TWI597252B - 紅外線吸收玻璃晶圓及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明大體有關於玻璃晶圓。更特別的是，本發明有關於由紅外線吸收玻璃製成的玻璃晶圓。
已知攝影機晶片通常具有晶片之像素在紅外線光譜範圍中也敏感的性質。此外，光學另件由標準玻璃或塑料製成之攝影機模組的光學系統一般有一定數量的紅外線透射。然而，到達晶片的紅外線光造成不合意的色彩及亮度失真。
因此之故，攝影機模組通常備有紅外線濾光片。最常見的紅外線濾光片是干涉濾光片。用於此類濾光片的多層介電層系統係沈積於基板(通常為玻璃基板)上。基於物理原因，多層介電層系統經設計成可反射紅外線輻射但是可透射可見光。此類濾光片的製造相對便宜，但是有數個缺點。干涉濾光片常常賦予一定的調變給透射曲線(transmission curve)。此調變有與梳型濾光片(comb filter)類似的效應以及可能影響個別色彩。
此外，與也被稱作“有色玻璃”或吸收濾光片的光學濾光片玻璃相比，干涉濾光片的濾光片曲線(透射曲線)
更加依賴光線入射角。微型攝影機通常有達30°的最大開角(full opening angle)而且常常不是遠心地對準(telecentrically aligned)，亦即，光射線以某一角度(在最大開角下)打到影像感測器。
另外，紅外線光用干涉層反射回來進入光學系統。由於干涉濾光片一般至少在近紅外線範圍仍有殘留透射，因此多次反射導致光學系統有非常惱人的鬼影。
替代方案是以濾光片玻璃的形式提供紅外線濾光片。濾光片玻璃的特性是它既沒有前述梳型濾光片效應，也沒有由紅外線光多次反射所致的鬼影，因為紅外線光在穿經玻璃時會被吸收。
不過，迄今，與濾光片玻璃相比，製造成本效益不是干涉濾光片的唯一優點。干涉層非常薄而且可沈積於極薄的基板上。到目前為止，這允許用干涉濾光片製造更緊湊的光學系統。
因此，本發明的目標是要簡化包含作為紅外線濾光片之濾光片玻璃的光學系統之製造，以及使其更便宜同時減少濾光片玻璃所需要的空間。此目標的達成係藉由獨立項的專利標的。各個附屬項陳述本發明的有利具體實施例及修改。
因此，本發明提供一種由含銅離子氟磷酸鹽或磷酸鹽玻璃製成的玻璃晶圓。用以吸收紅外線光的含銅離子玻璃也被稱作藍色玻璃。該玻璃晶圓有大於15厘米的直
徑。該玻璃晶圓的厚度小於0.4毫米。研磨該玻璃晶圓的至少一表面。基於不大於1毫米的長度，限制該玻璃晶圓之表面形式為波浪的高度調變至小於200奈米的高度，小於130奈米的高度為較佳。寬度小於1毫米之上述相關刻度的波浪對於攝影機感測器的光學解析度特別有用。與此有關的是波長，或波浪在0.1至1毫米之長度範圍內的平均周期。
另外，根據本發明之一具體實施例，基於5 x 5毫米(或25毫米平方)的表面積，該玻璃晶圓的厚度變動小於±50微米。厚度有此輕微變動的優點是可確保濾光片曲線(透射曲線)大致保持不變(亦即，只輕微地改變)。此外，用如以下所述的本發明製造方法可實現玻璃晶圓的此一特徵。
玻璃晶圓的厚度在0.18毫米、0.32毫米之間為較佳，在不小於0.2毫米與不大於0.3毫米之間更佳。根據一示範具體實施例，該玻璃晶圓有8英吋的直徑及0.30毫米的厚度。
根據另一具體實施例，該玻璃晶圓的厚度在0.08、0.15毫米之間，特別是約有0.1毫米。
當然，上述厚度資料並非意指玻璃晶圓的厚度在表明的數值之間變化。反而，該玻璃晶圓有平面平行的形狀，以及該玻璃晶圓的均勻厚度是在上述數值的範圍內。
