TWI702731B - 晶圓層級勻相接合的光學結構及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一種晶圓層級勻相接合的光學結構，包括設置在光學上透明的晶圓上的兩枚光學透鏡組，和設置在光學上透明的晶圓上以及兩枚光學透鏡組之間的間隔片。在非勻相黏合劑不存在的情況下，間隔片係以勻相的方式接合到光學上透明的晶圓上，並與光學上透明的晶圓整合成一體。

Description

晶圓層級勻相接合的光學結構及其形成方法
本發明大致上關於一種晶圓層級勻相接合的光學結構，以及一種形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法。特別地，本發明則是針對一種不會有弓形扭曲（bow distortion），或是不會有層間對準誤差（interlayer misalignment）的晶圓層級勻相接合的光學結構，來克服先前技術中的問題。本發明也針對一種在無需熱處理和不用非勻相黏合劑的情況下，來形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，以克服現有技術中的多種問題。
除了製造需要從大量的個別元件來獨立地組裝出光學透鏡組之外，還有可能藉助於傳統的半導體製造程序，來同時在光學玻璃的晶圓上製造大面積的光學透鏡組。這種頂級的技術即稱為「晶圓層級的光學透鏡組」。這種的光學透鏡組可以應用在3D感應器中。
晶圓層級的製造和多個微光學元件的整合，則是一種組裝互補式金屬氧化物半導體（CMOS）影像感應器、模塑至玻璃晶圓上的多個聚合物透鏡、多個間隔片以隔離多個聚合物透鏡和蓋層而有前途的替代方案。當間隔片貼合到透鏡層以固定在透鏡層上時，需要用到乾膜（dry film）來幫助間隔片牢固地固定在透鏡層上。由於這個原因，需要進行熱處理來使乾膜牢固地將間隔片固定在透鏡層上。
當晶圓經由熱處理來處理乾膜時，會引發幾個問題。首先，由於差異性材料（例如，模塑到玻璃晶圓上的聚合物層）的複合組合和熱膨脹差異的原因，整片基板（在玻璃晶圓上的聚合物層）由於內部應力的不平均，將遭受弓形扭曲的變形現象。具有弓形扭曲的變形基板，會顯示出缺陷的外觀。
其次，由於弓形扭曲的變形現象，當離晶圓中心的距離越遠，則變形的程度越是嚴重。由於這種區域性的位移問題，間隔片與聚合物鏡片之間的整體良好對準就變成不可能了。即使當一部分的間隔片能與相應的聚合物鏡片好好地對準時，其他部分的間隔片也難以與其相應的聚合物鏡片良好對準。
第三，聚合物層本身在當溫度升高到接近其玻璃轉化溫度（Tg）的熱處理過程中易於變形。聚合物層本身的變形再加上基板整體的彎曲變形，會使得對準誤差的問題更加嚴重。
有鑑於上述的情況，仍然需要提出一種在無需熱處理的情況下，就能形成晶圓層級光學結構的新方法，以克服現有技術中的上述問題。
有鑑於先前技術中所遇到的各種問題，本發明於是提出了一種新穎的晶圓層級勻相接合的光學結構，以及一種在無需熱處理的情況下就能形成晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法，以克服上述先前技術中所遇到的各種問題。由於本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法，在製造過程中不採用整體的熱處理（overall thermal treatment），所以所獲得的晶圓層級勻相接合的光學結構不會產生弓形的畸變，從而產生更佳的光學性能和層間對準精確度。
本發明在第一方面，提供了一種在無需熱處理的情況下就能形成晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法，以克服上述先前技術中所遇到的各種問題。首先，提供光學上透明的晶圓。在光學上透明的晶圓上，設置有多個光學透鏡組。例如，在光學上透明的晶圓上設置至少兩個光學透鏡組。特別地，每枚光學透鏡組是孤立的，並且彼此不互相接觸。光學透鏡組包括與一片殘留層整合成一體的一枚透鏡。其次，在光學上透明的晶圓上提供至少一片間隔片。間隔片與光學上透明的晶圓直接接觸，使得間隔片設置在兩個相鄰的光學透鏡組之間，以隔離兩個相鄰的光學透鏡組。接下來，在位於間隔片和光學上透明的晶圓之間的界面上進行雷射處理，使得在沒有非勻相黏合劑存在的情況下，間隔片以勻相的方式接合到（homogeneously bonded to）光學上透明的晶圓上。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的一個實施方式中，光學上透明的晶圓和間隔片這兩者都由玻璃所製成，使得間隔片得以在雷射處理之後，與光學上透明的晶圓在沒有非勻相黏合劑存在的情況下整合成一體。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，其中雷射處理的最大功率為100W，具有的波長不大於1060nm。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，每枚光學透鏡組包括圍繞殘留層的延伸肩部，而此延伸肩部不與相鄰間隔件的另一個延伸肩部接觸。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，更進一步包含以下的步驟。首先，提供一片光學上透明的基板。此光學上透明的基板位於間隔片上，並與間隔片直接接觸。接下來，在位於間隔片和光學上透明的基板之間的界面上進行基板雷射處理，使得間隔片在沒有非勻相黏合劑的情況下，得以勻相地方式接合到光學上透明的基板上。