製造多個光學設備的方法
2023-07-07 05:44:06
專利名稱：製造多個光學設備的方法
技術領域：
本發明涉及利用至少一個光學元件(例如，屈光和/或衍射透鏡)以晶圓級上明確定義的空間布置製造集成光學設備的領域。舉例來說，這樣的集成光學設備是相機設備，尤其是用於拍照手機或用於相機設備的光學元件。具體而言，本發明涉及在晶圓級上製造多個集成光學設備的方法，該方法包括在軸向(或垂直)方向堆疊晶圓元件。本發明還涉及通過這種方法製成的光學設備。
背景技術：
晶圓級上的主動或被動光學設備的製造正變得越來越重要。一個原因在於目前的趨勢使得光學設備成為低成本批量產品。現在，諸如相機或集成相機光學元件的光學設備在很大比例上集成在任何製造的電子設備(包括行動電話、計算機，等)中。特別令人感興趣的是晶圓級製造方法，其中，大規模地製造光學元件的陣列，例如盤狀(晶圓)結構，其在複製之後被分割(切成)獨立元件。舉例來說，在這樣的晶圓級製造過程中，通過提供晶圓並在其上複製相應的屈光(和/或衍射)光學元件的陣列而生產光學透鏡。該陣列隨後被切成獨立的透鏡，然後這些透鏡與其他透鏡和/或光學活性元件(例如CMOS或CCD傳感器陣列)組裝在一起。其一個缺點在於單個組裝步驟仍然是一項耗時的任務。因此，舉例來說，在美國專利7，457，490中或在WO 2009/076 786 (通過引用將這兩項專利的全文併入本文中)中提出了在晶圓級上組裝不同的組件並且僅在圓晶級組裝之後進行切割步驟。用於此目的的晶圓包括以明確定義的空間布置限定在晶圓上的光學元件。這樣的晶圓級封裝(晶圓堆疊)包括至少兩個晶圓，這兩個晶圓沿著與最小晶圓尺寸的方向(軸向)相對應的軸堆疊並彼此附著在一起。至少一個晶圓承載被動光學元件，另一個晶圓也包括被動光學元件或者可以用於接收其他功能性元件，例如主動光學元件(電光元件，例如CCD或CMOS傳感器陣列)。因此，晶圓堆疊包括並排布置的多個大致相同的集成光學設備。在這種晶圓級組裝過程中，必須以足夠的精度對齊相應的單個元件。隨後被切割的這種堆疊的一個實例是兩個或多個光學晶圓的堆疊。光學晶圓是透明的、晶圓狀基板，該基板包括光學透鏡和/或其他光學元件的陣列。光學元件的陣列相對於彼此對齊，從而每個晶圓的一個或多個光學元件與另一晶圓的一個或多個相應的光學元件形成光學子組裝，其在切割之後成為可以形成功能性單元(例如相機光學元件)或子單元(例如相機光學元件的透鏡子組件)的集成光學設備。隨後被切割的堆疊的另一個實例是至少一個光學晶圓以及另外的電光晶圓的堆疊，其中，舉例來說，電光晶圓可包括與光學元件的相應陣列對齊的圖像傳感器區域陣列，從而在切割集成光學設備之後，光學晶圓的一個或多個光學元件與電光(半導體)晶圓的一個或多個相應的電光元件形成功能性單元(例如相機模塊)或子單元(例如用於相機的傳感器模塊)。舉例來說，在WO 2005/083 789中描述了這種堆疊的一些實例。在這樣的晶圓堆疊中，至少兩個晶圓可以由間隔裝置隔開，間隔裝置例如:多個分隔的間隔物、互連的間隔物矩陣或如W02009/076 786中公開的間隔晶圓，並且，光學元件也可以在朝向另一晶圓的晶圓表面上布置在晶圓之間。因此，間隔物夾在頂部晶圓和底部晶圓之間。可以利用其他晶圓和中間間隔物重複這種布置。晶圓級組件的一個潛在問題在於切割過程，S卩，將堆疊分割成獨立的光學設備的過程。可以通過機械手段(例如與切割半導體晶圓類似)進行這種切割過程，例如，通過鋸齒狀工具、銑削工具或者潛在地也可以通過其他手段(例如雷射切割、水射流切割，等等)進行。當集成相機模塊或用於相機模塊的光學模塊被切割時，材料經常鬆弛並落入晶圓塊之間的空間內，例如落在傳感器模塊上或落在透鏡上。這導致許多不合格的相機或光學模塊，由此增加了成本。
