JP5580207B2 - ウェハ・スケール・パッケージおよびその製作方法、ならびに光学デバイスおよびその製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハスケールで良好に画定された空間配置において２以上の屈折レンズおよび／または回折レンズ等の光学素子を備える集積光学デバイスを、複製プロセスを用いて製造する分野に属する。かかる集積光学デバイスとは、たとえば、カメラデバイス、カメラデバイスの光学系、またはフラッシュライト用、特にカメラ付携帯電話用の平行光学系である。より具体的には、本発明は、軸方向に積み重ねられ、かつ複数の複製された光学素子を有する２以上の基板（ウェハ）を含むウェハ・スケール・パッケージに関する。本発明はさらに、２以上の複製された光学素子と、任意で電気光学部品も備える、カメラまたはカメラ用平行光学系等の光学デバイスに関し、かかるウェハ・スケール・パッケージの製作方法に関し、さらに複数の光学素子の製造方法に関する。

エンボスまたは成形等の複製技術による光学素子の製造が公知である。コスト効率のよい大量生産の点で特に関心を集めているのは、レンズ等の光学素子のアレイを、複製によってディスク状の構造（ウェハ）上に作製するウェハスケール製造プロセスである。ほとんどの場合、光学素子が取り付けられた２以上のウェハは、積み重ねられてウェハ・スケール・パッケージを形成し、該ウェハ・スケール・パッケージにおいては、異なる基板に取り付けられた光学素子が整列されている。複製に続いて、このウェハ構造を、個々の光学デバイスに分離することができる（ダイシング）。

複製技術には、射出成形、熱間ローラエンボス、フラットベッド熱間エンボス、ＵＶエンボスなどがある。例として、ＵＶエンボスプロセスにおいては、マスタ構造（ｍａｓｔｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の表面形状を複製して、基板の上部に、紫外線硬化型エポキシ樹脂等の紫外線硬化型複製材料の薄膜を形成する。複製された表面形状は、屈折性または回折性の光学的に有効な構造またはこれら両方の組み合わせとなり得る。複製のためには、製造される光学構造のネガコピーである複数の複製区分を担持する複製ツールを、たとえばマスタから作成する。次いで、該ツールを、エポキシ樹脂のＵＶエンボスに使用する。マスタは、溶融シリカまたはシリコンをリトグラフの方法で作製した構造、レーザまたは電子ビームで書き込んだ構造、ダイヤモンド旋盤による構造、またはその他の種類の構造であり得る。マスタは、（スーパー）マスタから複製によって複数段階生成プロセスを経て製作されたサブマスタであってもよい。

本文において用いられる意味でのウェハまたは基板とは、寸法的に安定した、多くの場合透明材料のディスク状または矩形の板材またはその他の形状の板材である。ウェハディスクの直径は、通常５ｃｍから４０ｃｍの間であり、たとえば１０ｃｍから３１ｃｍの間である。多くの場合、２、４、６、８または１２インチ（１インチは約２．５４ｃｍ）のいずれかの直径の円柱状である。ウェハ厚さは、たとえば０．２ｍｍから１０ｍｍの間であり、通常０．４ｍｍから６ｍｍの間である。

光がウェハを通って進む必要がある場合には、ウェハは少なくとも部分的に透明である。あるいは、ウェハは非透明でもあり得る。さらに、電気光学部品を担持したウェハでもあり得、たとえばシリコン系、またはＧａＡｓ系、または他の半導体系のウェハなどである。たとえばＣＭＯＳウェハまたはＣＣＤアレイもしくは位置敏感型検出器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ）のアレイを搭載したウェハ、ＬＥＤまたはＶＥＣＳＥＬ等の光源を搭載したウェハであってよい。

ウェハスケール複製により、片面または両面ＵＶエンボスプロセス等の単一の工程で、数百の略同一のデバイスの作製が可能である。後続のウェハの分離（ダイシング）工程により、個々の光学デバイスが生産される。

集積光学デバイスは、少なくとも１つが光学素子である複数の機能的素子を含み、それらは光の一般的な伝播方向に沿って積み重ねられる。これにより、デバイスを通って進む光が、複数の素子を順次通過する。これらの機能的素子は、互いに（集積デバイス）に対して所定の空間関係に配置されて、相互にさらに整列させる必要がなくなり、したがってこのような光学デバイスを他のシステムと整列させるだけでよくなる。

かかる光学デバイスは、ウェハ上に良好に画定された空間配置において機能的（たとえば光学的）素子を備えるウェハを積み重ねることにより製造できる。かかるウェハ・スケール・パッケージ（ウェハスタック）は、最小のウェハ寸法の方向（軸方向）に相当する軸沿いに積み重ねられ互いに結合された、少なくとも２つのウェハを含む。これらのウェハの少なくとも１つは、複製された光学素子を担持し、他のものは、電気光学素子等の光学素子または他の機能的素子を含むか、あるいはそれらを受容することが意図される。よって、ウェハスタックは、略同一の並置された複数の集積光学デバイスを含む。異なるウェハ上のみならず同一のウェハ内で光学／機能的素子を精確に位置決めすることは、個々の集積デバイスの性能にとって必須である。そして、後続のスタックのダイシングにより、個々の集積光学デバイスが生産される。

