JP2018528468A - 基板に直接付着するスペーサを含む光学アセンブリ - Google Patents

Abstract

この開示は、たとえば、ウエハレベルの加工を用いて製造可能である光学アセンブリについて説明する。当該加工は、光学ウエハを含むウエハ積層体を提供することと、光学ウエハの表面上へ直接スペーサを成型することとを含んでいてもよい。スペーサは、たとえば、それらが接着剤を用いることなく光学ウエハに付着するように真空注型技術を用いて成型されてもよい。

Description

本開示の分野
この開示は、基板に直接付着するスペーサを含む光学アセンブリ、およびそのような光学アセンブリの製造技術に関する。

背景
撮像装置などの小さな光電子モジュールは、所望の性能を達成するために装置の光学軸に沿って積層されるレンズを含む光学アセンブリを用いることがある。いくつかの例では、製造加工の一部として、積層体を形成するウエハが互いに位置合わせされ接合される。ウエハは、たとえば膠または他の接着剤によって互いに取り付けられ得る。しかしながら、膠は、光学性能に悪影響を及ぼし得る領域に移動することがある。

さらに、いくつかの例では、比較的薄いスペーサウエハが、積層体のいくつかの光学部材を互いに分離するために、または光学アセンブリをモジュールの他の光電子部品から分離するために用いられる。アセンブリまたはモジュールの全体の高さを低くすることに役立つため、薄いスペーサウエハの利用は有利であり得る。一方で、加工の間にそのようなウエハの歪みが生じる可能性がある。さらに、スペーサウエハは、湿度を吸収し得るエポキシ材料からなることがある。そのような湿度の吸収は、ウエハに比較的大きな寸法の変化をもたらし得、アセンブリの光学性能に悪影響を及ぼす可能性がある。

概要
この開示は、基板に直接付着するスペーサを含む光学アセンブリ、およびそのような光学アセンブリの製造技術について説明する。光学アセンブリは、たとえば、多くのアセンブリが同時に並行して製造されるウエハレベルの加工を用いて製造されてもよい。当該加工は、光学ウエハを含むウエハ積層体を提供することと、光学ウエハの表面上へ直接スペーサを成型することとを含んでいてもよい。スペーサは、たとえば、それらが接着剤を用いることなく光学ウエハに付着されるように真空注型技術を用いて成型されてもよい。

１つの局面において、たとえば、光学アセンブリを製造するウエハレベルの方法は、互いに積層された複数のウエハを含むウエハ積層体を提供することを含み、複数のウエハは光学ウエハを含む。次に、スペーサが光学ウエハの表面上へ直接成型され、スペーサは接着剤を用いることなく光学ウエハの表面に付着する。

いくつかの実施は、以下の構成の１つ以上を含む。たとえば、いくつかの例では、スペーサは真空注型によって形成される。真空注型は、真空注型工具によって規定される空間の中へエポキシを注入することを含んでいてもよい。真空注型の間に、エポキシの一部がウエハ積層体のそれぞれのウエハの周囲に沿って配置されるとともに、光学ウエハの表面に沿ってその外周に、および／または、ウエハ積層体の表面に沿って光学ウエハの表面と反対側のウエハ積層体の端部に配置される場合もある。

別の局面は、開口部を有する第１のスペーサによって互いに分離される第１および第２の基板を含む光学アセンブリについて説明し、基板は特定の波長または波長範囲に対して透過性がある。光学アセンブリは、基板の少なくとも一方の上にビーム成形素子を含んでいてもよい。アセンブリは、第２の基板の表面に直接取り付けられる第２のスペーサをさらに含み、第１および第２のスペーサは第２の基板の反対側にあり、第２のスペーサは接着剤を用いることなく第２の基板の表面に付着する。第１および第２の基板の外側の横寸法と第１および第２のスペーサの外側の横寸法とは、互いに同じであってもよい。

いくつかの例では、第２のスペーサは、第２の基板の表面上に成型され、エポキシ材料（たとえば、真空注型されたエポキシ）を含む。第１および第２の基板は、たとえば、ガラス、ポリマーからなる群から選択される材料から構成されてもよい。それぞれのビーム成形素子が第１および第２の基板の各々に設けられる場合もある。

