CN110959130A - Mems镜组件和用于制造mems镜组件的方法 - Google Patents

Mems镜组件和用于制造mems镜组件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于检测直至180°，优选地直至160°的大角度范围的MEMS镜组件，以及一种用于制造MEMS镜组件的方法。该镜组件包括：承载基底(1)，其上安装有围绕至少一个轴振动的镜(2)；透明盖(4)，其以气密密封的方式连接到承载基底(1)，并且包括具有基本圆形的基面的椭圆形圆顶(6)；以及补偿光学系统(8)，其布置在圆顶(6)外部用于入射光束的预定光束路径中。镜(2)的中部位于圆顶的中心点，补偿光学系统(8)以这样的方式对入射光束进行准直：使得由圆顶的边界表面引起的光束的发散或会聚在从圆顶(6)射出后被基本地补偿。通过将覆盖晶片和镜晶片进行接合来制造MEMS镜组件，覆盖晶片和镜晶片各自包括安装在承载基底上的多个半球形圆顶和镜。然后将镜组件与接合的晶片分离。覆盖晶片的圆顶通过玻璃流动工艺制造。

Description

MEMS镜组件和用于制造MEMS镜组件的方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测大角度范围的MEMS镜组件，以及一种用于制造MEMS镜组件的方法。
背景技术
MEMS镜组件，其例如用作扫描仪，在投影仪中、在激光雷达(光检测和测距)系统等中使用，并且包括至少一个镜，所述镜以单轴或双轴的方式悬挂在例如扭力弹簧上，所述MEMS镜组件通常是现有技术中已知的，并且由于设有外壳的单个镜组件的组装需要高成本，因此优选地在晶片级上制造。在本文中，在晶片上制造若干MEMS组件，该晶片在随后的工序中例如通过键合与另一个包含多个外壳盖的晶片连接。随后将晶片堆例如通过锯切分成单独的组件。这种程序方式不仅允许非常有效地封装所有组件，而且还可以显著简化组件的测试，因为所有必要的测试仍然可以用合适的晶片样本在晶片级上进行。
尽管微机械传感器领域中的晶片级封装(WLP)在此期间已发展到标准技术，但晶片级光学组件和系统的封装仍相对稀少。这首先是由于迄今为止根据功能方面设计小型光学外壳或满足有关光学、电子和热管理的所有要求的有限可能性。一系列特定要求导致需要对光学组件和系统加帽，这些要求直接影响了光学窗口表面的设计和方向。因此例如如果反射引起干扰，则始终需要倾斜的窗口表面。例如，从DE102011119610中已知一种用于制造结构化光学组件的方法，该方法涉及在倾斜的外壳窗口的应用过程中使用MEMS封装。
MEMS镜组件的外壳形状通常包括由平面或平面平行表面构成的光学入射窗口和出射窗口。然而，用于检测或扫描较大角度范围的光学系统的外壳也总是需要大的且延伸的窗口表面。然而，从经济的角度来看，这所需要的大的外壳形状对于晶片级外壳是不能接受的，因为所用晶片的大部分不能用于制造其他组件。可以想到的是具有大视野的允许外壳的节省空间设计的圆顶形的盖形状能够对此进行补救。
另外，由于缺乏合适的用于玻璃或硅的气密密封外壳结构的3D构造的技术，到目前为止，基本上已经采用平面平行布置用于在晶片级上构造光学系统，其中，这些还必须与接合方法相匹配。此外，必须为光学元件提供不仅避免反射而且还为入射辐射和出射辐射提供大角度范围的窗口表面。
从US8151600中已知一种制造玻璃微球的方法，该方法涉及在晶片上形成多个盲孔。将覆盖盲孔的可热变形玻璃板连接至该晶片。随后对该组件进行加热，这意味着盲孔中的压力改变了，并且盲孔上方的玻璃膨胀成球。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于入射到镜上并被其反射的辐射的大角度范围的MEMS镜组件，并且提供一种用于制造用于入射和出射辐射的大角度范围的MEMS镜组件的方法。所述方法实现起来相对简单，因此MEMS镜组件制造便宜。
根据本发明，该目的通过独立装置权利要求和方法权利要求的特征来实现。
通过从属权利要求中规定的措施，有利的进一步发展和改善是可能的。
用于检测直至180°，优选地直至160°的大角度范围的MEMS镜组件包括围绕至少一个轴振荡并悬挂在气密密封腔室中的镜，所述腔室由透明盖和承载基底界定，其中，镜的中部布置在形成透明盖的圆顶的中心点。在本文中，镜和圆顶的基面的中点彼此的差异不超过相对于基面的直径的±20％。通过这种布置实现了镜的所有角位置的均匀性。圆顶具有椭圆横截面，该圆顶在基本上为圆形的基面上方升起，其中可以发生与圆形形状的最小偏差。圆顶包括内部边界表面和外部边界表面，其中边界表面限定两个圆顶壳。理想情况下，这些圆顶壳应具有相同的中点。
