微光学器件的批量制造、相应的工具、以及最终结构

摘要

一种微光学元件包括：支撑基底(650)；微光学透镜(690)，其位于所述支撑基底的第一表面上的固化复制材料中；可选的第二微光学透镜(660)，其位于所述支撑基底的相背对的第二表面上；以及不透明材料(696、656)，其与所述微光学透镜对准且与所述微光学透镜重叠。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请与2007年4月23日提交的临时申请No.60/907,936相关，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及制造微光学器件。更具体地，本发明的实施例涉及微光学器件的批量制造、相应的工具和最终结构。

背景技术

可以利用复制过程或光刻过程实现包括微透镜的微光学器件的批量制造。复制过程可以包括注射成型法、热压法和紫外线压印法。微透镜可以为折射型、衍射型或其混合类型。通常，微透镜的结构尺寸使得必须考虑到光作为波的本质。

当前，需要批量制造更复杂的微光学器件，即诸如非球面透镜等具有更复杂光学规格(prescription)的微透镜、和/或具有与其相关联的附加特性的微透镜。

发明内容

因此，本发明的实施例涉及批量制造微光学器件的方法、相应的工具和最终结构，其基本上克服了由于相关技术的限制和缺点导致的一个或多个问题。

通过提供包括如下微光学元件可以实现上述和其他特征和优点中的至少一个，所述微光学元件包括：支撑基底、所述支撑基底的第一表面上的固化的复制材料中的微光学透镜、以及沿着竖直方向与所述微光学透镜对准且与所述微光学透镜重叠的不透明材料。

所述不透明材料适于用作所述微光学透镜的孔径光阑。所述微光学元件可以包括位于所述微光学透镜与所述支撑基底之间的由所述固化的复制材料形成的基层。

所述微光学元件可以包括与所述固化的复制材料中的所述微光学透镜分离开的特征。所述特征可以为间隔元件。

所述微光学元件可以包括位于所述微光学透镜和所述不透明材料之外的粘接剂层。所述微光学元件可以包括位于所述粘接剂层下方的固化的复制材料。

所述微光学元件可以包括所述支撑基底的第二表面上的固化的复制材料中的另一微光学透镜，所述第二表面与所述第一表面相对。

所述不透明材料可以位于所述微光学透镜的上表面上，或位于所述微光学透镜与所述支撑基底之间，和/或位于所述支撑基底的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相对。

通过提供如下用于复制波长可固化复制材料中的微光学透镜的复制工具，可以实现上述和其他特征和优点中的至少一个，所述复制工具包括：透明基底，其具有适于接触所述复制材料的第一表面；以及遮罩，其对于固化所述复制材料所用的波长而言是不透明的，所述遮罩位于所述透明基底的与所述第一表面相对的第二表面上，且适于至少使对应于所述微光学透镜的区域曝光，以使得能够透过所述透明基底固化所述复制材料。

所述遮罩可以从对应于所述微光学透镜的所述区域延伸。所述遮罩可以延伸到所述透明基底的边缘。所述遮罩可以曝光与对应于所述微光学透镜的所述区域分离开的区域。

所述透明基底可以为具有用于形成所述微光学透镜的负型结构特征的母板基底。所述透明基底可以为适于支撑所述微光学透镜的支撑基底。

通过提供如下用于对复制材料中的微光学透镜进行复制的复制工具，可以实现上述和其他特征和优点中的至少一个，所述复制工具包括：负型结构特征，其用于在母板基底上形成所述微光学透镜；以及沟槽，其位于所述母板基底中并环绕所述负型结构特征。

所述复制工具可以包括对于固化所述复制材料所用的波长而言不透明的遮罩，所述遮罩位于所述母板基底的与所述负型结构特征和所述沟槽相对的表面上，且适于至少遮挡对应于所述沟槽的区域。