ＵＳ２００３／００１０４３１またはＷＯ２００４／０２７８８０に開示されるような複数の分離されたスペーサまたは相互接続されたスペーサマトリクス等のスペーサ手段により、ウェハを互いから離間でき、光学素子も、他のウェハに面するウェハ表面上の複数のウェハ間に配置できる。

現在公知のウェハ・スケール・パッケージは概して、両方の主面上に光学素子が配置された２以上の基板を含む。かかる基板も両面ウェハ／基板と指定される。光学素子は、たとえば凸状または凹状の構造であり、各々従来の屈折性（ハーフ）レンズを形成する。光学的設計目的で、ウェハの両側のかかる構造／ハーフレンズの各対を、たとえば２つの凸状／凹状表面を持つ単一の従来のレンズとして扱うことができる。概して、所与の性能要件を満たそうとする場合、その目的は、レンズ数を減らすことにより可能なかぎり光学設計を単純に保ち、かつ基板数を減らすことにより可能なかぎり製造を単純で価格的に好ましく保つことである。したがって、実際に集積デバイスにおいて採用される設計はすべて両面ウェハを用いており、空きの表面は一般的に回避される。

従来技術によるかかるパッケージから製造された光学デバイス１の例を図７に示す。光学デバイス１は、２つの（両面）基板部分２，３を含み、各々両側に光学素子４を有する。光学素子４の各対４’は、単一の従来の凸レンズとして機能する。基板部分２，３は、軸方向Ｚに積み重ねられ、スペーサ手段５によって離間される。完成品のスタックは、ＣＭＯＳウェハ等のさらなる基板６の上部に載置される。スタックの底部に配置され、さらなる基板６に面している光学素子４の機械的損傷を防ぎ、かつ該スタックのさらなる基板６への取り付けを可能とするために、さらなるスペーサ手段７が底部基板３とさらなる基板６との間に配置される。

かかるパッケージまたはデバイスの製造または取り扱いの際には、下記の問題が生じる。

パッケージ端面上の自由に手が届く光学素子は、埃または接着剤によって、特にダイシング工程の際および／またはカメラまたはフラッシュライトまたは他の（光）電部品のようなさらなる部品をウェハ・スケール・パッケージまたは個々の光学デバイスに取り付ける場合に、損傷や汚染を被りやすい。したがって、保護フードまたは被覆プレートまたは図７に関して記述されたような追加のスペーサ手段が必要になり得る。かかるフードまたは被覆プレートまたはスペーサにより、モジュールの設計がより複雑で高コストになる。特に、フードはデバイスの光学特性に悪影響を与えるおそれもある。

別の問題が、複製工程における両面ウェハの製造に結びつく。両主面上の光学構造を持つ両面基板において、両側の光学構造を互いに対して精確に整列させる必要がある。したがって、複製ツールに対して、基板を、一表面上に構造を複製する第１の工程と、該構造を第２の表面上に複製する第２の工程の二度にわたって、精確に整列させなければならない。第２の工程における整列は、他の表面上に既に存在する構造のために、特に困難である。

さらなる問題は、所定の厚さを持たせることにより基板を複製中に確実に安定させる必要があるということである。特に、第２の表面上に複製を行う場合に、第１の表面上にある構造のために、基板をその全域にわたって支持することができない。

本設計に関しては、さらなる制限がある。上述のように、両面基板上の光学構造は、単一の（両面）レンズとみなすことができる。このレンズの光学パラメータは、基板の厚さに影響され、この厚さは一般的に変更できない。さらに、共通のパッケージまたはデバイスの開口絞りがあるとすれば、普通は一方のレンズの平面と一致する。これは、設計の可能性に制限を課し、デバイス内に迷光を不要に集光することにもつながる。

発明の概要
したがって、本発明の目的は、上述の問題を克服し、同じ機能性を有する公知のパッケージまたはデバイスよりも製造が簡単なウェハ・スケール・パッケージおよび光学デバイスを提供することである。本発明のさらなる目的は、すべての光学素子を損傷や汚染から確実に保護するウェハ・スケール・パッケージおよび光学デバイスを提供することである。本発明のさらなる目的は、より製造が簡単で、設計の自由度がより大きいウェハ・スケール・パッケージおよび光学デバイスを提供することである。

これらおよび他の目的は、請求項１に記載の特徴を有するウェハ・スケール・パッケージと、請求項１１に記載の特徴を有する光学デバイスと、請求項１６に記載の特徴を備えるウェハ・スケール・パッケージの製作方法と、請求項２３に記載の、上記パッケージから複数の光学デバイスを製作する方法によって達成される。好ましい実施形態が従属項に記載され、説明が図に示される。

