TW201726345A - 光學元件堆疊組件 - Google Patents

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Abstract

本發明描述光學堆疊組件及其製造技術。例如，一光學元件堆疊組件可包含第一子組件及第二子組件，其等之各者包含一基板及固定至該各自基板之一子結構。該第一子結構或該第二子結構之至少一者包含一光學元件。該光學元件堆疊組件進一步包含橫向包圍且模製至該第一子組件及該第二子組件之一間隔物。

Description

光學元件堆疊組件
本發明係關於光學元件堆疊組件。
例如，各種光電模組用於成像應用(諸如三維(3D)成像)或距離量測應用(諸如近接感測及飛行時間(TOF)感測)中。在一些應用中，一光學發射器組件可經操作以發射可用於成像及距離感測應用之一結構化光學圖案。結構光可導致離散特徵之一圖案(即，紋理)投射至一物件上。由物件反射之光可朝向一影像感測器(感測光之位置)導回。感測信號可用於距離計算。在一些情況中，結構光提供用於立體成像應用中之匹配像素之額外紋理。 在一些模組中，將一光學元件(諸如一繞射光學元件(DOE))引入至由一光源(諸如一垂直腔半導體發射雷射(VCSEL)或VCSEL陣列)發射之光之路徑中。DOE可用於產生結構化光圖案。其亦可促使由VCSEL或其他光源產生之一結構化光圖案倍增。 各種方法可用於製造光學元件堆疊組件。在一些情況中，形成一光學元件堆疊。然而，一些已知製造技術中會出現各種問題。例如，在諸多應用中，可期望控制堆疊組件之垂直高度(z高度)。然而，用於形成堆疊組件之晶圓之界面處之黏著劑會導致組件之間之過大高度變動。此外，在一些情況中，黏著劑會遷移至相鄰表面(例如光學元件之一表面)中且干擾其光學特性。另外，在一些例項中，(若干)光學元件之表面無法與大氣完全隔離。其實，為避免黏著劑遷移至光學元件表面中，有時僅將少量黏著劑提供於晶圓之間之界面處。然而，使用如此少量黏著劑會使達成一有效密封變得更困難。
本發明描述可在一些實施方案中克服或減輕上述問題之部分或全部之光學堆疊組件及其製造技術。 在一態樣中，一種光學元件堆疊組件包含第一子組件及第二子組件，其等之各者包含一基板及固定至該各自基板之一子結構。該第一子結構或該第二子結構之至少一者包含一光學元件。該光學元件堆疊組件進一步包含橫向包圍且模製至該第一子組件及該第二子組件之一間隔物。 該等子結構之各者包含突出遠離該子結構之該基板之一各自第一邊緣特徵及一各自第二邊緣特徵。各第二邊緣特徵經安置成橫向上比相同子結構之該第一邊緣特徵更靠近於該各自子結構之一外周邊。該第一子結構之該第一邊緣特徵與該第二子結構之該第一邊緣特徵直接接觸，而該第一子結構之該第二邊緣特徵及該第二子結構之該第二邊緣特徵藉由黏著劑而彼此貼附。 在一些實施方案中，彼此直接接觸之該等第一邊緣特徵可有助於建立該組件之z高度。橫向包圍該等子組件之該間隔物可有助於使該等子組件保持在一起且可有助於保護該等光學元件免受(例如)水、濕氣及/或灰塵影響。 一些實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，該間隔物可囊封該等基板之周邊側邊緣且亦可與該等基板之上表面及下表面部分重疊。 在一些例項中，存在使該第一子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵彼此分離之一空間。在一些情況中，黏著劑可存在於使該第一子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵分離之該空間中。 在一些實施方案中，該光學元件與該光學元件係其之一部分之子結構鄰接。