通过提供如下批量制造微光学透镜的方法，可以实现上述和其他特征和优点中的至少一个，所述方法包括：在具有微光学凹透镜模子的基底上设置复制材料，平坦化所述复制材料，固化所述复制材料，从所述基底的上表面移除所述复制材料的至少一部分，以及蚀刻所述微光学凹透镜模子中的复制材料，从而形成微光学非球面透镜。

移除所述复制材料的至少一部分的步骤可以包括：移除所述复制材料的位于所述微光学凹透镜模子中的一部分。所述方法可以包括：在所述微光学非球面透镜模子中设置附加复制材料，使支撑基底与所述附加复制材料进行接触，固化所述附加复制材料以形成复制品，以及从所述基底与所述复制品一起移除所述支撑基底。

所述方法可以包括：控制所述附加复制材料的扩散。控制所述附加复制材料的扩散的步骤可以包括：使用分配笔供应所述附加复制材料，环绕所述微光学凹透镜模子设置间隔元件，和/或环绕所述微光学凹透镜模子设置沟槽。

平坦化所述复制材料的步骤可以包括：使加热的平晶与所述复制材料进行接触，所述加热的平晶具有足以使所述复制材料回流的温度。

通过提供如下制造微光学器件的方法，可以实现上述和其他特征和优点中的至少一个，所述方法包括：在支撑基底与具有用于形成微光学透镜的结构特征的母板基底之间设置复制材料，所述复制材料覆盖所述支撑基底上的不透明材料的至少一部分，对所述支撑基底和所述母板基底中的至少一个施加压力，固化所述复制材料以形成包括所述微光学透镜的复制品，以及移除包括所述不透明材料和所述复制品在内的所述支撑基底。

在施加压力之前，所述复制材料可以仅覆盖所述不透明材料的一部分，在施加压力之后，所述复制材料完全地覆盖所述不透明材料。

固化所述复制材料的步骤可以包括：透过所述母板基底提供光。所述母板基底可以包括PDMS和PTFE中的一者或多者。

通过提供如下制造微光学器件的方法，可以实现上述和其他特征和优点中的至少一个，所述方法包括：在支撑基底和具有用于形成微光学透镜的结构特征的母板基底之间设置复制材料，所述支撑基底和所述母板基底中的至少一个在与接触所述复制材料的表面相对的表面上设有遮罩，对所述支撑基底和所述母板基底中的至少一个施加压力，固化所述复制材料以形成包括所述微光学透镜的复制品，固化步骤包括透过设有所述遮罩的所述表面提供光，以及移除包括所述复制品在内的所述支撑基底。

所述遮罩可以包括两个分离开的不透明特征，且固化步骤还固化与所述微光学透镜分离开的突出部。所述遮罩可以对应于所述支撑基底上的切割路径。所述方法可以包括：移除在所述固化步骤中未固化的任何复制材料。

附图说明

通过参考附图详细地描述本发明的示例性实施例，对于本领域的普通技术人员而言，上述和其他特征和优点将变得更加明显，其中：

图1A至1C示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图2A至2B示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中图1C的后续阶段；

图3A至3B示出根据本发明的另一实施例的制造微光学元件的方法中图1C的后续阶段；

图4A至4D示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中图2B的后续阶段；

图5A至5C示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图6A至6C示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图7A至7E示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图8A至8E示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图9A至9C示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图9D示出图9C的平面图；

图9E为图9B的替代阶段的剖视图；

图9F示出图9C的替代阶段的剖视图；

图9G示出图9C的替代阶段的剖视图；

图10A至10D示出根据本发明的实施例的制造微光学元件的方法中的多个阶段；

图11A示出根据本发明实施例的可以在其上制成多个复制品的晶片以及设置在晶片上的复制材料的示意性平面图；

图11B示出图11A的示意性侧视图；以及

图11C示出待分离的多个复制品的示意性部分平面图。

具体实施方式

现在，参考附图说明本发明，图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以不同的形式实施，不应当认为本发明仅限于这里提出的实施例。恰恰相反，提供这些实施例是为了使本发明公开完全和完整，且将本发明的范围全面地传达到本领域的技术人员。

