CN103201838A - 制造多个光学设备的方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一个方面，公开了一种在晶圆级上制造多个光学设备的方法，该方法包括：提供具有多个以孔图案布置在相机模块处的孔的晶圆级间隔物，提供具有红外（IR）滤光片的晶圆级基板，该滤光片被图案化以包括多个IR滤光片部分，以IR滤光片图案布置IR滤光片部分，从而穿过基板并到达相机模块的辐射路径穿过IR滤光片部分，以及将基板和间隔物彼此堆叠，其中，孔和滤光片部分对齐。
Description
技术领域
本发明涉及利用至少一个光学元件（例如，屈光和/或衍射透镜）以晶圆级上明确定义的空间布置制造集成光学设备的领域。举例来说，这样的集成光学设备是相机设备，尤其是用于拍照手机或用于相机设备的光学元件。具体而言，本发明涉及在晶圆级上制造多个集成光学设备的方法，该方法包括在轴向（或垂直）方向堆叠晶圆元件。本发明还涉及通过这种方法制成的光学设备。
背景技术
晶圆级上的主动或被动光学设备的制造正变得越来越重要。一个原因在于目前的趋势使得光学设备成为低成本批量产品。现在，诸如相机或集成相机光学元件的光学设备在很大比例上集成在任何制造的电子设备（包括移动电话、计算机，等）中。
特别令人感兴趣的是晶圆级制造方法，其中，大规模地制造光学元件的阵列，例如盘状（晶圆）结构，其在复制之后被分割（切成）独立元件。举例来说，在这样的晶圆级制造过程中，通过提供晶圆并在其上复制相应的屈光（和/或衍射）光学元件的阵列而生产光学透镜。该阵列随后被切成独立的透镜，然后这些透镜与其他透镜和/或光学活性元件（例如CMOS或CCD传感器阵列）组装在一起。
其一个缺点在于单个组装步骤仍然是一项耗时的任务。因此，举例来说，在美国专利7,457,490中或在WO 2009/076 786（通过引用将这两项专利的全文并入本文中）中提出了在晶圆级上组装不同的组件并且仅在圆晶级组装之后进行切割步骤。用于此目的的晶圆包括以明确定义的空间布置限定在晶圆上的光学元件。这样的晶圆级封装（晶圆堆叠）包括至少两个晶圆，这两个晶圆沿着与最小晶圆尺寸的方向（轴向）相对应的轴堆叠并彼此附着在一起。至少一个晶圆承载被动光学元件，另一个晶圆也包括被动光学元件或者可以用于接收其他功能性元件，例如主动光学元件（电光元件，例如CCD或CMOS传感器阵列）。因此，晶圆堆叠包括并排布置的多个大致相同的集成光学设备。在这种晶圆级组装过程中，必须以足够的精度对齐相应的单个元件。
随后被切割的这种堆叠的一个实例是两个或多个光学晶圆的堆叠。光学晶圆是透明的、晶圆状基板，该基板包括光学透镜和/或其他光学元件的阵列。光学元件的阵列相对于彼此对齐，从而每个晶圆的一个或多个光学元件与另一晶圆的一个或多个相应的光学元件形成光学子组装，其在切割之后成为可以形成功能性单元（例如相机光学元件）或子单元（例如相机光学元件的透镜子组件）的集成光学设备。
随后被切割的堆叠的另一个实例是至少一个光学晶圆以及另外的电光晶圆的堆叠，其中，举例来说，电光晶圆可包括与光学元件的相应阵列对齐的图像传感器区域阵列，从而在切割集成光学设备之后，光学晶圆的一个或多个光学元件与电光（半导体）晶圆的一个或多个相应的电光元件形成功能性单元（例如相机模块）或子单元（例如用于相机的传感器模块）。举例来说，在WO 2005/083 789中描述了这种堆叠的一些实例。