此外，在一些例項中，兩個子結構具有一光學元件。因此，該第一子結構可在相同於其第一邊緣特徵及第二邊緣特徵之側上包含一光學元件；同樣地，該第二子結構可在相同於其第一邊緣特徵及第二邊緣特徵之側上包含一光學元件。在一些情況中，該第一子結構之該光學元件與該第一子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵鄰接，且該第二子結構之該光學元件與該第二子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵鄰接。 在另一態樣中，本發明描述一種製造光學元件堆疊組件之晶圓級方法。該方法包含：提供其上具有多個第一子結構之一第一晶圓，其中各第一子結構包含突出遠離該第一晶圓之一各自光學元件及一各自邊緣特徵。該方法進一步包含：提供其上具有多個第二子結構之一第二晶圓，其中各第二子結構包含突出遠離該第二晶圓之一各自光學元件及一各自邊緣特徵。該等第一子結構之該等邊緣特徵藉由黏著劑而貼附至該等第二子結構之該等邊緣特徵以形成一晶圓堆疊。使用一真空注射模製技術來提供橫向包圍該晶圓堆疊中之該等第一子結構及該等第二子結構之間隔物。隨後，將該晶圓堆疊分離成個別光學元件堆疊組件。 在又一態樣中，本發明描述一種製造一主模之方法。該方法包含：提供其上具有一光學元件結構之一晶圓；及重複執行以下各者以堆積橫向包圍該光學元件結構之一或多個邊緣特徵：(a)將一光阻層施加於其上具有該光學元件結構之該晶圓之一側上；及(b)選擇性地移除該光阻層之部分。 將自以下詳細描述、附圖及申請專利範圍容易地明白其他態樣、特徵及優點。
圖1繪示一光學元件堆疊組件20之一實例，其包含經保持在一起以形成包含一或多個光學元件(例如折射或繞射光學元件) 24A、24B之一堆疊的第一子組件22A及第二子組件22B。各子組件22A、22B包含實質上透射一特定波長或波長範圍(例如，在光譜之可見部分、紅外部分或近紅外部分中)之輻射之一玻璃或其他基板26A、26B。各光學元件24A、24B可為固定至基板26A、26B之一各自者之一各自子結構28A、28B之部分。 例如，各光學元件24A、24B可形成為與各自子結構28A、28B鄰接之一部件。在一些情況中，各光學元件24A (或24B)及各自子結構28A (或28B)之剩餘部分形成一整體模製部件。例如，光學元件24A、24B以及各自子結構28A、28B之其他部分可由實質上透射所關注之特定波長或波長範圍之一環氧樹脂組成。 在一些例項中，子組件22A (或22B)之僅一者包含一光學元件24A (或24B)。在該情況中，另一子組件將包含結構28A (或28B)之剩餘部分，但沒有光學元件。 兩個子組件22A、22B藉由橫向包圍子組件之一模製間隔物30而保持在一起。間隔物30亦可囊封玻璃基板26A、26B之周邊側邊緣且與基板之上表面及下表面部分重疊，其可有助於使組件保持在一起。為促進提供上述特徵，可使子結構28A、28B之橫向尺寸略微小於基板26A、26B之橫向尺寸。 間隔物30 (在一些情況中，其可由實質上不透射所關注之特定波長或波長範圍之一聚合物材料組成)可有助於保護光學元件24A、24B免受水、濕氣及/或灰塵影響。間隔物30亦有助於使第一子組件22A及第二子組件22B保持在一起。 各子結構28A、28B包含各自邊緣特徵，其突出遠離對應子組件之基板26A、26B且存在於相同於對應子組件之光學元件24A、24B之子結構之側上。特定言之，第一子結構28A包含具有一表面34A之一第一邊緣特徵32A，表面34A直接接觸第二子結構28B之一第一邊緣特徵32B之一對置表面34B以建立組件20之z高度。