通常由該玻璃晶圓製成的紅外線濾光片是裝在攝影機晶片的附近。為了防止攝影機晶片上的陰影效應，該玻璃晶圓最好沒有大於100奈米或大於200奈米的氣泡及
/或內含物。因此，可實質忽略陰影效應，甚至在攝影機感測器的小像素有小到約1微米的像素尺寸下。
本發明的玻璃晶圓由於含有銅離子而可吸收在紅外線範圍的光。
該晶圓極薄，有小於0.4毫米的厚度，因此，特別適合用於小攝影機的極小型光學系統，例如組合於手機內的。
不過，經常由薄玻璃造成的問題是玻璃表面的波紋以及玻璃厚度的均勻度。根據本發明，此問題的解決是用研磨製程(abrasive process)使晶圓由較厚的玻璃基板減薄至小於0.4毫米的厚度。該研磨製程包括單獨研磨或特別作為最終的研磨步驟以得到合適的表面。
特別提供一種用於製造該玻璃晶圓的方法，其係包含下列步驟：由一含銅離子磷酸鹽或氟磷酸鹽玻璃製成一玻璃片，該玻璃片有至少1.8毫米的厚度；在一研磨製程中移除玻璃材料，直到該玻璃片或先前由該玻璃片製成的晶圓有不大於0.4毫米的厚度，該研磨製程至少包括研磨該玻璃片或已由該玻璃片製成的晶圓。特別是，由該玻璃片製成晶圓的步驟包括：該玻璃片作出有預期外形的晶圓。例如，這可藉由切割、鋸斷、甚至碾磨(例如，超音波振動碾磨法)來完成。
根據該方法之一替代例，如果玻璃片在研磨製程結束時仍然沒有晶圓的最終外形，則在研磨製程後由該玻
璃片作出晶圓。
根據上述厚度，為了製造晶圓，用研磨或碾磨再研磨將該玻璃至少減薄到4.5分之一。該方法乍看好像很複雜，但是以此方式可實現玻璃晶圓的高度平面平行，尤其是有低曲率(也被稱為“翹曲”)。
此時，允許結合晶圓與有攝影機晶片配置於其上的功能晶圓或光電陣列感測器，然後分離該晶片以製造攝影機模組。因此，本發明也有關於包含本發明玻璃晶圓及光電功能晶圓的晶圓組件，或一種具有用於製造攝影機模組於其上之多個光電陣列感測器之半導體晶圓以及接合至該半導體晶圓之本發明玻璃晶圓的組件。這兩個晶圓不一定要直接接合。反而，在這兩個晶圓之間可裝設一或更多中間層。例如，在本發明紅外線吸收玻璃晶圓與功能晶圓之間可裝設有數個微透鏡的一層或晶圓。
1‧‧‧玻璃晶圓
3、5‧‧‧玻璃晶圓的表面
10‧‧‧玻璃片
11‧‧‧晶圓形玻璃片
12‧‧‧半導體晶圓
13‧‧‧晶圓組件
14‧‧‧坩鍋
15‧‧‧玻璃熔融物
16‧‧‧槽孔式噴嘴
17‧‧‧分離工具
19‧‧‧削磨工具
22‧‧‧攝影機感測器
25‧‧‧攝影機晶片
27‧‧‧有微透鏡的窗口
29‧‧‧紅外線濾光片
31‧‧‧光學低通濾光片
32‧‧‧攝影機模組
33‧‧‧物鏡組
34，35，36，37‧‧‧33的透鏡
39‧‧‧射線束
100‧‧‧玻璃晶圓1表面上的波浪
以下用示範具體實施例及附圖更詳細地描述本發明。附圖中，相同或對應元件用相同的元件符號表示。
圖1、圖2及圖3根據本發明圖示玻璃晶圓的製造；圖4圖示包含半導體晶圓及紅外線吸收玻璃晶圓的晶圓組件；圖5圖示包含紅外線濾光片的攝影機晶片；圖6圖示帶有紅外線濾光片的攝影機模組；以及圖7圖示厚0.3毫米之紅外線吸收玻璃晶圓的透射曲線。
以下參考圖1、圖2與圖3根據本發明描述玻璃晶圓的製造。首先，用連續熔融法製備製造玻璃片的熔融玻璃為較佳。圖1圖示在底部有槽孔式噴嘴的坩鍋14。該坩鍋本身可用熔融槽(melting trough)形成，或填充在熔融槽中產生的氟磷酸鹽/磷酸鹽玻璃熔融物15於坩鍋14內。切割工具17將由槽孔式噴嘴16離開的一條玻璃分離成個別玻璃片10。因此，在此示範具體實施例中，玻璃片是用所謂的下拉製程(downdraw process)製成。不過，替換地，其他的製程同樣有可能，例如浮式法(float process)或溢流熔融製程(overflow fusion process)。
