制造光学结构的制作方法

1.本公开涉及制造光学结构。


背景技术：

2.包括一个或多个光学光发射器和一个或多个光学传感器的光学设备可用于广泛的应用中，包括例如距离测量、接近度感测、手势感测和成像。诸如成像设备和光投影仪的小型光电模块采用光学配件，该光学配件包括沿着设备的光轴堆叠的透镜或其他光学元件，以实现期望的光学性能。复制光学元件包括用于影响光束的透明衍射和/或折射光学元件。在一些应用中，这种光电模块可以集成到各种消费电子产品中，例如便携式计算设备(例如，智能电话、平板电脑、可穿戴设备和膝上型计算机)。


技术实现要素：

3.本公开涉及制造光学结构，这种光学结构可以与其他光学结构堆叠以形成光电模块。
4.根据本公开的一个方面，提供了一种制造光学结构的方法，该方法包括：提供基础结构，该基础结构包括基板，该基板具有从基板的第一侧延伸的光学元件，将液体光致抗蚀剂分配到基础结构上；使用工具来形成所述液体光致抗蚀剂的层，其中所述层的高度通过将工具降低到高于所述基板的高度来控制；以及通过将所述液体光致抗蚀剂的一部分暴露于紫外光来由该液体光致抗蚀剂形成间隔物，其中该间隔物包括在该光学元件上方的中心孔。
5.本公开的实施例通过能够控制液体光致抗蚀剂的分配和工具的降低而有利地使得能够更自由地控制间隔物的厚度(高度)。这确保了间隔物高度的准确控制，并且避免了否则将需要的研磨“现成的”间隔物的昂贵且耗时的过程。
6.此外，与已知方法相比，制造过程被简化，因为在本公开的实施例中，不需要施加粘合剂层的步骤，否则当将“现成的”间隔物粘附到下面的基板时将需要施加粘合剂层的步骤。
7.间隔物在光学结构的制造期间形成，而不会在光学元件和间隔物之间引起机械干扰(例如，结构化玻璃“现成”间隔物将发生这种情况)，这使得设计者不必在确定间隔物的中心孔的尺寸时考虑间隔物和光学元件之间的潜在对准公差，条件是光学元件的光学功能不受这种未对准的损害。因此，当使用本文所描述的制造过程时，有利地减小了光学结构在径向方向上的尺寸(光学结构的宽度)。因此，可以减小所得到的最终光电模块的尺寸。
8.此外，间隔物使得能够限定其中要集成光学结构的光学系统的数值孔径。具体地，所选择的液体光致抗蚀剂可以由对要入射在光学元件上的光束的感兴趣的波长范围不透明的材料(例如，红外阻挡材料)制成。
9.在一些实施例中，基础结构包括围绕该光学元件的庭院(yard)，并且该方法包括将液体光致抗蚀剂分配到该庭院上。在这些实施例中，间隔物可以形成为覆盖庭院。该方法
可以附加地包括将液体光致抗蚀剂分配到光学元件的一部分上，并且间隔物形成为覆盖光学元件的所述部分。可替换地或附加地，该方法可以包括将液体光致抗蚀剂分配到基板上，并且其中间隔物形成为覆盖基板。
10.在一些实施例中，不存在庭院。在这些实施例中，该方法可以包括将液体光致抗蚀剂分配到光学元件的一部分上，并且间隔物形成为覆盖光学元件的所述部分。可替换地或附加地，该方法可以包括将液体光致抗蚀剂分配到基板上，并且间隔物形成为覆盖基板。
11.当光学结构与其他光学结构堆叠以形成光电模块时。光学结构中的每一个在径向方向上的减小的尺寸导致所得光电模块的减小的径向尺寸。这使得其中并入了光电模块的消费设备能够被制造得更小。
12.基板可以是“晶圆”，并且本文描述的实施例的制造方法可以包括在这样的晶圆上制造多个光学结构。每个光学结构在径向方向上的减小的尺寸导致每个晶圆上的光学结构的数量增加，从而提高制造效率。
13.液体光致抗蚀剂可以是负性光致抗蚀剂，并且形成所述间隔物可以包括：将紫外光仅暴露于液体光致抗蚀剂的所述部分以硬化光致抗蚀剂，其中光学元件上方的区域未暴露于紫外光以形成中心孔；以及去除剩余的未暴露的负性光致抗蚀剂。
14.可替换地，液体光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂，并且形成所述间隔物包括将紫外光至少暴露于所述光学元件上方的区域以限定间隔物的中心孔。
15.在一些实施例中，工具具有接触所述液体光致抗蚀剂的平坦下表面。这有利地提供了均匀平坦的光致抗蚀剂的层。
16.可替换地，该工具具有接触所述液体光致抗蚀剂的下表面，所述下表面包括用于限定间隔物的至少一个表面结构的至少一个复制区段。具体地，通过使工具具有复杂的形状，可以同时压印间隔物和光学元件，或者可以生产具有能够使堆叠在彼此顶部的光学结构居中的台阶的间隔物，或者用于与在较大系统中装配光学结构相关的其他机械目的。
17.优选地，工具由聚二甲基硅氧烷(pdms)制成。
