包括防反射結構的光學器件的製作方法

2023-06-01 20:39:41 1

專利名稱：包括防反射結構的光學器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學器件，其中在光學器件的操作範圍內防止電磁輻 射的幹擾反射。特別是，本發明涉及微機械一維和二維掃描儀反射鏡、相 移反射鏡和其他光學元件，由於電磁輻射在玻璃罩和/或保護結構的反射 與光學器件相互作用，使其功能受到影響。
背景技術：
在這類元件中，玻璃罩和/或保護結構具有保護器件，防止灰塵及雜 質的功能和/或確保一定的環境氣氛的功能，比如在光學器件內一定的壓 力、 一定的溼度或某一類型的氣體。同時，可以耦合接入並輸出光束和/ 或電磁輻射。玻璃罩可以在製造過程中就沉積晶片級上，即所謂的晶片級 封裝，或者，例如也可以在封裝工序中作為密封層沉積。在此，具有光學功能的微機械生產的晶片或器件是，例如，掃描器反 射鏡、所謂的掃描光柵、測輻射熱儀、光電二極體以及光電二極體陣列、電荷耦合器件(CCD)陣列、互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器、 顯示器應用或光調節器。這些晶片和/或器件受保護，例如，防止被粒子 汙染，防潮溼或來自紫外線(UV)和深紫外線(DUV)輻射範圍的高能輻 射，或在真空或某種惰性氣體條件下操作。而且，所述光學器件需要至少 一個由窗或者相對於該器件所需的波長範圍透明的保護結構實現的光接 □。製造包括保護結構的這種光學器件的製造方法有許多。 可以封裝切割成方塊的晶片。首先，通過鋸切晶片、雷射切割晶片或 專用的分割晶片的方法生產單個的晶片或器件。隨後，切割成方塊的晶片 按照各自的規格或在特定的封裝中粘接。之後，通過電線接合方式形成所 述器件的電連接。或者，在晶片的背面包括如球狀格柵陣列，其具有接觸墊，由此形成電連接。然後，應用用作保護結構的透明罩密封封裝。在此 方法中，在實際的封裝或覆蓋之前，可以在晶片級上測試晶片，使得只有 功能晶片才會繼續被處理。然而，晶片在從晶片分離，如鋸切或分割時， 其表面沒有任何保護，致使處理工序更為複雜並可能在功能測試後造成額 外的晶片級缺陷。這種方法的另一主要的缺點是使用相對昂貴的獨立封 裝。或者，可以通過晶片粘接覆蓋晶片。在此，包括光學器件和/或傳感 器/執行器晶片的晶片可以連接至另一晶片，即所謂的覆蓋晶片，從而獲 得全範圍覆蓋。在此，對於所需的可見光波長範圍，覆蓋晶片可以是玻璃 晶片，對於紅外線波長範圍，覆蓋晶片可以由矽製成。如果合適，利用所 謂的定距片確保包括光學器件和/或傳感器/執行器晶片的晶片與覆蓋晶 片之間有一確定的間隙。當傳感器/執行器晶片的機械元件必須不被限制 移動時，這是必須的。基礎晶片可以粘接至傳感器/執行器晶片的背面。 例如，當需要在真空中操作，而傳感器/執行器被穿孔，但要被真空密封 時，這是必須的。這種覆蓋晶片的晶片粘接方法的優點在於，晶片在切割 前被覆蓋，從而對下一步的切割和處理工序的敏感性相當低。製造包括保護結構的光學器件的另一種方法是使用所謂的拾取&放置 裝置，通過它，單個的覆蓋罩和/或保護結構可以被高精確定位地設置到 晶片上。利用粘接層，例如膠合劑或焊料，連接傳感器/執行器晶片和設 置其上的覆蓋罩。這種方法的優點在於可以在形成覆蓋前在晶片級區分芯 片，並僅在功能晶片上形成覆蓋罩。列入下一步處理工序的功能晶片，在 例如晶片粘接的工序中，對切割和處理工序的敏感性相當低。如果適合， 該方法可以與晶片粘接方法結合，形成傳感器/執行器晶片，也就是包含 光學器件的晶片的背面。在上述的所有方法中，透明罩和/或保護結構平行於晶片表面設置。 罩與晶片表面的平行排列對於單純的光學傳感器來說不是問題。