在图中，为了示例清晰，可能放大了层和区域的尺寸。此外要理解的是，当提到层或元件位于基底“上”时，该层或元件可以直接位于其他层或基底上，或者也可以存在中介层。在全文中，同样的附图标记指代同样的元件。

如下面详细所述，根据本发明的实施例的微光学器件的批量制造方法使得能够制成和/或复制非球面微光学透镜，和/或结合诸如间隔元件、对准特征、金属孔径、以及清除的切割路径等附加特征复制微光学透镜。

在本文中，“基底”可以为具有微光学透镜的单个晶粒，或可以包括具有相应多个透镜的多个晶粒。“切割路径”可以结合分离晶粒的任何适当方式使用，而不仅仅是切割。

复制材料可以为可变形而可固化的材料，例如，热可固化材料、或诸如紫外线(UV)可固化材料等光可固化材料。可以以不同的方式实现固化过程，例如包括通过UV曝光、或厌氧、化学、或热处理。复制材料的实例包括UV可固化聚合体、UV可固化单体、热塑料塑料、热固性塑料和复合材料，诸如溶胶-凝胶或FROM 128等。适当的复制技术包括UV压印法、热压法、纳米压印法等。

母板可以由能够为微光学器件提供充分的结构细节且对于多种用途而言充分耐用的各种材料制成。例如，母板可以由具有一定程度的弹性而具有足够的机械强度的材料制成，例如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚(四氟乙烯)(PTFE)，例如特氟龙。母板也可以由硬质材料制成，例如，镍合金等金属合金、硅或陶瓷。母板可以对固化所用复制材料所需的波长而言是不透明的，例如为金属或金属合金等，或者可以对上述波长而言是透明的，例如为PDMS、PTFE、硅等。

参考图1A，利用例如旋涂或丝网涂覆等方法用复制材料120涂覆母板基底110，该母板基底110具有根据已知方法形成在其中的凹透镜模子112。当充分厚的一层复制材料120设置在母板基底110上时，该层可以大致为平坦的。这样的厚层可能浪费材料且增加处理时间。然而，当复制材料120较薄时，复制材料可能不足够平坦的，如图1A所示，其中，复制材料120的上表面不平坦。如图1B所示，可以使加热的平晶130与复制材料120进行接触，从而使复制材料120回流，以形成平坦化的复制材料122。然后，如图1C所示，可以根据用于形成硬化的复制材料层124的特定复制材料的性质固化该平坦化的复制材料122。

然后，如图2A所示，可以移除该硬化的复制材料层124以仅留下填有复制材料126的凹透镜模子112。然后，如图2B所示，可以对该复制材料126进行反应性离子蚀刻至母板基底110中，以形成符合期望的光学规格的非球面凹透镜114。

可替代地，参考图3A，可以将硬化的复制材料124回蚀至母板基底110的上表面的下方，留下复制材料128部分地填充凹透镜模子112。然后，如图3B所示，可以对复制材料128进行反应性离子蚀刻至母板基底110，以形成符合期望的光学规格的非球面凹透镜116。

图2B或图3B所示的任一个光学元件可以如其原样使用，或者可以用作形成非球面凸透镜的非球面母板基底110’、110”。例如，如图4A所示，防粘层130可以设置在图2B的非球面母板基底110’上。然后，如图4B所示，例如使用精确沉积技术，例如使用分配笔，用复制材料140填充非球面母板基底110’中的非球面透镜114。参考图4B，可以利用压力和精确的对准使得支撑基底150与复制材料140进行接触，然后可以固化复制材料140以形成复制品160。然后，如图4C所示，在复制品160粘附到支撑基底150上的状态下，可以从母板基底110’移除复制品160。然后，如图4D所示，此复制品160可以如其原样使用，或者可以根据已知技术转移到支撑基底150中以形成成品光学元件170。

