专利名称：凹入的光学表面的制作方法
技术领域：
本申请案涉及形成于衬底(例如晶片)上的光学表面，尤其涉及以完全或部分凹入状态形成于衬底上的光学表面。
背景技术：
复制已经变为形成透镜(尤其是大量形成)的逐渐流行的技术。在此方法中，提供平坦衬底，通常是由玻璃制成的晶片(但可使用其它衬底)，其上放置有复制材料或其它可成形材料。随后通过多种固化方法来使复制材料成形；常见方法是用主模具冲压复制材料且固化材料以形成所要的光学表面。在固化复制材料后，可即刻移除主模具，从而在晶片表面上留下经成形的透镜形状。衬底的一侧或两侧可装填经复制的透镜，且在一些情况下， 两侧上的透镜可同时形成。随后，可将衬底切成个别透镜，但在一些情况下，晶片保持完整以接合到一个或一个以上其它透镜或间隔晶片以形成随后经单一化的多个透镜层。透镜的晶片级制造常常是优选的，因为每透镜的成本与许多其它方法相比非常低。市场中的一个其它驱动因素是透镜且因此其中放置透镜的相机变得越来越小的趋势。复制和晶片级处理已实现透镜和透镜堆叠在宽度和厚度两个方面的收缩。即使如此， 平坦衬底也必须足够厚以具有足够的强度和稳定性，且随着经成形透镜层带有一个或两个额外复制层增加了每一透镜晶片的总高度。随着包含相机中的较高密度图像传感器的应用的复杂性增加，透镜堆叠中更多地使用多个光学表面。添加的层使透镜高度的问题变复杂， 因为所得透镜设计的厚度可能大于所要的厚度。虽然对于凸透镜和凹透镜两者情况都是这样，但凸透镜常常带来额外挑战。当凸透镜的顶部是透镜晶片的最高点时，这可造成要求晶片接触另一表面的任何处理步骤的难题。表面上未经保护的凸透镜一般也更容易存在意外损坏的危险。
发明内容
本文说明的一些实施例描述通过一种方法形成的光学阵列，所述方法包含提供衬底，在衬底上形成阱阵列，且在阱中复制对应数目的光学表面。以此方式，在阱内同时产生光学表面。光学表面可为折射的、衍射的、反射的或其组合。在某些实施例中，可同时复制阱和光学表面。在其它实施例中，可在复制光学表面之前形成阱阵列。阱阵列可使用例如蚀刻等光刻技术来形成，或可通过例如钻制(drilling)、熔固(blasting)或模制等机械方式形成。其中形成光学表面的阱可包含大体上平坦的底部表面，或可包含基本光学表面，所述基本光学表面为折射的、衍射的、反射的或其某种组合。在某些实施例中，阱阵列中的阱延伸穿过衬底。复制的透镜可形成于延伸穿过衬底的阱中。
—旦光学阵列形成于衬底上的阱中，衬底就可对准且结合到第二衬底。第二衬底可包含第二光学阵列或可为间隔衬底。在一个实施方案中，第一衬底上的光学表面与第二衬底上的光学表面之间的间距仅由第一和第二衬底上的阱的受控深度提供且没有介入的间隔件。光学和/或间隔衬底的堆叠可经切割以使阱阵列和光学表面单一化以形成离散的光学模块。光学模块可经对准且结合到半导体装置。光学模块可在分离阱阵列和光学表面的步骤之前或之后结合到半导体装置。一些实施例可针对一种光学块，所述光学块包含衬底，其具有第一和第二相对表面，所述衬底是第一材料；多个通孔，其在所述衬底中在所述第一与第二相对表面之间延伸；第二材料，其不同于所述第一材料，所述第二材料填充所述通孔的一部分且在所述衬底的所述第一表面的一部分上延伸到所述通孔外部；以及第一透镜结构，其在所述第二材料中且对应于所述通孔中的每一者。所述光学块可包含不同于所述第一材料的第三材料，所述第三材料在所述衬底的所述第二表面的一部分上延伸到所述通孔外部且覆盖所述通孔。所述第二材料和所述第三材料一起完全填充所述通孔。所述第二和第三材料可分别完全覆盖所述衬底的所述第一和第二表面。所述第二和第三材料可相同。所述第一透镜结构可包含邻近于所述第一衬底的所述第一表面且在所述第二材料中的第一透镜表面，以及邻近于所述第一衬底的所述第二表面且在所述第三材料中的第二透镜表面。所述第二与第三材料之间可存在界面。所述光学块可包含所述第二与第三材料之间的孔径光阑(aperture stop)，所述孔径光阑部分地延伸到所述通孔中。所述第一材料可为不透明和/或色散的。所述衬底可为网格。通孔的侧壁可为平坦的或成角度且沿着连续角延伸。通孔的侧壁可经处理以阻挡光且/或抑制反射。所述第一材料可具有小于20的杨氏模量(Young' S modulus)。一些实施例可针对一种光学块，所述光学块包含第一衬底，其具有相对的第一和第二表面；以及第一复制结构，其在所述第一衬底的第一表面上，所述复制结构包含多个第一阱和一第一透镜表面，所述第一透镜表面至少部分为凸的且完全在所述多个第一阱的每一者中，使得所述第一阱的上部表面高于所述第一透镜表面的顶部。阱的上部表面可高于第一衬底的第一表面上的任一其它结构。光学块可包含第二衬底，其具有相对的第一和第二表面，第一衬底的第一表面面对第二衬底的第一表面，其中所述多个阱提供第一与第二衬底之间的间距。第二衬底可包含第二复制结构，其包含第二衬底的第一表面上的多个第二阱，所述多个第二阱对应于所述多个第一阱，其中第二阱的上部表面高于第二衬底的第一表面上的任一其它结构。第一与第二衬底之间的间距可完全由第一和第二阱提供。第二复制结构可包含完全在所述多个第二阱的每一者中的第二透镜表面。光学块可包含第一衬底的第二表面上的第二复制结构，所述第二复制结构包含多个第二阱和完全在所述多个第二阱的每一者中的第二透镜表面，使得第二阱的上部表面高于第二透镜表面的顶部。