然而，如 果電磁輻射和/或光線不僅耦合接入，而且再次輸出，例如，在光調節器 或者掃描儀反射鏡中，由於罩與晶片表面平行，在保護結構和/或玻璃罩 上產生幹擾光線反射。罩頂面和底面的抗反射層可以減少，但不能完全消 除該反射。例如一種圖像發射的二維偏轉掃描儀反射鏡。通過該掃描儀反射鏡的二維偏轉，指向掃描儀反射鏡上的雷射束被引導至相應於操作範圍 的圖像區域。根據雷射焦點的位置調節雷射的強度獲得理想的圖像。然而， 在碰撞到掃描儀反射鏡上之前，雷射束也有部分在玻璃罩反射。如果掃描 儀反射鏡圍繞其零狀態對稱地偏轉，在罩上的剩餘反射會在操作範圍的圖 像中心產生一個雷射點。為了說明這種效果的數量級大小，假設雷射未經調節，也就是，產生一個最大的光圖像區域。例如，雷射強度工分布成640 x 480 二 307， 200 個圖像點。假設玻璃罩百分之百地傳送，每一圖像點的平均強度為I/307， 200。假設罩具有抗反射層，從而剩餘反射為1_99.9%= 0.01%，中心圖像 點的附加強度大約為I/10， 000。這大約是剩餘圖像點的強度的30倍，因 此對觀察者產生幹擾。參考圖l，圖示一個現有技術的標準封裝的包括玻璃罩的微機械掃描 儀反射鏡的示意性結構。光學器件1是一個掃描儀反射鏡2。掃描儀反射鏡 2包括可圍繞垂直與圖示的平面的軸旋轉的鏡面3。掃描儀反射鏡2可以通 過如膠合劑和/或膠合連接15連接至封裝的基底ll。塗覆的玻璃罩7沉積在 封裝的框架9上，例如，玻璃罩7通過玻璃焊料或膠合劑連接至框架9，特 別是它承擔著隔離掃描儀反射鏡和鏡面3遠離汙染物和粒子的任務。封裝 的電連接包括部件ll、 9、 7，可以通過接觸區或粘接墊13形成。為了簡化， 圖l中沒有示出各自的接觸和/或粘接電線和接觸。如果處於非偏轉狀態的 鏡面3平行於晶片表面和玻璃罩，並且光束的主光束路徑5穿過透明玻璃罩 7並射在鏡面3上，則主光束路徑5在鏡面3的反射形成反射的主光束路徑 5a。如果鏡面3偏轉，如圖中虛線所示的面3b所示，主光束路徑5反射形成 反射的主光束路徑5c。因此，光束5a與5c之間的角度是面3與3b之間的偏 轉角度的兩倍。圖中沒有示出面3向著與3b相反的方向偏轉同樣的角度的 情形。這將形成另一個主光束路徑和/或光束，這樣主光束路徑5就正好在 該光束與光束5a的平分線上。由於玻璃罩7的抗反射層存在剩餘反射，其 結果是形成分光束路徑5b。後者的強度分別相對於主光束路徑5a和5c相當 的低，但是如已在前面通過發射顯示估算的那樣，其在應用中產生幹擾效 果。而且圖1中沒有顯示玻璃罩7和面3的反射形成的多次反射。發明內容本發明的目的在於提供一種光學器件，其中在透明蓋和/或保護結構 或封裝結構與光學器件相互作用的電磁輻射的反射不影響所述光學器件 的功能。上述目的通過權利要求l的光學器件實現。 根據實施例，本發明提供一種光學器件，包括可偏轉光學功能結構，用於與入射其上的電磁輻射互相作用； 保護結構，其與光學功能結構關聯，且至少部分對於電磁輻射透明； 其中，光學功能結構以相對於保護結構傾斜的方式設置，使得在光學 功能結構的非偏轉位置，通過所述保護結構與光學功能結構互相作用的電 磁輻射的主光束路徑相對於在所述保護結構反射的電磁輻射的次光束路 徑具有一個角度。本發明的實施例提供一種光學器件，其中通過傾斜可偏轉光學功能結 構的裝置，實現可偏轉光學功能結構相對於保護結構的傾斜。根據本發明的另一實施例，光學功能結構可以通過雙壓電晶片元件實 現相對於保護結構的傾斜。光學器件的光學功能結構可以為，例如，包括框架，可偏轉反射鏡設 置在該框架中。包括該可偏轉反射鏡的框架可以在傾斜後以結構、力或材 料確定的方式固定。而且，所述光學功能結構可以形成在如矽製成的晶片 基片上，並且安裝在封裝中，其中封裝的底部表面和/或晶片表面可以定 向為與光學器件的保護結構平行。


