EP2598920A1 - Dispositif optique, boitier a l'echelle d'une tranche pour un tel dispositif optique et procede correspondant - Google Patents

Dispositif optique, boitier a l'echelle d'une tranche pour un tel dispositif optique et procede correspondant

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EP2598920A1
EP2598920A1 EP11749538.2A EP11749538A EP2598920A1 EP 2598920 A1 EP2598920 A1 EP 2598920A1 EP 11749538 A EP11749538 A EP 11749538A EP 2598920 A1 EP2598920 A1 EP 2598920A1
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EP
European Patent Office
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substrate
lenses
polymer
holes
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11749538.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Luc Andre
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2598920A1 publication Critical patent/EP2598920A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/00009—Production of simple or compound lenses
    • B29D11/00365—Production of microlenses
    • B29D11/00375—Production of microlenses by moulding lenses in holes through a substrate
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
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    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between
    • G—PHYSICS
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses
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    • H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/50—Constructional details
    • H04N23/55—Optical parts specially adapted for electronic image sensors; Mounting thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to the field of optical devices such as camera devices and more particularly wafer-scale boxes for such devices.
  • the document US-7 564496 discloses a camera device comprising an element for capturing images, for example a CMOS imaging system and a stack of optical assemblies, spacers being provided between the optical assemblies and between the capture element. of images and the stacking of optical assemblies.
  • Each optical assembly includes a substrate and lenses that can be formed on the substrate or in through holes of the substrate.
  • the substrate may be made of an optically transparent material, such as glass or quartz. It can also be made of an opaque material so as to avoid stray light reflections in the camera device. This embodiment makes it possible to dispense with the optical shroud around the stack of optical modules.
  • optical modules comprising a substrate pierced with through holes in which a lens made of resin is formed.
  • JP-2009300596 discloses a resin lens which completely fills the hole made in the substrate, the edges of the lens being hooked to the walls of the hole. This lens is delimited, on both sides of the substrate, by two air-resin interfaces, each of which can be spherical or aspherical.
  • JP-2009251366 discloses a substrate having a single lens in each through hole made in the substrate, the edges of the lens being hooked to the walls of the hole. Again, each lens is delimited, on either side of the substrate, by two air-resin interfaces that can be spherical or aspherical.
  • optical modules described in these documents require the use of a large amount of resin, which has negative consequences on the temperature behavior of the optical module.
  • the rise in temperature can occur, either during the production of the optical device or during use thereof, when it is integrated for example in a mobile phone.
  • the step of "reflow” or metal connection by thermal welding is a particularly critical step.
  • This step consists in heating to a few hundred degrees and for a few minutes the metal balls located under the CMOS sensor so as to establish a contact between this sensor and the addressing circuit located below. This step will obviously heat not only these balls, but also all of the elements reported above the sensor, and in particular the optical modules associated with the sensor.
  • the user can leave it in his car for several hours in the sun. This is a fairly severe case that can correspond to a temperature of 80 ° C for several hours.
  • the materials will tend to expand.
  • the increase in volume of these materials is a function of their coefficient of thermal expansion (CTE). If the thermal expansion coefficients are close, then the materials expand by the same amount. The rise in temperature does not create mechanical tension. On the other hand, if the coefficients of thermal expansion are very different, the materials do not expand in the same way. A The increase in temperature then has the effect of creating mechanical stresses in the assembly.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • optical modules comprising a single lens (two non-planar diopters) per through-hole of the substrate and therefore only two air-resin or diopter interfaces.
  • an optical device in particular an optical imaging device
  • the production of an optical device will require the stacking of a large number of optical modules, in order to obtain an acceptable image quality.
  • the improvement of the quality of the images requires to multiply the number of lenses on the path of the light, above the CMOS sensor, and to design lenses with increasingly precise dimensions. This will result in significant costs.
  • the current technology uses substrates for optical modules whose coefficient of thermal expansion is very different from that of the silicon used for the CMOS sensor.
  • one lens is made per hole. Therefore, as many substrates as there are lenses to make the optical system. Now, the more the number of substrates increases, the more the respect of mechanical and optical dimensions and thus the final image quality is difficult to obtain.
  • the filling of the hole with resin has the effect of increasing the ratio between the amount of resin used and the amount of substrate. The higher this ratio, the more the optical module will tend to deform.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages and proposes, for this purpose, an optical module formed of a substrate pierced with a plurality of through-holes and optical elements arranged in the holes, in which, in at least one hole, are arranged two lenses in at least one transparent polymeric material in the range 400nm-700nm, each of the lenses being defined by an outer diopter turned outwardly of the through hole and an inner diopter turned inwardly of the through hole, characterized in that a space is provided between the inner diopters of the lenses and in that the substrate is free of polymeric material between two adjacent lenses.
  • the number of substrates is less important.
  • the risks of mechanical stress decrease and the image quality of the optical device increases.
  • the outer diopter may have a spherical or aspherical shape to improve the optical quality by correcting aberrations, in particular chromatic or geometric aberrations.
  • the inner diopter is flat, spherical or aspherical.
  • the two lenses arranged in the same through hole have a different index and a different constringence, so as to reduce the chromaticism of the optical device obtained from the housing according to the invention.
  • the outer diopter of at least one of the two lenses disposed in the same through hole is covered with another diopter.
  • This diopter may, for example, be aspheric, so as to correct aberrations, in particular chromatic aberrations.
  • It may also be made of a material of index different from that of the material forming the lens, for example to reduce the chromaticism of the optical device made from a housing comprising an optical module according to the invention.
  • the space between the two inner diopters of the two lenses is filled with a transparent material in the range 400nm-700nm.
  • the index and the constringence of this material located between the two inner diopters may be different from those of at least one of the two lenses, again to reduce the chromatic or geometric aberrations of an optical device that integrates the optical module. according to the invention.
  • the outer diopter of at least one of the two lenses disposed in the same through hole can be covered with an anti-reflective coating and / or anti-infrared.
  • the invention also relates to a wafer scale housing comprising at least one optical module according to the invention and a substrate comprising a plurality of imaging systems.
  • It also includes spacers for spacing the optical modules from each other or the optical module (s) of the imaging system.
  • the substrate of said at least one optical module is made of an opaque material. It is thus possible to dispense with the optical shroud around the stack of optical modules in the final optical device.
  • the chosen material is preferably silicon, that is to say in the same material as the imaging system. It may also be a liquid crystal polymer material incorporating glass fibers or carbon or polysulfone including carbon fibers. The percentage of glass or carbon fibers is between 10 and 35% depending on the degree of opacity and the desired thermal behavior.
  • substrates made of silicon or one of the above plastic materials prevent the penetration of stray light that could otherwise reach the imaging system and disrupt its operation.
  • the housing is then made of a stack of substrates made of the same material or materials having the same behavior during a heating, whether the material constituting the optical modules or the imaging system. As a result, each substrate deforms identically, which improves the behavior of the housing during an increase in temperature.
  • the housing comprises electronic vias for electronic addressing which pass through the substrates made of silicon or plastic material.
  • the invention also relates to an optical device comprising a portion of a scale-scale housing according to the invention, cut along planes extending in an axial direction.
  • the invention also relates to a method for producing an optical module according to the invention, consisting in carrying out the following steps:
  • this process consists, between steps (b) and (c), in shaping said drop of polymer by molding.
  • This molding step carried out in particular by thermal imprint, makes it possible to obtain profiles other than spherical profiles.
  • the process o comprises, after step (c), a step (d) of depositing on at least one of the two lenses formed in a through-hole, another drop of polymer coming to coat the lens previously formed and a step (e) of curing said drop of polymer thermally or by UV.
  • This step (e) may be followed by a step (f) of shaping this other drop of polymer by molding.
  • the indices and constringences of the different materials used to make the lenses and / or the additional diopters may be different to reduce the chromaticism.
  • the method before step (b), the method consists in filling at least partially through said through hole with a thermally curable material or UV.
  • the invention also relates to a method for producing a housing at the scale of a slice consisting in producing a plurality of optical modules according to the invention and stacking them in an axial direction with a substrate comprising a plurality of imaging systems.
  • the method also consists in producing, during step (a), additional holes through all the substrates, these holes being aligned axially, the method then consisting in filling these holes with a conductive polymer and then hardening them. polymer, so as to make electric vias for electronic addressing.
