本申請要求2014年10月14日提交的美國臨時專利申請號62/063,532的優先權的權益。較早申請的公開內容以引用方式全文并入本文。

技術領域

本公開涉及光學元件堆疊組件。

背景技術：

各種光電子模塊被例如用于成像應用(諸如三維(3D)成像)或距離測量應用(諸如近接感測)。在一些應用中，光發射器組件可操作來發射結構化光學圖案，其可用于成像以及距離感測應用。結構化光可以導致投射到物體上的離散特征(即紋理)的圖案。物體所反射的光可以被引導回圖像傳感器，在所述圖像傳感器處感測所述光。感測信號可用于距離計算。在一些情況下，結構化光在立體成像應用中提供了用于匹配像素的附加紋理。

在一些模塊中，光學元件諸如衍射光學元件(DOE)被引入到由光源發射的光的路徑中，所述光源諸如垂直腔面半導體發射激光器(VCSEL)或VCSEL陣列。DOE可用于創建結構化光圖案。它還可以促進放大由VCSEL或其他光源產生的結構化光圖案。

技術實現要素：

本公開描述了可以例如通過晶片級方法制造的光學元件堆疊組件。

例如，在一個方面中，制造堆疊組件的晶片級方法包括將第一晶片附接到第二晶片以便形成晶片子堆疊。第一晶片或第二晶片中的至少一個在其表面上具有光學元件。附接第一晶片和第二晶片，使得每個光學元件設置在第一晶片與第二晶片之間。方法還包括將間隔件晶片附接到晶片子堆疊以便形成晶片堆疊，以及將晶片堆疊分成堆疊組件，每個所述組件包括至少一個光學元件。

在另一方面中，制造堆疊組件的晶片級方法包括提供第一晶片和第二晶片，其中第一晶片或第二晶片中的至少一個在其表面上具有光學元件。方法包括使用單真空注射技術，以便在第二晶片的相對表面上形成上間隔件和下間隔件。方法還包括將第一晶片附接到第二晶片以便形成晶片堆疊?？梢愿浇拥谝痪偷诙沟妹總€光學元件設置在第一晶片與第二晶片之間。然后可以將晶片堆疊分成堆疊組件，每個所述組件包括至少一個光學元件。

在又另一方面中，制造堆疊組件的晶片級方法包括提供第一晶片和第二晶片，其中第一晶片或第二晶片中的至少一個在其表面上具有光學元件。方法包括將第二晶片附接到帶材，并且將第二晶片分成單一化基底。將單一化基底放置到真空注射工具中，以便在單一化基底的相對表面上形成上間隔件和下間隔件。將第一晶片附接到單一化基底以便形成堆疊，使得每個光學元件設置在第一晶片與一個單一化基底之間。然后，將堆疊分成堆疊組件，每個所述組件包括至少一個光學元件。

本公開還描述了一種堆疊組件，所述堆疊組件包括第一基底、附接到第一基底的第二基底、以及位于至少第一基底或第二基底上的光學元件，其中至少一個光學元件設置在第一基底與第二基底之間。堆疊組件包括附接到第一基底或第二基底的外側的第一間隔件。在一些實現方式中，堆疊組件還包括在第一基底與第二基底之間的第二間隔件，其中第一間隔件和第二間隔件為相同真空注射模制件的部分。此外，在一些情況下，真空注射模制件橫向地圍繞第二基底的側邊緣。此外，第一基底和第二基底可以通過粘合劑彼此附接在一個或多個光學元件的橫向側面部分上。

各種實現方式包括以下特征中的一個或多個。例如，第一晶片和第二晶片中的每個可以在其表面上具有相應的光學元件，光學元件彼此面對。在一些情況下，光學元件為衍射光學元件。在一些實現方式中，光學元件為復制光學元件。

晶片級方法允許同時并行地制造多個組件。此外，取決于應用，可以有利地使用技術在第一晶片與第二晶片之間提供更小或更大的距離。以下更詳細地描述各種實例。其他方面、特征和優點將從以下詳述、附圖和權利要求書中顯而易見。