發明內容
本發明的目的在於提供一種克服了現有技術的方法和光學設備中的缺陷的改進方法和改進光學設備。其中的光學設備可以是相機或用於相機的光學模塊，其適於以適當聚焦的方式將入射輻射引導到相機的傳感器設備上。根據本發明的一個方面，該方法包括:提供具有多個以孔圖案布置在相機模塊處的孔的晶圓級間隔物，提供具有波長選擇濾光片的晶圓級基板，例如紅外(IR)濾光片，該濾光片以圖案布置以包括多個濾光片部分，以濾光片圖案布置濾光片部分，從而穿過基板併到達相機模塊的輻射路徑穿過濾光片部分，以及將基板和間隔物彼此堆疊，其中，孔和濾光片部分對齊。一般而言，光學路徑將穿過濾光片。其中，光學路徑是所有穿過光學組件(一般穿過系統光闌)併到達傳感器模塊的射線路徑的總和，因此也是用於生成的影像的所有射線路徑的總和。除了濾光片部分之外，基板可在其一側或兩側上包括透鏡或其他光學元件的陣列。光學元件將與濾光片部分對齊，並且在堆疊步驟之後與孔對齊。一般而言，光學元件將以如下方式與濾光片對齊:通過光學元件被導向相機的傳感器模塊的光必須穿過濾光片。一般而言，濾光片部分彼此之間是分開的且不連續的。根據本發明的一個實施方式，同一濾光片層的濾光片部分將具有相同的成分，即，它們可以是(在層平面中)水平構建的共同層，從而產生濾光片部分，並且以給定角度到達濾光片部分的輻射光束的傳輸特性可以是相同的。濾光片部分具有相同或不同的形狀，但具有相同的垂直結構。根據實施方式，濾光片部分可以是IR濾光片部分。根據其他實施方式，濾光片部分可以是濾色片部分。不同的濾色片部分可具有相同的成分，或者不同的濾色片部分可以具有不同的傳輸特性。下文中本發明的實施方式的描述主要涉及IR濾光片。然而，該教導也可以應用於濾色片。IR濾光片是用於相機模塊的共同特性，用於避免影像質量上紅外輻射的幹擾效應。在現有的晶圓級組件中，如圖1所示，提供一個具有IR濾光片層11的晶圓I。圖1示出了具有複製透鏡3的第一晶圓1、具有多個與第一晶圓透鏡3對齊的通孔6的間隔物晶圓以及具有多個與第一晶圓透鏡3和通孔對齊的第二晶圓透鏡7的第二晶圓2的將被組裝的堆疊。透鏡相對於彼此的對齊通常比通孔相對於透鏡的對齊更重要。虛線表示堆疊(在組裝之後並且可能在另一個製造步驟之後)被切割的位置。取代兩個均承載透鏡的被動光學晶圓1、2的堆疊，該堆疊還可以是光學晶圓和具有傳感器模塊的晶圓的堆疊，而間隔物晶圓位於其間。這樣的配置具有如下缺陷:當經歷溫度變化時，承載IR濾光片層11的晶圓2 (晶圓2通常是薄且柔性的)趨向於呈弓形。對於多個晶圓的晶圓級組件來說，這樣的晶圓弓是不可接受的。為了避免晶圓弓的問題，如圖2所示的另一現有技術方法提出了在晶圓I的兩個表面上布置厚度大致相同的兩個IR濾光片11.1、11.2。與單個IR濾光片相比，IR濾光片
