專利名稱：密封的透鏡疊組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于借助復(fù)制工藝制造集成光學(xué)裝置的領(lǐng)域，這些集成光學(xué)裝置在晶片尺 度上，在精確定義的空間布局內(nèi)具有兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件(例如折射和/或衍射透鏡)。 這類集成光學(xué)裝置例如是照相機(jī)設(shè)備、用于照相機(jī)設(shè)備的光學(xué)器件或者用于閃光燈的準(zhǔn)直 光學(xué)器件，它們特別用于具拍攝功能的移動(dòng)電話(camera mobile phones)。更具體地，本發(fā) 明涉及包含兩個(gè)或更多個(gè)襯底(晶片)的晶片尺度封裝，這些襯底沿著軸向堆疊并且具有 多個(gè)復(fù)制的光學(xué)元件。本發(fā)明進(jìn)一步涉及光學(xué)裝置(例如照相機(jī)或相應(yīng)的準(zhǔn)直光學(xué)器件)， 該光學(xué)裝置包含兩個(gè)或更多的復(fù)制的光學(xué)元件，并且可選地還包含電光單元，本發(fā)明涉及 制造這種晶片尺度封裝的方法，并且涉及制造多個(gè)光學(xué)元件的方法。
背景技術(shù)：
利用復(fù)制工藝(諸如壓印或模塑)的光學(xué)元件的制造是已知的。對(duì)于有性價(jià)比 的大規(guī)模制造，特別感興趣的是晶片尺度的制造工藝，在這種工藝中，借助復(fù)制在盤狀結(jié)構(gòu) (晶片)上制作光學(xué)元件(例如透鏡)陣列。在大多數(shù)情況下，為了形成晶片尺度封裝，附 屬有光學(xué)元件的兩個(gè)或更多個(gè)晶片被堆疊在一起，在這種封裝中，附屬在不同襯底上的光 學(xué)元件是對(duì)準(zhǔn)的。復(fù)制之后，該晶片結(jié)構(gòu)可以分隔為單獨(dú)的光學(xué)裝置(小塊)。復(fù)制技術(shù)包括注入模塑、滾筒熱壓印、平坦底座(flat-bed)熱壓印、UV壓印。作為 一個(gè)例子，在UV壓印工藝中，母盤結(jié)構(gòu)(masterstructure)的表面拓?fù)浔粡?fù)制到UV可凝固 的復(fù)制材料的薄膜(諸如位于襯底頂部的UV可凝固環(huán)氧樹脂)內(nèi)。復(fù)制的表面拓?fù)淇梢?是折射或衍射光學(xué)有效結(jié)構(gòu)或者二者的組合。為了復(fù)制，例如從母盤制作復(fù)制工具，該復(fù)制 工具具有多個(gè)作為被制造的光學(xué)結(jié)構(gòu)的底片副本(negative copy)的復(fù)制部分。隨后該工 具被用來對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行UV壓印。母盤可以是在熔融的二氧化硅或硅中以平版印刷方式 制作的結(jié)構(gòu)、激光或電子束寫入的結(jié)構(gòu)、金剛石轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)(dimond turnedstructure)或 任何其它類型的結(jié)構(gòu)。母盤還可以是在多級(jí)生成過程中，通過從(超級(jí))母盤復(fù)制而制造 的副母盤(submaster)。本文所用的晶片或襯底的含義是具有任何穩(wěn)定尺寸的(通常是透明的)材料的圓 盤或矩形板或其它任何形狀的板。晶片盤的直徑典型的在5厘米與40厘米之間，例如在10 厘米與31厘米之間。通常晶片盤是圓柱形的，直徑為2、4、6、8或12英寸中的一種，1英寸 約為2. 54厘米。晶片厚度例如為0. 2毫米與10毫米之間，典型的在0. 4毫米與6毫米之 間。如果光需要穿過晶片，則晶片至少是部分透明的。否則，晶片同樣也可以是不 透明 的。它還可以是具有電光單元的晶片，例如基于硅或GaAs或其它半導(dǎo)體的晶片；它也可以 例如是CMOS晶片或承載CCD陣列或位置敏感檢測(cè)器陣列的晶片、承載光源(諸如LED或 VECSEL等)的晶片。晶片尺度的復(fù)制使得可以用單個(gè)步驟(例如單面或雙面UV壓印工藝)制作幾百 個(gè)通常是相同的裝置。隨后的晶片分隔(分成小塊)步驟則生產(chǎn)出單個(gè)光學(xué)裝置。
集成光學(xué)裝置包括沿著光傳播的通常方向堆疊在一起的功能元件，至少一個(gè)功能 元件為光學(xué)元件。因此穿過裝置的光按照順序通過多個(gè)元件。這些功能元件按照相對(duì)于另 一個(gè)(集成裝置)的預(yù)設(shè)的空間關(guān)系布置，使得與它們本身的進(jìn)一步的對(duì)準(zhǔn)是不必要的，剩 下的只是將這樣的光學(xué)裝置與其它系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)。這類光學(xué)裝置可以通過堆疊晶片而制造出來，這些晶片包含位于晶片上的精確定 義的空間布局內(nèi)的功能元件(例如光學(xué)元件)。這種晶片尺度封裝(晶片疊組)包含至少 兩個(gè)晶片，它們沿著與最小晶片尺度的方向(軸向)對(duì)應(yīng)的軸堆疊并且相互附屬。