CN1532565A - 具有微电机结构控制器的可调节复合微透镜装置 - Google Patents

具有微电机结构控制器的可调节复合微透镜装置 Download PDF

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Abstract

一种微透镜装置，其中包括：第一和第二光学微透镜，所述微透镜沿着它们的光轴相互分离，从而形成一个复合透镜；至少一个所述微透镜可相对移动。一个微电机结构控制器电子地控制可移动微透镜相对于该固定微透镜的位置，或者至少两个可移动微透镜之间的相对位置。还描述一种补偿在一阵列中的第一装置的光学参数(例如，有效焦距)的变化的方法，其中包括如下步骤：(a)确定所述第一装置具有不同于标准数值的所述参数的一个数值；以及(b)把一个电信号施加到所述第一装置的所述微电机结构控制器，从而使得所述第一装置的控制器执行所述机械动作，移动所述第一装置的所述至少一个可移动透镜，使得所述第一装置的所述参数的数值更加接近于所述标准数值。

Description

具有微电机结构控制器的可调节复合微透镜装置
技术领域
本发明涉及一种复合微透镜，特别涉及由一个微电机结构或子系统(MEMS)所控制的复合微透镜。
背景技术
在光电子技术中，光透镜具有许多应用作为独立透镜单元(单个或复合透镜)或者这种单元的阵列。各个透镜单元例如被用于把光源(例如，激光)耦合到一个感光器。感光器包括公知的光波导(例如，光纤和硅波导)、公知的光检测器(例如，p-i-n和雪崩光电二极管)以及其他光学器件。另一方面，这种透镜的一个阵列可以执行在光源阵列和感光器阵列之间的相同耦合功能。该耦合功能可以包括一个或多个如下功能种类：聚焦、准直和整形。
现有技术的透镜阵列包括微透镜，其被蚀刻在一个半导体(例如，硅)或绝缘体(例如，硅基玻璃)中。在此有许多技术来制造这样的微透镜阵列。大部分涉及标准光刻处理技术。在可以使用一个母板时，微透镜阵列可以使用模制技术来复制。对于许多应用，需要在所有透镜上具有较大焦距一致性，但是由于在材料中的缺陷和工艺上的变化不一定能够实现该要求(例如，在蚀刻轮廓中)。解决后一种问题的方法在C.Bolle作出的名称为“Method for Compensating for Nonuniform EtchProfiles”的共同未决美国专利申请No.10/010,570中描述。该申请在2001年11月13日提交并且转让给本受让人，其通过引用的方式被包含于此。用于制造硅微透镜的另一种现有技术在L.Erdmann等人发表在“Opt.Eng.”Vol.36，No.4，pp.1094-1098(1977)上的文章中描述，其内容也通过引用的方式被包含于此。
至少在理论上，这种独立的微透镜或微透镜阵列可以从例如塑料这样的其他材料来制造。但是，在实践中，材料的选择通常取决于由特定应用要求的精度。例如，在下文中讨论的许多光电子应用需要非常高的精度用于使光束从一个器件/元件耦合到另一个器件。这些应用规定材料(例如，硅)的使用，其具有成熟的处理技术，使得微透镜以相应的精度来整形。
一个微透镜装置是用于许多类型的光学子系统的基本部件，该子系统例如光交换机、路由器、衰减器、滤波器、均衡器和色散补偿器。在典型的应用中，该微透镜阵列被用于准直来自一个光纤或激光器阵列的光束，并且把它们聚焦到一个感光器阵列上。
常规的光路由器和交换机使用微透镜阵列来把来自一个光输入光纤的光束准直/聚焦到一个光输出光纤的阵列，使得两个阵列之间的耦合变得有效。该准直和聚焦功能用于把该光束的直径与该光纤的孔径相匹配。
在一个MEMS结构中，由于几个原因，这种常规的微透镜阵列通常不提供该光束与光纤的最佳耦合。首先，由于有限的制造公差，该透镜曲率在透镜与透镜之间互不相同。这些曲率变化导致焦距变化，然后导致在输出光纤中的光束直径变化。其次，对于不同的路径，在不同输入和输出光纤对之间的光路长度改变，这导致输出光纤的光束直径的变化。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种可调节的复合光微透镜装置包括第一和第二微透镜，其沿着它们的光轴相互分离。至少一个微透镜可相对于另一个微透镜移动。在一个优选实施例中，一个微透镜是固定的，另一个是可移动的。一个MEMS控制器电控制该可移动微透镜相对于该固定微透镜的位置，或者至少两个可移动微透镜的相对位置。
根据本发明一个实施例，还考虑这种微透镜装置的阵列，特别用于例如光交换机和路由器这样的应用。
根据本发明的另一个方面，该微透镜的受光面包括部分透明的金属涂层，使得该装置作为一个滤光器或色散补偿器。
根据本发明另一个方面，一种用于补偿在一个阵列中的第一装置的光学参数(例如，有效焦距)的变化的方法，其中包括如下步骤：(a)确定在该阵列中的第一装置具有不同于预定标准数值的所述参数的一个数值；以及(b)把一个电信号施加到所述第一装置的所述MEMS控制器上，从而使得该控制器执行机械动作，该动作使得所述第一装置的所述参数的数值更加接近于所述标准数值。(示意地，该机械动作改变在第一装置中的一对微透镜之间的间隔和/或倾斜)。在一个实施例中，该标准数值被存储(例如，存储在一个计算机中)，并且在另一个实施例中，这由该阵列中的第二装置的相同参数的数值确定。根据该应用，我们设想随着时间变化执行多次调节，或者在单次调节之后固定该可移动微透镜。
