210的设置在第二衬底202B的第一区域R1’的正上方的部分。然后可以选择性地去除图案化掩模膜212。在实施例中，第二衬底202B的第一区域R1’的俯视尺寸及形状与第一衬底202A的第一区域R1的俯视尺寸及形状基本上相同，并且第二衬底202B的第一区域R1’与对准标记205之间的位置关系对应于第一衬底202A的第一区域R1与对准标记203之间的位置关系，使得当第一衬底202A被翻转并且与第二衬底202B对准时，第一衬底202A的第一区域R1会与第二衬底202B的第一区域R1’对准。也就是说，在第一衬底202A被翻转并与第二衬底202B对准之后，第一衬底202A的第一区域R1和第二衬底202B的第一区域R1’的边界和中心线被对准。
参考图7，在去除图案化掩模膜212之后，可以对第二材料层210的剩余部分进行诸如光刻和蚀刻之类的进一步工艺，以在第二衬底202B的第二区域R2’的正上方形成分束器208(图10所示)的下部208b。分束器208的下部208b可以包括沟槽(例如沟槽208T’)。可以理解的是，图7所示的分束器208的下部208b的截面图的形状只是示例，并不旨在将本公开限制为其中显式图示的内容。可以基于分束器208的期望位置和配置以及形成在第一衬底202A之上的分束器208的上部208a的对应位置和配置，来确定形成在第二衬底202B之上的分束器208的下部208b的位置和配置。在实施例中，第二衬底202B的第二区域R2’被确定为使得：当第一衬底202A被翻转并与第二衬底202B对准时，形成在第一衬底202A之上的分束器208的上部208a和形成在第二衬底202B之上的分束器208的下部208b的组合会形成具有(一个或多个)令人满意的光学功能的分束器208。
参考图1、8和9，方法100包括框108，在框108处，在第一衬底202A之上形成第一粘合层214a并且在第二衬底202B之上形成第二粘合层214b。第一粘合层214a与第二粘合层214b被配置为促进第一衬底202A与第二衬底202B之间的键合。在实施例中，第一粘合层214a不仅形成于分束器208的上部208a上及其周围，而且填充分束器208的上部208a的沟槽(例如沟槽208T)。第一粘合层214a也形成在第一衬底202A的第一区域R1的正上方。第二粘合层214b不仅形成在分束器208的下部208b上和周围，而且填充分束器208的下部208b的沟槽(例如沟槽208T’)。第二粘合层214b也形成在第二衬底202B的第一区域R1’的正上方。第一粘合层214a和第二粘合层214b可以包括具有低光吸收系数(或吸收率)的任何合适的材料，例如苯并环丁烯(BCB)聚合物，并且可以使用任何合适的方法来沉积。第一粘合层214a可以在形成第二粘合层214b之前或之后形成。在一些其他实施例中，第一粘合层214a和第二粘合层214b可以同时形成。
参考图1和图10，方法100包括框110，在框110处，第一衬底202A被翻转。在图8所示的工件被翻转后，如图10所示，第一衬底202A位于顶部并且设置在第一材料层204(包括分束器208的上部208a)之上。
参考图1和图10，方法100包括框112，在框112处，第一衬底202A与第二衬底202B对准。如上面参考图2-3所描述的，第一衬底202A包括对准标记203，第二衬底202B包括对准标记205。在所示实施例中，在第一衬底202A被翻转之后，可以横向移动第二衬底202B直到第二衬底202B中的每个对准标记205与第一衬底202A中的对应对准标记203对准。也就是说，执行晶圆级对准工艺，以将第二衬底202B与第一衬底202A对准。在实施例中，在第一衬底202A被翻转并与第二衬底202B对准后，第一衬底202A的第一区域R1与第二衬底202B的第一区域R1’对准，并且第一衬底202A的第二区域R2与第二衬底202B的第二区域R2’对准。由于对准工艺是晶圆级对准工艺，因此可以获得较高的对准准确度。在一个实施例中，在第一衬底202A与第二衬底202B之间对准后，第一衬底202A的第一区域R1的中心线与第二衬底202B的第一区域R1’的中心线之间的距离可以小于10um。在一些实施例中，第一区域R1的中心线与第一区域R1’的中心线之间基本上没有偏移。对于第二区域R2和第二区域R2’同样如此。
参考图1和图10，方法100包括框114，在框114处，将第一衬底202A键合到第二衬底202B。在第一衬底202A与第二衬底202B对准后，第一粘合层214a直接面对第二粘合层214b。在实施例中，第一粘合层214a的成分构成与第二粘合层214b的成分构成相同，且第一粘合层214a与第二粘合层214b可以分别称为或统称为粘合层214(图10所示)。在一些实施例中，第一衬底202A通过热压键合工艺(例如，包括加热以及热和机械压力)或其他合适的键合工艺键合到第二衬底202B。在将第一衬底202A键合到第二衬底202B之后，分束器208的上部208a和分束器208的下部208b的组合形成分束器208。在图10所示的图示实施例中，通过第一粘合层214a和第二粘合层214b的组合，分束器208的上部208a与分束器208的下部208b竖直地隔开。图10所示的工件可以称为结构216。
在一些实施例中，如图11所示，在第一衬底202A被键合到第二衬底202B之后，可以执行减薄工艺，以从第一衬底和第二衬底的背面将第一衬底202A和第二衬底202B减薄以减小结构216的总厚度。减薄工艺可以包括机械研磨工艺和/或化学减薄工艺。例如，可以在第一机械研磨工艺期间首先从第一衬底202A去除大量衬底材料。之后，可以对第二衬底202B的背面应用第二机械研磨工艺，以减薄第二衬底202B。
参考图1、12和13，方法100包括框116，在框116处，第一透镜结构220a和第二透镜结构220b分别形成在第三衬底202C的第一预定区域R1”和第二预定区域R2”之上。第三衬底202C可以由石英、熔融石英、蓝宝石或对感兴趣光的波长透明的其他合适材料形成。第三衬底202C还包括多个(例如，两个)对准标记218。可以理解，对准标记218的布置(例如，位置、形状、尺寸)和数量只是示例。在实施例中，第三衬底202C的俯视尺寸及形状与第二衬底202B的俯视尺寸及形状相同。也就是说，当第三衬底202C与第二衬底202B对准时，第三衬底202C的边界(侧壁)和中心线与第二衬底202B的边界(侧壁)和中心线基本上对准。
为了形成第一透镜结构220a和第二透镜结构220b，参考图12，第三材料层220设置在第三衬底202C上。第三材料层220可以使用原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或其他合适的方法形成在第三衬底202C上。第三材料层220可以包括金属材料和/或电介质材料，例如二氧化钛(TiO2)、氧化铝、氧化铪(HfO2)、氧化锌(ZnO)、氮化硅(Si3N4)、其他合适的材料或它们的组合。在形成第三材料层220之后，参考图13，可以执行一个或多个光刻工艺以去除第三材料层220的过量部分，以在第三衬底202C的第一区域R1”的正上方形成第一透镜结构220a并且在第三衬底202C的第二区域R2”的正上方形成第二透镜结构220b。在一个实施例中，第一透镜结构220a和第二透镜结构220b都包括平面透镜结构，并且每个平面透镜结构可以包括由第三材料层220形成的多个鳍220f。这些鳍220f可以具有沿X方向的不同宽度。