11.1U1.2的濾光能力可以較低，從而其一起發揮的效應等於如圖1的布置中的單個IR濾光片。例如，如果IR濾光片由多個交互層組成，兩個濾光片11.1、11.2的層對的數量可以對應於一個濾光片布置中的單個IR濾光片的層對的數量。最終的對稱性避免了晶圓弓的問題。圖2示出了用於將與具有傳感器模塊8的傳感器模塊晶圓9組裝的具有透鏡3的光學晶圓I的這種對稱性。然而，本發明的發明人發現在間隔物晶圓界面處的IR濾光片容易導致所觀察到的由切割過程導致的可靠性問題，例如在稍後的可靠性測試中。在IR濾光片層中觀察到切割導致了小裂縫21，這裡IR濾光片層可能受到力的作用，這是由於間隔物晶圓附著到IR濾光片上(可能的粘結層未在圖3中示出，並且也未在後續的附圖中示出)。這些裂縫21能夠從切割狹條(切割後的外表面)傳播到內部，隨後使得材料22落入傳感器8中，如圖3所示。如果組裝的晶圓都不是傳感器模塊晶圓，在組裝晶圓和切割之後的落入空腔23的材料也是一個問題，這是因為不可能從空腔中移除材料，並且該材料可能影響包括有光學模塊的相機所形成的影像的質量。根據本發明的方面的方法解決這些現有技術方法的問題。IR濾光片的圖案化將使得在間隔物晶圓和光學晶圓之間的界面中不存在IR濾光片。根據第一選擇，具有圖案的IR濾光片(或濾色鏡)布置在間隔物晶圓所附著的晶圓表面上。這種方式是優選地，從而IR濾光片部分的平面內延伸處於間隔物晶圓的孔的橫截面之內。此外，具有圖案或不具有圖案的額外的IR濾光片也可以出現在其他位置，例如，位於基板除第一、有圖案的IR濾光片所處的表面之外的其他表面上，或者位於第二透明基板的表面上。根據第二選擇，具有圖案的IR濾光片(或濾色鏡)布置在與間隔物晶圓所附著的晶圓不同的晶圓上。IR濾光片圖案使得其對應孔圖案，但IR濾光片部分可以大於孔橫截面。同樣地，其他IR濾光片也是可能的。第一選擇和第二選擇的組合是可能的並在下文討論。在優選實施方式中，IR濾光片(或濾色鏡)部分的圖案對應於間隔物孔的圖案，即兩種圖案的間距是相同的，並且一般來說，每孔存在一個IR濾光片部分。然而，在第二選擇的實施方式中，也可能每個濾光片部分對應於多個模塊，從而每個濾光片部分覆蓋不止一個孔。本發明還涉及具有應用到基板上的IR濾光片的光學透明晶圓級基板，IR濾光片包括多個布置在陣列中的IR濾光片部分。
就IR濾光片部分彼此之間不連續的意義上來講，IR濾光片部分是島狀物。本發明還涉及可由該方法製成的相機。相機包括光軸和傳感器模塊、至少一個間隔物以及承載光學元件的至少一個透明基板。傳感器模塊、間隔物和具有光學元件的基板相對於光軸垂直堆疊。至少一個波長選擇濾光片(例如IR濾光片)附著到基板上。基板具有與光軸垂直的第一區域，濾光片具有小於第一區域的第二區域。被導向傳感器模塊的到達相機的光穿過濾光片。IR濾光片可以側向構建，從而不與間隔物附著到基板上的區域重疊。相機的光學裝置還可以包括光闌。光闌由不透明光闌層(例如鉻基層)中的孔形成。當然，光闌與透鏡或其他光學裝置對齊。可選地，可以存在與光闌層垂直間隔的第二不透明層，該第二不透明層具有與光闌一起形成屏障的孔。這樣的可選的第二不透明層也可以構建成從側向不到達表面。在一種實施方式中，波長選擇濾光片(例如IR濾光片)與光闌層具有重疊。例如，波長選擇濾光片具有周緣部分，該周緣部分是光闌的周緣並圍繞光闌。在一種實施方式中，相機包括多個透明基板和多個間隔物。其中，一個波長選擇濾光片，或者如果是多個波長選擇濾光片的話，至少一個波長選擇濾光片，可以附著到最接近對象側的基板上。例如，相機的IR濾光片可以由附著到對象側基板的一個或兩個IR濾光片部分組成。本文中的「晶圓」不應該被狹義理解為晶圓級基板的形狀，而應該指適於稍後將被分成獨立組件的多個光學透鏡(或者相應的多個傳感器模塊)的任意基板。