いくつかの実施は、以下の利点の１つ以上を提供する。たとえば、成型されたスペーサを光学ウエハに付着するために接着剤が必要とされないため、ウエハレベルの加工は、膠または他の接着剤が用いられたならば生じるであろう問題（たとえば、ウエハ積層体の繊細な表面への膠の移動；スペーサウエハの中への湿度の吸収）を軽減するのに役立ち得る。さらに、光学ウエハ上へ直接スペーサを成型することにより、いくつかの実施では、誤整列および／または操作歪みを低減し得る。

様々な実施例が以下により詳細に説明される。他の局面、構成および利点が以下の詳細な説明、添付の図面および請求項から容易に明らかになるであろう。

光学アセンブリの例を示す図である。 少なくとも１つの光学ウエハを含むウエハ積層体の実施例を示す図である。 光学アセンブリを製造するウエハレベルの加工の実施例を示すフローチャートである。 真空注型工具のウエハ積層体の実施例を示す図である。 真空注型工具のウエハ積層体のさらなる実施例を示す図である。 真空注型工具のウエハ積層体のさらなる実施例を示す図である。 真空注型工具のウエハ積層体のさらなる実施例を示す図である。 光学ウエハ上にスペーサを配置する間の、真空注型工具のウエハを示す図である。 真空注型工具からの除去後のウエハ積層体の実施例を示す図である。 真空注型工具のウエハ積層体の別の実施例を示す図である。

詳細な説明
図１は、第１のスペーサ２４によって互いに取り付けられて積層体を形成する、第１および第２の透明基板２２Ａ，２２Ｂを含む光学アセンブリ２０の実施例を示す図である。基板２２Ａ，２２Ｂは、たとえば、ガラスまたはポリマーであってもよい。特定の波長または波長範囲のみの光（たとえば、赤外線または紫外線）がアセンブリ２０を通過することを可能にするために、基板２２Ａ，２２Ｂの一方または双方がそれらの表面上に１つ以上の光学フィルタを含む場合もある。

透明基板２２Ａ，２２Ｂの１つ以上は、それらの表面の一方または双方の上に少なくとも１つのレンズまたは他のビーム成形素子２６を含んでいてもよい。図示された実施例は、透明基板２２Ａ，２２Ｂの各々の上に少なくとも１つのレンズ２６を示しているが、レンズまたはビーム成形素子が透明基板の一方のみに存在する場合もあり、所与の基板の片側または両側に存在する場合もある。基板２２Ａ，２２Ｂの一方のみがその表面上にレンズを有する場合もある。

第１のスペーサ２４は、透明基板２２Ａ，２２Ｂを互いに分離し、レンズを横から取り囲むように、たとえば環状の形状、または中央に開口部２９を備える矩形の形状を有していてもよい。透明基板２２Ａ，２２Ｂは、たとえば膠または他の接着剤によって第１のスペーサ２４の両端部に取り付けられてもよい。

上述のとおり、第１のスペーサ２４は第２の基板２２Ｂの第１の表面３０Ａに取り付けられる。加えて、第２のスペーサ２８が第２の基板２２Ｂの反対側の第２の表面３０Ｂに設けられてもよい。第１のスペーサ２４と同様に、第２のスペーサ２８は、たとえば、環状の形状、または中央部に開口部３２を備える矩形の形状を有していてもよい。いくつかの例では、光学アセンブリ２０は、たとえば発光素子または光検出素子（たとえば、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、レーザチップ、ＶＣＳＥＬ，フォトダイオード、画像センサ）が設置されるプリント基板（ＰＣＢ；printed circuit board）の上方に配置されてもよい。このような実施においては、第２のスペーサ２８は、発光面または光検出面とアセンブリの光学素子との間に所定の距離を確保し得る。基板２２Ａ，２２Ｂおよびスペーサ２４，２８の外側の横寸法（すなわち、図１のｘ軸およびｚ軸に沿った）は、互いに実質的に同じであってもよい。

