TWI725048B

TWI725048B - 包含直接附著至基底之間隔件之光學組件

Info

Publication number: TWI725048B
Application number: TW105127583A
Authority: TW
Inventors: 齊權余; 凱華梁; 王季
Original assignee: 新加坡商海特根微光學公司
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2021-04-21
Also published as: KR102589817B1; TW201721207A; CN108076671A; EP3341974A4; US10663698B2; JP2018528468A; CN108076671B; KR20180044949A; JP6964071B2; US20180239116A1; WO2017034483A1; EP3341974B1; EP3341974A1

Abstract

本發明描述可(例如)使用晶圓級程序製作之光學組件。該程序可包含：提供包含一光學晶圓之一晶圓堆疊；且將間隔件直接模製至該光學晶圓之表面上。可(例如)使用一真空注入技術模製該等間隔件，使得其等在無黏合劑之情況下附著至該光學晶圓。

Description

包含直接附著至基底之間隔件之光學組件

本發明係關於包含直接附著至一基板之一間隔件之光學組件，以及用於此等光學組件之製作技術。

諸如成像裝置之小光電模組有時採用包含沿裝置之光學軸堆疊以達成所要效能之透鏡之光學組件。在一些例項中，作為製作程序之一部分，共同對準且結合形成堆疊之晶圓。該等晶圓可(例如)藉由膠水或其他黏合劑附接至彼此。然而，該膠水有時移動至可負面地影響光學效能之區域。

此外，在一些例項中，使用相對較薄之間隔件晶圓來使得堆疊中之各種光學部件彼此分離以使得光學組件與一模組中之其他光電組件分離。使用薄間隔件晶圓可係有利的，因為其幫助減少組件或模組之整體高度。另一方面，可在處理期間發生此等晶圓之形變。此外，間隔件晶圓有時由可吸收水分之一環氧樹脂材料構成。吸收此水分可導致晶圓之相對較大之尺寸變化，此可負面地影響組件之光學效能。

本發明描述包含直接附著至一基板之一間隔件之光學組件以及用於此等光學組件之製作技術。例如，可使用其中同時平行製作諸多組件之晶圓級程序製作光學組件。該程序可包含：提供包含一光學晶圓之一晶圓堆疊；且直接將間隔件模製至光學晶圓之表面上。可(例如)使用一真空注入技術模製間隔件，使得其等在無黏合劑之情況下附著至光學晶圓。

在一項態樣中，例如，製作光學組件之一晶圓級方法包含提供包含彼此堆疊之複數個晶圓之一晶圓堆疊，該複數個晶圓包含一光學晶圓。隨後，將間隔件直接模製至光學晶圓之一表面上，其中該等間隔件在無黏合劑之情況下附著至光學晶圓之表面。

一些實施方案包含以下特徵之一或多者。例如，在一些例項中，由真空注入形成間隔件。該真空注入可包含將環氧樹脂注入由一真空注入工具界定之空間內。在一些情況中，在真空注入期間，一些環氧樹脂沿晶圓堆疊中之各自晶圓之圓周安置且亦可沿光學晶圓周邊之表面及/或沿相對於光學晶圓之一端之晶圓堆疊之一端處之晶圓堆疊之一表面安置。

另一態樣描述包含藉由具有一開口之一第一間隔件彼此分離之第一基板及第二基板之一光學組件，其中該等基板對一特定波長或波長之範圍透明。該光學組件可包含基板之至少一者上之一光束塑形元件。該組件進一步包含直接附接至該第二基板之一表面之一第二間隔件，使得該第一間隔件及該第二間隔件位於該第二基板之一對置側上且該第二間隔件在無黏合劑之情況下附著至該第二基板之表面。第一基板及第二基板與第一間隔及第二間隔之外部橫向尺寸可彼此相同。

在一些例項中，第二間隔件模製至該第二基板之表面上且包括一環氧樹脂材料(例如，一真空注入環氧樹脂)。該第一基板及該第二基板可(例如)由選自由玻璃、聚合物組成之一群組之一材料構成。在一些情況中，一各自光束塑形元件設置於第一基板及第二基板之各者上。

