CN113557126B - 制造多个光学元件的方法及其产品 - Google Patents
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Abstract
一种制造多个光学元件(140)的方法，该方法包括:提供第一晶圆(120)，该第一晶圆(120)具有在第一晶圆(120)的第一侧上形成光学元件(140)的硬化复制材料；提供第二晶圆(121)，该第二晶圆(121)具有在第二晶圆(121)的第一侧上形成光学元件(140)的硬化复制材料；在光学元件(140)之间在第一晶圆(120)的第一侧上沉积液滴(180)，使第一晶圆(120)的第一侧与第二晶圆(121)的第一侧对准；以及将两个晶圆(120，121)放在一起，使得第一晶圆(120)的第一侧上的液滴(180)粘附到第二晶圆(121)的第一侧上。
Description
技术领域
本公开涉及液体间隔物对准特征。
背景技术
包括一个或多个光辐射发射器和一个或多个光传感器的光学设备可用于范围广泛的应用，包括例如距离测量、接近感测、手势感测和成像。诸如成像设备和光投影仪的小型光电子模块采用光学装配件，该光学装配件包括沿着设备的光学轴堆叠的透镜或其他光学元件，以实现期望的光学性能。复制光学元件包括用于影响光束的透明衍射和/或折射光学元件。在一些应用中，这种光电模块可以包含在各种消费电子产品的外壳中，诸如移动计算设备、智能电话或其他设备。
发明内容
本公开描述了包括微间隔物的光学和光电装配件，以及用于制造这种装配件的方法。
基板可以是“晶圆”或其他基本元件，其上添加有附加结构，例如具有粘附到其上的硬化复制材料结构，限定多个光学元件的表面，具有一些光刻添加或去除的特征(诸如，孔等)或具有其他结构。基板可以包括任何材料或材料组合。
光学元件可以是影响照射它们的光的任何元件，包括但不限于透镜/准直器、图案生成器、偏转器、反射镜、分束器、用于将辐射分解成其光谱成分的元件等、以及它们的组合。基板一侧上的复制结构和基板两侧上的两个对准的复制光学元件的集合都被称为“光学元件”。
该工具(或“复制工具”)可以包括形成刚性背板的第一硬化材料和形成接触间隔物部分和复制段(replication section)两者的第二较软材料部分(复制部分(replication portion))。通常，接触间隔物部分可以是与工具的形成复制段的部分相同的材料，并且可以仅仅是工具的结构特征(不是添加的元件)。作为替代，接触间隔物部分可以包括附加材料，例如在最外表面上的柔软的和/或粘合剂的涂层。
作为像PDMS那样的低刚度材料的替代，接触间隔物也可以包括粘合剂，例如粘合剂层。将低刚度材料用于工具的整个复制部分对于其制造是有利的，因为不需要单独的步骤来添加接触间隔物或其涂层。整个复制部分可以从也包括接触间隔物部分的母版或副母版中通过复制(模制、压花等)以单个形状来制造。
接触间隔物部分能够操作为在复制期间靠在基板上，在接触间隔物部分和基板之间没有材料。接触间隔物部分可以是连续的，或者可以包括围绕周边的多个离散部分，或者分布在复制表面的周边和/或内部的较大部分上。换句话说，接触间隔物部分可以是允许复制工具靠在基板上的任何构造。例如，接触间隔物部分的分布使得接触间隔物部分位于贯穿工具的质心的每条面内线的两侧。间隔物被布置和配置成使得如果工具位于基板上，则厚度(垂直于基板和工具平面的z方向)由间隔物部分限定。
在一些实施例中，一种制造多个光学元件的方法，该方法包括提供第一晶圆，该第一晶圆在第一晶圆的第一侧上具有形成光学元件的硬化复制材料，提供第二晶圆，该第二晶圆在第二晶圆的第一侧上提供具有形成光学元件的硬化复制材料，在光学元件之间的第一晶圆的第一侧上沉积液滴，将第一晶圆的第一侧与第二晶圆的第一侧对准，并将两个晶圆放在一起，使得第一晶圆的第一侧上的液滴粘附到第二晶圆的第一侧上。