18.基板的第一侧可以具有抗反射涂层。
19.中心孔可以是圆形的。在这些实施例中，中心孔可以具有1-2mm之间的直径。
20.根据本公开的另一方面，提供了一种光学结构，包括：基础结构，基础结构包括基板，基板具有从基板的第一侧延伸的光学元件；以及形成在基础结构上的间隔物，其中间隔物包括在光学元件上方的中心孔。
21.间隔物通过本文所描述的制造过程形成在基础结构上。因此，在基础结构和间隔物之间不存在粘合剂层。
22.基础结构可以包括围绕光学元件的庭院，并且间隔物可以形成为覆盖庭院。
23.在一些实施方式中，间隔物形成为覆盖基板。
24.在一些实施方式中，间隔物形成为覆盖光学元件的一部分。
25.根据下面描述的实施例，这些和其他方面将是显而易见的。本公开的范围不旨在受本发明内容的限制，也不旨在受必然解决所提到的任何或所有缺点的实施方式的限制。
附图说明
26.现在将仅通过示例并参考附图来描述本公开的一些实施例，附图中：
27.图1a示出了制造光学元件的已知复制过程；
28.图1b示出了已知的间隔物；
29.图2和图3示出了根据本公开的实施例的用于制造光学结构的过程；
30.图4a-图4d示出了光学结构包括庭院的实施例的间隔物变型；以及
31.图5a-图5c示出了光学结构不包括庭院的实施例的间隔物变型。
具体实施方式
32.现在将参考附图仅通过示例的方式描述实施例。
33.图1a示出了制造光学元件的已知复制过程，示出了通过工具102和基板106的横截面。工具102的优选材料是聚二甲基硅氧烷(pdms)，但是也可以使用其它材料。工具102包括复制表面，该复制表面包括一个或多个复制区段，每个复制区段的表面是待制造的光学元件的表面形状的(负)副本。复制区段可以是凸形的并且因此限定凹形光学元件表面，或者是凸形的并且限定凹形光学元件表面。
34.基板106具有第一上侧和第二下侧，并且可以是任何合适的材料，例如玻璃。图1a示出了形成从基板106的第一上侧延伸的光学元件110。如图1a所示，基板106具有从基板106的第二下侧延伸的光学元件108。
35.为了复制工具102的复制表面，将复制材料104(例如环氧树脂)施加到基板106、或工具102、或工具102和基板106两者。
36.在施加复制材料104之后，基板106和工具102相对于彼此对准。在对准之后，将基板106和工具102放在一起。一旦复制材料104已经硬化，就移除工具102。
37.在复制期间，当工具102和基板106(例如，玻璃)接触时，在喷射期间施加的多余复制材料或环氧树脂通常溢出感兴趣的区域并形成庭院112。庭院112通常是圆形形状。该圆形庭院112不执行任何光学功能，它是由于在复制过程期间添加的环氧树脂104比每个结构所需的多、从而导致溢出而产生的。额外的环氧树脂104确保特定结构所需的复制材料的全部体积是可用的(因为环氧树脂体积的公差不为零)，并且额外的流体汇集以形成庭院112。如图1a所示，庭院112具有环氧树脂弯月面114。通常，庭院112具有30-300μm的高度hy和200-400μm的宽度wy。
38.如图1b所示，已知将预制玻璃间隔物116定位到基板106的上表面上。玻璃间隔物116具有中心孔，光学元件可以延伸通过该中心孔。间隔物116上所示的垂直线示出了间隔物116的圆形孔与其壁之间的区别。通常，设计实践规定必须在间隔物的中心孔的内边缘和庭院之间留下一些间隙，以避免在未对准的情况下发生干涉。因此，无论是在标称情况还是在最坏情况未对准场景下，间隔物都不覆盖庭院112的上表面。使用粘合剂层(例如胶水)将玻璃间隔物116安装到基板。如图1b所示，基板106可以包括一个或多个孔。当基板106并入到包括光学传感器的光电模块中时，孔118用于使光穿过，使得光不入射在光学传感器上，以防止杂散光入射在光学传感器上。
39.现在参考图2和图3，其示出了根据本公开的实施例的用于制造光学结构300的过程200。
40.如图2所示，作为初始步骤s202，提供基础结构，其包括基板306，基板306具有从基板306的第一上侧延伸的光学元件308。基板306具有第一上侧和第二下侧，并且可以是任何
合适的材料，例如玻璃。基础结构可以由如上描述的复制过程形成。基板306的第一上侧优选涂覆有抗反射涂层。
41.本文提及的光学元件可以是透镜。应当理解，这仅仅是示例，并且光学元件可以是影响照射它们的光的任何元件，包括但不限于透镜、准直器、图案发生器、偏转器、反射镜、分束器、衍射棱镜、漫射器、微透镜阵列、用于将辐射分解成其光谱成分的元件等，及其组合。