本発明によるウェハ・スケール・パッケージは、少なくとも２つの外側基板と、任意で、軸方向に（基板の主表面に直交して）積み重ねられる１以上の中間基板と、を備える。複数の好ましくは閉鎖された空洞部が、基板の間に配置される。２つの基板の場合、１つの空洞部の層または群があり、ｎ枚の基板の場合、概してｎ−１以下の空洞部の群または層がある。従来の凹／凸レンズまたは回折／屈折微小構造などの複製された光学素子が、基板の内側表面に取り付けられ、空洞部内に配置される。パッケージの隣り合う基板の少なくとも１対が、互いに対向する表面の各々の上に光学素子を有する。すなわち、この基板の対の間に位置する各空洞部は、２つの光学素子を備える。好ましくは、これらの光学素子は、軸方向に整列される。

ウェハスタックの最小のものは、２つの片面基板、すなわち一方の主面上のみに複製された光学素子を持つ基板からなる。基板は、光学素子が互いに対向するように配置され、これらの間の距離はスペーサ手段によって画定され、該スペーサ手段は、別個の要素であってもよく、あるいは基板の一方または両方と一体的な部分であってもよい。基板の外側表面、すなわちパッケージ／スタックの端面は、複製された光学素子を含まない。通常、この場合も少なくとも１つの中間基板があり、これもスペーサによって分離されている。この中間基板は、好ましくは両面である、すなわち両表面上に光学素子を備えるが、これに限られない。上部基板は通常、内側表面上に光学素子を持つ透明ウェハである。底部基板は透明基板であって、光学素子があってもなくてもよく、あるいは電気光学部品、特に撮像素子（カメラ、ＣＣＤ、位置敏感型検出器）または光源（ＬＥＤまたはＶＥＣＳＥＬ等）のアレイを搭載する基板であってよい。この目的で、シリコン系またはＧａＡｓ系または他の半導体系（たとえばＣＭＯＳ）ウェハを用いることができる。

本発明によれば、外側基板の外側表面、すなわちパッケージおよび光学デバイスの端面は、複製された光学素子を含まない。よって、複製された光学素子が外部に露出されない。すべての光学素子は、軸方向視において、外側基板の外側表面の間に配置される。ウェハスタックの端面は、概して構造化されておらず、平坦である。しかし、端面は、略平坦な表面を変更することのない絞りおよび／または整列の印を含んでよい。端面は、赤外線遮断フィルタまたは反射防止コーティング等のコーティングを含んでもよい。かかる要素は、複製後ののちの段階において付されてよく、これにて積み重ね作業が完了する。

本発明は、序文で論じた技術水準設計とはまったく異なる手法を用いる。
本発明によれば、伝統的な設計のレンズ−透明基板（両面基板）の両表面上の光学構造によって形成される両面レンズ−は、一表面のみに光学構造を持ち、他方は平坦な表面である２つの基板を有することにより、２つの「半分の部分」に分割される。よって、１つの両面基板の代わりに２つの片面基板が存在し、「半分の部分」の順番が逆転される。このことは、２つの「半分の部分」の個々の厚さとともに、それらの距離も個々に選択できることを意味し、設計の自由度を新たに拡大する。光学素子は、両面レンズと同じ光学性能が達せられるように賦形および配置される。光学素子の形状、厚さ、および距離に関して制限がないので、さらに性能が向上する。この分割は概して、軸方向視において最も外側のレンズに関係する。中間基板は、存在する場合には、両面であってよい。

本発明により、特に集積光学デバイスにおいて、最も外側の表面、すなわち能動（たとえばＣＭＯＳ）デバイスから最も離れた表面上にレンズが存在しなくなる。これは、なるべく多くの両面基板を用いることによりウェハの総数を最小化する従来技術とは対照的である。ここで、たとえばスタックの底部基板がＣＭＯＳウェハの場合、外側基板は片面であるか、または光学素子をまったく含まない。すなわち、技術水準とは対照的に、本発明は、技術水準によれば最良の性能を達成するには必須であると考えられていた、最も外側の層における特別に賦形された屈折性（またはおそらくは回折性）の表面をなくしている。このことは、軸方向視において、システムの構造化されていない端面の間にすべての光学素子が配置されるという利点を有する。よって、これらは製造および取り扱いの際の損傷や汚染から保護される。平坦な端面により、製造や取り扱いとともに、パッケージの光学設計も簡略化される。しかしながら、追加の空間／追加の素子はそれほど多く必要ではない。たとえば、技術水準による解決策とは異なり、アセンブリの最下部の素子および最上部の素子の両方ともが、平たい表面を有し、他の部分の表面に対して直接載置されるように組み立てられてよい。したがって、追加の外部スペーサが必要なくなり、場合によっては省スペース、省部品の解決策が可能である。後者は特に（さらに）、異なる場所に受動光学部品および能動光学部品が製造される場合に適する。というのは、受動光学部品のみのスタックが、最も外側のレンズを含まないからであり、高度なパッケージングの保護材無しで出荷できるからである（保護材はウェハ・スケール・パッケージおよび個々の光学デバイスにつきものの特性である）。それにもかかわらず、最終のアセンブリにおいて、従来技術によるアセンブリよりも場所をとらない。