可以通过提供用于控制复制材料扩散的特征进一步实现对复制材料的沉积的控制。这可以允许使用更少的准确设定和/或透镜下方基层的被控高度。由于具有尽可能小的附加材料可以加速且简化转移，当将复制品转移到支撑基底中时，这种被控高度可能特别重要。

例如，如图5A和5B所示，母板基底210可以包括具有期望规格的凹透镜212和具有期望高度，即沿着Z方向延伸的间隔结构214。如图5B可以看出，此间隔结构214可以环绕凹透镜212。再次参考图5A，可以在母板基底210上设置防粘层230，且可以以由间隔结构214和凹透镜212确定的体积分配复制材料240。然后，如图5C所示，可以使得支撑基底250与复制材料240和间隔结构214进行接触，且可以固化复制材料240以形成包括基层的复制品260。然后，如图5D所示，在复制品260粘附到支撑基底250上的状态下，可以从母板基底移除复制品260。然后，此复制品260可以如其原样使用，或者可以根据已知技术转移到支撑基底250中以形成成品光学元件。

当要制造多个复制品时，可以通过光学设计、所用复制材料的粘度、以及相邻透镜之间的距离确定基层的高度和直径。在母板基底210上的间隔结构214可以对应于支撑基底250的切割路径，以使得当将支撑基底单独化时至少在支撑基底250的上表面上没有复制材料。

参考图6A至6C，当期望基本上不存在基层时，具有一定深度的沟槽314可以环绕母板基底310中的凹透镜模子312。沟槽314的深度和宽度可以根据待使用的材料的粘度、距凹透镜模子312的距离和基层的期望高度来确定。如图6A所示，可以在母板基底310上设置防粘层330，且复制材料340可以分散在凹透镜模子312中。然后，如图6B所示，可以使得支撑基底350与复制材料340和母板基底310进行接触。超过填充凹透镜模子312所需的复制材料量的复制材料340可以填充沟槽314。可以固化复制材料340以形成包括透镜362和间隔元件364的复制品360。然后，如图6C所示，在复制品360粘附到支撑基底350上的状态下，可以从母板基底310移除复制品360。然后，此复制品360可以如其原样使用，或者可以根据已知技术转移到支撑基底350中以形成成品光学元件。

如果沟槽314仅用作过量复制材料340的贮存器，则可以选择性地在母板基底310的背面上设置不透明材料，从而防止UV光到达沟槽314中的复制材料340，且可以透过母板基底310将复制材料340曝光。可替代地，可以选择性地在支撑基底350的背面上设置不透明材料，从而防止UV光到达沟槽314中的复制材料340，且可以透过支撑基底350将复制材料340曝光。

在图7A至7E中示出在复制透镜的同时复制用于支撑透镜复制品的支撑基底的表面上的突出特征的另一种方法。这里，复制材料440可以位于支撑基底450的上表面452上，且可以使得母板基底410与支撑基底450上的复制材料440进行接触，这里，母板基底410包括凸透镜模子412。支撑基底450的下表面454可以包括对用于固化复制材料440的波长不透明的遮罩456，例如，金属遮罩。然后，如图7C所示，可以透过支撑基底450固化复制材料440。然后，如图7D所示，可以移除母板基底410，留下固化的透镜460、固化的间隔元件462、以及与在支撑基底450的下表面454上的遮罩456对应的未固化部分464。然后，可以容易地移除这些未固化部分，仅留下透镜460和特征462。可以保留遮罩456作为成品元件，例如，遮罩456可以用作孔径光阑、对准特征等。

可替代地，如图8A所示，如果包括凸透镜模子512的母板基底510是由透明材料制成的，且透过母板基底510固化支撑基底550上的复制材料540，则可以在母板基底510的背面514上设置遮罩516。参考图8B，可以使得母板基底510与复制材料540进行接触，且可以透过母板基底510固化复制材料540。然后，如图8D所示，可以移除母板基底510，留下支撑基底550上的硬化的透镜560、以及与在母板基底510的背面514上的遮罩556对应的未固化部分564。然后，如图8E所示，可以容易地移除这些未固化部分564，仅留下透镜560。

