CN101281295A - 包括防反射结构的光学器件 - Google Patents

Abstract

一种光学器件，包括可偏转光学功能结构，用于与入射其上的电磁辐射互相作用，以及保护结构，其与光学功能结构关联，且至少部分对于电磁辐射透明。所述光学功能结构以相对于保护结构倾斜的方式设置，使得在光学功能结构的非偏转位置，通过所述保护结构与光学功能结构互相作用的电磁辐射的主光束路径相对于在所述保护结构反射的电磁辐射的次光束路径具有一个角度。

Description

包括防反射结构的光学器件

技术领域

本发明涉及一种光学器件，其中在光学器件的操作范围内防止电磁辐射的干扰反射。特别是，本发明涉及微机械一维和二维扫描仪反射镜、相移反射镜和其他光学元件，由于电磁辐射在玻璃罩和/或保护结构的反射与光学器件相互作用，使其功能受到影响。

背景技术

在这类元件中，玻璃罩和/或保护结构具有保护器件，防止灰尘及杂质的功能和/或确保一定的环境气氛的功能，比如在光学器件内一定的压力、一定的湿度或某一类型的气体。同时，可以耦合接入并输出光束和/或电磁辐射。玻璃罩可以在制造过程中就沉积晶片级上，即所谓的晶片级封装，或者，例如也可以在封装工序中作为密封层沉积。

在此，具有光学功能的微机械生产的芯片或器件是，例如，扫描器反射镜、所谓的扫描光栅、测辐射热仪、光电二极管以及光电二极管阵列、电荷耦合器件(CCD)阵列、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器、显示器应用或光调节器。这些芯片和/或器件受保护，例如，防止被粒子污染，防潮湿或来自紫外线(UV)和深紫外线(DUV)辐射范围的高能辐射，或在真空或某种惰性气体条件下操作。而且，所述光学器件需要至少一个由窗或者相对于该器件所需的波长范围透明的保护结构实现的光接口。

制造包括保护结构的这种光学器件的制造方法有许多。

可以封装切割成方块的芯片。首先，通过锯切晶片、激光切割晶片或专用的分割晶片的方法生产单个的芯片或器件。随后，切割成方块的芯片按照各自的规格或在特定的封装中粘接。之后，通过电线接合方式形成所述器件的电连接。或者，在芯片的背面包括如球状格栅阵列，其具有接触垫，由此形成电连接。然后，应用用作保护结构的透明罩密封封装。在此方法中，在实际的封装或覆盖之前，可以在晶片级上测试芯片，使得只有功能芯片才会继续被处理。然而，芯片在从晶片分离，如锯切或分割时，其表面没有任何保护，致使处理工序更为复杂并可能在功能测试后造成额外的晶片级缺陷。这种方法的另一主要的缺点是使用相对昂贵的独立封装。

或者，可以通过晶片粘接覆盖芯片。在此，包括光学器件和/或传感器/执行器芯片的晶片可以连接至另一晶片，即所谓的覆盖晶片，从而获得全范围覆盖。在此，对于所需的可见光波长范围，覆盖晶片可以是玻璃晶片，对于红外线波长范围，覆盖晶片可以由硅制成。如果合适，利用所谓的定距片确保包括光学器件和/或传感器/执行器芯片的晶片与覆盖晶片之间有一确定的间隙。当传感器/执行器晶片的机械元件必须不被限制移动时，这是必须的。基础晶片可以粘接至传感器/执行器晶片的背面。例如，当需要在真空中操作，而传感器/执行器被穿孔，但要被真空密封时，这是必须的。这种覆盖芯片的晶片粘接方法的优点在于，芯片在切割前被覆盖，从而对下一步的切割和处理工序的敏感性相当低。

制造包括保护结构的光学器件的另一种方法是使用所谓的拾取&放置装置，通过它，单个的覆盖罩和/或保护结构可以被高精确定位地设置到晶片上。利用粘接层，例如胶合剂或焊料，连接传感器/执行器晶片和设置其上的覆盖罩。这种方法的优点在于可以在形成覆盖前在晶片级区分芯片，并仅在功能芯片上形成覆盖罩。列入下一步处理工序的功能芯片，在例如晶片粘接的工序中，对切割和处理工序的敏感性相当低。如果适合，该方法可以与晶片粘接方法结合，形成传感器/执行器晶片，也就是包含光学器件的晶片的背面。