附图说明
从下文结合附图的详细描述中，本发明的各种特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1(a)为根据利用具有两个弯曲表面的一个透镜对的实施例的复合微透镜装置的截面视图；
图1(b)为根据利用具有三个弯曲表面的一个透镜对的另一个实施例的复合微透镜装置的截面视图；
图1(c)为用于图1(a)和1(b)的实施例中的弯曲弹簧的顶视图；
图2为归一化的焦距对归一化的透镜间隔的曲线图；
图3-12为用于描述在图13和14中所示的一个复合微透镜装置的制造的各个处理步骤的示意截面视图；
图13为根据本发明一个实施例利用具有两个弯曲表面的透镜对和图1(a)中所示类型的一个复合微透镜装置的示意截面视图；
图14为根据本发明另一个实施例利用具有两个弯曲表面的透镜对和图1(b)中所示类型的另一个复合微透镜装置的示意截面视图；
图15-32为用于描述在图33中所示的一个复合微透镜装置的制造中的各种处理步骤的示意截面视图；
图33为根据本发明另一个实施例利用具有两个弯曲表面和图1(a)中所示的类型的一个透镜对的复合微透镜装置的示意截面视图；
图34为被更改为执行滤波器或干涉计的功能的一个复合微透镜装置的示意截面视图；
图35为根据本发明另一个实施例用于控制复合微透镜装置的包含反馈环路的子系统的示意方框图；
图36为根据本发明另一个实施例的说明一个复合微透镜装置的阵列的典型应用的另一个子系统的示意图。
具体实施方式
一般结构
根据本发明各个方面，下面描述MEMS可调节(即，可调整)复合微透镜装置的设计(即，包含复合微透镜的单个装置或这种装置的阵列)，以及制造它们的方法，在各种系统中操作它们的方法。根据特定实施例，在沿着一个公共光轴的微透镜之间的垂直间隔、它们的光轴的水平间隔和/或它们的光轴之间的相对倾斜使得该微透镜装置的光学参数(例如，有效焦距)发生改变。
单个复合微透镜装置可以被用作为一个衰减器、均衡器、色散补偿器或者滤波器(图34)，例如，或者多个这样的装置可以被形成为一个阵列(图36)。该阵列的间距(空间的而不是时间上的)可以被固定或可变。
一个复合微透镜装置的阵列在一致性要求较高或者需要调整能力的应用中特别有用(例如，光纤传输系统)。该可调节的微透镜被设想为包含在一个光学子系统中(例如，光交换机或路由器)，并且由一个反馈电压源所控制，其适应该微透镜阵列结构的内部变化，例如温度改变，或者外部变化，例如光束截面改变。
包括微透镜对和MEMS控制器的单个装置10a在图1(a)中示意地示出。在此，示出装置10a包括两个同轴透镜12a和14a。至少一个微透镜是可移动的。在所示的情况中，透镜14a是可移动的；透镜12a是固定的，并且该透镜对具有两个弯曲表面，在每个微透镜向内表面上具有一个弯曲表面。另外，一个类似的装置10b在图1(b)中示出，其还包括由同轴透镜12b(固定)和14b(可移动)所形成的一个透镜对。但是，在该透镜对具有三个弯曲表面的情况中，在微透镜12b的每个内外表面上具有一个弯曲表面，并且在该微透镜14b的外表面上具有一个弯曲表面。但是，两个以上的微透镜(例如，三单元组)，如果能够允许增加复杂度，可以利用四个以上的弯曲表面。
另外，每个透镜可以是凹透镜或凸透镜，并且可以是球面镜、非球面镜或者可以具有其他形状，包括变形的形状(例如，柱面)。
该微透镜通常被防反射涂层所覆盖，其被设计为在由特定系统和/或应用中所确定的波长范围内具有较低的反射率(但是，反射涂层被用于一些应用程序中，例如滤波器和色散补偿器，如在下文中所述)。
更加具体来说，根据本发明的单个微透镜装置的各个实施例的示意图在图13、14和33中示出。
每个微透镜装置10a和10b的MEMS部分包括支承结构16a和16b、弹性装置20a和20b、一个顶部电极和多个底部电极18a和18b，分别如图1(a)和1(b)中所示。该支承结构16a和16b具有开孔22a和22b(例如，方形开孔)，其中分别悬置该可移动透镜14a和14b。该弹性装置20a和20b把该可移动透镜14a和14b分别悬置于该开孔22a和22b中。示意地，该弹性装置是弯曲弹簧20a和20b，为了简化仅仅在图1(a)和1(b)的顶视图，以及在图1(c)的扩展顶视图中示出。最后，该整个可移动微透镜14a和14b作为顶部电极，而该底部电极18a和18b被分别置于该固定透镜12a和12b的外围。在图1(a)中，该电极18a被示出为在方形开孔22a的四个角上；在图1(b)中，该电极18b被示出为在方形开孔22b的多个边的中点上。也可以采用底部电极的其他设置。
示意地，该顶部电极(可移动透镜)耦合到地电势的电源，并且底部电极耦合到一个电压源。每个底部电极可以具有相同或不同的施加到其上的电压。图13和14的实施例被按照这种方式来设计。在这些实施例中，在该透镜对中的微透镜的垂直间隔、水平间隔和/或倾斜可以通过改变施加到该多个底部电极的所有电极或任何分组上而调节(即，调整)。但是，为了改变水平间隔，图1(a)和1(b)的设计可以被更改以允许该可移动透镜的横向运动。一个典型的更改设计包括在该固定透镜的外围的附加电极18(未示出)和把该可移动透镜耦合到该支承结构的附加弹簧20(未示出)。