  • the invention finally relates to a method for producing an optical device, in particular a camera device, consisting in implementing the method according to the invention for producing a case on a scale of a slice and a stage. dicing complementary device according to planes extending in an axial direction, so as to separate the housing into individual optical devices.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a first example of an optical module of a scale-scale housing according to the invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a second example of an optical module of a housing according to the invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a third example of an optical module of a housing according to the invention.
  • FIGS. 4a and 4b are cross-sectional views showing an intermediate step of producing, on the one hand, the optical module illustrated in FIG. 3 and, on the other hand, of a variant of this optical module,
  • FIG. 5 is a cross sectional view, along a cutting plane, of an optical device according to the invention.
  • the elements common to the different figures will be designated by the same references.
  • FIG. 1 illustrates an optical module 10 comprising a substrate 1, in which two through-holes 2 have been made in this example.
  • This substrate will preferably be made of silicon or a polysulfone type plastic material or liquid crystal polymer, loaded with carbon fiber or glass.
  • the thickness of the substrate will be between about 100 ⁇ m and a few millimeters, for example about 725 ⁇ m.
  • the through holes will be made by deep etching, for example by a DRIE (Deep Reactive Ion Etching) type technique, which is currently used for producing electric vias through silicon substrates.
  • DRIE Deep Reactive Ion Etching
  • the through holes are preferably obtained by molding.
  • the substrate can also be made of opaque materials that can be etched or molded. It may be metals such as tungsten, iron, copper, molybdenum or aluminum or polymeric materials such as PDMS (polydimethylsiloxane) or polymers.
  • metals such as tungsten, iron, copper, molybdenum or aluminum
  • polymeric materials such as PDMS (polydimethylsiloxane) or polymers.
  • silicon is interesting because it avoids the constraints related to a possible difference between the thermal expansion coefficient of the substrate of the optical modules and that of the imaging system.
  • the diameter of the through holes will be between about 100 ⁇ m and a few millimeters, for example 700 ⁇ m.
  • the pitch 23 between two consecutive holes is a function of the diameter of the holes and the distance 21 between the edge of the hole and the edge of the hole. substrate, after singulation.
  • This pitch is generally between about 500 ⁇ and a few millimeters, typically 5 mm.
  • This process generally leads to the formation of irregularities on the walls 22 of the through holes. These irregularities can be advantageously used in the context of the production method according to the invention, as will be explained later.
  • a lens 3, 4 At each end of at least one through hole 2 is formed a lens 3, 4, each delimited by an outer diopter 30, 40 and an inner diopter 31, 41.
  • each hole 2 comprises two lenses, but the invention is not limited to this embodiment. Thus, some holes in the substrate could have only one lens.
  • the outer diopter 30, 40 of each lens is slightly protruding with respect to the substrate 1.
  • the invention is however not limited to this embodiment and the outer diopter could be located inside the hole.
  • the inner dioptres 31, 41 are arranged vis-a-vis in the hole 2, a space remaining free between the two inner diopters.
  • Each of these lenses is obtained by depositing, on one side of the through hole, a drop of a thermally curable polymer, for example a polycarbonate, or by UV.
  • a thermally curable polymer for example a polycarbonate
  • UV ultraviolet
  • this material is transparent on the 400nm-700nm visible range.
  • the deposit is made so as to provide a space between the two drops of polymer which will then form the lenses.
  • the deposition of the polymer is further carried out only in the through holes.
  • the lenses are not obtained from a layer of material deposited for example by centrifugal coating (or spin-coating in the English terminology).
  • no constituent material is present between the outer dioptres of two adjacent lenses or between two adjacent holes, which makes it possible to avoid diffusion phenomena.
  • the substrate is free of any polymer material between these outer dioptres.
  • this material remains present between the outer dioptres of two adjacent lenses, unless an etching step is specifically provided.
  • the outer diopter 30, 40 of each lens has a substantially spherical shape. It can be seen that the shape obtained can be controlled with an error of the order of 50 nm with respect to a perfect sphere.
  • the polymer is then cured by heating or UV irradiation.
  • the height of the lens, taken in the direction of the through hole, is generally between 10 and 400 ⁇ m.
  • the contact surface between the polymer constituting the lenses and the substrate should be important. It must be typically at least equal to the opening in the substrate. This is determined during the design of the imaging system. It depends on the amount of light that must arrive on the sensor, the position of the lens relative to the sensor, its function (field lens or aperture, etc. ..) and the shape that must have the diopter .
  • the polymeric materials used to make the lenses 3 and 4 may have a different index. They may exhibit a contraction, that is to say a variation of the index with the wavelength on the 400nm-700nm range, which is also different.
  • the polymer materials typically used are PMMA (polymethylmethacrylate) or PC (polycarbonate).
  • the correction of the chromaticism is done by the use of two materials of different nature. The first will be little dispersive (weak constringence), the second will be very dispersive. The use of two materials of different indices makes it possible to correct the chromaticism.
  • a mold can be put in place to shape the drops of polymer.
  • This mold is generally common to all the substrate and is held in place for the duration of the polymerization.
  • the use of such a mold makes it possible to produce aspheric outer diopters, so as to correct certain chromatic or geometric aberrations.
  • the profile of the mold is, in general, defined as a function of the distance to the optical axis by an equation whose parameters are the radius of curvature, the conicity and the coefficients of aspherization.
  • an aperture lens high conicity, low aspherization
  • a field lens low conicity, high aspherization
  • the inner dioptres 31, 41 may be flat or spherical. This shape is decisive in the optical quality of the final imaging system.
  • the shape of the inner diopter largely depends on the shape of the mold used, the shape of the pierced substrate and the amount of material used to make the lens.
  • the inner diopter is plane (or of very large radius of curvature). If the volume of resin is much greater than the receiving volume, then the inner diopter is curved (or very small radius of curvature).
  • the outer dioptres 30, 31 may be covered with an anti-reflection coating and / or anti-infrared.
  • an anti-reflection coating it may be a SiO 2 / ⁇ O 2 bilayer stack or a SiO 2 / ⁇ O 2 / SiO 2 / ⁇ 2 4-layer stack, the thickness of each layer being a few tens of nanometers.
  • each of these layers can be done by MOCVD
  • Metal-Organic Chemical Vapor Deposition chemical vapor deposition from organo-metallic
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the amount of resin used is considerably reduced compared to that required in the state of the art.
  • the risks of mechanical stresses related to the use of materials having different coefficients of thermal expansion are also reduced.
  • FIG. 2 illustrates an optical module 11 similar to that described with reference to FIG. 1, comprising two lenses 3, 4 in each through hole 2 of the substrate 1.
  • another diopter 32, 42 is present on the outer diopter 30, 40 of each lens.
  • This other diopter is obtained by the deposition, on the outer dioptre 30, 40, of a drop or hazel of polymer that comes to coat the previously formed lens.
  • This polymer is also transparent over the 400nm-700nm visible range and is thermally or UV curable.
  • a mold can be used to shape the drops of polymer, in order to obtain a diopter 32, 42 that is not necessarily spherical.
  • the materials used to make the dioptres 32, 42 may have a different index of the material used to make the lenses 3, 4, so as to reduce, or even cancel the chromaticism of the optical device using this optical module.
  • the material used for the lens 3 may be slightly dispersive, while that used for the diopter 32 will be very dispersive.
  • FIG. 3 illustrates yet another embodiment, in which the through-hole is filled with a polymeric material 20, before the formation of the lens (s) 3 and 4, on one side of the through hole 2.
  • the space provided between the inner diopters in lenses 3 and 4 is here filled by the polymer material.
  • This filling polymer is necessary for holes 2 whose diameter is greater than 1.5 mm. It then makes it possible to ensure the mechanical strength of the lenses which will then be formed by depositing a drop of polymer.
  • the materials used are also UV-curable or thermosetting polymer materials.
  • the curing temperature varies depending on the polymer chosen. It is generally between 80 ° C and several hundred degrees, typically 300 ° C.
  • the chosen material has good optical properties, that is to say ensuring a transmission greater than 90% over the 400nm-700nm visible range, with a controlled index and constringence.
  • the chosen material is preferably more flexible than the substrate 2, once cured, in order to allow a good contact at the interface with the substrate and thus maintain a high degree of cohesion with the substrate, in particular during mounting. temperature.
  • this polymeric material may be a hybrid resin or a sol gel acrylate material, a PDMS (Polydimethylsiloxane), a saturated polyester resin, an epoxy resin, or polymide or phenolyque, or a vulcanized rubber.
  • a hybrid resin or a sol gel acrylate material e.g., a PDMS (Polydimethylsiloxane), a saturated polyester resin, an epoxy resin, or polymide or phenolyque, or a vulcanized rubber.