在上述的所有方法中，透明罩和/或保护结构平行于芯片表面设置。罩与芯片表面的平行排列对于单纯的光学传感器来说不是问题。然而，如果电磁辐射和/或光线不仅耦合接入，而且再次输出，例如，在光调节器或者扫描仪反射镜中，由于罩与芯片表面平行，在保护结构和/或玻璃罩上产生干扰光线反射。罩顶面和底面的抗反射层可以减少，但不能完全消除该反射。例如一种图像发射的二维偏转扫描仪反射镜。通过该扫描仪反射镜的二维偏转，指向扫描仪反射镜上的激光束被引导至相应于操作范围的图像区域。根据激光焦点的位置调节激光的强度获得理想的图像。然而，在碰撞到扫描仪反射镜上之前，激光束也有部分在玻璃罩反射。如果扫描仪反射镜围绕其零状态对称地偏转，在罩上的剩余反射会在操作范围的图像中心产生一个激光点。

为了说明这种效果的数量级大小，假设激光未经调节，也就是，产生一个最大的光图像区域。例如，激光强度I分布成640x480＝307，200个图像点。假设玻璃罩百分之百地传送，每一图像点的平均强度为I/307，200。假设罩具有抗反射层，从而剩余反射为1-99.9％＝0.01％，中心图像点的附加强度大约为I/10,000。这大约是剩余图像点的强度的30倍，因此对观察者产生干扰。

参考图1，图示一个现有技术的标准封装的包括玻璃罩的微机械扫描仪反射镜的示意性结构。光学器件1是一个扫描仪反射镜2。扫描仪反射镜2包括可围绕垂直与图示的平面的轴旋转的镜面3。扫描仪反射镜2可以通过如胶合剂和/或胶合连接15连接至封装的基底11。涂覆的玻璃罩7沉积在封装的框架9上，例如，玻璃罩7通过玻璃焊料或胶合剂连接至框架9，特别是它承担着隔离扫描仪反射镜和镜面3远离污染物和粒子的任务。封装的电连接包括部件11、9、7，可以通过接触区或粘接垫13形成。为了简化，图1中没有示出各自的接触和/或粘接电线和接触。如果处于非偏转状态的镜面3平行于芯片表面和玻璃罩，并且光束的主光束路径5穿过透明玻璃罩7并射在镜面3上，则主光束路径5在镜面3的反射形成反射的主光束路径5a。如果镜面3偏转，如图中虚线所示的面3b所示，主光束路径5反射形成反射的主光束路径5c。因此，光束5a与5c之间的角度是面3与3b之间的偏转角度的两倍。图中没有示出面3向着与3b相反的方向偏转同样的角度的情形。这将形成另一个主光束路径和/或光束，这样主光束路径5就正好在该光束与光束5a的平分线上。由于玻璃罩7的抗反射层存在剩余反射，其结果是形成分光束路径5b。后者的强度分别相对于主光束路径5a和5c相当的低，但是如已在前面通过发射显示估算的那样，其在应用中产生干扰效果。而且图1中没有显示玻璃罩7和面3的反射形成的多次反射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学器件，其中在透明盖和/或保护结构或封装结构与光学器件相互作用的电磁辐射的反射不影响所述光学器件的功能。

上述目的通过权利要求1的光学器件实现。

根据实施例，本发明提供一种光学器件，包括：

可偏转光学功能结构，用于与入射其上的电磁辐射互相作用；

保护结构，其与光学功能结构关联，且至少部分对于电磁辐射透明；

其中，光学功能结构以相对于保护结构倾斜的方式设置，使得在光学功能结构的非偏转位置，通过所述保护结构与光学功能结构互相作用的电磁辐射的主光束路径相对于在所述保护结构反射的电磁辐射的次光束路径具有一个角度。