在实施例中，第三衬底202C的第一区域R1”与相应对准标记218之间的位置关系对应于第二衬底202B的第一区域R1’与对准标记205之间的位置关系，并且第三衬底202C的第二区域R2”与对准标记218之间的位置关系对应于第二衬底202B的第二区域R2’与对准标记205之间的位置关系。因此，当第三衬底202C与第二衬底202B对准时，第三衬底202C的第一区域R1”会与第二衬底202B的第一区域R1’对准，并且第三衬底202C的第二区域R2”会与第二衬底202B的第二区域R2’对准。
参考图14，在形成第一透镜结构220a和第二透镜结构220b之后，在第三衬底202C之上形成第三粘合层222。在实施例中，第三粘合层222不仅形成于第一透镜结构220a和第二透镜结构220b的鳍220f上，而且填充第三衬底202C上相邻的两个鳍220f之间的沟槽。第三粘合层222可以包括具有低光吸收系数(或吸收率)的任何合适的材料，例如苯并环丁烯(BCB)聚合物，并且可以使用任何合适的方法来沉积。
参考图1和图15，方法100包括框118，在框118处，第三衬底202C与结构216的第二衬底202B对准。如上所述，第二衬底202B包括对准标记205并且第三衬底202C包括对准标记218。第三衬底202C可以横向移动，直到第三衬底202C中的每个对准标记218与第二衬底202B中的对应对准标记205对准。也就是说，进行晶圆级对准工艺，以将第三衬底202C与第二衬底202B对准，并且可以获得较高的对准准确度。一旦第三衬底202C与第二衬底202B对准，第三衬底202C的第一区域R1”就与第二衬底202B的第一区域R1’对准，并且第三衬底202C的第二区域R2”与第二衬底202B的第二区域R2’对准。换言之，分束器208形成在第二透镜结构220b的正上方。在第三衬底202C与第二衬底202B之间对准后，分束器208的中心线与第二透镜结构220b的中心线之间的距离可以小于10um。在一个实施例中，分束器208的中心线和第二透镜结构220b的中心线之间基本上没有偏移。
参考图1和图15，方法100包括框120，在框120处，第三衬底202C键合到结构216的第二衬底202B。在第三衬底202C与第二衬底202B对准之后，第三粘合层222直接面对第二衬底202B的底表面。第三衬底202C可以朝向第二衬底202B移动，直到第三粘合层222将第三衬底202C键合到第二衬底202B的底表面。在一些实施例中，第三衬底202C通过热压键合工艺或其他合适的键合工艺键合到第二衬底202B。在将第三衬底202C键合到第二衬底202B之后，在图15所示的所示实施例中，分束器208形成在第二透镜结构220b的正上方。在键合工艺之后，可以执行减薄工艺(例如，机械研磨工艺和/或化学减薄工艺)，以从背面减薄第三衬底202C。在一个实施例中，包括第三衬底202C和第三粘合层222的工件的厚度T2可以在约100um和约150um之间。图15所示的工件可以称为结构226。
参考图1和图16，方法100包括框122，在框122处，滤光器结构230形成在第四衬底202D的区域R1”’之上。第四衬底202D可以由石英、熔融石英、蓝宝石或对感兴趣光的波长透明的其他合适材料形成。第四衬底202D还包括多个(例如，两个)对准标记228。可以理解，对准标记228的布置(例如，位置、形状、尺寸)和数量只是示例。在实施例中，第四衬底202D的俯视尺寸及形状与第三衬底202C的俯视尺寸及形状相同。也就是说，当第四衬底202D与第三衬底202C对准时，第四衬底202D的边界和中心线基本上与第三衬底202C的边界和中心线对准。在实施例中，第四衬底202D的区域R1”’与对准标记228之间的位置关系对应于第三衬底202C的第一区域R1”与对准标记218之间的位置关系，使得当第四衬底202D与第三衬底202C对准时，第四衬底202D的区域R1”’会与第三衬底202C的第一区域R1”对准。
滤光器结构230的形成可以包括在第四衬底202D之上沉积第四材料层和图案化第四材料层，以在第四衬底202D的区域R1”’的正上方形成滤光器结构230。第四材料层可以包括用于滤除特定频带(例如，所需的光波长)的染料基(或颜料基)聚合物。其他合适的材料也是可能的。在一些实施例中，滤光器结构230可以包括几个滤光器。
参考图17，在第四衬底202D的区域R1”’的正上方形成滤光器结构230之后，在第四衬底202D之上形成第四粘合层232。在实施例中，第四粘合层232形成在滤光器结构230上和周围。第四粘合层232可以包括具有低光吸收系数(或吸收率)的任何合适的材料，例如苯并环丁烯(BCB)聚合物，并且可以是使用任何合适的方法沉积。
参考图1和图18，方法100包括框124，在框124处，第四衬底202D与第三衬底202C对准。如上所述，第四衬底202D包括对准标记228并且第三衬底202C包括对准标记218。第四衬底202D可以横向移动直到第四衬底202D中的每个对准标记228与第三衬底202C中的对应的对准标记218对准。也就是说，执行晶圆级对准工艺，以将第四衬底202D与第三衬底202C对准。因此，可以获得较高的对准准确度。一旦第四衬底202D与第三衬底202C对准，第四衬底202D的区域R1”’就与第三衬底202C的第一区域R1”对准。换言之，滤光器结构230设置于第一透镜结构220a的正下方。在第四衬底202D与第三衬底202C之间对准后，滤光器结构230的中心线与第一透镜结构220a的中心线之间的距离可以小于10um。在一个实施例中，滤光器结构230的中心线与第一透镜结构220a的中心线之间基本上没有偏移。
参考图1和图18，方法100包括框126，在框126处，第四衬底202D键合到第三衬底202C。在第四衬底202D与第三衬底202C对准后，第四粘合层232直接面对第三衬底202C的底表面。第四衬底202D可以朝向第三衬底202C移动，直到第四粘合层232将第四衬底202D键合到第三衬底202C的底表面。在一些实施例中，第四衬底202D通过热压键合工艺或其他合适的键合工艺键合到第三衬底202C。在将第四衬底202D键合到第三衬底202C之后，在图18所示的所示实施例中，第一透镜结构220a形成在滤光器结构230的正上方，该滤光器结构230设置在第四衬底202D的区域R1”’的正上方。分束器208形成在第二透镜结构220b的正上方，并且第二透镜结构220b形成在第四衬底202D的区域R2”’的正上方。在键合工艺之后，可以执行减薄工艺(例如，机械研磨工艺和/或化学减薄工艺)，以从背面减薄第四衬底202D。图18所示的工件可以称为工件200。
