CN102129126B - 微机械构件、光学装置、用于微机械构件的制造方法和用于光学装置的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机械构件，包括具有蛾眼结构的部件(56)，蛾眼结构覆盖部件(56)的至少一个部分表面(62，64，66)。部分表面(62，64，66)的至少一部分可以作为第一接触面(66)与微机械构件的接触部件(58)在该接触部件(58)的至少一个具有针形微结构的第二接触面(68)上接触，第一接触面(66)的蛾眼结构和第二接触面(68)的针形微结构至少部分地相互啮合。作为变换或补充，部分表面(62，64，66)的至少一部分是构造为光窗口的部件(56)的外侧面(62)和/或面向内部空间裸露的内侧面(64)的至少一个部分面。本发明还涉及一种具有这种微机械构件的光学装置。另外本发明涉及一种用于微机械构件的制造方法和一种用于光学装置的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械构件。本发明同样涉及一种具有这种微机械构件的光学装置。本发明还涉及一种用于微机械构件的制造方法和一种用于光学装置的制造方法。
背景技术
由US 6,404,313B2公开了一种微镜致动器，它设置在一壳体中，该壳体由两个在微镜致动器两侧固定地键合的硅间隔保持件和两个键合在硅间隔保持件外侧面上的玻璃衬底组成。为了形成壳体，首先通过执行第一和第二键合方法将两个玻璃衬底固定在各自相应的硅间隔保持件上。以这种方式获得的结构接着通过执行第三和第四键合方法被固定地设置在微镜致动器的两侧。借助于图1示出了设置在壳体中的微镜致动器的其它特点。
图1示出了传统微镜的工作原理的示意图。
在图1中部分地示意性地示出的、具有可调节的镜面的微镜10设置在具有至少一个玻璃板12的壳体中。可调节的镜面以玻璃板12为参照可围绕至少一个旋转轴线14在第一极限位置16a与第二极限位置16b之间的范围内调节。通过围绕至少一个旋转轴线14调节该可调节的镜板，可以将入射到镜面上的光束18投射到对应于第一极限位置16a的第一外点22a与对应于第二极限位置16b的第二外点22b之间的投影面20的一个优选点上。
在入射到镜面上之前，光束18穿透玻璃板12的分界面。这通常导致光束18在玻璃板12上的反射24，该反射经常指向投影面20并且因此导致在投影面20上的静态反射点26。
发明内容
本发明实现了一种具有权利要求1特征的微机械构件、一种具有权利要求8特征的光学装置、一种具有权利要求9特征的用于微机械构件的制 造方法和一种具有权利要求11特征的用于光学装置的制造方法。
有利的实施方式在从属权利要求中描述。
微机械构件也指的是光学地、电子地和/或光电地构成的构件。
设置在部件上的(仿生学的)蛾眼结构例如保证了部件的被蛾眼结构覆盖的部分表面的蛾眼-消除反射。被保证的蛾眼-消除反射是高效的、与光入射角无关的并且适用于宽的波长谱。具有在光束的光波长以下的侧向结构的蛾眼结构导致没有显著反射的“软”折射率特征。因此，被保证的蛾眼-消除反射尤其是在例如红色、绿色和/蓝色方面具有多个最大强度的光束时是有利的。通过传统的消除反射层(干涉层、抗反射层)通常无法在微部件上实现蛾眼-消除反射的宽带性和光入射角无关性。附加地，薄的消除反射层可能容易与微部件表面脱离。蛾眼结构也允许被用于将具有蛾眼结构的部件固定地安置在微机械构件的接触部件上。微机械构件的一个另外的部件也称为接触部件，在该接触部件上固定地安置/设置具有蛾眼结构的部件。该接触部件例如可以是微机械构件的壳体部件或内部部件。固定的安置指的是形成具有蛾眼结构的部件与接触部件之间的连接，该连接只有在施加显著力的条件下才能够解除。固定的安置也可以称为部件的接合、至少部分地相互楔合、相互粘附。如果接触部件的接触面配有针形微结构，则由此利用蛾眼结构与针形微结构的相互压紧也能以相对微少的工作费用解决微机械加工技术的问题。例如由此可行的是，微机械构件的两个部件、尤其是两个壳体子单元无需键合步骤地相互固定。通过这种方式可以减少用于制造微机械构件要执行的粘接、钎焊、焊接和键合步骤的数量。这简化了微机械构件的制造，改善了其功能和/或减少其制造成本。因此，设置具有至少覆盖部件的部分表面的蛾眼结构的部件对于微机械构件是特别有利的。