本发明的实施例提供一种光学器件，其中通过倾斜可偏转光学功能结构的装置，实现可偏转光学功能结构相对于保护结构的倾斜。

根据本发明的另一实施例，光学功能结构可以通过双压电晶片元件实现相对于保护结构的倾斜。

光学器件的光学功能结构可以为，例如，包括框架，可偏转反射镜设置在该框架中。包括该可偏转反射镜的框架可以在倾斜后以结构、力或材料确定的方式固定。而且，所述光学功能结构可以形成在如硅制成的晶片基片上，并且安装在封装中，其中封装的底部表面和/或晶片表面可以定向为与光学器件的保护结构平行。

附图说明

以下将参考附图详细说明本发明的优选实施例，其中：

图1是现有技术的包括玻璃罩的封装中的微机械扫描仪反射镜的示意图；

图2是本发明的一个实施例的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例，包括玻璃罩的封装中的微机械扫描仪反射镜的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例，包括设置其中的可倾斜框架和可偏转反射镜面的光学器件的顶视图；

图5是包括用于倾斜框架的双压电晶片元件的图4所示的实施例的光学器件的顶视图；以及

图6是图5所示的实施例的光学器件的顶视图，其中双压电晶片元件通过槽脊固定。

具体实施方式

图2是根据本发明的一个实施例的光学器件1的示意图。光学器件1包括与入射其上的电磁辐射相互作用的可倾斜的光学功能结构3。光学功能结构3由多个部件组成，如附加框结构4。另外，光学器件1包括与光学功能结构3关联并对电磁辐射5透明的保护结构7。光学功能结构3以相对于保护结构7倾斜的方式设置，这样，在非偏转位置，通过保护结构7与光学功能结构3相互作用的电磁辐射的主光束路径5相对于保护结构7反射的电磁辐射的次光束路径5b具有一个角度α。在图2中，通过将次光束路径5b平行平移至5b’显示角度α。

本文中将论及，包括光学功能结构的光学器件从可见光谱范围、红外光谱范围甚至紫外光谱范围与电磁辐射相互作用，相应地，各自光谱范围的保护结构呈现相应的高传输。

图3显示的实施例，其中光学功能结构3与图1近似，例如是一个镜面3，悬挂在框架4内。在该示例中，可偏转的光学功能结构是悬挂在框架4中的镜面3。框架4相对于罩7的平行区域和封装的底面11偏转一个角度，并固定安装在该偏转位置。如果镜面3在非偏转位置，也就是平行于倾斜的框架4，则在镜面3反射的主光束路径5a将不再平行于在玻璃罩7处反射的次光束路径5b。而是在反射的主光束路径5a与次光束路径5b之间形成角度α(参见附图标记8)。图中通过平行平移次光束路径5b至5b’显示该角度。只要镜面3在逆时针方向的偏转小于角度α，在玻璃罩7处反射的次光束5b就不在镜面3反射的操作范围内，也就是在扫描区域内。在顺时针方向，如图3中虚线表示的镜面3b及其主光束路径5c所示，镜面可以任意偏转，玻璃罩7反射的光束5b都不会进入扫描仪的操作范围内。如果镜面3悬挂，使得它可以执行光束的二维偏转，也就是，如果镜面可以通过垂直于第一轴(图3中未示出)的另一轴二维倾斜，框架4在一个方向的足够大的偏转或倾斜足以将在玻璃罩或者，更通常的，保护结构或透明盖处反射的光束引导到扫描区域之外。例如，在投射图像时，可以由此避免反射进入投射的图像内。

图4是一个实施例的光学器件1的顶视图，其中框架4围绕垂直于镜面3的轴22的另一轴24倾斜。轴24存储在基片40中。光学功能结构包括框架和镜面。在本实施例中，框架4的倾斜轴24不是该可移动框架的对称轴。理论上，当已知到封装的底面的距离时，可以通过选择轴的位置调整倾斜角度。在此，框架可以在封装的底面和/或基片表面的方向，或者在玻璃罩和/或保护结构的方向倾斜。包括框架4的光学功能结构3可以用如所谓的绝缘体上硅(SOI)技术制造，通过蚀刻顶部单晶硅层，也就是基片40，可以获得区域21，形成沟槽结构。