一些实施例可针对一种形成光学块的方法，其包含提供具有第一和第二相对表面的衬底，所述衬底是第一材料且具有多个通孔，所述通孔在所述衬底中在所述第一与第二相对表面之间延伸；提供不同于所述第一材料的第二材料，所述第二材料填充所述通孔的一部分且在所述衬底的所述第一表面的一部分上延伸到所述通孔外部；以及复制在所述第二材料中且对应于所述通孔中的每一者的第一透镜结构。提供第二材料可包含以所述第二材料囊封所述衬底。所述方法可包含提供不同于所述第一材料的第三材料，所述第三材料在所述衬底的所述第二表面的一部分上延伸到所述通孔外部且覆盖所述通孔。所述第二材料和所述第三材料一起可完全填充所述通孔。所述第二和第三材料可分别覆盖所述衬底的所述第一和第二表面。提供所述第三材料可在提供所述第二材料之前发生。所述方法可进一步包含在提供所述第三材料之前形成第二透镜结构，所述第二透镜结构在提供第三材料之后覆盖所述通孔。所述方法可包含在提供所述第三材料之前形成邻近于所述第三材料上的所述第二透镜结构的孔径光阑。复制所述第一透镜结构可包含邻近于所述第一表面且在所述第二材料中复制第一透镜表面，以及邻近于所述第二表面且在所述第三材料中复制第二透镜表面。复制所述第一和第二透镜表面可为同时或依序的。所述第二和第三材料相同。一些实施例可针对一种光学块，所述光学块包含衬底，其具有多个阱，所述衬底是第一材料，每一阱具有底部表面和侧壁；以及凸透镜表面，其在所述多个阱的每一者中， 所述凸透镜表面是在不同于所述第一材料的第二材料中且与所述底部表面相对。阱的底部可为平坦的或可包含基本光学表面，例如衍射表面、折射表面和反射表面中的至少一者。阱的侧壁可经处理以阻挡光或抑制反射。
当结合附图阅读以下对若干所说明的实施例的描述时最好地理解本文描述的装置和方法，附图中在全部图式中使用相同参考标号来指代相同或相似部分。图式不一定按比例绘制；而是强调说明所描述实施例的原理。图IA到图IC说明用于透镜复制的方法中的阶段的横截面侧视图。图ID是替代复制透镜结构的横截面侧视图。图2是其表面中形成有阱的衬底的透视图。图3A到图3E是根据实施例的形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图4A到图4C是根据实施例的形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图4D到图4G是适于使用图4A到图4C的过程形成复制透镜的根据实施例的替代结构的横截面侧视图。图5A和图5B是根据实施例的形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图6A和图6B是根据实施例的形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图7A到图7C是利用来自本文揭示的若干实施例的技术形成的根据实施例的若干凹透镜元件结构的横截面侧视图。图8A和图8B是根据实施例的形成复制衍射透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图9A和图9B是利用来自本文揭示的若干实施例的技术形成双侧复制透镜结构的方法中的阶段的横截面侧视图。图IOA到图IOC是根据实施例的在其它弯曲表面上形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图IOD和图IOE是使用图IOA到图IOC的过程形成的根据实施例的替代结构的横截面侧视图。图IlA到图IlC是根据实施例的在衍射表面上形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图IlD到图IlE是根据实施例的在折射表面上包含复制衍射表面的替代结构的横截面侧视图。图12A到图12E是根据实施例的形成多个堆叠复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图13A到图13C是从本文揭示的若干实施例的透镜结构产生的若干复制透镜堆叠的横截面侧视图。图14A是根据实施例的具有通孔阱的衬底的透视图。图14B到图14E是根据实施例的在通孔阱中形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图15A到图15H是根据变型实施例的在通孔阱中形成复制透镜的方法中的阶段的横截面侧视图。图16A到图16C是根据实施例的形成复制透镜和阱的方法中的阶段的横截面侧视图。图16D和图16E是根据实施例的复制透镜和阱的透镜堆叠的横截面侧视图。图17A到图17C是校正透镜结构缺陷的方法中的阶段的横截面侧视图。图18A和图18B是形成电光模块的方法中的阶段的横截面侧视图。
具体实施例方式图1A、图1B、图IC和图ID说明用于产生凸透镜阵列的常规方法。图IA展示以近似所要的厚度或体积以某种方式沉积于衬底102的顶部表面上的复制材料层104的横截面部分。在图IB中，将在其底部表面上具有对应于最终所要形状的反转形式的形状的复制主模具106向下带到距衬底已知距离处。在保持于此位置中的同时，使用UV光、热、时间、压力或某种其它方法来固化复制层104。随后，如图IC中所见，移除主模具106，从而在衬底 102的表面上留下具有多个透镜元件108的透镜晶片100。晶片上的个别裸片可经分离以供立即使用，或可保持完整以供进一步处理或附接到其它光学或间隔晶片。虽然此处展示仅在衬底的一侧上形成透镜，但在稍后步骤中可将具有额外光学活性的另一复制表面(此处未图示，但例如参见图1D)添加到衬底102的底部表面。或者，第二复制表面可与第一表面104同时产生。透镜晶片的厚度等于透镜复制层的高度；其最高点加上衬底的厚度。此处已针对凸透镜展示所述过程，但先前的陈述也适用于在复制材料中形成的凹透镜；透镜复制层的高度将因而由允许朝衬底的下陷的必要性来控制。此情况的实例可参见图ID中， 图ID展示经单一化透镜结构110，其具有展现凸透镜和凹透镜两者的两个透镜表面108和 112。可看见总高度h取决于复制层以及衬底的厚度两者。在针对减小高度的一个实施例中，透镜形成于在衬底中形成的阱上方。在此特定实施例中，形成凹透镜形状，但其它形状或形状组合是可能的。在图2中的透视图中展示此