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，間隔片和光學上透明的基板這兩者都由玻璃所製成，使得間隔片得以在基板雷射處理之後，在沒有非勻相黏合劑存在的情況下，以勻相地方式接合到光學上透明的基板上。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，其中雷射處理的最大功率為100W，具有的波長不大於1060nm。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，更進一步包含形成多個成像光學透鏡組，例如，在光學上透明的基板上形成至少兩個成像光學透鏡組。又成像光學透鏡組分別對應於光學透鏡組。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的另一個實施方式中，更進一步包含形成多個底部光學透鏡組，例如，位於光學上透明的晶圓上的至少兩個底部光學透鏡組。底部光學透鏡組位於光學透鏡組下方，並分別對應於光學透鏡組。
本發明在第二方面，則提供了在無需熱處理的情況下就能形成晶圓層級勻相接合的光學結構的另一種新方法，以克服上述先前技術中所遇到的各種問題。首先，提供光學上透明的晶圓。在光學上透明的晶圓上，設置有多個光學透鏡組。例如，在光學上透明的晶圓上設置至少兩個光學透鏡組。特別地，每個光學透鏡組都是孤立的，並且彼此不互相接觸。光學透鏡組包括與一片殘留層整合成一體的一枚透鏡。其次，提供光學上透明的基板。可以有多個間隔片，例如，有至少一片間隔片設置在光學上透明的基板上。接下來，將光學上透明的基板與光學上透明的晶圓組合，使得光學上透明的晶圓與間隔片直接接觸，同時間隔片位於兩個相鄰光學透鏡組之間，以隔離兩個相鄰的光學透鏡組。然後，在位於間隔片和光學上透明的晶圓之間的界面上進行雷射處理，使得在沒有非勻相黏合劑存在的情況下，間隔片以勻相的方式接合到光學上透明的晶圓上。
在本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法的一個實施方式中，光學上透明的晶圓和間隔片這兩者都是由玻璃所製成，使得間隔片得以在雷射處理之後，在沒有非勻相黏合劑存在的情況下，貼合至（attached to）光學上透明的晶圓上。
本發明在第三方面提出了一種新穎的晶圓層級勻相接合的光學結構，而沒有弓形畸變或沒有層間對準失誤的瑕疵，以克服上述先前技術中所遇到的各種問題。本發明晶圓層級勻相接合的光學結構，包括光學上透明的晶圓、多個光學透鏡組和至少一片間隔片。在光學上透明的晶圓上設置有多個光學透鏡組，例如，在光學上透明的晶圓上設置有至少兩個光學透鏡組。特別地，每個光學透鏡組都包括與一片殘留層整合成一體的一枚透鏡。在光學上透明的晶圓上設置有至少一片間隔片，例如，在光學上透明的晶圓上設置有至少一片的間隔片。特別地，間隔片設置在兩個相鄰的光學透鏡組之間。間隔片是在沒有非勻相黏合劑存在的情況下，以勻相的方式接合到光學上透明的晶圓上。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的一個實施方式中，光學上透明的晶圓是一片平坦玻璃。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，間隔片由玻璃所製成，而使得間隔片在非勻相黏合劑不存在的情況下，得以與光學上透明的晶圓整合在一起。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，每個光學透鏡組包括延伸肩部，同時延伸肩部不與相鄰的間隔片的其中一者接觸。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，每枚光學透鏡組均孤立，使得間隔片中的其中一者，隔離相鄰的光學透鏡組中的其中兩者。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，晶圓層級勻相接合的光學結構，更進一步包含一片光學上透明的基板。光學上透明的基板設置在間隔片上，並與間隔片直接接觸。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，間隔片和光學上透明的基板這兩者都是由玻璃所製成，使得間隔片在非勻相黏合劑不存在的情況下，得以勻相地接合到光學上透明的基板上。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，晶圓層級勻相接合的光學結構更進一步包含多個成像光學透鏡組。成像光學透鏡組設置在光學上透明的基板上，並且分別對應於光學透鏡組。
在本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的另一個實施方式中，晶圓層級勻相接合的光學結構更進一步包含多個底部光學透鏡組。底部光學透鏡組設置在光學上透明的晶圓上，並位於光學透鏡組下方。底部光學透鏡組分別對應於光學透鏡組。
由於本發明形成晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法，不使用熱處理來將間隔片固定在光學上透明的晶圓上，因此基本上消除了光學上透明的晶圓與聚合物層在一起所造成的弓形畸變。此外，也不會有熱處理而導致堆疊層間有不良的區域對準錯位，以克服上述先前技術中所遇到的各種問題。 另外，聚合物層本身也不再變形，即可減輕對準錯位的問題。 因此，所得的新穎晶圓層級勻相接合光學結構，既不會有不理想的弓形畸變，也不會有不理想的層間對準錯位的狀況，於是得以展現出更好的產品品質、傑出的外觀和光學性能。
