TWI490555B - 晶圓級攝像器之透鏡板及其製造方法 - Google Patents

晶圓級攝像器之透鏡板及其製造方法 Download PDF

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Description

晶圓級攝像器之透鏡板及其製造方法
本發明係關於一種晶圓級攝像器、及用於晶圓級攝像器之透鏡板，以及用於晶圓級攝像器之透鏡板之製造方法。
一種晶圓級攝像器係具有一小足跡(footprint)，典型上係應用於手機、筆記型電腦、平板電腦及其他電子裝置。一晶圓級攝像器包含光學元件以形成一影像、以及一影像感測元件以感測此影像。為了形成一高品質影像，此攝像器的光學元件可包含複數個透鏡，係堆疊於影像感測元件上，並且有時會藉由間隔物(spacers)以分離設置。
晶圓級攝像器典型上係使用類似半導體製造技術來將元件接合、堆疊於晶圓上所製造出來。舉例而言，首先提供一具有複數個影像感測元件之晶圓，。一間隔晶圓(spacer wafer)可設置於上述具有複數個影像感測元件之晶圓上，此間隔晶圓具有複數個開口，各自對準於一影像感測元件。一具有複數透鏡之晶圓，並作為一透鏡板設置於間隔晶圓上，此透鏡板之透鏡以及所述間隔晶圓之開口係對準於所述影像感測元件。在將一具有複數透鏡之第二透鏡板設置於此晶圓堆疊結構前，可先提供一第二間隔晶圓。藉此，多個間隔晶圓與多個透鏡板可被包含於此晶圓級攝像器之製造中。最後，所堆疊之晶圓被切割成各別的晶圓級攝像器，且每一晶圓級攝像器係具有一影像感測元件以及間隔物與透鏡所構成之一堆疊結構。
於晶圓級攝像器中，一或多個間隔晶圓典型上係對準一透鏡板，並利用一環氧樹脂(epoxy)接合至透鏡板，這通常在透鏡形成於透鏡板前完成。這種間隔物對透鏡板(spacer-to-lens-plate)之接合可能會有困難度，因為環氧樹脂必須設置於間隔晶圓與透鏡板之間，但不能形成於任何間隔晶圓之開口內或開口上。此外，不規則的接合厚度亦可能導致多種的間隔厚度。
傳統上，用於晶圓級攝像器的間隔晶圓通常由玻璃晶圓所形成，藉由對此玻璃晶圓鑽孔來製作。上述鑽孔製程可藉由雷射切割、磨料水射流切割(abrasive water jet cutting)、噴沙(sandblasting)、化學蝕刻或其他製程來達成。雷射鑽孔需要相當的成本及時間，舉例來說，若是使用雷射鑽孔來處理晶圓級攝像器之一間隔晶圓就需要花掉全部成本中的百分之八十，這並不是罕見的事情，並且，雷射鑽孔還需要很長的前置時間(lead time)。假使需要一新陣列間距(array pitch)或開口直徑時，就可能需要花數週或更長的時間來完成一間隔晶圓。因此，對於透鏡設計與展開作業的快速原型化，特別會造成問題。此外，在習知技術中，間隔厚度更被限制於可用的標準玻璃晶圓厚度範圍內。
於一實施例中，一透鏡板包含一透明基板晶圓以及複數個透鏡及複數個間隔物，所述透鏡及間隔物由一單一材料形成於此透明基板晶圓上。
於一實施例中，一種組件包含一第一透鏡板，此第一透鏡板包含一第一透明基板晶圓、複數個第一透鏡及複數個間隔物，所述第一透鏡及間隔物係由一單一材料形成於第一透明基板晶圓上。此組件亦包含一第二透鏡板，此第二透鏡板包含一第二透明基板晶圓及複數個第二透鏡，所述第二透鏡形成於第二透明基板晶圓上，每一第二透鏡係各自對應於所述複數個第一透鏡中之一第一透鏡。這些透鏡板係相互對準，以致使每一第一透鏡對準於其所對應之第二透鏡，並且，這些透鏡板係相互接合。