然而，实际上，每个三维结构只能以近似的方式制造，在一定程度上，可能圆顶壳的两个中点不一致。可以为两个中点的相对位置定义公差范围，并且在当前情况下，内部圆顶壳和/或外部圆顶壳的高度F与直径D的比率(表示为纵横比)介于0.4和0.6之间，并且内部圆顶壳和外部圆顶壳之间的纵横比之差介于±0.002之间。对于在垂直和水平方向上的圆顶的内部耦接壳和外部耦接壳的基面中点偏移，规定了±10％，有利地优于±2％的范围。
理想的球形圆顶不能通过预期的玻璃流动或玻璃吹制的方法来制造，相反，形状总是椭圆形的，即，两个边界表面中的至少一个不具有球形表面并且只能由椭球描述。在本文中，椭球的基面基本上是圆盘。圆顶理想地是围绕轴线旋转对称，该轴线通过基面的中点垂直地与其对齐。因此，垂直地朝向基面的内部耦接壳或外部耦接壳的横截面中的至少一个具有椭圆形状。这样的椭圆形圆顶不再具有完美的成像特性。激光束由于椭圆形状而又失真，即，波前变形。在本文中，两种类型的误差特别相关：一方面，焦距长度在镜的角度范围内的变化(Zernicke多项式展开的项的Wyant Zernicke符号中的焦点位置Z3的变化)；和像散(对应于Zernicke多项式展开的项的Wyant Zernicke符号的Zernicke系数Z4和/或Z5)，所述像散由于表面的不同局部曲率而将激光束折射到不同的程度。在本文中，焦距长度以及像散随着镜的角度偏转而连续变化。最重要的是，像散使光学成像特性变差，并且对于镜扫描仪或镜投影仪的分辨能力以及由此对圆顶的设计具有特别重要的意义。
通过根据本发明的MEMS镜组件将成像特性中的误差最小化，并且具有镜组件的扫描仪的足够好的分辨能力可以在其整个工作范围内达到，其中可实现的焦点在120m的距离处小于20cm直径，其对应于小于0.1的激光束的最大允许发散。为了满足这些要求，激光束的波前(RMS)的平均变形必须小于0.5*波长(给定905nm的激光波长)，尤其主要像散(Z4和/或Z5)的幅度必须小于0.4*波长。
在考虑这些要求的同时，椭圆形圆顶必须为此满足一定的几何标准，从而由椭圆形圆顶的像散不可避免地引起的光学失真仍允许在整个角度范围内的足够好的光学成像。在这方面关键的是两个圆顶壳的纵横比的大小，以及内部圆顶壳和外部圆顶壳之间的纵横比的差。在这点上，椭圆的垂直半轴与平行于通过相应圆顶壳的椭球的垂直横截面的基面的双椭圆半轴之比应理解为纵横比。为了满足上述光学要求，如上所述，内部圆顶壳和/或外部圆顶壳的纵横比应在0.4和0.6之间，并且内部圆顶壳和外部圆顶壳之间的纵横比之差应不超过±0.002的值范围。由于具有较大的镜，通过圆顶内的激光束照亮了越来越大的部分，因此像散的幅度也随着镜尺寸和圆顶尺寸之间的比率而增加。为此，镜的尺寸不应超过圆顶的基底的直径的80％。如果镜的直径不超过圆顶基底的直径的60％的大小，则更为有利。如果镜大于圆顶直径的80％，尤其大于60％，则由椭圆形状的像散引起的成像误差变得太大并且导致激光束的更大发散。
因此，镜的直径可以介于圆顶的基面的直径的5％和80％之间。可以在0.2mm和30mm之间选择，优选地在1mm至30mm之间选择。
即使在理想的几何条件下，理想的球形圆顶也会在镜的整个角度范围内发生恒定的光束发散。这基本上也适用于具有至少椭球表面的椭圆形圆顶，即使只是近似的。此外，除了角度恒定的折射之外，还出现了以角度相关的方式改变的分量，例如已经提到的焦点位置(Z3)的改变，以及进一步的成像误差，例如提到的像散(Z4、Z5)。
然而对于入射到镜上的光束中的一道光束，不会发生光束偏转，所述光束精确地从镜的中部，即从圆顶的中部向外部行进，并因此垂直入射到半壳球形或椭圆形圆顶的弧形表面上，平行于中心光束行进的平行轴光束发生偏转。原因是折射，在进入圆顶的较高折射介质时这些光束发生折射，并导致光束进入圆顶处的位置局部地具有与光束再次出射处的位置相比不同的倾角。由此引起的光束偏转的幅度在此由光束入射到圆顶上处的局部倾斜角以及由折射引起的光束偏移的幅度确定。
然而，局部倾斜角由整个光束的直径和圆顶的尺寸决定，光束偏移的幅度取决于圆顶材料的折射率及其厚度。
具有恒定壁厚的理想球形圆顶的焦距长度结果为：
Figure BDA0002378637160000041
其中，n是折射率，d是圆顶的壁厚，R是圆顶的半径。
最后，由于圆顶形状与制造固有(球形或椭圆形)所需形状之间的所有进一步偏差，导致圆顶的光学特性或折光力变化，与焦距长度的倒数或者甚至与焦距长度的平方倒数值成比例，因此需要尽可能大的焦距长度，其给定圆顶的预定最大半径只能通过尽可能小的壁厚来实现。然而，壁厚不能任意减小，因为例如当圆顶内部主要是真空时，圆顶还必须处于永久承受至少1bar的压差的位置。圆顶的半壳球形或椭圆形状特别适合于承受压力并随后引入承载基底。已经发现，圆顶的半径R的平方与圆顶的壁的厚度d之比大于50，即R2/d＞50，这在制造方法的公差方面也是有利的。