42.虽然本文参考示出了从基板306的第一上侧延伸的光学元件308和从基板306的第二下侧延伸的另一光学元件310的图3描述了实施例，但这仅仅是示例。本文描述的光学结构的制造过程适用于具有从基板306的第一上侧延伸的单个光学元件308的基础结构，以及具有分别从基板306的第一上侧和第二下侧延伸的两个光学元件的基础结构。
43.此外，虽然本文参考示出了存在于基板306上的庭院312的图3描述了实施例，但是实施例也适用于由其上不存在庭院312的基板306制造光学结构。
44.在步骤s204处，将液体光致抗蚀剂分配到基础结构上。具体地，液体光致抗蚀剂被分配到至少基板306和光学元件308上。在存在庭院312的情况下，液体光致抗蚀剂也被分配到庭院312上。
45.在步骤s206处，工具302用于形成液体光致抗蚀剂的层。具体地，将工具降低到高于基板306的高度，该高度对应于间隔物318(其将由液体光致抗蚀剂形成)的期望高度。这确保了对间隔物318(其将由液体光致抗蚀剂形成)的高度的准确控制。
46.工具302可以包括接触间隔物部分(图3中未示出)。接触间隔物部分是工具302的向z方向突出最远的结构。接触间隔物部分基本上是平坦的，并且因此可操作以在步骤s206期间抵靠基板306，在接触间隔物部分与基板306之间没有材料。接触间隔物部分可以例如形成围绕工具302的下表面的周边的环，可以包括围绕周边的多个离散部分，或者可以包括分布在工具302的下表面的内部和/或周边的大部分上的多个离散部分。
47.工具302的优选材料是聚二甲基硅氧烷(pdms)，但是也可以使用其它材料。除了较软的材料部分(例如pdms)之外，工具302可以设置有刚性背板，由此该较软的材料部分将与液体光致抗蚀剂接触。图3中所示的工具302具有接触液体光致抗蚀剂的(例如pdms的)平坦下表面。当需要均匀平坦的光致抗蚀剂层时，这是有利的。在其他实施例中，工具302在接触液体光致抗蚀剂的整个下表面上并不平坦。例如，接触液体光致抗蚀剂的工具302的下表面可以包括用于限定间隔物的至少一个表面结构的至少一个复制区段。
48.在步骤s208处，通过将液体光致抗蚀剂的一部分暴露于紫外光314来由液体光致抗蚀剂形成间隔物318。工具302对紫外光是透明的。一旦形成间隔物318，这完成了光学结构300的制造，然后移除工具302。图3中所示的光学结构300仅仅是示例，并且从下文将理解，图3中所示的光学结构300的变型是可能的。
49.在一个示例中，在步骤s204分配到基础结构上的液体光致抗蚀剂是负性光致抗蚀剂。当使用负性光致抗蚀剂时，暴露于紫外光314导致液体光致抗蚀剂的化学结构聚合(硬化)并形成间隔物318，如图3所示。也就是说，紫外光314的暴露限于要形成间隔物318的光致抗蚀剂的特定区域。图3示出了形成为覆盖基板306、庭院312和光学元件308的一部分的间隔物318，如下面将更详细描述的，这仅仅是示例，并且其他变型是可能的。
50.当使用负性光致抗蚀剂时，光学元件308上方的区域未暴露于紫外光以形成中心
孔。然后去除剩余的未暴露的负性光致抗蚀剂316，例如通过用显影剂冲洗以去除未暴露的负性光致抗蚀剂，留下完整的间隔物结构。
51.在其他示例中，在步骤s204分配到基础结构上的液体光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂。当使用正性光致抗蚀剂时，紫外光314策略性地击中正性光致抗蚀剂的旨在去除的区域。紫外光314至少入射在光学元件上方的正性光致抗蚀剂的区域上，以限定间隔物的中心孔。从下面描述的间隔物变型中显而易见的是，应当理解，可以通过紫外光314额外地去除正性光致抗蚀剂的其他区域。
52.上面提到的间隔物318的中心孔可以是圆形形状的，然而其他形状也是可能的。在中心孔是圆形形状的实施例中，中心孔可以具有1-2mm之间的直径。
53.从上面可以看出，在过程200中不需要粘合剂层，这简化了制造过程。
54.在过程200中，可以通过光致抗蚀剂形成电接触。
55.在本文描述的实施例中，可以将多个晶圆一个堆叠在另一个的顶部上，然后将晶圆切割/单切成单独的配件(由多个堆叠的晶圆形成)。在这些实施方式中，优选的是确保在uv暴露和冲洗之后留下没有光致抗蚀剂的切割道。
56.现在参考可以使用上述过程200形成的间隔物的可能变型。在所有这些示例中，间隔物不干扰光学元件(例如透镜)的主动区(透镜的active region)。
57.图4a-图4d示出了光学结构包括庭院312的实施例的间隔物变型。在图4a-图4d中，间隔物318由实线表示。