本文中的「晶圓」或「晶圓級」可以更具體地指與半導體晶圓尺寸相當的盤狀或板狀基板尺寸，例如直徑在大約5cm至40cm之間的盤或板。本文中的晶圓或基板是盤或矩形板或其他任何形狀的由任意尺寸穩定材料製成的板；如果晶圓是光學晶圓，則材料通常是透明的。晶圓盤的直徑通常在5cm至40cm之間，例如在IOcm至31cm之間。通常其是直徑為2、4、6、8或12英寸的圓柱體，一英寸大約等於2.54cm。舉例來說,光學晶圓的晶圓厚度在0.2mm至IOmm之間,通常在0.4mm至6mm之間。儘管晶圓優選地具有圓盤的形狀，這與半導體晶圓類似，但也不排除其他形狀，例如大致的矩形、六角形，等等。一般來說，本文中的術語「晶圓」不應該理解為在形狀方面有所限制。
將在下文中結合附圖詳細描述本發明的原理以及其實施方式。在附圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的元件。附圖是示意性並且未按比例繪製。圖1和2示出了現有技術中的晶圓堆疊；圖3示出了通過將如圖2所示的晶圓堆疊切割成獨立元件而製造的相機模塊；圖4-7示出了根據本發明的相機模塊的實施方式；圖8示出了用於如圖6所示的相機模塊的晶圓堆疊；圖9示出了具有IR濾光片部分的透明晶圓的視圖；圖10是替代布置的具有IR濾光片部分的透明晶圓俯視圖；圖11是製造相機模塊的方法的流程圖。
具體實施方式
在所有的附圖4-8中，示出的實施方式包括具有兩個複製透鏡3 (或子透鏡)的單個光學透明基板1，這兩個透鏡一起作為用於相機的傳感器模塊8的相機透鏡。透明基板I通過間隔物5安裝在相機模塊8上。然而，參考這些附圖所解釋的教導也可用於包括兩個或多個具有粘結到其表面上的一個或兩個複製透鏡(或其他光學裝置)的基板的堆疊。在所示實施方式中，構建的波長選擇濾光片是IR濾光片。構建該IR濾光片的方法也可用於任意的承載IR濾光片或IR濾光片中的一個的基板，而不論基板是否是第一基板(從對象側看)。如果IR濾光片應用到不同的基板，則教導可涉及這些基板中的一個或多個或者所有的基板。首先，如圖4所示的相機模塊包括透明基板1、第一 IR濾光片11.1以及第二 IR濾光片11.2。第二 IR濾光片位於基板面向間隔物5的表面上。鉻光闌31環繞對象側透鏡並阻止光從除由透鏡構成的光學系統之外的其他路徑進入相機。除了光闌之外，光學模塊可具有用於防止光從其他側向方向(相對於光軸30)進入相機的裝置。圖4的實施方式以及下述幾圖中的實施方式包括可選的第二鉻層32，其是環狀的以與鉻光闌一起形成屏障並使得間隔物5和基板I之間的界面不含鉻。在圖中，鉻光闌和屏障層被示為與其附著的支撐物(基板或IR濾光片)相距較小的距離。這僅僅是出於展示的目的，以清楚地將CR層和IR濾光片區分開來。當然，實際上，CR層將直接與支撐物接觸。在製造相機模塊的過程中，第二 IR濾光片11.2被構建成每個模塊包括一個IR濾光片部分。其布置使得其不會從側部到達切割位置，或者優選地，使得其不會延伸到間隔物5與基板I接觸的區域。在這種方式中，間隔物5和基板之間的界面不含有IR濾光片材料。儘管圖4的實施方式解決了材料落入空腔23的問題，但由於晶圓堆疊(在切割前)中的第一 IR濾光片11.1是連續的而第二 IR濾光片不是連續的，因此可能導致一些駐留的晶圓弓。與現有技術相比，這種晶圓弓傾向可能減少，這是因為第一 IR濾光片可能由於第二 IR濾光片的存在而比單個IR濾光片薄。