7过程的第一步骤。在衬底200中产生若干阱202。可蚀刻、钻制、烧蚀或通过某种其它方法形成阱。阱202和衬底200可通过模制工艺同时形成。在此特定说明中，阱202具有比衬底 200的厚度小的深度。图3A中可见具有阱202的衬底200的横截面。在所示的实施例中， 阱202从衬底200的上部表面204向下延伸且具有大体上平坦的底部表面206。在此之后， 图3B展示放置于衬底200上的复制材料302。复制材料层可实际上由聚合物、溶胶凝胶、玻璃或也可以某种方式凝固或固化的某种其它可模制材料组成。应注意，在此图中，复制材料 302表现为具有平坦的顶部表面，但对于此过程来说这不是必要的，且此处仅是示范性的， 因为复制材料302将大体上相对均勻地分布在衬底上，且可由在施加模具时散布的某一预设体积的材料302组成。复制材料302 —般不需要是保形层(conforming layer)或平坦化层，因为其最终形状将取决于复制过程。图3C展示按压到复制材料302上的复制主模具 304。复制主模具304的反转形状的透镜形成部分306精确地对准于阱上，且将主模具的平坦部分移动到距衬底的上部表面精确距离处。在复制材料层302固化后，即刻移除复制主模具304。在图3D中可见包含透镜元件308的所得结构。此结构可进一步以额外的透镜表面处理或沿着线L单一化以形成图3E的透镜结构300。在衬底200中没有阱202的情况下，聚合物加上衬底的总高度将较大。应注意，形成凹透镜元件308的凹陷朝衬底200的上部表面204延伸，同时仍在透镜元件308的底部与阱202的底部206之间维持某一量的复制材料。在所示的实施例中，透镜元件308的下部表面位于阱202内且在衬底200的上部表面204下方，但可存在光学设计原理或实际制造问题指示透镜308的表面上的最低点高于上部衬底水平面204的情况。即使在这些约束下，透镜结构的总高度仍比衬底200中的阱202不存在的情况要小。在另一实施例中，透镜可完整地形成于阱内。图4A、图4B和图4C中说明此过程。 图4A展示沉积于衬底402上的复制材料层406，其中阱404形成于其表面上，阱404形成有大体上平坦的底部表面405。在图4B中所示的实施例中，将复制主模具408向下带到与衬底402接触。主模具408的高度和阱404的深度足够接近地匹配(连同其它尺寸)以使得主模具408的突出的透镜形成部分412配合于阱404中以在聚合物中产生透镜形状410。 固化复制材料406且随后移除复制主模具408。图4C展示所得透镜组合件400，其可经进一步处理或切割以产生个别组件。在如图4A到4C所示的过程中，主模具408在衬底表面的上部水平面407和衬底阱404的下部水平表面405两者处与衬底402接触。在固化之后， 这留下极少的复制材料406而不会妨碍稍后可能的结合或对准步骤。为了实现此目的，可能需要谨慎地控制复制材料406的量和定位；可将精确的量放入每一阱404中而不是在衬底402的较大部分上沉积复制材料406。图4D、图4E、图4F和图4G展示图4A到图4C中描绘的复制过程的若干变型。在图 4D中，在固化的同时将复制主模具408下降到距衬底402精确距离D处且保持于该处。这可允许零件的各种尺寸的较宽松容限，且允许供复制材料406流动的某个空间。在另一变型中，图4E展示复制步骤，其中阱404'和复制主模具402'的突出的透镜形成部分412‘ 的相对高度已经改变以允许主模具402'与阱404'的底部405'之间的间隙。所述相对改变可能通过减小透镜形成部分412'的高度或通过增加阱404'的深度来做出。在此变型中，复制材料的额外薄层422保留在所形成的透镜表面周围，处于在主模具408'接触衬底 402'的上部表面407'时通常在透镜孔径外部的位置中。图4F展示又一变型，其特征在于复制主模具408〃上的透镜形成部分412〃的相对高度和阱404〃下部表面405〃的深度的改变。在此实施例中，复制材料406的薄层432保留在衬底402〃的上部表面407〃上。 在图4G中所示的再一个变型中，在固化复制材料406的同时主模具408" ’保持于距衬底 402"‘ 一精确距离处。在此实施例中，透镜形成部分412"‘和阱404"‘的大小经设计以使得在阱405" ’的底部以及阱436的侧面处在主模具408" ’的透镜形成部分412" ’ 与衬底402〃 ‘的阱404〃 ‘之间存在间隙。在上文描述的实施例中，透镜形成部分412的高度和阱404的深度相对于彼此变化。在其它实施例中，透镜形成部分412或阱404的宽度可变化以在透镜形成部分412的侧面与阱404的侧壁之间留下间隙。图5A展示一个实施例的复制步骤。复制主模具502 具有比阱504窄的其中形成透镜的透镜形成部分512，从而在阱504的侧面附近留下间隙 536。