一些實施方案提供以下優勢之一或多者。例如，由於無需黏合劑將模製間隔件附著至光學晶圓，所以晶圓級程序可幫助減輕原本若使用膠水或其他黏合劑將發生之問題(例如，膠水移動至晶圓堆疊之敏感區域；將水分吸收至間隔件晶圓內)。此外，在一些實施方案中，將間隔件直接模製至光學晶圓上可減少錯位及/或處理形變。

以下更詳細地描述各種實例。將易於自以下詳細描述、隨附圖式及技術方案中明白其他態樣、特徵及優勢。

20:光學組件

22A:第一透明基板

22B:第二透明基板

24:第一間隔件

26:透鏡或其他光束塑形元件

28:第二間隔件

29:開口

30A:第一表面

30B:第二對置表面

32:開口

34:邊界

120:晶圓堆疊

122A:第一光學晶圓

122B:第二光學晶圓

124:間隔件晶圓

202:真空密封晶圓座

204:真空注入工具

206:環形密封板

208:區域

210:真空泵浦

212:出口

214:入口

219:間隔件

220:環氧樹脂

224:光學元件複製區段

圖1繪示一光學組件之一實例。

圖2繪示包含至少一光學晶圓之一晶圓堆疊之一實例。

圖3係繪示製作光學組件之一實例性晶圓級程序之一流程圖。

圖4A繪示一真空注入工具中之一晶圓堆疊之一實例。

圖4B、圖4C及圖4D繪示真空注入工具中之晶圓堆疊之進一步實例。

圖5繪示在光學晶圓上形成間隔件期間之真空注入工具中之晶圓堆疊。

圖6繪示在從真空注入工具移除之後之晶圓堆疊之一實例。

圖7繪示一真空注入工具中之一晶圓堆疊之另一實例。

圖1繪示包含藉由一第一間隔件24附接至彼此以形成一堆疊之第一透明基板22A及第二透明基板22B之一光學組件20之一實例。基板22A、22B可由(例如)玻璃或聚合物構成。在一些情況中，基板22A、22B之一者或兩者可在其等(若干)表面上包含一或多個光學濾波器以僅允許一特定波長或波長之範圍之光(例如，紅外光或可見光)穿過組件20。

透明基板22A、22B之一或多者可包含其等表面之一者或兩者上之至少一透鏡或其他光束塑形元件26。儘管繪示之實例展示透明基板22A、22B之各者上之至少一透鏡26，但在一些情況中，透鏡或其他光束塑形元件可僅呈現於透明基板之一者上且可呈現於一給定基板之一側或兩側上。在一些情況中，僅基板22A、22B之一者可在其表面上具有一透鏡。

第一間隔件24使得透明基板22A、22B彼此分離且可具有(例如)一環形或一矩形形狀，其中一開口29位於中間以橫向環繞透鏡26。透明基板22A、22B可(例如)藉由膠水或其他黏合劑附接至第一間隔件24之對置端。

如以上所描述，第一間隔件24附接至第二基板22B之一第一表面30A。另外，一第二間隔件28可設置於第二基板22B之一第二對置表面30B上。如第一間隔件24，第二間隔件28可具有(例如)一環形或一矩形形狀，其中一開口32位於中間。在一些情況中，光學組件20可定位於(例如)一光發射或光偵測元件(例如，一LED、一OLED、一雷射晶片、一VCSEL、一光電二極體、一影像感測器)安裝於其上之一印刷電路板(PCB)上。在此等實施方案中，第二間隔件28可確保光發射或偵測表面與組件中之光學元件之間之一明確距離。基板22A、22B及間隔件24、28之外部橫向尺寸(即，沿圖1中之X及Z軸)可實質上係彼此相等的。

在一些實施方案中，第一間隔件24由一聚合物材料構成，例如，一可硬化(例如，可固化)聚合物材料，諸如實質上對受關注之(若干)波長不透明之一環氧樹脂。在一些情況中，間隔件24、28之一者或兩者係一熱固性聚合物材料、一UV固化聚合物材料或一可見光固化聚合物材料，且進一步包含一或多種顏料、無機填充劑及/或染料，使得間隔件對於關於光學組件20所欲使用之特定波長或波長範圍之光實質上非透明(即，不透明)。第二間隔件28可由一真空注入環氧樹脂或其他聚合物構成。