概して、本発明のウェハ・スケール・パッケージは、複製された光学素子の良好に画定された空間配置を確実に実現し、半導体基板をパッケージに集積する方法を用いて、任意で、さらなる電気光学部品の良好に画定された空間配置をも実現する。また、非常に小さい寸法かつ低コストで、複数の同一光学デバイスの同時製作を確実に実現する。すべての光学素子は製造および取り扱いの際に、特にパッケージを個々の光学デバイスにダイシングする工程において、良好に保護される。

これらおよび他の利点を、以下に詳細に説明する。
好ましくは、空洞部は閉鎖されて、すべての光学素子が完全に基板および／またはスペーサ手段によって横方向においても封止される。これは、スペーサ手段または、連続的な基板における貫通孔のような適切な形状を有する凹部により達成できる。

空洞部は、ＵＳ２００３／００１０４３１またはＷＯ２００４／０２７８８０に開示されるような複数の分離されたスペーサまたは相互接続されたスペーサマトリクスなどのスペーサ手段を介して２つの隣接する基板を連結することにより、かつ／または複数の凹部を持つ１以上のあらかじめ賦形された基板を用いることにより、形成される。

クレームされる光学デバイスは、上述のウェハ・スケール・パッケージをダイシングすることにより製造されてよい。したがって、大量生産に適する。軸方向に積み重ねられた少なくとも２つの外側基板部分を含み、該基板部分の間には、少なくとも１つの好ましくは閉鎖された空洞部がある。この空洞部は、上述のように、たとえばスペーサ手段またはあらかじめ賦形された基板によって形成される。デバイスは、少なくとも１つの空洞部内に配置された２つの光学素子をさらに備える。光学デバイスは、外側基板部分の外側表面によって構成される２つの実質的に平坦な端面を含む。よって、すべての光学素子が良好に保護される。

好ましい実施形態において、光学デバイスは、３以上の基板を備えるウェハ・スケール・パッケージから作られ、したがって、外側基板部分の間に配置された少なくとも１つの中間基板部分と、中間基板部分によって互いから離間され、好ましくは軸方向に整列された２以上の空洞部を含む。中間基板部分は、好ましくは両面である、すなわち光学素子を両面に有する一方、外側基板部分は片面である。底部基板は、撮像デバイスまたは光源のような電気光学部品を内側表面上に備える基板であってよい。これらの部品も好ましくは閉鎖された空洞部内に配置され、これにより良好に保護される。たとえば、光学デバイスは、低コストで大量生産できる、たとえば携帯電話用の集積光学系を持つカメラであってよい。

ウェハ・スケール・パッケージの製作方法は、少なくとも２つの基板を準備するステップと、複数の光学素子を複製技術によって前記少なくとも２つの基板に設けるステップと、軸方向に該少なくとも２つの基板を積み重ねるステップと、該少なくとも２つの基板を連結して、光学素子を封鎖する空洞部を形成するステップと、を含み、該パッケージの端面は、実質的に平坦であり、該パッケージの外側基板の外側表面によって構成される。

特にカメラの光学素子を製作する方法は、ウェハ・スケール・パッケージを製作する方法のステップを含み、軸方向に延びる平面沿いに該パッケージをダイシングして、該パッケージを個々の光学素子に分離するステップをさらに含む。好ましくは、ダイシングはスペーサ手段を通る平面沿いに行われ、個々のデバイスにおける空洞部は閉鎖された状態を維持し、空洞部内に配置された光学素子は完全に封止されるようにする。