於一實施例中，一種透鏡板之製造方法，係包含：塗佈一第一材料於一工具上，此工具具有對應於所要形成之間隔物及透鏡之複數個凹槽；以及設置一透明基板晶圓之一第一側於所述第一材料上。此方法亦包含調整透明基板晶圓之位置，以分別對於每一間隔物與透鏡提供具有一間隔物厚度及一透鏡厚度之第一材料；以及固化此第一材料。
前述本發明之架構和優點將以更多較佳實施例所特別描述，並以對應圖式來說明，其中於不同圖式中相同元件係以相同或相似之元件符號來標示。這些圖式並未完全符合正確尺寸，係會依據說明之主軸而加以強調放大。
100‧‧‧透鏡板
102‧‧‧透明基板晶圓
104‧‧‧透鏡
106‧‧‧圍欄
200‧‧‧間隔晶圓
202‧‧‧間隔物
204‧‧‧開口
300‧‧‧透鏡板
302‧‧‧基板晶圓
304‧‧‧透鏡
306‧‧‧間隔物
308‧‧‧鄰接片
400‧‧‧透鏡板
402‧‧‧透明基板
404‧‧‧透鏡
406‧‧‧間隔物
408‧‧‧鄰接片
500‧‧‧組件
502‧‧‧間隔物
504‧‧‧基板晶圓
506‧‧‧影像感測元件
600‧‧‧金屬主要工具
602‧‧‧空間
604‧‧‧空間
606‧‧‧空間
610‧‧‧基準面
700‧‧‧PDMS工具
802‧‧‧治具
804‧‧‧材料
806‧‧‧透明基板晶圓
808‧‧‧半透明蓋體
810‧‧‧通道
812‧‧‧透鏡位置
820‧‧‧第二材料
825‧‧‧間隔物位置
900‧‧‧透鏡板
902‧‧‧透明基板晶圓
904‧‧‧透鏡
906‧‧‧間隔物
908‧‧‧鄰接片
1100‧‧‧第二工具
1200‧‧‧流程圖
1202~1218‧‧‧步驟
第1圖係為一種習知透鏡板之剖面示意圖。
第2圖係為一種習知透鏡板之平面示意圖。
第3圖係為一間隔晶圓對準、堆疊、並接合至一透鏡板之剖面示意圖。
第4圖係為一間隔晶圓之平面示意圖。
第5圖係為對應於本發明之一實施例之一透鏡板之剖面示意圖。
第6圖係為對應於本發明之一實施例之一透鏡板堆疊於另一透鏡板之剖面示意圖。
第7圖係為對應於本發明之一實施例之形成晶圓級攝像器之一晶圓之剖面示意圖。
第8圖係為對應於本發明之一實施例之一金屬主要工具之剖面示意圖。
第9圖係為對應於本發明之一實施例之位於一治具內之一工具用以製造一透鏡板之示意圖。
第10圖係為對應於本發明之一實施例之一製成之透鏡板之剖面示意圖。
第11圖係為對應於本發明之一實施例之位於一治具內之工具用以製造具有雙側透鏡及間隔物之一透鏡板的示意圖。
第12圖係為本發明之透鏡板之製造方法之一實施例之流程圖。
依據本發明之實施例，一透鏡板係藉由形成複數個透鏡與複數個間隔物於一透明基板晶圓(transparent substrate wafer)所製成。所有晶圓上的透鏡與間隔物係由一單一材料(例如一環氧樹脂(epoxy))所形成，並可選擇性的使用一一次製程(one-step)之固化程序(curing process)來形成。由於所需的間隔物會於此製程產生，就不需要使用一間隔晶圓。
第1圖為一種習知透鏡板100之剖面示意圖。透鏡板100包含一透明基板晶圓102，係可為一玻璃基板、一熔融矽石(fused silica)基板、一石英基板、或一氟化鈣(CaF2 )基板、或其他光學等級之透明基板。複數個透鏡104係形成於基板晶圓102上。透鏡104可被一圍欄(yard)106所環繞，於此實施例中，「圍欄」係指透鏡材料位於一區域中，此區域不是一晶圓級攝像器之光學設計的一部分，而是關聯於一個別形成之透鏡。