為了消除不理想的弓形畸變或不理想的層間對準錯位的問題，本發明提供了在晶圓層級的尺度上，形成一種勻相接合光學結構的新方法。本發明的新穎方法即是提出了一種替代方法，在沒有異質黏合劑的情況下，將間隔片永久地固定到光學上透明的晶圓或光學上透明的基板上，以避免光學上透明的晶圓發生由異質黏合劑所需的熱處理而引起的不理想的弓形畸變，或不理想的層間對準錯位的問題。由於以勻相的方式來接合，本發明新穎的晶圓層級勻相接合的光學結構中的間隔片，得以與光學上透明的晶圓或光學上透明的基板整合成一體，以展現出更好的產品品質、層間對準精度和光學性能。
請參照第1圖至第6圖，其繪示出形成本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法的第一實例。請參考第1圖。首先，提供光學上透明的晶圓110。光學上透明的晶圓110可以是由光學上透明的材料，例如玻璃或二氧化矽材料，所製成的玻璃晶圓，用作為光學透鏡結構中的載體。較佳地，用於光學上透明的晶圓110的光學上透明的材料，可以是具有盡可能小的熱膨脹係數的玻璃。「光學上透明」乙詞，是指允許特定波長的光穿過此材料，而實質上不降低光強度的材料。
在光學上透明的晶圓110上設置有多個光學透鏡組120。例如，至少有兩個光學透鏡組120設置在光學上透明的晶圓110上，並與光學上透明的晶圓110直接接觸。較佳地，可以有多個設置在光學上透明的晶圓110上的光學透鏡組120，來形成陣列。
如第1圖所繪示，多個設置在光學上透明的晶圓110上的光學透鏡組120，包括與單一片的殘留層125整合成一體的多枚透鏡121。每枚光學透鏡組120包括與殘留層125整合成一體的單一枚透鏡121。多枚透鏡121和殘留層125都由相同的光學上透明的材料所製成，而作為光學透鏡組120之用。例如，光學上透明的材料可以是聚合物材料。每枚透鏡121的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率。
較佳地，用於光學透鏡組120的聚合物材料，可以是丙烯酸酯類材料或甲基丙烯酸酯類材料。透鏡121和殘留層125為一體成形或單件式成形，使得透鏡121和殘留層125彼此整合成一體而且不可分離。例如，透鏡121和殘留層125可以經由在模板（未繪出）的存在下，聚合丙烯酸酯類材料或甲基丙烯酸酯類材料的單體或寡聚物來形成，以協助每枚透鏡121的表面曲率的形成。
其次，請參考第2圖，進行移除步驟，以移除直接位在兩個相鄰透鏡121之間的殘留層125。移除步驟用來分割多個目前彼此相互連接的光學透鏡組120，以同時形成多個獨立的光學透鏡組120，和多條切割道128。每條切割道128都夾在兩個相鄰又獨立的光學透鏡組120之間。特別是，深入地移除殘留層125，就會使得位在切割道128下方、光學上透明的晶圓110暴露出來。
可以使用雷射來進行移除步驟。例如，可以在雷射的存在下來進行移除步驟，將殘留層125移除。較佳地，如第2圖所繪示，部分地移除殘留層125，使得每枚光學透鏡組120都具有肩部126，或是如第2A圖所繪示，部分地移除殘留層125，使得每枚光學透鏡組120都沒有肩部。
例如，每枚光學透鏡組120中的殘留層125，比位於其上的透鏡121寬，而每枚光學透鏡組120中殘留層125的較寬區域，即作為光學透鏡組120的延伸肩部（extending shoulder）126。要不然如第2A圖所繪示，夾在兩個相鄰的光學透鏡組120之間的殘留層125被完全移除，使得每枚光學透鏡組120都沒有肩部。較寬的肩部126會使得切割道128變窄。在移除步驟之後，每枚光學透鏡組120都被孤立，並且彼此不接觸。每枚光學透鏡組120都包括與殘留層120整合成一體的單一枚透鏡121，但是延伸肩部126則是可有可無的。
接下來，請參考第3圖，在光學上透明的晶圓110上提供至少一個間隔片130。特別是，每個間隔片130都與光學上透明的晶圓110直接接觸，因此在間隔片130與光學上透明的晶圓110之間，沒有黏膠、乾膜或任何其他的黏合劑。再者，間隔片130還部分地位在切割道128之中。換句話說，間隔片130位於兩個相鄰的光學透鏡組120之間，以隔離兩個相鄰的光學透鏡組120。
較佳地，無論是有或沒有肩部126的情況下，間隔片130都不會與任何一枚的光學透鏡組120直接接觸。第3圖繪示了間隔片130位在切割道128中、並介於兩枚光學透鏡組120與兩個獨立的肩部126之間的情況。第3A圖繪示了間隔片130位在切割道128中、並介於兩枚光學透鏡組120之間、但沒有肩部的情況。
第3B圖繪示第3圖的上視圖。間隔片130的尺寸是取決於光學透鏡組120和切割道128的尺寸。例如，透鏡121的直徑可以是大約100 μm（微米）。具有光學透鏡組120的肩部126的殘留層125的形狀，可以是尺寸大約是1.4 mm（公厘）×2.2 mm的矩形。兩個相鄰的光學透鏡組120（從一枚透鏡121的中心到另一個相鄰的透鏡121的中心）的間距，則大約為2.3 mm，又切割道128的寬度可以大約為140 μm。較佳地，間隔片130的寬度小於切割道128的寬度。例如，間隔片的寬度可以是130 μm。然而，上述元件的尺寸不限於前述所列的數值。
稍後，請參考第4圖，在間隔片130和光學上透明的晶圓110之間的界面上進行雷射處理。是刻意的進行雷射處理，以使得所有的間隔片130和光學上透明的晶圓110之間的永久連接成為可能。換句話說，在此雷射處理之後，所有間隔片130能夠在沒有非勻相黏合劑，也就是沒有異質黏合劑，存在的情況下，勻相地接合到光學上透明的晶圓110上。