附圖簡述

圖1示出了光學元件堆疊組件的第一實例。

圖2A至圖2F示出了圖1的光學元件堆疊組件的制造步驟的實例。

圖3示出了光學元件堆疊組件的第二實例。

圖4A至圖4F示出了圖3的光學元件堆疊組件的制造步驟的實例。

詳述

本公開描述了包括彼此堆疊的多個基底的光學元件堆疊組件。至少一個基底在其表面上包括光學元件(諸如DOE)。在一些情況下，兩個基底在其相應的表面上具有光學元件。基底和光學元件對準，使得穿過堆疊的光信號可穿過基底和光學元件。

如圖1所示，堆疊組件10包括彼此堆疊的第一基底12和第二基底14。每個基底12、14可以例如由玻璃、聚合物或對規定的波長或波長范圍(例如，在光譜的可見部分、紅外(IR)部分和/或近紅外部分中)透明的其他材料構成。在圖1的實例中，基底12、14具有在其相對表面上形成的無源光學元件16、18。在所示的實例中，光學元件16、18為DOE。在一些實現方式中，可以提供其他類型的無源光學元件(例如，折射透鏡或衍射透鏡、或諸如微透鏡陣列的光學元件陣列)。此外，在一些情況下，一個基底12可以具有與另一個基底14上的光學元件類型不同的類型的光學元件。在一些情況下，基底12、14中僅有一個可以在其表面上具有光學元件。

形成光學元件16、18的材料的橫向側部分20可以用作間隔件，以便在相對的光學元件16、18之間提供明確限定的分離‘d’。橫向側部分20的通常的厚度“t”為50μm或更小(例如，25-50μm)。在所示的實例中，光學元件16、18由對規定的波長或波長范圍透明的環氧樹脂材料構成。基底12、14通過設置在橫向側部分20上的膠水或其他粘合劑22的薄層而連接在一起。粘合劑22的通常的厚度小于10μm(例如，7μm)。上述尺寸在一些實現方式中可能不同。

在上基底14的光學元件側上的薄的非透明涂層24限定光闌26，其用于限定規定波長的光或者在規定波長范圍內的光可以穿過的透明窗口。每個基底12、14的外表面可以涂覆有薄抗反射涂層(ARC)28。下基底12的ARC側包括間隔件30，以便在光學元件16、18與將組件10安裝在其上的表面之間提供良好限定的距離。可以通過粘合劑固定到下基底12的ARC側的間隔件30在光闌26下方具有開口32。

圖2A至圖2F示出了用于制造諸如圖1的組件10的光學元件堆疊組件的晶片級方法的步驟。晶片級方法允許同時制造多個組件10。通常，晶片是指基本上圓盤樣或板樣形狀的物品，其在一個方向(z方向或垂直方向)上的延伸相對于其在另兩個方向(x方向和y方向或橫向)上的延伸是小的。在一些實現方式中，晶片直徑在5cm與40cm之間，并且可以例如在10cm與31cm之間。晶片可以是圓柱形的，其直徑例如為2、4、6、8或12英寸，一英寸為約2.54cm。在晶片級方法的一些實現方式中，可以在每個橫向方向上規定至少十個模塊，并且在一些情況下可以在每個橫向方向上規定至少三十個或甚至五十個或更多個模塊。為了便于理解，在圖2A至圖2F中僅示出了對應于單個組件10的每個晶片的一部分。

如圖2A所示，提供第一透明晶片114，并且第一透明晶片114具有在第一表面上的ARC 128和在其相對第二表面上的不透明層(例如，光致抗蝕劑)123。晶片114可以例如由玻璃、聚合物或對規定的波長或波長范圍透明的其他材料構成。如圖2B所示，將層123圖案化(例如，使用標準光刻技術)以便形成限定每個組件10的不透明涂層24的不透明材料區域124。