在一些情况下，液滴由可以被硬化的高粘度材料形成。该方法包括硬化液滴。硬化液滴包括用UV辐射来固化液滴。该方法包括在光学元件之间在第二晶圆的第一侧上沉积液滴。液滴由可以被硬化的高粘度材料形成。该方法包括硬化液滴，其中硬化液滴包括用UV辐射来固化液滴。沉积液滴包括调节每个液滴的体积，以在第一晶圆和第二晶圆之间产生期望的分离距离。
在一些实施例中，一种装置包括:第一晶圆，其具有在第一晶圆的第一侧上形成光学元件的硬化复制材料；第二晶圆，其具有在第二晶圆的第一侧上形成光学元件的硬化复制材料；以及连接第一晶圆和第二晶圆的间隔物，其中间隔物被塑形为弯月形。
在一些情况下，通过包括以下各项的过程来形成间隔物：在光学元件之间的第一晶圆的第一侧上沉积液滴、将第一晶圆的第一侧与第二晶圆的第一侧对准、以及将两个晶圆放在一起使得第一晶圆的第一侧上的液滴粘附到第二晶圆的第一侧。液滴由可以被硬化的硬化高粘度材料形成。通过用UV辐射固化液滴来硬化液滴。液滴可以沉积在光学元件之间的第二晶圆的第一侧上。液滴由可以被硬化的高粘度材料形成。通过用UV辐射固化液滴来硬化液滴。沉积液滴包括调节每个液滴的体积，以在第一晶圆和第二晶圆之间产生期望的分离距离。
本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。从说明书和附图以及权利要求中，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见。
附图说明
图1示出了用于复制的示例性横截面工具/基板结构。
图2示出了具有场的复制光学特征。
图3A-3B示出了液体间隔物对准特征。
具体实施方式
图1示意性地示出了贯穿工具101和基板120的横截面。所示实施例中的工具101包括第一材料(例如玻璃)的刚性背板102和第二较软材料(例如PDMS)的复制部分104。复制部分形成包括多个复制段106的复制表面108，每个复制段的表面是要被制造的光学元件的表面形状的(负)副本。复制段106可以是凸的并因此限定凹的光学元件表面，或者是凸的并限定凹的光学元件表面。
复制部分104具有接触间隔物部分112，该接触间隔物部分112被图示为布置在周边。接触间隔物部分112是复制工具101在z方向上伸出最多的结构。接触间隔物部分基本上是平坦的，因此，在复制期间，接触间隔物部分能够操作为靠在基板120上，接触间隔物部分112和基板120之间没有材料。接触间隔物部分112可以例如围绕复制表面108的周边形成环，可以包括围绕外围的多个离散部分，或者可以包括分布在复制表面108的周边和/或内部的较大部分上的多个离散部分。
基板120具有第一侧(例如，基板表面126)和第二侧，并且可以是任何合适的材料，例如玻璃。基板120还具有添加到其上的结构，复制品将对准该结构。该结构可以例如包括在x-y平面中结构化的涂层122，诸如具有孔的屏幕，或者结构化的红外滤光器等。此外，或者作为替代，该结构可以包括另外的特征，例如标记等。此外，或者作为另一种替代，该结构可以包括构成光学元件表面的硬化复制材料结构。
为了复制工具101的复制表面108，复制材料124被施加到基板120或工具101或工具101和基板120两者上。复制材料124的这种施加可以包括将复制材料124的多个部分(每个复制段一个部分)施加到工具101和/或基板120(尽管图中示出了复制材料124的单个部分)。每个部分可以例如通过喷射或喷溅一个或多个液滴，通过例如可以以类似喷墨打印机的方式工作的分配工具来施加。每个部分可以可选地由仅在复制期间相互接触的多个子部分构成。通常，液滴是环氧树脂。
在施加复制材料124之后，基板120和工具101相对于彼此对准。为此，可以使用类似于在所谓的掩模对准器中使用的过程。对准过程可以包括将工具101和/或基板120的至少一个特定特征(优选使用两个特征)分别与基板120或工具101的至少一个特定特征对准，或者与对准设备的参考点对准。适用于此的特征包括结构本身的明确定义的元件(诸如，结构化涂层的确定的角或透镜峰等)，特别添加了对准标记，或者可能还有基本元件等的边缘等。如本领域已知的，对准还包括精确地使工具和基板表面平行，以避免楔形误差；这种平行可以在x-y对准之前进行。