通常，通过MEMS施加的电压改变该微透镜之间的电容耦合，从而使得该微透镜相对运动。例如，当电压被施加在图1的多个底部电极和顶部电极(可移动透镜)之间时，该可移动透镜14a和14b被分别拉向固定透镜12a和12b。分别支承可移动透镜14a和14b的弯曲弹簧20a和20b提供回复力，并且可以被设计为允许在微透镜之间的垂直间隔d的较大变化。通过增加该弹簧的长度和数目，本发明获得较小的弹簧常数和较大偏移(垂直间隔的改变量)。
另外，顶部电极(可移动透镜)耦合到一个电压源，并且所有底部电极耦合到地电势的电源。图33的实施例被按照这种方式来设计。在该实施例中，在两个微透镜之间的垂直间隔可以被调节，但是不调节相对位置或倾斜。
假设图1的装置的微透镜都具有相同光轴，该透镜对的有效焦距f12和其微商由下式给出：
f 12 = f 1 f 2 f 1 + f 2 - d , - - - ( 1 )
∂ f 12 ∂ d = f 12 2 f 1 f 2 , - - - ( 2 )
其中，f1和f2是两个微透镜的焦距，并且d为它们的垂直间隔。每个微透镜的焦距由用于其制造的处理技术所固定。(参见，上述Bolle的申请和Erdmann等人的论文)。对于固定f12和w，最大可调节性f12/d，出现在图2的奇点附近，其中
    f1+f2≈d      (3)
和在f1和f2的最小值附近。请注意，根据该微透镜的曲率，f1和/或f2可以是正数或负数。作为归一化间隔的一个函数的该有效焦距的典型函数关系在图2中示出。请注意，在奇点的区域之外的变化较小，其中d/f2～2.1。改变该比率f1/f2，把该曲线沿着d/f2轴移动。
滤波器
如上文所述，一个可调节的复合微透镜装置可以适用于执行滤波功能。一个示意的滤波器30、Gire-Tournois(GT)滤波器(或干涉计)在图34中示出。该GT滤波器采用图1(a)中所示类型的透镜对。但是，还可以使用包括图1(b)在内(但不限于此)的其他透镜对设计。在图34中，该微透镜32a和32b的内表面分别被反射涂层33a和33b所覆盖。这些涂层可以是金属的，可以是多层绝缘层，或者可以是本领域所公知的其他设计。在任何情况中，这两个反射涂层形成一个凹腔谐振器。通过使用MEMS来改变该可移动微透镜的位置，我们可以改变该谐振器的长度，接着可以对该辐射(或光)束34进行频谱或空间滤波。另外，该GT滤波器具有其自身的波长色散特性，其可以被设计为补偿另一个光学设备的色散。
反馈控制子系统
在许多应用中，一个微透镜装置或者它们的阵列受到可变的条件的影响(例如，温度、湿度、老化)，这使得该装置或阵列具有可变的光学参数(例如，波长、功率、光束截面)。因此，如图35中所示，一个分支输入光束42i通过微透镜装置41，并且作为准直输出光束42o而输出(为了简单起见，仅仅示出一条光束)。例如，如果由于环境温度改变的结果导致该装置41的温度改变，则该输出光束的特性(例如，波长、功率、光束截面)也将改变。为了稳定这些光学参数(即，把它们的变化限制为预定可接受的范围)，则该装置被提供一个反馈控制子系统，其包括一个控制器45、温度传感器43和光检测器44。后者可以作为一个接收器-检测器；例如，与用于从输出光束42o提取信息的接收器47相结合，或者其可以作为一个监视器-检测器；例如，在用于检测输出光束42o的光学参数的反馈环路中。
最初假设该光检测器是一个接收器-检测器，并且该装置41和传感器43被置于一个腔体46内(例如，封闭腔)。在这种情况中，该光检测器在引线44a和44b上把一个电信号(包含要被解码的信息)提供到接收器47(不提供到在引线44c上的控制器45)。传感器43把在引线43a上的电信号(与温度成比例)提供到控制器45的输入端。该控制器接着把一个电输出信号提供到引线45a，其提供(1)可移动微透镜41a的位置的粗调(响应在设置其所需的初始位置的信号)以及(2)可移动微透镜41a的位置的细调(响应来自传感器43的信号)。
另外，可以根据输出光束42o的波长、功率或者空间截面进行反馈控制。在这种情况中，光检测器44可以被用作为一个监视器-检测器，以检测在这些光学参数中的改变，以及把在引线44a和44c上的电信号提供到控制器45的另一个输入端，其按照类似于上文所述的方式作用，以控制可移动微透镜41a的位置。
该检测器44被示出为在该腔体46的内部，但是另外它可以位于外部，只要该发送装置(例如，窗口)被提供用于照射在该光检测器上的输出光束即可。
相反，如果装置41位于一个温度/湿度受控的环境中，则需要该腔体46，并且可能取消该温度传感器43，并且反馈控制可以预测除了温度之外的检测参数。
阵列
在图36中所示的本发明的一个重要实施例中，多个可调节复合微透镜装置形成一个阵列50。每个装置51包括上述类型的一个复合透镜和MEMS控制器。
