專利名稱：制造光學(xué)元件和半導(dǎo)體元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造例如光學(xué)元件和半導(dǎo)體元件等成形元件的陣列的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前用多種方法制造其至少一個(gè)尺度小于幾毫米的光學(xué)元件(即，無(wú)機(jī)材料或者有機(jī)材料的成形體，并且?guī)в醒刂辽僖粋€(gè)平面的小平面，該成形體反射、折射和吸收光和/或?qū)?和半導(dǎo)體元件。這些方法包括模制；研磨單獨(dú)的元件；由溶膠-凝膠鑄造光學(xué)元件，然后燒結(jié)；微復(fù)制；以及使用表面張力或收縮形成所需形狀的方法。在這些方法中，僅有研磨法可以由難熔材料或者結(jié)晶材料產(chǎn)生精確的形狀。然而，對(duì)于制造大量的光學(xué)元件，研磨法是最慢且最昂貴的方法之一，對(duì)于具有高導(dǎo)熱率的陶瓷例如金剛石、碳化硅和藍(lán)寶石等尤其是如此。另外，單獨(dú)研磨的成形元件必須單獨(dú)地處理，這是比較難的。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)公開(kāi)由工件制造成形元件的方法，其中，對(duì)所述工件進(jìn)行研磨，以至少部分地形成限定成形元件陣列的溝道。用圖案化磨料將所述溝道的表面拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量。


圖1a和圖1b是圖案化磨料的代表性實(shí)施例的透視圖。
圖2a至圖2d是示出制造成形元件的方法的第一實(shí)施例的剖視圖。
圖3a至圖3f是示出制造成形元件的方法的第二實(shí)施例的剖視圖。
圖4a至圖4c是示出制造成形元件的方法的第三實(shí)施例的剖視圖。
圖5和圖6是示出所形成的溝道的示意圖。
圖7a至圖7c是示出制造光學(xué)元件陣列的代表性方法的剖視圖。
圖8a至圖8d是示出制造LED管芯陣列并將其安裝在光學(xué)元件上的代表性方法的剖視圖。
圖9和圖10是示出將光學(xué)元件粘結(jié)到LED管芯上的代表性實(shí)施例的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1a和圖1b示出用于研磨基底材料以形成單獨(dú)的光學(xué)元件和/或半導(dǎo)體元件的陣列的圖案化磨料10、30的代表性實(shí)施例。本文中所用的研磨可以包括同時(shí)研磨和拋光基底材料，但是，拋光也可以作為分離的步驟進(jìn)行。另外，本文中所用的關(guān)于元件或成形元件的“單獨(dú)的”和“單獨(dú)化的(singulated)”是指，元件是可識(shí)別的單元，但是不必一定與其它元件分離。同樣， “單獨(dú)化(singulating)”是指形成可識(shí)別的單元，這些單元不必一定彼此分離。如圖所示，圖案化磨料10、30包括工作表面12、32和背襯14、34。工作表面12、32包含突起部16、36，顆粒18、38以及粘結(jié)劑20、40。
通過(guò)將分散在粘結(jié)劑20、40中的顆粒18、38的組合物施加到背襯14、34上，形成圖案化磨料10、30。背襯14、34可以包含諸如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜、布、紙、非織造物、金屬箔、玻璃纖維、及其組合之類的材料。粘結(jié)劑20、40充當(dāng)用于分散顆粒18、38的介質(zhì)，并且還可以將組合物粘結(jié)到背襯14、34上。通過(guò)模制組合物，將圖案化磨料10、30形成為精確的三維形狀。
典型的模制操作涉及在模具中成形組合物或者樹(shù)脂，隨后用諸如紫外光、電子、X射線或者熱能之類的能量源進(jìn)行固化?；蛘?，可以在塑料態(tài)下成形組合物，并且固化所述組合物以形成所需的形狀。例如，可以采用模制工具模制填充有顆粒的酚醛類粘結(jié)劑，并且用輻射或熱進(jìn)行固化。有意義的是，圖案化磨料10、30可以制成精確的規(guī)格。
由3M公司制造的TrizactTM磨料是圖案化磨料的例子。合適的圖案化磨料包含磨料顆粒和粘結(jié)劑。粘結(jié)劑材料由聚合物、金屬或者陶瓷制成。一些例子包括聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯改性的聚氨酯、丙烯酸酯改性的環(huán)氧樹(shù)脂、單官能和多官能的丙烯酸酯、酚醛樹(shù)脂、電鑄鎳和玻璃類材料。