  • the polymer material will preferably have a coefficient of thermal expansion close to that of silicon, that is to say about 3.10 6 / C ° at 20 ° C.
  • the risk of dissociation between the substrate 2 and the polymer plug 20 will be reduced during a rise in temperature.
  • Polymers for example, have this property. It is the same for a liquid crystal polymer, polysulfone or polyethersulfone loaded with 30% carbon fiber.
  • Figure 3 shows that spaces 21 are left free between the plug 20 and the substrate 2, along the walls of the through holes. They can in particular correspond to the irregularities present on the wall of the through holes.
  • This embodiment is interesting when the coefficients of thermal expansion of the plug and the substrate are different.
  • the polymeric material has good rheological characteristics so as to limit the risk of bubbles forming inside the plug 20.
  • the viscosity of the material must be sufficiently low for the material to conform well to the shapes of the through hole and sufficiently large so that the material does not flow outside the through hole, before the polymerization.
  • the viscosity of the material will preferably be between 10,000cp and 100cp.
  • the filling of the through-hole with the polymeric material can for example be achieved by an ink-jet or screen-printing technique.
  • one or more nozzles on a robotic arm provide the polymer in each through hole.
  • the deposition of the polymer may be performed for several through holes simultaneously and in particular for all the through holes located on the same line of the substrate 1.
  • a flexible mask is used, that is to say for example a flexible metal sheet whose thickness is small, typically around 100 microns and pierced with holes.
  • the arrangement of the holes corresponds to the arrangement of the holes that will have been made on the substrate so that the holes of the flexible mask are superimposed on the holes of the substrate.
  • a given amount of polymer is then roughly placed on the periphery of the mask and then spread with a suitable means, such as a scraper, over the entire surface of the substrate. Thanks to this spreading, the polymer fills the through holes.
  • the substrate may be placed on a suction table whose surface may be previously treated to obtain a partially or completely hydrophilic or hydrophobic coating.
  • suction table optionally treated, avoids that the polymer deposited in the through hole does not flow under the substrate or is attached to the table after polymerization.
  • the buckling can be avoided by ensuring that the material forming the plug has a coefficient of thermal expansion close to the substrate, by putting a small amount of material whose coefficient of thermal expansion is different from that of the substrate, or by depositing the polymer on each side of the through hole so as to balance the stresses.
  • FIG. 4a shows the optical module 12 before the lenses 5 and 6 are made.
  • FIG. 4b illustrates a substrate 1, in which frustoconical and non-cylindrical through holes have been made. This particular shape of the through holes makes it possible, on the one hand, to facilitate the filling the through hole and secondly, to improve the mechanical strength of the plug obtained.
  • the improvement of the mechanical strength is due to two reasons: on the one hand, the hole in which one comes to insert the plug being conical, the plug can not leave more than by only one side; on the other hand, the walls of the hole being inclined, the contact surface between the substrate and the plug is larger.
  • the space between the plug and the walls is preferably not filled for the reasons mentioned above.
  • the materials constituting the two lenses as well as the plug should have the same index and constringence.
  • the presence of air bubbles can be used to allow the polymeric material to expand, in case of temperature rise, without adding stress to the substrate 2.
  • the filling process will be implemented in order to trap these air bubbles in the roughnesses or irregularities resulting from the etching of the substrate.
  • the characteristics of the polymer and the filling rate should be carefully selected.
  • the filling of the through holes may be facilitated by the use of a chemical catalyst of the surface of the hole, to increase the wettability of the polymer on the substrate.
  • FIG. 3 shows that, on the side of the lens 6, the plug 20 is flush with the surface of the substrate 1.
  • the filling method must be implemented so that the polymer does not create beads on the outer face of the substrate, at the periphery of the through hole.
  • the thickness of the polymer present on the surface of the substrate 1 will be at most of the order of a few hundred microns, when a mold must be used to make the lens 6.
  • the indices of the materials constituting, on the one hand, the plug 20 and, on the other hand, the lenses 5 and 6, may be different.
  • the indices of these materials may have different constringences.
  • the material of the lens 5 may have an index n1 of about 1.5 and a constriction c1 of about 60, while the second lens 6 will have an index n2 of about 1.7, and a constringence c2 of about 30.
  • the material constituting the plug may have the same index and the same constringence as the lens 5 or the lens 6. This makes it possible to achieve an achromatic doublet that corrects the chromatic aberration.
  • the material forming the plug may also have a different index and constringence than those of the lenses 5 and 6 so as to optimize the image quality of the final imaging system.
  • This embodiment makes it possible to reduce not only chromatic aberrations but also geometric aberrations (cookie triplet for example).
  • This embodiment can be interesting when the optical module is intended for a high resolution imaging system comprising a small number of optical modules.
  • the coefficient of thermal expansion of each of the materials is chosen so as to minimize the stresses on the substrate, in particular during temperature rises.
  • it will be chosen substantially equal to, or even slightly greater than, the coefficient of thermal expansion of the substrate. It will typically be around
  • the invention makes it possible to obtain two lenses per through-hole for all or part of the holes of the substrate, which may correspond to four non-planar diopters per hole.
  • FIG. 5 illustrates, according to a cutting plane, an optical device according to the invention.
  • This optical device is composed of three optical means 71 to
  • Each of these optical means comprises a through hole in which a lens (means 71) or two lenses (means 72, 73) have been formed.
  • CMOS sensor 8 To this stack of optical means is associated a CMOS sensor 8 which is also spaced from the stack of optical means by a spacer 70.
  • the optical device does not have an optical cover around the stack.
  • the substrate of the optical means is made of silicon, such as that of the CMOS sensor
  • the stack exhibits good behavior during temperature rises. Indeed, all the substrates then deform identically.
  • the reference 80 designates a protective glass, the reference 81 an infrared filter and the reference 82 an optical cover. The latter is necessary to prevent infrared light and electromagnetic waves from passing through the CMOS sensor and degrading the signal / noise ratio of the image.
  • This optical device is obtained by cutting a housing according to the invention formed of a stack of optical modules according to the invention and a substrate comprising a plurality of CMOS sensors 8. This stack is produced along the axis XX ' and the cutting planes of the housing also extend along the same axis XX '.
  • Each optical means is therefore a part of an optical module of the housing.
  • FIG. 5 shows that the optical device comprises vias 9 for electronic addressing.
  • the holes are obtained directly during the molding of the substrate.
  • the diameter of these other holes is for example about 100 microns.
  • This filling is preferably carried out under vacuum, to avoid creating inclusions of air bubbles.
  • the polymer is then cured by heating or UV polymerization.
  • the polymer may be of the polyacetylene, polyaniline, polypyrrole or polythyophene type.
  • the reference signs appearing in the claims are only intended to facilitate their understanding and can not limit their scope.

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Abstract

Dispositif optique réalisé par découpe d'un boîtier à l'échelle d'une tranche comprenant au moins un module optique formé d'un substrat (1) percé d'une pluralité de trous traversants (2) et d'éléments optiques disposés dans les trous, dans lequel, dans au moins un trou, sont disposées deux lentilles (3, 4) en au moins un matériau polymère, transparent dans la gamme 400nm-700nm, chacune des lentilles étant définie par un dioptre extérieur et un dioptre intérieur, caractérisé en ce qu'un espace est ménagé entre les dioptres intérieurs des deux lentilles et en ce que le substrat est dépourvu de matériau polymère entre deux trous traversants adjacents.

Description

Dispositif optique, boîtier à l'échelle d'une tranche pour un tel dispositif optique et procédé correspondant
L'invention concerne le domaine des dispositifs optiques tels que des dispositifs de caméra et plus particulièrement des boîtiers à l'échelle d'une tranche pour de tels dispositifs.
Ces dispositifs sont notamment destinés à des téléphones portables ou à des organiseurs (PDA : Personal Digit Assistant).
Ainsi, le document US-7 564496 décrit un dispositif de caméra comprenant un élément pour saisir des images, par exemple un système imageur CMOS et un empilement d'ensembles optiques, des espaceurs étant prévus entre les ensembles optiques et entre l'élément de capture d'images et l'empilement d'ensembles optiques.
Chaque ensemble optique comporte un substrat et des lentilles qui peuvent être formées sur le substrat ou dans des trous traversants du substrat.
Par ailleurs, le substrat peut être réalisé en un matériau transparent optiquement, tel que du verre ou du quartz. Il peut également être réalisé en un matériau opaque de façon à éviter des réflexions de lumière parasites dans le dispositif de caméra. Ce mode de réalisation permet de s'affranchir du capotage optique autour de l'empilement de modules optiques.