在对准之后，将基板120和工具101放在一起，接触间隔物部分112靠在基板表面上，并且限定(如果存在的话，与浮动间隔物一起)z尺寸，并且还锁定工具防止x-y移动。此后，将基板-工具-装配件从对准台移除并转移到硬化台。
工具的复制部分104或接触间隔物部分112的至少一个表面由具有相对较低刚度的材料制成，从而在“正常”条件下，例如在没有比位于基板上的工具的重力引起的压力更大的压力的情况下，或者在与之相反的情况下，它能够适应微米和/或亚微米尺度的粗糙度，并且因此可以与基板表面形成紧密连接。此外，工具的复制部分或至少接触间隔物部分的表面可以具有相对较低的表面能，以使得这种对微米和/或亚微米尺度的粗糙度的适应是有利的。这种材料的优选示例是聚二甲基硅氧烷PDMS。
先前的复制步骤包括在复制工具101和基础元件已经彼此相向移动且它们之间有复制材料124之后硬化复制材料124，并且随后移除复制工具101。
参考图2，在复制期间，当工具和基板120(例如玻璃)接触时，在喷射过程中施加的过量复制材料或环氧树脂通常溢出感兴趣的区域并形成场(yard)130。如图所示，场130通常是圆形。该圆形场130是由于在复制期间添加的环氧树脂124比每个结构所需的多，导致溢出。附加的环氧树脂124确保特定结构所需的复制材料的完整体积是可用的(因为环氧树脂体积的公差不为零)，并且额外的液体池形成场130。
为了在复制期间控制环氧树脂的流动，在工具101的设计中可以包括场线特征(也称为“场线”、“线特征”或“场线特征”)，以在复制材料124是液体时控制其液体流动。这种特征可以包括在母版制作过程本身中(在激光写入过程中)，或者可以在之后的石模制作过程中添加，其中特征可以被构造成附加的环氧树脂层。本文描述的场线特征可以集成在通过不同技术(EBL、激光写入器等)制造的各种母版中。
在一些情况下，使用多个基板120创建光学元件的堆叠。例如，光学元件或基板中的一个或两个可以是被设计成与特定折射率(例如，空气或真空)、基于聚合物的滤光器(例如，红外吸收剂)、漫射器(例如，漫射箔)等接触操作的介电滤光器或干涉滤光器。光学元件的堆叠包括通过小的空气或真空间隙彼此分开的第一光学元件和第二光学元件。在装配中，第一和第二元件间隔物分别沉积在第二光学元件的任一侧。每个元件间隔物可以具有例如环形或封闭的矩形环形状，其横向围绕空气或真空间隙。因此，第一元件间隔物将第一和第二光学元件彼此分开，并在它们之间建立小的固定距离。第二元件间隔物从第二光学元件的对侧突出，并可用于在第二光学元件和其上安装有子装配件的设备之间建立另一个小的空气或真空间隙。
在形成复制结构时，包括当两层之间存在间隔物时，X、Y和Z精度很重要。例如，可能需要诸如±5um的高精度，这是昂贵且难以实现的。
传统的间隔物，诸如图1所示的接触间隔物部分112，需要与基板上存在的特征有附加的移动空间，以提供对准公差。由于附加的接合线公差，传统的间隔物不利地具有不太精确的基板到基板的距离。这种降低的精度对复制结构的性能和整体尺寸有负面影响。此外，传统的固体间隔物会干扰场结构。
图3A和图3B示出了液体间隔物180的使用，该液体间隔物180可以以液体状态直接施加到基板120上。液体间隔物180由高粘度材料制成。参考图3A，高粘度液体间隔物180材料的网络被分配在基板120上，位于基板120上存在的硬化复制特征140之间的位置。硬化复制特征140可以包括相关的场130。液体间隔物180材料可以连续或不连续地分配。例如，液体间隔物180材料可以被分配为直线或曲线的相交线网格，或者可以被分配为一系列断开的点或线。
然后，具有硬化复制特征140的第二基板121(或夹具)相对于第一基板120定位。液体间隔物180也可以连续或不连续地分配在第二基板121上。液体间隔物180可以分配在第二基板121上，以与分配在第一基板120上的液体间隔物180成镜像，例如，被分配成使得当第一基板120上的液体间隔物180和第二基板上的液体间隔物180接近时，两者接触。或者，可以分配第二基板121上的液体间隔物180，使得其接触第一基板120上没有液体间隔物180沉积的区域。
