CN1758073A - 微镜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微镜和一种制造微镜的方法。该微镜包括具有彼此面对的第一斜面和第二斜面的一硅衬底，和包括分别形成在第一斜面和第二斜面上的第一镜面和第二镜面的一覆盖层，其中，覆盖层反射光。

Description

微镜及其制造方法
技术领域
本发明涉及微镜及其制造方法。具体而言，涉及具有有着精确角度和形状的反射面的微镜，和通过在对硅进行各向同性的湿法刻蚀而形成的微镜的反射面上涂覆聚合物，并使用一个具有预定的角度和形状精度的模压制该聚合物，来制造微镜的方法。
背景技术
微镜可用于光学拾取器、光通信系统和光信息处理系统等。使用光学拾取器的光数据存储设备将信息记录到光盘上或从光盘上再现信息。与其他数据存储设备相区别，光盘具有可分配性、便携性、大容量、拷贝保护等优点。
为了通过将光能集中到一个很小的点上以实现高记录密度，记录信息到光盘和从光盘再现信息的光数据存储设备已经开发为减小光源的波长和增大物镜的数值孔径(NA)。例如，用于紧致盘(CD)的光数据存储设备，使用的光源的波长为780nm，物镜的数值孔径为0.45；用于数字多功能盘(DVD)的光数据存储设备，使用的光源的波长为650nm，物镜的数值孔径为0.6。
最近，随着便携式信息设备适配光盘潮流兴起，微型光学拾取器处于积极开发中。传统上，为了小型化光学拾取器和使用光学拾取器的光数据存储设备，通常通过减小光学元件的尺寸来减小光学系统的整体体积。然而，尺寸的减小有技术限制。考虑这种限制，人们尝试采用半导体制造工艺来制造光学拾取器。传统上，组装几毫米大小的光学元件时，必须使用大量的时间，逐个地对照光轴调整光学元件，自动化率低。然而，当采用半导体工艺制造光学拾取器时，可以在晶片级进行制造，因此，大量生产成为可能。另外，这种方法有利于小型化、组装和调整。
图1A至图1D为采用半导体工艺制造微镜的方法的各阶段的剖面图，该方法公开在美国专利公报No.2001/0048548中。
参照图1A，硅晶片10是通过相对于<111>方向离轴9.74°从(100)面切割硅坯料而制备得到的。硅晶片10厚度约500μm。刻蚀掩膜21和22在硅晶片10上的相反的两侧形成。
参照图1B，使用光刻法，在硅晶片10前表面上的刻蚀掩膜21中，形成刻蚀窗口23。
参照图1C，将具有刻蚀窗口23的硅晶片10放入保持在一合适的温度的例如KOH或TMAH的各向同性刻蚀剂，实现湿法刻蚀。湿法刻蚀预定时间后，相对于硅晶片10的底面分别成45°和64.48°斜角的表面被形成。标号12表示在刻蚀结束时出现的四个(111)晶面中的一个面。
参照图1D，去除刻蚀掩膜21和22后，硅晶片10被切割，以利用45°斜面11。
以上描述的微镜可以在晶片级制造，而且，当采用的光源为长波长，或者刻蚀深度浅时，能够获得满意的平面精度。然而，当刻蚀深度大于几百微米时，难于将表面形状精度降至λ/6之下，而这对于光学拾取器的光学元件通常是必需的，例如，运用制造微镜的常规方法，在采用405nm的短波长的蓝光光盘中，其表面形状精度要求低于大约70nm。为了制造高精度的微镜，应该使用高品质的硅晶片，其被向着精确的晶体方向切割，而且有着极低的杂质浓度。此外，由于诸如刻蚀剂的浓度、温度与搅动之类的刻蚀条件以及刻蚀装置都必须精密控制，所以制造成本自然而然增加了。
发明内容
本发明提供了具有精确镜面的微镜和在晶片级上制造该微镜的方法，其中所述微镜是通过在最初刻蚀的硅衬底的斜面上形成聚合物作为覆盖层而获得的。
根据本发明的一个方面，提供了一种微镜，其包括一硅衬底，其具有彼此面对的第一斜面和第二斜面；和一覆盖层，其包括分别在第一斜面和第二斜面上形成的一第一镜面和一第二镜面，其中，覆盖层反射光。
所述覆盖层可以由紫外线固化聚合物、热固聚合物或热塑聚合物形成。
所述第一和第二斜面相对于硅晶片的底面可以具有54.74°斜角。
或者，所述第一和第二斜面相对于硅晶片的底面可以分别具有45°和64.48°斜角。
所述第一和第二镜面中的至少一个相对于硅晶片的底面可以具有45°斜角。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造微镜的方法，其包括分别在一硅晶片的前表面和后表面上形成一第一刻蚀掩膜和一第二刻蚀掩膜；通过对所述第一刻蚀掩膜构图形成一刻蚀窗口，暴露硅晶片的一预定区域；通过穿过刻蚀窗口湿法刻蚀所述硅晶片，形成彼此面对的斜面；通过进行旋涂，在硅晶片上形成一聚合物层；通过将被附着到一衬底上的一模插入穿过刻蚀窗口并对聚合物层施加压力，形成一覆盖层，其包括彼此面对并分别对应所述斜面的镜面；从硅晶片上去除模；以及切割硅晶片，以形成独立的微镜。