較佳地，反覆地進行雷射處理，使得所有間隔片130和光學上透明的晶圓110之間都能得到勻相的接合。「勻相的接合」乙詞是指，在實質上沒有不同材料（異質材料），例如非勻相黏合劑，像是膠水或乾膜存在的情況下，兩種類似材料之間的永久固定。第4圖繪示在有肩部126存在的情況下進行雷射處理。第4A圖則繪示，在沒有任何肩部存在的情況下進行雷射處理。
一般而言，玻璃或氧化矽材料是由二氧化矽所形成。由於其對濕氣的親和力，如第4B圖所示，玻璃的表面通常都有著相當多以物理的方式或化學的方式連接至暴露的氧原子或暴露的矽原子的水分子與羥基，從而形成了一層原生的羥基層（native hydroxyl group layer）。
當兩片玻璃或是氧化矽材料彼此接近時，位在兩個原生的羥基層中相當多的水分子與羥基會彼此排斥，因為水分子與羥基中極化的氫原子之間的排斥力，而使得這兩片不能彼此合併在一起。基於這種現象，即使是由相同材料所製成，或是換句話說，即使這兩者具有勻相的質地（homogeneous constitution），間隔片130也不能永久地附著到光學上透明的晶圓110上。
本發明的發明人發現到，當以合適的雷射處理程序來修飾位於間隔片130和光學上透明的晶圓110之間的界面時，間隔片130就可以勻相地接合到光學上透明的晶圓110上。合適的雷射處理程序，如第4C圖所繪示，能夠去除表面上至少大部分的水分子與羥基，而產生新的橋式Si-O-Si鍵結。
新的橋式Si-O-Si鍵結的作用，就基本上彷彿好像是跟玻璃或是氧化矽材料，例如二氧化矽，內的任何其他氧原子與矽原子之間的化學鍵一樣。新的橋式Si-O-Si鍵結，導致了位於間隔片130和光學上透明的晶圓110之間的界面上的氧原子和矽原子之間，有了勻相的接合。
既然新生成的橋式Si-O-Si鍵結，基本上來說跟玻璃或是氧化矽材料內部之中，任何的氧原子與矽原子間的化學鍵之間，並沒有化學上的差異，於是間隔片130就可以被認為是「勻相地接合」到光學上透明的晶圓110上，彷彿好像原本的間隔片130和光學上透明的晶圓110，就是一體成形的，或是打成一片一般，就像是間隔片130和光學上透明的晶圓110在材料上彼此實質上一體化（materially integrated）了。
例如，適合進行修飾步驟的雷射處理程序，雷射處理的最大功率為100W，可具有的波長不大於1060nm。
隨後，請參考如第5A圖所繪示，用另一片光學上透明的基板140來覆蓋間隔片130、光學透鏡組120和光學上透明的晶圓110。光學上透明的基板140可以像是任何一片具有多枚光學透鏡組120的另一片光學上透明的晶圓110，或者是蓋玻璃（cover glass）一般，來保護最頂層的光學上透明的晶圓110上的光學透鏡組120。換句話說，可以有一片或是多片具有多枚光學透鏡組120的光學上透明的晶圓110，來形成光學元件層的堆疊層。間隔片130和光學上透明的基板140兩者，均可由相同的光學上透明的材料所製成，例如玻璃或氧化矽材料。較佳來說，用於光學上透明的基板140的光學上透明的材料，可以是熱膨脹係數盡可能小的玻璃。
例如，首先提供光學上透明的基板140，如第5圖所繪示。形成位於光學上透明的基板140上的多個成像光學透鏡組144，例如，形成至少兩枚成像光學透鏡組144。切割道148夾置於兩個相鄰的單獨成像光學透鏡組144之間。
每枚成像光學透鏡組144都包括與殘留層145整合成一體的單枚透鏡141，延伸肩部146則是可有可無。每枚成像光學透鏡141的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率。每枚成像光學透鏡組144都分別對應於光學透鏡組120。關於形成成像光學透鏡組144的細節，請參考光學透鏡組120的形成過程。
其次，請參考如第5A圖所繪示，光學上透明的基板140位在間隔片130上，並與間隔片130直接接觸。在本步驟中的光學上透明的基板140，是暫時性的與間隔片130相連接。特別是，因為沒有進行過會引起不理想的弓形畸變或是不理想的聚合物層變形，而危及位在相鄰層上透鏡組120之間對準的熱處理，所以在光學上透明的基板140上的成像光學透鏡組144，就可以輕易地就與光學上透明的晶圓110上的光學透鏡組120彼此好好對準。
由於光學上透明的基板140目前仍然只是暫時性的與間隔片130相連接，所以請參考如第5A圖所繪示，進行另一次合適的雷射處理程序，例如在間隔片130和光學上透明的基板140之間的界面上進行基板雷射處理。基板雷射處理，就像是先前適當的雷射處理程序一樣，是用來修飾位在間隔片130和光學上透明的基板140之間的界面。第5B圖繪示在沒有任何肩部的情況下來進行雷射處理。
例如，基板雷射處理係經由去除表面上至少大部分的水分子與羥基的方式來修飾界面，以生成新的橋式Si-O-Si鍵，使得光學上透明的基板140在基板雷射處理之後，又於非勻相黏合劑不存在的情況下，能夠以勻相的方式被接合到間隔片130上。例如，適合進行修飾步驟的雷射處理程序，雷射處理的最大功率為100W，可具有的波長不大於1060nm。
視情況需要，請參考如第6圖所繪示，還可以有多個底部光學透鏡組150，例如，在光學上透明的晶圓110上設置有至少兩個底部光學透鏡組150。底部光學透鏡組150位於光學透鏡組120下方，並且分別對應於光學透鏡組120。特別是，多個底部光學透鏡組150都與位於底部光學透鏡組150上方的多個光學透鏡組120確實對準。每個底部光學透鏡組150，都包括與殘留層155整合成一體的單一枚透鏡151，延伸肩部156則也是可有可無。每枚透鏡151的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率。
