光学元件和晶圆级光学模块的制作方法

1.本发明是涉及光学元件和光学模块，尤其涉及光学元件和晶圆级光学模块。


背景技术：

2.近年来，随着模块微型化的需求以及电子产品低价化的趋势，晶圆级模块(wlm)技术引起了人们的关注。晶圆级模块技术主要是利用晶圆级制造技术来最小化电子产品的体积并降低其成本。举例来说，相较于传统的镜头模块，采用上述技术所制造的晶圆级光学(wlo)镜头模块可具有较小的体积，且适于应用在例如智能手机、平板电脑等可携式电子产品的相机模块中。
3.然而，随着人们对于电子产品的光学功能性的需求不断增长，晶圆级光学模块所配置的光学组件(例如，点阵投影器、泛光照明器和近接感测器)数量势必增加。也因此，增加了晶圆级光学模块的结构复杂性，致使晶圆级光学模块的微型化变得更加困难。


技术实现要素：

4.本发明的其中一个目的在于提供一种具有多功能的光学元件。
5.本发明的另一个目的在于提供一种具有高整合度及功能性较佳的晶圆级光学模块。
6.本发明的光学元件，包括基板、第一光学膜层和第二光学膜层。第一光学膜层和第二光学膜层设置在基板的至少一侧，并且形成在基板上。第一光学膜层具有背离基板的第一表面和设置在第一表面上的多个第一光学微结构。第二光学膜层具有背离基板的第二表面和设置在第二表面上的多个第二光学微结构。第一光学微结构在基板上的正交投影不重叠于第二光学微结构在基板上的正交投影。
7.在本发明的一实施例中，上述的光学元件的基板具有彼此相对的第一侧和第二侧。第一光学膜层和第二光学膜层分别设置在基板的第一侧和第二侧。
8.在本发明的一实施例中，上述的光学元件还包括缓冲层。缓冲层设置在基板和第二光学膜层之间。
9.在本发明的一实施例中，上述的光学元件的缓冲层在基板上的正交投影不重叠于这些第一光学微结构在基板上的正交投影。
10.在本发明的一实施例中，上述的光学元件还包括折射率匹配层，设置在基板和第一光学膜层之间。
11.在本发明的一实施例中，上述的光学元件的折射率匹配层在基板上的正交投影不重叠于这些第二光学微结构在基板上的正交投影。
12.在本发明的一实施例中，上述的光学元件的第一光学膜层在基板上的正交投影不重叠于第二光学膜层在基板上的正交投影。
13.在本发明的一实施例中，上述的光学元件的第一光学膜层和第二光学膜层位于基板的同一侧。第一光学膜层位于基板和第二光学膜层之间。这些第一光学微结构为多个凸
起结构，且这些第二光学微结构为多个凹陷结构。
14.在本发明的一实施例中，上述的光学元件还包括折射率匹配层，设置在基板和第一光学膜层之间。
15.在本发明的一实施例中，上述的光学元件还包括缓冲层，设置在基板和第二光学膜层之间。
16.本发明的一晶圆级光学模块包括光学元件和光发射器。光学元件包括基板、第一光学膜层和第二光学膜层。第一光学膜层和第二光学膜层设置在基板的至少一侧，并形成在基板上。第一光学膜层具有背离基板的第一表面和设置在第一表面上的多个第一光学微结构。第二光学膜层具有背离基板的第二表面和设置在第二表面上的多个第二光学微结构。这些第一光学微结构在基板上的正交投影不重叠于这些第二光学微结构在基板上的正交投影。光发射器具有至少两个发光元件。光学元件设置在光发射器的光路上。至少两个发光元件的其中一者重叠于这些第一光学微结构，且至少两个发光元件的其中另一者重叠于这些第二光学微结构。
17.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块的至少两个发光元件是垂直共振腔面射型激光阵列。
18.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块还包括控制电路板。控制电路板电连接至少两个发光元件。这些发光元件可被控制电路板独立地控制。
19.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块的基板具有彼此相对的第一侧和第二侧。第一光学膜层和第二光学膜层分别设置在基板的第一侧和第二侧。
20.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块的第一光学膜层在基板上的正交投影不重叠于第二光学膜层在基板上的正交投影。
21.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块还包括折射率匹配层和缓冲层。折射率匹配层设置在基板和第一光学膜层之间。缓冲层设置在基板和第二光学膜层之间。
22.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块的缓冲层在基板上的正交投影不重叠于这些第一光学微结构在基板上的正交投影。