以下將參考附圖詳細說明本發明的優選實施例，其中 圖l是現有技術的包括玻璃罩的封裝中的微機械掃描儀反射鏡的示意圖；圖2是本發明的一個實施例的示意圖；圖3是根據本發明的一個實施例，包括玻璃罩的封裝中的微機械掃描 儀反射鏡的示意圖；圖4是根據本發明的一個實施例，包括設置其中的可傾斜框架和可偏轉反射鏡面的光學器件的頂視圖；圖5是包括用於傾斜框架的雙壓電晶片元件的圖4所示的實施例的光學器件的頂視圖；以及圖6是圖5所示的實施例的光學器件的頂視圖，其中雙壓電晶片元件通 過槽脊固定。
具體實施方式
圖2是根據本發明的一個實施例的光學器件1的示意圖。光學器件l包 括與入射其上的電磁輻射相互作用的可傾斜的光學功能結構3。光學功能 結構3由多個部件組成，如附加框結構4。另外，光學器件l包括與光學功 能結構3關聯並對電磁輻射5透明的保護結構7。光學功能結構3以相對於保 護結構7傾斜的方式設置，這樣，在非偏轉位置，通過保護結構7與光學功 能結構3相互作用的電磁輻射的主光束路徑5相對於保護結構7反射的電磁 輻射的次光束路徑5b具有一個角度oc。在圖2中，通過將次光束路徑5b平行 平移至5b，顯示角度a。本文中將論及，包括光學功能結構的光學器件從可見光譜範圍、紅外 光譜範圍甚至紫外光譜範圍與電磁輻射相互作用，相應地，各自光譜範圍 的保護結構呈現相應的高傳輸。圖3顯示的實施例，其中光學功能結構3與圖1近似，例如是一個鏡 面3，懸掛在框架4內。在該示例中，可偏轉的光學功能結構是懸掛在框 架4中的鏡面3。框架4相對於罩7的平行區域和封裝的底面11偏轉一個 角度，並固定安裝在該偏轉位置。如果鏡面3在非偏轉位置，也就是平行 於傾斜的框架4，則在鏡面3反射的主光束路徑5a將不再平行於在玻璃罩 7處反射的次光束路徑5b。而是在反射的主光束路徑5a與次光束路徑5b 之間形成角度a (參見附圖標記8)。圖中通過平行平移次光束路徑5b至 5b'顯示該角度。只要鏡面3在逆時針方向的偏轉小於角度oc，在玻璃罩 7處反射的次光束5b就不在鏡面3反射的操作範圍內，也就是在掃描區域 內。在順時針方向，如圖3中虛線表示的鏡面3b及其主光束路徑5c所示， 鏡面可以任意偏轉，玻璃罩7反射的光束5b都不會進入掃描儀的操作範8圍內。如果鏡面3懸掛，使得它可以執行光束的二維偏轉，也就是，如果 鏡面可以通過垂直於第一軸(圖3中未示出)的另一軸二維傾斜，框架4 在一個方向的足夠大的偏轉或傾斜足以將在玻璃罩或者，更通常的，保護 結構或透明蓋處反射的光束引導到掃描區域之外。例如，在投射圖像時， 可以由此避免反射進入投射的圖像內。圖4是一個實施例的光學器件1的頂視圖，其中框架4圍繞垂直於鏡 面3的軸22的另一軸24傾斜。軸24存儲在基片40中。光學功能結構包 括框架和鏡面。在本實施例中，框架4的傾斜軸24不是該可移動框架的 對稱軸。理論上，當已知到封裝的底面的距離時，可以通過選擇軸的位置 調整傾斜角度。在此，框架可以在封裝的底面和/或基片表面的方向，或 者在玻璃罩和/或保護結構的方向傾斜。包括框架4的光學功能結構3可 以用如所謂的絕緣體上矽(SOI)技術製造，通過蝕刻頂部單晶矽層，也 就是基片40，可以獲得區域21，形成溝槽結構。可以使用外部裝置和/或外部器件，例如探針或釘(pin),傾斜光學功 能結構。另一種傾斜方法是，例如，集成一執行器，其根據如壓電、靜電、 熱、磁或其他原理運行，以在框架4上施加一個力，使其傾斜至理想的位 置。該框架可以固定至封裝的底面ll、框架9或者封裝罩7和/或基片的 底部。鏡面設置在其中的該框架也可以通過應用在晶片表面的膠合劑、通 過光致抗蝕劑、金屬或焊料固定。該框架還可以通過在光學器件中執行的 機械固定來支撐和/或鎖定。包括鏡面的該框架還可以包括專門的彈簧裝 置和接觸區域，即所謂的墊(pad)，偏轉力可以施加到其上並且其易於傾 斜和/或固定。