多個底部光學透鏡組150，可以在光學透鏡組120形成時一起形成，或者是在間隔片130勻相地接合到到光學上透明的晶圓110之前形成。第6A圖繪示出沒有延伸肩部的光學透鏡組。關於形成底部光學透鏡組150的細節，請參考形成光學透鏡組120的內容。關於成像光學透鏡組144和底部光學透鏡組150的細節，則請參考光學透鏡組120的內容。
正因為光學上透明的基板140和光學上透明的晶圓110都可以不進行熱處理過程，所以光學上透明的基板140或光學上透明的晶圓110，也都可能沒有表現出不理想的弓形畸變，或是沒有不理想的聚合物層變形。因此，本發明的方法，有利於位在光學上透明的基板140上的成像光學透鏡組120，與位在光學上透明的晶圓110上的光學透鏡組120之間的，晶圓對晶圓層級的精確對準。
本發明在第二方面，則是提供了另一種可以在無需熱處理的情況下，形成晶圓層級勻相接合光學結構的新方法，以克服現有技術中的多種問題。請參照第7圖至第9A圖，繪示出形成本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法的第二實例。請參考第7圖。首先，提供光學上透明的晶圓110。光學上透明的晶圓110可以是由光學透明的材料，例如玻璃或二氧化矽材料，所製成的玻璃晶圓。
在光學上透明的晶圓110上設置有多枚光學透鏡組120。例如，在光學上透明的晶圓110上設置有至少兩個光學透鏡120組，並與光學上透明的晶圓110直接接觸。較佳來說，在光學上透明的晶圓110上可以設置有多個光學透鏡組120，來形成陣列。
每個光學透鏡組120都包括與殘留層125整合成一體的單一枚透鏡121，延伸肩部126則是可有可無。多枚透鏡121和殘留層125都由相同的光學上透明的材料所製成，而作為光學透鏡組120之用。例如，光學上透明的材料可以是聚合物材料。每枚透鏡121的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率。
較佳地，聚合物材料，可以是丙烯酸酯類材料或甲基丙烯酸酯類材料。透鏡121和殘留層125為一體成形或單件式成形，使得透鏡121和殘留層125彼此整合成一體而且不可分離。例如，透鏡121和殘留層125可以經由在模板（未繪出）的存在下，聚合丙烯酸酯類材料或甲基丙烯酸酯類材料的單體或寡聚物來形成，以協助每枚透鏡121的表面曲率的形成。
每個光學透鏡組120更進一步包含延伸肩部126，來圍繞殘留層125。由於切割道128的分隔，一個延伸肩部126不會與相鄰光學透鏡組120的另一個延伸肩部126相接觸。換句話說，切割道128是夾在兩個相鄰的個別光學透鏡組120之間。
例如，在每枚光學透鏡組120中的殘留層125，都會比位其上方的透鏡121還要寬，同時每枚光學透鏡組120中殘留層125的較寬區域，即作為光學透鏡組120的延伸肩部126之用。越寬的肩部126即使得切割道128越窄。或者是，如第7A圖所繪示，在每枚光學透鏡組120中都沒有肩部。無論延伸肩部126存在與否，每個光學透鏡組120都是孤立的，並且彼此不互相接觸。關於光學透鏡組120和光學上透明的晶圓110的細節，請參考前述之說明內容。
其次，請參照第8圖之繪示，提供光學上透明的基板140。可以有多個間隔片130，例如，有間隔片130與設置在光學上透明的基板140上的至少兩枚成像光學透鏡組144。光學上透明的基板140，可以如同任何一片光學上透明的晶圓110一般，具有多個光學透鏡組120，或者有用於保護位於光學上透明的晶圓110最頂層上的光學透鏡組120的蓋玻璃（cover glass）。換句話說，可以存在具有多枚光學透鏡組120的一片或者是多片的光學上透明的晶圓110，而用來形成光學元件層的堆疊層。較佳而言，間隔片130和光學上透明的基板140兩者，均由光學上透明的相同材料所製成，例如玻璃或是氧化矽材料。
每個成像光學透鏡組144，都包括與殘留層145整合成一體的單枚透鏡141，殘留層145的延伸肩部146則是可有可無。每個成像光學透鏡141的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率。每枚成像光學透鏡組144都分別對應於光學透鏡組120。關於形成成像光學透鏡組144的細節，請參考光學透鏡組120的形成過程。第8A圖則是繪示出殘留層145沒有延伸肩部。
接下來，請參照第9圖之繪示，將光學上透明的基板140與光學上透明的晶圓110結合，使得光學上透明的晶圓110與間隔片130直接相連，而且在間隔片130和光學上透明的晶圓110之間，沒有提供膠水、也沒有提供乾膜或其餘任何的黏合劑。再者，每個間隔片130都是部分地安置在切割道128中。換句話說，一片間隔片130即位在兩個相鄰的光學透鏡組120之間，以隔離兩個相鄰的光學透鏡組120。
然後，在間隔片130和光學上透明的晶圓110之間的界面上，進行雷射處理。是有意來進行此雷射處理的，以使得所有間隔片130和光學上透明的晶圓110之間的永久接合成為可能。換句話說，在雷射處理之後，所有的間隔片130都能夠在不用非勻相黏合劑的情況下，以勻相地方式被接合到光學上透明的晶圓110上。第9圖繪示，在肩部存在的情況下進行雷射處理。第9A圖繪示，在沒有任何肩部存在的情況下進行雷射處理。