顆粒18、38的平均粒徑為約0.5μm至約20μm，或者，在一些實(shí)施例中，為約1.5μm至約10μm。顆粒18、38可以包括熔融氧化鋁(包括棕色氧化鋁、熱處理過(guò)的氧化鋁和白色氧化鋁)、陶瓷氧化鋁、綠色碳化硅、碳化硅、二氧化硅、氧化鉻、熔融的氧化鋁氧化鋯、金剛石、氧化鐵、二氧化鈰、立方氮化硼、碳化硼、石榴石及其組合。另外可以包含例如處理助劑等其它的輔助劑以改變并改善研磨性能。
顆粒18、38可以直接混合到粘結(jié)劑中，或者，它們可以在混合到粘結(jié)劑之前首先形成磨料聚集體。為了形成磨料聚集體，將顆粒粘結(jié)在例如二氧化硅或者硅酸鹽玻璃等玻璃類材料中，以改善切削性能。然后，將磨料聚集體混合到粘結(jié)劑中。
圖案化磨料10、30中的突起部16、36可以形成為很多形狀中的任何形狀。例子包括與研磨路徑垂直地截取的橫截面為圓形或非圓形弧(包括非球面弧、梯形、拋物線、棱錐形及其組合)的突起部16、36。使用圖案化磨料制成的單獨(dú)的光學(xué)元件和/或半導(dǎo)體元件的橫截面與垂直于圖案化磨料10、30的研磨路徑所截取的突起部16、36的橫截面相反。另外，單獨(dú)的元件帶有沿著至少一個(gè)平面的小平面，而更復(fù)雜的橫截面形狀會(huì)潛在地在成形元件上形成更復(fù)雜的小平面。
與圖案化磨料10、30不同，常規(guī)的磨料通常用來(lái)產(chǎn)生光滑而平坦的表面。為使形成的凹槽最小化，磨料峰的節(jié)距(磨料峰之間的間距)是隨機(jī)的，或者，峰以相對(duì)于研磨運(yùn)動(dòng)成傾斜的角度取向，并且，在研磨期間磨料振動(dòng)?；蛘?，常規(guī)磨料的峰是淺的，具有非特定的形狀，并且涉及一個(gè)研磨步驟。
圖案化磨料10、30還與常規(guī)的直鋸有區(qū)別。直鋸是機(jī)械排列并且單獨(dú)安裝的多行金屬刀片。金屬刀片隨著使用而變鈍。圖案化磨料是用沖模、模具或其它技術(shù)精確地排列和制造的整體的成行的組合物材料，與直鋸不同，圖案化磨料可以配制成隨著使用而腐蝕并變尖，從而具有多種功能和用途。如上所述，圖案化磨料可以同時(shí)研磨和拋光。該特征導(dǎo)致與包括采用直鋸進(jìn)行切割等其它方法相比對(duì)成形元件的損害更少。圖案化磨料還可以包括研磨助劑、填料顆粒、顆粒表面處理劑、表面活性劑、鈍化劑、氧化劑、耦聯(lián)劑、分散劑和其它添加劑。這些材料的例子在美國(guó)公開(kāi)No.2003/0024169A1(Kendall等人)中得到描述。
圖2a至圖2d示出由精確成形的圖案化磨料形成精確的單獨(dú)的光學(xué)元件和/或半導(dǎo)體元件的方法。圖2a示出具有工作表面102和背襯104的圖案化磨料100。工作表面102包括突起部106，背襯104包括參照基準(zhǔn)(fiducial reference)108。
在應(yīng)用中，通過(guò)很多工具中的任何工具使用圖案化磨料100，以研磨基底材料，從而形成單獨(dú)的光學(xué)元件和/或半導(dǎo)體元件。圖案化磨料100可以應(yīng)用到可旋轉(zhuǎn)的圓柱、皮帶或者扁平片材中的至少一部分上，從而得到用于研磨處理的工具。
圖2b示出由光學(xué)材料和/或半導(dǎo)體材料制成的工件110。工件110包含基底材料112和載體114。合適的基底材料包括光學(xué)材料，例如，類似于玻璃的硬無(wú)機(jī)材料、方解石、藍(lán)寶石、氧化鋅、碳化硅、金剛石及其組合。光學(xué)材料也可以包括這些材料的層疊制品，例如，粘結(jié)到玻璃上的碳化硅、粘結(jié)到玻璃上的藍(lán)寶石、粘結(jié)到玻璃上的方解石、以及粘結(jié)到玻璃上的聚合物膜。光學(xué)材料的有益特性包括至少0.01cm2/s的熱擴(kuò)散率、透明度、高的折射率、淺色和低毒性?；撞牧?12也可以包括沉積在碳化硅或藍(lán)寶石上的半導(dǎo)體材料，例如硅或半導(dǎo)體。雖然基底材料112可以由任何類型的光學(xué)材料和/或半導(dǎo)體材料構(gòu)成，但是，采用圖案化磨料100研磨和拋光脆的、極硬的和/或溫度敏感的材料一用常規(guī)方法很難切割且不可模制的材料是特別有益的。
并非旨在進(jìn)行限制，對(duì)所公開(kāi)的元件具有特定用途的玻璃包括無(wú)鉛玻璃，該無(wú)鉛玻璃的折射率大于約1.7，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小于750攝氏度，更優(yōu)選地，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小于650攝氏度。在所有條件相等的情況下，具有較低熱膨脹系數(shù)的玻璃是優(yōu)選的。一些示例性玻璃包括可以從Schott Glass公司(德國(guó))獲得的n-LAF7、n-LAF3、n-LAF33和n-LASF46，以及可以從Ohara公司獲得的S-NPH2。