在一个典型应用中，该微透镜阵列把来自光源61的阵列60的光束耦合到感光器71的阵列70。为了说明的目的，从一个典型的信号源61a发出(许多)光线中的仅仅两条光线被示出为形成一条照射在微透镜阵列50上的光束62。实践中，多个光源61将同时发出多条这样的光束，照射在该微透镜阵列中的不同装置上。如图所示，该射束62被照射在一个准直该光束的典型微透镜装置51a上。该准直的光束64被照射在一个典型的感光器71a上。
该光源的阵列60可以包括例如激光器这样的有源设备的阵列。一般来说，该有源光源是直接耦合到微透镜阵列50的半导体二极管激光器。最好，该光源阵列60包括被称为VCSEL的垂直空穴表面发射激光的阵列。另外，该阵列60可以包括一个无源设备的阵列，例如把光束耦合到微透镜阵列50的光输出光纤或光学微镜面。我们使用术语“无源”和“有源”的含义是有源设备把电信号转换为光信号，相反，无源设备不进行这样的转换(例如，后者是示例的光波导或光束转向器)。
感光器71的阵列70可以类似地包括例如光检测器这样的有源设备的阵列或者例如输出光纤、分光器或微镜面这样的无源设备的阵列。
一个光路由器是这种阵列的一个重要的子系统应用。例如，在一个典型的路由器中，该光源阵列60包括一个光纤阵列，在其输入端耦合到一个激光器阵列的光纤阵列，并且在其输出端耦合到微透镜阵列50。该被准直的光束(例如，64)被转向到公知的微镜面阵列，其执行光束转向功能。在已经被该微镜面阵列所转向之后，该光束被耦合到另一个微透镜阵列，其把该光束重新聚焦到光输出光纤的阵列的输入端。
补偿方法
如上文所述，由于几个原因，常规的微透镜阵列通常不把该光束的最佳耦合提供到光线(或者其他光接收器)。首先，由于有限的制造公差，该微透镜曲率在透镜之间互不相同。这些曲率变化导致焦距变化，然后导致在输出光纤中的光束直径变化。其次，对于不同的路径，在不同输入和输出光纤对之间的光路长度改变，这导致输出光纤的光束直径的变化。
根据本发明另一个方面，我们提供一种补偿在上述类型的阵列中的各个微透镜装置的不同装置之间的光学参数(例如，有效焦距)的变化。我们的补偿方法包括：(a)确定在该阵列中的第一装置具有与标准数值不同的参数值；以及(b)把一个电信号施加到所述第一装置的所述MEMS控制器，从而使得所述第一装置的控制器执行所述机械动作，使得所述第一装置的所述参数的数值更加接近于所述标准数值。在本发明的这一方面的示意实施例中，该机械动作改变在第一装置中的一对微透镜之间的垂直间隔、水平间隔和/或倾斜。
当然，相同的方法可以应用于多个装置，其具有与至少一个其他装置不同的数值。
另外，该光学参数的标准数值可以是该参数的一个预定数值，即(1)存在于该阵列的特定第二装置中，或者(2)存储在一个计算机中，对不满足该标准的那些装置进行调节。
根据该应用，我们设想随着时间变化执行多次调节(在工厂中或者在现场)，或者在单次调节之后固定该可移动微透镜(在工厂中)。后者例如可以被用于优化在一个组装路由器(或交换机)中的聚焦系统，然后把所有可移动微透镜定位。
接着将描述制造图12、14和33中所示类型的复合微透镜装置的两种方法。在该相应的文字中，仅仅通过示例的方式提供各种材料、尺寸和工作条件，除非明确声明，这些内容不是对本发明的范围的限制。
制造方法1
下文所述的制造技术描述用于制造图13或14中所示类型的可调节复合微透镜装置的制造流程图。我们将描述活动(可移动)透镜、固定透镜和MEMS的制造，以及各种部件的组合。该技术描述这种装置的一个阵列，但是如果需要的话，该阵列可以被分块或者分离为独立的装置。
                         活动透镜
下面结合图3-9描述该活动微透镜的制造。
如图3中所示，用于制造该活动微透镜的原材料是半导体上硅(silicon-on-insulator(SOI))晶片80，其中包括：埋在下层硅区(或基片)82与上层硅区(或层面)83之间的SiO2层81。SOI晶片是众所周知的，其例如被用于制造先进的IC，以及MEMS，尽管大块硅晶片可以被使用来取代SOI晶片，但是该工艺复杂得多，具有较小的处理容限。可以使用由其他材料所制造的晶片(例如，熔融石英、石英、氧化锌或者甚至是塑料)或其他半导体(例如SiGe)。
该开始步骤是在该SOI晶片上制造基本上为圆形的阵列(顶视图)活动微透镜84(图4)。通常，这些微透镜通过在该晶片之上创建半球掩膜85，以及把它们的形状转印到上层硅层83上而制造(图3)。在此具有多种公知的方法来创建这种形状的掩膜。通常，通过形成多个基本上为圆柱形的掩膜(未示出；对于每个活动微透镜各有一个)，它们的圆柱轴基本上与该晶片的上表面相正交。这些掩膜通过标准光刻技术在一个聚合物[例如，光刻胶(PR)]层中形成。然后，该圆柱形的PR掩膜通过公知的技术来形成，例如包括在升高的温度下进行烘烤和/或把它们暴露于一种溶剂之下。大部分方法把该圆柱形掩膜转换为基本上为半球形的掩膜84(图3)。一旦该掩膜形状被转印到上层硅层83，则根据蚀刻条件(例如，腐蚀剂类型和强度；腐蚀时间和温度)获得球面或非球面的微透镜84(图4)。
另外，该掩膜材料可以由玻璃所制成，其在升高的温度下改变形状。
该掩膜材料85和上层硅层83然后被一同蚀刻，以形成图4中所示的微透镜84。该透镜孔径a、透镜垂度s被设计为适合特定的应用。例如，如果由本申请所指定的该微透镜孔径为0.4mm，并且所需的焦距为0.4mm，则对于球面微透镜来说该垂度为20.4μm(使用对于硅的折射率n＝3.48)。