参考图1和19，方法100包括框128，在框128处，提供工件200’。在实施例中，工件200’包括封装衬底202E。封装衬底202E可以是印刷电路板(PCB)或任何其他合适的衬底。工件200’还包括形成在封装衬底202E的第一区域A10的正上方的图像传感器236。在一些实施例中，可以使用粘合层(未示出)来将图像传感器236安装到封装衬底202E。图像传感器236使用键合线237a和金属垫237b而被电耦合到封装衬底202E。工件200’还包括形成在封装衬底202E的第二区域A20的正上方的垂直腔面发射激光器(VCSEL)238。在一些实施例中，粘合层可以用于将VCSEL238附接到封装衬底202E。VCSEL 238使用键合线239a和金属垫239b而被电耦合到封装衬底202E。封装衬底202E包括对准标记234。封装衬底202E的第一区域A10、图像传感器236和对准标记234之间的位置关系可以作为参考来确定第一透镜结构220a和滤光器结构230的配置。封装衬底202E的第二区域A20、VCSEL 238和对准标记234之间的位置关系可以作为参考来确定第二透镜结构220b和分束器208的配置。因此，当对准标记234与对准标记203、205、218和228对准时，第一透镜结构220a和滤光器结构230都设置在图像传感器236的正上方，并且分束器208和第二透镜结构220b都设置在VCSEL 238的正上方。
工件200’还包括形成在封装衬底202E之上的第五粘合层242。例如，第五粘合层242形成在图像传感器236和VCSEL 238上和周围。第五粘合层242可以包括具有低光吸收系数(或吸收率)的任何合适的材料，例如苯并环丁烯(BCB)聚合物，并且可以使用任何合适的方法来沉积。
参考图1和图20，方法100包括框130，在框130处，封装衬底202E与第四衬底202D对准。如上所述，封装衬底202E包括对准标记234并且第四衬底202包括对准标记228。封装衬底202E可以横向移动直到封装衬底202E中的每个对准标记234与第四衬底202D中对应的对准标记228对准。也就是说，进行晶圆级对准工艺以将封装衬底202E与第四衬底202D对准，从而可以实现较高的对准准确度。一旦封装衬底202E与第四衬底202D对准，封装衬底202E的第一区域A10就与第四衬底202D的第一区域R1”’对准，并且封装衬底202E的第二区域A20与第四衬底202D的第二区域R2”’对准。在一个实施例中，在封装衬底202E与第四衬底202D对准后，图像传感器236的中心线与滤光器结构230的中心线之间的距离可以小于10um，且VCSEL 238的中心线与第二透镜结构220b的中心线之间的距离可以小于10um。
参考图1和图20，方法100包括框132，在框132处，封装衬底202E通过第五粘合层242键合到第四衬底202D。在封装衬底202E与第四衬底202D对准后，第五粘合层242直接面对第四衬底202D的底表面。封装衬底202E可以向第四衬底202D移动，直到第五粘合层242将封装衬底202E键合到第四衬底202D的底表面，从而形成工件200”。在一些实施例中，封装衬底202E通过热压键合工艺或其他合适的键合工艺键合到第四衬底202D。工件200”包括形成在滤光器结构230的正上方的第一透镜结构220a、设置在图像传感器236的正上方的滤光器结构230、以及形成在第二透镜结构220b的正上方的分束器208、以及形成在VCSEL 238的正上方的第二透镜结构220b。
参考图1和图21，方法100包括框134，在框134处，执行进一步的工艺。这种进一步的工艺可以包括执行单片化工艺以利用切割技术(例如，机械切割)沿划线或划线通道切割，以将工件200”分成两个或更多个单独的光学模块，例如光学模块200A”和光学模块200B”。由于第一衬底202A、第二衬底202B、第三衬底202C和第四衬底202D是透明衬底，在一些实施例中，这些衬底202A-202D中只有一个被制造为具有划线或划线通道。
在实施例中，在执行单片化工艺之后，光学模块200A”包括使用键合线237a电耦合到封装衬底202E的图像传感器236、设置在图像传感器236的正上方的滤光器结构230、以及形成在滤光器结构230和图像传感器236的正上方的第一透镜结构220a。在一些实施例中，光学模块200A”可以用于形成红外(IR)相机。在一个实施例中，滤光器结构230的中心线与图像传感器236的中心线之间的距离小于10um，且第一透镜结构220a的中心线与图像传感器236的中心线之间的距离小于10um。光学模块200A”还包括形成在第一透镜结构220a的正上方的第一衬底202A、粘合层214和第二衬底202B。
光学模块200B”包括电耦合到封装衬底202E的VCSEL 238、形成在VCSEL 238的正上方的第二透镜结构220b、以及形成在第二透镜结构220b和VCSEL 238两者的正上方的分束器208。在一些实施例中，光学模块200B”可以用于形成点投影仪。在一个实施例中，第二透镜结构220b的中心线与VCSEL 238的中心线之间的距离小于10um，分束器208的中心线与VCSEL 238的中心线之间的距离为小于10um。光学模块200B”还包括竖直地夹在第二透镜结构220b和VCSEL 238之间的粘合层232和第四衬底202D。在各个实施例中，在单片化工艺中采用的切割技术形成直线切割。也就是说，光学模块200A”的侧壁250和光学模块200B”的侧壁252基本上竖直。也就是说，第一衬底202A、第二衬底202B、第三衬底202C、第四衬底202D和封装衬底202E中的每一个具有竖直侧壁，并且这些竖直侧壁沿Z方向对准。在此，“基本上竖直”是指对应的光学模块的侧壁与顶表面之间形成的角度在88°至92°之间。
在参考图2-21描述的上述实施例中，根据方法100制造的工件200”被切割以形成一个光学模块200A”和一个光学模块200B”。然而，方法100可以用于形成可以被切割以形成更多光学模块的工件(例如，工件200”’)。例如，多个第一透镜结构220a和多个第二透镜结构形成在第三衬底202C上，多个滤光器结构形成在第四衬底202D上，多个分束器208形成在第一晶圆202A和第二晶圆202B之间，并且多个图像传感器236和多个VCSEL 238安装在封装衬底202E上。可以对这些晶圆执行操作(例如，翻转、对准和键合工艺)以形成图22所示的工件200”’。在图22所示的实施例中，工件200”’包括用于形成光学模块200A”的多个区域A1和用于形成光学模块200B”的多个区域A2。然后可以对工件200”’进行切割以形成多个光学模块200A”和多个光学模块200B”。图22表示的工件200”’的配置只是示例并且不旨在进行限制。
在参考图1-22描述的上述实施例中，具有不同结构的光学模块200A”和光学模块200B”同时形成。如上所述，除了这些光学元件(例如，第一透镜结构220a、滤光器结构230、图像传感器236)之外，光学模块200A”还包括形成在第一透镜结构220a的正上方的第一衬底202A、粘合层214和第二衬底202B；类似地，光学模块200B”还包括竖直地夹在第二透镜结构220b和VCSEL 238之间的粘合层232和第四衬底202D。例如，为了形成更多的点投影仪和更多的IR相机，同时减少光学模块200A”和200B”的总厚度，其他方法也是可能的。图23描绘了图示根据本公开实施例的形成多个第一光学模块和多个第二光学模块的替代方法300中的示例性操作的流程图。方法300在下文结合图24-33进行描述。图24-33是根据方法300的实施例在不同制造阶段的工件的局部剖视图。
