书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：晶圆级微透镜阵列的设计与制造
编号：JFKJ-21-
作者：炬丰科技
引言
基于晶圆级封装(WLP)的相机模块生产吸引了广泛的工业兴趣，因为它提供了高生产效率和紧凑的模块。然而，抑制表面反射损失对于晶片级微透镜阵列是具有挑战性的。传统的电介质抗反射(AR)涂层在晶片透镜涂覆和回流期间会导致晶片翘曲和涂层断裂。在本文中，我们介绍了一种基于多尺度功能结构的晶圆级透镜阵列的制作，该阵列结合了用于增强现实效应的蛾眼纳米结构、用于相机成像的百微米级非球面透镜以及用于晶圆组装的晶圆级衬底。所提出的制造工艺包括使用超精密加工制造晶片透镜阵列金属模具，化学生成纳米孔阵列层，以及使用紫外纳米压印光刻复制多尺度晶片透镜阵列。就轮廓精度和粗糙度而言，微透镜质量足以用于成像。与不含氩纳米结构的透镜相比，所制备的多尺度透镜在-纳米波长下的透光率提高了约3%。该方法为具有AR纳米结构的晶圆级阵列的高通量和低成本工业应用提供了基础。
实验
在晶圆级透镜阵列上制造氩纳米结构的过程如图3所示。首先，根据微透镜表面的设计，使用金刚石铣床将直径与目标晶片透镜阵列尺寸匹配的4-8英寸(10-20.3厘米直径)铝板制造成高精度晶片级透镜阵列模具。微透镜表面可以是球形、非球形或自由形状。其次，使用化学方法处理金属模具，以在硬模具上形成均匀的V形纳米孔层。接下来，使用基于紫外光固化树脂的纳米压印工艺将金属模具上的混合结构转移到玻璃晶片衬底上，产生具有纳米结构表面的晶片透镜阵列。最后，晶片级透镜阵列在固化后从模具中释放。为了实现凹面微透镜阵列，上述晶片透镜阵列可以用作中间模具；可以执行另一个具有类似于上述步骤的纳米压印工艺，以将阵列沉积在弯曲的基底上。
为了验证该工艺的可行性，按照上述工艺流程制造了50毫米直径的晶片透镜阵列，该阵列具有个空腔孔径精确为1.0毫米的非球面小透镜，图案化有纳米间距的抛物线形纳米结构。
然后采用紫外纳米压印光刻技术将上述金属模具上的混合结构转移到玻璃衬底上。首先，用水和丙酮清洗金属模具，在℃下干燥，然后涂上硅油脱模层。其次，将模具放置在真空室中约5分钟，同时将可紫外线固化的液体树脂分配在金属模具上。接下来，将干净的玻璃晶片放在模具上，慢慢压入树脂中。然后将模具放在加热炉上，在约℃下加热约10分钟。然后用紫外光以约20mW/cm2的曝光强度固化树脂5分钟。最后，在玻璃基板上复制具有增强现实纳米结构的微透镜阵列被机械分离。
结果和讨论
对获得的多尺度结构化晶片透镜阵列进行检查，以研究其表面轮廓精度、表面粗糙度、纳米结构质量和增强现实性能。将分析结果与没有纳米结构作为参考的普通晶片透镜阵列的结果进行比较。该阵列是在AAO处理之前从同一金属模具复制的。用针式轮廓仪相位光栅干涉仪测量了两个微透镜阵列样品的轮廓。轮廓的良好一致性说明氩结构模具的几何形状被精确复制，这对最终透镜的成像性能至关重要。表面粗糙度是另一个重要的质量因素。图8展示了样品的外观和粗糙度，使用白光干涉显微镜测量。AR纳米结构的表面粗糙度约为15.5nm，仍具有镜面质量，但大于裸透镜的表面粗糙度(Sa=5.2nm)。与光滑表面相比，Sa值的增加主要归因于纳米结构的存在。粗糙度的另一个可能来源可能是AAO化学反应，它可能改变了模具的表面微观拓扑结构，如测得的彩色高度图所示。目视检查表明没有明显的划痕或其他缺陷。轮廓和表面粗糙度测量结果表明，复制的AR纳米结构透镜能够满足精密光学成像的要求。
进行分光光度测量以测量两个样品在正入射下的透射光谱。结果如图所示11。对于每次测量，使用单个透镜面积来计算透射率测试。如图所示11与裸透镜相比，AR纳米结构透镜的透射率在可见光谱带宽上增加了3%。在透过率改善的趋势和幅度上，增强现实性能与模拟结果一致。因此，蛾眼纳米结构的增强现实性能与介电增强现实涂层相当，但蛾眼涂层避免了晶片翘曲和涂层断裂的风险。
总结
我们展示了基于高质量多尺度结构的晶圆级微透镜阵列的制作，该阵列包括数百个精确的非球面微透镜和在每个单透镜上均匀的蛾眼增强现实纳米结构层。蛾眼AR设计避免了WLP加工中的晶圆翘曲和涂层断裂问题。所提出的制造工艺与当前主流的晶片级生产工艺兼容，使用纳米结构金属晶片模具和紫外纳米压印。通过制造具有增强现实纳米结构的50毫米直径的晶片透镜阵列，证明了该工艺的可行性。微透镜和纳米结构的质量接近实际应用所需的水平。微透镜上的蛾眼增强现实纳米结构可以在整个可见波长范围内为单个界面实现3%的透射率增加，这在模拟和真实光谱测试中都得到了验证。
生产中的实际非球面透镜垂度可能比当前测试中观察到的要大得多，这将对应于更大的表面倾斜角。对于大的倾斜角，蛾眼纳米结构AR效应的角度依赖性将开始显现，并且在UV压印期间也存在更大的模具脱离失败的风险。将提议的工艺扩展到6–8英寸晶圆透镜阵列生产也面临技术不确定性。考虑到这些问题，这里的研究仍然为蛾眼AR纳米结构在WLP工业中的未来研究和采用奠定了良好的基础。