例如，經由雷射處理的方式，去除表面上至少大部分的水分子與羥基的方式來修飾界面，以生成新的橋式Si-O-Si鍵，使得光學上透明的晶圓110在不用非勻相黏合劑的雷射處理之後，能夠均勻地接合到間隔片130上。例如，適合進行修飾步驟的雷射處理程序，雷射處理的最大功率為100W，可具有的波長不大於1060nm。較佳來說，無論是有或沒有肩部126的情況下，間隔片130都不會與任何一枚的光學透鏡組120直接接觸。
在雷射處理之後，間隔片130就可以視為「勻相地接合」到了光學上透明的晶圓110上，彷彿好像原本的間隔片110和光學上透明的晶圓110，就是一體形成的，或是打成一片一般，就如同間隔片130和光學上透明的晶圓110在材料上彼此實質上一體化了。
在歷經上述形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法之後，就可以得到在晶圓層級上勻相接合的光學結構100。因此，本發明在第三方面還提供了一種新穎的、在晶圓層級上能勻相接合的光學結構100，而沒有弓形畸變或是沒有層間對準錯位，以克服上述先前技術中所遇到的各種問題。
請參考第5A圖、第5B圖、第9圖或第9A圖，其分別繪示出了本發明新穎的晶圓層級勻相接合的光學結構100的一種實例。本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構100，至少包括有光學上透明的晶圓110、多枚光學透鏡組120和多個間隔片130。在本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構100的一個實施例中，光學上透明的晶圓130可以是平板玻璃。
可以有覆蓋間隔片130、光學透鏡組120和光學上透明的晶圓110的光學上透明的基板140。在光學上透明的晶圓110上設置有多個光學透鏡組120，例如，在光學上透明的晶圓110上設置有至少有兩個光學透鏡組120。具體來說，每個光學透鏡組120都包括位在殘留層125上、並與殘留層125整合成一體的單一枚透鏡121，而一起形成了希臘字母「Ω」（omega）的形狀。沒有延伸肩部126的光學透鏡組120，則是形成子彈的形狀。每枚透鏡121的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率，而且每個殘留層125可以具有延伸肩部126或是沒有延伸肩部。
類似地，在光學上透明的基板140上亦可以設置有多個成像光學透鏡組144，並且分別對應於光學透鏡組120。具體而言，每個成像光學透鏡組144也都包括位於殘留層145上，並與殘留層145整合成一體的單枚透鏡141。每個成像光學透鏡141的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率，而且在成像光學透鏡組141中的每個殘留層145，其延伸肩部146都可以是可有可無的。
第5A圖和第9圖繪示出本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構100具有延伸肩部126或是延伸肩部146。第5B圖和第9A圖則繪示出本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構100完全都沒有延伸肩部。
光學上透明的晶圓110、間隔片130和光學上透明的基板140分別可以由光學上透明的材料所製成，像是玻璃或是氧化矽材料。例如，光學上透明材料可以是熱膨脹係數盡可能小的玻璃。較佳來說，光學上透明的晶圓110、間隔片130和光學上透明的基板140，都可以由光學上透明的相同材料所製成。
在本發明的一個實施例中，視情況需要的光學上透明的基板140可以像是任何一片具有多枚光學透鏡組120的另一片光學上透明的晶圓110，或者是蓋玻璃一般，來保護最頂層的光學上透明的晶圓110上的光學透鏡組120。換句話說，可以有一片或是多片具有多個光學透鏡組120的光學上透明的晶圓110，來形成光學元件層的堆疊層。
還有，在光學透鏡組120之間，還設置有多條切割道128。每條切割道128，可以被視為是由兩枚相鄰的單獨光學透鏡組120所界定的。例如，每條切割道128都夾置在兩枚相鄰的單獨光學透鏡120之間，來分隔兩枚相鄰的單獨光學透鏡120。再者，切割道128要夠深，才會暴露出位於下方的光學上透明的晶圓110。特別來說，光學透鏡組120有越寬的肩部126，即使得切割道128越窄。
在光學上透明的晶圓110上設置有多個間隔片130，並且每個間隔片130都是設置在光學上透明的晶圓110和光學上透明的基板140之間。具體來說，每個間隔片130是設置在兩個相鄰的光學透鏡組120之間，並且部分地位在對應的切割道128的內部，而用於隔離兩枚孤立但相鄰的光學透鏡組120，但是任何的延伸肩部126，都不會與相鄰的間隔片130直接接觸。
在本發明的一個實施例中，因為光學上透明的晶圓110和間隔片130是可以由光學上透明的相同材料，例如玻璃，所製成的，所以即使在沒有異質（亦即非勻相）黏合劑的情況下，間隔片130還是得以勻相地接合到光學上透明的晶圓110上。類似地，在沒有異質黏合劑的情況下，間隔片130也得以勻相的方式接合到光學上透明的基板140上，這是因為間隔片130和光學上透明的基板140，都可以是由光學上透明的相同材料所製成，例如是玻璃或是氧化矽材料。
例如，光學上透明的晶圓110和間隔片130都是由玻璃所製成，使得間隔片130能夠在沒有非勻相黏合劑的情況下，與光學上透明的晶圓110整合在一起。「勻相接合」是指，在​​基本上不存在實質上不同的材料，例如非勻相黏合劑，像是膠水或乾膜，的情況下，兩種類似的材料之間的永久固定。