本发明能够例如(优选两面地)在宽带上且与角度无关地消除微镜的玻璃盖/光窗口的反射。同时具有构造用于消除反射的蛾眼结构的部分表面也可以用于在玻璃盖与微镜的具有针形微结构的至少一个接触部件之间的固定连接。这一点可通过简单地将玻璃盖压靠到接触部件上实现，其中蛾眼结构至少部分地与针形微结构啮合。
附图说明
下面借助附图解释本发明的其它特征和优点。附图中：
图1示出传统微镜的工作原理的示意图，
图2示出微机械构件的实施方式的示意性横截面图，
图3示出光学装置的实施方式的示意性横截面图，
图4示出用于描绘微机械构件的制造方法的第一实施方式的流程图，
图5示出晶片的示意性横截面图，用于描绘该制造方法的第二实施方式的。
具体实施方式
图2示出微机械构件的实施方式的示意性横截面图。
图2中示意性示出的微机械构件包括镜装置50，该镜装置设置在微机械构件的内部空间52中。要指出的是，在这里所述的微机械构件不限于将微机械构件构造成微镜。镜装置50仅仅是可能的微机械构件的构型的一个例子。代替镜装置50或作为镜装置50的补充，也可以在内部空间52中设置其它光学部件、致动装置和/或传感装置。适合的光学部件例如可以包括光检测装置、分光器和/或透镜。
镜装置50优选这样地构造，使得镜装置50的镜面54可以相对于内部空间52/壳体的壁被调节。镜装置50例如可以具有用于调节镜面54的静电式致动器、磁式致动器和/或压电式致动器。但是微机械构件不限于将调节部件特定地构造用于调节设置在内部空间52中的可调节的部件，该可调节的部件可以包括光学部件、致动装置和/或传感装置。
微机械构件的包围内部空间52的壳体包括构造为光窗口的遮盖板56、间隔保持件58和底部部件60。构造为光窗口的遮盖板56至少部分地由透光材料例如玻璃成形。但是微机械构件的实现不限于以子单元56至60对进一步描述的壳体的限定。代替底部部件60或作为子单元56至60的补充，壳体还可以具有至少一个另外的部件。
遮盖板56、间隔保持件58和底部部件60的一些表面形成内部空间52的分界面并且使内部空间52与微机械构件的外部环境分开。这样地选择内部空间52的大小，使得保证了至少一个设置在其中的可调节的部件、例如镜面54相对于壳体的足够可调节性。尤其是通过使用间隔保持件58(其例 如可以由半导体衬底结构化出来)在壳体由子单元56至60形成时以简单的方式保证了就至少一个设置在内部空间52中的可调节部件的有利的可调节性而言足够大的内部空间52。
优选这样地构造并且这样地相互设置壳体的子单元56至60，使得内部空间52被密闭地封罩。内部空间52的这种密闭封罩能够相对于微机械构件的外部环境中的外部压力在内部空间52中实现负压。在内部空间52中存在的负压由于减少摩擦而尤其使得设置在内部空间52中的可调节的部件、例如可调节的镜面54的调节变容易。但是要指出的是，壳体的子单元56至60也可以这样地构造和组装，使得可以在内部空间52与外部环境之间产生空气流，只要这是优选的话。
遮盖板56具有蛾眼结构，该蛾眼结构覆盖遮盖板56的至少一个部分面。在所示的微机械构件的实施方式中，外侧面62、面向内部空间52裸露的内侧面64和接触间隔保持件56的遮盖板-接触面66被蛾眼结构覆盖。在面62至66上构成的蛾眼结构例如由无定形材料形成。优选的方式是，面62至66上的蛾眼结构由遮盖板56的无定形材料形成。在这种情况下，可以简单的方式利用已知的用于形成蛾眼结构的方法在面62至66上实现蛾眼结构。