いくつかの実施では、第１のスペーサ２４はポリマー材料、たとえば、対象の波長に対して実質的に不透明なエポキシ樹脂などの硬化性（たとえば、硬化型）ポリマー材料からなる。スペーサ２４，２８の一方または双方が熱可塑性ポリマー材料、ＵＶ硬化型ポリマー材料、または可視光硬化型ポリマー材料である場合もあり、光学アセンブリ２０が使用対象となることが意図されることに関して、スペーサを特定の波長または波長範囲の光に対して実質的に非透明（すなわち、不透明）にする１つ以上の色素、無機フィルタおよび／または染料をさらに含む場合もある。第２のスペーサ２８は、真空注型樹脂または他のポリマーからなってもよい。

第１のスペーサ２４が接着剤によって基板２２Ａ，２２Ｂに取り付けられ得るのに対し、第２のスペーサ２８は、第２の基板２２Ｂの表面３０Ｂの上へ直接成型される。以下でより詳細に説明されるように、第２のスペーサ２８を形成するために真空注型加工が用いられ得る。このような技術によって、第２のスペーサ２８が膠または他の接着剤を用いることなく第２の基板２２Ｂに設けられ固定されることが可能となる。したがって、スペーサ２８は透明基板２２Ｂの材料と異なる材料からなってもよいが、スペーサ２８と基板２２Ｂとが触れる境界３４には膠または他の接着剤は存在しない。

多数のアセンブリを同時に製造可能なウエハレベルの加工で、アセンブリ２０と同様の光学アセンブリが製造されてもよい。一般に、ウエハは実質的にディスク状または板状の形状の製品を意味し、１つの方向（ｙ方向または垂直方向）におけるその延びは他の２つの方向（ｘおよびｚまたは横方向）のその延びに対して小さい。いくつかの実施では、ウエハの寸法は５ｃｍ〜４０ｃｍの間であり、たとえば、１０ｃｍ〜３１ｃｍの間であり得る。ウエハは、たとえば、２，４，６，８または１２インチの寸法を有する円筒形状であり得る。１インチは約２．５４ｃｍである。ウエハレベルの加工のいくつかの実施では、各横方向において少なくとも１０個のモジュール、ある場合では各横方向において少なくとも３０またはちょうど５０またはそれ以上のモジュールの供給があってもよい。

ウエハレベルの加工の実施例では、第１の光学ウエハ１２２Ａおよび第２の光学ウエハ１２２Ｂは、接着剤（たとえば、膠）によって図２に示すような開口部２９を有するスペーサウエハ１２４に取り付けられる。膠は、たとえば、スクリーン印刷または他の好適な技術によって配置されてもよい。接着剤は、たとえば熱硬化型および／またはＵＶ硬化型のエポキシ樹脂であってもよい。その後、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂとスペーサ１２４とが互いに位置合わせされて接合される。たとえば図２に示されるようなウエハ積層体１２０が得られる。

スペーサウエハ１２４は、所望の光学特性を達成するために、カーボンブラック（もしくは他の暗色色素）または無機充填剤または染料を含む場合もある、たとえば、ＵＶ硬化型または熱硬化型のエポキシ（もしくは他のポリマー）からなってもよい。様々なポリマー材料（たとえば、エポキシ樹脂、アクリレート、ポリウレタン、またはシリコーン材料）がスペーサウエハ１２４の基材として用いられ得る。

第１および第２の光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂは、ガラスまたはポリマー材料などの透明材料からなってもよい。図２の実施例では、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂの各々は、その表面上に複数のビーム成形素子（たとえば、レンズ）２６を含む。レンズ２６は、たとえば、エッチング、エンボス加工、成型または真空注型など、所与の構造またはそのネガが複製されることによる技術を意味する複製加工によって、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂ上に形成されてもよい。複製加工の特定の実施例では、構造化された表面が液体の、粘性のあるまたは可塑変形可能な材料にエンボス加工された後、材料がたとえば紫外線照射または熱を用いた硬化によって固化され、その後構造化された表面が除去される。したがって、構造化された表面の複製物（この場合、ネガの複製物）が得られる。複製のための好適な材料は、たとえば、硬化性（たとえば、硬化型）ポリマー材料または他の複製材料、すなわち、液体の、粘性のあるまたは可塑変形可能な状態から固体状態へ固化または固体化ステップ（たとえば、硬化ステップ）で変形可能である材料である。