在一个示意的蚀刻处理中，使用基于Cl2的化学物质用于该腐蚀剂，硅的腐蚀速度比基于酚醛清漆(novolac)的光刻胶(nPR)掩膜的腐蚀速度快1.3倍(Novolac，也被称为novolac，是一种公知的苯酚甲醛树脂)。因此，在nPR中的目标的垂度高应当为15.7μm。在一个示意的光刻胶流动处理中，在nPR中的微透镜垂度比覆涂的nPR厚度大1.8倍。基于体积守恒的简单计算表明具有孔径(直径)a的一个圆柱在被转换为一个微透镜时导致大约为初始高度的两倍的垂度。但是，由于一些稠化作用，在该nPR中的垂度被大约减小10％，产生1.8的数值。根据这些计算，在回流之前对于nPR厚度的目标是8.7μm。
通过该流动处理所获得的掩膜形状基本上为半球形，如图3中所示。该蚀刻处理对形状具有一些影响，但是对于上述尺寸，相对于球形的偏差最小，并且为了所有实用的目的，该Si微透镜84的弯曲表面(图4)为球形(基本上等于硅的腐蚀速率，并且PR保持球形；但是，对于在上述例子中的尺寸来说偏移较小)。一旦在整体上消耗该PR，则即使蚀刻处理继续进行，该微透镜的形状也保持不变(实际上，最好执行过蚀刻处理以保证从整个晶片上完全除去PR)。在上层硅层83中，位于相邻微透镜之间的其余区域83a(图4)将被用于形成根据本发明一个实施例的弯曲弹簧，几个微米厚度(高度)的弹簧是适当的。例如，如果所需弹簧高度为5微米，该硅区83a的初始厚度应当略大于25.4微米(该透镜垂度和弹簧厚度之和)。由于这些处理的特征影响该弹簧常数，因此在形成该弹簧的蚀刻步骤中的一致性和控制是重要的。
现在转到图5和6，其中(在几个附加处理步骤之后)示出图4的圈住部分的分解视图。这些图示出如何形成用于各个微透镜的弹簧(在下文中，我们仅仅描述单个微透镜装置的制造，应当知道该处理也可以应用于一个阵列的制造)。用于这部分处理的掩膜为PR、共形硬膜(例如SiO2)或者这两者的结合。如果仅仅使用一个PR掩膜，则其应当足够厚以在整个蚀刻处理过程中覆盖该微透镜。简单的计算表明如果该PR流动产生一个平整的型面，这是一个极端情况，则其厚度应当大体上为25μm。相反，如果仅仅使用一个SiO2硬掩膜，则其厚度应当为至少1μm(假设，Si∶SiO2的蚀刻速率比为5∶1)。这种硬掩膜通过常规的干法蚀刻(例如，等离子体蚀刻)技术来构图，该PR然后被剥离，并且该SiO2在硅区83a的蚀刻过程中作为该掩膜。最后，如果在硅区83a的蚀刻过程中使用PR层86和硬掩膜87的组合，则可以有利地使用较薄的PR层和硬掩膜SiO2。
该PR接着使用标准的光刻技术来构图，以形成曲折的开孔86a，并且使用一种干法蚀刻工艺来把该图案转印到硅区83a上(在图5中仅仅示出它们的截面)。在剥离PR之后，获得在图6中所示的结构。该曲折弹簧被指定为88。该图表明为何SOI晶片是优选的原材料；也就是说，掩埋氧化物层81在上述弹簧形成步骤中以及在用于形成空穴89(图8)的后续步骤中作为一个阻蚀层，如上文所述。
如图8中所示，该装置的下一个制造阶段涉及形成在微透镜84之下的空穴89，其允许由弯曲弹簧88悬置该微透镜。如图7中所示，该第一步骤是用相对较厚的PR层90来覆盖该微透镜的上表面，其保护该微透镜的上表面，并且提供PR层的平整上表面90a。在该蚀刻处理过程中(例如，产生热量的等离子体蚀刻)，通过把该晶片用一个夹盘来夹持而冷却该晶片。使用氦气来提供该晶片和夹盘之间的热接触。该平整表面90a在减小氦泄漏到该蚀刻腔内的速率方面是有利的。该PR层90的厚度在该处理阶段中至少为50μm。
在已经用PR层90保护该微透镜之后，该晶片被反转，并且使用一个PR层91通过光刻来限定一个开孔89，如图7中所示。该构图的PR层91应当至少为20μm厚，以便于把底部硅层82蚀刻到大约700μm的深度。一般来说，用于该步骤的腐蚀剂为基于SF6的，并且实现至少50∶1的Si∶PR蚀刻速率选择性。
该蚀刻步骤的一致性以及蚀刻Si相对于SiO2的选择性决定在SOI晶片中的掩埋SiO2层81的厚度。在该步骤中的±5％的蚀刻一致性转换为在该晶片上的±10％的蚀刻速率偏差。该偏差意味着在该晶片的一些区域中，形成空穴89的蚀刻步骤可能暴露该SiO2层81(从底部暴露)，而在其他区域中，相同的蚀刻步骤可能保留埋在层82下方大约70μm的剩余硅之下的层81。图7的结构然后被暴露于干法蚀刻之下(例如，等离子体蚀刻)，直到任何剩余的硅被除去为止。为了说明的目的，如果我们假设在该步骤中Si∶SiO2的蚀刻速率选择性至少为100∶1，则该掩埋SiO2层81应当至少为0.7μm厚。但是，一个稍微更厚的层面(至少为1μm)最好用于在该蚀刻步骤中提供安全容限。
在该干法蚀刻处理之后，PR层90和91被剥离，导致图8中所示的结构。接着，一种适当的腐蚀剂(例如，HF溶液)除去图8中所示的SiO2层81和87。
然后，如图9中所示，防反射涂层(ARC)92和93被淀积在该微透镜84的顶部和底部表面。每个ARC例如可以为具有等于工作中央波长的厚度的单层绝缘材料(例如Si3N4)或者被设计为在宽波长范围上提供低反射率的多层绝缘结构。