本発明は以下の利点を有する。
光学設計：
−上述のように、現在のスタックでは、開口絞りは常にレンズのうちの１つを持つ同じ平面内にある。本発明による封止ウェハスタックは、２つの「フリーの」端面を有し、これにより、絞りも、たとえば平たい端面の一方のような異なる平面内に存在することができる。このことは設計のさらなる柔軟性につながる。
−せめて２つの最も外にあるウェハが片面であり、搭載／支持ウェハの取り付けを可能にして複製の際に（そして複製の後の除去の際に）さらなる安定性を与えるため、より薄いウェハが使用できる。このことも設計のさらなる柔軟性につながる。
−開口絞りが上部表面上に載置される場合、封止スタックは迷光に対して感度が低くなる。なぜなら、絞りの前にレンズが存在して不要な光も「集めて」しまうことがないからであり、性能の向上につながる。
−特に、シングレット（両面基板上に形成された両凸レンズまたは両凹レンズ）に関して、ただしこれに限定されることなく、本発明による封止設計（互いに離間された２つの片面基板）は、視野の隅における特に変調伝達関数（ＭＴＦ）（すなわち隅における解像度）の点および像面湾曲（すなわち軸上像面および軸外像面のｚ位置における分離）の点で、より良い性能をもたらす。後者は合焦しない設計に向いている。このより良い性能は主に、封止の場合には２つのレンズ表面間の距離が自由パラメータになり得ることにより達せられるが、通常の場合においては、標準ウェハとして得られる距離にとどまらざるを得ない。
−加えて、封止した場合には、平たい（上部）表面における屈折が幾分利用できるが、通常の設計の場合には、カバーガラスにおける屈折は、センサにおいて主要な光線角度に整合しなければならないために、完全に定められてしまう。すなわち、両方の構造とも３つの表面（２つのレンズと１つの平たい表面）を有するが、封止の場合については、表面の順番が利点をもたらす。このことは、レンズの配向に依存する平凸シングレットの合焦性能に見られる違いよりも似た効果である。

特に光学デバイスがカメラモジュールに用いられる場合の機械的な設計：
−どのレンズも露出されていないので、レンズを保護する別体のプラスチックフードが必要ない。よって、モジュールの設計が簡略化され、コストが抑えられる。
−それでもプラスチックフードが用いられる場合には、迷光に対する感度が低減されていることで、フードにおける絞りの形状およびサイズの重要性が低くなり、これによってもモジュールの設計が簡略化される。

スタックの製造およびモジュールの組み立て：
−上述のように、両面基板の製造は、基板が複製ツールに対して精確に整列されなければならないために、複雑である。本発明により、整列された両面複製の回数を減じることが可能になり、したがってデバイスの作製が簡略化される。
−好ましくはレンズが完全に封止されるので、異物または化学物質がレンズに入り込めない。よって、ウェハパッケージおよび光学デバイスが、アセンブリの状態に対して感度が低くなる。また、上部端面または底部端面が汚れている場合には、標準的な洗浄プロセス
を用いることができる。
−パッケージの端面が平たいことで、ダイシングおよび接着の間の取り扱いが容易になる。パッケージとデバイスも取り扱いが容易になり、これは完全に自動化されたシステムについて顕著である。
−レンズの封止により、環境条件に対する保護の形態において信頼性が増す。これが意味するのは、適切な複製材料およびコーティング等の範囲が大きくなるということである。
−封止により、複製された光学素子の機械的保護が増強される。よって、パッケージはインサート成形に適し得る。

本発明の光学デバイスの好ましい用途の１つは、携帯電話用ＣＭＯＳカメラなどのＣＭＯＳカメラである。ここで平たくて構造化されていない端面の１つは、別体のカバー窓部に代わって、カメラ、カメラ内のモジュール、またはさらに電話カバーのカバー窓部として直接使用し得る。このことは、組み立ての簡略化とより低い材料コストの両方につながる。

スペーサ手段によって離間された２つの基板を持つウェハ・スケール・パッケージの概略図である。 図１に示すパッケージをダイシングすることにより製造される光学デバイスの概略図である。 ２つの基板を持つウェハ・スケール・パッケージの概略図であり、基板のうちの一方はあらかじめ腑形されている。 スペーサ手段によって離間された３つの基板を持つウェハ・スケール・パッケージの概略図である。 ＣＭＯＳウェハ等のさらなるウェハに取り付けられた、図４に示すパッケージをダイシングすることにより製造された光学デバイスの概略図である。 底部基板としてＣＭＯＳウェハを持つ図５のデバイスに類似の光学デバイスを示す。 従来技術による光学デバイスの概略図である。

図１は、好ましくは標準的なウェハである２つの平坦な外側基板２０，３０と、基板２０，３０の間の複数の空洞部４０とを備える、本発明によるウェハ・スケール・パッケージ１０の実施形態を純粋に概略的に示す。外側基板２０，３０は、それらの主面２２，２４，３２，３４に垂直であり、かつ軸方向としても示される方向ｚに積み重ねられる。基板２０，３０は、スペーサ手段５０により軸方向に離間される。

空洞部４０の軸方向壁４２，４４、すなわち図１における底部壁および上部壁は、２つの外側基板２０，３０の内側表面２４，３４の一部によって構成される。空洞部４０の側面壁４６，４８は、スペーサ手段５０の対応する側面壁５４によって構成される。スペーサ手段５０は、たとえば複数の貫通孔（スペーサマトリクス）を持つ平たい基板によって、または個々のスペーサによって構成される。

光学素子６２，６４は、空洞部４０の位置に相当する場所、より詳細には空洞部４０の底部壁および上部壁４２，４４に対応する場所において、基板２０，３０の内側表面２４，３４に取り付けられる。上部基板および底部基板２０，３０の外側表面２２，３２は、光学素子を含まない。したがって、各空洞部４０は、２つの光学素子６２，６４を、軸方向視において封入されるように収納する。好ましくは、スペーサ手段を、光学素子６２，６４が横方向視においても封入されるように腑形して、存在するすべての光学素子６２，６４を完全に封止かつ保護する。