以此方式所產生的玻璃片10有至少1.8毫米的厚度，1.8至3.2毫米為較佳，厚度在2至3毫米之間更佳。用這些玻璃厚度，實現平坦表面及相對均勻的厚度。另一方面，在玻璃厚度不大於3毫米下，待削磨以得到預期最終厚度的玻璃材料數量有限。
隨後，如圖2所示，由玻璃片10切出數個晶圓形玻璃片11。
然後，如圖3所示，使用一或更多削磨工具(ablation tool)19碾磨及研磨玻璃片11，由至少1.8毫米的原始厚度至小於0.4毫米的厚度。因此，以此產生的玻璃晶圓1有至少一研磨表面3。自兩面移除玻璃材料為較佳，藉此研磨玻璃晶圓1的相對兩面3、5。為了研磨，可使用研磨平台(polishing plate)，例如，以及適當的研磨劑，例如氧化
鈰泥漿。
在示意圖示於圖1至圖3的示範具體實施例中，玻璃晶圓1在研磨前由玻璃片10切出。為了減少待移除材料量，這是有利的。不過，在研磨前同樣有可能執行一些削磨步驟。此外，也有可能切出預製件以薄化玻璃至預期厚度，然後切出晶圓的最終形狀。在避免在玻璃晶圓1邊緣有由削磨製程造成的任何不均勻性方面，這是有利的。
通常在研磨去除材料之前切出晶圓是有利的，因為可回收殘渣作為製造玻璃的碎屑，因而可保護資源(環境、成本、原料)。
玻璃片經製作成有儘可能少的條痕為較佳。在本技藝也被稱為條紋(schlieren)的條痕造成折射率不均勻。不過，在一定程度上，在靠近感測器地安置由玻璃晶圓1製成的紅外線濾光片時，這種條紋不會顯著影響攝影機模組的光學性質。原則上，這種配置為攝影機模組的常見配置。
不過，有可能對於光學性質有不利影響的另一效果。條紋為玻璃的局部化學及/或機械變化。這些變化通常伴隨著強度變動。在碾磨過程中，在研磨玻璃期間這可能造成條紋反映不平滑度。由於折射率只有微小的局部變化，條紋對於穿經玻璃容積之光路的影響相對小。
不過，這在玻璃表面上會不同。如果條紋在表面產生，這會導致厚度的局部變動，此時這對光束路徑有顯著影響以及對於攝影機模組的解析度有不利影響，因為在研磨期間在玻璃表面上產生於條紋處的波浪會起跟透鏡一
樣的作用。
因此，在根據本發明的晶圓中，由內部玻璃條紋造成的表面調變都小於200奈米，小於130奈米更佳。
不過，根據本發明使用結合研磨移除的磷酸鹽或氟磷酸鹽玻璃使得可避免此影響同時允許製造極薄有均勻厚度的大面積玻璃晶圓1。
另外，玻璃內的氣泡及/或內含物應小於200奈米，小於100奈米更佳，以便藉由避免陰影效應來確保攝影機晶片的優良影像品質。
已發現化學組成物包含下列成分(按氧化物，重量%排列)的含銅磷酸鹽或氟磷酸鹽玻璃適用於本發明：P2O5：25-80；Al2O3：1-13；B2O3：0-3；Li2O：0-13；Na2O：0-10；K2O：0-11；CaO：0-16；BaO：0-26；SrO：0-16；MgO：1-10；ZnO：0-10；CuO：1-7。
在偏離以上所給出的組成物中，不需要包含以上所列出的所有鹼土氧化物。不過，鹼土氧化物CaO、BaO、SrO及MgO中之至少兩者使用於玻璃組成物為較佳。