参考图23和图24，方法300包括框302，在框302处，提供第一工件400A。第一工件400A包括第一衬底402A。在实施例中，第一衬底402A包括多个对准标记(未示出)。第一工件400A还包括形成在第一衬底402A的预定区域A1,…AN-1、AN之上的多个透镜结构4041、…404N-1、404N。N为整数且不小于3。例如，透镜结构4041形成于第一衬底402A的区域A1之上，透镜结构404N-1形成于第一衬底402A的区域AN-1之上，并且透镜结构404N形成在第一衬底402A的区域AN之上。这些透镜结构4041、…404N-1、404N具有基本上相同的配置(例如，尺寸、功能)。第一工件400A还包括形成在第一衬底402A之上的粘合层406。第一衬底402A可以类似于第三衬底202C，每个透镜结构4041、…404N-1、404N可以类似于第一透镜结构220a，粘合层406可以类似于粘合层222，并且为简单起见，省略重复描述。
参考图23和图25，方法300包括框304，在框304处，提供第二工件400B。第二工件400B包括具有多个对准标记(未示出)的第二衬底402B。第二工件400B还包括分别形成在第二衬底402B的预定区域B1、B2、…BN之上的多个滤光器结构4081、4082、…408N。在实施例中，形成于第二衬底402B之上的滤光器结构的数量与形成于第一衬底402A之上的透镜结构的数量相同。在实施例中，用于在其上形成滤光器结构4081、4082、…408N的区域B1、B2、…BN是基于区域A1,…AN-1、AN的所确定位置来确定的。更具体地，当第一工件400A被翻转并且在第一衬底402A和第二衬底402B之间对准时，区域A1,…AN-1、AN会分别与区域BN、…B2、B1对准。这些滤光器结构4081、4082、…408N具有基本上相同的配置(例如，尺寸和功能)。第二工件400B还包括形成在第二衬底402B之上的粘合层410。第二衬底402B可以与第四衬底202D类似，每个滤光器结构4081、4082、…408N可以与滤光器结构230类似，粘合层410可以与粘合层232类似，并且为简单起见，省略重复描述。
参考图23和图26，方法300包括框306，在框306处，第一工件400A被翻转。如图26所示，在第一工件400A被翻转后，第一衬底402A位于顶部并设置在透镜结构4041、…404N-1、404N之上。随着第一工件400A的翻转，框306进行到第一衬底402A和第二衬底402B的晶圆级对准。第一衬底402A和第二衬底402B的对准可以类似于第一衬底202A和第二衬底202B的对准。例如，第二衬底402B可以横向移动，直到第二衬底402B的每个对准标记与第一衬底402A的对应对准标记对准。
参考图23和26，方法300包括框308，在框308处，第一衬底402A键合到第二衬底402B。第一粘合层406和第二粘合层410可以将第一衬底402A键合到第二衬底402B，从而形成键合结构400’。在将第一衬底402A键合到第二衬底402B之后，在图26所示的所示实施例中，透镜结构4041形成在滤光器结构408N的正上方。在一个实施例中，透镜结构4041、…404N-1、404N的每条中心线与设置在其下方的滤光器结构的对应中心线基本上对准。每个透镜结构通过第一粘合层406和第二粘合层410与对应的滤光器结构竖直地间隔开。在将第一衬底402A键合到第二衬底402B之后，可以执行减薄工艺以从第一衬底和第二衬底的背面减薄第一衬底402A和第二衬底402B，以减小键合结构400’的总厚度。在减薄工艺之后，第二衬底402B的底表面可以称为底表面402S。
在实施例中，第一工件400A被翻转并且第一衬底402A键合到第二衬底402B。在一些其他实施例中，滤光器结构和透镜结构的配置以及第一衬底402A和第二衬底402B的预定区域的位置可以调整，使得第一衬底402A可以键合到第二衬底402B，类似于参考图18描述的，而不翻转第一工件400A或第二工件400B。
参考图23和图27，方法300包括框310，在框310处，键合结构400’被切割成N个光学单元420。在实施例中，可以采用切割技术(例如，机械切割)沿第一衬底402A和/或第二衬底402B上的划线或划线通道切割键合结构400’以将键合结构400’切割成N个光学单元420。每个光学单元420包括形成在滤光器结构的正上方的透镜结构。在各种实施例中，切割技术形成直线切割。也就是说，每个光学单元420的侧壁基本上是竖直的。也就是说，第一衬底402A和第二衬底402B中的每一个具有竖直侧壁，并且这些竖直侧壁沿Y方向对准。
参考图23和图28，方法300包括框312，在框312处，提供第三工件400C。第三工件400C包括夹在衬底402C1和第三衬底402C2之间的N个分束器4241、4242、…、424N。衬底402C1和第三衬底402C2各自包括多个对准标记(未示出)。N个分束器4241、4242、…、424N形成在第三衬底402C2的预定区域C1、C2、…、CN的正上方。这些分束器具有基本上相同的结构和配置。每个分束器包括上部和下部，并且下部通过粘合结构426与上部间隔开。粘合结构426可以包括一个或多个粘合层并且可以类似于粘合层214。分束器4241、4242、…、424N的形成可以类似于参考图11描述的分束器208的形成，为简单起见，省略重复描述。
参考图23和图29，方法300包括框314，在框314处，提供第四工件400D。第四工件400D包括具有多个对准标记(未示出)和多个透镜结构4281、4282、…428N的第四衬底402D，所述多个透镜结构4281、4282、…428N分别形成在第四衬底402D的预定区域D1、D2、…DN之上。在实施例中，用于在其上形成透镜结构4281、4282、…428N的区域D1、D2、…DN是基于区域C1、C2、…、CN的所确定位置而确定的。更具体地，当第三衬底402C2与第四衬底402D对准时，区域D1、D2、…DN会分别与区域C1、C2、…、CN对准。第四工件400D还包括形成在第四衬底402D之上的粘合层430。第四衬底402D可以与第三衬底202C类似，各透镜结构4281、4282、…428N可以与第二透镜结构220b类似，粘合层430可以与粘合层222类似，为简单起见，省略重复描述。
参考图23和图30，方法300包括框316，在框316处，第三衬底402C2与第四衬底402D对准。第三衬底402C2和第四衬底402D的对准可以类似于第三衬底202C和第二衬底202B的对准。
参考图23和图30，方法300包括框318，在框318处，第三衬底402C2键合到第四衬底402D。在第三衬底402C2与第四衬底402D对准之后，可以进行热压键合工艺以将第三衬底402C2键合到第四衬底402D，从而形成键合结构400”。在形成键合结构400”后，每个分束器4241、4242、…、424N形成在那些透镜结构4281、4282、…428N的相应透镜结构的正上方。在一个实施例中，透镜结构4281、4282、…428N的每条中心线与设置在其下方的对应分束器的中心线基本上对准。在将第三衬底402C2键合到第四衬底402D之后，可以执行减薄工艺以从第四衬底402D的背面对其进行减薄。