必须补偿由于圆顶而产生的光束发散，也可能是光束会聚，以满足对例如，激光雷达系统或投影仪的分辨率的高要求，为此使用根据本发明的MEMS镜组件。为此提供的补偿光学器件以这样的方式对圆顶前的激光束进行准直：使得基本上平行的激光束在穿过圆顶之后以及在由镜反射之后再次出现。
根据本发明，补偿光学器件被设计为一个或多个透镜和/或一个或多个中空镜。利用凹面和凸面，优选地一个或多个凹-凸透镜的光学器件尤其是高性能的。
圆顶可以由玻璃组成，包括石英玻璃和/或二氧化硅，但是也可以优选由具有适合硅的热膨胀系数的材料组成。
补偿光学器件应以这样的方式设计：使得入射辐射的最小光束直径位于镜上，即，光学器件不应引起激光束的额外束颈缩，尤其是位于镜前的束颈缩。否则，导致额外光束发散的衍射幅度由激光束的腰缩确定而不是由微镜确定。
补偿光学器件的焦距长度结果为：
fcomp＝-fdome+a
其中，a是圆顶的像侧主平面和补偿光学器件的物侧主平面之间的距离。
在本发明的实施方式中，圆顶的焦距长度可以近似对应于补偿光学器件的焦距长度并具有相反符号。这是一定的近似，因为如从公式中得出的那样，圆顶和补偿光学器件的两个光学主平面之间的距离a也进入公式中。但是，与圆顶的焦距长度相比，补偿光学器件-镜的距离小，因此近似是可允许的。
在优选的实施方式中，圆顶的焦距长度可以介于50mm和300mm之间。
根据上述实施方式的用于制造MEMS镜组件的方法，该方法涉及通过承载基底将透明盖气密地密封，该承载基底上悬挂有围绕至少一个轴振荡的镜，所述方法包括以下步骤：提供硅晶片，将所述硅晶片以这样的方式结构化：使得产生多个加深部(其各自对应于盖的基面)，将玻璃状材料的覆盖晶片键合到结构化硅晶片上，其中在预定压力下将惰性气体封闭在由加深部和覆盖晶片形成的空腔中，将硅晶片和覆盖晶片的复合材料以这样的方式回火：使得通过封闭的惰性气体的膨胀形成多个圆顶，在冷却硅晶片和覆盖晶片的复合材料之后，部分或完全移除硅晶片，相对于覆盖晶片，以这样的方式布置包含多个悬挂在承载基底上的镜的镜晶片：使得每个镜中部位于圆顶的中点，通过用附加沉积的层或结构的键合将覆盖晶片与镜晶片接合并气密地密封封闭，将覆盖晶片和镜晶片的复合材料单个化为单独加帽的MEMS镜组件。
在根据本发明的方法的另一个实施方式中，使用工具代替硅晶片，所述工具由防止热的玻璃状材料粘附或涂有防止热的玻璃状材料粘附的材料的材料组成。该工具设有或将设有通孔。将玻璃状材料的覆盖晶片应用在设有通孔的工具上，并在朝向远离覆盖晶片的一侧应用真空。在大气条件下将工具和覆盖晶片的复合材料以这样的方式回火：使得由于真空而通过将覆盖晶片吸入到通孔中而形成多个圆顶。在冷却工具和覆盖晶片的复合材料之后，移除工具。其他步骤对应于前述方法的那些步骤。
根据本发明的用于检测大角度范围的镜组件，所述组件可以通过所描述的方法的实施方式来制造，如上所指定的，该镜组件包括承载基底，其为镜基底或镜晶片的组成部分，所述承载基底在有关方法中描述，并且在承载基底上悬挂有围绕至少一个轴振荡的镜；透明盖，其以气密密封的方式连接到承载基底，并且包括具有连接到承载基底上的平面区域的圆顶；和补偿光学器件，其布置在用于圆顶外部的入射光束的预定光束路径中，其中镜的中部位于圆顶的中点，并且其中补偿光学器件以这样的方式对入射光束进行准直：使得由圆顶的边界表面引起的光束的发散或会聚被至少部分地补偿。
对于MEMS镜组件，根据本发明的盖形状，其允许广阔视角，可能高达180°，而芯片表面或承载基底不需要不必要地大，所述盖形状可以通过根据本发明的方法来制造。因此，MEMS镜组件的承载基底或芯片表面不是由光学器件的必要性决定的。此外，根据本发明的方法允许廉价地制造多个MEMS镜组件。
通过玻璃流动实现了该制造。为此，在将玻璃晶片阳极地键合到结构化硅晶片上时，将100mbar至3bar，优选1bar至1.2bar压力的惰性气体(通常为氮气)封闭在空腔中。
在真空下的回火是特别有利的，这意味着可以形成非常高的圆顶，而无需非常深的硅空腔或空腔中的高气压。回火后的冷却过程中，不再需要在圆顶上施加力。如果实际的回火不是在真空中进行，则根据理想气体方程，用炉内的气压来跟踪温度是有利的，以便因此避免圆顶玻璃的重新流动，并因此避免冷却过程中形状变化。
根据本发明，回火在真空下在650℃至950℃，优选地700℃至800℃，甚至更优选地710℃下进行，其中所述回火在30分钟至12小时，优选地约2小时的限定时间之后完成，并在真空下冷却。基本上，应进行回火，使得形状缓慢地接近所需的最终圆顶形状。由于表面张力的影响，在接近回火过程结束时的低流速导致特别好的几乎球形的表面形状。在本文中，控制结构化硅晶片的加深部的深度、密封在空腔中的气体的压力、回火的温度和回火的时间的参数，使得在接近回火结束时，优选地在回火时间的最后20％期间，玻璃状材料的流速小于0.5mm/小时。期望的圆顶形状基本上以这种方式实现。