至少一 個(gè)晶片具有復(fù)制的光學(xué)元件，并且其它的晶片可包含或者可以打算容納光學(xué)元件或其它功 能元件，例如電光元件。晶片疊組因此包含逐個(gè)面布置的多個(gè)通常是相同的集成光學(xué)裝置。 對(duì)于單個(gè)集成裝置的性能，光學(xué)/功能元件在不同晶片上和在同一晶片內(nèi)的精確定位是必 不可少的。隨后對(duì)疊組的劃分小塊則生產(chǎn)出單個(gè)集成光學(xué)裝置。通過間隔塊裝置(例如US2003/0010431或W02004/027880中揭示的多個(gè)相隔的 間隔塊或互連的間隔塊矩陣)，晶片可以互相隔開，并且光學(xué)元件也可以布置在面向另一晶 片的晶片表面上的晶片之間。目前已知的晶片尺度封裝通常包含兩個(gè)或更多的襯底，這些襯底包含布置在它們 的兩個(gè)主表面上的光學(xué)元件。這類襯底也被稱為雙面晶片/襯底。光學(xué)元件例如是凸面 或凹面結(jié)構(gòu)，每個(gè)構(gòu)成經(jīng)典的折射(半-)透鏡。為光學(xué)設(shè)計(jì)目的，位于晶片的兩個(gè)面上的 每對(duì)這樣的結(jié)構(gòu)/半-透鏡可以作為帶例如兩個(gè)凸形表面/凹形表面的單個(gè)經(jīng)典透鏡來處 理。通常，當(dāng)試圖滿足給定的性能要求時(shí)，目標(biāo)是通過減少透鏡數(shù)量使光學(xué)設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單 并且通過減少襯底數(shù)量使制造盡可能簡(jiǎn)單和低成本。因此在集成裝置中采用的所有設(shè)計(jì)實(shí) 際上都利用雙面晶片，其中通常避免空的表面。圖7中示出了從按照現(xiàn)有技術(shù)的這類封裝制造的光學(xué)裝置1的例子。它包含兩個(gè) (雙面的)襯底部分2、3，每個(gè)在兩個(gè)面上有光學(xué)元件4。光學(xué)元件4的每對(duì)4’相當(dāng)于單個(gè) 經(jīng)典的凸透鏡。襯底部分2、3沿著軸向Z堆疊并且由間隔塊5隔開。完成的疊組被放置在 另外的襯底6 (例如CMOS晶片)的頂部。為了避免布置在疊組的底部并且面向另外的襯底 6的光學(xué)元件4的機(jī)械損傷，以及使疊組能夠附屬在另外的襯底6上，在底部襯底3與另外 的襯底6之間還布置了另外的間隔塊裝置7。當(dāng)制造或處理這類封裝或裝置時(shí)產(chǎn)生了下列問題
在封裝的端面上的可自由訪問的光學(xué)元件容易損壞或被灰塵或粘合劑沾污，特別 是在劃分小塊步驟期間和/或當(dāng)類似照相機(jī)或閃光燈或其它(光)電子單元之類另外的單 元被附屬在晶片尺度封裝或單個(gè)光學(xué)裝置上時(shí)。因此可能需要圖7所述的保護(hù)罩或蓋板或 新增的間隔塊裝置。這類罩子或蓋板或間隔塊使得模塊的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜和昂貴。特別是， 罩子還可能對(duì)裝置的光學(xué)性質(zhì)造成不利的影響。另一個(gè)問題與復(fù)制工藝中的雙面晶片的制造有關(guān)在雙面襯底(其具有位于兩個(gè) 主表面上的光學(xué)結(jié)構(gòu))中，需要使兩個(gè)面上的光學(xué)結(jié)構(gòu)相互精確地對(duì)準(zhǔn)。結(jié)果是，襯底必須 在第一步驟和第二步驟中兩次相對(duì)于復(fù)制工具作精確的對(duì)準(zhǔn)，第一步驟用于在一個(gè)表面上 的結(jié)構(gòu)的復(fù)制，而第二步驟用于在第二表面上的結(jié)構(gòu)的復(fù)制。第二步驟中的對(duì)準(zhǔn)特別困難， 因?yàn)樵谄渌砻嫔弦呀?jīng)存在結(jié)構(gòu)。還有一個(gè)問題是襯底需要一定的厚度來確保復(fù)制期間的穩(wěn)定性。特別是在第二表面上復(fù)制時(shí)，由于第一表面上的結(jié)構(gòu)，襯底無法在整個(gè)區(qū)域受到支承。與當(dāng)前設(shè)計(jì)相關(guān)的另外的限制有如上所述，雙面襯底上的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以視為單個(gè)(雙面的)透鏡。該透鏡的光學(xué)參數(shù)受襯底厚度影響，并且該厚度通常無法改變。而且 普通封裝或裝置的孔徑光闌(如果有的話)通常與其中一個(gè)透鏡的平面重合。這是對(duì)設(shè)計(jì) 可能性的限制并且還可能導(dǎo)致不想要的雜散光被采集到裝置內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種晶片尺度封裝和光學(xué)裝置，其克服了上述問題 并且比起具有同樣功能性的已知封裝或裝置更容易制造。本發(fā)明的另外一個(gè)目標(biāo)是提供一 種晶片尺度封裝和光學(xué)裝置，其確保所有的光學(xué)元件得到保護(hù)以不被損壞或沾污。本發(fā)明 的另外一個(gè)目的是提供一種晶片尺度封裝和光學(xué)裝置，其易于制造并且提供了更大的設(shè)計(jì)