所述硅晶片可以具有一(100)面，所述斜面相对于硅晶片的底面可以具有54.74°斜角，并且所述镜面相对于硅晶片的底面可以具有45°斜角。
或者，所述硅晶片可以具有一(100)面，并且可以在<111>方向上离轴9.74°，并且所述斜面相对于硅晶片的底面可以分别具有45°和64.48°斜角。
所述聚合物层可以使用紫外线固化聚合物形成；所述模和衬底可以用透光材料形成；并且所述覆盖层的形成可以包括，通过紫外线从上方照射在硅衬底上来固化聚合物层。
或者，所述聚合物层可以使用热固聚合物和热塑聚合物中的一种形成，并且所述覆盖层的形成可以包括，通过对其加热来固化聚合物层。
所述斜面的形成可以包括，去除第一和第二刻蚀掩膜，并且在硅晶片的后表面上设置一板；并且所述去除模的步骤可以包括，通过从硅晶片上去除所述板，将附着于所述板的聚合物层移去，从而在镜面之间形成一孔。
根据本发明，大量微镜在硅晶片上形成，因此，通过切割硅晶片，可以以较低的成本生产出大量的微镜
附图说明
参考以下附图，详细描述优选实施例，将使得本发明的以上与其他特点和优点更加明显。附图中：
图1A至图1D为制造微镜的常规方法的各阶段的剖面图；
图2为根据本发明的第一实施例的微镜的剖面图；
图3和图4为采用本发明的微镜的光学拾取器的示图；
图5为图2中所示微镜的变形的剖面图；
图6为根据本发明的第二实施例的微镜的剖面图；
图7图示了根据本发明第三实施例被用于制造微镜的模；
图8A至图8F为根据本发明第三实施例的微镜制造方法的各阶段的剖面图；
图9A至图9F为根据本发明第四实施例的微镜制造方法的各阶段的剖面图。
具体实施方式
以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例，其中同样的标号始终指示同样的元件。
图2为根据本发明的第一实施例的微镜的剖面图。具有(100)面的硅衬底40是湿法刻蚀而成的，因此形成彼此面对的第一斜面41和第二斜面42，具有54.74°的斜角。标号45指示在湿法刻蚀结束时出现的四个(111)晶面中的一个面。覆盖层50形成为使得第一镜面51和第二镜面52分别在第一斜面41和第二斜面42上形成。平面45可以覆盖一层与覆盖层50一样的材料。
第一和第二镜面51和52相对于硅衬底40的底面倾斜45°的角度。覆盖层50可以采用紫外线(UV)固化聚合物、热固聚合物或热塑性聚合物来形成。
图3和图4为采用本发明微镜的光学拾取器的示图。参照图3和图4，光学拾取器包括板状的光具座110，设置在光具座110上的切成方块的(diced)安装座122，和安装在安装座122上的光源125。另外，光学拾取器还包括透镜单元130、反射镜单元140和光学路径分离单元150。
光通孔113在光具座110中形成，以允许来自光源125的光通过。光源125发出的光，通过光具座110中的光通孔113，入射到数据存储介质100上。然后，光从数据存储介质100反射出来，通过光通孔113，入射到第一反射镜140a上。
主光电探测器115和监视光电探测器119置于光具座110的一侧。监视光电探测器119直接接收光源125发出的光的一部分，产生一监视信号，该信号指示光源125发出的光量。主光电探测器115接收从数据存储介质100反射出来的光，探测一数据再现信号(即射频(RF)信号)和至少一个误差信号(例如，聚焦误差信号、寻轨误差信号和/或方位调整误差信号)，用于伺服驱动。
透镜单元130收集发自光源125的光，并在数据存储介质100上形成一个光点。透镜单元130可以是折射透镜、衍射透镜或GRIN透镜。
反射镜单元140包括第一反射镜140a，其置于光具座110的一端，以将来自光源125的光反射通过光通孔113并入射到数据存储介质100上；和第二反射镜140b，其置于光具座110的相反的一端，用于将已经顺序地由数据存储介质100和第一反射镜140a反射的光反射到主光电探测器115上。根据第一实施例，包括第一和第二反射镜140a和140b的反射镜单元140可以用微镜替代。
光学路径分离单元150将从光源发出、入射到数据存储介质100的光的路径与从数据存储介质100反射的光的路径路分离。例如，光学路径分离单元1 50可以包括例如全息光学元件(HOE)或衍射光学元件(DOE)的光学元件。具体而言，通过传送发自光源125的光直接至数据存储介质100，和衍射从数据存储介质100反射出来的光，光学路径分离单元150将光路分离。从而，从数据存储介质100反射出来、被光学路径分离单元150衍射的光，与向数据存储介质100行进的光成斜角地入射到第一反射镜140a，并顺序被第一和第二反射镜140a和140b反射到主光电探测器115。