图5B中可见最终透镜结构500。虽然复制的透镜元件510可能看上去非常类似于图 4C中所见的透镜元件，但依据沉积于阱中的复制材料的量，也可能阱的隅角514也可在其中具有一些剩余材料，在一些情况下延伸直到衬底表面从而完全填充原始间隙536。也可对此实施例执行与图4D、图4E、图4F和图4G中所示的变型等效的变型。在另一实施例中，透镜的有效区域可扩展到阱的边缘附近。图6A展示具有透镜形成部分612的复制主模具602，透镜形成部分612并不向下延伸到阱的底部，而是改为在阱的整个宽度上使复制材料406成形。图6B中可见所得的透镜结构600。阱的侧面612可充当用于透镜元件610的孔径，然而经组装透镜的其它部分可经定位以在所述能力方面更好地起作用。在先前描述的实施例中，根据本文概述的方法产生凸透镜，但这些技术同样可用于产生凹透镜。图7A显示具有凹透镜元件的透镜组合件700，其在透镜元件702与阱704 的侧面之间具有间隙736。图7B展示透镜组合件710，其中透镜元件712延伸到阱704的边缘，但每一透镜元件702的光学有效弯曲部分714仅覆盖阱704的一部分。复制的透镜元件712的非有效部分716填充阱704的其余部分，从而包围有效部分714。图7C展示透镜组合件720，其中透镜元件722延伸到阱704的侧面(包含透镜元件表面)。在到此为止描述的实施例中，已将弯曲的光学表面描述为折射的。这明确地说是光既定穿过表面的情况。在其它实施方案中，弯曲的表面可本质上为反射的。反射光学特征(凹的或凸的)可以类似的复制方法来制作。反射光学器件可能通过复制大体上不透明或反射材料、通过在大体上反射衬底中复制透镜或通过在复制的透明材料上涂覆反射材料来制作。在又一实施例中，透镜元件可具有衍射而不是折射光学能力。图8A展示具有透镜形成部分812的复制主模具802，透镜形成部分812具有按压到含有复制材料406的衬底 402的阱404中的衍射形状。图8B中描绘最终透镜结构800，其中可见透镜元件810具有示范性衍射形状。虽然先前实施例仅涉及在衬底的单侧上产生透镜，但在又一实施例中，可随后或同时添加另一侧上的第二透镜阵列。图9A说明一个示范性程序，其中在一个操作中形成两侧，但可能使用先前样式的透镜中的任一者来产生双透镜表面。在图9A中，衬底902在每一侧上形成有阱，其中相对的阱903、905彼此对准以使得上部阱903的通光孔径(clear aperture)的至少一部分与下部阱905的通光孔径对准。在用复制材料406涂覆两侧之后，
9上部复制主模具904和下部复制主模具906将复制材料406形成为透镜表面。连同顶部侧一起用复制材料涂覆衬底的底部侧可能不实际，且因此改为下部复制主模具906的顶部表面可具有沉积于其顶部表面上的复制材料406。在任一情况下，中间产物将看上去类似于图9A的结构。移除主模具904、906两者将留下在图9B中可见的透镜结构900。多种透镜形状和大小仅受到所需光学设计的限制。衬底902的上部表面上的透镜910无需具有与衬底902的下部表面上的那些透镜912相同的宽度或定位。另外，用于上部透镜元件910和下部透镜元件912的复制材料406可为相同或不同的物质。在此实例中，看见凸透镜和凹透镜安装在同一衬底上，但这些透镜的任一组合是可能的。在衬底上具有额外透镜表面的情况下，此处与形成于大体上平坦的衬底上的这些透镜相比，总厚度在更大程度上减小。还应注意，在此实例中，光学上，所述透镜系统等效于在具有厚度h2的衬底(而不是整个衬底的厚度)上复制的两个透镜元件的透镜系统。结构和其它约束可使得难以在此均勻地薄的衬底上实现透镜复制和其它处理步骤。相比之下，此实施例在处理期间以及在透镜组合件 900单一化和封装之后将保持较厚衬底的结构完整性和强度。在先前实施例中，衬底中的阱的底部表面已大体上为平坦的。在其它实施例中，阱的底部表面可被给予弯曲形状，使得其自身具有光学能力。图IOA展示其中已形成阱的衬底1002。在阱1004内是弯曲的底部表面1005。弯曲表面1005可在已产生阱1004之后形成，或可在形成阱1004本身的过程期间已通过蚀刻或某种其它已知工艺产生。在所示的实施例中，弯曲表面1005直接由衬底1002材料形成。在其它实施例中，弯曲表面1005可由不同材料形成，包含例如复制材料1006。对于所说明的实施例，在衬底1002的顶部上沉积复制材料1006的层。在图IOB中，复制主模具1008用复制材料1006形成透镜元件表面。 图IOC展示透镜结构1000，其中透镜元件1010已保留为上覆于弯曲表面1005上。如果复制材料1006具有与衬底1002材料大体上类似的折射率和其它光学性质(例如，色散)，那么弯曲表面1005将在复制/衬底界面处具有极少的光学效应，但其仍可辅助将透镜的复制部分1010成形为材料原本可能难以产生的形状。然而，如果折射率或其它性质实质上不同，那么即使在透镜元件1010的表面处的固体/空气界面处保持较多光学能力，内部表面 1005也将具有光学能力。图IOD说明此实施例的在此处展示为透镜结构1020的变型，其中衬底上的弯曲表面IOM可具有与复制的弯曲表面1022大体上相反的折射能力。类似于其它实施例，这些方法可应用于衬底1002'的两侧。图IOE展示透镜结构1030，其在光径中具有四个表面 (1032、1034、1036、1038)，其全部可通过复制材料和衬底1002"材料的适当选择而具有光学能力，且可经制造以具有紧凑的高度配置。