自由度。這些和其它的目標(biāo)由下列發(fā)明實(shí)現(xiàn)包含權(quán)利要求1的特征的晶片尺度封裝、包 含權(quán)利要求11的特征的光學(xué)裝置、具有權(quán)利要求16的特征的用于制造晶片尺度封裝的方 法和按照權(quán)利要求23的從這樣的封裝制造多個(gè)光學(xué)裝置的方法。優(yōu)選的實(shí)施例在從屬權(quán) 利要求和說明書中作了描述并且在圖中示出。按照本發(fā)明的晶片尺度封裝包含沿軸向(垂直于襯底主表面)堆疊的至少兩個(gè)外 面的襯底和可選的一個(gè)或多個(gè)中間的襯底。多個(gè)優(yōu)選方式為封閉的空腔布置在襯底之間。 對(duì)于兩個(gè)襯底的情形，有一層或一組空腔，對(duì)于η個(gè)襯底的情形，有n-1或更少數(shù)量的空腔 組或?qū)?。附屬在襯底的內(nèi)表面的被復(fù)制的光學(xué)元件(例如經(jīng)典的凸透鏡/凹透鏡或衍射/ 折射微結(jié)構(gòu))布置在空腔內(nèi)。封裝的至少一對(duì)鄰近的襯底在互相面對(duì)的表面的每一個(gè)上具 有光學(xué)元件。換句話說，位于該對(duì)襯底之間的每個(gè)空腔包含兩個(gè)光學(xué)元件。優(yōu)選地，這些光 學(xué)元件是軸向?qū)?zhǔn)的。最小的晶片疊組由兩個(gè)單面的襯底(即僅在它們其中一個(gè)主表面上有復(fù)制的光 學(xué)元件的襯底)組成。襯底的布置方式使得光學(xué)元件相互面對(duì)，并且它們之間的距離由間 隔塊裝置(其可以是分立的元件或構(gòu)成一個(gè)或兩個(gè)襯底整體的一部分)限定。襯底的外表 面(即封裝/疊組的端面)不包含任何復(fù)制的光學(xué)元件。典型地，還有至少一個(gè)中間的襯 底，而且也由間隔塊分隔。該中間的襯底優(yōu)選地但非必須是雙面的，即，在其兩個(gè)表面上包 含光學(xué)元件。頂部的襯底典型的是透明晶片，具有位于其內(nèi)表面的光學(xué)元件。底部的襯底 可以是帶或不帶光學(xué)元件的透明襯底，或者它可以是承載電光單元(特別是成像元件(照 相機(jī)、CCD、位置敏感檢測(cè)器)或者光源(LED或VECSEL))的陣列的襯底；為該目的，可采用 基于硅或GaAs或其它半導(dǎo)體(例如CMOS)的晶片。按照本發(fā)明，封裝和光學(xué)裝置的外面的襯底的外表面以及端面不包含任何復(fù)制的 光學(xué)元件。因此沒有復(fù)制的光學(xué)元件暴露在外部。如沿著軸向所見的那樣，所有的光學(xué)元 件被布置在外面的襯底的外表面之間。晶片疊組的端面通常是無結(jié)構(gòu)的并且是平坦的。但 是它們可以包含孔徑和/或?qū)?zhǔn)標(biāo)記，使得通常平坦的表面不發(fā)生變化。它們也可以包含 涂層，例如IR截止濾光片或抗反射涂層。這類元件可以在完成復(fù)制和堆疊之后的后期階段 內(nèi)涂覆。本發(fā)明采用與引言中討論的現(xiàn)有技術(shù)狀況的設(shè)計(jì)完全不同的途徑
按照本發(fā)明，通過使兩個(gè)襯底僅在一個(gè)表面上帶光學(xué)結(jié)構(gòu)并且另一面為平坦表 面，將慣常設(shè)計(jì)的透鏡(通過在透明襯底(雙面襯底)的兩個(gè)表面上的光學(xué)結(jié)構(gòu)而形成的 雙面透鏡)分解為兩個(gè)“半透鏡(halves)”。因此兩個(gè)單面襯底代替了一個(gè)雙面襯底，并且 “半透鏡”的順序是相反的。這意味著兩個(gè)“半透鏡”的單個(gè)的厚度以及它們的距離可以單 獨(dú)選擇，由此打開了新的設(shè)計(jì)自由度。光學(xué)元件以這樣的方式被成形和布置，該方式使得與 雙面透鏡相同的光學(xué)性能得以實(shí)現(xiàn)。由于對(duì)光學(xué)元件的形狀、厚度和距離沒有限制，因此甚 至可以得到更好的性能。這種分解通常涉及沿軸向所見的最外面的透鏡。中間的襯底(如 果存在)可以是雙面的。本發(fā)明使下列情況成為可能，特別是在集成光學(xué)裝置中，最外面的表面(即最為 遠(yuǎn)離有源(例如CMOS)器件的表面)上沒有透鏡。這與現(xiàn)有技術(shù)相反，在現(xiàn)有技術(shù)中，通過 使用盡可能多的雙面襯底使晶片的總數(shù)最少。這里，外面的襯底(例如在CMOS晶片是疊組 的底部襯底的情況下)是單面的或者一點(diǎn)也不包含任何光學(xué)元件。換句話說，與現(xiàn)有技術(shù) 的狀況相反，本發(fā)明在最外層上無需特殊形狀的折射(或者也許是衍射)表面，按照現(xiàn)有技 術(shù)的狀況，該表面被認(rèn)為對(duì)于最佳性能的實(shí)現(xiàn)是必需的。這樣的優(yōu)點(diǎn)是所有的光學(xué)元件沿 著軸向所見被布置在系統(tǒng)的無結(jié)構(gòu)的端面之間。由此在制造和處理期間，它們受到保護(hù)而 未被損壞或沾污。平坦的端面簡(jiǎn)化了封裝的制造和處理以及光學(xué)設(shè)計(jì)。然而并不需要過多 的額外空間/額外元件。