第２の光学ウエハ１２２Ｂ上に真空注入され成型されたスペーサを形成する前に、第２の光学ウエハ１２２Ｂの裏面に対して表面準備が実施されてもよい（図３の５０を参照）。たとえば、光学ウエハ１２２Ｂの裏面は、その付着特性を向上させるために洗浄され得る。いくつかの例では、表面準備は、光学ウエハ表面の湿潤性または他の性質を変化させることを含んでいてもよい。したがって、第２の光学ウエハ１２２Ｂの裏面（すなわち、複製されたレンズ２６が形成される表面の反対側の光学ウエハ１２２Ｂの表面）はＯ₂プラズマを受ける場合もある。

次に、図４Ａに示されるように、第１の光学ウエハ１２２Ａの裏面が真空封止チャックに接触するように、ウエハ積層体１２０が平坦なＰＤＭＳ真空封止チャック２０２上に配置される（図３の５２も参照）。したがって、複製されたレンズ２６が形成される表面と反対側の光学ウエハ１２２Ａの表面は、真空封止チャック２０２上に存在する。真空注型工具２０４は、その後、第２の光学ウエハ１２２Ｂの裏面に接触する（図３の５４）。真空注型工具２０４は、第２のスペーサの形状および配置を規定して第２の光学ウエハ１２２Ｂの裏面上に形成される領域２０８を含む。領域２０８は、スペーサウエハ１２４によって規定されるスペーサのピッチに対応するように配置されるスペーサのグリッドまたはアレイを形成してもよい。環状の封止板２０６が真空封止チャック２０２と真空注型工具２０４との間に配置される場合もある。真空注型工具２０４は、第２のスペーサ２８のための領域２０８がスペーサウエハ１２４の対応する部分に直線状に配置されるように、ウエハ積層体１２０と位置合わせされる（図３の５６も参照）。この目的のために、工具２０４および／または光学ウエハ１２２Ｂは位置合わせの目印を含んでいてもよい。

第２のスペーサのための領域２０８の中へ注入口２１４を介して注入材料（たとえばＳＯ４または他のエポキシ）を流すこと（図３の５８）を容易にするために、真空封止チャック２０２の排出口２１２の付近に真空ポンプ２１０が設けられてもよい。注入されたエポキシ材料が真空注型工具２０４の領域２０８を満たすと、エポキシは、たとえばＵＶ硬化および／または熱硬化によって硬化される（すなわち、固化される）（図３の６０）。いくつかの例では、工具２０４がＵＶ照射に対して透過性があることを必要とする場合において、硬化のために用いられるＵＶ照射は、真空注型工具側から入射され得る。第２の光学ウエハ１２２Ｂの裏面上にスペーサ２８を含むウエハ積層体が得られる。したがって、上記加工は、第２の光学ウエハ１２２Ｂの表面に直接成型されたスペーサ２８をもたらす。この加工段階においては接着剤が必要とされないため、上記方法は、膠または他の接着剤が用いられたならば生じるであろう問題（たとえば、ウエハ積層体の繊細な領域への膠の移動；スペーサウエハの中への湿度の吸収）を軽減するのに役立ち得る。スペーサ２８を光学ウエハ１２２Ｂ上へ直接成型することは、いくつかの実施において、誤整列および／または操作歪みを軽減させ得る。

