叠合光波导元件及其制备方法和头戴显示设备与流程

1.本技术涉及光波导组装技术领域，更具体地，本技术涉及一种叠合光波导元件及其制备方法和头戴显示设备。


背景技术：

2.光波导可以通过全反射压缩将图像传导至人眼成像，具有轻薄及透过率高的特点。目前的ar设备中多采用单层光波导片。但是，单层光波导片难以满足大视角或者高质量彩色图像的显示要求。因此，出现了多层光波导器件。
3.多层光波导器件是将至少两个光波导片叠设并胶合，任两个相邻的光波导片之间保持一定的空气间隔。在相关技术中，控制空气间隔的一种方式为在胶合光波导片时，在uv胶中掺杂特定尺寸的微珠(塑料/玻璃)，通过微珠控制空气间隔，但是空气间隔也就受到了微珠粒径尺寸的限制。特别是，当微珠的粒径尺寸较大时，可能会导致不同批次产品的空气间隔有较大的波动；同时，若微珠的粒径较大，胶水需要包裹微珠，则导致胶线的宽度较大，而且微珠的存在还会影响到胶线的外观及胶水的通透性，从而影响产品的光学性能。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供的一种叠合光波导元件及其制备方法和头戴显示设备的新技术方案，能精确控制空气间隔且对胶线的形貌有较好的控制。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种叠合光波导元件的制备方法，所述制备方法包括：
6.提供至少两个晶圆，所述晶圆包括波导区域及边缘区域，所述波导区域包括至少一个目标波导片，所述边缘区域形成有至少两个凸柱；
7.根据所述目标波导片的数量和排列位置，在所述晶圆上形成预分割路径；
8.将所述至少两个晶圆叠设形成叠合晶圆，任两个相邻的所述晶圆之间通过所述凸柱形成间隙；其中，任两个相邻的所述晶圆的所述目标波导片为一一对应，相对应的任两个所述目标波导片之间具有空气间隔且边缘之间通过胶线胶接；
9.沿所述预分割路径对所述叠合晶圆进行裂片处理，得到一个或者多个独立的叠合光波导元件。
10.可选地，所述晶圆包括相对设置的第一表面和第二表面；其中，通过研磨减薄所述第一表面至形成所述凸柱。
11.可选地，所述将至少两个所述晶圆叠设包括：
12.所述至少两个晶圆包括第一晶圆和第二晶圆；
13.将所述第二晶圆叠设于所述第一晶圆的第一表面；其中，所述第一晶圆上的凸柱的端部抵接于所述第二晶圆的第二表面。
14.可选地，所述至少两个晶圆还包括第三晶圆，将所述第三晶圆叠设于所述第二晶圆的第一表面；其中，所述第二晶圆的凸柱的端部抵接于所述第三晶圆的第二表面。
15.可选地，所述预分割路径为控制激光在所述晶圆上进行激光打点形成。
16.可选地，所述制备方法还包括：
17.在所述晶圆形成有所述凸柱的表面上，沿每个所述目标波导片的边缘轮廓进行点胶形成胶线；其中，所述胶线的高度大于所述凸柱的高度。
18.可选地，在对所述晶圆上的所述目标波导片进行点胶时，通过控制四轴机械手带动胶针同时对多个所述目标波导片同时进行点胶。
19.可选地，在所述形成叠合晶圆的步骤中，还包括将两个相邻的所述晶圆通过所述凸柱进行位置对位。
20.可选地，在所述形成叠合晶圆的步骤中，还包括对形成的所述叠合晶圆进行固化处理。
21.可选地，所述固化处理为：采用紫外光照射所述叠合晶圆，所述紫外光的功率密度小于600mw/cm2。
22.可选地，所述晶圆的边缘区域形成有四个凸柱，且所述四个凸柱呈两两相对设置。
23.第二方面，本技术实施例提供了一种叠合光波导元件，采用如上所述的制备方法制备而成；
24.所述叠合光波导元件包括至少两个叠设的所述目标波导片，且任两个相邻的所述目标波导片之间形成有空气间隔；其中，所述目标波导片上设有耦入区和耦出区。
25.第三方面，本技术实施例提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括如上所述的叠合光波导元件。
26.本技术的有益效果在于：
27.本技术实施例的叠合光波导元件，通过晶圆上形成的凸柱可起到高度限位的作用，如此可以精确控制胶合的两个波导片之间的空气间隔，且可使空气间隔的尺寸不受限制。与uv胶中掺杂微珠的方案相比，不会影响胶线的外观形貌，利于提升产品的良率及光学性能。