根據一具體實施例，下列氟磷酸鹽玻璃為較佳，其係具有包含下列成分(按氧化物，重量%排列)的化學組成物：P2O5：25-60；Al2O3：1-13；Li2O：0-13；Na2O：0-10；K2O：0-11；MgO：1-10；CaO：1-16；BaO：1-26；SrO：0-16；ZnO：0-10；CuO：1-7．Σ RO(R=Mg、Ca、Sr、Ba)15-40；Σ R2O(R=Li、Na、K)3-18；
其中由此組成物開始，用氟離子(F-)取代該玻璃中有1至39莫耳%的氧離子(O2-)。
作為澄清劑(refining agent)的As2O3為視需要。在使用As2O3時，其含量達0.02重量%為較佳。
由於已發現玻璃中含有氟在耐蝕性及耐氣候性方面有利，因此根據本發明之一具體實施例的氟磷酸鹽玻璃為較佳。
根據本發明所製成的薄玻璃晶圓1此時也使得製造攝影機模組或至少包含晶圓層級之紅外線濾光片的攝影機感測器成為有可能。圖4圖示包含本發明玻璃晶圓1以及
有多個攝影機感測器22在其上之半導體晶圓12的晶圓組件13，其中玻璃晶圓1黏結至半導體晶圓12於半導體晶圓12中有數個攝影機感測器22配置於其上之一側。半導體晶圓12也有大於15厘米的直徑，如同玻璃晶圓1。
由於在可製造大玻璃晶圓1的研磨製程中移除玻璃材料，因此也有可能使用有相應大量攝影機感測器22配置於其上的相應大半導體晶圓12。然後，可用切割或鋸斷法，使有攝影機感測器22的個別攝影機晶片與晶圓組件13分離。
如上述，玻璃晶圓1在晶圓組件中不需要直接黏合至半導體晶圓12，反而，可插入其他晶圓或中間層。圖5圖示有光學功能層之攝影機晶片的一示範具體實施例，例如藉由分離自晶圓組件13而可得到的。在圖示實施例中，施加有數個微透鏡的窗口27於攝影機晶片25中有光電陣列感測器22配置於其上之一側上。在此窗口27上配置由玻璃晶圓1製成的紅外線濾光片29。
最後，使用光學低通濾光片31是有利的。在圖5的實施例中，此光學低通濾光片31係安裝至紅外線濾光片29。光學低通濾光片31用來防止擷取影像中在記錄周期結構(其周期性對應至像素間距)時出現的雲紋圖案(moire pattern)。低通濾光片31也可附著至形式為晶圓之晶圓組件13的玻璃晶圓1，然後藉由切割晶圓組件13，可與攝影機晶片25及紅外線濾光片27一起分離。
此時用示範具體實施例圖示條紋及紅外線濾光
片的對應表面變形可影響攝影機模組的解析度。為此目的，圖6圖示包含物鏡組33的攝影機模組32，其係用透鏡34、35、36、37使入射光束39聚焦於光電陣列感測器22上。
由於存在於紅外線濾光片29玻璃中的條紋會造成由折射率之局部變動所致的光路差異，可用紅外線濾光片29的表面變形(這導致對應路徑有差異)模擬條紋的影響。為了圖解說明，圖示由玻璃晶圓1切出的紅外線濾光片29有波浪狀的表面3。當然，為了圖解說明而誇大波浪100的高度。
表面上由條紋賦予的波浪100局部產生額外的負或正屈光度(refractive power)。在這兩個情形下，結果是，各個光束不再準確地聚焦於陣列感測器22的光敏表面上。因此，最大可能空間解析度會有損失。使用由本發明玻璃晶圓1製成的紅外線濾光片可避免或至少減輕此一負效應，玻璃晶圓1的製造係藉由機械式減薄低條紋磷酸鹽玻璃，氟磷酸鹽玻璃為較佳。由源於條紋之波浪100造成的表面調變小於200奈米，小於130奈米為較佳。此高度示數為峰至谷的數值。波浪的相關表面刻度是達1毫米的長度範圍，通常為在0.1至1毫米的長度範圍。換言之，波浪結構係指在波浪之縱向的橫向有不大於1毫米的平均周期性或寬度。
此外，基於25毫米平方的表面積，玻璃晶圓1的厚度變動小於50微米使得透射曲線大致保持不變為較佳。
