准直器、光学装置及其制造方法与流程

本发明涉及准直器、光学装置及其制造方法，且更确切地说，涉及具有高散射等级的准直器及其制造方法。

背景技术：

准直器为许多光学应用中的组件中的一者，例如用于x射线机及光学通信系统中。准直器为使粒子或波的射束变窄，使得射束的方向在特定方向上更为对准的组件。

技术实现要素：

在一个或多个实施例中，准直器包含衬底，所述衬底界定穿过所述衬底的多个通道。所述衬底包含第一表面及与所述第一表面对置的第二表面。所述通道中的每一者包含从所述第一表面露出的第一孔隙、在所述第一表面与所述第二表面之间的第二孔隙，及从所述第二表面露出的第三孔隙。所述第一孔隙及所述第三孔隙大于所述第二孔隙。

在一个或多个实施例中，光学装置包含准直器及安置于所述准直器上方的光电元件。所述准直器包含衬底，所述衬底界定穿过所述衬底的多个通道。所述衬底包含第一表面及与所述第一表面对置的第二表面。所述通道中的每一者包含从所述第一表面露出的第一孔隙、在所述第一表面与所述第二表面之间的第二孔隙，及从所述第二表面露出的第三孔隙。所述第一孔隙及所述第三孔隙大于所述第二孔隙。

在一个或多个实施例中，一种制造准直器的方法包含：提供包含第一表面及与所述第一表面对置的第二表面的衬底；从所述衬底的所述第一表面形成包含第一漸縮内表面的第一凹部；以及从所述衬底的所述第二表面形成第二凹部。所述第二凹部与所述第一凹部连通，从而形成穿过所述衬底的通道。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本发明的各方面。应注意，各种结构可能未按比例绘制，且各种结构的尺寸可能出于论述的清楚起见而任意增大或减小。

图1是根据本发明的一些实施例的准直器的实例的示意性说明；

图2说明根据本发明的一些实施例的图1中所示的准直器的光路径；

图3是根据本发明的一些实施例的准直器的实例的示意性说明；

图4说明根据本发明的一些实施例的图3中所示的准直器的光路径；

图5是根据本发明的一些实施例的准直器的实例的示意性说明；

图6是根据本发明的一些实施例的光学装置的实例的示意性说明；以及

图7a、图7b、图7c、图7d及图7e说明根据本发明的一些实施例的制造准直器的方法的实例。

具体实施方式

通常，准直器包含具有高纵横比的通孔(例如，通道)以提供合适准直。准直器包含具有垂直内表面的通孔，这可能会造成制造期间的不良形状控制、高成本、有限应用及未对准的问题。在一个方法中，通过蚀刻技术形成具有垂直内表面的高纵横比通孔，所述蚀刻技术包含较厚光致抗蚀剂作为蚀刻掩模。然而，随着纵横比变得较高，通孔的轮廓可能难以控制。在另一方法中，通过激光钻孔形成通孔。然而，通过激光钻孔形成的通孔的纵横比可能相对较低，且通孔的表面粗糙度可能高，这可能会使光学效果劣化。

本发明提供用于实施所提供的标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。下文作为实例描述组件及布置的特定实例，且其不应解释为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征之上或上的形成可包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，并且还可包含额外特征可形成于第一特征与第二特征之间从而使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。此外，本发明可在各种实例中重复参考数字及/或字母。此重复是出于清晰的目的且本身并不指示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。

除非另外规定，否则例如“上方”、“下方”、“向上”、“左边”、“右边”、“向下”、“顶部”、“底部”、“垂直”、“等级”、“侧”、“较高”、“较低”、“上部”、“上面”、“下面”、“内”、“外”等空间描述相对于图中所展示的定向加以指示。应理解，本文中所使用的空间描述仅是出于说明的目的，且本文中所描述的结构的实际实施方案可以任何定向或方式在空间上布置，其限制条件为本发明的实施例的优点不因此些布置而有偏差。

以下描述是针对准直器。在一些实施例中，准直器包含衬底及穿过所述衬底的若干通道。所述通道包含漸縮(tapered)内表面及远离通道的两个开口(或与之隔开或插入其间)的最小孔隙(例如，通道内的最小孔隙)。所述通道进一步包含向外倾斜的内表面，这使得有可能增大纵横比而不受任何工艺限制的约束，由此改善准直器的准直能力。