D'autres documents décrivent des modules optiques comprenant un substrat percé de trous traversants, dans lesquels est formée une lentille réalisée en résine.
Ainsi, le document JP-2009300596 décrit une lentille en résine qui remplit complètement le trou réalisé dans le substrat, les bords de la lentille étant accrochés aux parois du trou. Cette lentille est délimitée, de part et d'autre du substrat, par deux interfaces air-résine, chacune d'elle pouvant être sphérique ou asphérique.
De même, le document JP-2009251366 décrit un substrat comportant une seule lentille dans chaque trou traversant réalisé dans le substrat, les bords de la lentille étant accrochés aux parois du trou. Là encore, chaque lentille est délimitée, de part et d'autre du substrat, par deux interfaces air-résine qui peuvent être sphériques ou asphériques.
Les modules optiques décrits dans ces documents nécessitent l'utilisation d'une grande quantité de résine, ce qui a des conséquences négatives sur le comportement en température du module optique.
De façon générale, les montées en température peuvent se produire, soit au cours de la réalisation du dispositif optique, soit au cours de l'utilisation de celui-ci, lorsqu'il est intégré par exemple dans un téléphone portable.
Lors de la réalisation du dispositif optique, l'étape de « reflow » ou de connexion métallique par soudage thermique est une étape particulièrement critique. Cette étape consiste à chauffer à quelques centaines de degrés et pendant quelques minutes les billes métalliques situées sous le capteur CMOS de façon à établir un contact entre ce capteur et le circuit d'adressage situé en dessous. Cette étape va évidemment faire chauffer non seulement ces billes, mais également l'ensemble des éléments rapportés au dessus du capteur, et en particulier les modules optiques associés au capteur.
D'autres montées en température importantes peuvent se produire lors de l'assemblage des modules optiques et du capteur CMOS.
Par ailleurs, au cours de l'utilisation du téléphone portable, l'utilisateur peut le laisser dans sa voiture pendant plusieurs heures au soleil. C'est un cas assez sévère qui peut correspondre à une température de 80°C pendant plusieurs heures.
Par ailleurs, lors d'un échauffement du dispositif, les matériaux auront tendance à se dilater. L'accroissement de volume de ces matériaux est fonction de leur coefficient d'expansion thermique (CTE). Si les coefficients d'expansion thermique sont proches, alors les matériaux se dilatent de la même quantité. La montée en température ne crée pas de tension mécanique. A l'inverse, si les coefficients d'expansion thermique sont très différents, les matériaux ne se dilatent pas de la même façon. Un accroissement en température a alors pour effet de créer des tensions mécaniques dans l'assemblage.
Ces tensions mécaniques augmentent avec la quantité de résine présente dans les modules optiques.
Elles entraînent une déformation par torsion des substrats constituant l'empilement. Cette déformation a deux effets. D'une part, elle peut provoquer des craquements ou une délamination de l'empilement.
D'autre part, elle conduit au non respect des cotes mécaniques des modules optiques, c'est-à-dire à une détérioration de la qualité optique résultante. Ainsi, le fait d'utiliser dans les modules optiques des matériaux de coefficients d'expansion thermique différents conduit à une réduction de la tenue mécanique et/ou à une réduction de la qualité de l'image.
Par ailleurs, ces documents décrivent tous des modules optiques comportant une seule lentille (deux dioptres non plans) par trou traversant du substrat et donc seulement deux interfaces air-résine ou dioptres.
Ainsi, la réalisation d'un dispositif optique, notamment un dispositif optique d'imagerie, nécessitera l'empilement d'un nombre important de modules optiques, afin d'obtenir une qualité d'image acceptable. En effet, l'amélioration de la qualité des images nécessite de multiplier le nombre de lentilles sur le trajet de la lumière, au-dessus du capteur CMOS, et de concevoir des lentilles avec des cotes de plus en plus précises. Ceci entraînera des coûts importants.
Par ailleurs, il n'est même pas certain qu'un tel empilement soit possible, avec tout type de substrat.
En effet, la technologie actuelle utilise des substrats pour les modules optiques dont le coefficient d'expansion thermique est très différent de celui du silicium utilisé pour le capteur CMOS.
La différence entre les coefficients d'expansion thermique entraîne des différences de dilatation qui provoquent des déformations d'empilement, sous forme de craquements ou de délaminations. Elles conduisent également au non respect des cotes mécaniques. L'utilisation de matériaux de coefficients d'expansion thermique différents est donc contradictoire avec l'amélioration de la qualité optique des imageurs. Le nombre de substrats empilés pour réaliser un dispositif optique devra donc être limité.
Lorsqu'on utilise des substrats en silicium, le coefficient d'expansion thermique des différents substrats sera identique. Néanmoins, il subsiste deux problèmes.
D'une part, on réalise une lentille par trou. Il faut donc autant de substrats que de lentilles pour réaliser le système optique. Or, plus le nombre de substrats augmente, plus le respect des cotes mécaniques et optiques et donc la qualité d'image finale est délicate à obtenir.
D'autre part, comme souligné précédemment, le remplissage du trou par de la résine a pour effet d'augmenter le rapport entre la quantité de résine utilisée et la quantité de substrat. Plus ce rapport est grand, plus le module optique aura tendance à se déformer.
L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients et propose, à cet effet, un module optique formé d'un substrat percé d'une pluralité de trous traversants et d'éléments optiques disposés dans les trous, dans lequel, dans au moins un trou, sont disposées deux lentilles en au moins un matériau polymère transparent dans la gamme 400nm-700nm, chacune des lentilles étant définie par un dioptre extérieur tourné vers l'extérieur du trou traversant et un dioptre intérieur tourné vers l'intérieur du trou traversant, caractérisé en ce qu'un espace est ménagé entre les dioptres intérieurs des lentilles et en ce que le substrat est dépourvu de matériau polymère entre deux lentilles adjacentes.
La présence de quatre interfaces air-résine ou encore de quatre dioptres permet de réduire le nombre de substrats nécessaires pour réaliser un dispositif optique, à partir d'un boîtier à l'échelle d'une tranche comprenant un module optique selon l'invention. Il sera environ deux fois moins important qu'avec les substrats décrits dans les documents US-7 564 496, JP-2009300596 ou JP-2009251366, qui ne comportent qu'une lentille par trou traversant.
Ainsi, pour un nombre donné de lentilles dans un dispositif optique, le nombre de substrats est moins important. En conséquence, les risques de contrainte mécanique diminuent et la qualité d'image du dispositif optique augmente.
Par ailleurs, l'absence de matériau polymère sur le substrat entre deux lentilles adjacentes permet d'éviter les problèmes de diffusion.
Le dioptre extérieur peut présenter une forme sphérique ou encore asphérique pour améliorer la qualité optique en corrigeant des aberrations, en particulier des aberrations chromatiques ou géométriques.
Par ailleurs, le dioptre intérieur est de forme plane, sphérique ou asphérique.
Dans un mode particulier de réalisation, les deux lentilles disposées dans un même trou traversant présentent un indice et une constringence différents, de façon à réduire le chromatisme du dispositif optique obtenu à partir du boîtier selon l'invention.
Dans un autre mode particulier de réalisation, le dioptre extérieur d'au moins une des deux lentilles disposées dans un même trou traversant, est recouvert d'un autre dioptre.
Ce dioptre peut, par exemple, être asphérique, de façon à corriger des aberrations, en particulier des aberrations chromatiques.
Il peut également être réalisé en un matériau d'indice différent de celui du matériau formant la lentille, de façon par exemple à réduire le chromatisme du dispositif optique réalisé à partir d'un boîtier comprenant un module optique selon l'invention.
Dans un autre mode particulier de réalisation du module optique selon l'invention, dans au moins un trou traversant comprenant deux lentilles, l'espace compris entre les deux dioptres intérieurs des deux lentilles est rempli par un matériau transparent dans la gamme 400nm-700nm.
L'indice et la constringence de ce matériau situé entre les deux dioptres intérieurs peut être différent de ceux d'au moins une des deux lentilles, de façon là encore à réduire les aberrations chromatiques ou géométriques d'un dispositif optique qui intégrerait le module optique selon l'invention. De même, le dioptre extérieur d'au moins une des deux lentilles disposées dans un même trou traversant, peut être recouvert d'un revêtement anti-reflet et/ou anti-infrarouge.