間隔片130的尺寸是取決於光學透鏡組120和切割道128的尺寸。例如，如第3B圖所繪示，透鏡121的直徑可以是大約100μm。具有光學透鏡組120的肩部126的殘留層125的形狀，可以是尺寸大約是1.4 mm×2.2 mm的矩形。兩個相鄰的光學透鏡組120（從一枚透鏡121的中心到另一個相鄰的透鏡121的中心）的間距，則大約為2.3 mm，又切割道128的寬度可以大約為140 μm。較佳地，間隔片130的寬度小於切割道128的寬度。例如，間隔片的寬度可以是130μm。然而，上述元件的尺寸不限於前述所列的數值。
視情況需要，如第6圖或第6A圖所繪示，還可以有多個底部光學透鏡組150，例如，在光學上透明的晶圓110上設置有至少兩個底部光學透鏡組150。底部光學透鏡組150位於光學透鏡組120下方，並且分別對應於光學透鏡組120。特別是，多個底部光學透鏡組150都與位於底部光學透鏡組150上方的多枚光學透鏡組120確實對準。每個底部光學透鏡組150，都包括與殘留層155整合成一體的單一枚透鏡151，延伸肩部156則是可有可無。每枚透鏡151的表面曲率，可以是正曲光率或是負曲光率。
由於不使用熱處理的方式來將間隔片固定在光學上透明的晶圓上，所以形成本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法，就能夠避免光學上透明的晶圓發生弓形畸變。此外，也不會有因為熱處理而導致堆疊層不理想的對準誤差，又克服了現有技藝中的問題。因此，所得到的新穎的晶圓層級勻相接合的光學結構，既沒有不理想的弓形畸變，也沒有不理想的層間對準誤差，所以能夠表現出更好的產品品質量和光學性能。
由於本發明的光學上透明的基板或光學上透明的晶圓，不會表現出不理想的弓形畸變，或是不會表現出不理想的聚合物層變形，因此本發明的晶圓層級勻相接合光學結構，即會表現出優異的整體層間對準，而顯示出更好的產品品質、優異的外觀和光學性能。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:光學結構 110:晶圓 120:光學透鏡組 121:透鏡 125:殘留層 126:肩部 128:切割道 130:間隔片 140:光學上透明的基板 141:透鏡 144:成像光學透鏡組 145:殘留層 146:延伸肩部 148:切割道 150:底部光學透鏡組 151:透鏡 155:殘留層 156:肩部
第1圖至第6圖繪示形成本發明晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法的第一實例。 第2圖繪示進行移除步驟，以移除直接位在兩個相鄰透鏡之間的殘留層。 第2A圖繪示部分地移除殘留層，使得每枚光學透鏡組都沒有肩部。 第3圖繪示在光學上透明的晶圓上提供至少一個間隔片。 第3A圖繪示間隔片位在切割道中、並介於兩枚光學透鏡組之間、但沒有肩部的情況。 第3B圖繪示第3圖的上視圖。 第4圖繪示在間隔片和光學上透明的晶圓之間的界面上進行雷射處理。 第4A圖繪示在沒有任何肩部存在的情況下進行雷射處理。 第4B圖繪示連接至暴露的氧原子或暴露的矽原子的水分子與羥基，而形成了一層原生的羥基層。 第4C圖繪示去除表面上至少大部分的水分子與羥基，而產生新的橋式Si-O-Si鍵結。 第5圖繪示形成位於光學上透明的基板上的多個成像光學透鏡組。 第5A圖繪示在間隔片和光學上透明的基板之間的界面上進行基板雷射處理。 第5B圖繪示在沒有任何肩部的情況下來進行雷射處理。 第6A圖繪示出沒有延伸肩部的光學透鏡組。 第7圖至第9A圖繪示出形成本發明的晶圓層級勻相接合的光學結構的新方法的第二實例。 第7A圖繪示每枚光學透鏡組中都沒有肩部。 第8圖繪示提供光學上透明的基板。 第8A圖繪示出殘留層沒有延伸肩部。 第9圖繪示光學上透明的基板與光學上透明的晶圓結合，使得光學上透明的晶圓與間隔片直接相連。
100:光學結構
110:晶圓
120:光學透鏡組
121:透鏡
125:殘留層
126:肩部
128:切割道
130:間隔片
140:光學上透明的基板
141:透鏡
144:成像光學透鏡組
145:殘留層
146:延伸肩部
148:切割道

Claims (20)

  1. 一種晶圓層級（wafer-level）勻相接合（homogeneous bonding）的光學結構，包括： 一片光學上透明的晶圓； 至少兩組光學透鏡組（optical lens set），設置在該光學上透明的晶圓上，其中每個該光學透鏡組包括與一殘留層（residual layer）整合成一體的一枚透鏡（lens）；以及 至少一間隔片（spacer），設置在該光學上透明的晶圓上，其中該間隔片設置在兩相鄰的該光學透鏡組之間，其中該間隔片在一非勻相（heterogeneous）黏合劑不存在的情況下，勻相地接合到該光學上透明的晶圓上。
  2. 如請求項1所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，其中該光學上透明的晶圓是一片平坦玻璃。
  3. 如請求項1所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，其中該間隔片由玻璃所製成，而使得該間隔片在該非勻相黏合劑不存在的情況下，得以與該光學上透明的晶圓整合成一體。