接下來，如圖2C所示，在基底114的第二表面上形成光學元件118(例如，DOE)。其中一個如圖1C所示的光學元件118可以例如通過晶片級復制來形成。一般而言，復制是指通過例如蝕刻、壓花或模制結構化表面(例如，光學元件的正極)來再現的技術，通過所述技術使用給定工具(工具包括例如光學元件的負極)結構或其正負極。在復制方法的具體實例中，通過使用工具將結構化表面(例如，限定一個光學元件或多個光學元件)壓入液體、粘性或可塑性變形的材料中；然后例如通過使用紫外線輻射和/或加熱的固化，使材料硬化；并且然后移除結構化表面工具。因此，獲得結構化表面的復制品。適用于復制的材料是例如可硬化的(例如，可固化的)聚合物材料或其他復制材料，即在硬化或凝固步驟(例如，固化步驟)中可從液體、粘性或可塑性變形狀態轉變成固態的材料。復制材料的碼頭(yard)部分120的厚度通常為50μm或更小(例如，25-50μm)。圖2A至2C中的處理產生了為每個組件10提供上基底14的第一晶片子組件140。

作為制造方法的一部分，提供第二透明晶片112，并且第二透明晶片112在其第一表面上具有ARC 128。在圖2D中示出其中一個的光學元件116(例如，DOE)在晶片112的第二表面上形成。光學元件116也可以例如通過如上所述的晶片級復制形成。圖2D中的處理產生了為每個組件10提供下基底12的第二晶片子組件150。

接下來，如圖2E所示，第一晶片組件140和第二晶片組件150彼此附接以便形成晶片子堆疊160。子組件140、150可以例如通過膠水或其他粘合劑(例如，通過膠水固化或絲網印刷)彼此附接。子組件140、150可以彼此附接，使得光學元件116、118彼此面對。此外，如圖2F所示，間隔件晶片130附接到第二晶片組件140的ARC側以便完成晶片堆疊170。間隔件晶片130可以例如通過膠水或其他粘合劑附接。一旦完成晶片級堆疊170，它可以被分離(例如，通過切削)以便形成多個單獨組件10。

在圖2A至圖2F的示例性方法中，晶片112、114均具有在其相應表面上復制的光學元件116、118。然而，在一些實現方式中，僅一個晶片(第一晶片114或第二晶片112)在其表面上具有光學元件。此外，盡管光學元件116、118被示出為DOE，但是在一些情況下可以使用其他類型的光學元件。

圖3示出了光學元件堆疊組件300的第二實例。堆疊組件300包括彼此堆疊的第一基底312和第二基底314。每個基底312、314可以例如由玻璃、聚合物或對規定的波長或波長范圍(例如，在光譜的可見部分、紅外(IR)部分和/或近紅外部分中)透明的其他材料構成。

在圖3的實例中，基底312、314具有在其相對表面上形成的無源光學元件316、318。在所示的實例中，光學元件316、318為DOE。在一些實現方式中，可以提供其他類型的無源光學元件(例如，折射透鏡或衍射透鏡)。此外，在一些情況下，一個基底312可以具有與另一個基底314上的光學元件類型不同的類型的光學元件。在一些情況下，基底312、314中僅有一個可以在其表面上具有光學元件。

在上基底314的光學元件側上的薄的非透明涂層324限定光闌326，其用作規定波長的光或者在規定波長范圍內的光可以穿過的透明窗口。每個基底312、314的外表面可以涂覆有薄抗反射涂層(ARC)328。

為了增加相對的光學元件16、18之間的分離‘d’，真空注射模制間隔件380將形成光學元件316、318的材料的橫向側部分320分離。間隔件380可以直接(無粘合劑)固定到下基底312上的光學元件316的橫向側部分320。間隔件380可以通過膠水或其他粘合劑322附接到上基底314上的光學元件318的橫向側部分320。下基底312的ARC側包括間隔件390，以便在光學元件316、318與將組件300安裝在其上的表面之間提供良好限定的距離。間隔件390可為真空注射模制間隔件，其可以直接固定到下基底312的ARC側(即，無粘合劑)。間隔件390在光闌326下方具有開口332。

如圖3所示，間隔件380和390可以形成為單個真空注射模制件，其部分392圍繞下基底312的橫向側邊緣394。

圖4A至圖4F示出了用于制造諸如圖3的組件300的光學元件堆疊組件的晶片級方法的步驟。圖4A至圖4C示出了用于形成為每個組件300提供上基底314的第一晶片子組件440的方法。所述方法的此部分可以與圖2A至圖2C中的對應步驟基本相同。因此，如圖4A所示，提供第一透明晶片414，并且第一透明晶片114具有在第一表面上的ARC 428和在其相對第二表面上的不透明層(例如，光致抗蝕劑)423。晶片414可以例如由玻璃、聚合物或對規定的波長或波長范圍透明的其他材料構成。如圖4B所示，將層423圖案化(例如，使用標準光刻技術)以便形成限定每個組件300的不透明涂層324的不透明材料區域424。