子結構28A、28B之各者包含比對應第一邊緣特徵32A、32B更靠近於其周邊之一各自第二邊緣特徵36A、36B。黏著劑38可存在於第二邊緣特徵36A、36B之對置表面44A、44B之間且有助於使子組件保持在一起。在一些情況中，黏著劑38之部分可存在於界定第一邊緣特徵與第二邊緣特徵之間(例如第一子結構28A之邊緣特徵32A、36A之間)之一空間之儲集器區域42A、42B中。 邊緣特徵32A、36A橫向包圍光學元件24A。同樣地，邊緣特徵32B、36B橫向包圍光學元件24B。邊緣特徵32A、32B (或36A、36B)組合地界定其中定位光學元件24A、24B之一內部空間50。 作為一晶圓級程序之部分，可同時(即，並行)形成多個組件20。一般而言，一晶圓係指一實質上呈圓盤狀或板狀之物品，其在一方向(z方向或垂直方向)上之延伸量小於其在其他兩個方向(x橫向方向及y橫向方向)上之延伸量。在一些實施方案中，晶圓之直徑係介於5 cm至40 cm之間，且可(例如)介於10 cm至31 cm之間。晶圓可為具有(例如) 2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸之一直徑之圓柱體，1英寸係約2.54 cm。在一晶圓級程序之一些實施方案中，可在各橫向方向上提供至少10個模組，且在一些情況中，可在各橫向方向上提供至少30個或甚至50個或50個以上模組。 圖2至圖3繪示用於將第一子組件22A及第二子組件22B固定在一起以形成一光學元件堆疊組件20之一程序中之步驟。儘管已展示用於製造一單一組件20之子組件，但步驟可形成為其中並行製造多個組件之一晶圓級程序之部分。首先，兩個子組件22A、22B經彼此上下疊置使得第一子結構28A之邊緣特徵表面34A與第二子結構28B之邊緣特徵表面34B接觸。 接著，將黏著劑38提供於邊緣特徵36A、36B之對置表面44A、44B之間。表面44A、44B彼此間隔一小間隙，此係因為第一邊緣特徵32A、32B比第二邊緣特徵36A、36B更進一步自其各自基板26A、26B延伸。可使用一黏著劑例如，可藉由將黏著劑網版印刷至儲集器42A中(例如，使用高黏度黏著劑)或將黏著劑噴射至一儲集器42A中(例如，使用低黏度黏著劑)而施加黏著劑。黏著劑38有助於在隨後處理步驟期間使子組件22A、22B保持在適當位置中。在隨後處理期間(即，在形成模製間隔物30之前)，僅需要少量黏著劑來使子組件22A、22B保持在一起。此外，第一邊緣特徵32A與第二邊緣特徵36A之間之空間中之儲集器42A可容納黏著劑38之溢流(若存在)，藉此防止過量黏著劑流動至光學元件24A、24B上。在一些情況中，不是將黏著劑38直接沈積至對置邊緣特徵表面44A、44B上，而是可將黏著劑沈積於儲集器42A內，使得黏著劑之部分隨後流動至表面44A、44B上。 接著，可(例如)藉由一真空注射模製技術而形成間隔物30 (參閱圖1)。下文將描述一適合程序之進一步細節。 可(例如)使用可由一主模製成之聚(二甲基矽氧烷)(「PDMS」)工具來形成子組件22A、22B之子結構28A、28B。圖4A中繪示(正)主模102之一實例，且圖4B中繪示(負) PDMS工具104之一實例。可(例如)在一晶圓級複製程序中使用PDMS工具104來形成子結構28A、28B。在此一複製程序中，將PDMS工具按壓至(例如)一玻璃基板上之一環氧樹脂材料中以形成光學元件(例如24A)。同時，在該環氧樹脂材料之溢流部分中形成邊緣特徵(例如32A及36A)。 邊緣特徵之尺寸可取決於應用而變動。然而，在一些例項中，各第一邊緣特徵32A、32B之高度係各第二邊緣特徵36A、36B之高度之約兩倍。