例如，與現(xiàn)有技術(shù)狀況的方案相反，組件的最下面和最上面的元件 二者都具有平坦的表面并且可以組裝為直接倚靠其它部分的表面_因此無需額外的外部 間隔塊，有時(shí)候甚至節(jié)省空間和節(jié)省部件的方案也是可行的。后者特別(也)適合這樣的 情況，無源和有源光學(xué)單元在不同的地方制造，由于僅帶無源光學(xué)單元的疊組不包含最外 面的透鏡，所以它無需任何復(fù)雜的封裝保護(hù)(該保護(hù)是晶片尺度封裝和單個(gè)光學(xué)裝置的固 有特性)就可以裝運(yùn)，并且在最后的組裝階段，比起現(xiàn)有技術(shù)的組件也不占更多的空間。本發(fā)明的晶片尺度封裝通常確保復(fù)制的光學(xué)元件有精確定義的空間布局，并且可 選地，通過將半導(dǎo)體襯底集成到封裝內(nèi)確保了電光單元有精確定義的空間布局，以及確保 了非常小的尺寸和低成本的多個(gè)相同的光學(xué)裝置被同時(shí)制造。所有的光學(xué)元件在制造和處 理期間得到了嚴(yán)密的保護(hù)，特別是在將封裝劃分小塊為單個(gè)光學(xué)裝置的步驟期間。這些和進(jìn)一步的有益效果將在下面作更為詳細(xì)的描述。優(yōu)選地，空腔是封閉的，使得所有的光學(xué)元件被襯底和/或還沿側(cè)向被間隔塊裝 置完全封閉。通過利用間隔塊裝置或具有合適形狀的凹口(例如在其它的連續(xù)襯底內(nèi)的通 孔)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。通過經(jīng)間隔塊裝置(例如US2003/0010431或W02004/027880中揭示的多個(gè)分立 的間隔塊或互連的間隔塊矩陣)連接兩個(gè)鄰近的襯底和/或通過利用一個(gè)或多個(gè)具有多個(gè) 凹口的預(yù)成形襯底來形成空腔。通過將上述晶片尺度封裝劃分為小塊可以制造要求保護(hù)的光 學(xué)裝置。它因此適合 于大規(guī)模生成。它包含至少兩個(gè)沿軸向堆疊的外面的襯底部分，在襯底部分之間帶有至少 一個(gè)優(yōu)選情形下是封閉的空腔。例如通過采用如上所述的間隔塊裝置或預(yù)成形的襯底形成 空腔。裝置進(jìn)一步包含被布置在至少一個(gè)空腔內(nèi)的兩個(gè)光學(xué)元件。光學(xué)裝置包含兩個(gè)基本 上平坦的端面，這些端面由外面的襯底部分的外表面構(gòu)成。所有的光學(xué)元件由此得到了嚴(yán) 密的保護(hù)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，光學(xué)裝置由帶有三塊或更多塊的襯底的晶片尺度封裝制成并且 由此包含至少一個(gè)被布置在外面的襯底部分之間的中間的襯底部分以及兩個(gè)或更多優(yōu)選 方式下是軸向?qū)?zhǔn)的空腔，空腔被中間的襯底部分相互隔開。中間的襯底部分優(yōu)選方式是 雙面的，即包含位于兩個(gè)表面上的光學(xué)元件，而外面的襯底部分是單面的。底部襯底可以是 在其內(nèi)表面帶電光單元(類似成像器件或光源)的襯底。這些單元還被布置在優(yōu)選方式是 封閉的空腔內(nèi)，并且因此得到嚴(yán)密的保護(hù)。例如光學(xué)裝置可以是帶集成光學(xué)器件的照相機(jī) (例如用于移動(dòng)電話)，它可以低成本大規(guī)模地制造。用于制造晶片尺度封裝的方法包括下列步驟提供至少兩個(gè)襯底；借助復(fù)制技術(shù) 提供帶多個(gè)光學(xué)元件的所述至少兩個(gè)襯底；將至少兩個(gè)襯底沿軸向堆疊；以及將至少兩個(gè) 襯底以這樣的方式連接，使得包圍光學(xué)元件的空腔得以形成，其中封裝的端面基本上是平 坦的并且由封裝的外面的襯底的外表面構(gòu)成。用于制造光學(xué)元件(特別是照相機(jī))的方法包括用于制造晶片尺度封裝的方法的 步驟和為了將封裝分隔為單個(gè)光學(xué)元件而沿著隨軸向延展的平面將封裝劃分為小塊的另 外的步驟。優(yōu)選地，劃分小塊是沿著經(jīng)過間隔塊裝置的平面進(jìn)行的，使得單個(gè)裝置內(nèi)的空腔 仍然是封閉的并且布置在其內(nèi)的光學(xué)元件被完全密封。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)光學(xué)設(shè)計(jì)-如上所述，在當(dāng)前的疊組內(nèi)，孔徑光闌總是位于與其中一個(gè)透鏡相同的平面內(nèi)。 按照本發(fā)明的密封的晶片疊組具有兩個(gè)“自由的”端面并且因此使得孔徑也位于不同的平 面內(nèi)，例如位于任意一個(gè)平坦的端面內(nèi)。這導(dǎo)致更多的設(shè)計(jì)靈活性。-由于兩個(gè)最外面的晶片最多是單面的并且在復(fù)制期間為提高穩(wěn)定性而允許附屬 于承載/支承晶片(并且在復(fù)制之后去除)，因此可以采用較薄的晶片。這也導(dǎo)致更多的設(shè) 計(jì)靈活性。-如果孔徑光闌被放置在頂部表面上，則密封的疊組對(duì)于雜散光的敏感度更小，因 為在孔徑前面沒有透鏡將不需要的光線也收集入孔徑，這導(dǎo)致性能的改善。