  4. 如請求項1所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，其中每個該光學透鏡組包括一延伸肩部（an extending shoulder），並且該延伸肩部不與相鄰的該間隔片的其中一者接觸。
  5. 如請求項1所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，其中每個該光學透鏡組均孤立，使得該間隔片中的其中一者，隔離相鄰的該光學透鏡組中的其中兩者。
  6. 如請求項1所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，更進一步包含： 一片光學上透明的基板，設置在該間隔片上，並與該間隔片直接接觸。
  7. 如請求項6所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，其中該間隔片和該光學上透明的基板都由玻璃所製成，使得該間隔片在該非勻相黏合劑不存在的情況下，得以勻相地接合到該光學上透明的基板上。
  8. 如請求項6所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，更進一步包含： 至少兩枚成像光學透鏡組，設置在該光學上透明的基板上、並分別對應於該至少兩枚光學透鏡組。
  9. 如請求項1所述的晶圓層級勻相接合的光學結構，更進一步包含： 至少兩個底部光學透鏡組，設置在該光學上透明的晶圓上、位於該至少兩枚光學透鏡組下方、並分別對應於該至少兩枚光學透鏡組。
  10. 一種形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，包括： 提供一片光學上透明的晶圓，又有至少兩個光學透鏡組設置在該光學上透明的晶圓上，其中每個該光學透鏡組是孤立的，並且包括與一殘留層整合成一體的一枚透鏡； 提供至少一個與該光學上透明的晶圓直接接觸的間隔片，使得該間隔片設置在兩個相鄰的該光學透鏡組之間，以隔離相鄰的該光學透鏡組中的其中兩者；以及 進行一雷射處理，使得在一非勻相黏合劑不存在的情況下，該間隔片勻相地接合到該光學上透明的晶圓上。
  11. 如請求項10所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中，該光學上透明的晶圓和該間隔片均由玻璃所製成，使得該間隔片得以在該雷射處理後，而在該非勻相黏合劑不存在的情況下，與該光學上透明的晶圓整合成一體。
  12. 如請求項10所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中該雷射處理的最大功率為100W，具有的波長不大於1060nm。
  13. 如請求項10所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中每個該光學透鏡組包括一延伸肩部，並且該延伸肩部不與相鄰的該間隔片的其中一者接觸。
  14. 如請求項10所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，更進一步包含： 提供設置在該間隔片上、並與該間隔片直接接觸的一光學上透明的基板；以及 進行一基板雷射處理，使得該間隔片在該非勻相黏合劑不存在的情況下，得以勻相地接合到該光學上透明的基板上。
  15. 如請求項14所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中，該間隔片和該光學上透明的基板兩者均由玻璃所製成，使得該間隔片在該非勻相黏合劑不存在的情況下，在該基板雷射處理後得以勻相地接合到該光學上透明的基板上。
  16. 如請求項14所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中該基板雷射處理的最大功率為100W，具有的波長不大於1060nm。
  17. 如請求項10所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中，在該光學上透明的基板上設置至少兩枚成像光學透鏡組，並分別對應於該至少兩枚光學透鏡組。
  18. 如請求項10所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中，在該光學上透明的晶圓上設置至少兩個底部光學透鏡組、其位於該至少兩枚光學透鏡組下方、並分別對應於該至少兩枚光學透鏡組。
  19. 一種形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，包括： 提供一片光學上透明的晶圓，又至少有兩個光學透鏡組設置在該光學上透明的晶圓上，其中每個該光學透鏡組是孤立的，並且包括與一殘留層整合成一體的一枚透鏡； 提供一片具有至少一個間隔片的光學上透明的基板； 將該光學上透明的基板與該光學上透明的晶圓結合，使得該光學上透明的晶圓與該間隔片直接接觸，並且該間隔片設置在相鄰的兩個該光學透鏡組之間，以隔離相鄰的兩個該光學透鏡組；以及 進行一雷射處理，使得在一非勻相黏合劑不存在的情況下，該間隔片勻相地接合到該光學上透明的晶圓上。
  20. 如請求項19所述的形成晶圓層級勻相接合的光學結構的方法，其中，該光學上透明的晶圓和該間隔片均由玻璃所製成，使得該間隔片得以在該雷射處理後，而在該非勻相黏合劑不存在的情況下，與該光學上透明的晶圓貼合（attached）在一起。
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