本例において、上部基板２０に取り付けられる光学素子６２は、同じ空洞部４０において、底部基板３０から突出する光学素子６４に対して整列される。他の実施形態は、軸外構成も含む。

図１に示すパッケージ１０を、２つの標準的な基板２０，３０を設けることにより製造してよい。各基板２０，３０上には、光学素子６２，６４が複製技術によって製造される。特に、複製材料の一部を、製造する光学素子６２，６４の位置に対応する位置において基板に塗布し、次いで、複製ツールを近づけて基板に近接させることにより、光学素子を形成する。あるいは、複製材料を複製ツールに直接塗布してもよい。複製ツールは、光学素子の外形に対応した構造的特徴を有する。複製ツールの構造が刻み付けられた複製材料が硬化して、その後光学素子となる。

図１に示すパッケージ１０は、両主面上に光学素子を備える単一の両面ウェハに対する代替的な解決策である。一方の同ウェハ上に光学素子を複製する際の整列の問題が回避されるのは、片面ウェハが用いられるからである。本発明による封止スタックは、公知の両面の解決策よりも多くのウェハを含む。しかし、ウェハを複製の間平坦な支持具により支持でき、したがって両面に複製を行うために一定の安定性を有する必要がある両面ウェハよりも概して薄くすることができるので、必ずしも厚くなるとはかぎらない。

個々の光学素子１００は、ウェハ・スケール・パッケージ１０を軸平面Ｐに沿ってダイシングすることにより製造される。図１に示すパッケージから製造される光学デバイス１００の例を図２に示す。これは、パッケージ１０の外側基板２０，３０に対応する外側基板部分２０’，３０’を含む。軸平面Ｐがスペーサ手段５０を通るので、光学素子６２，６４が上部基板部分２０’および底部基板部分３０’により完全に封止されたままであり、スペーサ手段５０も個々の光学素子１００内にある。

任意で、個々の光学デバイス１００を、光学センサのような電子部品を搭載するＣＭＯＳウェハ、またはパッケージセンサの場合にはカバーガラスなどのさらなる基板８０に光学的に取り付けてよい。底部基板部分３０’の底部端面３２’は平坦なため、上記のさらなる基板８０の取り付けは特に容易であり、さらなる基板８０の取り付けの際に損傷を生じさせ得るような物質に光学素子６２，６４がさらされる危険もない。

ダイシング後の光学素子１００にさらなる基板を取り付けるかわりに、参照により本明細書に組み込まれるＷＯ２００５／０８３７８９に開示されるようなダイシング工程に先立って、ウェハパッケージ１０に取り付けてもよい。これによりさらに製造が簡略化される。

絞り７０を、光学デバイス１００の上部端面２２’上に装着または形成してよく、あるいはパッケージ１０の上部端面２２にあらかじめ備え付けてよい。図２に示すように、絞り７０は、両光学素子６２，６４とは異なる平面に存在する。これにより、設計の自由度が増す。

図３は、本発明のさらなる実施形態を示す。ウェハ・スケール・パッケージ１１０は、２つの外側基板１２０，１３０を含む。上部基板１２０は、平坦な表面１２２，１２４を備える標準的な基板である。底部基板１３０はあらかじめ腑形され、平坦な外側表面１３２と、複数の凹部１５０により構成される（または底部基板１３０の一体部分としてスペーサ手段を有する）内側表面１３４とを含む。凹部１５０は、上部基板１２０が直接底部基板１３０に連結されると複数の空洞部１４０が形成されるように、腑形される。

図１のように、複数の光学素子１６２が、空洞部１４０および凹部１５０の各々の位置に相当する位置において、上部基板１２０の内側表面１２４に対して取り付けられる。さらに、光学素子１６４は、あらかじめ腑形された基板１３０の凹部１５０の底部に、上部基板１２０上の光学素子１６２と軸方向に整列するように配置される。図１のように、すべての光学素子１６２，１６４は完全に封止され、端面は平坦であって、光学素子が無い。

平面Ｐに沿ってスタック１１０をダイシングすることによっても、個々の光学デバイス（不図示）がもたらされる。

図４は、軸方向Ｚに積み重ねられる２つの外側基板２２０，２３０と１つの中間基板２９０とを備える本発明のさらなる実施形態２１０を示す。２つの空洞部２４０，２４０’の層が、上部基板２２０と中間基板２９０との間、および中間基板２９０と底部基板２３０との間にそれぞれ配置される。空洞部２４０，２４０’は、各基板の間に配置された２組のスペーサ手段２５０，２５０’によって形成される。

