晶圆对准特征
阅读说明：本技术 晶圆对准特征 (Wafer alignment features ) 是由 尼古拉.斯普林 U.马科维奇 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：一种制造多个光学元件的方法,包括提供第一晶圆(200),该第一晶圆具有布置在基板的第一表面上的下部对准特征(192),提供第二晶圆(201),该第二晶圆在复制侧包括多个复制段,每个复制段限定光学元件中的一个光学元件的表面结构,第二晶圆(201)还包括上部对准特征(194),该上部对准特征在复制侧比复制段的最外面的特征突出得更多,在第一晶圆(200)的第一侧上沉积液滴(196),将第二晶圆(201)和第一晶圆(200)的第一侧放在一起,液滴(196)在第一晶圆(200)和第一晶圆(201)之间,上部对准特征(194)接触第一晶圆(200)第一侧上的下部对准特征(192)上的液滴(196),从而通过毛细作用使第二晶圆(201)与第一晶圆(200)对准。(A method of manufacturing a plurality of optical elements comprises providing a first wafer (200) having lower alignment features (192) arranged on a first surface of a substrate, providing a second wafer (201) comprising a plurality of replication sections on a replication side, each replication section defining a surface structure of one of the optical elements, the second wafer (201) further comprising upper alignment features (194) protruding more on the replication side than outermost features of the replication sections, depositing droplets (196) on the first side of the first wafer (200), bringing the second wafer (201) and the first side of the first wafer (200) together, the droplets (196) being between the first wafer (200) and the first wafer (201), the upper alignment features (194) contacting the droplets (196) on the lower alignment features (192) on the first side of the first wafer (200), thereby aligning the second wafer (201) with the first wafer (200) by capillary action.)
技术领域
本公开涉及微流体对准特征。
背景技术
包括一个或多个光辐射发射器和一个或多个光传感器的光学设备可用于广泛的应用，包括例如距离测量、接近感测、手势感测和成像。小型光电子模块，诸如成像设备和光投影仪，采用光学装配件，该光学装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，这种光电模块可以包括在各种消费电子产品的外壳中，诸如移动计算设备、智能电话或其他设备。
发明内容
本公开描述了包括微间隔的光学和光电装配件，以及用于制造这种装配件的方法。
基板可以是“晶圆”或其他基本元件，其上具有添加的附加结构，例如具有粘附到其上的硬化复制材料结构，限定多个光学元件的表面，具有一些光刻添加或去除的特征(诸如，孔等)或具有其他结构。基板可以包括任何材料或材料组合。
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、用于将辐射分解成其光谱成分的元件等，以及它们的组合。基板一侧上的复制结构和基板两侧上的两个对准的复制光学元件的集合都被称为“光学元件”。
该工具(或“复制工具”)可以包括形成刚性背板的第一硬材料和形成接触间隔物部分和复制段(replication section)两者的第二较软材料部分(复制部分(replicationportion))。通常，接触间隔物部分可以是与工具的形成复制段的部分相同的材料，并且可以仅仅是工具的结构特征(不是添加的元件)。作为替代，接触间隔物部分可以包括附加材料，例如在最外表面上的柔软和/或粘合剂材料的涂层。
作为像PDMS那样的低刚度材料的替代，接触间隔物也可以包括粘合剂，例如粘合剂层。将低刚度材料用于工具的整个复制部分对于其制造是有利的，因为不需要单独的步骤来添加接触间隔物或其涂层。整个复制部分可以从也包括接触间隔物部分的母版或副母版通过复制(模塑、压花等)以单个形状来制造。
接触间隔物部分可操作为在复制期间靠在基板上，在接触间隔物部分和基板之间没有材料。接触间隔物部分可以是连续的，或者可以包括围绕周边的多个离散部分，或者分布在复制表面的周边和/或内部的较大部分上。换句话说，接触间隔物部分可以是允许复制工具靠在基板上的任何构造。例如，接触间隔物部分的分布使得接触间隔物部分位于贯穿工具的质心的每条面内线的两侧。间隔物被布置和构造成使得如果工具位于基板上，则厚度(垂直于基板和工具平面的z方向)由间隔物部分限定。