例如，在一些情況中，各第一邊緣特徵32A、32B具有約34 μm之一高度，而各第二邊緣特徵36A、36B具有約17 μm之一高度，其中該等高度指示邊緣特徵突出超過各自儲集器區域42A (或42B)之遠離程度。儲集器區域42A、42B可具有一相對較窄寬度(例如約15 μm)。 圖5A至圖5E繪示可如何製作圖4A之(正)主模102之一實例。如由圖5A所指示，可藉由提供(例如)具有對應於光學元件(例如一透鏡)之形成之一結構112之一玻璃晶圓110而而製作主模。可(例如)藉由雷射書寫或雷射雕刻玻璃晶圓110而形成結構112。接著，如由圖5B所指示，將一光阻層(例如乾光阻層) 114施加於具有用於光學元件之結構112之晶圓110之側上。接著，光阻劑114經固化，藉由標準光微影技術而圖案化，且經選擇性地移除(例如，藉由蝕刻)以堆積邊緣特徵116 (參閱圖5C)。將另一光阻層118施加於晶圓110上(參閱圖5D)。光阻劑118可經固化，藉由光微影而圖案化，且經部分移除以繼續堆積邊緣特徵120、122 (圖5E)。在一些實施方案中，各光阻層114、118具有約50 μm之一厚度。可視需要重複上述步驟以堆積邊緣特徵。 如上文所提及，作為一晶圓級程序之部分，可同時形成多個堆疊組件20。圖6A至圖6G繪示用於製作光學元件堆疊組件之一晶圓級程序之一實例中之步驟。在圖6A至圖6G之所繪示實例中，子結構228A、228B包含邊緣特徵36A、36B，但不包含圖1實施方案之邊緣特徵32A、32B。因此，在所繪示之實例中，子結構228A、228B亦不包含圖1實施方案之儲集器區域42A、42B。然而，結合圖6A至圖6G所描述之總體相同程序可用於包含第一邊緣特徵32A (或32B)及第二邊緣特徵36A (或36B)兩者以及一儲集器42A (或42B)之子結構，如同圖1實施方案。 如圖6A中所展示，提供一第一玻璃晶圓226A且第一玻璃晶圓226A具有形成於其表面之一者上之多個子結構228A。玻璃晶圓226A可指稱一第一光學元件晶圓。各子結構包含複製於環氧樹脂材料中之一光學元件24A，環氧樹脂材料之溢流部分充當用於促進堆疊之一邊緣特徵36A。如圖6B中所繪示，(例如)藉由使用一圖案模板250之網版印刷而將黏著劑(例如黏合膠) 252施加至各邊緣特徵36A之上表面。在移除模板250之後，將在一玻璃晶圓226B之表面上包含多個子結構228B之一第二光學元件晶圓堆疊於第一光學元件晶圓上(參閱圖6C)。各子結構228B包含複製於環氧樹脂材料中之一光學元件24B，環氧樹脂材料之溢流部分充當用於促進堆疊之一邊緣特徵36B。第一光學元件晶圓及第二光學元件晶圓經對準使得其各自邊緣特徵36A、36B藉由黏著劑252而彼此貼附以因此形成一堆疊254。 接著，如圖6D中所展示，將晶圓堆疊254放置於一實質上平坦之支撐件256上，且將一真空注射工具258移動至堆疊上之接點中。真空注射工具258藉由一密封板260而與支撐件256分離。可將一真空泵提供於出口262附近以促進真空注射聚合物材料264之流動，使得其橫向包圍堆疊子結構228A、228B (圖6E)。在所繪示之實例中，真空注射工具258亦包含用於形成由真空注射聚合物材料組成之間隔物268 (圖6E)之空間266 (圖6D)。間隔物268可促進將所得堆疊組件安裝於(例如)一印刷電路板上。接著，可固化真空注射聚合物材料(例如，藉由UV及/或熱固化)。包含固化真空注射聚合物材料之所得晶圓堆疊自真空注射工具256、258脫模及移除，如圖6F中所展示。接著，所得晶圓堆疊270經分離(例如，藉由切割)以形成多個堆疊組件220 (圖6G)，堆疊組件220之各者包含一或多個光學元件(例如透鏡；DOE)。 如上文所提及，結合圖6A至圖6G所描述之總體相同程序可用於包含第一邊緣特徵32A (或32B)及第二邊緣特徵36A (或36B)兩者以及一儲集器42A (或42B)之子結構，如同圖1實施方案。因此，在一些情況中，晶圓級程序包含上文結合圖2及圖3所描述之處理。 可對上述堆疊組件及其製造方法作出各種修改。在一些情況中，可組合來自上文詳細所描述之不同實施方案之特徵。相應地，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。