23.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块的折射率匹配层在基板上的正交投影不重叠于这些第二光学微结构在基板上的正交投影。
24.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块的第一光学膜层和第二光学膜层位于基板的同一侧。第一光学膜层位于基板和第二光学膜层之间。这些第一光学微结构是多个凸起结构。这些第二光学微结构是多个凹陷结构。
25.在本发明的一实施例中，上述的晶圆级光学模块还包括折射率匹配层和缓冲层。折射率匹配层设置在基板和第一光学膜层之间。缓冲层设置在第一光学膜层和第二光学膜层之间。
26.基于上述，在根据本发明的一实施例的光学元件和晶圆级光学模块中，两个光学膜层设置在基板的至少一侧并且形成在基板上，从而可以有效地缩减光学元件的整体厚度。另一方面，每个光学膜层具有多个光学微结构。其中一个光学膜层的光学微结构不重叠于另一个光学膜层的光学微结构，从而使光学元件具有更多的光学功能。也因此，可以提高晶圆级光学模块的整合度。
27.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图
作详细说明如下。
附图说明
28.图1是根据本发明的第一实施例的晶圆级光学模块的示意性截面图。
29.图2是图1中的晶圆级光学模块的示意性俯视图。
30.图3是根据本发明的第二实施例的光学元件的示意性截面图。
31.图4是根据本发明的第三实施例的光学元件的示意性截面图。
32.图5是根据本发明的第四实施例的光学元件的示意性截面图。
33.图6是根据本发明的第五实施例的光学元件的示意性截面图。
34.图7是根据本发明的第六实施例的光学元件的示意性截面图。
35.图8是根据本发明另一实施例的晶圆级光学模块的示意性截面图。
36.图9是图8中的晶圆级光学模块的示意性俯视图。
37.附图标记如下：
38.1、2:晶圆级光学模块
39.100、100a、100b、100c、100d、100e:光学元件
40.101:基板
41.101a:第一侧
42.101b:第二侧
43.110、110a:第一光学膜层
44.110s:第一表面
45.120、120a、120b:第二光学膜层
46.120s:第二表面
47.125、125a、125b:缓冲层
48.135、135a:折射率匹配层
49.200、200a:光发射器
50.210:控制电路板
51.220、221、222、220a、221a、221b、222a、222b:发光元件
52.230:接垫
53.240:接合线
54.e1:第一电极
55.e2:第二电极
56.es:外延结构
57.ea1、ea2、ea11、ea12、ea21、ea22:出光孔
58.lb1、lb2、lb11、lb12、lb21、lb22:光束
59.ms1:第一光学微结构
60.ms2:第二光学微结构
61.or1:第一光学区域
62.or2:第二光学区域
63.x、y、z:方向
具体实施方式
64.在下列较佳实施例的详细描述中，参考了构成实施例一部分的所附附图，并且，在附图中，以示出可以实践本发明的特定实施例的方式来呈现。在这方面，方向性术语诸如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”等是参考所描述的附图的方向来使用的。本发明的部件可以许多不同的方向定位。如此一来，方向性术语是用于说明的目的，绝不是限制性的。另一方面，附图仅是示意性的，并且为了清楚起见可能放大了部件的尺寸。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构上的改变。另外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及其他项目。除非另有限制，否则本文中的术语“连接”、“耦接”和“安装”及其变体被广义地使用，并且涵盖直接的和间接的连接、耦接和安装。同样地，本文中的术语“面对”、“面向”及其变体被广义地使用并涵盖直接的和间接的面对，并且，本文中的“相邻于”及其变体被广义地使用并涵盖直接的和间接的“相邻于”。因此，本文中面向“b”组件的“a”组件的描述可能包含“a”组件直接面对“b”组件或有一个或多个其他组件位于“a”组件和“b”组件之间的情况。此外，本文中“邻近”“b”组件的“a”组件的描述可能包含以下情况：“a”组件直接“邻近”“b”组件或是有一个或多个其他组件在“a”组件与“b”组件之间。因此，本质上将附图以及描述认为是说明性的而不是限制性的。