请注意，在此图9的活动微透镜包括一个支承结构或衬垫102，其将使得该活动微透镜被悬置在该固定微透镜之上。该支承结构102形成一个空穴89，该固定透镜凸进该空穴，如图13中所示。
尽管该支承结构可以采用各种几何形状，但是一种最简单的形状是方形(在图1的顶视图中示出)，其容易使一个圆形的微透镜(在顶视图中)被置于其中。
                        固定透镜
下面结合图10-12描述该固定透镜和与其相关的电极的制造。
在图10中所示的固定微透镜94可以从一个标准半导体晶片(例如，硅)来制造；不需要一个SOI晶片。但是，原则上，还可以使用其他材料(例如，熔融石英、石英、光学玻璃、氧化锌或者甚至是塑料)或其他半导体(例如SiGe)。
假设使用一种标准硅晶片98，则用于形成微透镜94的半球形状的初始步骤类似于结合图3和4描述的用于形成活动微透镜84的步骤。在这一点，该晶片98的背面被抛光(如果该标准硅晶片具有粗糙的背面的话)并且ARC涂层95和96被分别淀积在上下表面上。然后，一个牺牲层97(例如，200nm厚的SiO2)被淀积在顶部ARC95上。层97在下文中所述的蚀刻步骤中保护下层的ARC95。所获得的结构在图10中所示。另外，用一个保护层来覆盖底部ARC96可能也是有利的。
如图11中所示，为了开始围绕固定微透镜94的外围形成电极的处理，一个金属层99被首先淀积在该保护层97上。在金属淀积之后(例如，0.5μm厚的Al)，淀积一个PR层。该PR层通过标准的光刻技术来构图，以形成位于该固定微透镜94的外围的多个PR柱100。在图11的二维视图中仅仅示出两个柱子，但是在三维视图中，一般使用4个柱子，以随后形成四个电极，如图1中所示。相应的电极由图12-14中的数字101所表示。
接着，该被构图的晶片被腐蚀，以把该PR图案转印到金属层99，从而确定该电极101，如图12中所示。该步骤还被用于形成导体或布线(未示出)，以使得电信号被施加到该电极101(该可移动微透镜不需要相应的布线，因为它接地并且没有承载电流。一种导电的环氧树脂足以把该可移动微透镜与地相连接)。一个湿法蚀刻或干法蚀刻步骤然后被用于除去该保护层97，保留如图12中所示的结构。当使用Si3N4作为ARC95和96的材料，并且SiO2作为保护层97的材料时，适当的湿法蚀刻剂包括乙二醇/HF溶液或者乙二醇/BOE溶液。
                           组件
根据本发明一个实施例，该活动微透镜(图9)和固定微透镜(图12)被组装，以形成如图13中所示的装置。该组件包括一个支承结构(或衬垫)102，其形成在图8中，并且现在被置于两个透镜之间，以把该活动透镜84支承或悬置在固定微透镜94之上。它的高度足以在两个微透镜之间提供允许电调节其间隔和/或倾斜。
示意地，该支承结构包括半导体材料(例如，Si或SiGe)并且被一种粘合材料(例如，环氧树脂或聚酰亚胺)固定在该固定透镜的外围上。
在操作中，布线(未示出)把一个电压源耦合到所选择的一个底部电极101。相同的电压电平可以被施加到所有电极101，以便于仅仅更改两个微透镜之间的垂直间隔，或者不同电压电平可以被施加到不同电极101，以便于改变该活动(或可移动)微透镜的倾斜以及在两个微透镜之间的垂直间隔。另一方面，在图13中，该活动微透镜84和结构102相互不电绝缘。如上文所述，该活动微透镜和支承结构耦合到地电势源。
在图13的实施例中，两个微透镜的半球表面面对相同的方向，除了在微透镜12b的背面上的弯曲表面之外，类似于图1(b)的设计。另外，如图14中所示，该活动微透镜可以被翻转和安装，使得两个微透镜的半球表面相对，类似于图1(a)的设计。在该结构中，支承结构102(图13)可能不够高，以允许两个微透镜之间的适当分离。在这种情况中，另外的一个较高的支承结构103(图14)可以置于两个微透镜之间。该支承结构不需要由半导体材料所制成；一个适当的变形是可以用光刻确定的聚酰亚胺。
假设用于每个活动和固定微透镜的焦距是f1＝f2＝0.4mm，并且它们的垂直间隔d＝700μm，方程(1)给出图13或图14的装置的有效焦距为f12＝1.6mm。
制造方法II
下面描述用于制造图33中所示类型的优选可调节复合微透镜装置的处理流程。我们描述该活动(可移动)透镜、固定透镜和MEMS以及各种部件的组件的制造。该技术描述这种装置的一个阵列，但是，如果需要的话，它可以被分割或分为独立的装置。
尽管该制造技术略为复杂，但是导致具有比图13和14中所示的先前设计更大的优点。特别地，在图33的微透镜装置中，该活动透镜和支承结构的壁面相互绝缘，使得该活动透镜被通电，并且该壁面和固定透镜被保持在地电势。模拟表明该设计比先前的设计更好；也就是说，该新的设计具有较低的工作电压和较大的操作偏移。
另外，在方法II中包含第二阻蚀层解决与在方法I中的弹簧形成相关的控制问题。
                        活动透镜
下面结合图15-31描述制造更改的活动透镜的方法。