L'invention concerne également un boîtier à l'échelle d'une tranche comprenant au moins un module optique selon l'invention et un substrat comportant une pluralité de systèmes imageurs.
Il comporte également des espaceurs pour espacer les modules optiques les uns des autres ou encore le ou les module(s) optique(s) du système imageur.
De façon préférée, le substrat dudit au moins un module optique est réalisé en un matériau opaque. Il est ainsi possible de s'affranchir du capotage optique autour de l'empilement de modules optiques dans le dispositif optique final.
Dans ce cas, le matériau choisi est de préférence le silicium, c'est-à-dire dans le même matériau que le système imageur. Il pourra également être un matériau de type polymère à cristaux liquides intégrant des fibres de verre ou de carbone ou de type polysulfone incluant des fibres de carbone. Le pourcentage de fibres de verre ou de carbone est compris entre 10 et 35% selon le degré d'opacité et le comportement thermique recherché.
Ceci comporte deux avantages. Tout d'abord, les substrats en silicium ou en un des matériaux plastiques précédents évitent la pénétration de la lumière parasite qui pourrait sinon atteindre le système imageur et perturber son fonctionnement. De plus, le boîtier est alors réalisé d'un empilement de substrats réalisés en un même matériau ou en des matériaux ayant le même comportement lors d'un échauffement, que ce soit le matériau constitutif des modules optiques ou du système imageur. De ce fait, chaque substrat se déforme de façon identique, ce qui améliore le comportement du boîtier, lors d'une augmentation de la température.
De manière avantageuse, le boîtier comporte des vias électriques pour l'adressage électronique qui traversent les substrats en silicium ou en matériau plastique. L'invention concerne également un dispositif optique comprenant une partie d'un boîtier à l'échelle d'une tranche selon l'invention, coupé selon des plans s'étendant dans une direction axiale.
L'invention concerne également un procédé pour la réalisation 5 d'un module optique selon l'invention, consistant à réaliser les étapes suivantes :
(a) réaliser un substrat avec une pluralité de trous traversants,
(b) déposer sur les deux côtés d'au moins un trou traversant, une goutte d'un polymère, durcissable thermiquement ou par UV, et transparent o dans la gamme 400nm-700nm, de telle sorte qu'un espace est ménagé, dans ledit au moins trou, entre deux gouttes de polymère et que le substrat est dépourvu de tout polymère entre deux trous traversants adjacents, et
(c) durcir ledit polymère thermiquement ou par UV.
5 De façon avantageuse, ce procédé consiste, entre les étapes (b) et (c), à mettre en forme ladite goutte de polymère par moulage.
Cette étape de moulage, réalisée notamment par imprint thermique, permet d'obtenir d'autres profils que des profils sphériques.
Dans un mode particulier de mise en oeuvre, le procédé o comporte, après l'étape (c), une étape (d) consistant à déposer sur au moins une des deux lentilles formées dans un trou traversant, une autre goutte de polymère venant enrober la lentille précédemment formée et une étape (e) consistant à durcir ladite goutte de polymère thermiquement ou par UV.
Cette étape (e) pourra être suivie d'une étape (f) de mise en 5 forme de cette autre goutte de polymère par moulage.
Ceci permet, là encore, de réaliser un dioptre asphérique sur la lentille précédemment formée, pour corriger des aberrations, en particulier des aberrations chromatiques.
Les indices et constringences des différents matériaux utilisés o pour réaliser les lentilles et/ou les dioptres supplémentaires peuvent être différents pour réduire le chromatisme.
Selon un autre mode particulier de mise en œuvre du procédé selon l'invention, avant l'étape (b), le procédé consiste à remplir au moins partiellement ledit trou traversant avec un matériau durcissable thermiquement ou par UV.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un boîtier à l'échelle d'une tranche consistant à réaliser plusieurs modules optiques selon l'invention et à les empiler selon une direction axiale avec un substrat comportant une pluralité de systèmes imageurs.
De façon préférée, le procédé consiste également à réaliser lors de l'étape (a), des trous supplémentaires à travers tous les substrats, ces trous étant alignés axialement, le procédé consistant ensuite à remplir ces trous avec un polymère conducteur puis à durcir cè polymère, de façon à réaliser des vias électriques pour l'adressage électronique.
L'invention concerne enfin un procédé de réalisation d'un dispositif optique, notamment un dispositif de caméra, consistant à mettre en œuvre le procédé selon l'invention pour la réalisation d'un boîtier à l'échelle d'une tranche et une étape complémentaire de découpage en dés selon des plans s'étendant dans une direction axiale, de façon à séparer le boîtier en des dispositifs optiques individuels.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est fait au regard des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un premier exemple d'un module optique d'un boîtier à l'échelle d'une tranche selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un deuxième exemple de module optique d'un boîtier selon l'invention,
- la figure 3 est une vue transversale en coupe d'un troisième exemple d'un module optique d'un boîtier selon l'invention,
- les figures 4a et 4b sont des vues en coupe transversale montrant une étape intermédiaire de réalisation, d'une part, du module optique illustré à la figure 3 et d'autre part, d'une variante de ce module optique,
- la figure 5 est une vue transversale en coupe, selon un plan de découpe, d'un dispositif optique selon l'invention. Les éléments communs aux différentes figures seront désignés par les mêmes références.
La figure 1 illustre un module optique 10 comprenant un substrat 1 , dans lequel ont été réalisés, dans cet exemple, deux trous traversants 2.
Ce substrat sera, de préférence, réalisé en silicium ou en un matériau plastique de type polysulfone ou polymère à cristaux liquides, chargé en fibres de carbone ou de verre.
L'épaisseur du substrat sera comprise entre environ 100 pm et quelques millimètres, par exemple environ 725 pm.
Lorsque le substrat est en silicium, les trous traversants seront réalisés par gravure profonde, par exemple par une technique de type DRIE (Deep Reactive Ion Etching), technique actuellement pour la réalisation des vias électriques à travers des substrats en silicium.
Lorsque le substrat est en une matière différente, d'autres procédés seront utilisés. Ainsi, lorsque le substrat est réalisé en un matériau plastique moulé, les trous traversants sont de préférence obtenus par moulage.
Ainsi, le substrat peut également être réalisé en des matériaux opaques que l'on peut graver ou mouler. Il peut s'agir de métaux comme le tungstène, le fer, le cuivre, le molybdène ou l'aluminium ou encore des matériaux polymères tels que des PDMS (polydiméthylsiloxane) ou des polymides.
L'utilisation du silicium est intéressante car elle évite les contraintes liées à une éventuelle différence entre le coefficient d'expansion thermique du substrat des modules optiques et celui du système imageur.
Bien entendu, on réalise généralement dans un substrat un nombre de trous bien supérieur à deux. Ainsi, plus de mille trous traversants sont réalisés sur un substrat dont le diamètre est de 200 millimètres.
Le diamètre des trous traversants sera compris entre environ 100 pm et quelques millimètres, par exemple 700 pm.
Par ailleurs, le pas 23 entre deux trous consécutifs est fonction du diamètre des trous et de la distance 21 entre le bord du trou et le bord du substrat, après singulation. Ce pas est généralement compris entre environ 500 μητι et quelques millimètres, typiquement 5 mm.
Ce procédé conduit généralement à la formation d'irrégularités sur les parois 22 des trous traversants. Ces irrégularités peuvent être avantageusement utilisées dans le cadre du procédé de réalisation selon l'invention, comme cela sera expliqué ultérieurement.
A chaque extrémité d'au moins un trou traversant 2, est formée une lentille 3, 4, délimitée chacune par un dioptre extérieur 30, 40 et un dioptre intérieur 31 , 41.
Dans l'exemple illustré à la figure 1 , chaque trou 2 comporte deux lentilles mais l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation. Ainsi, certains trous du substrat pourraient ne comporter qu'une seule lentille.
De plus, dans l'exemple illustré à la figure 1 , le dioptre extérieur 30, 40 de chaque lentille est légèrement en saillie par rapport au substrat 1. L'invention n'est cependant pas limitée à ce mode de réalisation et le dioptre extérieur pourrait être situé à l'intérieur du trou. Les dioptres intérieurs 31 , 41 sont disposés en vis-à-vis dans le trou 2, un espace restant libre entre les deux dioptres intérieurs.
Chacune de ces lentilles est obtenue par le dépôt, d'un côté du trou traversant, d'une goutte d'un polymère durcissable thermiquement, par exemple un polycarbonate, ou par UV. Bien entendu, ce matériau est transparent sur la gamme visible 400nm-700nm.