但是，第一間隔件24可藉由一黏合劑附接至基板22A、22B，第二間隔件28直接模製至第二基板22B之表面30B上。如以下更詳細描述，可使用一真空注入模製程序來形成第二間隔件28。此一技術允許第二間隔件28設置於第二基板22B上且在不使用膠水或其他黏合劑之情況下固定至第二基板22B。因此，儘管間隔件28可由不同於透明基板22B之材料之一材料構成，但在間隔件28及基板22B會合之邊界34處不存在膠水或其他黏合劑。

如組件20之光學組件可在一晶圓級程序中製作，此允許同時製作多個組件。一般而言，一晶圓係指一實質上似碟或板形狀之品項，其沿一個方向(y方向或垂直方向)之延伸相對於其沿其他兩個方向(x及z或橫向方向)之延伸係小的。在一些實施方案中，晶圓之直徑在5cm與40cm之間，且可(例如)在10cm與31cm之間。該晶圓可為具有(例如)2吋、4吋、6吋、8吋或12吋之一直徑之圓柱，1吋為大約2.54cm。在一晶圓級程序之一些實施方案中，可存在於各橫向方向中至少十個模組之佈建，且在一些情況中，存在於各橫向方向中至少三十個或甚至五十或更多模組之佈建。

在一晶圓級程序之一實例中，一第一光學晶圓122A及一第二光學晶圓122B藉由黏合劑(例如，膠水)附接至具有開口29之一間隔件晶圓124，如圖2中所展示。可(例如)藉由一網版印刷或其他適合技術沈積該膠水。該黏合劑可(例如)為一熱可固化及/或UV可固化環氧樹脂。接著，共同對準及結合光學晶圓122A、122B及間隔件晶圓124。結果係如(例如)圖2中繪示之一晶圓堆疊120。

間隔件晶圓124可(例如)由在一些情況中可含有碳黑(或其他暗顏料)或一無機填充劑或一染料以達成所要光學性質之一UV或熱固性環氧樹脂 (或其他聚合物)構成。各種聚合物材料(例如，環氧樹脂、丙烯酸酯、聚胺基甲酸酯或矽材料)可用作為間隔件晶圓124之基底材料。

第一光學晶圓122A及第二光學晶圓122B可由一透明材料構成，諸如玻璃或聚合物材料。在圖2之實例中，光學晶圓122A、122B之各者在其表面上包含多個光束塑形元件(例如，透鏡)26。透鏡26可(例如)藉由一複製程序形成於光學晶圓122A、122B上，該複製程序係指藉助於複製一給定結構或該給定結構之一相反結構之一技術，例如，蝕刻、浮凸、模製或真空注入。在一複製程序之一特定實例中，一結構化表面浮凸於一液體、黏性或塑性變形材料內，接著，該材料(例如)藉由使用紫外線輻射或加熱固化而經硬化，且接著移除該結構化表面。因此，獲得結構化表面之一複製(在此情況中係一反向複製)。用於複製之適合材料係(例如)可硬化(例如，可固化)聚合物材料或其他複製材料，即，在一可硬化或凝固步驟(例如，一固化步驟)中自一液體、黏性或塑性變形狀態轉變為一固態之材料。

在於第二光學晶圓122B上形成真空注入模製間隔件之前，可相對於第二光學晶圓122B之背部表面執行表面準備(見圖3之50)。例如，光學晶圓122B之背部表面可經清理以改良其之附著性質。在一些例項中，表面準備可包含改變光學晶圓表面之潤濕性或其他特性。因此，在一些情況中，第二光學晶圓122B之背部(即，相對於在其上形成複製之透鏡26之表面之光學晶圓122B之表面)經受O₂電漿。