在其它实施例中，衬底阱的底部1105并不严格为平坦的，而是具有衍射表面。图 IlA显示其中已形成阱的衬底1102。阱1104的下部表面1105经成形为具有所要的衍射形状。随后在衬底的顶部上分布复制材料1106的层。图IlB展示复制主模具1108在衬底的阱1104内形成衍射结构。在图IlC中可见所得的透镜结构1100。在此结构1100中，具有折射能力的透镜元件1110安置于衍射表面1112上方。如同其它实施例，可在衍射表面上方产生其它透镜形状，且可以相同方式同时或依序处理衬底的两侧，包含衬底上的折射和衍射透镜部分或复制表面的各种组合。图IlD展示此实施例的变型，其中在透镜结构1150 中，这些类型的元件的次序颠倒；此处衍射表面1152经复制而上覆于衬底1102'中的阱1104'内的弯曲表面IlM上。图IlE展示此实施例的另一变型，其中透镜结构1160具有复制的透镜表面1162，其上覆于衬底1102'中的阱1104'的弯曲下部表面1164上。在此变型中，表面1162展现衍射和折射两种行为。在又一实施例中，可将一个以上透镜表面元件添加到衬底中的给定阱。图12A展示具有形成于上部表面中的阱1204的衬底1202。所述表面涂覆有复制材料1206的第一层。在图12B中，第一复制主模具1208将复制材料1206图案化。在固化复制材料之后，移除第一主模具1208。图12C展示具有保留在阱中的第一透镜元件1210的衬底1202。随后在衬底上以及在第一透镜元件1210上涂覆复制材料1212的第二层。第二复制材料1212 经选择以使得其具有与第一复制材料1206不同的光学性质，尤其是折射率。图12D展示第二复制主模具1214，其放置于衬底上以使第二复制层1212成形但保持第一复制透镜元件 1210不改变。虽然如此处描绘，第二主模具1214与衬底1202和第一透镜元件1210两者接触，但在实践中，第二复制主模具1214的透镜形成部分1222的高度将避免接触或以其它方式危害第一透镜元件1210。图12E显示具有两个有效透镜元件1210和1214的透镜结构 1200。虽然用于此透镜结构的过程可能以两个透镜元件以如图所示的次序垂直堆叠停止， 但可设想可在同一阱内在第二透镜元件之后形成第三元件，且可以与形成第二透镜元件相同的方式形成第三透镜元件。可以相同方式将另外的透镜元件添加到阱中。另外，此多步骤过程也可使用如先前实施例中概述的方法在衬底的两侧上产生多元件结构。透镜结构可经单一化且在其当前配置中使用，或其可进一步通过将其接合为较复杂的透镜堆叠结构来处理。图13A、图1 和图13C展示若干示范性实施例。在图13A中， 由两个透镜结构1302和1304产生透镜堆叠1300。在此实施例中，在其间没有间隔件的情况下接合透镜结构。也就是说，透镜表面1322和13 之间的间距是通过控制复制厚度和控制其中复制透镜1322、1324的阱13沈、1328的深度来建立。如此处描绘的最终结构可能已在裸片级接合，但更可能透镜结构在晶片级接合且随后经分离以产生透镜堆叠1300。图 13B展示已由两个不同透镜结构1312和1314产生的透镜堆叠1310。这两个透镜结构均含有如图IA到图ID中说明的使用常规技术形成于衬底的表面上的透镜(1318和1320)。在一些情况下，光学设计或其它约束可使得包含此设计的复制透镜是合意的。如图13B展示， 先前实施例的方法和结构是兼容的，且可与使用常规方法复制的透镜自由地混合。在图13B 的实施例中，透镜结构由间隔晶片1316分离以设定内部透镜元件之间的适当距离。图13C 显示作为透镜堆叠1330的另一实施例。此处，透镜结构1332和1334在不使用间隔晶片的情况下接合在一起(但如果光学设计需要则可提供一个间隔晶片)。在接合之前，将光阻挡组件1336的两个层添加到每一透镜结构。光阻挡组件可充当用于光学系统的孔径，或可用以阻挡杂散光进入可用的光径。与其中阱具有小于衬底的厚度的深度的先前实施例相比，其它实施例可包含延伸穿过衬底的厚度的阱。图14A展示衬底1400的透视图，其类似于图2中所示的衬底。不同于图2的衬底200，阱1402完全穿过衬底而形成。这可在图14B中更清楚地看到，图14B为图14A的衬底的一部分的横截面图。阱1402本质上为通过蚀刻、钻制、熔固或其它方法产生的通孔。阱可通过一个或一个以上步骤产生以实现所需形状。图14B中所示的阱1402 是锥形侧壁1410，其可能是蚀刻工艺具有代表性的特征。在其它实施例中，阱1402可具有大体上直的侧壁。图14C展示其中复制材料1404的层放置于一侧上的衬底。基于复制材料1404和衬底1400的性质以及用以施加复制材料1404的方法，复制材料1404可部分或完全被拉入阱1402中。在一些情况下，复制材料1404可能沉积在衬底1400的两侧上以确保阱1402的较均勻填充，但这不应影响最终透镜结构的性质。在下一步骤中，图14D展示抵靠衬底1400而放置的上部复制主模具1406和下部复制主模具1408，其经安置以从衬底1400的两侧在阱1402内使复制材料1404成形。在当前实施例中，此操作是同时进行，因为在此配置中复制材料1404可仅固化(即使部分地) 一次。两个复制主模具1406、1408的透镜形成部分1412、1414对准到阱1402中。图14E 展示其中已产生透镜元件1416的最终透镜结构1410。应注意，透镜元件的每一侧可具有其自身的独立形状。此处描绘接近于弯月形透镜的形状的形状，但例如双凸或双凹等其它形状也是可实现的。