如果這種駐留的晶圓弓仍然是一個問題，則可以完全地消除連續的(在切割前)IR濾光片，並且可以使得餘下的構建的濾光片相應地更厚，如圖5所示。在圖5的實施方式中，IR濾光片11位於基板面向間隔物的側面。其構建使得基板和間隔物之間的界面不含IR濾光片材料。還可以將IR濾光片布置在基板背向間隔物且朝向對象的側面，如圖6所示。在圖6的實施方式中，IR濾光片可以(但並不必須)側向延伸超過間隔物晶圓中的通孔6，因為與晶圓/間隔物界面重疊不會具有IR濾光片重疊在光學晶圓的面向間隔物一側的缺陷。同樣在圖6中，IR濾光片應該在晶圓級上基本上不連續，由獨立的IR濾光片部分組成。圖7的實施方式在晶圓兩側的每一側上包括IR濾光片部分11.1、11.2。因此，圖7的實施方式是圖5和圖6的方法的組合。圖8示出了在切割前的圖6的晶圓級上的實施方式。圖8未示出鉻層；大體上至少示出了具有用於每個相機模塊的光闌開口的光闌層以及可選的另一具有開口的非透明層。圖8-10中的虛線表示切割的位置。圖8示出了相鄰相機模塊的IR濾光片部分11彼此在晶圓級上不連續。此外，在所示實施方式中，IR濾光片部分不側向地到達切割位置。圖9示出了用於圖6和8的實施方式的光學晶圓。IR濾光片部分可以是圓形的，而光軸位於濾光片部分的中央。其他IR濾光片部分形狀也是可能的，例如矩形或適於特定光學對稱的形狀，等等。圖10示出了圖6、8和9的實施方式的變體，其中，濾光片部分11延伸至多個相機模塊。更具體地，晶圓級上的每個濾光片部分都覆蓋一組相鄰的相機模塊。在所示實施方式中，每個濾光片部分覆蓋四個相機模塊。同樣在該實施方式中，濾光片部分不是連續的。只要濾光片部分延伸的程度在一定範圍內，由於獨立濾光片部分彼此之間間隔開的事實，晶圓弓的問題將被解決。在所有的實施方式中，可具有下述特徵:-1R濾光片(或濾色鏡)可以是本領域已知的IR濾光片(或濾色鏡)類型，例如，IR濾光片(或濾色鏡)可包括多個具有不同折射率的層。多個層可以包括交錯的不同厚度的第一和第二層。舉例來說，IR濾光片可以包括矽氧化物和鈦氧化物層的序列。-透明基板可以是玻璃晶圓或其他具有兩個(舉例來說)平坦的平行大表面的透明薄材料板。-透鏡可以是通過晶圓級UV複製製成的透鏡，如在WO2004/068 198、WO2007/107025和其他各種其他文獻中描述的那樣。-光闌和額外的不透明層(如果存在)可以由基於鉻的層製成，如W02009/076787中描述的那樣。-間隔物可以是透明或不透明的，並且其可以由任何合適的材料製成，包括塑料(例如，如WO 2009/076 786中描述的間隔物類型那樣)、玻璃、陶瓷、金屬，等等。一般而言，諸如材料成分的數量並非是實施本發明的關鍵，並且本領域技術人員將了解適於製造相機模塊的材料成分的許多變體。圖11示出了本發明的實施方式的流程圖。儘管參考濾光片是IR濾光片的實施方式描述了本發明，但該教導也可以應用於其他波長選擇濾光片的實施方式中。例如，濾光片部分可以是同色或不同色的濾色鏡。在特定的實施方式中，濾光片可以是用於捕捉紅色、綠色或藍色的子影像的子相機的濾色片部分。子影像可以一起組合到彩色影像中。相比於現有技術的方法(其中，傳感器自身由各自的濾色片覆蓋)，根據本發明的「濾色片」實施方式的方法的優勢在於濾光片與傳感器相距更遠的距離。因此，與現有技術相比，濾光片上的細微缺陷(例如細小的劃痕等)將幾乎不成為問題，這是因為缺陷被光學裝置所克服了，在光到達傳感器之前，通過該光學裝置引導光。
權利要求