接下來，如圖4C所示，在基底414的第二表面上形成光學元件418(例如，DOE)。其中一個如圖4C所示的光學元件418可以例如通過如上所討論的晶片級復制來形成。圖4A至圖4C中的處理產生了為每個組件300提供上基底314的第一晶片子組件440。

作為制造方法的一部分，還提供第二透明晶片412，并且第二透明晶片412在其第一表面上具有ARC 428(圖4D)。第二晶片412的初始制備和處理可以類似于圖2D中的晶片112的制備和處理。因此，在圖4D中示出其中一個的光學元件416(例如，DOE)在晶片412的第二表面上形成。光學元件416也可以例如通過如上所述的晶片級復制形成。

接下來，如圖4E所示，第二晶片子組件450承受通孔的形成、以及填充通孔并且形成上間隔件380和下間隔件390的真空注射模制方法。因此，間隔件380、390可以形成為單個真空注射模制件，其部分392填充第二晶片412中的通孔。美國專利號9,094,593和美國公布專利申請號2015-0034975中描述了合適的技術。這些技術包括例如通過切削、微機械加工或激光切割形成穿過晶片的通孔。然后可以使用真空注射來提供環氧樹脂或其他合適材料，以便填充晶片中的開口并且形成間隔件。在一些情況下，環氧樹脂或其他材料隨后被固化(例如，通過暴露于熱處理和/或UV處理)。上述美國專利文獻的公開內容以引用的方式并入本文。圖4E中的處理產生了為每個組件300提供下基底412的第二晶片子組件450。

接下來，如圖4F所示，第一晶片組件440和第二晶片組件450彼此附接以便形成晶片堆疊470。子組件440、450可以例如通過膠水或其他粘合劑(例如，通過噴膠或絲網印刷)彼此附接，并且可以彼此附接使得光學元件416、418彼此面對。然后晶片級堆疊470可以被分離(例如，通過切削)以便形成多個單獨組件300。

在一些情況下，在圖4E中，第二晶片子組件450可以例如附接到UV切削帶，并且然后被切削以便形成多個單一化基底。然后可以向真空注射工具提供單一化基底以便形成上間隔件380和下間隔件390。在這種情況下，晶片級方法可以包括將第一晶片414附接到單一化的基底以便形成堆疊，使得每個光學元件416、418設置在第一晶片414與一個單一化基底之間。然后，將堆疊分成(例如，通過切削)多個堆疊組件，每個所述組件包括至少一個光學元件。

使用真空注射技術來形成間隔件380、390可以是有利的。例如，上間隔件380的添加允許增加光學元件316、318之間的距離‘d’，即使用于光學元件316、318的復制材料的橫向側部分320的厚度受到某種程度的限制(例如，在一些情況下限制到50μm或更小)。

在圖4A至圖4F的示例性方法中，晶片412、414均具有在其相應表面上復制的光學元件416、418。然而，在一些實現方式中，僅一個晶片(第一晶片414或第二晶片412)在其表面上具有光學元件。此外，盡管光學元件416、418被示出為DOE，但是在一些情況下可以使用其他類型的光學元件。

堆疊組件10(圖1)和堆疊組件300(圖3)可以集成到大范圍的光電子模塊中并且與其一起使用。此類模塊可以包括有源光電子部件，諸如光發射器(例如，發光二極管(LED)、紅外(IR)LED、有機LED(OLED)、紅外(IR)激光器或垂直腔面表面發射激光器(VCSEL))和/或光傳感器(例如，CCD或CMOS傳感器)。此外，此類模塊可以集成到各種類型的消費者電子產品和其他裝置中，諸如手機、智能手機、個人數字助理(PDA)、平板計算機和筆記本計算機、以及生物裝置、移動機器人和數碼相機等。

各種修改將是顯而易見的并且在本發明的精神內。因此，其他實現方式也在權利要求書的范圍內。