如果不需要例如用于对准和/或间隔的突出特征，则遮罩516可以对应于透镜560的边缘。如图8E所示，通过容易地清除切割路径555，移除边缘处的复制材料540可以便于批量制造多个复制品，以使得其上具有多个复制品的基底的分离可以仅包括穿过支撑基底550进行分离，而不会影响复制品，如果由于分离过程中引起的应力导致复制品的材料从复制品延伸到切割路径中，则复制品可能分层。当然，用于提供具有突出特征或没有突出特征的任何构造的遮罩可以形成在母板和/或支撑基底上。

尽管图7A至8C示出的构造具有防止在特定位置处的一些复制材料固化的遮罩，但是遮罩可以设置在固化源与复制材料之间的任何位置，例如，在母板基底的与复制材料接触的一侧。

不透明的或光学吸收性的材料也可以夹在支撑基底与复制品之间，例如，当该材料将要提供孔径光阑时。当前，由于不透明材料可能干扰复制材料的固化，因此不透明材料通常在已复制透镜之后设置在透镜直径的外部。在任何实施例中使用的不透明的或光学吸收性的材料可以包括例如原聚酰亚胺(例如，来自DuPont电子的)、着色的(例如，黑色的)聚酰亚胺、另一种聚合物(例如，来自酿造科学专用材料(Brewer Science Specialty Materials)的PSKTM 2000)、黑铬、另一种金属、受阳极化处理的金属、干膜、陶瓷、着色的(例如黑色的)粘接剂、玻璃、硅、感光玻璃(例如，来自日本东京Hoya公司的Schott AG或PEG3的)等。可以以片的形式，即以固体形式设置这些不透明的或光学吸收性的材料，且穿孔、钻孔、或者以其它形式形成图案而不一定使用光刻技术。这些不透明材料可以为柔性的、共形的和/或沿着堆叠方向可压缩的，这可以有助于方便地将其固定到不是非常平坦的表面上，例如，具有表面粗糙度或部分地覆盖表面上的特征。可替代地，不透明材料可以旋涂、涂覆或层压到支撑基底或母板上。

如图9A和9B所示，包括凹透镜612的母板基底610可以对用于固化复制材料640的波长而言是透明的。复制材料640可以设置在支撑基底650上，在支撑基底650上包括不透明材料656。从图9A和9B中可以看出，复制材料640可以最初仅与不透明材料656的一部分接触，但在母板基底610已与复制材料640进行接触之后，复制材料640可以完全覆盖不透明材料。参考图9B，可以透过母板基底610固化复制材料640以形成包括透镜部分662的复制品660。参考图9C，可以移除母板基底610，可以环绕复制品660设置晶粒安装膜(DAF)670或其他粘接剂。

图9D示出图9C的平面图。如图所示，不透明材料656可以在复制品660的透镜部分662的周围形成环形孔径光阑，同时不延伸至DAF 670。将不透明材料656限制在此区域，即防止不透明材料延伸到切割路径中，可以有助于将微光学器件单独化，即可以简化分离成单个晶粒的过程且减少复制品660分层的可能性。然而，本实施例使得能够在设置复制材料640之前在支撑基底650上设置任何尺寸、形状和位置的孔径光阑。也如图9C和9D所示，复制品660可以在支撑基底650的上方延伸，例如包括在不透明材料的上方和DAF 670的下方延伸。然而，根据本发明的前面的实施例，可以在母板和/或支撑基底上使用遮罩，以消除DAF 670下方的复制品660，这可以进一步简化分离成单个晶粒的过程且减少复制品660分层的可能性。