1.一種在晶圓級上製造多個光學設備的方法，其中光學設備是具有傳感器模塊的相機模塊或用於具有傳感器模塊的相機模塊的光學模塊，每個光學設備均限定光學路徑，該方法包括下述步驟: -提供第一晶圓級基板，該晶圓級基板包括透鏡圖案並且還包括波長選擇濾光片，該濾光片被圖案化以包括多個濾光片部分； -提供晶圓級間隔物，其具有以對應於透鏡圖案的以孔圖案布置的多個孔； -將第一基板和間隔物彼此堆疊，其中孔和透鏡對齊，並且濾光片部分的布置和尺寸使得各條光學路徑穿過各自的濾光片部分，堆疊步驟產生晶圓級堆疊，及 -將晶圓級堆疊分割成光學設備。
2.如權利要求1的方法，在將晶圓級堆疊分割之前，還提供第二晶圓級基板並將該第二晶圓級基板和間隔物彼此堆疊。
3.如權利要求2的方法，其中，第二晶圓級基板是具有光學元件陣列的透明光學基板。
4.如權利要求2的方法，其中，第二晶圓級基板是包括傳感器模塊陣列的電光晶圓。
5.如權利要求3的方法，在分割步驟之前還包括:提供第二間隔物並將第二間隔物和晶圓級堆疊彼此堆疊。
6.如任一前述權利要求的方法，其中，濾光片位於第一基板面向對象側且背向間隔物的表面。
7.如權利要求6的方法,其中,第一晶圓級基板包括第二濾光片,該第二濾光片在第一基板的第二表面上包括多個濾光片部分，其中，第二表面面向影像側並面向間隔物。
8.如權利要求1-5中任一項的方法，其中，濾光片位於第一基板面向影像側且面向間隔物的表面上。
9.如權利要求8的方法，其中，第一晶圓級基板在第一基板的面向對象側且背向間隔物的表面上包括第二濾光片。
10.如任一前述權利要求的方法，其中，每個光學設備包括與其他光學設備的濾光片部分間隔開的一個濾光片部分或者在與沿著光束路徑的傳播方向相對應的方向上間隔開的多個濾光片部分，每個濾光片部分與其他光學設備的濾光片部分間隔開。
11.如任一前述權利要求的方法，其中，濾光片是紅外濾光片，並且濾光片部分是紅外濾光片部分。
12.—種晶圓級光學基板，包括具有兩個基本上平坦的平行表面的光學透明材料的基板主體，還包括應用到所述表面中的第一表面的波長選擇濾光片，該濾光片包括多個濾光片部分，這些濾光片部分彼此間相互間隔並且布置在陣列中。
13.—種相機,包括傳感器模塊和限定光軸的光學系統,該相機包括至少一個間隔物以及光學系統的至少一個透明基板，該基板承載光學元件，其中，傳感器模塊、間隔物和具有光學元件的基板相對於光軸垂直堆疊，至少一個濾光片附著到基板上，基板具有與光軸垂直的第一區域，濾光片具有小於第一區域的第二區域，並且由光學系統和傳感器模塊限定的光學路徑穿過該濾光片。
14.如權利要求13的相機，其中，光學系統還包括由不透明層中的孔形成的光闌。
15.如權利要求13或14的相機，其中，濾光片是紅外濾光片。
全文摘要
根據本發明的一個方面，公開了一種在晶圓級上製造多個光學設備的方法，該方法包括提供具有多個以孔圖案布置在相機模塊處的孔的晶圓級間隔物，提供具有紅外(IR)濾光片的晶圓級基板，該濾光片被圖案化以包括多個IR濾光片部分，以IR濾光片圖案布置IR濾光片部分，從而穿過基板併到達相機模塊的輻射路徑穿過IR濾光片部分，以及將基板和間隔物彼此堆疊，其中，孔和濾光片部分對齊。
文檔編號H01L27/146GK103201838SQ201180029481
公開日2013年7月10日 申請日期2011年6月10日 優先權日2010年6月14日
發明者H·拉德曼, P·裡爾 申請人:赫普塔岡微光學有限公司