以下描述还针对光学装置。在一些实施例中，所述光学装置包含前述准直器及安置于所述准直器上方的光电元件。在一个或多个实施例中，术语“光电元件”是指电磁辐射响应性元件以涵盖对各种波长的可见光及/或其它形式的电磁辐射敏感的元件，包含但不限于电荷耦合装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器及光电二极管。在一个或多个实施例中，术语“光电元件”是指电磁辐射发出元件以涵盖能够发出各种波长的可见光及/或其它形式的电磁辐射的元件，包含但不限于发光二极管(led)及有机发光二极管(oled)。

以下描述还针对制造前述准直器的方法，如下文所论述。

图1是根据本发明的一些实施例的准直器1的实例的示意性说明。参考图1，在一些实施例中，准直器1包含衬底10及多个通道20。衬底10包含第一表面101及与第一表面101对置的第二表面102。在一个或多个实施例中，衬底10为(但不限于)例如硅衬底等半导体衬底。通道20穿透衬底10。通道20中的每一者包含第一孔隙201、第二孔隙202及第三孔隙203。第一孔隙201从第一表面101露出或邻近于所述第一表面，第二孔隙202在第一表面101与第二表面102之间，且第三孔隙203从第二表面102露出或邻近于所述第二表面。第一孔隙201及第三孔隙203大于第二孔隙202。在一个或多个实施例中，第二孔隙202为通道20的最小或最窄孔隙(例如，第二孔隙202对应于通道20的最窄部分)。在一个或多个实施例中，第一孔隙201与第二孔隙202之间及第二孔隙202与第三孔隙203之间的尺寸变化大体上连续。换句话说，通道20内的表面高度可线性地增大(例如，从第一孔隙201到第二孔隙202)且线性地减小(例如，从第二孔隙202到第三孔隙203)。作为实例，在横截面上检视时，通道20可包含沙漏形状或x形状。

在一个或多个实施例中，通道20中的每一者包含在第一孔隙201与第二孔隙202之间的第一漸縮内表面21，且第一漸縮内表面21包含第一漸縮角度θt1。第一漸縮角度θt1为第一漸縮内表面21与大体上垂直于衬底10的第一表面101或第二表面102的假想平面a之间的夹角。在一个或多个实施例中，第一漸縮角度θt1的值大于约0°且小于或等于约45°。作为实例，第一漸縮角度θt1包含约1°到约30°、约1°到约20°、约1°到约10°、约1°到约5°、约1°到约4°、约1°到约3°或约1°到约2°的范围。

在一个或多个实施例中，通道20中的每一者进一步包含在第二孔隙202与第三孔隙203之间的第二漸縮内表面22，且第二漸縮内表面22包含第二漸縮角度θt2。第二漸縮角度θt2为第二漸縮内表面22与大体上垂直于衬底10的第一表面101或第二表面102的假想平面a之间的夹角。在一个或多个实施例中，第一漸縮内表面21与第二漸縮内表面22彼此连接，且第二孔隙202位于第一漸縮内表面21与第二漸縮内表面22之间的界面处。

在一个或多个实施例中，第一孔隙201与第二孔隙202之间的距离h大体上为通道20的深度l的一半，且第一漸縮角度θt1的值大体上等于第二漸縮角度θt2的值。在一个或多个实施例中，第一漸縮内表面21的表面粗糙度及/或第二漸縮内表面22的表面粗糙度(但不限于)小于约20纳米(nm)(按照例如表面变化的均方根值)。

图2说明根据本发明的一些实施例的准直器1的光路径。应注意，准直器1经设计以提供基于准直器1的规格而具有给定值的散射等级n。散射等级n为引入到准直器1中的可通过准直器1的光子的分数。作为实例，如果散射等级n为10,000，那么10,000光子中有1个光子能够从准直器1退出。基于光学定理，可能从以下方程式(1)导出或确定准直器1的第一漸縮角度θt1：

