CN1821829A - 制造微镜阵列的方法及制造具有微镜的光学装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造微镜阵列的方法及一种制造具有微镜的光学装置的方法。所述制造微镜阵列的方法包括：在基板上形成粘着层，并在粘着层上形成磁层；加工粘着层和磁层的图案；磁化磁层；在粘着层和磁层的每侧形成粘结层；将基板切割成各个单元，各个单元包括粘着层、磁层和粘结层；在基板的侧面形成镜表面以形成单元微镜结构；将单元微镜结构放置在支架上以形成微镜阵列。

Description

制造微镜阵列的方法及制造具有微镜的光学装置的方法
                        技术领域
本发明涉及一种制造具有微镜的光学装置的方法，更具体地讲，涉及一种制造具有微镜的光学装置的方法，其中，广泛地用作超小光学组件的微镜可被制造成具有高的精度。
                        背景技术
微镜是一种已经被广泛用于光学拾取装置或者光学通信系统等中的光学元件。具有光学拾取器的光学信息存储装置可将信息记录在光盘上和从光盘再现信息。
光学信息存储装置已经发展成减小光源的波长并增加物镜的数值孔径(NA)，从而使用光能可实现高记录密度。例如，用于CD的光学信息存储装置采用波长为780nm的光源和数值孔径(NA)为0.45的物镜，用于DVD的光学信息存储装置采用波长为650nm的光源和NA为0.6的物镜。
由于用户想要在便携式信息装置中使用光盘，所以已经迅速开发了超小光学拾取器。已经尝试使用半导体工艺制造光学拾取器。在传统的光学拾取器制造工艺中，当组装以几毫米为单位的光学组件时，需要花费相当长时间对光学组件之间的光轴进行调节，并且自动化率降低。然而，可使用半导体工艺制造晶片级的光学拾取器，从而可进行大规模生产，可制造小尺寸光学拾取器，并且可容易地执行组装和调节。
图1A到图1E示出使用半导体工艺制造微镜的传统方法。
参照图1A和图1B，硅锭相对于平面(100)的[011]方向被切割成具有9.74度的离轴角，从而形成厚度为500μm的硅晶10。参照图1B，在硅晶10侧面上的蚀刻掩模层11和12由SiO2或者SiNx形成。
参照图1C，使用光刻工艺在蚀刻掩模层11的一部分上形成蚀刻窗13。
参照图1D，其中形成有蚀刻窗13的硅晶10浸在保持在适当温度下的例如KOH或者TMAH的硅各向异性蚀刻溶液中，从而执行湿蚀刻。当湿蚀刻进行了预定时间时，如图1D所示，第一表面15a相对于硅晶10的下表面成约45度的倾斜角，并且第二表面15b相对于硅晶10的下表面成约64.48度的倾斜角。标号14表示硅晶10的被蚀刻的区域。
参照图1E，蚀刻掩模层11和12被去掉，然后硅晶10被切割，从而第一表面15a和第二表面15b被用作微镜。
微镜可被制造成晶片级，当使用具有长波长的光源或者蚀刻深度浅时，可达到所需的表面精度。然而，在图1A到图1E所示的制造微镜的传统方法中，当蚀刻深度为几百μm时，表面成形精度不可容易地被光学拾取器的传统光学组件中所需的成形精度代替。例如，当微镜被用于光学拾取器中时，被制造成微镜阵列，然后被切割成方块，因此在微镜阵列中发生破裂。当执行将微镜阵列粘结到光电二极管(PD)阵列的工艺时，微镜容易被破坏。
在使用蚀刻工艺制造具有阵列形状的大尺寸微镜的传统方法中，使用高纯度的大尺寸Si晶，需要严格地控制实验条件并且蚀刻晶片所需的时间约为8到10小时，这就造成微镜制造成本的增加。
                        发明内容
本发明提供一种制造微镜阵列的方法及制造具有微镜的光学装置的方法，在制造微镜阵列的方法中，简单地执行制造微镜的工艺和形成晶片级粘结层的光刻工艺，独立的微镜被精确地布置在期望的位置并被精确地且稳定地粘结到其它组件上。