65.图1是根据本发明的第一实施例的晶圆级光学模块的示意性截面图。图2是图1中的晶圆级光学模块的示意性俯视图。特别说明的是，为了清楚呈现及说明起见，图2省略了图1的第一电极e1、第二电极e2、外延结构es、控制电路板210、接垫230和接合线240的示出。
66.请参照图1和图2，晶圆级光学模块1包括光学元件100和光发射器200。光学元件100设置在光发射器200的光路上。具体地说，光发射器200具有多个出光孔，例如，出光孔ea1和出光孔ea2。光学元件100与这些出光孔重叠。举例来说，在本实施例中，光学元件100具有第一光学区域or1和第二光学区域or2。应注意的是，第一光学区域or1和第二光学区域or2分别重叠于光发射器200的出光孔ea1和出光孔ea2。
67.详细而言，光学元件100包括基板101、第一光学膜层110和第二光学膜层120。在本实施例中，基板101具有彼此相对的第一侧101a与第二侧101b，且第一光学膜层110和第二光学膜层120分别设置在基板101的第一侧101a与第二侧101b。据此，可有效地缩减光学元件100的整体厚度。然而，本发明不限于此。在其他实施例中，两个光学膜层也可以设置在基板101的同一侧。基板101的材料包括玻璃、石英或聚合物材料(例如，聚碳酸酯、聚酰亚胺或丙烯酸)，但本发明不以此为限。第一光学膜层110和第二光学膜层120的材料包括光固化材料(例如，紫外线固化树脂)、热固化材料或其组合，但本发明不以此为限。
68.进一步而言，第一光学膜层110具有背离基板101的第一表面110s和设置在第一表面110s上的多个第一光学微结构ms1。第二光学膜层120具有背离基板101的第二表面120s和设置在第二表面120s上的多个第二光学微结构ms2。值得注意的是，在本实施例中，光学元件100的第一光学区域or1是由第一光学微结构ms1所定义出，光学元件100的第二光学区域or2是由第二光学微结构ms2所定义出。
69.举例来说，本实施例的第一光学微结构ms1是从第一表面110s凸出的条状图案(即，第一光学微结构ms1是多个凸起结构)。这些条纹图案沿着方向x设置并且在方向y上延
伸，其中方向x相交于方向y。然而，本发明不限于此。根据其他实施例，第一光学微结构ms1在第一表面110s上的正交投影可以是同心圆图案。在本实施例中，在方向x上的条状图案的宽度或相邻的两条状图案之间的间距可以在0.2微米至200微米的范围内，但本发明不以此为限。
70.另一方面，第二光学微结构ms2是从第二表面120s凹陷的凹透镜结构(即，第二光学微结构ms2是多个凹陷结构)。这些凹透镜结构在第二表面120s上的正交投影轮廓为圆形。第二光学微结构ms2沿方向x和方向y排列成多行和多列。也就是说，第二光学微结构ms2以阵列形式排列在第二表面120s上，但本发明不以此为限。根据其他实施例，第二光学微结构ms2也可以蜂巢状的方式设置。在本实施例中，凹透镜结构的宽度或相邻的两凹透镜结构之间的间距可以在10微米至100微米的范围内，但本发明不以此为限。
71.在本实施例中，第一光学膜层110的第一光学微结构ms1的形成可以通过在热固化胶层上的热压成型工艺来进行，而第二光学膜层120的第二光学微结构ms2的形成可以通过在光固化胶层上的压印工艺来进行。热固化胶层和光固化胶层的涂覆工艺可包括喷涂(spraying)工艺、旋涂(spin-coating)工艺或涂布(dispensing)工艺。然而，本发明不限于此。在其他实施例中，第一光学膜层110的材料和第二光学膜层120的材料也可根据光学元件的实际光学设计及/或工艺需求而调整为相同。应当理解的是，第一光学膜层110和第二光学膜层120的形成方法也可根据光学膜层的材料选择和光学微结构的实际设计条件进行调整。
72.需说明的是，在图2的实施例中，第一光学微结构ms1的数量和第二光学微结构ms2的数量分别是以五个和九个为例进行示范性地说明，并不表示本发明以附图公开内容为限制。在其他实施例中，第一光学微结构ms1的数量和第二光学微结构ms2的数量也可以根据光学元件的实际设计需求而调整。
73.光发射器200包括控制电路板210和两个发光元件220(例如，发光元件221和发光元件222)。这些发光元件220设置在控制电路板210上并且电耦合至控制电路板210。控制电路板210具有多个接垫230，且这两个发光元件220各自通过接合线240电连接到接垫230。应注意的是，这些发光元件220可被控制电路板210独立地控制。需说明的是，在本实施例中，发光元件220的数量是以两个为例进行示范性地说明，并不表示本发明以附图公开内容为限制。在其他实施例中，发光元件220的数量也可根据实际的光学设计而调整为两个以上。