参考图23和图31，方法300包括框320，在框320处，键合结构400”被切割成N个光学单元440。键合结构400”的切割可以类似于键合结构400’的切割。每个光学单元440包括形成在透镜结构的正上方的分束器。在各种实施例中，每个光学单元440的侧壁基本上是竖直的。即，每个衬底402C1、402C2、402D具有竖直侧壁，这些竖直侧壁沿Y方向对齐。
参考图23和图32，方法300包括框322，在框322处，提供第五工件400E。第五工件400E可以类似于参照图19描述的工件200’，为简单起见，省略重复描述。
参考图23和图32，方法300包括框324，在框324处，光学单元420通过粘合层450安装到图像传感器236，并且光学单元440通过粘合层455安装到垂直腔面发射激光器(VCSEL)238，从而形成键合结构400”’。粘合层450和455可以类似于粘合层214a。
参考图23和图33，方法300包括框326，在框326处，将键合结构400”’切割以形成第一光学模块460和第二光学模块480。由于用于光学单元420的光学元件和用于光学单元440的光学元件是分开形成的，所以第一光学模块460具有比光学模块200A”的厚度减小的厚度，第二光学模块480具有比光学模块的厚度减小的厚度。
在参考图1-33描述的上述实施例中，在与其他光学元件(分束器、透镜结构和/或滤光器结构)键合之前，图像传感器236和VCSEL 238已经通过键合线(例如，键合线237a和239a)和金属垫(例如，金属垫237b和239b)电耦合到封装衬底202E。在一些其他实施例中，图像传感器236和VCSEL 238可以在键合到其他光学元件之后电耦合到封装衬底202E。图34描绘了根据本公开实施例的用于形成多个第一光学模块的替代方法500的流程图。方法500结合图35-46进行描述，图35-46是根据方法500的实施例在不同制造阶段的工件的局部剖视图。更具体地，在形成第一键合结构400’(图26所示)之后，执行方法500的操作。
参考图34和图35，方法500包括框502，在框502处，第一键合结构400’被翻转。如图35所示，第二衬底402B在顶部并且设置在滤光器结构4081、4082、…408N之上。翻转的键合结构400’可以称为第一键合结构600。
参考图34和图36，方法500包括框504，在框504处，第二衬底402B的一些部分被凹陷以形成多个凹部602。在一些实施例中，掩模膜可以沉积在第二衬底402B的底表面402S之上，然后通过光刻工艺被图案化。图案化掩模膜暴露出第二衬底402B的未设置在第一衬底402A的区域A1,…AN-1、AN的正上方的部分。在使用图案化掩模膜作为蚀刻掩模的同时，执行蚀刻工艺以使被图案化掩模膜暴露的第二衬底402B的部分凹陷以形成多个凹部602。然后可以选择性地去除图案化掩模膜。
参考图34和图37，方法500包括框506，在框506处，在第二衬底402B的底表面402S之上形成粘合层604。在实施例中，粘合层604形成于第二衬底402B的底表面402S上，而不形成于凹部602中。粘合层604的成分构成可以与粘合层214a的成分构成相似。在形成粘合层604之后，如图38所示，第一键合结构600被翻转并且第一衬底402A在顶部。
参考图34和图39，方法500包括框508，在框508处，提供晶圆610。晶圆610包括形成在半导体衬底中和之上的多个图像传感器6121、6122、…612N(未单独标记)。为简单起见，省略了图像传感器的详细结构特征。晶圆610还包括多个金属垫6141、6142、…614N和6161、6162、…616N，用于图像传感器6121、6122、…612N的外部连接。在实施例中，每个图像传感器设置在两个对应的金属垫之间。在一些实施例中，晶圆610可以包括多个对准标记。
参考图34和图40，方法500包括框510，在框510处，第二衬底420B与晶圆610对准。晶圆610和第二衬底402B之间的对准可以类似于上面参照图15描述的对准。在晶圆610和第二衬底420B之间对准后，透镜结构4041、…404N-1、404N中的每一个和滤光器结构4081、4082、…408N中的每一个设置在图像传感器6121、6122、…612N的对应图像传感器的正上方，并且金属垫6141、6142、…614N中的每一个及其对应的相邻金属垫(例如，6161、6162、…、或616N)设置在对应的凹部612的正下方。
参考图34和图40，方法500包括框512，在框512处，第一键合结构600键合到晶圆610。在第二衬底420B与晶圆610对准之后，第一键合结构600通过粘合层604键合到晶圆610，从而获得第二键合结构620。在实施例中，第二键合结构620包括放置在凹部602中的金属垫6141、6142、…614N和6161、6162、…、616N。每个透镜结构(例如，透镜结构4041、…404N-1、或404N)设置在对应的滤光器结构(例如，滤光器结构408N)的正上方，并且对应的滤光器结构(例如，滤光器结构4081、4082、…、或408N)设置在对应的图像传感器(例如，图像传感器6121、6122、…、或612N)的正上方。
参考图34和图41，方法500包括框514，在框514处，执行部分切割技术或蚀刻工艺以去除第一键合结构600的一些部分以暴露金属垫6141、6142、…614N和金属垫6161、6162、…、616N。在一个实施例中，图案化掩模膜可以形成在第二键合结构620之上并且被配置为暴露第一键合结构600的设置在凹部602的正上方的部分。在使用图案化掩模膜作为蚀刻掩模的同时，执行蚀刻工艺以去除第一键合结构600的那些暴露部分，从而暴露金属垫6141、6142、…614N和金属垫6161、6162、…、616N。然后可以选择性地去除图案化掩模膜。
参考图34和图42，方法500包括框516，在框516处，将第二键合结构620切割成N个光学单元630。第二键合结构620的切割可以类似于键合结构400’的切割。每个光学单元630包括图像传感器、形成在图像传感器的正上方的滤光器结构、以及形成在滤光器结构的正上方的透镜结构。
参考图34和图43，方法500包括框518，在框518处，光学单元630之一安装到封装衬底202E上，从而形成光学模块640。光学单元630可以通过任何合适的方法(例如通过粘合层(未显示))安装到封装衬底202E。在一些实施例中，光学模块640可以实施为形成IR相机。可以执行类似的操作以形成包括VCSEL、分束器和透镜结构的点投影仪。
参考图34和图43，方法500包括框520，在框520处，安装的光学模块640的图像传感器被接线到封装衬底202E。在实施例中，图像传感器通过键合线237a和金属垫(例如，金属垫6141和6161)电连接到封装衬底202E。可以采用其他方式来实现图像传感器和封装衬底202E之间的电连接。例如，在图44-46中表示的实施例中，衬底通孔(TSV)(未单独示出)和连接器可以用于实现图像传感器和封装衬底202E之间的电连接。