关于使用具有通孔的工具的方法，控制大气压和该工具的与覆盖晶片相对的一侧上的负压之间的压差、回火的温度和回火的时间的参数，或跟踪压差，使得在接近回火结束时，优选地在回火的时间的最后20％期间，玻璃状材料的流速低于0.5mm/小时。期望的圆顶形状基本上以这种方式实现。
在完成实际的玻璃成形过程之后，将硅部分地或全部地移除，其中这可以机械地进行，或者由于圆顶的非常高的形貌，可以通过湿化学方法，例如利用热的苛性钾通过蚀刻的方式进行。
通过随玻璃流动的玻璃的机械膨胀，圆顶的壁厚大约为初始玻璃基底的50％。尽管如此，对于制造具有例如1μm至0.5mm壁厚的非常薄的壁的玻璃圆顶，也需要厚度在200μm或更小范围内的相对薄的玻璃基底。通常，不再能够可靠地对这种薄玻璃基底进行处理，因由此引起破裂的危险。然而，已经发现，在使用的玻璃盖晶片的情况下，由于结合了非常高的圆顶结构，该玻璃晶片或覆盖晶片获得了高度的机械刚度和稳定性。但是，由于圆顶需要以固定的栅格在各个晶片上布置，以能够确保随后锯切成单个芯片或组件，因此在覆盖晶片内出现无法从通过圆顶的机械加固中获益的轴。在这里，在圆顶之间形成的附加的长圆柱形结构，以及晶片的边缘区域中的外围尖头状结构确保了必要的附加稳定性和刚度。
对于大多数光学应用，所使用的组件需要防反射。为此，通常在将硅晶片或工具回火和移除之后，将一系列薄(λ/4)层沉积到圆顶的光学表面上。可以使用CVD方法，即从气相中进行化学沉积，并且所谓的ALD(原子层沉积)在这里似乎特别合适，因为给出了高度的形状真实性，并且涂层的层厚度在整个圆顶没有变化。
覆盖晶片和镜晶片的接合和气密地密封封闭可以通过以下方式实现：将周边围绕每个圆顶结构的密封材料沉积到覆盖晶片和/或镜晶片上，和随后所谓的附加键合，对此使用附加沉积层或结构。
附加晶片接合方法(＝晶片键合)利用沉积到基底上的金属或玻璃的附加结构，以便能够接合硅或玻璃基底。在下文中，其尤其总是框架结构，其将下文所指的实际可用的MEMS结构框架化。
关于实际键合，MEMS结构则以气密紧封的方式被封闭，即，相对于气体或湿气的渗透永久地被密封。特别地，通过这种方式，经过数年和数十年，在如此封闭的容积中保持负压或真空。
用附加法进行晶片键合的示例是所谓的玻璃熔料键合，对此，将熔点非常低的玻璃浆通过丝网印刷来印刷在接合伙伴之一上，随后外围地将其熔化成封闭的框架。然后通常在420℃至450℃的温度下进行晶片的后续键合。在本文中，将晶片压在一起，以便在整个晶片表面上实现牢固的接触。
另一个非常重要的方法是所谓的用金属合金的共晶键合。最终，这是两个接合伙伴的焊接，为此金属已经被沉积在晶片/基底中的至少一个上，并随后被结构化。在本文中，实际合金焊料可以沉积在两个晶片之一上(例如金锡焊料)，或者合金以彼此分离的层的形式存在，直到键合形成实际的合金为止，所述合金在这里也至少在两个晶片的接触区域中熔化。在本文中，合金焊料成分的不同的单独的层可以布置在两个晶片之一上，或者以分布的方式沉积到两个晶片上。
因此，例如，用金-锡的焊接也可以通过将所需的锡沉积在两个晶片之一上并且将金沉积在另一个晶片上来实现，并且这些不会彼此反应以及形成熔融相直到接触和加热两个晶片。
然而，实际上，该程序仅适用于金-硅键合，其中当一个晶片上的键合框架的金与另一晶片的硅接触时，流体金-硅共晶在363℃以上的温度下产生。
在所有这些情况下，接合区域中的材料至少暂时是流动的，或者在接合过程中非常柔软(玻璃焊料)，这因此能够补偿不均匀性。直到冷却后通过焊料连接固化来达到强度。
特殊玻璃的键合方法是利用软金属的塑性变形的方法。为此，例如通过气相沉积和蚀刻或通过电沉积，同样在两个接合伙伴上创造金属框架结构。随后在高压和高温下将两个晶片压在一起，其中，框架结构逐渐地挤压在一起(＝热压键合)。
相反，所有其他晶片接合方法均基于键合期间的化学反应，并且在本文中利用基底特性(阳极键合、熔融键合)。
在镜晶片以及覆盖晶片上的接合区域非常光滑且平坦的情况下，可以使用气密密封接合方法，其在接合区域中不需要附加密封材料的情况下设法达成，以便实现两个晶片之间的气密地密封封闭。除了基本上基于将玻璃一样光滑的表面拧在一起而直接晶片键合之外，首先是为此考虑的阳极键合，为此玻璃表面通过电化学方法与硅反应并以气密密封的方式进行接合。在本文中，通过在覆盖晶片的玻璃和硅之间施加几百伏的电压，在300℃至450℃之间的温度下引起硅表面的氧化，所述氧化最终将两个表面以密不可分的方式彼此焊接。