-特別是對(duì)于(但不限于)單件套(singlets)(在雙面襯底上形成的雙凸鏡或雙 凹鏡)來說，按照本發(fā)明的密封設(shè)計(jì)(相互相距一定距離的兩個(gè)單面襯底)給出了更好的 性能，特別是就視域的角落的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)(也即角落的分辨率)和視域曲率(也即 軸上和離軸圖像平面的ζ位置內(nèi)的分離性)而言。后者對(duì)于無焦點(diǎn)設(shè)計(jì)是好的。更好的性 能主要是通過下列事實(shí)取得的，密封的殼體使得兩個(gè)透鏡表面之間的距離是一個(gè)自由的參 數(shù)，而在一般情況下，一個(gè)透鏡表面被強(qiáng)制保持可作為標(biāo)準(zhǔn)晶片用的距離。-此外，在密封的殼體內(nèi)，可以在一定程度上利用平坦(頂部)表面的折射，而在普 通設(shè)計(jì)的情況下，蓋板玻璃處的折射根據(jù)匹配傳感器處主光線角的需要而被完全固定。換 句話說，雖然兩種構(gòu)造都有三個(gè)表面(兩個(gè)透鏡和一個(gè)平坦表面)，但是在密封的殼體的情 況下，表面的順序是得益的。與例如在平凸的單套件的聚焦性能方面所看到的差異(取決 于透鏡取向)相比，這有類似的效果。機(jī)械設(shè)計(jì)，特別是如果光學(xué)裝置用于照相機(jī)模塊時(shí) -由于沒有透鏡是暴露的，因此無需分立的塑料罩子來保護(hù)透鏡。由此簡(jiǎn)化了模塊 設(shè)計(jì)并且節(jié)省了成本。
-然而如果采用塑料罩子，則減小的對(duì)雜散光的靈敏度使得罩子內(nèi)的孔徑的形狀和尺寸的重要性降低，也導(dǎo)致簡(jiǎn)化的模塊設(shè)計(jì)。疊組制造和模塊組件-如上所述，由于襯底必須精確地與復(fù)制工具對(duì)準(zhǔn)，所以雙面襯底的制造是復(fù)雜 的。本發(fā)明允許減少對(duì)準(zhǔn)的雙面復(fù)制品的數(shù)量，由此簡(jiǎn)化了裝置的制作。-由于透鏡優(yōu)選地被完全密封，所以沒有外來的材料或化學(xué)制品到達(dá)透鏡。晶片封 裝和光學(xué)裝置因此對(duì)于組裝條件的敏感度降低。而且如果頂部或底部的端面臟的話，可以 采用標(biāo)準(zhǔn)的清洗工藝。-封裝的端面是平坦的，這使得劃分小塊和粘合期間的處理更為容易。封裝和裝置 也更易于處理，特別是在全自動(dòng)系統(tǒng)的情況下。-透鏡的密封在保護(hù)不受環(huán)境狀況影響方面提供了更多的靈活性。這意味著合適 復(fù)制材料和涂層等的范圍更大。-密封提供了對(duì)復(fù)制的光學(xué)元件的更多的機(jī)械保護(hù)。封裝因此甚至可能適于插入 模塑。本發(fā)明的光學(xué)裝置的一個(gè)優(yōu)選的應(yīng)用是針對(duì)CMOS照相機(jī)，包括用于移動(dòng)電話的 CMOS照相機(jī)。這里，平坦的和無結(jié)構(gòu)的端面中的一個(gè)可直接用作照相機(jī)的蓋窗、照相機(jī)內(nèi)的 模塊的蓋窗或者甚至是電話蓋的蓋窗以代替分立的蓋窗。這同時(shí)導(dǎo)致簡(jiǎn)化的組件和更低的 材料成本。


圖1示意性地示出了具有由間隔塊裝置分隔的兩個(gè)襯底的晶片尺度封裝；圖2示意性地示出了通過對(duì)圖1所示的封裝劃分小塊而制造的光學(xué)裝置；圖3示意性地示出了具有兩個(gè)襯底的晶片尺度封裝，其中一個(gè)襯底是預(yù)成形的；圖4示意性地示出了具有由間隔塊裝置分隔的三個(gè)襯底的晶片尺度封裝；圖5示意性地示出了通過對(duì)圖4所示的封裝劃分小塊而制造的光學(xué)裝置，該光學(xué) 裝置附屬于另外的晶片，例如CMOS晶片；圖6示意性地示出了與帶有CMOS晶片作為底部襯底的圖5類似的光學(xué)裝置；圖7示意性地示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)裝置。
具體實(shí)施例方式圖1純粹示意性地示出了按照本發(fā)明的帶兩個(gè)平坦的外面的襯底20、30(優(yōu)選方 式是標(biāo)準(zhǔn)晶片)和多個(gè)位于襯底20、30之間的空腔40的晶片尺度封裝10的實(shí)施例。外面 的襯底20、30沿著與它們的主表面22、24、32、34正交的方向z (也稱為軸向)堆疊。襯底 20,30在軸向上被間隔塊裝置50分隔?？涨?0的軸向壁42、44(即圖1中的底部和頂部的壁)由兩個(gè)外面的襯底20、30 的內(nèi)表面24、34的某些部分構(gòu)成?？涨?0的側(cè)向壁46、48由間隔塊裝置50的相應(yīng)的側(cè)向 壁54構(gòu)成。間隔塊裝置50由例如帶多個(gè)通孔(間隔塊矩陣)的平坦襯底或者單獨(dú)的間隔 塊構(gòu)成。光學(xué)元件62、64在與空腔40位置對(duì)應(yīng)的地方(特別是與空腔40的底部和頂部的壁42、44對(duì)應(yīng)的地方)被附屬于襯底20、30的內(nèi)表面24、34。頂部和底部的襯底20、30的 外表面22、32不包含光學(xué)元件。結(jié)果是，每個(gè)空腔40容納兩個(gè)光學(xué)元件62、64，使得它們?nèi)?沿軸向所見是密封的。