載體114可以由本領(lǐng)域所熟知的很多材料中的任何材料構(gòu)成。合適的材料應(yīng)當(dāng)是機(jī)械方面非常穩(wěn)定的。
在操作中，圖案化磨料100的工作表面102接觸工件110的基底材料112。工件110要么被連續(xù)運(yùn)動(dòng)地研磨，要么被振動(dòng)運(yùn)動(dòng)地研磨，以在工件110中至少部分地形成溝道，并且將由溝道限定的元件表面拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量。圖案化磨料100和工件110之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)垂直于圖示的橫截面平面?？梢愿墒降貓?zhí)行研磨，或者采用液體潤(rùn)滑劑和冷卻劑執(zhí)行研磨。如果使用液體潤(rùn)滑劑，則可以添加包含前面所述顆粒類型中的一種顆粒的磨料漿。磨料漿(常用于化學(xué)機(jī)械拋光(CMP))是本領(lǐng)域已知的。例如，包含二氧化硅、氧化鋁或二氧化鈰磨粒和化學(xué)添加劑(例如，氧化劑、聚合物、pH穩(wěn)定劑、分散劑和表面活性劑)的含水的復(fù)合懸浮液可以與適應(yīng)性的拋光墊結(jié)合使用。合適的拋光流體在顆粒與突起部接觸或相互作用的點(diǎn)上提供提高的反應(yīng)性或腐蝕性。可以使用不同的溫度來(lái)控制拋光流體的反應(yīng)性或腐蝕性?；蛘?，通過(guò)與磨料漿結(jié)合使用的無(wú)磨料墊形成圖案化磨料100。無(wú)磨料墊限定溝道的形狀，而磨料漿將溝道的表面拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量。
可以使用很多常規(guī)拋光技術(shù)(包括散粒磨料拋光和固著磨料拋光二者)中的任何技術(shù)來(lái)拋光元件的表面。在散粒磨料拋光中，磨料礦物質(zhì)(CeO2、SiO2、Al2O3、金剛石等)的漿料與溶劑(通常為水)混合，并且施加到墊或壓板材料上。待拋光的材料基底在正常負(fù)荷下相對(duì)于墊或壓板材料運(yùn)動(dòng)，而磨料漿輸送到墊-基底界面。典型的墊材料是多孔聚合物，例如聚氨酯、氈制品、布或者絨毛聚合物材料。在固著磨料拋光中，磨料材料嚴(yán)格地保持在粘結(jié)材料中，該粘結(jié)材料可以是樹(shù)脂、金屬或者玻璃質(zhì)材料(玻璃)。在這種情況下，同樣，待拋光的基底或材料在正常負(fù)荷下相對(duì)于墊或壓板材料運(yùn)動(dòng)。拋光液可以施加到固著磨料-基底界面，以幫助拋光。拋光液的類型可以是其pH設(shè)計(jì)用來(lái)幫助除去材料的含水液體或者不含水液體。磨粒漿也可以與固著磨料一起使用來(lái)提供拋光作用。固著磨料和用于散粒磨料拋光的拋光墊二者具有各種機(jī)械構(gòu)造和特性，設(shè)計(jì)用來(lái)在材料除去、表面磨光和大尺度形貌保持方面獲得適當(dāng)?shù)钠胶狻?br> 圖2c示出研磨處理期間的圖案化磨料100和工件110。為了進(jìn)行研磨，應(yīng)該在與工作表面102相對(duì)的背襯104和與基底112相對(duì)的載體114上施加力，以保持圖案化磨料100和基底112在研磨處理期間接觸。這些力通過(guò)堅(jiān)硬材料、順應(yīng)性材料(例如，橡膠)或者通過(guò)諸如空氣之類的流體或者液體承載面來(lái)施加。
圖2d示出具有單獨(dú)的元件116和溝道118的工件110。每個(gè)單獨(dú)的元件116包括側(cè)表面116a和頂表面116b?？梢酝ㄟ^(guò)如下方式進(jìn)行研磨，即，用一種或多種圖案化磨料同時(shí)或者逐步地形成溝道118并拋光側(cè)表面116a和頂表面116b中的一些面或全部面，然后拋光表面116a和116b。如果同時(shí)進(jìn)行，則研磨速率將足夠快，可以將表面116a和116b拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量。如果逐步地進(jìn)行，則使用兩種或多種圖案化磨料逐步進(jìn)行，其中在處理期間各種磨料日益變細(xì)，或者可以添加磨料漿，其中在整個(gè)處理期間顆粒日益變細(xì)。