与方法I相关，该原材料是具有1μm厚度的掩埋SiO2层111的一个SOI晶片110，如图15的底部所示。该顶部Si层112的厚度应当近似等于在该活动微透镜结构中的弹簧的厚度。在方法I中，该厚度大约为5微米，但是由于方法II的蚀刻一致性的要求不太严格，因此可以使用更薄的顶部硅层112。层112还作为一个到各个活动微透镜的电导体，因此应当具有合理的高掺杂度(例如，在大约1016-1017cm-3的范围内，其足以提供适当的导电性，而不造成太大的光吸收)。
接着，该SOI晶片110被在两侧上氧化，以产生分别具有大约1μm厚度的SiO2层113和114。
如图15的上部分所示，第二晶片115(不是SOI，而是大块的硅)被氧化以形成一个SiO2层116[尽管该步骤还可以在大块晶片115的上表面上形成一个氧化层(未示出)，但是这种氧化层的存在不是必要的，因为最终该上表面将被研磨和抛光]。该氧化的SOI和大块硅晶片通过把氧化层113和116的暴露表面接合在一起而连接。该结合的氧化层由图16中的参考标号117所表示(尽管未在图16中示出，但是实际上层117的厚度约等于层113和116的厚度之和)。在这些层面的结合完成之后，该大块硅晶片115的上表面被研磨和抛光，以形成一个顶部硅层115a(图16)，其中将形成该活动微透镜。因此，层115a的厚度应当具有约比所需的微透镜垂度大0.5μm的厚度。在方法I中，该垂度被示出为大约25.4μm，这还可以应用于方法II。相应地，该层115a的总厚度应当大约为26μm。
图16中所示的结构被称为双SOI。这种晶片还可以从市场上获得，例如从在法国的Bernin和美国马萨诸塞州的皮博迪具有分部的Soitec公司获得。
接着，使用标准光刻和蚀刻技术对在该晶片背面上的氧化层114进行构图(图17)，以形成圆形开孔118。每个开孔最终与一个活动微透镜对齐并且具有比该微透镜孔径略小的直径。使用方法I的示意图，其中该孔径为0.4mm，我们估计该开孔118的直径应当大约为0.38mm。
在这一点，按照在方法I中所述的方式使用半球形状的PR掩膜(图18)把该活动微透镜119(图19)形成在硅层115a中，指示该微透镜119与在该晶片的背面上的开孔118相对齐。
然后把一个ARC121淀积在如图20中所示的微透镜119上。如上文所述，具有1/4波长厚度的一个Si3N4层可以被用于该ARC。一个大约200nm厚的保护SiO2层122被淀积在该ARC121上。
下一个步骤使得各个透镜相互绝缘。为此，通过光刻在保护层122上形成一个被构图的PR层123。该PR层应当足够厚以在该蚀刻处理过程中保护该微透镜(即，该蚀刻除去在PR的开孔中暴露的Si/SiO2材料)。在最坏的情况中，其中该PR层平整该晶片，如上文所述，该PR层应当至少为26μm厚(实际上，在大多数情况中不能获得完全的平整度，并且还可以使用非常薄的PR)。在该构图的PR中的开孔124暴露在相邻微透镜之间的区域。这些区域被蚀刻到硅层115b中，剩下被每个微透镜119所分离的在氧化层117的片断117a的顶部117a，如图21的结构所示。实际上，这些蚀刻步骤除去在暴露区域中的如下层面：保护层122、ARC121、硅层115a和SiO2层117。
在已经隔离各个活动微透镜之后，一个大约500nm厚(确切的厚度并不重要并且可以根据不同的应用而改变)的掺杂的多晶硅(或者无定型硅)层125被淀积在整个晶片上(图22)。层125然后被蚀刻以形成衬垫126(图23和24)，其将最终提供与下层的硅层115b的电连接。在顶视图中，该衬垫形成一个包围该活动透镜的环面。图24示出图23中由虚线矩形所圈住的独立活动微透镜的分解视图。
如图25中所示，该处理的下一个部分涉及硅层115b的光刻构图和蚀刻。该被构图的硅具有双重目的：它形成到每个活动微透镜的电路(布线)，并且它作为该弯曲弹簧材料。
接着，将在该晶片的背面打开一个空穴128(图28)。该空穴具有沿着微透镜119的光轴前后设置的两个部分：较窄部分128a(图28；对应于图24-26中所示的开孔118的宽度)以及较宽部分128b(图28；对应于图26中所示的开孔131的宽度)。该空穴用将结合图26和27所述的多个步骤来执行。
首先，分别在该晶片的顶部和底部上淀积较厚的PR层129和130(图26)。如上文所述，该顶部PR层129应当足够厚，以提供一个平整的表面，这使得该晶片被置于一个蚀刻工具的夹盘中。然后，在该晶片的底部的PR层130被光构图，以形成一个开孔131，该开孔足够宽以包围该微透镜119和其弹簧127(图26)。
其次，如图27中所示，在氧化层114中的开孔118被用于形成较窄的空穴部分128a；即，使用对于Si∶SiO2具有大于100的蚀刻速率选择性的基于SF6的腐蚀剂与一个1μm厚的氧化掩膜相结合从该晶片(硅区110a)的背面蚀刻大约100μm厚的硅。
第三，该氧化层114的剩余暴露部分114a被蚀去，并且硅区110a的深蚀刻重新开始，直到该掩埋氧化物层111的中央部分111a被暴露出来为止(图28)。该深蚀刻步骤形成较宽的空穴部分128b，并且把较窄的空穴部分128a的形状向上平移，直到与掩埋氧化物层111的中部111a相邻。
在该空穴形成处理暴露在每个微透镜下方的掩埋氧化物层111的中部111a之后，该部分被蚀去(图29)，以避免在该光路中具有多个反射表面。然后，该Si层112的暴露中部112a被除去(例如，再次使用基于SF6的腐蚀剂)，以产生如图30中所示的结构。该步骤再次暴露氧化物，但是此时是暴露该氧化层117的中部117a。