在一些实施例中，一种制造多个光学元件的方法包括提供第一晶圆，该第一晶圆具有布置在基板的第一表面上的下部对准特征，提供第二晶圆，该第二晶圆在复制侧包括多个复制段，每个复制段限定光学元件中的一个光学元件的表面结构，第一晶圆还包括上部对准特征，该上部对准特征在复制侧比复制段的最外面的特征突出得更多，在第一晶圆的第一侧上沉积液滴，并且相对于彼此对准第一晶圆和第一晶圆，并且使第一晶圆和第一晶圆的第一侧放在一起，液滴在第一晶圆和第一晶圆之间，上部对准特征接触第一晶圆的第一侧上的下部对准特征上的液滴，从而通过毛细作用使第二晶圆与第二晶圆对准。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：液滴沉积在光学元件之间。液滴沉积在围绕光学元件的环中。在第二晶圆上沉积液滴。硬化液滴。在光学元件之间的第二晶圆的第一侧上沉积液滴。
在一些实施例中，一种用于制造多个光学元件的装置包括第一晶圆和第二晶圆，第二晶圆在复制侧包括多个复制段，每个复制段限定光学元件之一的表面结构，第一晶圆还包括至少一个上部对准特征，上部对准特征在复制侧比复制段的最外面的特征突出得更多，液滴被沉积在第一晶圆的第一侧上，第二晶圆和第一晶圆相对于彼此对准，并且使第一晶圆和第二晶圆放在一起，上部对准特征接触第一晶圆的第一侧上的下部对准特征上的液滴，从而通过毛细作用使第二晶圆与第二晶圆对准。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个：液滴沉积在光学元件之间。液滴沉积在围绕光学元件的环中。在第二晶圆上沉积液滴。硬化液滴。在光学元件之间的第二晶圆的第一侧上沉积液滴。
本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中阐述。从说明书和附图以及权利要求中，其他特征、目的和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了用于复制的示例性横截面工具/基板结构。
图2A-图2C显示了微流体对准特征。
图3A-图3C显示了微流体对准特征。
具体实施方式
图1示意性地示出了贯穿工具101和基板120的横截面。所示实施例中的工具101包括第一材料(例如，玻璃)的刚性背板102和第二较软材料(例如，PDMS)的复制部分104。复制部分形成包括多个复制段106的复制表面108，每个复制段的表面是要被制造的光学元件的表面形状的(负)副本。复制段106可以是凸的并因此限定凹的光学元件表面，或者是凸的并限定凹的光学元件表面。
复制部分104具有接触间隔物部分112，接触间隔物部分112被图示为布置在周边。接触间隔物部分112是复制工具101在z方向上突出最多的结构。接触间隔物部分基本上是平坦的，因此，在复制期间可以被操作为靠在基板120上，接触间隔物部分112和基板120之间没有材料。接触间隔物部分112可以例如围绕复制表面108的周边形成环，可以包括围绕周边的多个离散部分，或者可以包括分布在复制表面108的周边和/或内部的较大部分上的多个离散部分。
基板120具有第一侧(例如，基板表面126)和第二侧，并且可以是任何合适的材料，例如玻璃。基板120还具有添加到其上的结构，复制品将对准该结构。该结构可以例如包括在x-y平面中结构化的涂层122，诸如具有孔的屏幕，或者结构化的红外滤光器等。此外，或者作为替代，该结构可以包括另外的特征，例如标记等。此外，或者作为另一种替代，该结构可以包括构成光学元件的表面的硬化复制材料结构。
为了复制工具101的复制表面108，复制材料124被施加到基板120或工具101、或工具101和基板120两者上。复制材料124的这种施加可以包括将复制材料124的多个部分(每个复制段一个部分)施加到工具101和/或基板120(尽管图中示出了复制材料124的单个部分)。每个部分可以例如通过喷射或喷溅一个或多个液滴，通过例如可以以类似喷墨打印机的方式工作的分配工具来施加。每个部分可以可选地由仅在复制期间相互接触的多个子部分构成。通常，液滴是环氧树脂。
在施加复制材料124之后，基板120和工具101相对于彼此对准。为此，可以使用类似于在所谓的掩模对准器中使用的过程。对准过程可以包括将工具101和/或基板120的至少一个特定特征(优选使用两个特征)分别与基板120或工具101的至少一个特定特征对准，或者与对准设备的参考点对准。适用于此的特征包括结构本身的明确定义的元件(诸如，结构化涂层的确定的角或透镜峰等)，特别是添加的对准标记，或者可能还有基本元素等的边缘等。如本领域已知的，对准还包括精确地使工具和基板表面平行，以避免楔形误差；这种平行可以在x-y对准之前进行。
在对准之后，将基板120和工具101放在一起，接触隔离物部分112靠在基板上，并且限定(如果存在的话，与浮动隔离一起)z尺寸，并且还锁定工具防止x-y移动。此后，将基板-工具-装配件从对准台移除并转移到硬化台。
工具的复制部分104或接触间隔物部分112的至少一个表面由具有相对较低刚度的材料制成，从而在“正常”条件下，例如在没有比位于基板上的工具的重力引起的压力更大的压力的情况下或者在与之相反的情况下，它能够适应微米和/或亚微米尺度的粗糙度，并且因此可以与基板表面形成紧密连接。此外，工具的复制部分或至少接触间隔物部分的表面可以具有相对较低的表面能，以使得这种对微米和/或亚微米尺度的粗糙度的适应是有利的。这种材料的优选示例是聚二甲基硅氧烷PDMS。