蛾眼结构优选指的是一种微结构(微表面结构)，该微结构在被蛾眼结构覆盖的面上具有静态的或确定的结构单元布置。这种结构单元例如可以是柱体、圆柱体、锥体、角锥体、栓钉、针或更复杂的形状或这些不同结构单元的组合。特征可以是，各种结构单元的平行于被覆盖的面的宏观表面的尺寸小于各个与用途相关的光波长，和/或结构单元的横截面积向着背离结构化表面的端部增加。对于结构特有的极限值以上的光波长，材料的折射率和周围环境的折射率混合成有效的平均折射率，该平均折射率垂直于表面逐渐变化并由此使材料与周围环境之间的清晰边界变模糊。相应地也可以这样地构造结构单元，使得各个结构单元的平行于宏观表面的尺寸小于900nm、尤其是小于500nm。关于蛾眼结构及其制造的例子的描述，请参阅由T.Lohmüller，M.Helgert，M.Sundermann，R.Brunner，J.Spatz的公开文献“Biomimetic Interfaces for High-Performance Optic in the Deep-UVLight Range”(Nano Letters 2008，Vol.8.No.5，1429-1433)。
蛾眼结构例如可以具有许多微柱体，其中，微柱体尤其可以在背离被 覆盖的面的端部上具有凹穴，该凹穴被微柱体的部分区域围框住。优选的方式是，凹穴构造在所属的微柱体的中心和/或向着被蛾眼结构覆盖的面的方向缩小。凹穴垂直于被覆盖的面的最大高度优选小于所属的微柱体的垂直于被覆盖的面定向的最大高度。凹穴的最大高度例如在10nm至100nm的范围中、优选地在30nm至80nm之间的范围中。所属的微柱体的最大高度可以在30nm至300nm之间的范围中，尤其是在50nm至150nm之间的范围中。微柱体可以具有圆形或六边形的周边。微柱体的平行于被覆盖的面定向的宽度可以在10nm至150nm之间的范围中，优选地在30nm至100nm之间的范围中和/或在微柱体的面向被覆盖的面的端部上增加。
蛾眼结构能够在被其覆盖的面62和64上实现蛾眼-消除反射效应。因此，光束可以被指向面62和64，而不会在面62和64的一个上产生显著的光束反射。不显著的反射指的是低反射系数的反射，其中反射系数例如位于4％(0.04)以下、优选位于1％(0.01)以下、尤其位于0.5％(0.005)以下。
通过抑制/减小穿透面62和64的光束的反射，可以提高进入到内部空间52中的光束的强度。这尤其使得对入射到外侧面62上的光束的验证变得容易和/或能够利用设置在内部空间52中的光检测装置更准确地求得入射到外侧面62上的光束的强度。这也减小了在使用微镜时由于射束两次穿过两个玻璃盖表面所产生的损失。
面62和64的蛾眼-消除反射效应同样防止了例如在人眼中和/或投影面上出现静态反射点，当光束在光学分界面上以常见的方式反射时有时就是这种情况。因为传统的光学装置的静态反射点经常出现在投影面的中心区域中和/或具有高强度，所以该静态反射点经常被观察者作为干扰感觉到。在这里所述的微机械构件中克服了这个缺陷。
附加地通过面62和64的蛾眼-消除反射效应提高了在镜面54上反射的和从微机械构件射出的光束的光强度。由此例如在将微机械构件用于光投影仪时保证了更好的图像强度。
作为面62和64上的蛾眼结构的在上面段落中描述的优点的补充，在遮盖板-接触面66上形成的蛾眼结构也提供了可简单执行的可能性，用于在遮盖板56与起到遮盖板56的接触部件作用的间隔保持件58之间形成相对固定的接触。另外可以以简单的方式在间隔保持件58的间隔保持件-接 触面68(其接触遮盖板-接触面66)上构造针形微结构，并且第一接触面66的蛾眼结构与第二接触面68的针形微结构至少部分地相互啮合。针形微结构也可以称为针结构或微针结构。