該框架可以通過外部裝置或利用集成執行器偏轉，光學功能結構的位 置可以這樣固定，例如，通過溶解偏轉前已經提供在晶片上的材料或者在 框架保持在偏轉位置時提供在晶片上的材料，通過將其加熱或轉化至塑膠 狀態並在冷卻時將其凝固。除了扭簧，該框架還可以通過彎曲彈簧懸掛， 或者如下所示，通過在製造工序中引入的拉緊層偏轉。圖5顯示另一實施例的光學器件1的頂視圖，它也包括框架4和可以 通過軸22在其中偏轉的鏡面3，其中要被傾斜的框架4通過機械連接24 連接至如圖中陰影線部分所示的兩個雙壓電晶片彎曲條28a和28b。該雙壓電晶片元件可以通過，如在矽層上形成熱氧化層來製造。該熱氧化層可 以在例如約1000。C下形成。由於氧化層與矽層的熱延伸係數不同，在冷 卻時雙壓電晶片元件會彎曲。使得整個框架降低，同時在如封裝和/或基 片的底面的方向傾斜。在此，如果雙壓電晶片元件和/或框架不固定，傾 斜的角度依賴於溫度。雙壓電晶片元件主要由非常不同的層的結合形成。沉積該層也可以在不同於高溫的溫度(T<1000°C)下發生。利用具有高機 械應力的層，例如SiN3，也足夠。至少從中選擇兩種來製造雙壓電晶片元 件的典型的層為非晶矽、單晶矽或多晶矽、熱氧化物、物理氣相沉積(PVD) 或化學氣相沉積(CVD)生成的氧化物、氮化矽，或者金屬，如鋁、鋁合 金、金、銀、銅、鈦、鉬及其他。另外，聚合物、樹脂、苯環丁烯(benzocylo-butene) (BCB)、聚醯亞胺、及其他有機材料，以及通過PVD或CVD方 法沉積的摻雜氧化物也可以使用。如果製造雙壓電晶片元件不是處理表面步驟的最後步驟，並且另外的 處理步驟，例如為專門的照相平板印刷步驟，用以隨後確定精細結構，則 有利的是首先防止框架傾斜。沉積光致抗蝕劑層在包括很大拓撲差異的結 構中可能會帶來問題，而且當暴露光致抗蝕劑時，僅僅可獲得有限的區域 深度。圖6顯示光學器件1的另一實施例，其中通過雙壓電晶片元件28a、 28b相對於保護結構傾斜的光學功能結構3首先通過槽脊(land) 30固定。 光學器件1包括可偏轉光學功能結構，它由可傾斜框架4和懸掛在框架4 中從而可以圍繞軸22偏轉的鏡面3組成。包括鏡面3的框架4通過機械 連接件24連接至兩個雙壓電晶片彎曲條28a和28b。該兩個雙壓電晶片彎 曲條28a和28b首先通過槽脊30固定，只要不移除槽脊30，就防止包括 可偏轉鏡面3的框架4傾斜。可以在製造雙壓電晶片的步驟後的所有處理 步驟中保持該固定。可以通過機械的方式如利用雷射輻射破壞或分離槽脊、通過回流 (reflow)和/或燒蝕(ablating:或融化)、或者甚至是通過電回流來切割 槽脊30。在後一種情形中，經導電槽脊30輸送適當大小的電流。由於槽 脊的截面比其他結構的小，槽脊被加熱最快。槽脊的材料是熱融的，並且 雙壓電晶片元件可以傾斜。從而，可以完全消除槽脊的機械連接。然而，如果溫度僅升到使槽脊塑性變形的程度，雙壓電晶片元件也會偏轉。然而， 通過適當的工序控制，可以保留連接在槽脊與雙壓電晶片元件間的材料。 如果電流中斷，該材料會再次呈固態且雙壓電晶片元件被固定在相應的位 置。使得傾斜對溫度依賴性不再存在和/或大幅降低。光學器件也可以在可偏轉光學功能結構上包括如接觸區域，通過外部 器件，如探針或釘在其上施加一個力，由此可偏轉光學功能結構可以永久 地偏轉和/或傾斜。通過相應扭矩或平移運動，該傾斜也可以為例如偏轉、 旋轉。本發明的實施例中所描述的光學器件，允許如在晶片級上或在封裝 中，應用保護結構或罩，使得光學窗和晶片表面設置成相互平行，並使得 透明罩的反射不影響器件的功能。這可以通過，例如，傾斜光學功能結構 來實現。考慮到製造技術，玻璃罩或者保護結構的傾斜應用難以實現，首 先，在應用保護晶片時是這樣，因此，可以將一個這樣的結構集成到該器 件中，該結構包含光學有源元件，並被設置成使其可以傾斜至這樣的角度， 即使得在平行於晶片表面的玻璃罩的反射不影響器件的功能。從而，在一 維以及二維掃描器中、在相移反射鏡或其他光學有源元件中，例如，可以 在光束路徑中引入一孔，使得只有鏡面反射的光束可以通過該孔。在玻璃 面反射的光束被該孔阻擋，從而對用戶和/或系統沒有幹擾效果。