在这样的晶圆堆叠中，至少两个晶圆可以由间隔装置隔开，间隔装置例如：多个分隔的间隔物、互连的间隔物矩阵或如WO2009/076 786中公开的间隔晶圆，并且，光学元件也可以在朝向另一晶圆的晶圆表面上布置在晶圆之间。因此，间隔物夹在顶部晶圆和底部晶圆之间。可以利用其他晶圆和中间间隔物重复这种布置。
晶圆级组件的一个潜在问题在于切割过程，即，将堆叠分割成独立的光学设备的过程。可以通过机械手段（例如与切割半导体晶圆类似）进行这种切割过程，例如，通过锯齿状工具、铣削工具或者潜在地也可以通过其他手段（例如激光切割、水射流切割，等等）进行。
当集成相机模块或用于相机模块的光学模块被切割时，材料经常松弛并落入晶圆块之间的空间内，例如落在传感器模块上或落在透镜上。这导致许多不合格的相机或光学模块，由此增加了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服了现有技术的方法和光学设备中的缺陷的改进方法和改进光学设备。其中的光学设备可以是相机或用于相机的光学模块，其适于以适当聚焦的方式将入射辐射引导到相机的传感器设备上。
根据本发明的一个方面，该方法包括：提供具有多个以孔图案布置在相机模块处的孔的晶圆级间隔物，提供具有波长选择滤光片的晶圆级基板，例如红外（IR）滤光片，该滤光片以图案布置以包括多个滤光片部分，以滤光片图案布置滤光片部分，从而穿过基板并到达相机模块的辐射路径穿过滤光片部分，以及将基板和间隔物彼此堆叠，其中，孔和滤光片部分对齐。
一般而言，光学路径将穿过滤光片。其中，光学路径是所有穿过光学组件（一般穿过***光阑）并到达传感器模块的射线路径的总和，因此也是用于生成的影像的所有射线路径的总和。
除了滤光片部分之外，基板可在其一侧或两侧上包括透镜或其他光学元件的阵列。光学元件将与滤光片部分对齐，并且在堆叠步骤之后与孔对齐。一般而言，光学元件将以如下方式与滤光片对齐：通过光学元件被导向相机的传感器模块的光必须穿过滤光片。
一般而言，滤光片部分彼此之间是分开的且不连续的。
根据本发明的一个实施方式，同一滤光片层的滤光片部分将具有相同的成分，即，它们可以是（在层平面中）水平构建的共同层，从而产生滤光片部分，并且以给定角度到达滤光片部分的辐射光束的传输特性可以是相同的。滤光片部分具有相同或不同的形状，但具有相同的垂直结构。
根据实施方式，滤光片部分可以是IR滤光片部分。
根据其他实施方式，滤光片部分可以是滤色片部分。不同的滤色片部分可具有相同的成分，或者不同的滤色片部分可以具有不同的传输特性。下文中本发明的实施方式的描述主要涉及IR滤光片。然而，该教导也可以应用于滤色片。
IR滤光片是用于相机模块的共同特性，用于避免影像质量上红外辐射的干扰效应。在现有的晶圆级组件中，如图1所示，提供一个具有IR滤光片层11的晶圆1。图1示出了具有复制透镜3的第一晶圆1、具有多个与第一晶圆透镜3对齐的通孔6的间隔物晶圆以及具有多个与第一晶圆透镜3和通孔对齐的第二晶圆透镜7的第二晶圆2的将被组装的堆叠。透镜相对于彼此的对齐通常比通孔相对于透镜的对齐更重要。虚线表示堆叠（在组装之后并且可能在另一个制造步骤之后）被切割的位置。
取代两个均承载透镜的被动光学晶圆1、2的堆叠，该堆叠还可以是光学晶圆和具有传感器模块的晶圆的堆叠，而间隔物晶圆位于其间。
这样的配置具有如下缺陷：当经历温度变化时，承载IR滤光片层11的晶圆2（晶圆2通常是薄且柔性的）趋向于呈弓形。对于多个晶圆的晶圆级组件来说，这样的晶圆弓是不可接受的。