图9E和9F示出根据实施例的可替代阶段。如图9E和9F所示，不透明材料656、696可以设置在支撑基底650的两侧，且可以夹在支撑基底650与在支撑基底650两侧的复制品660、690之间。如图9E所示，可以使用各个母板基底610、680形成复制品660、690，且可以透过各个母板基底610、680执行复制材料的固化以形成复制品660、690，从而不透明材料656、696不会干扰固化。同样地，可以使用适当的遮罩和母板基底610、680一起移除透镜部分662外部的复制材料。

作为另一种替代方式，如图9G所示，不透明材料658可以设置在支撑基底650的底部，即与透镜部分662相对。由于不透明材料658仍然沿着z方向与透镜部分662对准，因此仍然可以从上方固化复制材料以确保正确地形成透镜部分662。

在图10A至10D中示出另一种替代方式，其中，不透明材料位于复制透镜的上表面上。这可以允许更灵活地固化复制材料，即不用担心固化之前已存在的不透明材料的影响，且增加可用的复制材料。此外，缺少不透明材料可以便于双侧复制，例如，仅需要使支撑基底两侧的顶部印记和底部印记的彼此单次对准。

如图10A所示，支撑基底650的没有设置不透明材料656的第一表面上可以设有待被母板基底610压印的复制材料640，而支撑基底650的第二表面可以设有待被另一母板基底710压印的复制材料740。在所示的具体实例中，母板基底610包括凹透镜612，母板基底710包括凸透镜712，但实施例不限于此，而是可以使用任何母板基底。如果不使所有的复制材料740固化，则母板基底710可以包括不透明材料716。

然后，如图10B所示，可以使得母板基底610、710与各个复制材料640、740进行接触且固化以形成包括复制透镜660、760的双侧元件770。双侧元件770可以进一步降低用于例如光学头、相机等中的叠片的竖直高度。

然后，如图10C所示，复制元件660、760中的一个或两个可以设有，例如涂覆有例如金属等不透明材料，诸如铬、黑硅、受阳极化处理的铝。将不透明材料图案化的方式可以决定于例如所用的不透明材料、所用的复制材料、用于有效地移除不透明材料而不影响下面复制材料的蚀刻剂的可用性、适当剥离材料(即，该剥离材料允许移除一部分不透明材料而留下不透明材料固定到复制透镜上)的可用性等。例如，可以使用剥离法或蚀刻法，例如湿法蚀刻法。如果使用剥离材料，则该材料可以是允许用抗蚀显影剂而非溶剂剥离的任何材料。

在完成不透明材料680、780的适当图案化之后，如图10D所示，可以得到具有不透明材料图案682、782的成品元件772。同样地，不透明材料图案682、782仍然沿着z方向与透镜部分对准。

进一步需要注意的是，复制材料640、740可以相同或不同，因此，固化机理可以相同或不同，设置在其上的不透明材料680、780可以相同或不同，且不透明材料680、780的图案化可以相同或不同。

尽管上述实施例已示出例如使用注射器阵列将用于单个晶粒的复制材料作为各个块体(blob)提供，当在晶片级上进行制造时，用于全部晶粒的复制材料可以作为单个块体设置在晶片上。例如，如图11A和11B所示，晶片850可以具有设置在其上，例如设置在晶片850的中心处的复制材料840。复制材料840的高度和宽度决定于各种参数，例如所用复制材料的粘度、基底的材料。当使得母板基底与复制材料840进行接触时，复制材料840可以在整个晶片850的上方充分地扩散开以形成越过晶片850的单个的复制品。

图11C示出在已使得母板基底与晶片850进行接触且复制材料已固化之后根据本发明的任一实施例形成的多个复制品860的示意性部分平面图。如图所示，复制品860可以留在切割路径870之外，因此，当复制品860被单独化时，不会因为分离操作而直接受到应力。

这里，已披露了本发明的示例性实施例，尽管使用了特定的术语，但是这些术语仅在一般性和说明性意义下使用和解释，而不是出于限制的目的。相应地，本领域的普通技术人员可以理解，在不偏离如下权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化。