接著，如圖4A中所展示，晶圓堆疊120放置於一平坦PDMS真空密封晶圓座202上，使得第一光學晶圓122A之背部與真空密封晶圓座接觸(亦見圖3之52)。因此，相對於在其上形成複製之透鏡26之表面之光學晶圓122A之表面支撐於真空密封晶圓座202上。接著，一真空注入工具204與第二光學晶圓122B之背部表面接觸(圖3之54)。真空注入工具204包含界定待形成於第二光學晶圓122B之背部上之第二間隔件之形狀及位置之區域208。區域208可形成經配置以對應於由間隔件晶圓124界定之間隔件之節距之一柵格或間隔件之陣列。在一些情況中，一環形密封板206安置於真空密封晶圓座202與真空注入工具204之間。真空注入工具204與晶圓堆疊120對準，使得第二間隔件28之區域208定位於與間隔件晶圓124之對應部分一致之位置(亦見圖3之56)。為了此目的，工具204及/或光學晶圓122B可包含對準標記。

一真空泵浦210可設置於靠近真空密封晶圓座202之出口212處以促進注入材料(例如，SO₄或其他環氧樹脂)流動經由入口214至第二間隔件之區域208內(圖3之58)。一旦注入之環氧樹脂材料填充真空注入工具204之區域208，則環氧樹脂可(例如)藉由UV及/或熱固化經固化(即，可硬化)(圖3之60)。在一些例項中，用於固化之UV輻射可自真空注入工具側入射，在此情況中，需要工具204對UV輻射透明。結果係在第二光學晶圓122B之背部上包含間隔件28之一晶圓堆疊。因此，該程序導致直接模製至第二光學晶圓122B之表面之間隔件28。由於在處理之此階段中無需黏合劑，所以該程序可幫助減輕原本若使用膠水或其他黏合劑時將發生之問題(例如，膠水移動至晶圓堆疊之敏感區域；將水分吸收至間隔件晶圓內)。在一些實施方案中，直接將間隔件28模製至光學晶圓122B上可減少錯位及/或處理失準。

此外，在一些情況中，一些環氧樹脂220可注入至在晶圓堆疊120之圓周處之間隔件219內(見圖4A及圖5)。一旦環氧樹脂經固化，則環繞堆疊120之圓周之間隔件219中之環氧樹脂220幫助共同固持晶圓122A、124、122B且幫助使得該晶圓堆疊更堅固(見圖5)。因此，真空注入模製環氧樹脂220 可幫助防止在晶圓堆疊中發生錯位或其他失準。在一些情況中，工具204可經塑形使得一些注入之環氧樹脂220呈現於靠近其第二光學晶圓122B之周邊之上(即，工具側)表面上。如圖5之實例中所展示，此導致環氧樹脂圍繞堆疊120之圓周之可更佳地共同固持堆疊之一鉤子形狀。同樣地，在一些情況中，真空密封晶圓座202可經塑形使得一些注入之環氧樹脂220呈現於第一光學晶圓122A之較低(即，密封晶圓座側)表面上。藉由提供圍繞晶圓堆疊120之圓周且亦位於靠近光學晶圓122A、122B兩者之各自周邊之外部表面上之環氧樹脂220，環氧樹脂220可充當夾鉗以將晶圓共同固持於堆疊120中且幫助防止錯位或其他失準。在以上實施方案中，幫助共同固持晶圓堆疊120之環氧樹脂220直接模製至堆疊中之晶圓122A、124、122B。

在一些實施方案中，例如，如圖4A及圖5中所展示，光學晶圓122A、122B及間隔件晶圓124之外部橫向尺寸實質上可彼此相同。然而在其他實施方案中，如圖4B之實例中所展示，光學晶圓122A、122B之外部橫向尺寸可延伸超出間隔件晶圓124之外部橫向尺寸。在一些情況中，如圖4C中所繪示，僅光學晶圓之一者(例如，光學晶圓122B)之外部橫向尺寸可延伸超出其他光學晶圓以及間隔件晶圓124之外部橫向尺寸。此外，在一些例項中，如圖4D中所展示，光學晶圓122A、122B兩者之外部橫向尺寸可延伸超出間隔件晶圓124之外部橫向尺寸且超出真空密封晶圓座202之外部橫向尺寸。在以上實例之各者中，環氧樹脂不僅可設置於晶圓堆疊中之晶圓122A、122B、124之圓周上，亦可呈現於靠近光學晶圓122A、122B之各自周邊之一或多個表面上以更佳地共同固持堆疊。