在另一实施例中，可将一个或两个复制主模具带到靠近具有通孔阱的衬底处但不实际与其接触。图15A展示具有此些通孔阱1502的衬底1500。在衬底1500上沉积复制材料1504且将两个复制主模具1506和1508带到靠近处以同时使复制材料1504成形。在此实例中，将主模具1508带到与衬底1500接触，同时将主模具1506保持在距衬底1500表面一精确距离处，从而为压出过量复制材料1504留下空间。一旦复制材料1504固化，便移除复制主模具1506、1508以留下在图15B中可见的具有透镜元件1516的透镜结构1510。 图15C展示此实施例的变型，其中在衬底1500'上沉积复制材料1504，且将上部复制主模具1506'和下部复制主模具1508'带到靠近衬底1500'处，但为复制材料1504在衬底 1500'的两侧上流动留下足够空间。在所示的实施例中，衬底1500'包含形状为锥形或圆锥形的阱1502'，其中锥形从衬底1500'的一侧向内延伸到另一侧。在固化之后的最终结果是图15D中描绘的透镜结构1520，其包含透镜元件1522。所得透镜1522包含大体上弯月形形状，其具有大约为衬底1500'厚度的厚度。弯月形透镜1522的曲率大体上朝与其中形成透镜1522的阱1502'的向内锥形的方向相同的方向延伸。当如图14A到图15D中说明阱是通孔以使得衬底材料不再位于光径中时，对用以提供这些通孔的衬底的约束减少。换句话说，可针对机械特性(例如，刚性和强度)而不考虑其光学特性来选择衬底。具有良好光学特性的常规衬底可能较昂贵、容易弯曲且/ 或可能较脆弱。举例来说，常规衬底(例如，硅石和玻璃)具有杨氏模量E > 35GPa，而可用于具有通孔的衬底的其它材料(例如，聚合物、液晶聚合物)可具有低得多的杨氏模量 E ( 20GPa，例如在约1-15GI^之间。因此，可采用额外的复制材料，其可对用于形成光学元件的常规衬底引入过多的应力。举例来说，此衬底可为其中通孔由材料的交叉线界定的网格结构。这些通孔可具有任何所需的形式，包含任意的形状。此外，通孔的使用允许光学元件在通光孔径内的复制材料的相对侧之间具有的距离小于衬底的厚度。另外，不经受光学约束的衬底可用以减少系统中的杂散光，例如可为不透明和/或色散的。此外，衬底可用作光学孔径。最后，当在衬底的两侧上提供复制材料以使得衬底嵌入其中(如图15C和图15D 中说明)时，可较好地控制通光孔径中的复制材料的厚度。在其它实施例中，在透镜表面的一者已形成之后提供通孔，如图15E到图15H中说明。如图15E中说明，第一透镜结构1530可包含在其第一表面上的透镜元件1532。在第一透镜结构1530的第一表面上在透镜元件1532的通光孔径外部提供刚性结构1540。刚性结构1540对第一透镜结构1530提供机械强度，且可仅仅针对这些机械性质来选择，例如可为不透明的。图15E中说明的结构的形成的细节可参见2009年7月2日申请的题目为 “晶片级光学元件及其应用(Wafer level Optical Elements and application thereof)” 的第12/497，441号共同转让的美国申请案，所述申请案以引用的方式并入本文中。一般来说，透镜元件1532可通过如本文描述的复制过程形成于第一透镜结构1530的一侧上。第一透镜结构1530的相对的大体上平坦侧是使用在复制材料固化之后移除的临时模制表面 (未图示)来形成。随后，如图15F中说明，可将其中具有通孔1552的额外衬底1550附接到第一透镜结构1530的大体上平坦表面。这些通孔1552可比透镜元件1532的通光孔径窄，且可在不透明的情况下用作孔径光阑。此外，可在第一透镜结构1532的底部表面上提供延伸到通孔1552中的孔径1535。如图15G中说明，随后可用复制材料1560填充这些通孔1552，复制材料1560可与用于第一透镜结构1530的复制材料相同或不同。随后可将复制主模具(未图示)带到与复制材料1560接触以形成包含多个透镜元件1562的第二透镜结构1561。由于这些透镜结构是在不同时间形成的，因此即使其由相同材料形成，第一与第二透镜结构之间的界面1565也将是明显的。这与图15A到图15D中以相同材料同时形成的透镜结构形成对比，在所述透镜结构中界面可能不明显。在其它实施例中，阱未形成于衬底中，而是连同透镜元件一起形成于复制材料中。 图16A展示大体上平坦的衬底1602，其中复制材料1604的层放置于其上。在图16B中，将复制主模具1606按压到复制材料1604上且固化复制材料1604。复制主模具1606具有凸和凹两个形状的透镜形成部分1612。图16C展示其中已移除主模具1606的透镜结构1600。 在中心凸透镜1608周围是凹部分1610，其允许形成凸透镜1608的完整光学孔径。复制材料1604的上部表面1614大体上平坦且高于透镜1608的顶部，因此使凸部分在阱形状的结构1616内受到保护。如同先前实施例，可以此方式在衬底1602的两侧上连续或同时使复制材料图案化。虽然此过程可设想用以形成凹透镜元件，但其已经比凸形状更受保护，因为其中的光学有效部分在复制材料的上部表面下方。类似于其它实施例，先前实施例也可堆叠以产生复杂的透镜堆叠。图16D显示透镜堆叠1620的示范性实施例。透镜堆叠1620展示彼此堆叠以产生堆叠1620的三个透镜结构1634、1636、1638。第一透镜结构1634由衬底1621上的由复制材料形成的复制层1622和 1624组成。