28.通过以下参照附图对本技术的示例性实施例的详细描述，本技术的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
29.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本技术的原理。
30.图1是本技术实施例的晶圆的俯视图；
31.图2是示出的晶圆的主视图；
32.图3是本技术实施例的晶圆具有一个目标波导片时形成的预分割路径的示意图；
33.图4是本技术实施例的晶圆具有多个目标波导片时形成的预分割路径的示意图；
34.图5是本技术一个实施例的叠合晶圆的主视图；
35.图6是本技术另一个实施例的叠合晶圆的主视图；
36.图7是图3示出的晶圆上形成胶线后的结构示意图；
37.图8是图4示出的晶圆上形成胶线后的结构示意图；
38.图9是本技术实施例的叠合光波导元件的结构示意图。
39.附图标记说明：
40.10、晶圆；11、第一表面；12、第二表面；20、凸柱；30、目标波导片；40、胶线；50、预分割路径；60、间隙。
具体实施方式
41.现在将参照附图来详细描述本技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。
42.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。
43.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
44.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
45.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
46.下面结合附图对本技术实施例提供的叠合光波导元件及其制备方法和头戴显示设备进行详细地描述。
47.本技术的实施例提供了一种叠合光波导元件的制备方法，所述制备方法至少包括如下的步骤110～步骤140：
48.步骤110、提供至少两个晶圆10，参见图1及图2，所述晶圆10包括波导区域及边缘区域，所述波导区域包括至少一个目标波导片30，在所述边缘区域上形成有至少两个凸柱20；
49.步骤120、根据所述目标波导片30的数量和排列位置，在所述晶圆10上形成预分割路径50，参见图3和图4；
50.步骤130、参见图5及图6，将所述至少两个晶圆10叠设形成叠合晶圆，任两个相邻的所述晶圆10之间通过所述凸柱20形成间隙60；其中，任两个相邻的所述晶圆10的所述目标波导片30为一一对应，相对应的任两个所述目标波导片30之间具有空气间隔且边缘之间通过胶线40胶接；
51.步骤140、沿所述预分割路径50对经所述步骤130形成的所述叠合晶圆进行裂片处理，即能够得到一个或者多个独立的叠合光波导元件，参见图9所示。
52.也就是说，本技术实施例的制备方法，其是将至少两个晶圆10叠设先形成一叠合晶圆，然后沿着每个晶圆10上形成的预分割路径50进行裂片处理，即可获得叠合光波导元件。这与现有技术中，先对晶圆进行切割，再将切割得到的光波导片叠设并胶接的制备顺序不同。本技术实施例提供的制备方法可以同时制得多个叠合光波导元件，利于提升生产效率及产品良率。
53.在所述步骤110中，可以根据晶圆10的实际尺寸值，确定其上的波导区域的尺寸，进而可以切割不同数量的波导片，切割的波导片即为上述的目标波导片30，可分别参见图3和图4。
54.在本技术的一个示例中，参见图3，图3示出的晶圆10的尺寸例如设计为4寸，在该晶圆10上设计可以分割出1个目标波导片30(1pcs)。
55.在本技术的一个示例中，参见图4，图4示出的晶圆10的尺寸例如设计为12寸，在该晶圆10上设计可以分割出9个目标波导片30(9pcs)。
56.可以看出，在本技术实施例中，提供的晶圆10的尺寸越大，则目标波导片30的数量会有所增加。但是，目标波导片30的数量也与目标波导片30自身的尺寸相关。