上述の実施形態におけるように、上部基板２２０および底部基板２３０は、片面であって、それぞれの内側表面２２４，２３４上にのみ光学素子２６２，２６４を含む一方で、スタック２１０の外側表面２２２，２３２すなわち端面は、平坦で光学素子が無い。中間基板２９０は両面であり、中間基板の両方の主面２９２，２９４上に光学素子２６６，２６８を含む。これら２つの層の空洞部２４０，２４０’は、互いに軸方向に整列される。空洞部内には、光学素子も軸方向に整列される。軸外構成（不図示）が可能である。ここでも、すべての光学素子が完全に封止される。個々の光学デバイス２１００は、平面Ｐに沿ってダイシングすることにより製作される。

図４の実施形態では、１つの両面基板２９０が存在するが、両面基板の総数は、同じ数の光学素子に対して従来技術（図７）より１つ減っており、これにより、ウェハ上に光学素子を両面複製することに関する労力が削減される。

より複雑な光学デバイスについては、さらなる片面または両面中間基板と対応のスペーサ手段がスタックに組み込まれてよい。

図５は、図４に示すスタック２１０からダイシングによって製造される集積光学デバイス２１００を示す。上部外側基板部分２２０’および底部外側基板部分２３０’ならびに中間基板部分２９０’が軸方向Ｚに積み重ねられ、スペーサ２５２，２５２’、すなわち図４のスペーサ手段２５０，２５０’の一部によって離間されて、２つの空洞部２４０，２４０’が形成される。空洞部２４０，２４０’は、図４に関して記載される光学素子２６２，２６６，２６４，２６８を収納する。光学素子２６２，２６６，２６４，２６８は凸レンズまたは凹レンズであってよく、あるいは所定の光学機能を供する微小光学構造を含んでもよい。

端面２２２’，２３２’は、複製された光学構造を含まないが、これらに対して、たとえば研磨、絞りの装着、ＣＭＯＳウェハやカバーガラスのようなさらなる基板２８０の取り付けなどの、何らかの仕上げ処理を施してよい。さらなる基板２８０は、ダイシングに先立って、またはダイシングの後に取り付けを行うことができる。

図６は、図５と類似の光学デバイスを示す。相違するのは、底部外側基板部分２３０’をＣＭＯＳその他の半導体ウェハの一部によって構成することである。この部分２３０’は、好ましくは撮像素子等の電気光学部品を担持する。本例ではＣＭＯＳウェハ等である底部基板２３０’は、ダイシングに先立ってスタックに取り付けられる。これにより、下部空洞部２６４内の光学素子２６８は、底部基板部分２３０’上の電気光学部品とともに、空洞部の側面壁（スペーサ手段）および隣接する基板部分２３０’，２９０’によって良好に保護される。

Claims (15)