圖案化磨料100也可以制備成在突起部106的特定部分中分布或者聚集有明顯不同尺寸的顆粒。例如，大的顆粒可以結(jié)合到突起部106的頂端上，以提供高的去除率和在元件116上的粗糙的光潔度。較細(xì)的顆?？梢跃奂谕黄鸩?06的側(cè)面上，以拋光元件116的側(cè)表面116a。如果元件116具有近似等于突起部106的高度，則在圖案化磨料100的每個(gè)突起部106之間的表面，即平臺(tái)，可以包含不同粒徑的顆粒，該表面研磨工件110的頂表面116b。具有多功能區(qū)域的圖案化磨料的例子在PCT公開(kāi)No.WO01/45903A1(Ohishi)中有所描述。
圖3a至圖3f示出可選的方法。這里，使用金剛石鋸或者相似類型的工具粗糙地形成溝道，然后，用一種或多種圖案化磨料磨光溝道。
圖3a包括具有突起部206的圖案化磨料200以及具有基底材料212和載體214的工件210。在操作中，用圖案化磨料200研磨工件210，使得突起部206僅僅部分地形成溝道。
圖3a的步驟的結(jié)果示于圖3b中。現(xiàn)在的工件210包括部分成形的溝道218a。
接下來(lái)，如圖3c所示，金剛石鋸220使用部分成形的溝道218a作為用于進(jìn)一步形成溝道的導(dǎo)向。金剛石鋸220單獨(dú)地切割每個(gè)溝道218a，以形成部分成形的溝道218b。使用部分成形的溝道218a可以確保金剛石鋸220在合適的位置上切割每個(gè)溝道218b。圖3d示出在每個(gè)部分成形的溝道218b形成之后的工件210。雖然圖中顯示為大致切穿基底212，但是金剛石鋸220也可以通過(guò)完全切穿基底212來(lái)形成部分成形的溝道218b。
為了完成溝道的形成，圖案化磨料200研磨工件210，以限定溝道218并形成元件216。這示于圖3e中。圖案化磨料200可以是與初始使用的圖案化磨料相同的圖案化磨料，也可以是不同的圖案化磨料?？梢允褂蒙厦嫠龅腃MP和固著磨料技術(shù)來(lái)執(zhí)行進(jìn)一步的拋光。
在圖3f中示出，單獨(dú)的元件216安裝在載體214上。圖案化磨料200將表面216a和216b中的至少一些拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量。
可以將基底212完全研磨穿，或者，可以在完全研磨穿之前停止研磨。如果在完全研磨穿基底212之前停止研磨，則可以通過(guò)對(duì)基底212的背面的其余部分進(jìn)行背面研磨來(lái)使所得到的成形元件陣列單獨(dú)化。從單獨(dú)化的成形元件的背側(cè)觀看，這產(chǎn)生小平面的第二平面。
圖4a至圖4c示出可選的方法。圖4a示出具有粗糙溝道318c的基底312?？梢允褂们笆龇椒ɑ虮绢I(lǐng)域所熟知的其它方法中的任何方法研磨或切割基底312。
如圖4b所示，共形涂層312a是容易拋光的軟材料，使用諸如化學(xué)氣相沉積或者濺射之類的技術(shù)，該共形涂層312a沉積在粗糙成形的基底312上。涂層312a可以是二氧化硅、硅酸鹽玻璃或者氧化銦錫，并且應(yīng)該覆蓋所有部分成形的元件。然后，圖案化磨料研磨涂層312a，以形成溝道318，并且將溝道318的表面拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量。圖4c示出所得到的產(chǎn)品，即元件316a。
在另一可選方法中(未圖示)，初始使用圖案化磨料切入式切割工件上的基底，以形成部分成形的溝道。然后，通過(guò)促使相同的或者另一圖案化磨料橫向地壓在部分成形的溝道的表面上而使用圖案化磨料研磨部分成形的溝道的側(cè)表面。由該方法得到的溝道比圖案化磨料的突起部寬。
各個(gè)元件可以為單獨(dú)化的，使得它們作為陣列使用，或者使得它們單獨(dú)地使用。如果單獨(dú)地使用，載體可以是可剝離的，以通過(guò)除去載體而使成形元件單獨(dú)化。
成形元件可以形成為這樣，使得每個(gè)元件的底部具有所需的特定形狀，并且成形元件帶有小平面。通過(guò)沿著一個(gè)或多個(gè)相交軸線研磨工件來(lái)形成形狀和小平面。圖5和圖6示出該思路。
圖5示出具有正方形底部(用粗體示出)的元件的形成。圖5示出中心線CL1和中心線CL2，其表示在工件中形成的溝道的中心線。沿著中心線CL1研磨，將工件相對(duì)于圖案化磨料旋轉(zhuǎn)大約90°，沿著中心線CL2研磨，產(chǎn)生具有正方形底部的元件。