權利要求
1.一種光學器件，包括可偏轉光學功能結構(3，4)，用於與入射在其上的電磁輻射(5)互相作用；保護結構(7)，其與光學功能結構(3，4)關聯，且至少部分對於電磁輻射透明；其中，光學功能結構(3，4)以相對於保護結構(7)傾斜的方式設置，使得在光學功能結構(3，4)的非偏轉位置，通過所述保護結構與光學功能結構(3，4)互相作用的電磁輻射的主光束路徑(5a)相對於在所述保護結構反射的電磁輻射的次光束路徑(5b)具有一個角度。
2. 根據權利要求l的光學器件，其中所述保護結構(7)平行於包括 可偏轉光學功能結構(3， 4)的基片(11)的表面。
3. 根據權利要求l的光學器件，其中所述可偏轉光學功能結構(3， 4) 包括框架(4)，框架(4)包括可在其中偏轉的鏡面結構(3)。
4. 根據權利要求l的光學器件，其中所述光學器件包括用於傾斜所述 可偏轉的光學功能結構的裝置。
5. 根據權利要求4的光學器件，其中所述傾斜裝置包括集成執行器， 該執行器利用熱、靜電、壓電、磁或其它物理或化學效應，提供相對於所 述保護結構偏轉所述可偏轉光學功能結構(3， 4)的力。
6. 根據權利要求4的光學器件，其中所述傾斜裝置包括雙壓電晶片元 件(28a， 28b)。
7. 根據權利要求l的光學器件，包括在傾斜位置固定所述光學功能結 構的裝置。
8. 根據權利要求7的光學器件，其中所述固定裝置將所述光學功能結 構(3， 4)固定至保護結構(7)和/或基片(11)的表面。
9. 根據權利要求7的光學器件，其中所述固定裝置包括膠合劑、光致 抗蝕劑、金屬、焊料或機械固定裝置。
10. 根據權利要求l的光學器件，其中所述光學功能結構從紫外線光譜範圍、可見光光譜範圍或紅外線光譜範圍實現與電磁輻射的互相作用。
11. 根據權利要求l的光學器件，其中所述保護結構包括玻璃、塑料、 矽、陶瓷或金屬。
12. 根據權利要求2的光學器件，其中所述基片包括矽、砷化鎵、氮 化鎵、磷化銦或碳化矽。
13. 根據權利要求l的光學器件，其中所述保護結構是光學器件設置在其中的封裝的一部分。
14. 根據權利要求l的光學器件，其中所述光學器件是一維或二維掃描儀反射鏡。
15. 根據權利要求l的光學器件，其中所述光學器件是相位反射鏡或 光調節器。
16. 根據權利要求l的光學器件，其中所述光學功能結構通過槽脊固定。
17. 根據權利要求l的光學器件，其中還包括分離的槽脊部件。
18. 根據權利要求l的光學器件，其中所述光學功能結構由微機械製造。
19. 根據權利要求l的光學器件，其中所述保護結構包括連接到所述 光學器件的晶片結合連接件，焊接連接件、共熔連接件或膠合連接件。
全文摘要
一種光學器件，包括可偏轉光學功能結構，用於與入射其上的電磁輻射互相作用，以及保護結構，其與光學功能結構關聯，且至少部分對於電磁輻射透明。所述光學功能結構以相對於保護結構傾斜的方式設置，使得在光學功能結構的非偏轉位置，通過所述保護結構與光學功能結構互相作用的電磁輻射的主光束路徑相對於在所述保護結構反射的電磁輻射的次光束路徑具有一個角度。
文檔編號G02B26/08GK101281295SQ20081008180
公開日2008年10月8日 申請日期2008年4月2日 優先權日2007年4月2日
發明者哈拉爾德·琛克, 提諾·詹德納 申請人:弗勞恩霍夫應用研究促進協會