如果覆盖晶片或镜晶片的表面不需要足够平坦或光滑(<10nm)，则在将镜晶片与覆盖晶片密封之前，根据所谓的附加键合，必须沉积实际的密封材料。在一个实施方式示例中，将可印刷的密封材料，优选地可熔化的焊料用作密封材料。从经济和技术的角度出发，同时考虑到覆盖晶片的高形貌，接合层的这种印刷或至少其结构化是特别优选的。最重要的是，这里要提及的是低熔点玻璃焊料的印刷，因为据此仅两个接合伙伴之一需要使用设计为玻璃浆的玻璃焊料印刷，由于工艺技术优势，其通常是覆盖晶片。
以有利的方式，将密封材料沉积在覆盖晶片和镜晶片之间的接合区域上，其中，在一个实施方式示例中，为了在键合时引导压力，接合区域直接位于圆顶壁的下方。球形形状的表面非常适合承受作用压力并将其引导到镜晶片中。由于这个原因，两个晶片的接合区域可以包围圆顶正下方的区域。另外，在给定接合区域的偏移的情况下，确实会在圆顶壁与覆盖晶片的平面区域之间的过渡区域中发生相当大的机械应力。
有利的是，在接合或键合覆盖晶片和镜晶片时，以逐点或线性方式储存必要的压力。由于覆盖晶片的高形貌，需要针对已建立的方法来修改最终的键合程序。由于在键合过程中通常需要将晶片压到彼此上，但是为了避免损坏，在可能的情况下不对光学表面进行机械加载，因此仅以逐点方式，而不是在整个表面上施加机械压力。例如，借助于工具可以将压力施加在分布在晶片上的多达25个位置上。晶片的机械刚度充分地将引入的压力分布在整个晶片上，从而可以以气密密封的方式封闭晶片上的由(包括圆顶的)盖和承载基底组成的所有外壳。
覆盖晶片或镜晶片的键合的另一种可能性在于它们在边缘区域处密封地彼此连接并且随后以气动的方式进行键合。因此，一个或多个晶片首先在晶片边缘处环状地连接，从而以真空密封的方式封闭晶片堆，然后可以以纯气动的方式发生实际键合。为此，当晶片仍处于键合器中时或随后的炉步骤中，晶片在大气压力下被加热，这意味着接合材料再次软化，并且两个晶片通过加载的空气压力彼此压紧。
形成用于各个镜的承载结构或承载基底的晶片，以及连接到承载结构的晶片的后镜都被称为镜晶片。在本文中，连接可以在与键合分开的步骤中进行，或者也可以与覆盖晶片的键合一起进行。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施方式示例，并且在随后的描述中对其进行更详细的说明。有显示在：
图1是根据本发明并根据第一实施方式示例的穿过镜组件的截面，其中省略了补偿光学器件，
图2是具有补偿光学器件和光束路径的根据图1的图示，
图3是用于制造根据本发明和根据第一实施方式示例的镜组件的根据步骤a)至g)的方法顺序，
图4是用于制造根据本发明和根据另一实施方式示例的镜组件的根据步骤a)至e)的方法顺序，以及
图5a)和5b)是具有多个镜组件的晶片的视图和截面。
具体实施方式
在图1中示出的镜组件的部分包括承载基底1，其上，以已知方式，经由以虚线方式表示的(可以设计成例如扭力弹簧的)弹簧3以单轴或双轴方式悬挂有镜2。镜2通过未示出的驱动器驱动，用于绕镜中点旋转或枢转。承载基底1可以由几个基底层组成，在本示例中是两个基底层，并且也可以设计成一个部分。
外壳盖4经由接合区域5以气密密封的方式连接到承载基底1，其中外壳盖4包括所需的半壳的、球形的或椭圆形的圆顶6，该圆顶的材料对所需的入射和出射辐射是透明的。例如，圆顶6可以由玻璃材料组成，其中玻璃对于可见辐射是透明的。理想地，圆顶的材料应该具有适合于硅的热膨胀系数，以便避免在与温度有关的接合过程之后的热力学应力。平面区域7连接到圆顶6之上，并且连接区域5被定位以使得它们被设置在圆顶6到平面区域7的过渡位置处的圆顶壁的下方。
如所指定的，寻求理想的半球形圆顶4，但是这不能通过下文描述的所应用的制造方法来实现。为此，圆顶4是具有圆形的基面或底面的椭圆形状。在本文中，至少一个边界表面(其被表示为内部9和外部耦合壳10)是椭圆形的，主要是具有两个边界表面的情况，这意味着会出现成像误差，尤其是像散，其中，像散的幅度确定了激光束还能聚焦到什么程度。但是，焦点的尺寸决定了使用镜组件的扫描仪或投影仪的可实现的分辨能力(像点的数量)。为此，圆顶形状必须在某个特征几何参数范围内。在图1中指定了尺寸定义，以确定这个或参数区域。
Fi是内部椭圆形圆顶壳的垂直半轴，或者是椭圆的中点与圆顶内部之间的垂直距离。Fa是外部椭圆的垂直半轴，或该椭圆的中点与圆顶外部之间的垂直距离。
Di是圆顶的内径，或横截面椭圆的长轴。Da是圆顶的外径，或横截面椭圆的长轴。
tt是圆顶壳在顶点处的厚度。tb是圆顶壳在基部处的厚度。
Mi是内部圆顶壳的椭圆形圆顶横截面的中点。Ma是外部圆顶壳的椭圆形圆顶横截面的中点。
bi是椭圆形内部圆顶壳的中点与镜表面之间的距离。ba是椭圆形外部圆顶壳的中点与镜表面之间的距离。
Ds是镜的直径。