为了避免晶圆弓的问题，如图2所示的另一现有技术方法提出了在晶圆1的两个表面上布置厚度大致相同的两个IR滤光片11.1、11.2。与单个IR滤光片相比，IR滤光片11.1、11.2的滤光能力可以较低，从而其一起发挥的效应等于如图1的布置中的单个IR滤光片。例如，如果IR滤光片由多个交互层组成，两个滤光片11.1、11.2的层对的数量可以对应于一个滤光片布置中的单个IR滤光片的层对的数量。
最终的对称性避免了晶圆弓的问题。图2示出了用于将与具有传感器模块8的传感器模块晶圆9组装的具有透镜3的光学晶圆1的这种对称性。
然而，本发明的发明人发现在间隔物晶圆界面处的IR滤光片容易导致所观察到的由切割过程导致的可靠性问题，例如在稍后的可靠性测试中。在IR滤光片层中观察到切割导致了小裂缝21，这里IR滤光片层可能受到力的作用，这是由于间隔物晶圆附着到IR滤光片上（可能的粘结层未在图3中示出，并且也未在后续的附图中示出）。这些裂缝21能够从切割狭条（切割后的外表面）传播到内部，随后使得材料22落入传感器8中，如图3所示。如果组装的晶圆都不是传感器模块晶圆，在组装晶圆和切割之后的落入空腔23的材料也是一个问题，这是因为不可能从空腔中移除材料，并且该材料可能影响包括有光学模块的相机所形成的影像的质量。
根据本发明的方面的方法解决这些现有技术方法的问题。IR滤光片的图案化将使得在间隔物晶圆和光学晶圆之间的界面中不存在IR滤光片。
根据第一选择，具有图案的IR滤光片（或滤色镜）布置在间隔物晶圆所附着的晶圆表面上。这种方式是优选地，从而IR滤光片部分的平面内延伸处于间隔物晶圆的孔的横截面之内。此外，具有图案或不具有图案的额外的IR滤光片也可以出现在其他位置，例如，位于基板除第一、有图案的IR滤光片所处的表面之外的其他表面上，或者位于第二透明基板的表面上。
根据第二选择，具有图案的IR滤光片（或滤色镜）布置在与间隔物晶圆所附着的晶圆不同的晶圆上。IR滤光片图案使得其对应孔图案，但IR滤光片部分可以大于孔横截面。同样地，其他IR滤光片也是可能的。
第一选择和第二选择的组合是可能的并在下文讨论。
在优选实施方式中，IR滤光片（或滤色镜）部分的图案对应于间隔物孔的图案，即两种图案的间距是相同的，并且一般来说，每孔存在一个IR滤光片部分。然而，在第二选择的实施方式中，也可能每个滤光片部分对应于多个模块，从而每个滤光片部分覆盖不止一个孔。
本发明还涉及具有应用到基板上的IR滤光片的光学透明晶圆级基板，IR滤光片包括多个布置在阵列中的IR滤光片部分。
就IR滤光片部分彼此之间不连续的意义上来讲，IR滤光片部分是岛状物。
本发明还涉及可由该方法制成的相机。相机包括光轴和传感器模块、至少一个间隔物以及承载光学元件的至少一个透明基板。传感器模块、间隔物和具有光学元件的基板相对于光轴垂直堆叠。至少一个波长选择滤光片（例如IR滤光片）附着到基板上。基板具有与光轴垂直的第一区域，滤光片具有小于第一区域的第二区域。被导向传感器模块的到达相机的光穿过滤光片。IR滤光片可以侧向构建，从而不与间隔物附着到基板上的区域重叠。
相机的光学装置还可以包括光阑。光阑由不透明光阑层（例如铬基层）中的孔形成。当然，光阑与透镜或其他光学装置对齐。可选地，可以存在与光阑层垂直间隔的第二不透明层，该第二不透明层具有与光阑一起形成屏障的孔。这样的可选的第二不透明层也可以构建成从侧向不到达表面。在一种实施方式中，波长选择滤光片（例如IR滤光片）与光阑层具有重叠。例如，波长选择滤光片具有周缘部分，该周缘部分是光阑的周缘并围绕光阑。