さらに、エポキシ２２０の一部がウエハ積層体１２０の周囲の空間２１９の中へ注入される場合もある（図４Ａおよび図５参照）。エポキシが硬化されると、積層体１２０の周囲を取り囲む空間２１９内のエポキシ２２０は、ウエハ１２２Ａ，１２４，１２２Ｂを互いに保持するのに役立ち、ウエハ積層体をより堅牢にするのに役立つ（図５参照）。したがって、真空注入された成型されたエポキシ２２０は、ウエハ積層体の誤整列または他の歪みの発生を防ぐのに役立ち得る。注入されたエポキシ２２０の一部が第２の光学ウエハ１２２Ｂの外周付近でその上面（すなわち、工具側）上に存在するように、工具２０４が形作られる場合もある。図５の実施例に示されるように、積層体１２０の周囲の周りのエポキシに鉤形状をもたらし、積層体を互いにさらに良好に保持し得る。同様に、注入されたエポキシ２２０の一部が第１の光学ウエハ１２２Ａの下面（すなわち、封止チャック側）上に存在するように、真空封止チャック２０２が形作られてもよい。ウエハ積層体１２０の周囲の周り、および光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂ双方の外面上にそれらのそれぞれの外周付近に、エポキシ２２０を設けることによって、エポキシ２２０は積層体１２０のウエハを互いに保持するための留め具として機能し、誤整列または他の歪みを防ぐのに役立ち得る。前述の実施では、ウエハ積層体１２０を互いに保持するのに役立つエポキシ２２０は、積層体のウエハ１２２Ａ，１２４，１２２Ｂに直接成型される。

いくつかの実施では、たとえば、図４Ａおよび図５に示されるように、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂおよびスペーサウエハ１２４の外側の横寸法は、互いに実質的に同じであってもよい。しかしながら、他の実施では、図４Ｂの実施例に示されるように、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂの外側の横寸法は、スペーサウエハ１２４の外側の横寸法を若干超えて延在してもよい。図４Ｃに示されるように、光学ウエハの一方（たとえば、光学ウエハ１２２Ｂ）のみの外側の横方向寸法が、他の光学ウエハおよびスペーサウエハ１２４の外側の横寸法を超えて延在する場合もある。さらに、いくつかの例では、図４Ｄに示されるように、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂ双方の外側の横寸法は、スペーサウエハ１２４の外側の横寸法を若干超えて、かつ真空封止チャック２０２の外側の横寸法を超えて延在してもよい。前述の実施例の各々において、積層体を互いにより良好に保持するために、エポキシは、ウエハ積層体のウエハ１２２Ａ，１２２Ｂ，１２４の周囲に設けられるだけでなく、光学ウエハ１２２Ａ，１２２Ｂの１つ以上の面上にそれらのそれぞれの外周付近に存在してもよい。

エポキシの硬化に続いて、ウエハ積層体が真空注型工具から取り出される前に、冷却および／またはエポキシ硬化期間が経過することを可能にしてもよい。図６は、真空注型工具から取り出された後のウエハ積層体（成型されたスペーサ２８を含む）の実施例を示す図である。工具からウエハ積層体を取り出した後、積層体は（たとえば、ダイスカットによって）多数の光学アセンブリに分割される（図３の６４）。各光学アセンブリは、図１の実施例のように単一の光学チャネルを含んでもよく、または隣り合って配置されるチャネルのアレイのような、多数の光学チャネルを含んでいてもよい。

いくつかの実施では、第２の光学ウエハ１２２Ｂのスペーサ２８と同一の表面上に受動光学素子の配置を容易にするために、真空注型工具が変更されてもよい。このような受動光学素子は、たとえば、屈折および／または回折および／または反射によって光の向きを変えることができ、たとえば１つ以上のレンズまたはプリズムを含んでもよく、複製技術によって形成されてもよい。図７は、このような工具２０４Ａの実施例を示す図であり、ウエハ積層体１２０の一部である光学ウエハ上に直接スペーサおよび受動光学素子を形成するために用いられ得る。