圖6示出具有六邊形底部(用粗體示出)的元件的形成。圖6示出中心線CL3、中心線CL4和中心線CL5。這里，在三個(gè)研磨步驟之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為約60°。用該方法可以形成具有三個(gè)小平面或者更多個(gè)小平面的成形元件，容易制造具有三至八個(gè)小平面的成形元件。沿著每個(gè)附加軸線的定向研磨在成形元件上產(chǎn)生更復(fù)雜的小平面。
溝道的路徑可以是線性的，如圖5和圖6所示，或者可以是彎曲的。多條彎曲的相交路徑可以形成或者逐漸彎曲成為弧線或者正弦曲線，從而不形成旋轉(zhuǎn)體。
另外，溝道可以通過(guò)隔行交錯(cuò)過(guò)程形成。在該方法中，用圖案化磨料在工件中形成多個(gè)第一溝道。將該圖案化磨料抬起并橫向移動(dòng)一定距離，并且放下來(lái)以形成多個(gè)第二溝道，該第二溝道與第一溝道平行，但是與第一溝道偏移，從而第一溝道和第二溝道隔行交錯(cuò)。如果需要，可以使用不同的圖案化磨料形成第二溝道。使用一種或多種圖案化磨料繼續(xù)該過(guò)程，直到得到所需數(shù)量的溝道為止。
每個(gè)元件的高度是設(shè)計(jì)選擇的事項(xiàng)，但是其測(cè)量值通常高達(dá)約10mm，更通常為約300μm至約4 mm。每個(gè)元件的底部寬度測(cè)量為高度的約十分之一至約一半，并且，每個(gè)元件之間的距離測(cè)量為高度的約一半。成形元件的縱橫比通常為2∶1或者5∶1。由透明光學(xué)材料制成的元件可以具有錐形的形狀，如圖所示，以使光準(zhǔn)直或者聚焦。然而，在一些實(shí)施例中，可能有用的是，產(chǎn)生具有豎直的或者大致豎直的側(cè)表面的單獨(dú)的元件。
為了制造精確的單獨(dú)的元件，圖案化磨料應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地抵著工件設(shè)置，以沿著形成所需的形狀所必要的每個(gè)軸線研磨。這可以通過(guò)很多方法中的任何方法實(shí)現(xiàn)。如圖2a所示，圖案化磨料100包括參照基準(zhǔn)108，其配合在工具的導(dǎo)向裝置中，以使圖案化磨料100在研磨期間設(shè)置和保持在合適的位置上。參照基準(zhǔn)，例如，一個(gè)或多個(gè)突起部106，可以位于工作表面102上。參照基準(zhǔn)可以是機(jī)械的，使用導(dǎo)向裝置，或者提供信號(hào)給控制位置的控制機(jī)構(gòu)?？刂茩C(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)圖案化磨料100、工件110或者二者的位置?？刂茩C(jī)構(gòu)可以使用光學(xué)信號(hào)、機(jī)械信號(hào)、電信號(hào)或者磁信號(hào)。
或者，可以使用輥以及一個(gè)或兩個(gè)側(cè)壁作為具有皮帶的工具的邊緣導(dǎo)向裝置。該側(cè)壁限定皮帶的邊緣的位置。
光學(xué)元件陣列可以粘結(jié)到單獨(dú)化的光源例如發(fā)光二極管(LED)管芯上。然而，因?yàn)橛伤_(kāi)的方法制造的單獨(dú)的光學(xué)元件位于限定陣列的精確位置上，所以光學(xué)元件陣列與LED管芯陣列的對(duì)準(zhǔn)是理想的，其中，光學(xué)元件和管芯中的一者或者二者固定在可剝離的載體上。圖7a至圖7c示出制造可以粘結(jié)到LED管芯陣列上的光學(xué)元件陣列的另一方法。
圖7a示出具有突起部406和突起部422a的圖案化磨料400。圖7b示出具有光學(xué)材料424b和424c以及載體414的工件410。這里，工件410示出使用多層光學(xué)材料。例如，層424b可以是玻璃、陶瓷或者聚合物。合適的聚合物包括熱固性聚合物、熱塑性聚合物和熱塑性的取向聚合物。用于層424c的合適材料包括玻璃、陶瓷或者聚合物、以及其它光學(xué)材料，例如多層光學(xué)膜反射鏡或者偏振器、無(wú)機(jī)層(包括金屬、氧化銦錫、氧化鋅、金屬網(wǎng)、格柵、網(wǎng)狀物和線柵偏振器)。線柵偏振器在美國(guó)專利No.6,243,199(Hansen等人)和美國(guó)專利6,785,050(Lines等人)中有所描述?？扇芜x地，線柵偏振器可以被保護(hù)涂層覆蓋。
圖7c示出由該研磨方法形成的光學(xué)元件416。光學(xué)元件416包括側(cè)表面416a和具有溝道418b的頂表面416b。如圖所示，圖案化磨料400的突起部422a在頂表面416b上形成溝道418b，這有助于安裝LED。圖案化磨料400具有達(dá)到光學(xué)質(zhì)量的拋光表面416a和416b，這些表面優(yōu)選具有約20nm或者更小的表面粗糙度RA。