其中

θt1为第一漸縮角度；

n为具有给定值的散射等级；

l为通道20的深度；

d为第一孔隙201的直径(或另一大小量度)；以及

θ为进入通道20的光束的接受角。

因此，可通过选择包含第一漸縮角度θt1、通道20的深度l、第一孔隙201的直径d及进入通道20的光束的接受角θ的通道20来获得所需散射等级n。

表1列出在光学模拟中具有不同尺寸的准直器1的散射等级。一些尺寸以微米(μm)列出。

表1

如表1中所示，在一些实施例中，可通过形成第一漸縮内表面21，即通过增大第一漸縮角度θt1，同时维持所述第一孔隙第一孔隙201的直径d及通道20的深度l，来获得较高散射等级n(例如，n大于约2500)。具体来说，即使在通道20包含相对较低ar(其可更容易制造)时，也可获得较高散射等级n。如表1中可看出，随着ar减小，uph对于具有较低ar的通道20(其可更有效地形成)增大。

图3是根据本发明的一些实施例的准直器2的实例的示意性说明。准直器2类似于图1中所说明的准直器1，且相同编号的特征可不再次论述。参考图3，在一些实施例中，通道20进一步包含邻近于第二孔隙202的第四孔隙204，且第四孔隙204大于第二孔隙202且小于第三孔隙203。第二漸縮内表面22安置于第三孔隙203与第四孔隙204之间。在一个或多个实施例中，第二漸縮内表面22从第一漸縮内表面21断开连接。换句话说，第二漸縮内表面22通过形成于第二孔隙202处的壁而从第一漸縮内表面21分离。在一个或多个实施例中，第一孔隙201与第二孔隙202之间的距离h可能不是通道20的深度l的一半(例如，距离h可能小于深度l的一半)。因为第四孔隙204大于第二孔隙202，且第二漸縮内表面22从第一漸縮内表面21断开连接或分离，因此可能使用第二孔隙202与第四孔隙204之间的较小对准准确度。此外，可减小处理时间及制造成本。

图4说明根据本发明的一些实施例的准直器2的光路径。基于光学定理，可从以下方程式(2)导出或确定准直器2的第一漸縮角度θt1：

其中

θt1为第一漸縮角度；

n为具有给定值的散射等级；

h为第一孔隙201与第二孔隙202之间的距离；

d为第一孔隙201的直径(或另一大小量度)；以及

θ为进入通道20的光束的接受角。

表2列出在光学模拟中具有不同尺寸的准直器2的散射等级。

表2

如表2中所示，在一些实施例中，可通过形成第一漸縮内表面21，即通过增大第一漸縮角度θt1，同时维持第一孔隙201的直径d及第一孔隙201与第二孔隙202之间的距离h，来获得较高散射等级n(例如n大于约2500)。具体来说，即使在通道20包含相对较低ar(其可更容易制造)时，也可获得较高散射等级n。如可在表2中看出，随着ar减小，uph对于具有较低ar的通道20(其可更有效地形成)增大。

图5是根据本发明的一些实施例的准直器3的实例的示意性说明。准直器3类似于图3中所说明的准直器2，且相同编号的特征可不再次论述。参考图5，多个通道20的多个第三孔隙203彼此连通或连接(例如，对应于邻近且不同的通道20的多个第三孔隙203彼此连通或连接，由此形成一个大的连续第三孔隙203)。作为实例，两个邻近通道20的第三孔隙203彼此连接。

图6是根据本发明的一些实施例的光学装置4的实例的示意性说明。参考图6，光学装置4包含准直器1及光电元件50，所述光电元件可为电磁辐射响应性元件。在一些实施例中，选择图1的准直器1作为一实例，且下文可不论述准直器1的细节。在其它实施例中，可选择图3的准直器2及/或图5的准直器3。光电元件50安置于准直器1上方。在一个或多个实施例中，准直器1通过粘合层52耦合到光电元件50。在一个或多个实施例中，光电元件50包含对应于通道20中的一者或多者且与其对准的多个电磁辐射响应性单元。所述电磁辐射响应性单元经配置以感测通过准直器1准直的光。在一个或多个实施例中，光电元件50包含对应于通道20中的一者或多者且与其对准的多个电磁辐射发出单元。准直器1可经配置以准直从电磁辐射发出单元发出的光。

光学装置4可用于各种应用中，例如光学感测应用、光学通信、电子元器件及微机电系统(mems)。作为实例，光学装置4可应用于3d扫描器、智能电话、平板计算机、膝上型计算机、车辆电子元器件、虚拟现实(vr)产品或物联网(iot)中。