图5为图2中微镜的变形的剖面图。以下将省略对图2中已示出的相同元件的详细描述。参照图5，位于第一镜面51和第二镜面52之间的硅衬底40的底面覆盖了覆盖层50。底面的覆盖层50是在使用旋涂法形成第一镜面51和第二镜面52时形成的。当微镜用于光学拾取器中时，底面的覆盖层50可以保护光学拾取器不受外界的灰尘沾污。
图6为根据本发明的第二实施例的微镜的剖面图。硅衬底240被相对于<111>方向离轴9.74°从(100)面切割，并被湿法刻蚀，从而形成彼此相对并分别具有45°和64.48°斜角的第一斜面241和第二斜面242。标号245指示在湿法刻蚀结束时出现的四个(111)晶面中的一个面。覆盖层250形成为使得第一镜面251和第二镜面252分别在第一斜面241和第二斜面242上形成。平面245可以覆盖与覆盖层250一样的材料。
第一和第二镜面251和252相对于硅衬底240的底面分别倾斜45°和64.48°的角度。覆盖层250可以采用UV固化的聚合物、热固聚合物或热塑性聚合物来形成。
以下，将参照附图描述以晶片级大量制造微镜的方法的实施例。
图7图示了根据本发明的实施例用于制造微镜的模。模360布置并附着在衬底350上。每个模360都具有斜面，其斜角与制造在相反侧的微镜的镜面的一样。斜角可以为45°或45°和64.48°。衬底350和模360可以使用玻璃、硅、硬金属(hard metal)、金属等形成。
图8A至图8F为根据本发明第三实施例的制造微镜的方法的各阶段的剖面图。参照图8A，通过相对于<111>方向离轴9.74°从(100)面切割一硅坯料，制备硅晶片300。硅晶片300厚度约500μm。刻蚀掩膜301和302在硅晶片300上相反的两侧上形成。刻蚀掩膜301和302可以使用氧化硅或氮化硅形成。
参照图8B，使用光刻法，在硅晶片300前表面上的刻蚀掩膜301中，形成矩形形状的刻蚀窗口310。
参照图8C，通过将具有刻蚀窗口310的硅晶片300放入保持在一合适温度的例如KOH或TMAH的各向同性刻蚀剂中，实现湿法刻蚀。湿法刻蚀预定时间后，穿过刻蚀窗口310形成与硅晶片300的底面分别成45°和64.48°斜角的斜面311和312。虽然图中没有示出，从前面看到的平面是在湿法刻蚀结束时出现的四个(111)晶面中的一个。
参照图8D，覆盖层320在硅晶片300上形成。覆盖层320可以用聚合物，比如UV固化聚合物，旋涂而成。
参照图8E，带有大量模360的硅衬底350与硅晶片300对准，使得，每个模360对应硅晶片300上的一个刻蚀区，而且当模360插入对应的刻蚀区时，被施以压力。这里，模360的斜面角度与斜面311和312的一样。随后，紫外线从上面照射，从而固化了UV固化聚合物。
参照图8F，带有模360的硅衬底350从硅晶片300上移去。接下来，刻蚀掩膜302被移去。于是，分别具有斜角45°和64.48°的两个镜面321和322，分别在斜面311和312上形成。从而，大量的具有彼此面对的镜面321和322的微镜在硅晶片300上形成。当硅晶片300被切割时，可以产生大量微镜。根据切割位置，一或两个平面(图2中所示45)可能出现在镜面321和322之间，或两个镜面321和322可能被独立地彼此分开。另外，可以在带有微镜的硅晶片300被粘接到具有光学元件的硅晶片上之后进行切割，从而产生单独的光学元件。
图9A至图9F为根据本发明第四实施例的制造微镜的方法的各阶段的剖面图。参照图9A，通过沿(100)面切割一硅坯料，制备硅晶片400。硅晶片400厚度约500μm。刻蚀掩膜401和402在硅晶片400的相反两侧形成。刻蚀掩膜401和402可以使用氧化硅或氮化硅形成。
参照图9B，使用光刻法，在硅晶片400前表面上的刻蚀掩膜401内，形成矩形刻蚀窗口410。
参照图9C，将具有刻蚀窗口410的硅晶片400放入保持在一合适温度的例如KOH或TMAH的各向同性刻蚀剂中，实现湿法刻蚀。湿法刻蚀预定时间后，与硅晶片400的底面成54.74°斜角的斜面411和412形成。虽然图中没有显示，从前面看到的平面是在湿法刻蚀结束时出现的四个(111)晶面中的一个面。接下来，去除刻蚀掩膜401和402。
参照图9D，板470放置在硅晶片400的后表面上。覆盖层420在硅晶片400上形成。覆盖层420可以用聚合物，比如热固聚合物，旋涂而成。该热固聚合物可以是酚醛树脂或环氧树脂。