优选针形微结构在由结晶的半导体材料制成的间隔保持件-接触面68上形成。针形微结构尤其可以由结晶的半导体材料(由它结构化出整个间隔保持件58)形成。优选的方式是，间隔保持件-接触面68的针形微结构是由半导体材料结构化出来的间隔保持件58的黑色半导体覆层。间隔保持件-接触面68的针形微结构尤其可以是由硅结构化出来的间隔保持件58的硅覆层(Black Silicon黑色硅)。黑色硅覆层可以例如利用反应式离子深蚀刻或通过Mazur-方法形成。
通过简单地使接触面66和68接触，已经可以利用相对小的力形成遮盖板56与间隔保持件58之间的力锁合的连接。在此，遮盖板-接触面66上的蛾眼结构和间隔保持件-接触面68上的针形微结构被至少部分地相互压紧/啮合。以这种方式形成的力锁合连接可以具有良好的粘附强度值，例如至少5MPa、优选至少10MPa、尤其至少18MPa。力锁合连接的形成无需提高温度，而例如在形成键合连接时需要提高温度。因此避免了在通过蛾眼结构与针形微结构的至少部分地啮合使具有蛾眼结构的部件和具有针形结构的部件接合时在这些接合的部件中产生温度损伤的风险。
蛾眼结构作为用于消除反射的器件和作为用于组装微机械构件的不同部件的器件的优点能够相互独立地实现。在上述段落中描述的两个优点的协同作用仅仅是蛾眼结构的一种附加利用。
在一种改进方案中，遮盖板56与间隔保持件58之间的力锁合连接结构的至少一个外侧面可以具有覆层。该覆层例如可以包括固化的材料、如粘接剂。这保证了对内部空间52的密封的密闭的改进。
间隔保持件58例如可以利用键合连接固定在底部部件60上。但是作为键合连接的变换，也可以利用两个针形微结构或利用针形微结构与蛾眼结构来构成壳体的子单元58和60之间的力锁合连接。
底部部件60可以优选地与镜装置50的至少一个单元一起由半导体衬底结构化出来。后来的内部空间52的作为其它光学部件、致动装置和/或传感装置构造的装置也可以与底部部件60一起由半导体衬底结构化出来。
在上述段落中描述的实施方式中，微机械构件的配有蛾眼结构的部件 被构造为遮盖板。但是要指出的是，微机械构件不限于将具有蛾眼结构的部件构造成遮盖板56。作为遮盖板56的变换或补充，微机械构件的其它部件也可以具有蛾眼结构。
图3示出光学装置的实施方式的示意性横截面图。
进一步描述的光学装置被构造成投影仪、尤其是激光投影仪。该投影仪的优点是，该投影仪由于其相对微小的尺寸也可以构造成便携式投影仪。但是在这里要指出的是，进一步描述的光学装置不限于被构造成投影仪。
光学装置包括发光装置100和构造成偏转镜的微机械构件102。光学装置可以附加地包括另外的部件，这些另外的部件与发光装置100和微机械构件102一起设置在壳体110中。
发光装置100例如可以是激光器。优选的是，发光装置100被设计成发射多色激光束。尤其可以利用发光装置100发射具有红、绿和蓝组分的三色激光束。这种结构尤其在将光学装置用作投影仪时是特别有利的，尽管在这里所述的光学装置不限于这种发光装置100。
被构造成偏转装置的微机械构件102也可以称为微镜。在所示的实施方式中，微机械构件具有镜面104，该镜面利用致动装置106可围绕至少一个旋转轴线调节。该致动装置106尤其可以构造成围绕两个旋转轴线调节镜面104。通过这种方式利用对镜面104的调节可将图像投影到投影面108上。