内部圆顶壳9和外部圆顶壳10的所谓纵横比Fi(a)/Di(a)分别介于0.4<FiDi和Fa/Da<0.6之间，并且纵横比Fa/Da-Fi/Di之差必须介于0.002<Fa/Da-Fi/Di<0.002之间。在本文中，圆顶6的最大厚度应小于圆顶6的直径(在当前情况下，是每个位置的基面的直径Di)的10％。只要镜直径相对于圆顶直径不太大，这些特征变量是有效的，即相对于圆顶6的基面直径Di，镜直径Ds应位于0.05<Ds<0.8的范围内。
镜2应被定位以使镜的中点位于圆顶6的圆形基面的中部。在本文中，相对于基面的直径Di，中点Mi、Ma彼此之间相差不应超过±20％。内部圆顶壳9和外部圆顶壳10的椭圆形横截面的中点Mi、Ma与镜的中点在垂直方向上(始终相对于圆顶6的基面或底面)相差也不应超过±20％。
在图1中以13表示用于镜2的激活的电连接衬垫13。在连接衬垫上方形成玻璃圆柱形圆顶14，其是玻璃晶片的组成部分，并且在单个化为晶片芯片或单独的镜组件时被锯切开。
为了补偿由于在圆顶6处的折射而产生的光束发散，根据图2，将补偿光学器件8布置在圆顶6的前面，所述补偿光学器件在当前情况下被设计作为凸透镜。在图2中，仅示意性地示出了光束路径11、12，而未示出偏离平行光束路径的路线。补偿光学器件8以以这样的方式对入射光束11进行准直：使得入射辐射的最小光束直径位于镜2上，并且在从圆顶6出射并作为平行光束12出射之后，基本上补偿了由用作散射透镜的圆顶6的圆顶形边界表面、内部圆顶壳9和外部圆顶壳10引起的光束发散。为此，镜2的中部位于圆顶6的中点。这种根据图1和图2的镜组件可用于扫描仪、投影仪、激光雷达系统等。
在图3a)至3g)中，示出了根据图1的镜组件的制造步骤。根据图3a)，提供了硅晶片20，所述硅晶片通过结构化，优选地通过高速刻蚀而具有加深部21，其中，所述加深部具有例如200μm的高度(图3b))。优选地在1.2bar的压力下，玻璃晶片或覆盖晶片22键合到具有结构化凹部21的硅晶片20上，其中，空腔，即封闭的加深部21，填充有惰性气体，优选氮气N2。
根据图3c)的组件在例如700℃和800℃之间的温度下，在回火炉中真空下进行回火，这意味着玻璃软化至流速，并且通过空腔中的压力变化形成圆顶6。在回火期间，流动的玻璃衬底22的形状接近圆顶形状，从而产生特别良好的球形表面形状，并且特别是在表面张力的作用下，在回火时间的最后20％期间，玻璃材料的流速小于0.5mm/小时。该过程在约2小时后完成，将变形的玻璃晶片或覆盖晶片22和硅晶片20的组件在炉中冷却，优选地在真空下冷却，然后排气(图3d))。在玻璃成形过程完成之后，硅基底20被部分地或完全地移除，这里如下方图3e)所示。这可以机械地进行，或者也可以通过湿化学方式进行。
根据图3e)的组件，即变形的玻璃晶片22通常在两侧，即在圆顶6的内表面上以及在圆顶6的外表面上，通过ALD的方式，设有抗反射涂层，其可以是一系列薄的λ/4层。随后，印刷作为玻璃浆的低熔点玻璃焊料23，特别地在玻璃晶片22的圆顶6到平面7的过渡处的预期接合区域5处印刷(见图3f))。因此，接合区域直接位于圆顶6的壁的下方。对玻璃焊料23进行回火和上釉，并且随后将具有圆顶6的玻璃晶片22作为覆盖晶片通过键合的方式连接至预制的镜晶片24，其中所述覆盖晶片和所述镜晶片24经由放置在其上的辅助结构而彼此压紧。镜晶片从一开始就已准备好，可以由用于镜26的实际承载基底25，和后向基底27组成。这种组件如图3g)所示。在最后一个步骤中，根据图3g)的组件例如通过锯切而被分成多个MEMS镜组件。
在图4中的一个变型中示出了用于制造覆盖晶片的示意性工艺顺序，其中在可重复使用的工具上施加负压成型。
根据图4a)，提供了未处理的工具30，根据图3b)的所述工具设置有通孔31，通孔31包括与要制造的圆顶的基面相对应的基面。但是，该工具也可以从一开始就设有通孔。工具的材料是耐高温的钢、陶瓷或玻璃(石英玻璃)等，其中，该材料随后设有(防止热玻璃粘附在工具上的)例如，氮化硼、石墨、金刚石、无定形碳层(DLC)的涂层。但是，工具本身也可以由具有较低趋势粘附到玻璃的材料构成，例如氮化硼、SiC、玻璃碳、金刚石、石墨等，其中经常使用的是石墨。
根据图4c)，将玻璃晶片或覆盖晶片22放置在工具30上，并且从工具30的朝向背离覆盖晶片22的一侧施加由箭头32指示的真空，其中这可以通过附加的真空室来实现。大气压在覆盖晶片的侧面占主导地位。
随后在大气条件下对整个结构进行回火，这意味着将覆盖晶片22的玻璃吸入开口31中并形成圆顶6(图4d))。在本文中，控制回火，使得在考虑回火时间和温度的同时，在接近过程结束时减小大气压和负压(真空)之间的压力差。当达到圆顶6的必要高度时，完成覆盖晶片22的制造。
在对该组件排气之后，从工具30上提起覆盖晶片22，并且该工具准备好接收下一个晶片(图4e))。
进一步的步骤对应于图3f)和3g)中的那些。