57.在所述步骤110中，所述晶圆10上形成的凸柱20的高度用于决定最终制得的所述叠合光波导元件中相邻两个目标波导片30之间的空气间隔。其中，凸柱20的高度可以根据具体需要灵活调整，因此并不会限制空气间隔的尺寸，使得空气间隔值的设计更为灵活，能满足更多的产品设计要求。
58.需要说明的是，当将晶圆10之间进行堆叠时，对于相邻的两个晶圆10：参见图5,和图6，位于上方的晶圆10与位于下方的晶圆10的凸柱20抵接，也即位于下方的晶圆10上的凸柱20可以支撑位于上方的晶圆10，为了实现稳定的支撑效果，在每个晶圆10上需要形成至少两个凸柱20，且至少两个所述凸柱20为相对设置。该设计也利于后续的胶合压合操作。
59.在所述步骤120中，参见图3和图4，可以根据所述目标波导片30的数量和排列位置，在所述晶圆10上形成预分割路径50。可以理解的是，在该步骤120中只是形成为了后续裂片处理方便的预分割路径，在该步骤120中并不对晶圆10进行分割处理。
60.需要说明的是，预分割路径50与晶圆10的尺寸以及目标波导片30在晶圆10上的数量和排布方式相关。图3和图4仅为预分割路径50的两种实施例的示意图，可以根据具体情况灵活规划预分割路径50，本技术实施例中对此不做限制。
61.在所述步骤130中，将晶圆10之间进行了堆叠，目的在于得到叠合晶圆(也即多层晶圆结构)。为了解释清楚，结合图5，以两个晶圆10堆叠为例进行说明，但本技术实施例提供的方案并不限于两个晶圆10堆叠，可参考图6所示。
62.参见图5，将两个晶圆10层叠设置，在每个所述晶圆10的边缘区域均形成有至少两个凸柱20，两个晶圆10之间通过所述凸柱20形成间隙60，这两个晶圆10上的目标波导片30为一一对应关系，在该情况下，两个晶圆10上的预分割路径50也为相对应的关系。这利于后续直接进行裂片处理而得到叠合光波导元件，可以提高产品良率。
63.可选的是，可以将晶圆10放置在叠合设备的载台上进行堆叠。
64.可选的是，可通过机械手搭配吸嘴进行晶圆的取放。
65.本技术实施例的叠合光波导元件，通过晶圆10上形成的凸柱20可起到高度限位的作用，如此可以精确控制胶合的两个波导片之间的空气间隔，且可使空气间隔的尺寸不受限制。与uv胶中掺杂微珠的方案相比，不会影响胶线的外观形貌，利于提升产品的良率及光学性能。
66.在本技术的一些示例中，参见图1和图2，所述晶圆10包括相对设置的第一表面11和第二表面12；其中，通过研磨减薄所述第一表面11至形成所述凸柱20。
67.例如，对所述晶圆10的第一表面11的边缘进行研磨处理，以减薄所述第一表面11边缘区域的厚度，如此可以形成具有设定高度的凸柱20。凸柱20的高度尺寸易于精确调整，这对于精确控制叠合光波导元件的空气间隔非常有利。可以使得空气间隔的尺寸不受限制。
68.需要说明的是，凸柱20的数量、形状及尺寸可以根据晶圆10的尺寸进行调整。
69.可选的是，参见图1，所述晶圆10的边缘区域形成有四个凸柱20，且所述四个凸柱20呈两两相对设置。形成的叠合晶圆的稳定性好。
70.其中，所述凸柱20例如为图1中示出的立方体状。
71.在本技术的一些示例中，所述将至少两个所述晶圆10叠设包括：
72.参见图1，所述至少两个晶圆10包括位于上方的第一晶圆和位于下方的第二晶圆；将所述第二晶圆叠设于所述第一晶圆的第一表面11；其中，所述第一晶圆上的凸柱20的端部抵接于所述第二晶圆的第二表面12。如此可制作出两层波导结构。
73.如此，所述第一晶圆与所述第二晶圆之间可以通过所述第一晶圆上的凸柱20形成一定的间隙60，而所述第一晶圆和所述第二晶圆上均有目标波导片30，这样目标波导片30之间层叠胶合时可以很好的控制二者之间的空气间隔。
74.在本技术的一些示例中，所述至少两个晶圆10还包括第三晶圆，将所述第三晶圆叠设于所述第二晶圆的第一表面11；其中，所述第二晶圆的凸柱20的端部抵接于所述第三晶圆的第二表面12。如此可制作出三层波导结构。
75.需要说明的是，本技术实施例提供的方案包括但不限于制作上述的两层波导结构或者三层波导结构，当然，还可以制作出四层、五层或者更多层波导结构，本技术实施例中对此不做限制。但是，考虑到对光波导结构轻薄化的要求，通常应用的是两层波导结构或者三层波导结构。