Par ailleurs, le dépôt est réalisé de manière à ménager un espace entre les deux gouttes de polymère qui formeront ensuite les lentilles.
Le dépôt du polymère est de plus effectué uniquement dans les trous traversants. Ainsi, les lentilles ne sont pas obtenues à partir d'une couche de matériau déposée par exemple par enduction centrifuge (ou spin- coating dans la terminologie anglaise). Ainsi, dans un module optique selon l'invention, aucun matériau constitutif n'est présent entre les dioptres extérieurs de deux lentilles adjacentes ou entre deux trous adjacents, ce qui permet d'éviter les phénomènes de diffusion. Le substrat est donc libre de tout matériau polymère entre ces dioptres extérieurs. Au contraire, lorsque les lentilles sont obtenues à partir d'une couche de matériau polymère déposée sur le substrat, ce matériau reste présent entre les dioptres extérieurs de deux lentilles adjacentes, à moins qu'une étape de gravure ne soit spécifiquement prévue.
Le dioptre extérieur 30, 40 de chaque lentille présente une forme sensiblement sphérique. On constate que la forme obtenue peut être maîtrisée avec une erreur de l'ordre de 50nm par rapport à une sphère parfaite.
Le polymère est ensuite durci par chauffage ou par insolation UV.
La hauteur de la lentille, prise selon la direction du trou traversant, est généralement comprise entre 10 et 400 pm.
Pour assurer un bon maintien de chacune des lentilles dans le substrat 1 , il convient que la surface de contact entre le polymère constituant les lentilles et le substrat soit importante. Elle doit être typiquement au moins égale à l'ouverture dans le substrat. Celle-ci est déterminée lors de la conception du système d'imagerie. Elle dépend de la quantité de lumière qui doit arriver sur le capteur, de la position de la lentille par rapport au capteur, de sa fonction (lentille de champ ou d'ouverture, etc..) et de la forme que doit avoir le dioptre.
Les matériaux polymères utilisés pour réaliser les lentilles 3 et 4 peuvent présenter un indice différent. Ils peuvent présenter une contringence, c'est-à-dire une variation de l'indice avec la longueur d'onde sur la gamme 400nm-700nm, qui est également différente.
Les matériaux polymères typiquement utilisés sont le PMMA (polyméthacrylate de méthyle) ou le PC (polycarbonate).
Pour le PMMA, l'indice est n = 1.491 et la constringence est c = 57.44.
Pour le PC, l'indice est n = 1.585470 et la constringence est c = 29,909185.
On peut également citer des polymères polyuréthane dont l'indice est n = 1 ,64 et la constringence est c = 30.
La correction du chromatisme se fait par l'utilisation de deux matériaux de nature différente. Le premier sera peu dispersif (faible constringence), le deuxième sera très dispersif. L'utilisation de deux matériaux d'indices différents permet de corriger le chromatisme.
Par ailleurs, avant la polymérisation, un moule peut être mis en place pour mettre en forme les gouttes de polymère.
Ce moule est généralement commun à tout le substrat et il est maintenu en place pendant toute la durée de la polymérisation. L'utilisation d'un tel moule permet de réaliser des dioptres extérieurs asphériques, de façon à corriger certaines aberrations chromatiques ou géométriques.
Le profil du moule est, de façon générale, défini en fonction de la distance à l'axe optique par une équation dont les paramètres sont le rayon de courbure, la conicité et les coefficients d'asphérisation.
En fonction du profil choisi, on peut réaliser par exemple une lentille d'ouverture (forte conicité, faible asphérisation) ou une lentille de champ (faible conicité, forte asphérisation).
Par ailleurs, les dioptres intérieurs 31 , 41 peuvent être plans ou sphériques. Cette forme est déterminante dans la qualité optique du système d'imagerie final.
De façon générale, la forme du dioptre intérieur dépend largement de la forme du moule utilisé, de la forme du substrat percé et de la quantité de matériau utilisée pour réaliser la lentille.
Ainsi, pour un couple « moule/substrat percé » présentant un volume donné de réception de la résine, si le volume de résine est égal au volume de réception, alors le dioptre intérieur est plan (ou de très grand rayon de courbure). Si le volume de résine est très supérieur au volume de réception, alors le dioptre intérieur est courbé (ou de très petit rayon de courbure).
D'autres paramètres entrent en ligne de compte dans la réalisation de ces dioptres intérieurs, notamment : la mouillabilité du polymère, la conservation du volume, la taille et la forme de l'ouverture dans le substrat considéré (en silicium ou en plastique).
Enfin, les dioptres extérieurs 30, 31 peuvent être recouverts d'un revêtement anti-reflet et/ou anti-infrarouge. Dans le cas de la réalisation d'un revêtement anti-reflet, il peut s'agir d'un empilement bicouche Si02 / ΤΊ02 ou un empilement 4-couches Si02 / ΤΊ02 / Si02 / ΤΊΟ2, l'épaisseur de chaque couche étant de quelques dizaines de nanomètres.
Le dépôt de chacune de ces couches peut se faire par MOCVD
(Metal-Organic Chemical Vapor Déposition : dépôt chimique en phase vapeur à partir d'organo-métalliques), ou CVD (Chemical Vapor Déposition : dépôt chimique en phase vapeur), en fonction de la nature de la couche considérée.
Dans ce mode de réalisation, la quantité de résine utilisée est considérablement réduite par rapport à celle requise dans l'état de la technique. Ainsi, les risques de contraintes mécaniques liées à l'utilisation de matériaux présentant des coefficients d'expansion thermique différents sont également réduits.
La figure 2 illustre un module optique 11 similaire à celui décrit en référence à la figure 1 , comportant deux lentilles 3, 4 dans chaque trou traversant 2 du substrat 1.
Dans le mode réalisation illustré à la figure 2, un autre dioptre 32, 42 est présent sur le dioptre extérieur 30, 40 de chaque lentille.
Cet autre dioptre est obtenu par le dépôt, sur le dioptre extérieur 30, 40, d'une goutte ou noisette de polymère qui vient enrober la lentille précédemment formée.
Ce polymère est également transparent sur la gamme visible 400nm-700nm et il est durcissable thermiquement ou par UV.
Comme expliqué précédemment au regard de la figure 1 , un moule peut être utilisé pour mettre en forme les gouttes de polymère, afin d'obtenir un dioptre 32, 42 non nécessairement sphérique.
Par ailleurs, les matériaux utilisés pour réaliser les dioptres 32, 42 peuvent présenter un indice différent du matériau utilisé pour réaliser les lentilles 3, 4, de façon à réduire, voire annuler le chromatisme du dispositif optique utilisant ce module optique. Ainsi, comme expliqué précédemment, le matériau utilisé pour la lentille 3 pourra être peu dispersif, tandis que celui utilisé pour le dioptre 32 sera très dispersif. La figure 3 illustre encore un autre mode de réalisation, dans lequel le trou traversant est rempli d'un matériau polymère 20, avant la formation de la ou des lentille(s) 3 et 4, sur un côté du trou traversant 2. Ainsi, l'espace ménagé entre les dioptres intérieurs dans lentilles 3 et 4 est ici rempli par le matériau polymère.
Ce polymère de remplissage est nécessaire pour des trous 2 dont le diamètre est supérieur à 1 ,5 mm. Il permet alors d'assurer la tenue mécanique des lentilles qui seront ensuite formées par dépôt d'une goutte de polymère.
II peut par ailleurs être optiquement utile quel que soit le diamètre du trou.
Les matériaux utilisés sont également des matériaux polymères polymérisables par UV ou thermodurcissables. La température de durcissage varie en fonction du polymère choisi. Elle est généralement située entre 80°C et plusieurs centaines de degrés, typiquement 300°C.
Le matériau choisi présente de bonnes propriétés optiques, c'est-à-dire assurant une transmission supérieure à 90% sur la gamme visible 400nm-700nm, avec un indice et une constringence maîtrisés.
Le matériau choisi est, de préférence, plus souple que le substrat 2, une fois durci, afin de permettre un bon contact au niveau de l'interface avec le substrat et ainsi conserver une cohésion importante avec le substrat, en particulier lors des montées en température.
A titre d'exemple, ce matériau polymère pourra être une résine hybride ou un matériau sol gel acrylate, un PDMS (Polydiméthylsiloxane), une résine polyester saturée, une résine époxyde, ou polymide ou phénolyque, ou encore un caoutchouc vulcanisé.
