受惠半導體製程 光學元件挺進次世代
在過去50年來，半導體製造技術因受益於鉅額投資而有可觀發展。晶圓在直徑增加二十倍的同時，其電路元件的尺寸也縮小六倍。毫無意外地，科技發展開枝散葉，而其中一個受益者就是光學產業。許多淘汰的生產線轉而製造尖端的晶圓級光學元件，讓業者能製造出精密元件，也讓光學元件能達到以往無法獲得的形狀精準度、影像整合擷取能力(Registration)以及滿足在元件尺寸的需求與複雜度。實際例子包括手機用的微型化透鏡組(Optical Train)、光纖通訊模組專用的透鏡陣列、條碼掃描機專用的圖形產生器及顯影光源最佳化的繞射光學元件。
半導體製造屢破奈米障礙
簡單來說，半導體製造是在矽晶圓的表面上，對特定的區域加上或去除晶圓原料(圖1)，這個產業已發展到每年有兩百億美元的市場，都是為了用在製造機器及製程最佳化以達到這個目的。
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| 圖1 半導體製程依據摩爾定律不斷演進。 |
半導體尺寸在每個世代中逐漸縮小，28奈米(nm)製程已進入量產，目前大多數半導體廠商的藍圖都指向18奈米，可望成為未來幾年的主流技術。另一方面，半導體晶圓面積的趨勢也持續增大。全世界第一片矽晶圓直徑只有1吋(25毫米)，而目前的標準大小已增加為其二十倍。這兩項發展背後的推動力源自於業者必須增產每片晶圓上的晶粒數量。由於每片晶圓的處理成本已固定，增加晶圓上的晶粒數量，便能提高營收潛力並降低晶粒成本。
半導體技術跨足光學製造
傳統的光學製造是以單一組件模式進行，將一塊玻璃經過切割、研磨、拋光和其他製程，歷經多個步驟才能做出最終形狀。而當今的射出成型機能同時製造出多個完整的光學元件，但每個模具所製造出的光學元件數量相對偏少，而廠商也須針對整組工具投入相當的成本，其後也無法再做更動。
近年來，半導體產業已發展出一種晶圓級製造技術，可運用於全新的光學元件製造。這種局面並非刻意促成，而是因兩種情況的結合而成。
第一是矽晶圓的直徑增加。半導體製造設備所費不貲且堅固耐用，因此使用期極長，但近年來業界需要的晶圓直徑不斷增加，導致業者被迫將設備淘汰，這剛好讓前一代的晶圓級製造設備價格趨於合理，且其設備也非常適用於製造光學基板，像是以石英、玻璃及各種僅有小直徑的合成材料。
第二種情況是業界對於更小尺寸半導體組件的需求不斷增長。大多數的光學元件被要求尺寸必須小於光波波長，約為0.5微米(μm)；而這正是半導體節點在1990年的水準。
綜合上述兩種情況，光學產業得以利用半導體製造的經營優勢，以低成本的半導體設備和晶圓級製程，製造各種光學元件。
打造晶圓級折射光學元件
打造晶圓級折射光學元件
折射光學元件藉由改變介質的折射率，來改變光線傳導方向，而其通常會採用彎曲的表面來引導光線。由此看來，晶圓級光學元件的功能與獨立透鏡沒有兩樣。就單一透鏡而言，平面傳統元件製程較符合經濟效益，尤其當單一透鏡的直徑大於5毫米，而晶圓級製造技術的直徑小於1毫米時。
業者不應光以尺寸為標準來判斷是否採用半導體晶圓級製程來製造折射光學元件。晶圓級製程能為特定類型的產品提供許多額外好處，透鏡平面與切面形狀的高設計彈性(圖2～3)就是其中之一。
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| 圖2 比照一個側邊長約2毫米的高度微型化相機模組於透鏡晶圓。晶圓級的製造技術不僅可降低元件成本，還能生產出此類微型化光學元件所需的透鏡規格。 |
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| 圖3 採用晶圓級製程做出的高度非球面透鏡陣列。採用晶圓級製造技術，透鏡的間隔可達到極高的精準度與一致性。 |
當採用晶圓級製造技術，透鏡形狀的限制相當少，這點讓透鏡設計人員在設計上有更多自由空間。第二個好處是能製造出擁有無與倫比精準度的透鏡陣列。在傳統的透鏡陣列中，透鏡對位的精準度受限於用來置放個別透鏡的設備，以及用來固定透鏡的黏固材料。相較之下，利用晶圓級製程做出的透鏡陣列，其光學的中心位置就能達到奈米等級的精準度(圖3)。
繞射光學元件生產最受矚目
半導體設備與製程至今對光學產業最大的貢獻，就是能製造繞射元件。繞射光學元件會產生加強(Constructive)與抵消(Destructive)干涉來調節光線。光線調節也可透過相位延遲達成，這便涉及到改變光線所穿透的材料厚度。使用一個擁有階層(Step)尺寸與光線的波長相近的透明基板，便可將此做法具體化。
商業化繞射光學元件的趨勢，是採用二或八相位。二進位設計效率較低約81%，且必須維持透鏡的對稱性，但擁有最低的設計與製造成本(圖4)。而八階相位的設計雖然可提高效率至94%，設計也毋須維持對稱性，但其製造的成本相對要高出許多。
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| 圖4 一個用來投射簡單圖樣的繞射光學元件，協助條碼擷取裝置進行 校正。左上方為投射路徑，右上方為繞射光學元件，而下方是投 射圖案。 |
製造繞射光學元件的第一步，是把設計分成2N個相位步階。其相對應的圖案可分成N個層，再編碼至光罩，然後再蝕刻到晶圓表面(圖5)。每一層都印上圖案後，會再塗上抗反射鍍膜，然後才把晶圓切割成光學元件。因此，晶圓級製造技術極適合生產這類元件，因為半導體製造流程本身的特性，能讓元件間 維持極高一致性。
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| 圖5 以微影製程所製的2N相位等級繞射光學元件。 |
半導體設備再利用 改良光學元件出爐
再者，繞射光學元件的主要應用之一，竟是為尖端半導體製造設備提供偏軸照明與最佳化其顯影光源(圖6)。這終將促使現今的半導體設備汰舊換新，轉手給光學產業生產改良的光學元件。
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| 圖6 一個側邊尺寸約30毫米的繞射光學元件，用來進行顯影光源的最佳化。 |
綜合以上所述，半導體的設備與製程相當適合用來製造特定種類的光學元件，尤其是折射透鏡陣列與繞射光學元件。晶圓級製程可提供元件精準的形狀、位置及製程的經濟效益。