76.在本技术的一些示例中，参见图3和图4，所述预分割路径50为控制激光在所述晶圆10上进行激光打点形成。这样，可以避免直接将目标波导片30直接从晶圆10上分割下来。
77.其中，可以采用激光器发射激光进行切割打点，根据不同尺寸的晶圆10切割不同数量的目标波导片30。
78.需要说明的是，对于不同厚度的晶圆10，在进行激光打点之前，需要调整激光器的高度以对焦。
79.例如，使用激光器发射椭圆激光光斑，光斑大小为2μm，打点间距为10μm，进行激光打点。当然，在实际进行激光打点时，可以根据晶圆10的厚度调整激光的参数，本技术实施例中对此不做限制。上述参数适用于大多数的叠合光波导元件生产需求，可以提高良率的同时，不会增加成本。
80.在本技术的一些示例中，所述制备方法还包括如下步骤：参见图7及图8，在所述晶圆10形成有所述凸柱20的表面(例如第一表面11)上，沿每个所述目标波导片30的边缘轮廓进行点胶形成胶线40。
81.其中，所述胶线40的高度大于所述凸柱20的高度。当将相对应的两个目标波导片30压合之后，可以将胶线40的高度压至与凸柱20的高度相同。
82.需要说明的是，本技术的实施例中，胶线40的宽度不会影响空气间隔的尺寸，因此胶线40的宽度可以灵活控制。同时，胶水中不含有微珠，这就不会影响到胶线的外观形貌，从而可提升最终产品的外观品质，且利于提升光学性能。
83.在本技术的一些示例中，在对所述晶圆10上的所述目标波导片30进行点胶时，通过控制四轴机械手带动胶针同时对多个所述目标波导片30同时进行点胶。
84.具体地，将晶圆10放置在叠合设备载台上，通过气控点胶控制器搭配防紫外线的
不锈钢胶针进行点胶(其中，胶针采用g23—g27之间型号，内径控制在0.2mm～-0.34mm之间)；将多枚胶针安装至例如四轴机械手上，用于实现多片目标波导片30同时点胶。这样，可以提升生产效率。
85.在本技术的一些示例中，在所述形成叠合晶圆的步骤中，还包括将两个相邻的所述晶圆10通过所述凸柱20进行位置对位。
86.通过对任两个相邻的晶圆10进行位置对位，可以保证这两个晶圆10上的目标波导片30一一对应，同时，也使得预分割路径50可以相对应。这利于步骤140中的裂片处理，从而利于顺利获得叠合光波导元件，可以提升生产效率的同时，提升良品率。
87.例如，采用视觉对位方式，通过相机识别凸柱20的外形轮廓，此时凸柱20同时承担对位时的定位作用。多层晶圆10通过凸柱20进行位置对位，从而确保产品整体的对位尺寸。
88.在本技术的一些示例中，在所述形成叠合晶圆的步骤中，还包括对形成的所述叠合晶圆进行固化处理。
89.可选地，所述固化处理为：采用紫外光照射所述叠合晶圆，所述紫外光的功率密度小于600mw/cm2。
90.对叠合晶圆进行紫外固化，固化条件与目标波导片30边缘点胶的胶水相互匹配。固化时，转移晶圆10的吸嘴离开叠合晶圆，依靠叠合晶圆的自重实现上下晶圆10通过凸柱20相接触。
91.本技术实施例提供了一种叠合光波导元件，采用如上所述的制备方法制备而成；
92.所述叠合光波导元件包括至少两个叠设的所述目标波导片，且任两个相邻的所述目标波导片之间形成有空气间隔；其中，所述目标波导片上设有耦入区和耦出区。
93.本技术实施例提供的光波导器件可应于例如ar设备。
94.本技术实施例还提供了一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括如上所述的叠合光波导元件。
95.可选的是，头戴显示设备可以包括增强现实眼镜和增强现实头盔中的一种，本技术实施例中对此不做限制。
96.上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。
97.虽然已经通过示例对本技术的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本技术的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本技术的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本技术的范围由所附权利要求来限定。