在此时，该PR被剥离，并且释放该微透镜；也就是说，如图30和31中所示，该掩埋氧化物层111的外围部分111b(在该弹簧127之下)和氧化层117的中部117a(在该微透镜119的底部)被蚀去，如图31中所示。最后，ARC132被淀积在微透镜119的底部(并且附加在其他背表面上)具有与在该微透镜的上侧形成的ARC121类似的厚度要求。图31示出由弹簧127从支承结构133弹性悬置的活动微透镜的最终形式。
                        固定透镜
用于制造固定微透镜134的处理(图32)类似于在方法I中所述的处理，但是没有用于形成该电极101(图12-14)的金属层99(图11)。在该ARC135和136被分别淀积在其上侧和背侧之后，该微透镜134在图32中示出。
方法II的固定微透镜134比方法I的相应微透镜94更加容易制造，因为前者仅仅需要一个光刻步骤(与方法I中的两个步骤相比)并且不需要淀积氧化物和金属来形成该电极。
                          组件
活动微透镜119和固定微透镜134然后通过把支承结构133安装在如图33中所示的固定微透镜的外表面上而组装。一般来说，该支承结构133被通过适当的粘合材料固定到外围表面上(例如，环氧树脂或聚酰亚胺)。
在该设计中，该支承结构的固定微透镜134和壁面被耦合到地电势源，而活动微透镜119被通电(即，耦合到一个电压源)。
便于进行电连接的金属焊盘(未示出)可以通过使用经一个遮蔽掩膜中的开孔进行标准金属蒸镀而淀积在该组件的上表面上。另外，该焊盘可以通过如下处理来形成：在形成该衬垫之后的一个附加光刻步骤(图24)、金属层的蒸镀以及公知的剥离技术。
应当知道上述方案仅仅是代表本发明的原理的应用的许多具体实施例的示意说明。本领域的普通技术人员根据这些原理可以设想出各种其他方案，而不脱离本发明的精神和范围。具体来说，对于图13和14的装置，还可以从例如SiGe、熔融石英、石英、氧化锌或者甚至塑料这样的材料来制造。

Claims (10)

1.一种微透镜装置，其中包括：
第一和第二光学微透镜，其特征在于：
所述微透镜沿着它们的光轴相互分离，从而形成一个复合透镜；至少一个所述微透镜可相对于另一个微透镜移动；以及
所述装置进一步包括一个用于电控制所述至少一个可移动微透镜的位置的微电机结构控制器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述微透镜中的一个是可移动的，并且另一个是固定的，所述可移动的微透镜作为第一电极，所述微电机结构控制器包括由所述固定微透镜支承的结构，所述结构具有一个开孔，其中所述可移动微透镜被弹性地支承，并且还包括与所述固定微透镜相邻设置的多个第二电极，所述第一和第二电极相协作，以响应施加在所述第二电极和所述可移动微透镜之间的电信号而控制所述可移动微透镜的位置。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述微电机结构控制器包括连接在所述结构和所述可移动微透镜之间的弹性装置。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述固定微透镜基本上为圆形，并且所述第二电极基本上等间距地围绕所述固定微透镜的外围。
5.一种包括一个光学元件阵列的装置，其中每个所述元件包括根据权利要求1所述的装置。
6.一种用于补偿在光学装置的阵列中的第一光学装置的光学参数的变化的方法，每个所述装置包括(i)包含至少两个微透镜的复合微透镜，其中至少一个微透镜可以相对于另一个微透镜移动，以及(ii)微电机结构控制器，用于电控制所述至少一个可移动微透镜的位置，所述控制器响应施加到其上的电信号而产生机械动作，其中包括如下步骤：
(a)确定所述第一装置具有不同于标准数值的所述参数的一个数值；以及
(b)把一个电信号施加到所述第一装置的所述微电机结构控制器上，从而使得所述第一装置的控制器执行所述机械动作，该动作移动所述第一装置的所述至少一个可移动透镜，使得所述第一装置的所述参数的数值更加接近于所述标准数值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述标准数值是在第二装置中的所述光学参数的数值。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一和第二装置被包含在这样的装置的一个阵列中，并且步骤(a)包括确定多个所述装置具有与所述第二装置不同的所述参数数值。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述光学参数是一个装置的有效焦距，并且步骤(a)确定所述第一装置的有效光焦距不同于所述标准数值。
10.根据权利要求6所述的方法，其中在步骤(b)之后还包括把所有所述可移动透镜定位的附加步骤(c)。
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