1. 軸方向に積み重ねられる、２つの外側基板を少なくとも含む複数の基板と、
   該複数の基板の間の複数の空洞部と、
   該複数の空洞部に配置される複数の複製された光学素子と、
   を備えるウェハ・スケール・パッケージであって、
   少なくとも２つの光学素子が、前記軸方向から見て互いから離間して１つの共通の空洞部内に配置され、前記ウェハ・スケール・パッケージが、前記外側基板の外側表面によって構成される２つの実質的に平坦な端面を備え、
   前記複数の基板を互いから離間して該複数の基板の間に前記空洞部を形成するように、前記複数の基板とは別個に付加的に設けられたスペーサ手段をさらに備え、該スペーサ手段は、複数の貫通孔を持つスペーサ基板によってもたらされ、
   前記空洞部内に配置された前記複製された光学素子は、前記複数の基板の表面に取り付けられ、前記光学素子が取り付けられた前記複数の基板の表面の少なくとも一つが、前記外側基板の内側表面であり、
   前記複数の基板が前記外側基板の間に配置される少なくとも１つの中間基板を備えて、異なる平面内に配置される少なくとも２つの空洞部の群が前記複数の基板の間に形成される、ウェハ・スケール・パッケージ。
2. 該空洞部が閉鎖され、すべての存在する光学素子が該空洞部内に配置される、請求項１に記載のウェハ・スケール・パッケージ。
3. 前記１つの共通の空洞部内に配置された前記複製された光学素子は、凸状であり、それぞれが屈折ハーフレンズを形成する、請求項１または２に記載のウェハ・スケール・パッケージ。
4. 各前記群の前記空洞部は前記軸方向から見て整列され、前記光学素子が前記中間基板の両表面上に配置されて、前記軸方向から見て整列するように配置される、請求項１に記載のウェハ・スケール・パッケージ。
5. 前記外側基板のうちの１つは、半導体系基板である、請求項１または４に記載のウェハ・スケール・パッケージ。
6. 半導体系基板が、該外側基板の該端面の一方に取り付けられる、請求項１または４に記載のウェハ・スケール・パッケージ。
7. 前記半導体系基板が撮像素子のアレイまたは光源のアレイを備える、請求項５または６に記載のウェハ・スケール・パッケージ。
8. 軸方向に積み重ねられる、２つの外側基板部分を少なくとも含む複数の基板部分と、該複数の基板部分の間の少なくとも１つの空洞部と、前記軸方向から見て互いから離間して少なくとも１つの共通の前記空洞部内に配置される少なくとも２つの複製された光学素子とを備える光学デバイスであって、該光学デバイスが、前記外側基板部分の外側表面により構成される２つの実質的に平坦な端面を備え、
   前記複数の基板部分を互いから離間して該複数の基板部分の間に前記空洞部を形成するように、前記複数の基板とは別個に付加的に設けられたスペーサ手段をさらに備え、該スペーサ手段は、複数の貫通孔を持つスペーサ基板によってもたらされ、
   前記空洞部内に配置された前記光学素子は、前記複数の基板部分の表面に取り付けられ、前記複製された光学素子が取り付けられた前記複数の基板部分の表面の少なくとも１つが、前記外側基板部分の内側表面であり、
   前記複数の基板部分が前記外側基板部分の間に配置される少なくとも１つの中間基板部分を含んで、前記軸方向から見て異なる平面内に配置される少なくとも２つの空洞部が前記複数の基板部分の間に形成される、光学デバイス。
9. 前記１つの共通の空洞部内に配置された前記複製された光学素子は、凸状であり、それぞれが屈折ハーフレンズを形成する、請求項８に記載の光学デバイス。
10. 前記空洞部が前記軸方向から見て整列するように配置され、前記光学素子が、前記中間基板部分の両表面上に配置され、かつ前記軸方向から見て整列するように配置される、請求項８または９に記載の光学デバイス。
11. 各々が内側表面と外側表面とを有する２つの外側基板を少なくとも含む、複数の基板を準備するステップと、
    複数の光学素子を複製技術によって、前記２つの外側基板のそれぞれの前記外側表面以外の、前記複数の基板の表面上に設けるステップと、
    軸方向に前記複数の基板を積み重ねて、前記複数の光学素子を、２つずつ互いに対向させるように、前記複数の基板の表面に配置するステップと、
    前記複数の基板を、前記複数の基板とは別個に付加的に設けたスペーサ手段を介して相互に離間させて連結し、前記複数の基板の間に複数の空洞部を形成するように、パッケージを形成するステップとを備え、
    該パッケージの端面は、実質的に平坦であって、前記外側基板の前記外側表面によって構成され、
    前記 スペーサ手段は、複数の貫通孔を持つスペーサ基板によってもたらされ、
    前記光学素子は、前記空洞部内において前記複数の基板の表面に取り付けられ、前記光学素子が取り付けられた前記複数の基板の表面の少なくとも一つが、前記外側基板の内側表面であり、
    前記複数の基板は、前記２つの外側基板の間に設けられる、少なくとも１つの中間基板を含み、
    複製技術によって前記複数の基板の表面に前記光学素子を配置する前記ステップにおいて、上下両表面に前記光学素子を取り付けた前記少なくとも１つの中間基板を設けて、該中間基板の前記上下両表面上の前記光学素子を、前記軸方向から見て整列するように配置する、方法。
12. 前記外側基板のうちの１つが半導体系基板である、請求項１１に記載の方法。
13. 各々が内側表面と外側表面とを有する２つの外側基板を少なくとも含む、複数の基板を準備するステップと、
    複数の光学素子を複製技術によって、前記２つの外側基板のそれぞれの前記外側表面以外の、前記複数の基板の表面上に設けるステップと、
    軸方向に前記複数の基板を積み重ねて、前記複数の光学素子を、２つずつ互いに対向させるように、前記複数の基板の表面に配置するステップと、
    前記複数の基板を、前記複数の基板とは別個に付加的に設けたスペーサ手段を介して相互に離間させて連結し、前記複数の基板の間に複数の空洞部を形成するように、パッケージを形成するステップとを備え、
    該パッケージの端面は、実質的に平坦であって、前記外側基板の前記外側表面によって構成され、
    前記 スペーサ手段は、複数の貫通孔を持つスペーサ基板によってもたらされ、
    前記光学素子は、前記空洞部内において前記複数の基板の表面に取り付けられ、前記光学素子が取り付けられた前記複数の基板の表面の少なくとも一つが、前記外側基板の内側表面であり、
    前記複数の基板は、前記２つの外側基板の間に設けられる、少なくとも１つの中間基板を含み、
    半導体系基板を、前記２つの外側基板のうちの一方の外側表面に取り付けるステップをさらに含む、方法。
14. 光学デバイスを製作する方法であって、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の方法のステップを含み、軸方向を通る平面に沿って該パッケージをダイシングして該パッケージを個々の光学素子に分離するステップをさらに含む、光学デバイスの製作方法。
15. 前記軸方向を通る平面が前記スペーサ手段を通ることにより、閉鎖された空洞部を有する光学デバイスを形成する、請求項１４に記載の方法。

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