58.图4a示出了第一间隔物变型。具体地，除了可以通过上述过程200形成的示例间隔物318的俯视图之外，还示出了基板306的俯视图。如图4a所示，在该示例中，间隔物形成为仅通过紫外光314的适当瞄准来覆盖(例如，包封)庭院312。应当理解，由于庭院312的圆形形状，图4a中所示的间隔物318是环形形状的，然而其他形状的庭院(以及因此间隔物)也是可能的。
59.图4b示出了第二间隔物变型。具体地，除了可以通过上述过程200形成的示例间隔物318的俯视图之外，还示出了基板306的俯视图。如图4b所示，在该示例中，间隔物形成为通过紫外光314的适当瞄准来覆盖(例如，包封)光学元件308的一部分以及庭院312。光学元件308的被间隔物318覆盖的部分是光学元件308的外圆周部分。应当理解，由于庭院312的圆形形状，图4a中所示的间隔物318是环形形状的，然而其他形状的庭院(以及因此间隔物)也是可能的。
60.图4c示出了第三间隔物变型。具体地，除了可以通过上述过程200形成的示例间隔物318的俯视图之外，还示出了基板306的俯视图。如图4c所示，在该示例中，间隔物形成为通过紫外光314的适当瞄准来覆盖(例如，包封)基板306和庭院312。
61.图4d示出了第四间隔物变型。具体地，除了可以通过上述过程200形成的示例间隔物318的俯视图之外，还示出了基板306的俯视图。如图4d所示，在该示例中，间隔物形成为通过紫外光314的适当瞄准来覆盖(例如，包封)基板306、庭院312以及还有光学元件308的一部分。光学元件308的被间隔物318覆盖的部分是光学元件308的外圆周部分。第四间隔物变型对应于图3中所示的变型。
62.在上述间隔物变型中，间隔物318覆盖至少庭院312的上表面，因此可以被认为是“吃庭院间隔物”，因为间隔物结构包围庭院312。在间隔物形成为至少覆盖庭院的实施例
中，有利地减小了光学结构300在径向方向上的尺寸。具体地，当上述技术已经用于在晶圆(基板)上制造多个光学结构时，每个光学结构的减小的径向尺寸导致晶圆上的光学结构的数量增加58％，从而提高制造效率。
63.图5a-图5c示出了光学结构不包括庭院312的实施例的间隔物变型。在图5a-图5c中，间隔物318由实线表示。
64.图5a示出了第五间隔物变型。具体地，除了可以通过上述过程200形成的示例间隔物318的俯视图之外，还示出了基板306的俯视图。如图5a所示，在该示例中，间隔物形成为仅通过紫外光314的适当瞄准来覆盖(例如，包封)基板306。在该示例中，间隔物318设置有中心开口，光学元件308可以延伸通过该中心开口。当形成间隔物318时，间隔物318的中心开口的内边缘可以邻接光学元件308。
65.图5b示出了第六间隔物变型，其与第五间隔物变型的不同之处在于，当形成间隔物318时，在间隔物318的中心开口的内边缘和光学元件308之间提供间隙。
66.图5c示出了第七间隔物变型。具体地，除了可以通过上述过程200形成的示例间隔物318的俯视图之外，还示出了基板306的俯视图。如图5c所示，在该示例中，间隔物形成为通过紫外光314的适当瞄准来覆盖(例如，包封)光学元件308的一部分以及基板306。光学元件308的被间隔物318覆盖的部分是光学元件308的外圆周部分。在间隔物形成为至少覆盖光学元件308的这种实施例中，有利地减小了光学结构在径向方向上的尺寸。
67.尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本公开，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够鉴于本公开进行修改和替代，这些修改和替代被认为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或示出的每个特征可以并入任何实施例中，无论是单独的还是以与本文公开或示出的任何其他特征的任何适当组合。
68.附图标记列表：
69.102 工具
70.104 复制材料
71.106 基板
72.108 光学元件
73.110 光学元件
74.112 庭院
75.114 环氧树脂弯月面
76.116 间隔物
77.118 孔
78.300 光学结构
79.302 工具
80.306 基板
81.308 光学元件
82.310 光学元件
83.312 庭院
84.314 紫外光
85.316 未暴露的负性光致抗蚀剂
86.318 间隔物