図７に示されるように、工具２０４Ａは、組み合わされた複製物および光学素子（たとえば、レンズ）の配置のための光学素子複製区域２２４を含む真空注型工具である。工具２０４Ａを光学ウエハ１２２Ｂの表面に接触させる前に、複製材料が工具２０４Ａの光学素子複製区域２２４上に設けられる。複製材料は、液体または可塑変形状態から固体状態にさせることが可能であるべきである。複製材料の例は、ＵＶ硬化型または熱硬化型の透明エポキシであり、複製工具２０４Ａの光学素子複製区域２２４上へ注がれ配置されてもよい。積層体１２０の光学ウエハ１２２Ｂは、光学素子複製区域２２４を規定する領域と光学ウエハ１２２Ｂの表面との間で複製材料を押圧する工具２０４Ａのスペーサ複製区域２２４に接触する。これにより、複製された光学素子は、複製材料上にエンボス加工され、光学ウエハ１２２Ｂの表面に直接付着する。その後、図４および図５と関連して上記で説明されたように、空間２０８の中へエポキシを真空注型することよって、スペーサが光学ウエハ１２２Ｂの同一の表面上に直接形成される。

本発明の精神内で様々な改良がなされるであろう。したがって、他の実施は請求項の範囲内にある。

Claims (17)

1. 光学アセンブリを製造するためのウエハレベルの方法であって、
   互いに積層された複数のウエハを含むウエハ積層体を提供することを含み、前記複数のウエハは光学ウエハを含み、前記方法は、
   次に、スペーサを前記光学ウエハの表面上へ直接成型することを含み、前記スペーサは接着剤を用いることなく前記光学ウエハの前記表面に付着する、方法。
2. 真空注型によって前記スペーサを形成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記真空注型は、真空注型工具によって規定される空間の中へエポキシを注入することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記真空注型の間に、前記エポキシの一部は、前記ウエハ積層体のそれぞれのウエハの周囲に沿って配置される、請求項３に記載の方法。
5. 前記真空注型の間に、前記エポキシの一部は、前記光学ウエハの前記表面に沿ってその外周に配置される、請求項４に記載の方法。
6. 前記真空注型の間に、前記エポキシの一部は、前記ウエハ積層体の表面に沿って前記光学ウエハの表面と反対側の前記ウエハ積層体の端部に配置される、請求項４に記載の方法。
7. 前記真空注型の間に、前記エポキシの一部は、前記光学ウエハ前記表面に沿ってその外周に配置され、前記エポキシの一部は、前記ウエハ積層体の表面に沿って前記光学ウエハの表面の反対側の前記ウエハ積層体の端部に配置される、請求項４に記載の方法。
8. 前記ウエハ積層体は、スペーサウエハを含み、前記真空注型によって形成される前記スペーサは、前記スペーサウエハのスペーサ領域と位置合わせされる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記光学ウエハは、ガラス、ポリマーからなる群から選択される材料から構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記光学ウエハは、その表面の少なくとも１つの上に受動光学素子を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記エポキシを硬化することと、
    前記ウエハ積層体を複数の光学アセンブリに分割することとを含む、請求項３〜７のいずれか１項に記載の方法。
12. 光学アセンブリであって、
    開口部を有する第１のスペーサによって互いに分離される第１の基板と第２の基板とを備え、前記基板は、特定の波長または波長範囲に対して透過性があり、前記光学アセンブリは、
    前記基板の少なくとも一方の上のビーム成形素子と、
    前記第２の基板の表面に直接取り付けられる第２のスペーサとを備え、前記第１のスペーサおよび前記第２のスペーサは前記第２の基板の反対側に存在し、前記第２のスペーサは接着剤を用いることなく前記第２の基板の前記表面に付着し、
    前記第１の基板および前記第２の基板の外側の横寸法と前記第１のスペーサおよび前記第２のスペーサの外側の横寸法とは、互いに同一である、光学アセンブリ。
13. 前記第２のスペーサは、前記第２の基板の前記表面上に成型される、請求項１２に記載の光学アセンブリ。
14. 前記第２のスペーサは、エポキシ材料を含む、請求項１２に記載の光学アセンブリ。
15. 前記第２のスペーサは、真空注入されたエポキシを含む、請求項１２に記載の光学アセンブリ。
16. 前記第１の基板および前記第２の基板は、ガラス、ポリマーからなる群から選択される材料から構成される、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の光学アセンブリ。
17. 前記第１の基板および前記第２の基板の各々の上にそれぞれビーム成形素子を含む、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の光学アセンブリ。

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