微机械构件102具有至少一个带有蛾眼结构的部件112，蛾眼结构覆盖该部件112的至少一个部分表面。在所示实施方式中，带有蛾眼结构的部件112被构造为光窗口，该光窗口形成了微机械构件112的壳体的一个子单元。至少构造为光窗口的部件112的外侧面114或内侧面116至少部分地被蛾眼结构覆盖。尤其是，侧面114和116的至少部分表面可以具有蛾眼结构。优选的是，发光装置100和微机械构件102这样地相互设置和定向，使得由发光装置100发射的光束118入射到侧面114和116的被蛾眼结构覆盖的部分表面上。
与其它抗反射覆层不同，蛾眼结构的消除反射作用不基于干涉效应，而是基于折射率的垂直于表面的逐渐变化。因此，消除反射的作用明显更不依赖于入射到蛾眼结构上的光束118的角度。这使得蛾眼-消除反射效应尤其对于在光束118的入射角变化时和/或在光束118的波长范围很宽时的 应用是有利的。
但是，微机械构件102不限于将具有蛾眼结构的部件112构造成光窗口。关于微机械构件102的其它结构可能性请参阅前面的附图描述。
图4示出用于说明微机械构件的制造方法的第一实施方式的流程图。
在一个任选的方法步骤S1中，在随后制造的微机械构件的部件的部分表面上形成蛾眼结构。在此这样地形成蛾眼结构，使得蛾眼结构至少覆盖部件的部分表面。例如可通过自组织工艺制造蛾眼结构。例如可以通过简单的方式利用RIE蚀刻(反应式离子蚀刻)在使用金纳米颗粒的蚀刻掩膜的条件下形成蛾眼结构。但是，蛾眼结构的形成不限于这种方法。代替在部件上形成蛾眼结构，也可以将具有已经存在蛾眼结构的部件用于其它的制造方法。
在方法步骤S2中，在微机械构件上或中设置具有蛾眼结构的部件，蛾眼结构至少覆盖部件的部分表面。例如在将该部件设置在微机械构件上或中时，具有蛾眼结构的部分表面的至少一部分作为第一接触面与微机械构件的接触部件在该另外的部件的至少一个具有针形微结构的第二接触面上形成接触，其中第一接触面的蛾眼结构与第二接触面的针形微结构至少部分地相互啮合。这保证了部件与另外的部件接触地、可靠地设置在微机械构件上或中。
针形微结构例如可以由半导体材料构成，由半导体材料也结构化出接触部件。针形微结构尤其可以是由硅结构化出的接触部件的黑色硅覆层。可以通过可简单且成本有利地执行的蚀刻工艺形成黑色硅覆层。
具有蛾眼结构的部件也可以作为光窗口设置在微机械构件上或中。优选使具有蛾眼结构的部件这样地定向，使得蛾眼结构覆盖微机械构件的给定的光入射面。因此，在这里所述的制造方法的实施方式中，蛾眼结构也可以用于消除光学分界面(光束入射到该分界面上)的反射。
方法步骤S1和S2的编号并不设定时间顺序。例如，也可以在方法步骤S1之前执行方法步骤S2。
在另一种任选的、未示出的方法步骤中，制造的微机械构件可以与发光装置一起设置在光学装置中。在此，发光装置和微机械构件可以这样地相对于彼此设置和定向，使得由发光装置发射的光束入射到部件的具有蛾眼结构的部分表面的至少一个部分面上。
图5示出晶片的示意性截横面图，用于说明制造方法的第二实施方式。
在所示的制造方法中，在第一半导体晶片120中结构化出模样，这些模样确定了用于许多后来的微机械构件的后来的底部部件、光学部件122、传感装置和/或致动装置的形状。通过涂覆(未示出)导电材料层和/或绝缘材料层也可以形成微机械构件的后来的电子装置的部件。
在之前的、并行或先后执行的方法步骤中，在玻璃晶片124与第二半导体晶片之间形成力锁合的连接。在此，可以使用蛾眼结构和针形微结构、例如黑色硅覆层的已知的表面精制技术。例如可以在玻璃晶片124的内侧面126的至少部分面(它接触第二半导体晶片)上构成蛾眼结构。附加地可以在第二半导体晶片的与玻璃晶片124的接触面130上构成针形微结构，例如黑色硅覆层。黑色硅覆层指的是，硅表面在蚀刻工艺中通过自组织的针毯(nadelteppich)蒙上。因为通过工艺参数确定“针”密度和长度的方法是已知的，所以不再更详细地描述。通过使内侧面126的蛾眼结构与接触面130的针形微结构接合，能够实现玻璃晶片124与第二半导体晶片之间的力锁合的连接。