可以使用外部装置和/或外部器件，例如探针或钉(pin)，倾斜光学功能结构。另一种倾斜方法是，例如，集成一执行器，其根据如压电、静电、热、磁或其他原理运行，以在框架4上施加一个力，使其倾斜至理想的位置。该框架可以固定至封装的底面11、框架9或者封装罩7和/或基片的底部。镜面设置在其中的该框架也可以通过应用在芯片表面的胶合剂、通过光致抗蚀剂、金属或焊料固定。该框架还可以通过在光学器件中执行的机械固定来支撑和/或锁定。包括镜面的该框架还可以包括专门的弹簧装置和接触区域，即所谓的垫(pad)，偏转力可以施加到其上并且其易于倾斜和/或固定。

该框架可以通过外部装置或利用集成执行器偏转，光学功能结构的位置可以这样固定，例如，通过溶解偏转前已经提供在芯片上的材料或者在框架保持在偏转位置时提供在芯片上的材料，通过将其加热或转化至塑胶状态并在冷却时将其凝固。除了扭簧，该框架还可以通过弯曲弹簧悬挂，或者如下所示，通过在制造工序中引入的拉紧层偏转。

图5显示另一实施例的光学器件1的顶视图，它也包括框架4和可以通过轴22在其中偏转的镜面3，其中要被倾斜的框架4通过机械连接24连接至如图中阴影线部分所示的两个双压电晶片弯曲条28a和28b。该双压电晶片元件可以通过，如在硅层上形成热氧化层来制造。该热氧化层可以在例如约1000℃下形成。由于氧化层与硅层的热延伸系数不同，在冷却时双压电晶片元件会弯曲。使得整个框架降低，同时在如封装和/或基片的底面的方向倾斜。在此，如果双压电晶片元件和/或框架不固定，倾斜的角度依赖于温度。双压电晶片元件主要由非常不同的层的结合形成。沉积该层也可以在不同于高温的温度(T＜1000℃)下发生。利用具有高机械应力的层，例如SiN₃，也足够。至少从中选择两种来制造双压电晶片元件的典型的层为非晶硅、单晶硅或多晶硅、热氧化物、物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)生成的氧化物、氮化硅，或者金属，如铝、铝合金、金、银、铜、钛、铂及其他。另外，聚合物、树脂、苯环丁烯(benzocylo-butene)(BCB)、聚酰亚胺、及其他有机材料，以及通过PVD或CVD方法沉积的掺杂氧化物也可以使用。

如果制造双压电晶片元件不是处理表面步骤的最后步骤，并且另外的处理步骤，例如为专门的照相平板印刷步骤，用以随后确定精细结构，则有利的是首先防止框架倾斜。沉积光致抗蚀剂层在包括很大拓扑差异的结构中可能会带来问题，而且当暴露光致抗蚀剂时，仅仅可获得有限的区域深度。

图6显示光学器件1的另一实施例，其中通过双压电晶片元件28a、28b相对于保护结构倾斜的光学功能结构3首先通过槽脊(land)30固定。光学器件1包括可偏转光学功能结构，它由可倾斜框架4和悬挂在框架4中从而可以围绕轴22偏转的镜面3组成。包括镜面3的框架4通过机械连接件24连接至两个双压电晶片弯曲条28a和28b。该两个双压电晶片弯曲条28a和28b首先通过槽脊30固定，只要不移除槽脊30，就防止包括可偏转镜面3的框架4倾斜。可以在制造双压电晶片的步骤后的所有处理步骤中保持该固定。

可以通过机械的方式如利用激光辐射破坏或分离槽脊、通过回流(reflow)和/或烧蚀(ablating：或融化)、或者甚至是通过电回流来切割槽脊30。在后一种情形中，经导电槽脊30输送适当大小的电流。由于槽脊的截面比其他结构的小，槽脊被加热最快。槽脊的材料是热融的，并且双压电晶片元件可以倾斜。从而，可以完全消除槽脊的机械连接。然而，如果温度仅升到使槽脊塑性变形的程度，双压电晶片元件也会偏转。然而，通过适当的工序控制，可以保留连接在槽脊与双压电晶片元件间的材料。如果电流中断，该材料会再次呈固态且双压电晶片元件被固定在相应的位置。使得倾斜对温度依赖性不再存在和/或大幅降低。