在一些實(shí)施例中，安裝在光學(xué)元件416上的LED管芯在與光學(xué)元件416粘結(jié)之前布置成陣列的形式。該方法示于圖8a至圖8d中。
在相關(guān)的方法中，諸如圖7b所示的工件之類的兩層或者更多層工件可以包括粘結(jié)在第二晶片上的半導(dǎo)體晶片，該第二晶片由諸如上面所述的那些材料之類的光學(xué)材料制成。半導(dǎo)體晶片可以包括基底、電極層和適合通過(guò)電致發(fā)光來(lái)產(chǎn)生光的半導(dǎo)體層。在半導(dǎo)體晶片中形成的LED可以具有“倒裝芯片”設(shè)計(jì)，其中兩個(gè)電極可以從晶片的一側(cè)接出。與晶片中LED的發(fā)光表面相對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體晶片的相對(duì)側(cè)與光學(xué)材料層粘結(jié)?？梢允褂萌绫疚闹衅渌胤剿龅某Ｒ?guī)的粘結(jié)方法。然后，用本文所公開(kāi)的圖案化磨料中的任何磨料(例如圖1b的圖案化磨料)研磨半導(dǎo)體/光學(xué)組合工件。如果需要，在研磨處理期間可以用聚合物或其它材料的薄層保護(hù)半導(dǎo)體晶片的電極層(如果存在的話)。稍后，可以使用熱、等離子蝕刻或者合適的溶劑除去這種聚合物或者其它材料。可以從組合工件的一側(cè)或者兩側(cè)開(kāi)始研磨。如果從半導(dǎo)體晶片側(cè)開(kāi)始，并且，如果使用諸如圖1b的那些突起部之類的錐形突起部切割晶片中LED之間的溝道，則當(dāng)研磨工序完成時(shí)，最終得到的是大量的單獨(dú)的LED管芯/光學(xué)元件對(duì)，其彼此牢固地粘結(jié)，并且固有地對(duì)準(zhǔn)，而無(wú)需單獨(dú)地對(duì)準(zhǔn)或者安裝與單獨(dú)的微小LED管芯粘結(jié)的單獨(dú)的微小光學(xué)元件。
圖8a示出通過(guò)粘合劑526安裝在載體524上的基底522。在該實(shí)例中，基底522是半導(dǎo)體材料晶片，并且使用合適的溶劑、熱、UV曝光或者適當(dāng)?shù)膭冸x力可以剝離載體524。載體524可以包括諸如具有粘合劑層和可任選的晶片框架的塑料膜之類的材料。合適的塑料膜包括本領(lǐng)域已知的作為切割帶的那些塑料膜，例如，由美國(guó)新澤西州Princeton市的AI Technology公司出售的切割帶。晶片框架可以由塑料或者金屬制成，但是應(yīng)該是抗翹曲、抗彎曲、抗腐蝕和耐熱的。
采用圖案化磨料500研磨基底522，以形成限定LED管芯的溝道。如圖8b所示，基底522的厚度小于突起部516的高度。為了在第一研磨步驟之后的研磨步驟中減輕基底522上的應(yīng)力，可以用合適的材料回填溝道，隨后在最后的研磨步驟之后降解或者沖洗掉該材料。合適的材料是剛性的聚合物材料，該材料是可溶的、可燃的或者可光降解的。在所述的任何實(shí)施例中，也可以使用該回填技術(shù)。
圖8c示出所得的安裝在載體524上的具有側(cè)表面538a和頂表面538b的LED管芯538。使用圖案化磨料500切割半導(dǎo)體材料晶片，同時(shí)將側(cè)表面538a拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量，從而減少與切割晶片相關(guān)的時(shí)間和成本。另外，現(xiàn)有的切割晶片的方法會(huì)導(dǎo)致大量的管芯被切碎，而這里公開(kāi)的研磨方法會(huì)導(dǎo)致較少的管芯切碎，這又大大地節(jié)省了成本。在整個(gè)表面的較大部分上切割晶片的另一優(yōu)點(diǎn)是，切割速度對(duì)成品管芯尺寸的依賴性低得多。例如，使用常規(guī)的切割技術(shù)將大晶片單獨(dú)化成非常小的管芯，這可能是非常費(fèi)時(shí)的。
然后，將光學(xué)元件416的陣列(圖7c)安裝在LED管芯538的陣列上。如圖8d所示，光學(xué)元件416與LED管芯538一對(duì)一地成對(duì)。成對(duì)的光學(xué)元件和LED管芯可以作為陣列使用，或者可以單獨(dú)地使用?；蛘咄ㄟ^(guò)除去載體414和524，或者通過(guò)切穿載體414和524而使光學(xué)元件416和LED管芯538的每個(gè)組合單獨(dú)化。
在一種可選的方法中，基底522層壓在基底424b和424c上(圖7b)。采用圖案化磨料研磨穿過(guò)基底522、424c和424b中的全部或一些。因此，形成與LED粘結(jié)的光學(xué)元件的陣列，而不必將光學(xué)元件和半導(dǎo)體元件相互對(duì)準(zhǔn)，并且不必執(zhí)行分離的研磨步驟。