先前的复制步骤包括在复制工具101和基板元件已经彼此相向移动且它们之间有复制材料124之后硬化复制材料124，并且随后移除复制工具101。
为了创建使用多个基板(或晶圆)创建的光学元件的堆叠，基板必须在相对于彼此固定之前对准。为了将基板彼此对准，通常基于视觉系统和基准使用掩模对准系统。
图2A-图3C示出了用于对准光学元件的微流体对准特征190，诸如硬化的复制特征140和其他结构。这些微流体对准特征190可以用于在晶圆或模块或叠层级别上对准。微流体对准特征190可以经由复制、光刻或这两者的组合来产生。
图2A-图2C示出了微流体对准特征190的第一示例，包括分别位于下表面200和上表面201上的下部特征192和上部特征194，以及液滴196。下部特征192和上部特征194是正特征和负特征(具有一些附加的流动控制结构和限定的间隙)，其在需要对准的元件的任一侧上创建(例如，硬化的复制特征140，其可以接近微流体对准特征190或远离微流体对准特征190而存在)。然后，液滴196被分配到下部特征192和上部特征194中的任一个或两者上。下表面200和上表面201彼此接近，使得下部特征192和上部特征194几乎接触。
当足够接近时，下部特征192和上部特征194产生毛细作用力。毛细作用是在无需重力等外力的帮助，或者甚至与外力相反的情况下，液体在狭窄空间中流动的能力；在这种情况下，狭窄空间位于下部特征192和上部特征194之间。毛细作用力的局部变化改变了液体流动的优选方向。液滴196将试图均衡下部特征192和上部特征194的位置，以平衡毛细管压力。微流体对准特征190利用流体毛细压力来使上表面200和下表面201自装配。
表面之间的间隙越小，毛细管压力的作用越大。因此，在此存在的微米尺度上，毛细作用力很大。下部特征192和上部特征194被塑形为使得它们之间的距离随着下部特征192和上部特征194外部的液体和空气之间的接触角而变化。这种物理变化导致毛细作用力以高度局部的方式快速变化；因此，液滴196促使下部特征192和上部特征194偏移，以均衡力，从而对准表面。
在一些实施例中，液滴196可以是水、油、一些其他液体。液滴196可以由蒸发或分配的液体制成。
在一些实施例中，液滴196可以是可固化材料。在这种情况下，一旦上表面200和下表面201对准，液滴196可以例如通过UV光或其他固化方法固化。因此，上表面200和下表面201的对准是固定的。
根据元件的结构和尺寸，可以使用多个微流体对准特征190。可以用不同的方式定义特征，以便主要在横向方向上强制对准，或者还包括将元件拖在一起的组件。
在一些实施例中，微流体对准特征190可以在围绕上表面201和下表面200中的一个或多个上的光学元件的圆周环中。在这种情况下，具有固化液滴196的微流体对准特征190保持在原位，但是由于仅存在于周边，因此不影响光学特征的光学性能。
图3A-图3C示出了微流体对准特征190的第二示例，类似于图2A-图2C的那些微流体对准特征。对准特征190包括分别位于下表面200和上表面201上的下部特征192和上部特征194，以及液滴196。下部特征192和上部特征194是在需要对准的元件的任一侧上创建的正特征和负特征(具有一些额外的流动控制结构和限定的间隙)，(例如，硬化的复制特征140，其可以接近微流体对准特征190或远离微流体对准特征190而存在)。然后，液滴196被分配到下部特征192和上部特征194中的任一个或两者上。下表面200和上表面201彼此接近，使得下部特征192和上部特征194几乎接触。
当足够接近时，下部特征192和上部特征194产生毛细作用力。毛细作用是在无需重力等外力的帮助下，或者甚至与外力相反的情况下，液体在狭窄空间中流动的能力；在这种情况下，狭窄空间位于下部特征192和上部特征194之间。毛细作用力的局部变化改变了液体流动的优选方向。液滴196将试图使下部特征192和上部特征194的位置均衡，以平衡毛细管压力。微流体对准特征190利用流体毛细压力来使上表面200和下表面201自装配。
表面之间的间隙越小，毛细管压力的作用越大。因此，在此存在的微米尺度上，毛细作用力较大。下部特征192和上部特征194被塑形为使得它们之间的距离随着下部特征192和上部特征194外部的液体和空气之间的接触角而变化。这种物理变化导致毛细作用力以高度局部的方式快速变化；因此，液滴196促使下部特征192和上部特征194偏移，以均衡力，从而对准表面。
在一些实施例中，液滴196可以是水、油、一些其他液体。液滴196可以由蒸发或分配的液体制成。
在一些实施例中，液滴196可以是可固化材料。在这种情况下，一旦上表面200和下表面201对准，液滴196可以例如通过UV光或其他固化方法固化。从而，上表面200和下表面201的对准是固定的。
根据元件的结构和尺寸，可以使用多个微流体对准特征190。可以用不同的方式定义特征，以便主要在横向方向上强制对准，或者还包括将元件拖在一起的组件。
在一些实施例中，微流体对准特征190可以在围绕上表面201和下表面200中的一个或多个上的光学元件的圆周环中。在这种情况下，具有固化液滴196的微流体对准特征190保持在原位，但是由于仅存在于周边，因此不会影响光学特征的光学性能。
这里描述的复制制造特征有利地能够创建密集封装的布局以及模块或堆叠，其中光学结构和机械(例如，间隔物)或电功能(例如，接合焊盘)相结合。这些功能可用于生成更密集的布局，创建包括眼睛安全功能的包装，通过通风通道生成减少工艺步骤的数量，并提高精度。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。