圍欄106可提供一些彈性給一透鏡翻製程序(lens replication process)；舉例來說，圍欄106可作為於塗佈形成透鏡之材料時之一過流區域(overflow region)，亦即，用以形成一透鏡之材料於點膠、塗佈的過程中所使用之容量是具有至少一些誤差容量的空間存在，並且，圍欄可用以讓所使用之材料稍微超出所需的量，並讓這些多出的量有地方可以去。然而，圍欄可能存在一些設計限制，例如圍欄的尺寸、間隔物至圍欄的最小距離、以及圍欄所容許誤差容量的空間。圍欄亦可能導致雜散光(stray light)的問題。第2圖係為透鏡板100之一平面示意圖，其中顯示透鏡104，且每一透鏡104連接於一環繞圍欄106。
第3圖係為一間隔晶圓200對準、堆疊、並接合至透鏡板100上之剖面示意圖。間隔晶圓200包含間隔物202與開口204，開口204係對準於透鏡板100之透鏡104。第4圖係為間隔晶圓200之平面示意圖，其中顯示間隔物202與開口204。
於一實施例中，係不設置圍欄。如此，可縮小透鏡的尺寸，並且增加晶粒的數量，其中，晶粒的數量即為每一晶圓可提供的晶粒級(die level)攝像器之數量。增加晶粒數量是有所需求的，因為每一晶圓所能提供的晶粒越多，則每一晶粒之成本就越低。並且，越小型的晶粒則可使終端產品更小、及/或更輕。
第5圖係為對應於本發明之一實施例之一透鏡板300之剖面示意圖。透鏡板300包含一透明基板晶圓302，係可為一玻璃基板、一熔融矽石(fused silica)基板、一石英基板、或一氟化鈣(CaF2 )基板、或其他光學等級之透明基板。複數個透鏡304與複數個間隔物306係藉由一單一材料形成於基板晶圓302上，且可選擇性的使用一一次製程之固化程序來形成。透鏡304並未藉由圍欄所環繞，因為點膠材料之誤差容量係以其他方式來容納，將於下文中說明(請參照第8圖)。間隔物306與透鏡304可藉由一鄰接片(contiguous sheet)308所連接。
第6圖係顯示本發明之一實施例之透鏡模組，其中一透鏡板400堆疊於透鏡板300上。透鏡板400包含複數個透鏡404以及複數個間隔物406，並兩者藉由一鄰接片408所連接於一透明基板402上。透鏡404、間隔物406與鄰接片408係由一單一材料所形成，且透鏡404係對準於透鏡304。間隔物306 的厚度係納入透鏡模組之設計中，當然，超過兩個以上之透鏡板亦可根據本透鏡模組之設計來相互堆疊。
第7圖係顯示本發明之一實施例之晶圓級攝像器之組件500，組件500包含一基板晶圓504係具有複數個影像感測元件506、間隔物502(例如一間隔晶圓)、以及透鏡板300及透鏡板400。透鏡304及透鏡404係以一對一地方式相互對準，並對準於影像感測元件506。此外，於第7圖所示之組件500可將透鏡板300製作成一雙側透鏡板(double sided lens plate)，並具有間隔物502於其底側，這可依據下文中所述的技術來達成(請參照第11圖)。接著，透鏡板300可直接貼附至基板晶圓504，而省略間隔晶圓的設置。
於本發明之一些實施例中，透鏡板300可以下述步驟所製造。首先，提供如第8圖所示之一金屬主要工具(metal master tool)600，此金屬主要工具600具有凹槽以形成間隔物及透鏡，並提供空間602係用以形成間隔物、空間604用以形成透鏡、以及選擇性設置的空間606用以形成鄰接片，上述物件皆基於一基準面(datum)610。其後，一塑膠模型係由金屬主要工具600所翻製而成，以創造金屬主要工具600之一負模(negative mold)。一工具700係由由聚二甲基矽氧烷(Polydimethyl Siloxane,PDMS)所形成，係接著由上述之塑膠模型來鑄模。PDMS工具700因而得以翻製金屬主要工具600之架構。