图44描绘了工件650，其包括经由粘合层670键合到晶圆660的第一键合结构600(图35中所示)。工件650可以类似于第二键合结构620，区别是，代替具有金属垫，晶圆660包括形成在晶圆660中的TSV(未示出)和多个连接器665，例如形成在晶圆660的底表面之下的球栅阵列(“BGA”)球或凸块。参考图45，工件650被切割成N个光学单元680。每个光学单元680包括图像传感器、形成在图像传感器的正上方的滤光器结构、以及形成在滤光器结构的正上方的透镜结构。每个光学单元680具有竖直侧壁。参考图46，在形成光学单元680之后，光学单元680之一可以通过连接器665安装并电耦合到封装衬底202E，从而形成光学模块690。在一些实施例中，光学模块690可以用于形成IR相机。可以执行类似的操作以形成其他类型的光学模块(例如，可以用于形成点投影仪的光学模块480)。
本公开的实施例提供了多个优点。例如，本公开的方法包括使用晶圆级对准和键合工艺来促进多个光学模块的形成。这些光学模块可以具有相同或不同的结构和功能。例如，可以实现一些光学模块以形成IR相机，并且可以实现一些光学模块以形成点投影仪。由于生产率的提高、相关成本的降低和质量的提高，这些用于形成光学模块的晶圆级对准通常是有益的。通过使用半导体可比工艺制造这些光学元件，可以获得具有减小尺寸的光学模块。本公开的方法可以容易地应用于形成包括竖直堆叠的光学元件的其他类型的光学模块。
本公开提供了许多不同的实施例。本文公开了半导体结构及其制造方法。在一个示例性方面，本公开涉及一种方法。该方法包括：在第一晶圆之上形成多个第一光学元件，在第二晶圆之上形成多个第二光学元件，将第一晶圆与第二晶圆对准，其中，在第一晶圆与第二晶圆对准后，多个第一光学元件中的每个第一光学元件与多个第二光学元件中对应的第二光学元件竖直交叠，在第一晶圆与第二晶圆对准之后，将第一晶圆与第二晶圆键合，从而获得第一键合结构，在第三晶圆之上形成多个第三光学元件，将第一键合结构的第二晶圆与第三晶圆对准，其中，在第二晶圆与第三晶圆对准后，多个第二光学元件中的每个第二光学元件与多个第三光学元件中对应的第三光学元件竖直交叠，并且在第二晶圆与第三晶圆对准之后，将第一键合结构的第二晶圆键合到第三晶圆，从而获得第二键合结构。
在一些实施例中，多个第一光学元件中的每个第一光学元件可以包括分束器，多个第二光学元件中的每个第二光学元件可以包括透镜结构，并且多个第三光学元件中的每个第三光学元件可以包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。在一些实施例中，多个第一光学元件中的每个第一光学元件可以包括透镜结构，多个第二光学元件中的每个第二光学元件可以包括滤光器，并且多个第三光学元件中的每个第三光学元件可以包括图像传感器。在一些实施例中，每个透镜结构可以包括多个透镜。在一些实施例中，该方法可以包括在第一晶圆之上形成多个第四光学元件，其中多个第四光学元件的类型与多个第一光学元件的类型相同，以及在第三晶圆之上形成多个第五光学元件，其中多个第五光学元件的类型不同于多个第三光学元件的类型。在获得第二键合结构后，多个第四光学元件中的每个第四光学元件可以与多个第五光学元件中对应的第五光学元件竖直交叠。在一些实施例中，该方法可以包括提供第四晶圆和第五晶圆，在第四晶圆之上形成多个第六光学元件的上部，在第五晶圆之上形成多个第六光学元件的下部，翻转第四晶圆，并且在第四晶圆翻转后，将第四晶圆与第五晶圆对准，在第四晶圆与第五晶圆对准后，将第四晶圆与第五晶圆键合，从而得到包括多个第六光学元件的第三键合结构。在第四晶圆和第五晶圆对准和键合后，上部中的每个上部和下部中的对应下部可以形成多个第六光学元件中的对应光学元件。在一些实施例中，该方法还可以包括将第五晶圆与第一晶圆对准，其中，在将第五晶圆与第一晶圆对准后，多个第六光学元件中的每个第六光学元件与多个第一光学元件中对应的第一光学元件竖直交叠，在第五晶圆与第一晶圆对准后，将第五晶圆与第一晶圆键合，从而得到第四键合结构。在一些实施例中，该方法还可以包括切割第四键合结构以形成多个第一光学模块和多个第二光学模块。在一些实施例中，多个第一光学模块中的每个第一光学模块可以包括多个第一光学元件之一、多个第二光学元件之一和多个第三光学元件之一，并且多个第二光学模块中的每个第二光学模块可以包括多个第四光学元件之一、多个第五光学元件之一和多个六个光学元件之一。在一些实施例中，多个第一光学模块中的每个和多个第二光学模块中的每个可以包括竖直侧壁。
在另一个示例性方面，本公开涉及一种方法。该方法包括在第一晶圆之上形成多个第一光学元件，在第二晶圆之上形成多个第二光学元件，在第三晶圆之上形成多个第三光学元件，在形成多个第一光学元件和形成多个第二光学元件之后，将第一晶圆与第二晶圆对准，在将第一晶圆与第二晶圆对准之后，将第一晶圆与第二晶圆键合，在形成多个第三光学元件之后，将第二晶圆与第三晶圆对准，在第二晶圆与第三晶圆对准后，将第一晶圆和第二晶圆与第三晶圆键合，从而得到键合结构，将键合结构切割以形成多个第一光学模块，其中所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括所述多个第一光学元件之一、所述多个第二光学元件之一、以及所述多个第三光学元件之一，并且其中，多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括竖直侧壁。
在一些实施例中，第一晶圆与第二晶圆的键合可以包括在多个第二光学元件之上施加粘合层，将粘合层压向第一晶圆的底表面，以及进行加热工艺以固化粘合层。在一些实施例中，该方法还可以包括在将第一晶圆与第二晶圆对准之前，翻转第一晶圆。在一些实施例中，第一晶圆与第二晶圆的键合可以包括，在翻转第一晶圆之前，在多个第一光学元件之上施加第一粘合层，在多个第二光学元件之上施加第二粘合层，在第一晶圆翻转后，并且在第一晶圆与第二晶圆对准后，将第一粘合层压向第二粘合层，并进行加热工艺，使第一粘合层与第二粘合层固化。在一些实施例中，该方法还可以包括在第一晶圆与第二晶圆键合之后，减薄第一晶圆和第二晶圆。在一些实施例中，该方法还可以包括提供包括第四晶圆、第五晶圆以及竖直地夹在第四晶圆和第五晶圆之间的多个第四光学元件的工件，其中所述多个第四光学元件中的每一个的上部可以通过粘合层与多个第四光学元件中的每一个的对应下部间隔开。
在又一个示例性方面，本公开涉及一种光学模块结构。光学模块包括第一衬底、设置在第一衬底之上并电耦合到第一衬底的图像传感器、设置在图像传感器之上的第一粘合层、设置在图像传感器之上并通过第一粘合层附接到图像传感器的第二衬底、设置在第二衬底之上并设置在图像传感器的正上方的滤光器、设置在滤光器之上并通过第二粘合层附接到滤光器的第三衬底、以及设置在第三衬底之上并且设置在图像传感器和滤光器的正上方的透镜结构，其中第一衬底的侧壁表面与第二衬底的侧壁表面对准。
在一些实施例中，第一衬底的侧壁表面可以是基本上竖直的侧壁表面。在一些实施例中，滤光器可以通过第一粘合层和第二衬底与图像传感器间隔开。在一些实施例中，第一衬底可以包括印刷电路板，并且图像传感器可以电耦合到第一衬底。