第一基板120和第二基板120彼此接近。一旦第一基板120和第二基板121彼此足够接近，液体间隔物180就形成如图3B所示的弯月形182。该弯月形182可以由仅沉积在第一基板120上、仅沉积在第二基板121上或者结合地沉积在第一基板120和第二基板121两者上的液体材料形成。一旦弯月形182形成，材料就被固化。固化和凝固的弯月形182将第一基板120和第二基板121的层在Z方向上相对于彼此保持就位。
液体间隔物180的粘度和表面张力是已知的。液体间隔物180和基板120(和/或121)之间的接触角可以预测，液体间隔物180保持图3A中圆形的能力也可以预测。液体间隔物180保持其圆形的时间应该足以允许基板120、121被放在一起。同时，液体间隔物180材料的粘度和表面张力被选择为使得毛细作用允许材料润湿并粘附到两个表面，从而形成弯月形182。通过调节所分配的沉积液体间隔物180材料的体积和高度(例如，1-2mm的高度)，可以将所得凝固的液体间隔物元件的厚度调节至所需值。
根据基板120、121之间所需的最终距离，液体间隔物180迹线可以可选地或附加地施加到第二基板121的表面。在这种情况下，当两个基板120、121对准并放在一起时，每个基板上的液体间隔物180材料合并，且一起流动，以形成图3B所示的弯月形形状182。
这种液体间隔物过程还可以用于向传统堆叠添加支撑结构，以提高在进一步处理(例如，切割)期间的稳定性。
本文描述的液体间隔物有利地减少了维护和储存不同尺寸的不同间隔物材料的需要，因为任何间隔物宽度和高度都可以通过控制液体间隔物180材料的所分配的体积来直接制造。晶圆到晶圆的距离(例如，第一和第二基板120、121之间的距离d1)也可以被调制。这种间隔方法是在堆叠形成期间保持对准就位的更具成本效益的方式。液体间隔物180材料的高粘度允许结合在结合到间隔物中之前存在的硬化复制特征140的一部分，以及在高度受控的掩模对准器/结合器中自适应调谐间隔物高度。
本文描述的复制制造特征有利地能够创建密集封装的布局以及模块或堆叠，其中光学结构和机械(例如，间隔物)或电功能(例如，接合焊盘)相结合。这些功能可用于生成更密集的布局，创建包括眼睛安全功能的包装，通过通风通道生成减少过程步骤的数量，并提高精度。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。
Claims (5)
1.一种制造多个光学元件的方法，该方法包括:
提供第一晶圆，所述第一晶圆具有在所述第一晶圆的第一侧上形成光学元件的硬化复制材料；
提供第二晶圆，所述第二晶圆具有在所述第二晶圆的第一侧上形成光学元件的硬化复制材料；
在所述光学元件之间在所述第一晶圆的第一侧上沉积液滴；
将所述第一晶圆的第一侧与所述第二晶圆的第一侧对准；和
将两个晶圆放在一起，使得在所述第一晶圆的第一侧上的液滴粘附到所述第二晶圆的第一侧上，之后将所述液滴硬化，硬化后的液滴作为间隔物限定所述第一晶圆和所述第二晶圆之间的高度，
其中，所述液滴由能够被硬化的高粘度材料形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，硬化所述液滴包括用UV辐射来固化所述液滴。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述光学元件之间在所述第二晶圆的第一侧上沉积液滴。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，硬化所述液滴包括用UV辐射来固化所述液滴。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，沉积液滴包括调节每个液滴的体积以在所述第一晶圆和所述第二晶圆之间产生期望的分离距离。
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