可以用很多方法中的任何方法將LED管芯538與光學(xué)元件416粘結(jié)。圖9示出一種粘結(jié)的形式。圖9示出單獨(dú)化的成對(duì)的光學(xué)元件416和LED管芯538?？晒袒臉?shù)脂540封裝LED管芯538和光學(xué)元件416，以將其成對(duì)地粘結(jié)在一起。
或者，如圖10所示，在光學(xué)元件416和LED管芯538之間施加熱熔粘合劑542。合適的熱熔粘合劑的例子包括半結(jié)晶聚烯烴、熱塑性聚酯和丙烯酸樹(shù)脂。
在另一實(shí)施例中，用二氧化硅或者其它無(wú)機(jī)材料通過(guò)薄的等離子體輔助的或者常規(guī)的CVD方法涂布LED管芯538的表面538b、光學(xué)元件416的頂表面416b或者二者。然后，用熱、壓力、水或者其它化學(xué)劑的組合進(jìn)行平面化和粘結(jié)處理。也可以通過(guò)用氫離子轟擊這些表面中的至少一個(gè)來(lái)改善粘結(jié)性。另外，可以使用半導(dǎo)體晶片粘結(jié)技術(shù)，例如，如Q.-Y.Tong和U. 在1999年的John Wiley &Sons、New York的Semiconductor Wafer Bonding中第4章和第10章中所述的那樣。其它晶片粘結(jié)方法在美國(guó)專利No.5,915,193(Tong等人)和No.6,563,133(Tong)中有所描述。
所公開(kāi)的制造或精加工光學(xué)元件和半導(dǎo)體的方法導(dǎo)致同時(shí)產(chǎn)生光學(xué)質(zhì)量的精確定位的元件的陣列。將光學(xué)元件和光源例如LED粘結(jié)或耦合，二者使來(lái)自LED的光準(zhǔn)直，并且從LED中引導(dǎo)出熱。所得到的方法是有效的，并且產(chǎn)生高質(zhì)量的產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種由工件制造成形元件的方法，該方法包括研磨工件，以至少部分地形成限定成形元件的陣列的溝道；以及同時(shí)用至少一種圖案化磨料拋光所述溝道的表面，所述圖案化磨料具有帶突起圖案的工作表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述溝道具有楔形的側(cè)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述溝道具有拋光達(dá)到光學(xué)質(zhì)量的側(cè)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工件包括基底；以及載體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工件包括光學(xué)材料，所述成形元件包括光學(xué)元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述光學(xué)材料選自如下群組玻璃、方解石、藍(lán)寶石、氧化鋅、碳化硅、金剛石、聚合物膜及其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述光學(xué)材料包括多層的光學(xué)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述光學(xué)材料的熱擴(kuò)散率至少為0.01cm2/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述突起的橫截面形狀包括圓形弧、非圓形弧、梯形、拋物線、角錐形及其組合中的至少之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，研磨步驟還包括沿著多個(gè)相交軸線至少部分地形成溝道。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述成形元件具有至少一個(gè)小于約10mm的尺度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在拋光過(guò)程中使用磨料漿。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工件包括半導(dǎo)體材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體材料選自如下群組硅、沉積在碳化硅上的半導(dǎo)體、以及沉積在藍(lán)寶石上的半導(dǎo)體。