第二透镜结构1636由衬底1623上的由复制材料形成的复制层16 和16 组成。第三透镜结构1638由衬底1625上的由复制材料形成的复制层1630和1632组成。一般来说，每一复制层1622、1624、1626、16观、1630、1632包含光学区1660和围绕光学区1660 的场区1662。场区1662可高于光学区1660。举例来说，在复制层1622中，光学区1660凹入于场区1662下方。在其它情况下，场区1662可低于光学区1660。举例来说，复制层1632 的光学区1660'延伸到对应的场区1662'上方。在图16D所示的实施例中，透镜结构1634、1636、1638直接彼此接触。举例来说， 复制层16M的场区1662放置于复制层16 的场区1662上。此处，其展示为彼此直接接触，但在两个复制层1624、16沈之间仍可存在粘合剂层。出于光学设计的目的，也可在透镜结构之间包含间隔元件(未图示)。即使在光学区1660延伸到场区1662上方的情况下， 与复制层的直接接触也是可能的。第二与第三透镜结构(1636、1638)之间的界面是示范性的。此处，复制层1630的光学区1660延伸穿过复制层1630和16 的对应场区之间的界面的平面。然而，由于复制层16 的形状的缘故，透镜结构1636、1638仍可放置为在其相应的场区1662处彼此接触。经受特定光学设计的约束，这些因素可允许具有合意光学性质但也具有低高度的透镜堆叠。 图16E展示与图16D类似的变型。在此变型中，透镜堆叠1640由两个透镜结构 1652、16M组成。在此实例中，本文描绘的全部四个复制层(1644、1646、1648、1650)具有在光学区1660中的形状大体上为凸的透镜。外部复制层1644和1650的凸部分仍在对应场区1662的平面下方，且因此维持对透镜表面的某种保护。虽然复制层1646和1648的光学区1660中的透镜是凸的，但其可在其间无需额外间隔件的情况下放置为在其场区1662处彼此接触。 在大多数先前实施例中，透镜表面已经安置以使得其表面保留在上部平坦表面下方。这可简化稍后的处理步骤。一个实例是校正晶片弯曲度的实例。在许多情况下，晶片或其它衬底可因引起晶片中的残余应力的许多因素而翘曲，所述因素包含(但不限于)复制层力的不适当平衡、抗反射或顶涂层，或在其它制造步骤期间的应变。如果这在透镜晶片中未经校正，那么其可导致光学元件的扭曲、不适当的聚焦或透镜元件在晶片上的横向位移。图17A中可见此问题的一个实例，图17A展示透镜结构晶片1700的横截面图。晶片1700具有从所需平坦形状扭曲的形状。在此情况下，扭曲是以具有凹和凸两种性质的形状表示；确切形状并不重要，但可能存在多种弯曲缺陷。表面上的透镜对应于图16C中的复制层1600的那些透镜，但此处可改为使用根据其它各种实施例形成的其它透镜结构。图 17B展示放置于真空卡盘1702的表面上的透镜晶片1700 ；点绘线1704示意性地表示所分布的一组真空线，其穿过用以将晶片1700紧密地拉到其表面上的真空卡盘，从而至少临时地使晶片1700变平。可用足够的力向下拉动晶片以使其变平，因为可能原本已突出经过复制层的场区1662的透镜元件现在放置于受保护位置。另一衬底1706涂覆有粘合剂且被按压到透镜晶片1700的顶部表面上。衬底1706可表示多种其它功能。其可为另一透镜结构晶片、图像传感器晶片或甚至仅为将稍后结合到其它结构的间隔晶片。在一些情况下，衬底 1706可甚至表示已经结合的若干其它晶片，例如透镜堆叠的其它片。堆叠1710是在结合且从真空卡盘移除之后的结果。虽然一些残余应力可能保留，但其现在将由整个堆叠共享且可存在较少问题。本文描述的光学结构可结合其它电组件来使用以产生完整的电光模块。实例可包含例如相机或数据读取器等光收集模块，以及例如LED阵列或视频投影模块等发光模块。 图18A和图18B示意性说明这些实施例。在图18A中，图16E的晶片级透镜堆叠1640经对准且结合到电子晶片1802。在所示的实施例中，透镜堆叠1640以间隔晶片1806紧固到电子晶片1802。在其它实施例中， 如上文所述，间距可由透镜堆叠1640中的底部复制层1650的场区1662提供。电子晶片 1802可例如为图像传感器阵列、激光器或LED发射器、MEMS装置等。在所示的特定实施例中，电子晶片1802是晶片封装图像传感器阵列1804，例如可从加利福尼亚州圣何塞市(San Jose,California)的"Tessera公司购得的封装图像传感器的Siellcase 系列。所得结构 1800是电光模块阵列，其可沿着切割道L单一化以产生个别的电光模块1820。在一个实施例中，电光模块1820是晶片级相机。在图18A中，透镜堆叠1640和电子晶片1802彼此对准且结合作为堆叠的晶片封装。在其它实施例中，例如图16B中描绘的实施例，透镜堆叠1640和电子晶片1802中的一者或两者可在彼此对准且结合之前经切割和单一化。具体来说，图16B展示通过对透镜堆叠1640的先前切割形成的经切割透镜模块1812，其紧固到电子晶片1802以形成最终沿着切割道L单一化的电光模块1820。 虽然以上描述参考用于特定应用的说明性实施例，但应了解，所主张的发明不限于此。举例来说，以上实施例的任一者中的阱的侧壁可经处理以减少杂散光或抑制反射，例如可经粗糙化以减少镜面反射(specular reflection)，可包含抗反射涂层，或可包含色散或不透明涂层。所属领域的且得到本文提供的教示的技术人员将在无需过多实验的情况下认识到其范围内的额外修改、应用和实施例，以及本发明在其中将具有显著效用的额外领域。