74.详细而言，发光元件220具有第一电极e1、第二电极e2和外延结构es。第一电极e1和第二电极e2分别设置在外延结构es的相对两侧。在本实施例中，第一电极e1可以是环形结构，并定义出光发射器200的出光孔。举例来说，发光元件221的第一电极e1和发光元件222的第一电极e1可分别定义出出光孔ea1和出光孔ea2。发光元件221和发光元件222可被控制电路板210独立地控制并分别发出光束lb1和光束lb2。
75.自出光孔ea1射出的光束lb1被传递至第一光学微结构ms1。自出光孔ea2射出的光束lb2被传递至第二光学微结构ms2。从另一观点来说，光学元件100的第一光学区域or1(或第一光学微结构ms1)不能被从出光孔ea2出射的光束lb2照射，且光学元件100的第二光学区域or2(或第二光学微结构ms2)不能被从出光孔ea1出射的光束lb1照射。
76.值得注意的是，通过第一光学微结构ms1在基板101上的正交投影不重叠于第二光学微结构ms2在基板101上的正交投影，可使光学元件100具有更多的光学功能。也因此，还
可提升晶圆级光学模块1的整合度(integration degree)。
77.举例来说，第一光学膜层110的第一光学微结构ms1可作为绕射光学元件(doe)，且发光元件221和第一光学微结构ms1的组合可以是泛光照明器(flood illuminator)。另一方面，第二光学膜层120的第二光学微结构ms2可作为复眼透镜(fly-eye lens)，且发光元件222和第二光学微结构ms2的组合可以是点阵投影器(dot projector)。也就是说，本实施例的晶圆级光学模块1可以是3d感测器模块，但本发明不以此为限。
78.在本实施例中，发光元件220可以是垂直共振腔面射型激光(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)。在其他实施例中，两个以上的发光元件220可以形成vcsel阵列。然而，本发明不限于此。根据其他实施例，发光元件220也可以是微发光二极管(micro-led)或次毫米发光二极管(mini-led)。
79.在本实施例中，发光元件200的外延结构es彼此连接。也就是说，发光元件221的外延结构es和发光元件222的外延结构es可以形成在同一个外延基板(例如，gaas基板或蓝宝石基板)上，但本发明不以此为限。
80.在下文中，提供了其他实施例来详细地解释本发明，其中，相同的部件将由相同的元件符号来表示，并且将省略对相同技术内容的描述。对于省略的部分，请参考前述实施例，而不在下文中赘述。
81.图3是根据本发明的第二实施的光学元件的示意性截面图。请参照图3，本实施例的光学元件100a与图1的光学元件100之间的差异在于：光学元件的组成不同。在本实施例中，光学元件100a还包括折射率匹配层135和缓冲层125。折射率匹配层135设置在基板101和第一光学膜层110之间。缓冲层125设置在基板101和第二光学膜层120之间。由于第一光学膜层110具有高折射率(例如，折射率大于1.7)，因此可通过折射率匹配层135的设置来抑制光束(如图1的光束lb1与光束lb2)在基板101与第一光学膜层110之间的界面反射。在本实施例中，第一光学微结构ms1在方向x上的宽度或相邻的两个第一光学微结构ms1在方向x上的间距可小于1.5微米。
82.另一方面，通过缓冲层125的配置，可以提升光学元件100a在热循环测试(thermal cycle test)下的可靠度。也就是说，可以增加光学元件100a对反复性热/冷冲击的耐受力。然而，本发明不限于此，在其他实施例中，光学元件100a也可以仅具有折射率匹配层135和缓冲层125中的一个。
83.图4是根据本发明的第三实施例的光学元件的示意性截面图。请参照图4，本实施例的光学元件100b与图3的光学元件100a之间的差异在于：光学元件的配置方式不同。在本实施例中，第二光学膜层120a和缓冲层125a在基板101上的正交投影不重叠于第一光学膜层110的第一光学微结构ms1在基板101上的正交投影。
84.举例来说，相较于图3的光学元件100a，本实施例的光学元件100b的制造流程还可包括激光切割步骤。在经由此激光切割步骤去除如图3中的第二光学膜层120重叠于第一光学区域or1(或第一光学微结构ms1)的部分后形成本实施例的第二光学膜层120a，但本发明不以此为限。应注意的是，在第二光学膜层120a的激光切割工艺中，如图3中的缓冲层125重叠于第一光学区域or1(或第一光学微结构ms1)的部分也一并被去除并形成本实施例的缓冲层125a。也就是说，缓冲层125a在第一表面110s的法线方向(例如方向z)上不重叠于第一光学膜层110的第一光学微结构ms1。