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述成形元件是發(fā)光器件。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工件包括晶片，所述晶片包含未分割二極管的陣列。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使所述成形元件單獨(dú)化。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，用切割元件執(zhí)行研磨。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述切割元件是圖案化磨料。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述切割元件是金剛石鋸。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，研磨步驟還包括用圖案化磨料開(kāi)始形成溝道；用鋸在開(kāi)始形成的溝道中除去工件材料；以及用圖案化磨料進(jìn)一步除去工件材料，以限定溝道。
22.一種由工件制造至少一個(gè)成形元件的方法，該方法包括研磨工件，以至少部分地形成限定所述至少一個(gè)成形元件的溝道；以及同時(shí)用至少一種圖案化磨料拋光所述溝道的表面，所述圖案化磨料具有帶突起圖案的工作表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，用所述圖案化磨料執(zhí)行所述研磨。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述研磨和所述拋光步驟還包括在所述圖案化磨料和所述工件之間進(jìn)行振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述研磨和所述拋光步驟還包括在所述圖案化磨料和所述工件之間進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，用多個(gè)圖案化磨料執(zhí)行所述拋光。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述圖案化磨料包括至少一種類型的顆粒和粘結(jié)劑。
28.一種制造成形元件的陣列的方法，該方法包括用至少一種圖案化磨料研磨工件，以形成限定成形元件陣列的溝道，所述圖案化磨料具有帶突起圖案的工作表面；以及用所述圖案化磨料拋光所述溝道的表面；其中，所述研磨和所述拋光是同時(shí)進(jìn)行的。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述工件包括光學(xué)材料。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述光學(xué)材料選自如下群組玻璃、方解石、藍(lán)寶石、碳化硅、金剛石、聚合物膜及其組合。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述工件包括半導(dǎo)體材料。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，在所述研磨和所述拋光的過(guò)程中使用磨料漿。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，在所述研磨和所述拋光的過(guò)程中使用液體潤(rùn)滑劑和冷卻劑。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種用于制造精確成形和定位的成形元件的陣列的方法，該方法使用精確成形的圖案化磨料，以在工件中形成溝道。一種或者多種圖案化磨料沿著一個(gè)或者多個(gè)相交軸線進(jìn)行接觸和研磨，以限定所述成形元件。所述成形元件可以包括光學(xué)元件、半導(dǎo)體元件或者二者。
文檔編號(hào)B24B19/02GK101087675SQ200580044772
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者安德魯·J·歐德科克, 保羅·S·勒格, 奧勒斯特爾·小本森, 凱瑟琳·A·萊瑟達(dá)爾, 威廉·D·約瑟夫 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司