第9圖係顯示所翻製之PDMS工具700，其設置於一治具802中。一單一材料804係可為(或包含)一紫外光(UV)可固化高分子化合物，此單一材料係塗佈於PDMS工具700上。這個方法之一優勢在於，此材料可一次塗佈，而非個別塗佈於多個(例如：一千個)透鏡位置與間隔物位置，例如於第9圖所示之透鏡位置820與間隔物位置825。這方法可使得於工具700上形成之一透鏡陣列之個別透鏡之塗佈材料出現未對準機會最小化，亦可使得材料的小容量誤差問題最小化，並且，降低精準塗佈設備之高成本。其後，一透明基板晶圓806(例如：一玻璃晶圓)係設置於塗佈材料804之頂部上，並且一半透明蓋體808係設置於整個治具802上方以封合(enclose)治具802。真空作用係通由通道810施加，且材料804擴展以填滿PDMS工具700。控制透明基板晶圓806之位置係控制以提供間隔物之厚度、透鏡之厚度、以及選擇性設置之鄰接片的厚度，鄰接片係用以連接間隔物與透鏡。材料804係藉由紫外光透過半透明蓋 體808所固化，係可以一一次製程之固化程序來固化。於此材料被固化後，將半透明蓋體808移除。一真空夾盤(vacuum chuck)係應用以將透明基板晶圓806由工具700移開。藉由將材料形成鄰接片以連接透鏡與間隔物可於此由工具700移開晶圓806的期間具有優勢，因為此固化後的材料能以單一元件的形式由工具700上分離，反之，若每一透鏡係以分離的方式製成，就會產生很多小元件結構，則不易完成此分離步驟。
第10圖係顯示所製成之一透鏡板900，係包含一透明基板晶圓902，其具有複數個透鏡904及複數個間隔物906，係藉由一單一材料所形成於透明基板晶圓902上。透鏡板900可包含一鄰接片908，用以連接透鏡904與間隔物906。透鏡904、間隔物906與鄰接片908係使用相同材料所形成，並可選擇性的使用一次製程之固化程序來形成。為了形成晶圓級透鏡模組，透鏡板900可與一或多個其他透鏡板堆疊設置，且不需對準、堆疊及接合分離之間隔晶圓。上述藉由堆疊透鏡板900與其他透鏡板之透鏡模組可再堆疊至一具有複數個影像感測元件之晶圓上，以形成晶圓級攝像器之一陣列。
一雙側透鏡板具有複數個透鏡及間隔物於其二側，係藉由使用相似的治具以及一額外工具放置於透明基板晶圓上所製成，如第11圖所示。第11圖相似於第10圖，但是顯示一第二工具1100，係具有複數凹槽用以形成第二間隔物及第二透鏡，並放置於透光基板晶圓806之一第二側。工具1100係應用於第9圖所示之製程之後，且於放置半透明蓋體808於此透鏡板組件上之前來設置。如下文所述，一第二材料812係塗佈於透明基板806上，接著，將工具1100設置於第二材料812上。工具1100的高度係調整以提供透鏡及間隔物所需之厚度。於調整工具1100的高度後，半透明蓋體808可被置放於透鏡板組件上，且真空作用可選擇性地通過通道(或開口)810來抽取以移除多餘的材料。就此而言，材料804、812皆可被固化以形成透鏡及間隔物。如第11圖所示，工具1100可包含不同於工具700之形狀架構，但是，於此雙側透鏡板之雙側是可以具有類似或完全相同之形狀。