图7a、图7b、图7c、图7d及图7e说明根据本发明的一些实施例的制造准直器的方法的实例。

参考图7a，提供衬底10。衬底10包含第一表面101及与第一表面101对置的第二表面102。在衬底10的第一表面101上方形成第一掩模层(例如，光致抗蚀剂(pr)层)62。第一掩模层62露出第一表面101的一部分。

参考图7b，从衬底10的第一表面101形成多个第一凹部31。第一凹部31中的每一者包含第一漸縮内表面21。第一凹部31包含从第一表面101露出的第一孔隙201及远离第一表面101或与之隔开的第二孔隙202。第二孔隙202小于第一孔隙201。在一个或多个实施例中，第一凹部31是通过蚀刻(例如通过各向异性蚀刻)而形成，使得第一凹部31包含具有较低表面粗糙度的第一漸縮内表面21。作为实例，各向异性蚀刻包含(但不限于)干式蚀刻。在一个或多个实施例中，第一漸縮内表面21的表面粗糙度(但不限于)小于约20nm。随后，从衬底10的第一表面101移除第一掩模层62。

参考图7c，通过例如粘合层72将衬底10的第一表面101接合到载体70。在一个或多个实施例中，通过例如从第二表面102研磨而使衬底10变薄。在一个或多个实施例中，在衬底10的第二表面102上方形成第二掩模层64，例如pr层。第二掩模层64露出第二表面102的一部分。

参考图7d，从衬底10的第二表面102形成多个第二凹部32。在一个或多个实施例中，第二凹部32中的每一者包含第二漸縮内表面22。第二凹部32包含从第二表面102露出的第三孔隙203，且第三孔隙203大于第二孔隙202。第二凹部32分别与第一凹部31连通，由此形成穿过衬底10的多个通道20。在一个或多个实施例中，第二凹部32是通过蚀刻(例如通过各向异性蚀刻)而形成，使得第二凹部32包含具有较低表面粗糙度的第二漸縮内表面22。作为实例，各向异性蚀刻包含(但不限于)干式蚀刻。在一个或多个实施例中，第二漸縮内表面22的表面粗糙度(但不限于)小于约20nm。随后，从衬底10的第二表面102移除第二掩模层64。

参考图7e，从衬底10移除载体70以形成准直器1。

本发明的准直器包含贯穿通道，其具有漸縮内表面，且通道的最小或最窄孔隙远离通道的两个开口或与之隔开。具有漸縮内表面的通道能够在较低ar下提供更好准直，且可相对较易于制造。

如本文所用，除非上下文另外明确规定，否则单数术语“一(a/an)”及“所述(the)”可包含多个参考物。

如本文所使用，术语“导电(conductive、electricallyconductive)”及“电导率”指代传递电流的能力。导电材料通常指示展现对于电流流动的极少或零对抗的那些材料。电导率的一个量度为西门子每米(s/m)。通常，导电材料为电导率大于约10⁴s/m(例如至少10⁵s/m或至少10⁶s/m)的一种材料。材料的电导率有时可随温度而变化。除非另外规定，否则材料的电导率是在室温下测量。

如本文中所使用，术语“大致”、“实质上”、“实质”以及“约”用以描述且考虑小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指其中事件或情形明确发生的情况以及其中事件或情形极接近于发生的情况。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。作为另一实例，“基本上垂直”可指相对于90°的小于或等于±10°(例如小于或等于±5°、小于或等于±4°、小于或等于±3°、小于或等于±2°、小于或等于±1°、小于或等于±0.5°、小于或等于±0.1°或小于或等于±0.05°)的角度变化范围。

另外，有时在本文中按范围格式呈现量、比率及其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。

虽然已参考本发明的特定实施例描述及说明本发明，但这些描述及说明并不限制本发明。所属领域的技术人员应理解，可在不脱离如由所附权利要求书界定的本发明的真实精神及范围的情况下，作出各种改变且取代等效物。所述说明可能未必是按比例绘制。归因于制造工艺及容差，本发明中的艺术再现与实际设备之间可存在区别。可存在并未特定说明的本发明的其它实施例。应将本说明书及图式视为说明性的而非限制性的。可做出修改，以使具体情况、材料、物质组成、方法或工艺适应于本发明的目标、精神及范围。所有所述修改都既定在所附权利要求书的范围内。虽然本文中所揭示的方法已参考按特定次序执行的特定操作加以描述，但应理解，可在不脱离本发明的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非本文中特别指示，否则操作的次序及分组并非本发明的限制。