参照图9E，带有大量模360的硅衬底350与硅晶片400对准，使得每个模360对应硅晶片400上的一个刻蚀区，而且当模360插入对应的刻蚀区时，被施以压力。这里，模360可以在斜面411和412的每一个上形成一个45°斜角的平面。随后，覆盖层420被加热，从而固化。
参照图9F，带有模360的硅衬底350和板470从硅晶片400上移去。于是，具有45°斜角的两个镜面421和422，分别在斜面411和412上形成，并且在镜面421和422之间形成了孔“h”。结果，大量的具有彼此面对的镜面421和422的微镜在硅晶片400上形成。当硅晶片400被切割时，可以产生大量微镜。
在本发明的第四实施例中，使用了热固聚合物，但是本发明并不限制于此。例如，代替热固聚合物，热塑聚合物的粉末可以应用在硅晶片上并然后被热处理以制造微镜。当采用热固聚合物或热塑聚合物时，可以不使用透明的模和衬底。
根据本发明，微镜具有在经刻蚀的硅衬底的斜面上具有有着预定斜角的镜面的覆盖层。由于镜面的表面形状精度因模的精度而提高，本发明可以用于使用高精度微镜的光学拾取器。另外，根据本发明，通过在晶片级制造微镜，大量的微镜能够以低成本生产。
尽管已经参照本发明的示例性实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员会认识到，在本发明形式和细节上，可以进行多种变化，而不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范畴。

Claims (12)

1.一种微镜，其包括：
一硅衬底，其具有彼此面对的第一斜面和第二斜面；和
一覆盖层，其包括分别在第一斜面和第二斜面上形成的一第一镜面和一第二镜面，
其中，所述覆盖层反射光。
2.根据权利要求1所述的微镜，其中，所述覆盖层是由选自紫外线固化聚合物、热固聚合物和热塑聚合物组成的组的一种形成的。
3.根据权利要求1所述的微镜，其中，所述第一和第二斜面相对于所述硅晶片的底面具有54.74°斜角。
4.根据权利要求1所述的微镜，其中，所述第一和第二斜面相对于所述硅晶片的底面分别具有45°和64.48°斜角。
5.根据权利要求1所述的微镜，其中，所述第一和第二镜面中的至少一个相对于所述硅晶片的底面具有45°斜角。
6.一种制造微镜的方法，其包括：
分别在一硅晶片的前表面和后表面上形成一第一刻蚀掩膜和一第二刻蚀掩膜；
通过对所述第一刻蚀掩膜构图，形成一刻蚀窗口，暴露所述硅晶片的一预定区域；
通过穿过所述刻蚀窗口湿法刻蚀所述硅晶片，形成彼此面对的斜面；
通过进行旋涂，在所述硅晶片上形成一聚合物层；
通过将被附着到一衬底上的一模插入穿过所述刻蚀窗口并对所述聚合物层施加压力，形成一覆盖层，其包括彼此面对并分别对应所述斜面的镜面；
从所述硅晶片上去除所述模；以及
切割所述硅晶片，以形成独立的微镜。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述硅晶片具有一(100)面，所述斜面相对于所述硅晶片的底面具有54.74°斜角，并且所述镜面相对于所述硅晶片的底面具有45°斜角。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述硅晶片具有一(100)面，并且在<111>方向上离轴9.74°，并且所述斜面相对于所述硅晶片的底面分别具有45°和64.48°斜角。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述模具有分别与所述斜面相配的斜度，并且所述镜面相对于所述硅晶片的底面分别具有45°和64.48°斜角。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，所述聚合物层是使用紫外线固化聚合物形成的；
所述模和所述衬底是用透光材料形成；并且
所述覆盖层的形成包括，通过紫外线从上方照射在所述硅衬底上来固化所述聚合物层。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述聚合物层是使用热固聚合物和热塑聚合物中的一种形成的，并且
所述覆盖层的形成包括：通过对其加热来固化所述聚合物层。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述斜面的形成包括：去除所述第一和第二刻蚀掩膜，并且在所述硅晶片的后表面上设置一板；并且
所述去除模的步骤包括：通过从所述硅晶片上去除所述板，将附着于所述板的所述聚合物层移去，从而在所述镜面之间形成一孔。
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