前述概述了几个实施例的特征，以便本领域普通技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域普通技术人员应该理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改用于执行本文介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优点的其他过程和结构的基础。本领域普通技术人员也应该意识到，这样的等价结构并不脱离本公开的精神和范围，并且可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本文进行各种改动、替换和变更。
示例1.一种用于形成半导体结构的方法，包括：
在第一晶圆之上形成多个第一光学元件；
在第二晶圆之上形成多个第二光学元件；
将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准，其中，在将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准后，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件与所述多个第二光学元件中对应的第二光学元件竖直交叠；
在将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆键合，从而得到第一键合结构；
在第三晶圆之上形成多个第三光学元件；
将所述第一键合结构的所述第二晶圆与所述第三晶圆对准，其中，在将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准后，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件与所述多个第三光学元件中对应的第三光学元件竖直交叠；以及
在将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准后，将所述第一键合结构的所述第二晶圆键合至所述第三晶圆，从而得到第二键合结构。
示例2.根据示例1所述的方法，其中，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件包括分束器，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件包括透镜结构，并且所述多个第三光学元件中的每个第三光学元件包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
示例3.根据示例1所述的方法，其中，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件包括透镜结构，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件包括滤光器，并且所述多个第三光学元件中的每个第三光学元件包括图像传感器。
示例4.根据示例3所述的方法，其中，每个透镜结构包括多个透镜。
示例5.根据示例3所述的方法，还包括：
在所述第一晶圆之上形成多个第四光学元件，其中，所述多个第四光学元件的类型与所述多个第一光学元件的类型相同；以及
在所述第三晶圆之上形成多个第五光学元件，其中，所述多个第五光学元件的类型不同于所述多个第三光学元件的类型，
其中，在获得所述第二键合结构后，所述多个第四光学元件中的每个第四光学元件与所述多个第五光学元件中对应的第五光学元件竖直交叠。
示例6.根据示例5所述的方法，还包括：
提供第四晶圆和第五晶圆；
在所述第四晶圆之上形成多个第六光学元件的上部；
在所述第五晶圆之上形成所述多个第六光学元件的下部；
翻转所述第四晶圆；
在所述第四晶圆的翻转后，将所述第四晶圆与所述第五晶圆对准；以及
在所述第四晶圆与所述第五晶圆对准后，将所述第四晶圆与所述第五晶圆键合，从而获得包括所述多个第六光学元件的第三键合结构，
其中，在所述第四晶圆和所述第五晶圆的对准和键合后，所述上部中的每个上部和所述下部中对应的下部形成所述多个第六光学元件的对应光学元件。
示例7.根据示例6所述的方法，还包括：
将所述第五晶圆与所述第一晶圆对准，其中，在所述第五晶圆与所述第一晶圆的对准后，所述多个第六光学元件中的每个第六光学元件与所述多个第一光学元件中对应的第一光学元件竖直交叠；以及
在所述第五晶圆与所述第一晶圆的对准后，将所述第五晶圆与所述第一晶圆键合，从而得到第四键合结构。
示例8.根据示例7所述的方法，还包括：
切割所述第四键合结构，以形成多个第一光学模块和多个第二光学模块。
示例9.根据示例8所述的方法，
其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括所述多个第一光学元件之一、所述多个第二光学元件之一和所述多个第三光学元件之一，并且
其中，所述多个第二光学模块中的每个第二光学模块包括所述多个第四光学元件之一、所述多个第五光学元件之一和所述多个六个光学元件之一。
示例10.根据示例8所述的方法，其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块和所述多个第二光学模块中的每个第二光学模块包括竖直侧壁。
示例11.一种用于形成半导体结构的方法，包括：
在第一晶圆之上形成多个第一光学元件；
在第二晶圆之上形成多个第二光学元件；
在第三晶圆之上形成多个第三光学元件；
在形成所述多个第一光学元件以及形成所述多个第二光学元件之后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准；
在所述第一晶圆与所述第二晶圆的对准后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆键合；
在形成所述多个第三光学元件后，将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准；
在所述第二晶圆与所述第三晶圆的对准后，将所述第一晶圆和所述第二晶圆与所述第三晶圆键合，从而得到键合结构；以及
切割所述键合结构以形成多个第一光学模块，其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括所述多个第一光学元件之一、所述多个第二光学元件之一和所述多个第三光学元件之一，并且其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括竖直侧壁。
示例12.根据示例11所述的方法，其中，所述第一晶圆与所述第二晶圆的键合包括：
在所述多个第二光学元件之上施加粘合层；
将所述粘合层压向所述第一晶圆的底表面；以及
进行加热工艺以固化所述粘合层。
示例13.根据示例11所述的方法，还包括：
在所述第一晶圆与所述第二晶圆的对准之前，翻转所述第一晶圆。
示例14.根据示例13所述的方法，其中，所述第一晶圆与所述第二晶圆的键合包括：
在所述第一晶圆的翻转之前，在所述多个第一光学元件之上施加第一粘合层；
在所述多个第二光学元件之上施加第二粘合层；
在所述第一晶圆的翻转之后并且在所述第一晶圆与所述第二晶圆的对准之后，
将所述第一粘合层压向所述第二粘合层；以及
进行加热工艺以固化所述第一粘合层和所述第二粘合层。
示例15.根据示例11所述的方法，还包括：