優(yōu)選地，間隔塊裝置的形狀使得光學(xué)元件62、64如沿側(cè)向所見也被 密封，使得存在的所有光學(xué)元件62、64被完全密封和保護(hù)。在本實(shí)例中，附屬于頂部襯底20的光學(xué)元件62相對(duì)于來自同一空腔40內(nèi)的底部 的襯底30的光學(xué)元件64是對(duì)準(zhǔn)的；其它實(shí)施例還包括離軸布局。圖1所示的封裝10可以通過提供兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的襯底20、30來制造。在襯底20、30 的每一個(gè)上，借助復(fù)制技術(shù)制造光學(xué)元件62、64。特別是，復(fù)制材料的一些部分被涂覆到襯 底的對(duì)應(yīng)于被制造的光學(xué)元件62、64的位置上，并且隨后通過將復(fù)制工具帶入與襯底極為 接近的地方來形成光學(xué)元件。作為替換方式，復(fù)制材料可以被直接涂覆到復(fù)制工具上。復(fù) 制工具具有與光學(xué)元件的外形對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)特征。隨后使具有復(fù)制工具印刻的結(jié)構(gòu)的復(fù)制材 料硬化而生產(chǎn)出光學(xué)元件。圖1所示的封裝10是對(duì)單個(gè)雙面晶片的替代方案，該單個(gè)雙面晶片在其兩個(gè)主表 面上具有光學(xué)元件。由于采用單面晶片，因此避免了在一個(gè)和同一晶片上復(fù)制光學(xué)元件期 間的對(duì)準(zhǔn)問題。按照本發(fā)明的密封疊組包含比已知的雙面方案更多的晶片。但是沒有必要 更厚，因?yàn)樵趶?fù)制期間晶片可以由平坦的支承件支承，并且由此通?？梢允咕刃枰?兩個(gè)面上復(fù)制時(shí)有一定的穩(wěn)定性的雙面晶片更薄。通過沿軸平面P將晶片尺度封裝10劃分小塊來制造單獨(dú)的光學(xué)裝置100。圖2示 出了從圖ι所示的封裝制造的光學(xué)裝置100的例子。它包含與封裝10的外面的襯底20、30 對(duì)應(yīng)的外面的襯底部分20’、30’。由于軸向平面P穿越間隔塊裝置50，因此光學(xué)元件62、64 仍然被頂部和底部的襯底部分20’、30’以及單獨(dú)的光學(xué)裝置100內(nèi)的間隔塊裝置50完全密封。單獨(dú)的光學(xué)裝置100可以選擇附屬于另外的襯底80 (例如承載類似光學(xué)傳感器之 類的電子單元的CMOS晶片或封裝的傳感器時(shí)的蓋板玻璃)。由于底部襯底部分30’的底部 端面32’是平坦的，因此對(duì)另外襯底80的附屬特別容易，并且也沒有使光學(xué)元件62、64暴 露在任何物質(zhì)下的危險(xiǎn)，當(dāng)附屬在另外的襯底80時(shí)該危險(xiǎn)可能損壞這些光學(xué)元件。代之以將另外的襯底附屬到劃分為小塊的光學(xué)元件100，也可以在劃分小塊步驟 之前將襯底附屬到晶片封裝10上，這例如如W02005/083789中所揭示的那樣，該申請(qǐng)以引 用方式包含在此。這進(jìn)一步簡(jiǎn)化了的制造?？讖?0可以附屬在光學(xué)裝置100的頂部端面22’上，或者在光學(xué)裝置100的頂部 端面22’上制造，或者已經(jīng)位于封裝10的頂部的端面22上。如圖2所示，孔徑70位于與 光學(xué)元件62、64都不同的平面內(nèi)。這考慮了更多的設(shè)計(jì)自由度。圖3示出了本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例。晶片尺度封裝110包含兩個(gè)外面的襯底120、 130。頂部的襯底120是帶平坦 表面122、124的標(biāo)準(zhǔn)襯底。底部的襯底130是預(yù)成形的并 且包含平坦的外表面132和由多個(gè)凹口 150結(jié)構(gòu)化(或具有間隔塊裝置作為底部襯底130 的整體的一部分)的內(nèi)表面134。凹口 150的形狀使得在將頂部襯底120與底部襯底130 直接連接時(shí)形成多個(gè)空腔140。如同在圖1中的那樣，多個(gè)光學(xué)元件162附屬在頂部襯底120的內(nèi)表面124上與空 腔140和凹口 150中的那些分別對(duì)應(yīng)的位置處。而且光學(xué)元件164被按照與頂部襯底120上的光學(xué)元件162軸向?qū)?zhǔn)的方式布置在預(yù)成形的襯底130的凹口 150的底部。如同在圖 1中的那樣，所有的光學(xué)元件162、164被完全密封并且端面是平坦的而沒有光學(xué)元件。