Si le substrat 2 est réalisé en silicium, le matériau polymère présentera, de préférence, un coefficient d'expansion thermique proche de celui du silicium, c'est-à-dire d'environ 3.10"6/C° à 20°C. Ainsi, le risque de dissociation entre le substrat 2 et le bouchon 20 de polymère sera réduit, lors d'une montée en température.
Les polymides, par exemple, ont cette propriété. Il en est de même pour un polymère à cristaux liquides, le polysulfone ou le polyethersulfone chargés à 30% en fibres de carbone.
La figure 3 montre que des espaces 21 sont laissés libres entre le bouchon 20 et le substrat 2, le long des parois des trous traversants. Ils peuvent notamment correspondre aux irrégularités présentes sur la paroi des trous traversants.
Ce mode de réalisation est intéressant lorsque les coefficients d'expansion thermique du bouchon et du substrat sont différents.
En effet, dans ce cas, lors d'une montée en température, les volumes occupés par chaque matériau vont varier différemment. Le fait de prévoir un petit espace entre ces matériaux donne la possibilité à chacun de s'expanser différemment, sans risque de brisure, de casse ou de forte contrainte mécanique.
De préférence, le matériau polymère présente de bonnes caractéristiques rhéologiques de façon à limiter le risque de formation de bulles à l'intérieur du bouchon 20.
Par ailleurs, la viscosité du matériau doit être suffisamment faible pour que le matériau épouse bien les formes du trou traversant et suffisamment importante pour que le matériau ne coule pas à l'extérieur du trou traversant, avant la polymérisation. Ainsi, la viscosité du matériau sera, de préférence, comprise entre 10 000 cp et 100 cp.
Si le substrat mouille correctement, on choisira une résine de faible viscosité. Et inversement, si le substrat mouille peu, alors on choisira une résine de forte viscosité.
Le remplissage du trou traversant par le matériau polymère peut être par exemple réalisé par une technique par jet d'encre ou par sérigraphie.
Dans la technique par jet d'encre, une ou plusieurs buses placées sur un bras robotisé apporte(nt) le polymère dans chaque trou traversant. Le dépôt du polymère peut être réalisé pour plusieurs trous traversants simultanément et notamment pour l'ensemble des trous traversants situés sur une même ligne du substrat 1. Pour la sérigraphie, on utilise un masque souple, c'est-à-dire par exemple une feuille métallique souple dont l'épaisseur est faible, typiquement autour de 100 pm et percée de trous.
L'agencement des trous correspond à l'agencement des trous que l'on aura réalisés sur le substrat de façon à ce que les trous du masque souple se superposent aux trous du substrat.
On dispose ensuite grossièrement une quantité donnée de polymère sur la périphérie du masque et on l'étalé ensuite avec un moyen approprié, comme un racloir, sur toute la surface du substrat. Grâce à cet étalement, le polymère remplit les trous traversants.
Avec cette technique, tous les trous traversants peuvent être remplis de polymère simultanément.
Quelle que soit la méthode utilisée pour remplir les trous traversants, le substrat pourra être placé sur une table aspirante dont la surface pourra être préalablement traitée pour obtenir un revêtement partiellement ou totalement hydrophile ou hydrophobe.
L'utilisation de cette table aspirante, éventuellement traitée, permet d'éviter que le polymère déposé dans le trou traversant ne coule sous le substrat ou encore ne s'attache à la table après polymérisation.
Lorsque le remplissage du trou traversant est partiel, il convient d'éviter tout flambage, pouvant survenir avant ou après durcissement du polymère.
En pratique, le flambage peut être évité en s'assurant que le matériau formant le bouchon a un coefficient d'expansion thermique proche du substrat, en mettant une faible quantité de matériau dont le coefficient d'expansion thermique est différent de celui du substrat, ou encore en déposant le polymère de chaque côté du trou traversant de façon à équilibrer les contraintes.
La figure 4a montre le module optique 12 avant la réalisation des lentilles 5 et 6.
La figure 4b illustre un substrat 1 , dans lequel des trous traversants de forme tronconique et non cylindrique ont été réalisés. Cette forme particulière des trous traversants permet, d'une part, de faciliter le remplissage du trou traversant et d'autre part, d'améliorer la tenue mécanique du bouchon obtenu.
L'amélioration de la tenue mécanique est due à deux raisons : d'une part, le trou dans lequel on vient insérer le bouchon étant conique, le bouchon ne peut sortir plus que par un seul côté ; d'autre part, les parois du trou étant inclinées, la surface de contact entre le substrat et le bouchon est plus grande.
L'espace entre le bouchon et les parois n'est, de préférence, pas comblé pour les raisons évoquées précédemment.
De façon générale, il convient de bien maîtriser l'angle de mouillage du polymère sur le bord de la paroi du trou traversant, ce qui impose de réaliser des trous avec des bords présentant une topologie bien maîtrisée, c'est-à-dire une forme bien circulaire.
Dans le cas contraire, il convient que les matériaux constituant les deux lentilles ainsi que le bouchon présentent un indice et une constringence identiques.
Le remplissage des trous traversants par le matériau polymère peut conduire à la création d'inclusions d'air dans le bouchon de polymère obtenu. Ceci peut affecter les qualités optiques du module optique obtenu.
C'est pourquoi le remplissage peut être réalisé sous vide, de façon à éviter ces inclusions d'air.
Dans certains cas, la présence de bulles d'air peut être utilisée pour permettre au matériau polymère de se dilater, en cas de montée en température, sans apporter de contrainte au substrat 2. Dans ce cas, le procédé de remplissage sera mis en oeuvre de façon à piéger ces bulles d'air dans les rugosités ou irrégularités, issues de la gravure du substrat.
En pratique, il convient de choisir judicieusement les caractéristiques du polymère et la vitesse de remplissage.
Enfin, le remplissage des trous traversants pourra être facilité par l'utilisation d'un catalyseur chimique de la surface du trou, permettant d'accroître la mouillabilité du polymère sur le substrat. Une fois que les bouchons 20 sont réalisés, des lentilles 5, 6 peuvent être réalisées à chaque extrémité d'un trou traversant 2, une seule lentille pouvant être réalisée dans certains trous.
Le procédé décrit en référence à la figure 1 peut être bien sûr mis en œuvre.
La figure 3 montre que, du côté de la lentille 6, le bouchon 20 affleure la surface du substrat 1.
Dans ce cas, le procédé de remplissage doit être mis en œuvre de telle sorte que le polymère ne crée pas de bourrelets sur la face extérieure du substrat, en périphérie du trou traversant.
En effet, si la réalisation de la lentille 6 nécessite l'utilisation d'un moule, ces bourrelets pourraient empêcher le moule de venir en contact avec la surface extérieure du substrat 1. Il ne permettrait alors pas d'obtenir la forme souhaitée pour la lentille 6.
En pratique, l'épaisseur du polymère présent sur la surface du substrat 1 sera au plus de l'ordre de quelques centaines de microns, lorsqu'un moule doit être utilisé pour réaliser la lentille 6.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 3, les indices des matériaux constituant d'une part, le bouchon 20 et d'autre part, les lentilles 5 et 6, peuvent être différents. De plus, les indices de ces matériaux peuvent avoir des constringences différentes.
A titre d'exemple, le matériau de la lentille 5 peut présenter un indice n1 d'environ 1 ,5 et une constringence c1 d'environ 60, tandis que la seconde lentille 6 présentera un indice n2 d'environ 1 ,7 et une constringence c2 d'environ 30.
Par ailleurs, le matériau constituant le bouchon pourra présenter le même indice et la même constringence que la lentille 5 ou la lentille 6. Ceci permet de réaliser un doublet achromatique qui permet de corriger l'aberration chromatique.
Le matériau formant le bouchon pourra également présenter un indice et une constringence différents de ceux des lentilles 5 et 6 de façon à optimiser la qualité d'image du système d'imagerie final. Ce mode de réalisation permet de réduire non seulement des aberrations chromatiques mais également des aberrations géométriques (triplet de cooke par exemple). Ce mode de réalisation peut être intéressant lorsque le module optique est destiné à un système d'imagerie à haute résolution comprenant un nombre faible de modules optiques.
De façon générale, le coefficient d'expansion thermique de chacun des matériaux est choisi de façon à minimiser les contraintes sur le substrat, en particulier lors de montées en température. Ainsi, il sera choisi sensiblement égal, voire légèrement supérieur, au coefficient d'expansion thermique du substrat. Il sera typiquement d'environ
3.10"6/°C, lorsque le substrat est en silicium.
Enfin, d'autres dioptres pourront être réalisés sur les lentilles 5 et 6, comme cela a été expliqué au regard de la figure 2.