20‧‧‧光學元件堆疊組件 22A‧‧‧第一子組件 22B‧‧‧第二子組件 24A‧‧‧光學元件 24B‧‧‧光學元件 26A‧‧‧基板 26B‧‧‧基板 28A‧‧‧第一子結構 28B‧‧‧第二子結構 30‧‧‧間隔物 32A‧‧‧第一邊緣特徵 32B‧‧‧第一邊緣特徵 34A‧‧‧表面 34B‧‧‧表面 36A‧‧‧第二邊緣特徵 36B‧‧‧第二邊緣特徵 38‧‧‧黏著劑 42A‧‧‧儲集器區域 42B‧‧‧儲集器區域 50‧‧‧內部空間 102‧‧‧(正)主模 104‧‧‧聚(二甲基矽氧烷)(PDMS)工具 110‧‧‧晶圓 112‧‧‧結構 114‧‧‧光阻層 116‧‧‧邊緣特徵 118‧‧‧光阻層 120‧‧‧邊緣特徵 122‧‧‧邊緣特徵 220‧‧‧堆疊組件 226A‧‧‧玻璃晶圓 226B‧‧‧玻璃晶圓 228A‧‧‧子結構 228B‧‧‧子結構 250‧‧‧模板 252‧‧‧黏著劑 254‧‧‧晶圓堆疊 256‧‧‧支撐件/真空注射工具 258‧‧‧真空注射工具 260‧‧‧密封板 262‧‧‧出口 264‧‧‧真空注射聚合物材料 266‧‧‧空間物 268‧‧‧間隔物 270‧‧‧晶圓堆疊
圖1繪示一光學元件堆疊組件之一實例。 圖2及圖3繪示形成圖1之光學元件堆疊組件之步驟。 圖4A繪示一主模之一實例，及圖4B繪示用於製作子組件之子結構之工具之一實例。 圖5A至圖5E繪示如何製作一主模之一實例。 圖6A至圖6G繪示用於製造光學元件堆疊組件之一實例性晶圓級方法。
20‧‧‧光學元件堆疊組件
22A‧‧‧第一子組件
22B‧‧‧第二子組件
24A‧‧‧光學元件
24B‧‧‧光學元件
26A‧‧‧基板
26B‧‧‧基板
28A‧‧‧第一子結構
28B‧‧‧第二子結構
30‧‧‧間隔物
32A‧‧‧第一邊緣特徵
32B‧‧‧第一邊緣特徵
34A‧‧‧表面
34B‧‧‧表面
36A‧‧‧第二邊緣特徵
36B‧‧‧第二邊緣特徵
38‧‧‧黏著劑
42A‧‧‧儲集器區域
42B‧‧‧儲集器區域
50‧‧‧內部空間

Claims (19)

  1. 一種光學元件堆疊組件，其包括： 第一子組件及第二子組件，其等之各者包含一基板及固定至該各自基板之一子結構，其中該等子結構之各者包含突出遠離該子結構之該基板之一各自第一邊緣特徵及一各自第二邊緣特徵，各第二邊緣特徵經安置成橫向上比該相同子結構之該第一邊緣特徵更靠近於該各自子結構之一外周邊， 其中該第一子結構之該第一邊緣特徵與該第二子結構之該第一邊緣特徵直接接觸， 其中該第一子結構之該第二邊緣特徵及該第二子結構之該第二邊緣特徵藉由黏著劑而彼此貼附，及 其中該第一子結構或該第二子結構之至少一者在相同於該子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵的該子結構之一側上包含一光學元件， 該光學元件堆疊組件進一步包括橫向包圍且模製至該第一子組件及該第二子組件之一間隔物。
  2. 如請求項1之光學元件堆疊組件，其中該等子結構之最大橫向尺寸小於該等基板之對應橫向尺寸。
  3. 如請求項1之光學元件堆疊組件，其中該間隔物囊封該等基板之周邊側邊緣。
  4. 如請求項3之光學元件堆疊組件，其中該間隔物與該等基板之上表面及下表面部分重疊。