权利要求
1.一种光学块，其包括衬底，其具有第一和第二相对表面，所述衬底是第一材料；多个通孔，其在所述衬底中在所述第一与第二相对表面之间延伸；第二材料，其不同于所述第一材料，所述第二材料填充所述通孔的一部分且在所述衬底的所述第一表面的一部分上延伸到所述通孔外部；以及第一透镜结构，其在所述第二材料中且对应于所述通孔中的每一者。
2.根据权利要求1所述的光学块，其进一步包括不同于所述第一材料的第三材料，所述第三材料在所述衬底的所述第二表面的一部分上延伸到所述通孔外部且覆盖所述通孔。
3.根据权利要求2所述的光学块，其中所述第二材料和所述第三材料一起完全填充所述通孑L。
4.根据权利要求3所述的光学块，其中所述第二和第三材料分别完全覆盖所述衬底的所述第一和第二表面。
5.根据权利要求4所述的光学块，其中所述第二和第三材料相同。
6.根据权利要求4所述的光学块，其中所述第一透镜结构包含邻近于所述第一衬底的所述第一表面且在所述第二材料中的第一透镜表面，以及邻近于所述第一衬底的所述第二表面且在所述第三材料中的第二透镜表面。
7.根据权利要求6所述的光学块，其中所述第二和第三材料相同。
8.根据权利要求7所述的光学块，其进一步包括所述第二与第三材料之间的界面。
9.根据权利要求6所述的光学块，其进一步包括所述第二与第三材料之间的孔径光阑，所述孔径光阑部分地延伸到所述通孔中。
10.根据权利要求1所述的光学块，其中所述第一材料为不透明和/或色散的。
11.根据权利要求1所述的光学块，其中所述衬底是网格。
12.根据权利要求1所述的光学块，其中所述通孔的侧壁是平坦的。
13.根据权利要求1所述的光学块，其中壁的侧壁成角度且沿着连续角延伸。
14.根据权利要求1所述的光学块，其中所述第一材料具有小于20的杨氏模量。
15.一种光学块，其包括第一衬底，其具有相对的第一和第二表面；以及第一复制结构，其在所述第一衬底的第一表面上，所述复制结构包含多个第一阱和第一透镜表面，所述第一透镜表面至少部分为凸的且完全在所述多个第一阱中的每一者中， 使得所述第一阱的上部表面高于所述第一透镜表面的顶部。
16.一种形成光学块的方法，其包括提供具有第一和第二相对表面的衬底，所述衬底是第一材料且具有多个通孔，所述通孔在所述衬底中在所述第一与第二相对表面之间延伸；提供不同于所述第一材料的第二材料，所述第二材料填充所述通孔的一部分且在所述衬底的所述第一表面的一部分上延伸到所述通孔外部；以及复制在所述第二材料中且对应于所述通孔中的每一者的第一透镜结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中提供所述第二材料包含以所述第二材料囊封所述衬底。
18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括提供不同于所述第一材料的第三材料，所述第三材料在所述衬底的所述第二表面的一部分上延伸到所述通孔外部且覆盖所述通孑L。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二材料和所述第三材料一起完全填充所述通孑L。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第二和第三材料分别覆盖所述衬底的所述第一和第二表面。
21.根据权利要求20所述的方法，其中提供所述第三材料在提供所述第二材料之前进行。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第三材料包含覆盖所述通孔的第二透镜结构。
23.根据权利要求22所述的方法，其进一步包括在提供所述第三材料之前形成邻近于所述第三材料上的所述第二透镜结构的孔径光阑。
24.根据权利要求20所述的方法，其中复制所述第一透镜结构包含邻近于所述第一表面且在所述第二材料中复制第一透镜表面，以及邻近于所述第二表面且在所述第三材料中复制第二透镜表面。
25.根据权利要求M所述的方法，其中复制所述第一和第二透镜表面是同时的。
26.根据权利要求M所述的方法，其中复制所述第一和第二透镜表面是依序的。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二和第三材料相同。
28.一种光学块，其包括衬底，其具有多个阱，所述衬底是第一材料，每一阱具有底部表面和侧壁；以及凸透镜表面，其在所述多个阱的每一者中，所述凸透镜表面是在不同于所述第一材料的第二材料中且与所述底部表面相对。
全文摘要
一种光学块包含衬底，其具有第一和第二相对表面，所述衬底是第一材料；多个通孔，其在所述衬底中在所述第一与第二相对表面之间延伸；第二材料，其不同于所述第一材料，所述第二材料填充所述通孔的一部分且在所述衬底的所述第一表面的一部分上延伸到所述通孔外部；以及第一透镜结构，其在所述第二材料中且对应于所述通孔中的每一者。
文档编号B29D11/00GK102209622SQ200980145132
公开日2011年10月5日 申请日期2009年9月18日 优先权日2008年9月18日
发明者W·哈德逊·韦尔奇, 保罗·埃里奥特, 戴维·克勒, 戴维·奥维鲁特斯基, 杰里米·赫德尔斯顿, 格雷戈里·J·金茨, 詹姆斯·E·莫里斯, 马克·希亚特, 麦克尔·R·费尔德曼 申请人:德萨拉北美公司