85.图5是根据本发明的第四实施例的光学元件的示意性截面图。请参照图5，本实施例的光学元件100c与图4的光学元件100b之间的差异在于：激光切割工艺的次数不同。在本实施例中，光学元件100c的制造流程还包括另一次的激光切割步骤。举例来说，在本实施例中，在经由另一次的激光切割步骤去除如图4中的第一光学膜层110重叠于第二光学区域or2(或第二光学微结构ms2)的部分后形成本实施例的第一光学膜层110a。
86.相似地，在经由此另一次的激光切割步骤去除如图4中的折射率匹配层135重叠于第二光学区域or2(或第二光学微结构ms2)的部分后形成本实施例的折射率匹配层135a。也就是说，折射率匹配层135a在第一表面110s的法线方向(例如方向z)上不重叠于第二光学膜层120a和缓冲层125a。
87.图6是根据本发明的第五实施例的光学元件的示意性截面图。请参照图6，本实施例的光学元件100d与图1的光学元件100之间的差异在于：光学元件的配置方式不同。在本实施例中，第一光学膜层110和第二光学膜层120b位于基板101的同一侧(例如第一侧101a)。第一光学膜层110位于基板101和第二光学膜层120b之间。另外，由于第一光学膜层110具有高折射率(例如，折射率大于1.7)，因此可通过折射率匹配层135的设置来抑制光束(如图1的光束lb1与光束lb2)在基板101与第一光学膜层110之间的界面反射。折射率匹配层135位于基板101和第一光学膜层110之间。
88.图7是根据本发明第六实施例的光学元件的示意性截面图。请参照图7，本实施例的光学元件100e与图6的光学元件100d之间的差异在于：光学元件的配置方式不同。具体而言，光学元件100e还包括缓冲层125b。缓冲层125b位于第一光学膜层110和第二光学膜层120b之间。值得一提的是，通过缓冲层125b的配置，可提高光学元件100e在热循环测试(thermal cycle test)下的可靠度。也就是说，可增加光学元件100e对反复性热/冷冲击的耐受力。
89.图8是根据本发明另一实施例的晶圆级光学模块的示意性截面图。图9是图8中的晶圆级光学模块的示意性俯视图。特别说明的是，为了清楚呈现及说明起见，图9省略了图8的第一电极e1、第二电极e2、外延结构es、控制电路板210、接垫230和接合线240的示出。
90.请参照图8和图9，本实施例的晶圆级光学模块2与晶圆级光学模块1之间的差异在于：光发射器的配置方式不同。具体而言，重叠于各光学区域的发光元件220a数量可多于图1中重叠于各光学区域的发光元件220数量。举例来说，在本实施例中，光发射器200a具有八个发光元件220a。一部分的发光元件220a(例如，发光元件221a和发光元件221b)重叠于第一光学区域or1，而另一部分的发光元件220a(例如，发光元件222a和发光元件222b)重叠于第二光学区域or2。从另一观点来说，第一光学区域or1和第二光学区域or2各自重叠于光发射器200a的四个出光孔。
91.由于本实施例的光发射器200a相似于图1的光发射器200。因此详细的说明请参考前述实施例的相关段落，于此不再赘述。举例来说，在本实施例中，出光孔ea11、出光孔ea12、出光孔ea21和出光孔ea22可分别由发光元件221a的第一电极e1、发光元件221b的第一电极e1、发光元件222a的第一电极e1以及发光元件222b的第一电极e1来定义。这些发光元件220a可被控制电路板210独立地控制并分别发射光束。
92.举例来说，自出光孔ea11发射的光束lb11以及自出光孔ea12发射的光束lb12被传递至第一光学微结构ms1的不同部分。同样地，自出光孔ea21发射的光束lb21以及自出光孔
ea22发射的光束lb22被传递至第二光学微结构ms2的不同部分。在本实施例中，光学元件100的第一光学区域or1和第二光学区域or2各自可被所选择的至少一发光元件220a局部地照射。因此，晶圆级光学模块2可以根据所要照射的物体或投影表面的位置来决定需被使能的发光元件220a数量以达到节能的效果。从另一观点来说，晶圆级光学模块2的操作灵活度也可获得改善。
93.综上所述，在根据本发明的一实施例的光学元件和晶圆级光学模块中，两个光学膜层设置在基板的至少一侧上并且形成在基板上，从而可以有效地缩减光学元件的整体厚度。另一方面，每个光学膜层具有多个光学微结构。其中一个光学膜层的光学微结构不重叠于另一个光学膜层的光学微结构，从而使光学元件具有更多的光学功能。也因此，可以提高晶圆级光学模块的整合度。
94.对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对所公开的实施例进行各种修改和变型。鉴于前述内容，旨在使本公开涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的修改和变型。