  5. 如請求項1之光學元件堆疊組件，其具有使該第一子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵彼此分離之一空間。
  6. 如請求項5之光學元件堆疊組件，其中使該第一子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵分離之該空間中存在黏著劑。
  7. 如請求項1之光學元件堆疊組件，其中該光學元件與該光學元件係其之一部分之該子結構鄰接。
  8. 如請求項1之光學元件堆疊組件，其中該第一子結構在相同於其第一邊緣特徵及第二邊緣特徵之側上包含一光學元件，且其中該第二子結構在相同於其第一邊緣特徵及第二邊緣特徵之側上包含一光學元件。
  9. 如請求項8之光學元件堆疊組件，其中該第一子結構之該光學元件與該第一子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵鄰接，且其中該第二子結構之該光學元件與該第二子結構之該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵鄰接。
  10. 如前述請求項中任一項之光學元件堆疊組件，其中該等基板由玻璃組成，該第一子結構及該第二子結構由實質上透射一特定波長之一環氧樹脂材料組成，且該間隔物由實質上不透射該特定波長之一聚合物材料組成。
  11. 一種製造複數個光學元件堆疊組件之晶圓級方法，該方法包括： 提供其上具有多個第一子結構之一第一晶圓，其中各第一子結構包含突出遠離該第一晶圓之一各自光學元件及一各自邊緣特徵； 提供其上具有多個第二子結構之一第二晶圓，其中各第二子結構包含突出遠離該第二晶圓之一各自光學元件及一各自邊緣特徵； 藉由黏著劑而將該等第一子結構之該等邊緣特徵貼附至該等第二子結構之該等邊緣特徵以形成一晶圓堆疊； 使用一真空注射模製技術來提供橫向包圍該晶圓堆疊中之該等第一子結構及該等第二子結構之間隔物；及 隨後使該晶圓堆疊分離成個別光學元件堆疊組件。
  12. 如請求項11之方法，其中一儲集器區域使各個第一子結構之該等邊緣特徵及額外邊緣特徵分離，該方法包含：將該黏著劑提供於該儲集器區域中。
  13. 如請求項11之方法，其中使用一真空注射模製技術來提供橫向包圍該等第一子結構及該等第二子結構之間隔物包含：圍繞該等第一子結構及該等第二子結構注射一聚合物材料且固化該聚合物材料。
  14. 如請求項11之方法，其中該等第一子結構包含突出遠離該第一晶圓之額外邊緣特徵，且該等第二子結構包含突出遠離該第二晶圓之額外邊緣特徵，該方法包含：當形成該晶圓堆疊時，使該第一子結構之該等額外邊緣特徵與該第二子結構之該等額外邊緣特徵直接接觸。
  15. 一種製作一主模之方法，該方法包括： 提供其上具有一光學元件結構之一晶圓；及 重複執行以下步驟以堆積橫向包圍該光學元件結構之一或多個邊緣特徵： (a) 將光阻層施加於其上具有該光學元件結構之該晶圓之一側上；及 (b) 選擇性地移除該光阻層之部分。
  16. 如請求項15之方法，其包含：在(a)之後且在(b)之前固化及圖案化該光阻層。
  17. 如請求項15之方法，其包含：藉由雷射書寫及雷射雕刻而使該光學元件結構形成於該晶圓上。
  18. 如請求項15至17中任一項之方法，其中該晶圓由玻璃組成。
  19. 如請求項15之方法，其中堆積邊緣特徵包含：形成橫向包圍該光學元件結構之第一邊緣特徵及第二邊緣特徵，其中該第一邊緣特徵及該第二邊緣特徵具有彼此不同之高度。
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