图5a)和5b)中示出了晶片16上的视图和通过该晶片的示意性截面图，该晶片作为具有多个单独的镜组件的晶片复合材料，这些镜组件被分成不同的晶片芯片。镜组件或晶片芯片组件在圆形晶片16上，晶片边缘16a平行排列。玻璃的圆柱形圆顶14位于排之间的电连接衬垫13上方，这些衬垫随后被打开，特别是用于检查晶片复合材料上的各个镜组件。
附加键合的过程可以通过图5a)的方式进行解释。密封材料的键合框架15沉积在各自的晶片芯片或镜组件周围以及圆顶6周围。另外的键合框架17沉积在晶片1的外围周围，作为硅的原则，靠近其外围边缘16a。通过气动键合，晶片首先在真空下在外围处彼此连接。这是通过借助于附加的环形工具并在处理温度下仅在该区域局部地将机械压力施加到晶片上来实现的。由此，在该区域中首先将晶片压在一起并且以真空紧密的方式密封。随后，利用气体(主要是氮气)对键合器排气。在本文中，气动压力将两个晶片之间的真空区域压在一起，使得键合框架也在单个芯片之间被压在一起并且彼此连接。之后才将晶片从键合器中移除。具有非平面表面的晶片也可以通过这两级键合工艺进行处理。特别地，因此，对晶圆片大面积施加机械压力的必要性变得多余，这在需要加工敏感的光学表面(如圆顶的情况)时表现出巨大的优势。

Claims (23)

1.一种MEMS镜组件，其用于检测直至180°，优选地直至160°的角度范围，包括：
承载基底(1)，其上悬挂有围绕至少一个轴振荡的镜(2)，
透明盖(4)，其以气密密封的方式连接到所述承载基底(1)，并且包括具有椭圆横截面的半壳圆顶(6)，所述圆顶在基本圆形的基面上方升起，其中所述圆顶(6)设置有形成边界表面的内部圆顶壳和外部圆顶壳，并且所述内部圆顶壳和/或外部圆顶壳的高度F与直径D之比在0.4和0.6之间，并且所述内部圆顶壳的高度Fi与直径Di之比与所述外部圆顶壳的高度Fa与直径Da之比之间的差介于±0.002之间，以及
补偿光学器件(8)，其布置在用于入射光束的预定光束路径中的所述圆顶(6)的外部，
其中，所述镜(2)的中部与所述圆顶的基面的中点重合，最大公差为所述圆顶的基面的直径的±20％，并且
其中，所述补偿光学器件(8)以这样的方式对所述入射光束进行准直：使得由所述圆顶的边界表面引起的光束的发散或会聚在从所述圆顶(6)射出后被至少部分地补偿。
2.根据权利要求1所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述内部圆顶壳的高度Fi与直径Di之比与所述外部圆顶壳的高度Fa与直径Da之比之间的差介于±0.001之间。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶(6)的平方与所述圆顶的壁的厚度之比大于50，R2/d＞50。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶(6)的壁的厚度小于所述圆顶的基面的直径的10％。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述镜的直径介于所述圆顶的基面的直径的80％和5％之间。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶(6)的所述内部圆顶壳(9)和所述外部圆顶壳(10)的基面的中点在径向和垂直方向的偏离介于所述圆顶的基面的直径的±10％的范围，优选地±5％的范围。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶(6)的材料具有与所述镜(2)的材料的热膨胀系数相适应的热膨胀系数。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶(6)与所述承载基底(1)之间的内部空间处于真空中或充满保护气体，其中所述内部空间容纳所述镜(2)。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶(6)的焦距长度大约与所述补偿光学器件(8)的焦距宽度相对应并具有相反符号。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的MEMS镜组件，其特征在于，所述圆顶的焦距长度介于-50mm和-300mm之间。
11.一种用于制造根据权利要求1至10中的任一项所述的MEMS镜组件的方法，其具有以下步骤：
a)提供硅晶片(20)，
b)将所述硅晶片(20)以这样的方式结构化：使得产生多个加深部(21)，
c)将玻璃状材料的覆盖晶片(22)键合到所述结构化硅晶片(20)上，其中在预定压力下将惰性气体封闭在由所述加深部(21)和所述覆盖晶片(22)形成的空腔中，
d)将所述硅晶片(20)和所述覆盖晶片(22)的复合材料以这样的方式回火：使得通过所述封闭的惰性气体的膨胀形成多个圆顶(6)，