光学器件也可以在可偏转光学功能结构上包括如接触区域，通过外部器件，如探针或钉在其上施加一个力，由此可偏转光学功能结构可以永久地偏转和/或倾斜。通过相应扭矩或平移运动，该倾斜也可以为例如偏转、旋转。

本发明的实施例中所描述的光学器件，允许如在晶片级上或在封装中，应用保护结构或罩，使得光学窗和芯片表面设置成相互平行，并使得透明罩的反射不影响器件的功能。这可以通过，例如，倾斜光学功能结构来实现。考虑到制造技术，玻璃罩或者保护结构的倾斜应用难以实现，首先，在应用保护晶片时是这样，因此，可以将一个这样的结构集成到该器件中，该结构包含光学有源元件，并被设置成使其可以倾斜至这样的角度，即使得在平行于芯片表面的玻璃罩的反射不影响器件的功能。从而，在一维以及二维扫描器中、在相移反射镜或其他光学有源元件中，例如，可以在光束路径中引入一孔，使得只有镜面反射的光束可以通过该孔。在玻璃面反射的光束被该孔阻挡，从而对用户和/或系统没有干扰效果。

Claims (19)

1.一种光学器件，包括：

可偏转光学功能结构(3，4)，用于与入射在其上的电磁辐射(5)互相作用；

保护结构(7)，其与光学功能结构(3，4)关联，且至少部分对于电磁辐射透明；

其中，光学功能结构(3，4)以相对于保护结构(7)倾斜的方式设置，使得在光学功能结构(3，4)的非偏转位置，通过所述保护结构与光学功能结构(3，4)互相作用的电磁辐射的主光束路径(5a)相对于在所述保护结构反射的电磁辐射的次光束路径(5b)具有一个角度。

2.根据权利要求1的光学器件，其中所述保护结构(7)平行于包括可偏转光学功能结构(3，4)的基片(11)的表面。

3.根据权利要求1的光学器件，其中所述可偏转光学功能结构(3，4)包括框架(4)，框架(4)包括可在其中偏转的镜面结构(3)。

4.根据权利要求1的光学器件，其中所述光学器件包括用于倾斜所述可偏转的光学功能结构的装置。

5.根据权利要求4的光学器件，其中所述倾斜装置包括集成执行器，该执行器利用热、静电、压电、磁或其它物理或化学效应，提供相对于所述保护结构偏转所述可偏转光学功能结构(3，4)的力。

6.根据权利要求4的光学器件，其中所述倾斜装置包括双压电晶片元件(28a，28b)。

7.根据权利要求1的光学器件，包括在倾斜位置固定所述光学功能结构的装置。

8.根据权利要求7的光学器件，其中所述固定装置将所述光学功能结构(3，4)固定至保护结构(7)和/或基片(11)的表面。

9.根据权利要求7的光学器件，其中所述固定装置包括胶合剂、光致抗蚀剂、金属、焊料或机械固定装置。

10.根据权利要求1的光学器件，其中所述光学功能结构从紫外线光谱范围、可见光光谱范围或红外线光谱范围实现与电磁辐射的互相作用。

11.根据权利要求1的光学器件，其中所述保护结构包括玻璃、塑料、硅、陶瓷或金属。

12.根据权利要求2的光学器件，其中所述基片包括硅、砷化镓、氮化镓、磷化铟或碳化硅。

13.根据权利要求1的光学器件，其中所述保护结构是光学器件设置在其中的封装的一部分。

14.根据权利要求1的光学器件，其中所述光学器件是一维或二维扫描仪反射镜。

15.根据权利要求1的光学器件，其中所述光学器件是相位反射镜或光调节器。

16.根据权利要求1的光学器件，其中所述光学功能结构通过槽脊固定。

17.根据权利要求1的光学器件，其中还包括分离的槽脊部件。

18.根据权利要求1的光学器件，其中所述光学功能结构由微机械制造。

19.根据权利要求1的光学器件，其中所述保护结构包括连接到所述光学器件的晶片结合连接件，焊接连接件、共熔连接件或胶合连接件。

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