第12圖係為一透鏡板之製造方法之流程圖。步驟1202係為塗佈一第一材料至一工具上，此工具具有對應於所要形成之間隔物與透鏡之複數個凹槽。步驟1202之一實施例係為塗佈材料804至工具700上，如第9圖所示。 於步驟1204中，一透明基板晶圓之一第一側係設置於第一材料上。步驟1204之一實施例係為設置透明基板晶圓806於材料804之頂部，如第9圖所示。步驟1206係為調整此透明基板晶圓之一位置以提供由此第一材料所形成之間隔物及透鏡所需之間隔物厚度及透鏡厚度之空間。步驟1206之一實施例係為控制透明基板晶圓806之一位置，如第9圖所示。當要形成一雙側透鏡板時，一選擇性步驟1208係為塗佈一第二材料於透明基板晶圓之一第二側上，並且，於一選擇性步驟1210中，一第二工具係設置於此第二材料上。步驟1208、1210之一實施例係為塗佈材料812於透明基板晶圓806上(如第11圖所示)，接著，設置工具1100於其上方。於另一選擇性步驟1212中，第二工具之一位置係被調整以提供由此第二材料所形成之間隔物及透鏡所需之間隔物厚度與透鏡厚度之空間。步驟1212之一實施例係為調整工具1100之高度，如第11圖所示。於另一選擇性步驟1214中，工具係封合於一治具內，此治具具有一半透明蓋體。步驟1214之一實施例係為置放半透明蓋體808於透明基板晶圓806上(如第9圖所示)、或放置於工具1100上(如第11圖所示)，因而封合這些工具、材料以及透明基板晶圓於治具802及半透明蓋體808之內。於另一選擇性步驟1216中，真空作用係應用於一或多個材料，以移除第一材料及/或第二材料超出於用以形成間隔物厚度與透鏡厚度所需之容量。步驟1216之一實施例係為應用真空作用通過通道(或開口)810，如第9圖及第11圖所示。於步驟1218中，第一材料(或者，第二材料)係被固化。步驟1218之一實施例係為使用一紫外光可固化環氧樹脂作為材料804及/或812，並且，使用紫外光來固化這些材料。
於本文中揭露內容及描述僅為舉例性之實施例，所屬領域中具有通常知識者於任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，應視為本發明之內容，並應以後附之申請專利範圍為準。
300‧‧‧透鏡板
302‧‧‧基板晶圓
304‧‧‧透鏡
306‧‧‧間隔物
308‧‧‧鄰接片

Claims (3)

  1. 一種透鏡板之製造方法，其步驟係包含：塗佈一第一材料於一工具上，該工具具有對應於所要形成之間隔物及透鏡之複數個凹槽；設置一透明基板晶圓之一第一側於該第一材料上；調整該透明基板晶圓之一位置以對應於由該第一材料所形成之該間隔物及該透鏡以提供空間容納該第一材料所形成之間隔物厚度及透鏡厚度；以及固化該第一材料；其中塗佈步驟包含將該第一材料塗佈至由聚二甲基矽氧烷所製成之一工具中；由一金屬主要工具以翻製一塑膠模，並翻製該塑膠模以形成由聚二甲基矽氧烷所製成之該工具。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，進一步包含步驟：提供一半透明蓋體以封合該工具；以及應用一真空作用於該第一材料以移除超過該間隔物厚度及該透鏡厚度所需該第一材料之一容量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，進一步包含步驟：塗佈一第二材料於該透明基板晶圓之一第二側；以及設置一第二工具於該第二材料上，其中該第二工具具有用以形成第二間隔物及第二透鏡於該透明基板晶圓之該第二側上之複數個凹槽。
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