e)在冷却所述硅晶片(20)和所述覆盖晶片(22)的复合材料之后，部分或完全移除所述硅晶片(20)，
f)相对于所述覆盖晶片(22)以这样的方式布置包含多个悬挂在承载基底(1)上的镜(2)的镜晶片(24)：使得每个镜中部位于所述圆顶(6)的中点，
g)通过用附加沉积的层或结构的键合将所述覆盖晶片(22)与所述镜晶片(24)接合并气密地密封封闭，以及
h)将所述覆盖晶片(22)和所述镜晶片(24)的复合材料单个化为单独加帽的MEMS镜组件。
12.一种用于制造根据权利要求1至10中的任一项所述的MEMS镜组件的方法，其具有以下步骤：
a)提供一种工具，其由防止热的玻璃状材料粘附或涂有防止热的玻璃状材料粘附的材料的材料组成，
b)在所述提供之前或之后为所述工具设置通孔，
c)将玻璃状材料的覆盖晶片(22)应用在设有通孔的所述工具上，其中在远离所述覆盖晶片的一侧施加负压，
d)在大气条件下将所述工具和所述覆盖晶片(22)的复合材料以这样的方式回火：使得通过将所述覆盖晶片吸入所述通孔中而形成多个圆顶(6)，
e)在冷却所述工具和所述覆盖晶片(22)的复合材料之后，移除所述工具，
f)相对于所述覆盖晶片(22)以这样的方式布置包含多个悬挂在承载基底(1)上的镜(2)的镜晶片(24)：使得各个镜中部位于所述圆顶(6)的中点，
g)通过与先前沉积的层或结构的键合将所述覆盖晶片(22)与所述镜晶片(24)接合并气密地密封封闭，以及
h)将所述覆盖晶片(22)和所述镜晶片(24)的复合材料单个化为单独加帽的MEMS镜组件。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述回火是在真空下进行，或者是在气体气氛中的实际回火程序之后的冷却过程中进行，根据热状态方程随温度变化跟踪密闭炉内的气压。
14.根据权利要求11、12或13所述的方法，其特征在于，补偿光学器件(8)布置在入射进圆顶的光束的光束路径中的被设计作为所述圆顶(6)的盖(4)的外部，所述补偿光学器件至少部分地补偿由于所述光束通过所述圆顶(6)的外边界表面和内边界表面而引起的发散或会聚。
15.根据权利要求11、12和14中的任一项所述的方法，其特征在于，在将所述覆盖晶片(22)键合到所述硅晶片(20)上时，将所述惰性气体在100mbar至3bar，优选地1bar至1.2bar的压力下封闭在所述空腔中。
16.根据权利要求11、13至15中的任一项所述的方法，其特征在于，所述回火在真空下在650℃至950℃，优选700℃至800℃，甚至更优选710℃下进行，并且在30分钟至12小时，优选约2小时的限定时间之后完成，并在真空下冷却。
17.根据权利要求11、13至16中的任一项所述的方法，其特征在于，控制所述结构化硅晶片(20)的加深部(21)的深度、封闭在所述空腔中的气体的压力、所述回火的温度和所述回火的时间的参数，使得在接近所述回火结束时，优选地在所述回火的时间的最后20％期间，所述玻璃状材料的流速低于0.5mm/小时。
18.根据权利要求12、14至15中的任一项所述的方法，其特征在于，控制大气压与施加在朝向背离所述覆盖晶片的一侧处的压力之间的压差以及压差的时间进程、所述回火的温度和所述回火的时间的参数，使得在接近所述回火结束时，优选地在所述回火的时间的最后20％期间，所述玻璃状材料的流速低于0.5mm/小时。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在将所述硅晶片(20)或所述工具回火和移除之后，优选地通过CVD或ALD方法将抗反射涂层沉积到所述圆顶(6)的内部和/或外部表面上。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在键合时使用可印刷的密封材料，优选地可熔焊料或玻璃焊料作为密封材料(23)。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述密封材料(23)沉积在所述覆盖晶片(22)与所述镜晶片(24)之间的接合区域(5)上，所述接合区域直接位于所述圆顶的壁的下方，用于在键合时引导压力。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在键合所述覆盖晶片(22)和所述镜晶片(24)时，以逐点或线性方式施加必要的压力。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述覆盖晶片(22)和所述镜晶片(24)在键合时在它们的边缘区域处以密封方式彼此连接，并且所述键合随后气动地进行。
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