沿平面P對(duì)疊組劃分小塊再次生產(chǎn)出單個(gè)的光學(xué)裝置(未畫出)。圖4示出了本發(fā)明另一實(shí)施例210，其具有沿軸向Z堆疊的兩個(gè)外面的襯底220、 230和一個(gè)中間的襯底290。兩層空腔240、240’被分別布置在頂部襯底220與中間的襯底 290之間以及中間的襯底290與底部襯底230之間?？涨?40、240，借助兩組布置在各自的 襯底之間的間隔塊裝置250、250’形成。如上述借助實(shí)施例所述，頂部和底部的襯底220、230為單面的并且僅在它們的內(nèi) 表面224、234上包含光學(xué)元件263、264，而疊組210的外表面222、232和端面是平坦的并且 沒有光學(xué)元件。中間的襯底290是雙面的并且在其兩個(gè)主表面292、294上都包含光學(xué)元件 266、268。兩層空腔240、240’相互軸向?qū)?zhǔn)。在空腔內(nèi)，光學(xué)元件也是軸向?qū)?zhǔn)的；離軸布 置(未畫出)是可行的。所有的光學(xué)元件同樣被完全密封。通過沿平面P劃分小塊而制造 出單獨(dú)的光學(xué)裝置2100。雖然在圖4的實(shí)施例中出現(xiàn)的是一個(gè)雙面襯底290，但是與用于同樣數(shù)量的光學(xué) 元件的現(xiàn)有技術(shù)(圖6)相比，雙面襯底的總數(shù)減少了一個(gè)，由此減輕了與在晶片上雙面復(fù) 制光學(xué)元件有關(guān)的努力。對(duì)于更為復(fù)雜的光學(xué)裝置，可以在疊組內(nèi)容納另外的單面或雙面中間的襯底和相 應(yīng)的間隔塊裝置。圖5示出了通過從圖4所示的疊組210劃分小塊而制造的集成光學(xué)裝置2100。頂 部和底部的外面的襯底部分220’、230’和中間的襯底部分290’沿軸向Z堆疊并且被間隔 塊252、252，(即圖4的間隔塊裝置250、250，的一些部分)隔離，由此形成兩個(gè)空腔240、 240，?？涨?40、240，容納與圖4相關(guān)描述的光學(xué)元件262、266、264、268。光學(xué)元件262、 266、264、268可以是凸透鏡或凹透鏡，或者可以包含代表預(yù)設(shè)光學(xué)功能的微光學(xué)結(jié)構(gòu)。端面222’、232’不包含復(fù)制的光學(xué)結(jié)構(gòu)，但是它們可以容納某些類型的最后的處 理，例如拋光、孔徑附屬、另外襯底280 (類似CMOS晶片或蓋板玻璃)的附屬。另外的襯底 280可以在劃分小塊之前或之后附屬。圖6示出了與圖5類似的光學(xué)裝置。差別在于底部的、外面的襯部分230’由CMOS 或其它半導(dǎo)體晶片的一部分構(gòu)成。該部分230’優(yōu)選地具有類似成像元件的電光單元。底 部襯底230 (這里例如是CMOS晶片)在劃分小塊之前附屬到疊組上。較低的空腔264中的 光學(xué)元件268以及底部襯底部分230’上的任何電光單元由此受到空腔的側(cè)壁(間隔塊裝 置)和相鄰的襯底部分230’、290’嚴(yán)密的保護(hù)。
權(quán)利要求
晶片尺度封裝，包含至少兩個(gè)沿軸向堆疊的外面的襯底、多個(gè)位于襯底之間的空腔和多個(gè)布置在空腔內(nèi)的復(fù)制的光學(xué)元件，其中至少兩個(gè)光學(xué)元件以沿軸向所見相互隔開一定的距離被布置在一個(gè)共同的空腔內(nèi)，并且其中封裝包含兩個(gè)基本上平坦的端面，這些端面由外面的襯底的外表面構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的晶片尺度封裝，其中空腔是封閉的并且所有存在的光學(xué)元件被 布置在空腔內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的晶片尺度封裝，進(jìn)一步包含將襯底相互隔開的間隔塊裝置 以在襯底之間形成空腔。
4.如權(quán)利要求3所述的晶片尺度封裝，其中間隔塊裝置由帶多個(gè)通孔的間隔塊襯底呈現(xiàn)。
5.如前述其中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的晶片尺度封裝，其中至少一個(gè)襯底是預(yù)成形的并且 包含前面和后面，所述前面和后面中的至少一個(gè)包含多個(gè)凹口以在襯底之間形成空腔。
6.如前述其中一項(xiàng)權(quán)利要求所述的晶片尺度封裝，進(jìn)一步包含至少一個(gè)布置在外面的 襯底之間的中間的襯底，使得在襯底之間形成至少兩組布置在不同平面內(nèi)的空腔。
7.如權(quán)利要求6所述的晶片尺度封裝，其中每組空腔如沿軸向所見是對(duì)準(zhǔn)的，并且其 中光學(xué)元件被布置在中間的襯底的兩個(gè)表面上并且如沿軸向所見是對(duì)準(zhǔn)的。
8.如權(quán)利要求6或7所述的晶片尺度封裝，其中外面的襯底的其中一個(gè)是基于半導(dǎo)體 的襯底，例如硅、GaAs, CMOS或其它襯底。
9.如權(quán)利要求6或7所述的晶片尺度封裝，其中基于半導(dǎo)體的襯底，例如硅、GaAs、CM0S 或其它襯底，被附屬于外面的襯底的其中一個(gè)端面，優(yōu)選方式是附屬于所述端面的整個(gè)區(qū) 域。
10.如權(quán)利要求8或9所述的晶片尺度封裝，其中基于半導(dǎo)體的襯底包含成像元件的陣 列或光源陣列。