在玻璃晶片124的与内侧面126对置的外侧面128上也可以构造蛾眼结构。侧面126和128可以通过可简单执行的自组织工艺配设蛾眼结构。一种可能的方法例如是，将玻璃晶片124浸入到胶质悬浮液中并接着等离子蚀刻。这种方法尤其对于较小的面积是高效的并且是可简单地执行的。关于外侧面128上的蛾眼结构的优点请参见上面的描述。
接着可以从第二半导体晶片结构化出间隔保持件132。尤其通过在制造时使用间隔保持件132，以简单的方式保证了后来的微机械构件的足够大的内部空间。例如可以通过键合方法在第一半导体晶片120上固定间隔保持件132。通过多次切断由晶片120和124与间隔保持件132组成的结构能够将后来的微机械构件分成单个。因此，利用切断，分别将玻璃晶片124的一个分块作为具有覆盖至少一个部分表面的蛾眼结构的部件设置在微机械构件上。
Claims (9)
1.微机械构件(102)，包括：
部件(56，112)，该部件具有蛾眼结构，该蛾眼结构覆盖该部件(56，112)的至少一个部分表面，
其中，所述部分表面的至少一部分作为第一接触面(66)与所述微机械构件(102)的接触部件(58)在该接触部件(58)的至少一个第二接触面(68)上接触，所述第二接触面具有针形微结构，其中，所述第一接触面(66)的蛾眼结构和所述第二接触面(68)的针形微结构至少部分地相互啮合。
2.如权利要求1所述的微机械构件(102)，其中，所述蛾眼结构由无定形材料形成。
3.如权利要求1所述的微机械构件(102)，其中，所述针形微结构由结晶的半导体材料形成。
4.如权利要求1所述的微机械构件(102)，其中，所述部件(56，112)作为光窗口(56，112)至少部分地由透光材料制成并且构造成所述微机械构件(102)的壳体的子单元，该壳体具有内部空间(52)。
5.如权利要求4所述的微机械构件(102)，其中，在所述内部空间(52)中设有镜装置(50，104)、光检测装置、分光器、透镜、致动装置(106)和/或传感装置。
6.如权利要求4或5所述的微机械构件(102)，其中，所述部分表面的至少一部分是构造为光窗口的部件(56，112)的外侧面(62，114)的和/或面向所述内部空间裸露的内侧面(64，116)的至少一个部分面。
7.光学装置，包括：
发光装置(100)；和
如权利要求6所述的微机械构件(102)；
其中，所述发光装置(100)和所述微机械构件(102)这样地相互设置和定向，使得由所述发光装置(100)发射的光束(118)入射到所述部分表面上。
8.用于微机械构件(102)的制造方法，具有以下步骤：
将部件(56，112)设置在所述微机械构件(102)上或中(S2)，该部件具有覆盖该部件(56，112)的至少一个部分表面的蛾眼结构，
其中，在将所述部件(56，112)设置在所述微机械构件(102)上或中时，所述部分表面的至少一部分作为第一接触面(66)与所述微机械构件(102)的接触部件(58)在该接触部件(58)的至少一个第二接触面(68)上形成接触，所述第二接触面具有针形微结构，其中，所述第一接触面(66)的蛾眼结构和所述第二接触面(68)的针形微结构至少部分地相互啮合。
9.用于光学装置的制造方法，具有以下步骤：
将发光装置(100)设置在所述光学装置中；并且
按照如权利要求8所述的方法制造微机械构件(102)并且将制成的微机械构件(102)设置在所述光学装置中；或者将如权利要求6所述的微机械构件(102)设置在所述光学装置中；
其中，所述发光装置(100)和所述微机械构件(102)这样地相互设置和定向，使得由所述发光装置发射的光束入射到所述部分表面上。
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