在一种实施方式中，相机包括多个透明基板和多个间隔物。其中，一个波长选择滤光片，或者如果是多个波长选择滤光片的话，至少一个波长选择滤光片，可以附着到最接近对象侧的基板上。例如，相机的IR滤光片可以由附着到对象侧基板的一个或两个IR滤光片部分组成。
本文中的“晶圆”不应该被狭义理解为晶圆级基板的形状，而应该指适于稍后将被分成独立组件的多个光学透镜（或者相应的多个传感器模块）的任意基板。本文中的“晶圆”或“晶圆级”可以更具体地指与半导体晶圆尺寸相当的盘状或板状基板尺寸，例如直径在大约5cm至40cm之间的盘或板。本文中的晶圆或基板是盘或矩形板或其他任何形状的由任意尺寸稳定材料制成的板；如果晶圆是光学晶圆，则材料通常是透明的。晶圆盘的直径通常在5cm至40cm之间，例如在10cm至31cm之间。通常其是直径为2、4、6、8或12英寸的圆柱体，一英寸大约等于2.54cm。举例来说，光学晶圆的晶圆厚度在0.2mm至10mm之间，通常在0.4mm至6mm之间。尽管晶圆优选地具有圆盘的形状，这与半导体晶圆类似，但也不排除其他形状，例如大致的矩形、六角形，等等。一般来说，本文中的术语“晶圆”不应该理解为在形状方面有所限制。
附图说明
将在下文中结合附图详细描述本发明的原理以及其实施方式。在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。附图是示意性并且未按比例绘制。
图1和2示出了现有技术中的晶圆堆叠；
图3示出了通过将如图2所示的晶圆堆叠切割成独立元件而制造的相机模块；
图4-7示出了根据本发明的相机模块的实施方式；
图8示出了用于如图6所示的相机模块的晶圆堆叠；
图9示出了具有IR滤光片部分的透明晶圆的视图；
图10是替代布置的具有IR滤光片部分的透明晶圆俯视图；
图11是制造相机模块的方法的流程图。
具体实施方式
在所有的附图4-8中，示出的实施方式包括具有两个复制透镜3（或子透镜）的单个光学透明基板1，这两个透镜一起作为用于相机的传感器模块8的相机透镜。透明基板1通过间隔物5安装在相机模块8上。然而，参考这些附图所解释的教导也可用于包括两个或多个具有粘结到其表面上的一个或两个复制透镜（或其他光学装置）的基板的堆叠。
在所示实施方式中，构建的波长选择滤光片是IR滤光片。构建该IR滤光片的方法也可用于任意的承载IR滤光片或IR滤光片中的一个的基板，而不论基板是否是第一基板（从对象侧看）。如果IR滤光片应用到不同的基板，则教导可涉及这些基板中的一个或多个或者所有的基板。
首先，如图4所示的相机模块包括透明基板1、第一IR滤光片11.1以及第二IR滤光片11.2。第二IR滤光片位于基板面向间隔物5的表面上。铬光阑31环绕对象侧透镜并阻止光从除由透镜构成的光学***之外的其他路径进入相机。除了光阑之外，光学模块可具有用于防止光从其他侧向方向（相对于光轴30）进入相机的装置。
图4的实施方式以及下述几图中的实施方式包括可选的第二铬层32，其是环状的以与铬光阑一起形成屏障并使得间隔物5和基板1之间的界面不含铬。
在图中，铬光阑和屏障层被示为与其附着的支撑物（基板或IR滤光片）相距较小的距离。这仅仅是出于展示的目的，以清楚地将CR层和IR滤光片区分开来。当然，实际上，CR层将直接与支撑物接触。