Il convient de noter que, dans tous les modes de réalisation, l'invention permet d'obtenir deux lentilles par trou traversant pour tout ou partie des trous du substrat, ce qui peut correspondre à quatre dioptres non plans par trou.
Il est maintenant fait référence à la figure 5 qui illustre, selon un plan de découpe, un dispositif optique selon l'invention.
Ce dispositif optique est composé de trois moyens optiques 71 à
73, qui sont écartés les uns des autres au moyen des espaceurs 70. Chacun de ces moyens optiques comprend un trou traversant dans lequel une lentille (moyens 71) ou deux lentilles (moyens 72, 73) ont été formées.
A cet empilement de moyens optiques est associé un capteur CMOS 8 qui est également écarté de l'empilement de moyens optiques par un espaceur 70.
Dans la mesure où les substrats du capteur CMOS et des moyens optiques sont opaques, le dispositif optique ne comporte pas de capotage optique autour de l'empilement.
De plus, lorsque le substrat des moyens optiques est en silicium, comme celui du capteur CMOS, l'empilement présente un bon comportement lors des montées en température. En effet, tous les substrats se déforment alors de façon identique. La référence 80 désigne une vitre de protection, la référence 81 un filtre infrarouge et la référence 82 un capotage optique. Ce dernier est nécessaire pour éviter que la lumière infra-rouge et les ondes électromagnétiques ne traversent le capteur CMOS et ne dégradent le rapport 5 signal/bruit de l'image.
Ce dispositif optique est obtenu par découpe d'un boîtier selon l'invention formé d'un empilement de modules optiques selon l'invention et d'un substrat comportant une pluralité de capteurs CMOS 8. Cet empilement est réalisé selon l'axe XX' et les plans de découpe du boîtier s'étendent o également selon ce même axe XX'.
Chaque moyen optique est donc une partie d'un module optique du boîtier.
La figure 5 montre que le dispositif optique comporte des vias 9 pour l'adressage électronique.
5 Pour réaliser ces vias électriques, d'autres trous traversants sont réalisés dans chacun des substrats 1 des modules optiques, en périphérie des substrats, lors de la formation des trous traversants 2. Le même procédé peut être mis en œuvre pour réaliser l'ensemble des trous traversants.
Lorsque le substrat est du silicium, l'ensemble des trous est o réalisé par une technique de type DRIE.
Avec un substrat réalisé en plastique, les trous sont obtenus directement lors du moulage du substrat.
Le diamètre de ces autres trous est par exemple d'environ 100 pm.
5 Ces trous sont ensuite remplis par un polymère conducteur, le remplissage intervenant au niveau de chaque substrat.
Ce remplissage est, de préférence, réalisé sous vide, pour éviter de créer des inclusions de bulles d'air.
Le polymère est ensuite durci par chauffage ou par o polymérisation UV.
A titre d'exemple, le polymère peut être du type polyacétylène, polyaniline, polypyrrole ou polythyophène. Les signes de référence figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter leur compréhension et ne sauraient en limiter la portée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module optique (10, 11 , 12) formé d'un substrat percé d'une pluralité de trous traversants et d'éléments optiques disposés dans les trous dans lequel,
5 dans au moins un trou (2), sont disposées deux lentilles (3, 4 ; 5, 6) en au moins un matériau polymère, transparent dans la gamme 400nm-700nm, chacune des lentilles étant définie par un dioptre extérieur (30, 40 ; 50, 60) et un dioptre intérieur (31 , 41 ; 51 , 61), caractérisé en ce qu'un espace est ménagé entre les dioptres intérieurs des deux lentilles et en ce que le substrat0 est dépourvu de matériau polymère entre deux trous traversants adjacents.
2. Module selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dioptre extérieur (30, 40 ; 50, 60) peut présenter une forme sphérique ou asphérique. 5
3. Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dioptre intérieur (31 , 41 , 61) est de forme plane, sphérique ou asphérique.
4. Module selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux lentilles (3, 4 ; 5, 6) disposées dans un même trou traversant (2) o présentent un indice et une constringence différents.
5. Module selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dioptre extérieur (30, 40) d'au moins une des deux lentilles (3, 4) disposées dans un même trou traversant, est recouvert d'un autre dioptre (32, 42).
5
6. Module selon la revendication 5, caractérisé en ce que cet autre dioptre est asphérique.
7. Module selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que cet autre 0 dioptre est réalisé en un matériau d'indice différent du matériau formant la lentille.
8. Module selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, dans au moins un trou traversant (2) comprenant deux lentilles (5, 6), l'espace compris entre les deux dioptres intérieur (51 , 61) des deux lentilles (5, 6) est rempli par un matériau (20), transparent dans la gamme 400nm-700nm.
9. Module selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'indice et la 5 constringence de ce matériau (20) situé entre les deux dioptres intérieurs sont différents de ceux d'au moins une des deux lentilles (5, 6).
10. Module selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dioptre extérieur d'au moins une des deux lentilles disposées dans un mêmeo trou traversant, est recouvert d'un revêtement anti-reflet et/ou anti-infrarouge.
11. Boîtier à l'échelle d'une tranche comprenant au moins un module optique (10, 11 , 12) selon l'une des revendications 1 à 10, et un substrat comportant une pluralité de systèmes imageurs.
5
12. Boîtier selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend également des espaceurs (70) pour espacer les modules optiques (7) les uns des autres ou encore le ou les module(s) optique(s) du système imageur (8). 0
13. Boîtier selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit substrat dudit au moins un module optique (7) est réalisé en un matériau opaque.
14. Boîtier selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il5 comprend des vias électriques (9) pour l'adressage électronique qui traversent les substrats.
15. Dispositif optique comprenant une partie d'un boîtier à l'échelle d'une tranche selon l'une des revendications 11 à 14, coupé selon des plans o s'étendant dans une direction axiale (XX').
16. Procédé pour la réalisation d'un module optique selon l'une des revendications 1 à 10, consistant à réaliser les étapes suivantes :
(a) réaliser dans un substrat (1) avec une pluralité de trous traversants (2),5 (b) déposer sur les deux côtés d'au moins un trou traversant (2), une goutte d'un polymère, durcissable thermiquement ou par UV et transparent dans la gamme 400nm-700nm, de telle sorte qu'un espace est ménagé, dans ledit au moins un trou, entre deux gouttes de polymère et que le substrat est dépourvu de tout polymère entre deux trous traversants adjacents, et
(c) durcir ledit polymère thermiquement ou par UV.
17. Procédé selon la revendication 16, consistant, entre les étapes (b) et (c), à mettre en forme ladite goutte de polymère par moulage.
18. Procédé selon la revendication 16 ou 17, comportant, après l'étape (c), une étape (d) consistant à déposer sur au moins une des deux lentilles (3, 4) formées dans un trou traversant (2), une autre goutte de polymère venant enrober la lentille précédemment formée et une étape (e) consistant à durcir ladite goutte de polymère, thermiquement ou par UV.
19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel, cette étape (e) est suivie d'une étape (f) de mise en forme de cette autre goutte de polymère par moulage.
20. Procédé selon l'une des revendications 16 à 19, dans lequel les indices et constringences des différents matériaux utilisés pour réaliser les lentilles (3, 4) et/ou les dioptres supplémentaires (32, 42), sont différents.
21. Procédé selon l'une des revendications 16 à 20, dans lequel, avant l'étape (b), le procédé consiste à remplir au moins partiellement ledit trou traversant (2) avec un matériau durcissable thermiquement ou par UV.
22. Procédé pour la réalisation d'un boîtier selon l'une des revendications 11 à 14, consistant à réaliser plusieurs modules optiques (7) conformément à l'une des revendications 16 à 21 et à les empiler selon une direction axiale (XX'), avec un substrat comportant une pluralité de systèmes imageurs (8).
23. Procédé selon la revendication 22, dans lequel, lors de l'étape (a), des trous supplémentaires sont réalisés à travers tous les substrats, ces trous étant alignés axialement, le procédé consistant à remplir ces trous avec un polymère conducteur puis à durcir ce polymère, de façon à réaliser des vias électriques (9) pour l'adressage électronique.
24. Procédé de réalisation d'un dispositif optique, notamment un dispositif de caméra, consistant à mettre en œuvre le procédé selon la revendication 22 ou 23 et une étape complémentaire de découpage en dés selon des plans s'étendant dans une direction axiale, de façon à séparer le boîtier en des dispositifs optiques individuels.
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