在所述第一晶圆与所述第二晶圆的键合后，减薄所述第一晶圆与所述第二晶圆。
示例16.根据示例11所述的方法，还包括：
提供工件，所述工件包括第四晶圆、第五晶圆以及竖直地夹在所述第四晶圆和所述第五晶圆之间的多个第四光学元件，
其中，所述多个第四光学元件中的每个第四光学元件的上部通过粘合层与所述多个第四光学元件中的每个第四光学元件的对应的下部间隔开。
示例17.一种光学模块，包括：
第一衬底；
图像传感器，设置在所述第一衬底之上并电耦合到所述第一衬底；
第一粘合层，设置在所述图像传感器之上；
第二衬底，设置在所述图像传感器之上并通过所述第一粘合层附接到所述图像传感器；
滤光器，设置在所述第二衬底之上并设置在所述图像传感器的正上方；
第三衬底，设置在所述滤光器之上并通过第二粘合层附接到所述滤光器；以及
透镜结构，设置在所述第三衬底之上并且设置在所述图像传感器和所述滤光器的正上方，
其中，所述第一衬底的侧壁表面与所述第二衬底的侧壁表面对准。
示例18.根据示例17所述的光学模块，其中，所述第一衬底的侧壁表面是基本上竖直的侧壁表面。
示例19.根据示例17所述的光学模块，其中，所述滤光器通过所述第一粘合层和所述第二衬底与所述图像传感器间隔开。
示例20.根据示例17所述的光学模块，其中，所述第一衬底包括印刷电路板，并且所述图像传感器电耦合到所述第一衬底。

Claims (10)

1.一种用于形成半导体结构的方法，包括：
在第一晶圆之上形成多个第一光学元件；
在第二晶圆之上形成多个第二光学元件；
将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准，其中，在将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准后，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件与所述多个第二光学元件中对应的第二光学元件竖直交叠；
在将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆键合，从而得到第一键合结构；
在第三晶圆之上形成多个第三光学元件；
将所述第一键合结构的所述第二晶圆与所述第三晶圆对准，其中，在将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准后，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件与所述多个第三光学元件中对应的第三光学元件竖直交叠；以及
在将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准后，将所述第一键合结构的所述第二晶圆键合至所述第三晶圆，从而得到第二键合结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件包括分束器，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件包括透镜结构，并且所述多个第三光学元件中的每个第三光学元件包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个第一光学元件中的每个第一光学元件包括透镜结构，所述多个第二光学元件中的每个第二光学元件包括滤光器，并且所述多个第三光学元件中的每个第三光学元件包括图像传感器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，每个透镜结构包括多个透镜。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括：
在所述第一晶圆之上形成多个第四光学元件，其中，所述多个第四光学元件的类型与所述多个第一光学元件的类型相同；以及
在所述第三晶圆之上形成多个第五光学元件，其中，所述多个第五光学元件的类型不同于所述多个第三光学元件的类型，
其中，在获得所述第二键合结构后，所述多个第四光学元件中的每个第四光学元件与所述多个第五光学元件中对应的第五光学元件竖直交叠。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
提供第四晶圆和第五晶圆；
在所述第四晶圆之上形成多个第六光学元件的上部；
在所述第五晶圆之上形成所述多个第六光学元件的下部；
翻转所述第四晶圆；
在所述第四晶圆的翻转后，将所述第四晶圆与所述第五晶圆对准；以及
在所述第四晶圆与所述第五晶圆对准后，将所述第四晶圆与所述第五晶圆键合，从而获得包括所述多个第六光学元件的第三键合结构，
其中，在所述第四晶圆和所述第五晶圆的对准和键合后，所述上部中的每个上部和所述下部中对应的下部形成所述多个第六光学元件的对应光学元件。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
将所述第五晶圆与所述第一晶圆对准，其中，在所述第五晶圆与所述第一晶圆的对准后，所述多个第六光学元件中的每个第六光学元件与所述多个第一光学元件中对应的第一光学元件竖直交叠；以及
在所述第五晶圆与所述第一晶圆的对准后，将所述第五晶圆与所述第一晶圆键合，从而得到第四键合结构。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
切割所述第四键合结构，以形成多个第一光学模块和多个第二光学模块。
9.一种用于形成半导体结构的方法，包括：
在第一晶圆之上形成多个第一光学元件；
在第二晶圆之上形成多个第二光学元件；
在第三晶圆之上形成多个第三光学元件；
在形成所述多个第一光学元件以及形成所述多个第二光学元件之后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆对准；
在所述第一晶圆与所述第二晶圆的对准后，将所述第一晶圆与所述第二晶圆键合；
在形成所述多个第三光学元件后，将所述第二晶圆与所述第三晶圆对准；
在所述第二晶圆与所述第三晶圆的对准后，将所述第一晶圆和所述第二晶圆与所述第三晶圆键合，从而得到键合结构；以及
切割所述键合结构以形成多个第一光学模块，其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括所述多个第一光学元件之一、所述多个第二光学元件之一和所述多个第三光学元件之一，并且其中，所述多个第一光学模块中的每个第一光学模块包括竖直侧壁。
10.一种光学模块，包括：
第一衬底；
图像传感器，设置在所述第一衬底之上并电耦合到所述第一衬底；
第一粘合层，设置在所述图像传感器之上；
第二衬底，设置在所述图像传感器之上并通过所述第一粘合层附接到所述图像传感器；
滤光器，设置在所述第二衬底之上并设置在所述图像传感器的正上方；
第三衬底，设置在所述滤光器之上并通过第二粘合层附接到所述滤光器；以及
透镜结构，设置在所述第三衬底之上并且设置在所述图像传感器和所述滤光器的正上方，
其中，所述第一衬底的侧壁表面与所述第二衬底的侧壁表面对准。
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