在制造相机模块的过程中，第二IR滤光片11.2被构建成每个模块包括一个IR滤光片部分。其布置使得其不会从侧部到达切割位置，或者优选地，使得其不会延伸到间隔物5与基板1接触的区域。在这种方式中，间隔物5和基板之间的界面不含有IR滤光片材料。
尽管图4的实施方式解决了材料落入空腔23的问题，但由于晶圆堆叠（在切割前）中的第一IR滤光片11.1是连续的而第二IR滤光片不是连续的，因此可能导致一些驻留的晶圆弓。与现有技术相比，这种晶圆弓倾向可能减少，这是因为第一IR滤光片可能由于第二IR滤光片的存在而比单个IR滤光片薄。如果这种驻留的晶圆弓仍然是一个问题，则可以完全地消除连续的（在切割前）IR滤光片，并且可以使得余下的构建的滤光片相应地更厚，如图5所示。在图5的实施方式中，IR滤光片11位于基板面向间隔物的侧面。其构建使得基板和间隔物之间的界面不含IR滤光片材料。还可以将IR滤光片布置在基板背向间隔物且朝向对象的侧面，如图6所示。在图6的实施方式中，IR滤光片可以（但并不必须）侧向延伸超过间隔物晶圆中的通孔6，因为与晶圆/间隔物界面重叠不会具有IR滤光片重叠在光学晶圆的面向间隔物一侧的缺陷。同样在图6中，IR滤光片应该在晶圆级上基本上不连续，由独立的IR滤光片部分组成。
图7的实施方式在晶圆两侧的每一侧上包括IR滤光片部分11.1、11.2。因此，图7的实施方式是图5和图6的方法的组合。
图8示出了在切割前的图6的晶圆级上的实施方式。图8未示出铬层；大体上至少示出了具有用于每个相机模块的光阑开口的光阑层以及可选的另一具有开口的非透明层。图8-10中的虚线表示切割的位置。
图8示出了相邻相机模块的IR滤光片部分11彼此在晶圆级上不连续。此外，在所示实施方式中，IR滤光片部分不侧向地到达切割位置。
图9示出了用于图6和8的实施方式的光学晶圆。IR滤光片部分可以是圆形的，而光轴位于滤光片部分的中央。其他IR滤光片部分形状也是可能的，例如矩形或适于特定光学对称的形状，等等。
图10示出了图6、8和9的实施方式的变体，其中，滤光片部分11延伸至多个相机模块。更具体地，晶圆级上的每个滤光片部分都覆盖一组相邻的相机模块。在所示实施方式中，每个滤光片部分覆盖四个相机模块。同样在该实施方式中，滤光片部分不是连续的。只要滤光片部分延伸的程度在一定范围内，由于独立滤光片部分彼此之间间隔开的事实，晶圆弓的问题将被解决。
在所有的实施方式中，可具有下述特征：
-IR滤光片（或滤色镜）可以是本领域已知的IR滤光片（或滤色镜）类型，例如，IR滤光片（或滤色镜）可包括多个具有不同折射率的层。多个层可以包括交错的不同厚度的第一和第二层。举例来说，IR滤光片可以包括硅氧化物和钛氧化物层的序列。
-透明基板可以是玻璃晶圆或其他具有两个（举例来说）平坦的平行大表面的透明薄材料板。
-透镜可以是通过晶圆级UV复制制成的透镜，如在WO 2004/068 198、WO 2007/107025和其他各种其他文献中描述的那样。
-光阑和额外的不透明层（如果存在）可以由基于铬的层制成，如WO2009/076 787中描述的那样。
-间隔物可以是透明或不透明的，并且其可以由任何合适的材料制成，包括塑料（例如，如WO 2009/076 786中描述的间隔物类型那样）、玻璃、陶瓷、金属，等等。
一般而言，诸如材料成分的数量并非是实施本发明的关键，并且本领域技术人员将了解适于制造相机模块的材料成分的许多变体。
图11示出了本发明的实施方式的流程图。