11.光學(xué)裝置，包含至少兩個(gè)沿軸向堆疊的外面的襯底部分、至少一個(gè)位于襯底部分之 間的空腔和至少兩個(gè)以沿軸向所見相互隔開一定的距離被布置在至少一個(gè)空腔內(nèi)的復(fù)制 的光學(xué)元件，其中光學(xué)裝置包含兩個(gè)基本上平坦的端面，這些端面由外面的襯底部分的外 表面構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含將襯底部分相互隔開的間隔塊裝置以 在襯底部分之間形成至少一個(gè)空腔。
13.如權(quán)利要求11和12其中一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置，其中至少一個(gè)襯底部分是預(yù)成形的 并且包含凹口以在襯底之間形成至少一個(gè)空腔。
14.如權(quán)利要求11-13其中一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置，進(jìn)一步包含至少一個(gè)布置在外面的 襯底部分之間的中間的襯底部分，使得在襯底部分之間形成至少兩個(gè)如沿軸向所見被布置 在不同平面內(nèi)的空腔。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)裝置，其中空腔如沿軸向所見是對(duì)準(zhǔn)的，并且其中光學(xué) 元件被布置在中間的襯底部分的兩個(gè)表面上并且如沿軸向所見是對(duì)準(zhǔn)的。
16.制造晶片尺度封裝的方法，包含-提供兩個(gè)襯底，每個(gè)襯底具有內(nèi)表面和外表面；-借助復(fù)制技術(shù)向襯底的內(nèi)表面提供多個(gè)光學(xué)元件，與此同時(shí)使得外表面是空的；-將至少兩個(gè)襯底沿軸向堆疊，使得內(nèi)表面和其上的光學(xué)元件相互面對(duì)；“連接外面的襯底從而以這樣的方式形成封裝，空腔形成在外面的襯底之間，每個(gè)空腔 包圍至少兩個(gè)如沿軸向所見相隔一定距離的光學(xué)元件，其中封裝的端面基本上是平坦的并 且由外面的襯底的外表面構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包含提供至少一個(gè)中間的襯底。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包含借助復(fù)制技術(shù)向至少一個(gè)中間的襯底提供 位于其兩個(gè)表面的光學(xué)元件，其方式為如沿軸向所見，中間的襯底的表面上的光學(xué)元件是 對(duì)準(zhǔn)的。
19.如權(quán)利要求17或18所述的方法，其中外面的襯底的其中一個(gè)是基于半導(dǎo)體的襯 底，優(yōu)選方式為硅、GaAs、CMOS或其它襯底，優(yōu)選方式是具有多個(gè)成像元件或光源。
20.如權(quán)利要求17或18所述的方法，進(jìn)一步包括將基于半導(dǎo)體的襯底，例如硅、GaAs、 CMOS或其它襯底，附屬于外面的襯底的其中一個(gè)端面，優(yōu)選方式是附屬于所述端面的整個(gè) 區(qū)域。
21.如權(quán)利要求16-20中其中一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在兩個(gè)襯底之間布置間隔 塊裝置以將襯底相互隔離和在襯底之間形成空腔。
22.如權(quán)利要求16-20中其中一項(xiàng)所述的方法，其中至少一個(gè)襯底是具有多個(gè)凹口的 預(yù)成形的襯底，并且其中連接至少兩個(gè)襯底的步驟包括將預(yù)成形的襯底直接連接到另一襯 底，使得在凹口區(qū)域內(nèi)形成空腔。
23.制造光學(xué)元件的方法，光學(xué)元件特別是照相機(jī)，包括按照權(quán)利要求16-22其中一項(xiàng) 所述的方法的步驟，并且進(jìn)一步包括沿著隨軸向延展的平面將封裝劃分為小塊的步驟以將 封裝分隔為單獨(dú)的光學(xué)元件。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中平面穿越間隔塊裝置以形成具有封閉空腔的光學(xué)裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及晶片尺度封裝，該晶片尺度封裝包括兩個(gè)或更多沿軸向堆疊的襯底(20、30)(晶片)和多個(gè)復(fù)制的光學(xué)元件(62、64)。本發(fā)明還涉及包含一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件的光學(xué)裝置(100)，并涉及制造這類晶片尺度封裝的方法。晶片尺度封裝和裝置包含一個(gè)或更多的容納光學(xué)元件的空腔，而封裝或裝置的端面是平坦的并且其上不包含復(fù)制的光學(xué)元件。本發(fā)明使得雙面襯底的數(shù)量有所減少并且在光學(xué)裝置的設(shè)計(jì)和制造方面具有優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK101990711SQ200880126027
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月27日
發(fā)明者H·魯?shù)侣? M·羅西, V·凱圖南 申請(qǐng)人:赫普塔岡有限公司