圖7圖示作為示範具體實施例之含銅離子氟磷酸
鹽玻璃(在此情形下，為市售商標為SCHOTT AG之BG60及厚0.3毫米的玻璃)的透射曲線，例如它可用於本發明。由曲線顯而易見，玻璃的透射率在大於560奈米人眼之最大紅色敏感度的波長由於被銅離子吸收而顯著減少。在較短波長的可見光譜範圍中，透射率相對不變。如果選擇較高的銅含量，則透射率在波長大於560奈米時會更陡峭地下降。
熟諳此藝者明白，本發明不受限於圖示於附圖的示範具體實施例，反而在隨附申請專利範圍的範疇內可用各種方式改變。例如，玻璃晶圓1可具有其他層。例如，可能有光學抗反射塗層，及/或結合用以反射紅外線成分的附加介電干涉層系統。
1‧‧‧玻璃晶圓
3‧‧‧玻璃晶圓的表面
12‧‧‧半導體晶圓
13‧‧‧晶圓組件
22‧‧‧攝影機感測器
Claims (10)
- 一種由含銅離子磷酸鹽或氟磷酸鹽玻璃製成的玻璃晶圓，其中該玻璃晶圓具有大於15厘米之直徑及小於0.4毫米的厚度，以及其中該玻璃晶圓的兩個平面平行表面中之至少一者係經研磨，以及其中基於不大於1毫米的長度，該玻璃晶圓之呈波浪形式的表面的高度調變係具有小於200奈米的高度。
- 如申請專利範圍第1項之玻璃晶圓，其中基於25毫米平方的表面積，該玻璃晶圓的厚度變動係小於±50微米。
- 如申請專利範圍第2項之玻璃晶圓，其中該玻璃晶圓的厚度在0.18毫米至0.32毫米的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項的玻璃晶圓，其中氣泡及內含物都小於200奈米。
- 如申請專利範圍第1項的玻璃晶圓，其係具有包含下列成分(基於氧化物，以重量%計)的一組成物：P2O5：25-80；Al2O3：1-13；B2O3：0-3；Li2O：0-13；Na2O：0-10；K2O：0-11；MgO：1-10；CaO：0-16； BaO：0-26；SrO：0-16；ZnO：0-10；CuO：1-7。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中之任一項的玻璃晶圓，其係具有包含下列成分(基於氧化物，以重量%計)的一組成物：P2O5：25-60；Al2O3：1-13；Li2O：0-13；Na2O：0-10；K2O：0-11；MgO：1-10；CaO：1-16；BaO：1-26；SrO：0-16；ZnO：0-10；CuO：1-7；Σ RO(R=Mg，Ca，Sr，Ba)15-40；Σ R2O(R=Li，Na，K)3-18；其中由該組成物開始，用氟離子(F-)取代該玻璃中具1至39莫耳%的氧離子(O2-)。
- 一種用以製造如申請專利範圍第1項的玻璃晶圓之方法，其係包含下列步驟： 由一含銅離子磷酸鹽或氟磷酸鹽玻璃製成一玻璃片，該玻璃片具有至少1.8毫米的厚度；在一研磨製程中移除玻璃材料，直到該玻璃片或由該玻璃片製成的一晶圓具有不大於0.4毫米的厚度，其中該研磨製程包括研磨該玻璃片或研磨由該玻璃片製成的晶圓。
- 如申請專利範圍第7項之方法，其中用於製造該玻璃片的熔融玻璃係經由一連續熔融製程所製備。
- 如申請專利範圍第7或8項之方法，其中該晶圓係在研磨之前先從該玻璃片切出。
- 一種組件，其係包含：具有用以製造攝影機模組之多個光電陣列感測器的一半導體晶圓、以及如申請專利範圍第1項所述以及黏結至該半導體晶圓的一玻璃晶圓。
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