尽管参考滤光片是IR滤光片的实施方式描述了本发明，但该教导也可以应用于其他波长选择滤光片的实施方式中。例如，滤光片部分可以是同色或不同色的滤色镜。在特定的实施方式中，滤光片可以是用于捕捉红色、绿色或蓝色的子影像的子相机的滤色片部分。子影像可以一起组合到彩色影像中。相比于现有技术的方法（其中，传感器自身由各自的滤色片覆盖），根据本发明的“滤色片”实施方式的方法的优势在于滤光片与传感器相距更远的距离。因此，与现有技术相比，滤光片上的细微缺陷（例如细小的划痕等）将几乎不成为问题，这是因为缺陷被光学装置所克服了，在光到达传感器之前，通过该光学装置引导光。
Claims (15)
1.一种在晶圆级上制造多个光学设备的方法，其中光学设备是具有传感器模块的相机模块或用于具有传感器模块的相机模块的光学模块，每个光学设备均限定光学路径，该方法包括下述步骤：
-提供第一晶圆级基板，该晶圆级基板包括透镜图案并且还包括波长选择滤光片，该滤光片被图案化以包括多个滤光片部分；
-提供晶圆级间隔物，其具有以对应于透镜图案的以孔图案布置的多个孔；
-将第一基板和间隔物彼此堆叠，其中孔和透镜对齐，并且滤光片部分的布置和尺寸使得各条光学路径穿过各自的滤光片部分，堆叠步骤产生晶圆级堆叠，及
-将晶圆级堆叠分割成光学设备。
2.如权利要求1的方法，在将晶圆级堆叠分割之前，还提供第二晶圆级基板并将该第二晶圆级基板和间隔物彼此堆叠。
3.如权利要求2的方法，其中，第二晶圆级基板是具有光学元件阵列的透明光学基板。
4.如权利要求2的方法，其中，第二晶圆级基板是包括传感器模块阵列的电光晶圆。
5.如权利要求3的方法，在分割步骤之前还包括：提供第二间隔物并将第二间隔物和晶圆级堆叠彼此堆叠。
6.如任一前述权利要求的方法，其中，滤光片位于第一基板面向对象侧且背向间隔物的表面。
7.如权利要求6的方法，其中，第一晶圆级基板包括第二滤光片，该第二滤光片在第一基板的第二表面上包括多个滤光片部分，其中，第二表面面向影像侧并面向间隔物。
8.如权利要求1-5中任一项的方法，其中，滤光片位于第一基板面向影像侧且面向间隔物的表面上。
9.如权利要求8的方法，其中，第一晶圆级基板在第一基板的面向对象侧且背向间隔物的表面上包括第二滤光片。
10.如任一前述权利要求的方法，其中，每个光学设备包括与其他光学设备的滤光片部分间隔开的一个滤光片部分或者在与沿着光束路径的传播方向相对应的方向上间隔开的多个滤光片部分，每个滤光片部分与其他光学设备的滤光片部分间隔开。
11.如任一前述权利要求的方法，其中，滤光片是红外滤光片，并且滤光片部分是红外滤光片部分。
12.一种晶圆级光学基板，包括具有两个基本上平坦的平行表面的光学透明材料的基板主体，还包括应用到所述表面中的第一表面的波长选择滤光片，该滤光片包括多个滤光片部分，这些滤光片部分彼此间相互间隔并且布置在阵列中。
13.一种相机，包括传感器模块和限定光轴的光学***，该相机包括至少一个间隔物以及光学***的至少一个透明基板，该基板承载光学元件，其中，传感器模块、间隔物和具有光学元件的基板相对于光轴垂直堆叠，至少一个滤光片附着到基板上，基板具有与光轴垂直的第一区域，滤光片具有小于第一区域的第二区域，并且由光学***和传感器模块限定的光学路径穿过该滤光片。
14.如权利要求13的相机，其中，光学***还包括由不透明层中的孔形成的光阑。
15.如权利要求13或14的相机，其中，滤光片是红外滤光片。
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