固化環氧樹脂之後，在將晶圓堆疊自真空注入工具移除之前可允許經過一冷卻及/或環氧樹脂成型階段(圖3之62)。圖6繪示在自真空注入工具移除之後之晶圓堆疊(包含模製間隔件28)之一實例。在將晶圓堆疊自工具移除之後，該堆疊分離(例如，藉由切塊)為多個光學組件(圖3之64)。各光學組件可包含如圖1之實例中之一單一光學通道或可包含多個光學通道，諸如配置成並行之通道之一陣列。

在一些實施方案中，真空注入工具可經修改以促進被動光學元件形成於與間隔件28相同之第二光學晶圓122B之表面上。此被動光學元件可(例如)藉由折射及/或繞射及/或反射再引導光且可包含(例如)一或多個透鏡或棱鏡，且可藉由一複製技術形成。圖7繪示此一工具204A之一實例，此可用於直接在一光學晶圓(一晶圓堆疊120之一部分)上形成間隔件以及被動光學元件。

如圖7中所展示，工具204A係包含光學元件複製區段224以用於形成光學元件(例如，透鏡)之一組合複製及真空注入工具。在使得工具204A與光學晶圓122B之表面接觸之前，複製材料設置於工具204A之光學元件複製區段224上。該複製材料應能夠自一液體或塑性變形狀態變為一固態。該複製材料之一實例係可經倒入或分配至複製工具204A之光學元件複製區段224內之一UV或熱可固化透明環氧樹脂。堆疊120中之光學晶圓122B與工具204A之間隔件複製區段224接觸，此使得複製材料按壓於界定光學元件複製區段224之區域與光學晶圓122B之表面之間。複製光學元件藉此浮凸於直接附著至光學晶圓122B之表面之複製材料上。接著，間隔件可藉由將環氧樹脂真空注入空間208內而直接形成於光學晶圓122B之相同表面上，如以上結合圖4及圖5所描述。

可在本發明之精神範圍內做各種修改。因此，其他實施方案係在申請專利範圍之範疇內。

20‧‧‧光學組件

22A‧‧‧第一透明基板

22B‧‧‧第二透明基板

24‧‧‧第一間隔件

26‧‧‧透鏡或其他光束塑形元件

28‧‧‧第二間隔件

29‧‧‧開口

30A‧‧‧第一表面

30B‧‧‧第二對置表面

32‧‧‧開口

34‧‧‧邊界

Claims

一種製作光學組件之晶圓級方法，該方法包括：提供包含彼此堆疊之複數個晶圓之一晶圓堆疊，該複數個晶圓包含一光學晶圓；且隨後，將間隔件直接模製至該光學晶圓之一表面上，其中該等間隔件附著至該光學晶圓之該表面；且藉由真空注入形成該等間隔件，其中該真空注入包含將環氧樹脂注入至由一真空注入工具界定之空間內，及其中在該真空注入期間，一些該等環氧樹脂圍繞且環繞該所提供之晶圓堆疊中之該等各自晶圓之圓周而安置。
如請求項1之方法，其中在該真空注入期間，一些該等環氧樹脂沿該光學晶圓之周邊處之該表面安置，且一些該等環氧樹脂沿相對於該光學晶圓之表面之該晶圓堆疊之一端處之該晶圓堆疊之一表面安置。
一種光學組件，其包括：第一基板及第二基板，其等藉由具有一開口之一第一間隔件彼此分離，其中該等基板對一特定波長或波長之範圍透明，其中該第一基板及該第二基板形成一堆疊，及其中將環氧樹脂注入在該堆疊之圓周處之空間內；一光束塑形元件，其位於該等基板之至少一者上；且一第二間隔件，其直接附接至該第二基板之一表面，使得該第一間隔件及該第二間隔件位於該第二基板之對置側上，其中該第二間隔件附著至該第二基板之該表面，其中該第二間隔件模製至該第二基板之該表面上及包括一真空注入之環氧樹脂，該真空注入之環氧樹脂沿著且環繞該晶圓堆疊之圓周而安置；其中該第一基板及該第二基板與該第一間隔件及該第二間隔件之外部橫向尺寸彼此相同。
如請求項3之光學組件，其中該第一基板及該第二基板由選自由玻璃、聚合物組成之一群組之一材料構成。
如請求項3之光學組件，其在該第一基板及該第二基板之各者上包含一各自光束塑形元件。