根据本发明的一方面，提供一种制造微镜阵列的方法，所述方法包括：在基板上形成粘着层，并在粘着层上形成磁层；加工粘着层和磁层的图案；磁化磁层；在粘着层和磁层的每侧形成粘结层；将基板切割成各个单元，各个单元包括粘着层、磁层和粘结层。
基板可以是Si基板或者玻璃基板。
粘着层可包括Ta、Cr、Ru、Ti和Pt中的至少一种材料。
磁层可包括CoSm、CoPt、NdFeB、NiFe或者FePt中的至少一种材料。
根据本发明的另一方面，提供一种制造具有微镜的光学装置的方法，所述方法包括：准备支架，至少一个微镜单元放置在支架上，其中，微镜单元包括第一基板、第一粘着层、第一磁层、第一粘结层和镜表面；准备光电二极管阵列，光电二极管阵列包括磁化方向与第一磁层的磁化方向相反的第二磁层；通过第一磁层和第二磁层之间的磁力将微镜单元粘附到光电二极管阵列上；将支架与微镜单元分离；将微镜单元粘结到光电二极管阵列上；根据单元光学装置切割光电二极管阵列。
准备支架的步骤包括：在第一基板上形成第一粘着层，并在第一粘着层上形成第一磁层；加工第一粘着层和第一磁层的图案；磁化第一磁层；在第一粘着层和第一磁层的每侧形成第一粘结层；将第一基板切割成各个单元，各个单元包括第一粘着层、第一磁层和第一粘结层；在切割的基板的侧面形成镜表面以形成微镜单元；将微镜单元放置在具有多个凹槽的支架上。
准备光电二极管阵列的步骤包括：在第二基板上形成多个凹槽；在第二基板上形成第二粘着层，并在第二粘着层上形成第二磁层；加工第二粘着层和第二磁层的图案；在与第一磁层的磁化方向相反的方向上磁化第二磁层；在第二粘着层和第二磁层的每侧形成第二粘结层；
                        附图说明
通过参照附图对本发明示例性实施例的详细描述，本发明的上述方面和优点将会变得更加清楚，其中：
图1A到图1E示出使用半导体工艺制造微镜的传统方法；
图2A到图2G示出根据本发明实施例的制造微镜阵列的方法和结构；
图3A到图3F示出根据本发明另一实施例的制造光电二极管(PD)阵列的方法；
图4A到图4C示出将图2A到图2G示出的微镜阵列与图3A到图3E示出的PD阵列对齐并粘结的方法；
图5和图6表示微镜阵列粘结到晶片级SiOB并成形的光学拾取器。
                      具体实施方式
图2A到图2G示出根据本发明实施例的制造微镜阵列的方法。
参照图2A，使用例如溅射的工艺在Si或者玻璃基板21上形成粘着层22，磁层23形成在粘着层22上。粘着层22由例如Ta、Cr、Ru、Ti或者Pt的材料形成，从而形成在粘着层22上的磁层23充分地附于基板21上。磁层23可由例如CoSm、CoPt、NiFe、NdFeB或者FePt的铁磁材料形成。
参照图2B，在粘着层22和磁层23上执行例如光刻工艺和活性离子蚀刻(RIE)工艺、离子铣削工艺或者湿蚀刻工艺，从而将基板21的一部分暴露。在这种情况下，粘着层22和磁层23在基板21上保持均匀的间隔。粘着层22和磁层23的每个图案对应于一个单元微阵列成形区域。在这种情况下，可任意调节蚀刻区域和蚀刻宽度。
参照图2C，在粘着层22的蚀刻图案上的磁层23的磁化方向被对齐在预定方向上。因此，使用导磁体可将磁层23对齐。因为微镜阵列和光电二极管(PD)阵列可容易地互相粘结，所以磁层23的磁化方向被调整到预定方向上，稍后将描述微镜阵列和光电二极管。
参照图2D，粘结层24形成在粘着层22和磁层23的每侧。粘结层24使用例如Ti/Au金属形成。具体地，光刻胶(PR)被涂覆在基板21、粘着层22和磁层23上，从而形成PR层。其中将形成粘结层24的区域的光掩模位于基板21上，从光掩模的上部照射光，从而执行光刻工艺。接着，去掉光掩模，并显影出PR层，从而去掉将形成粘结层24的区域的PR层。使用溅射或者E束蒸发将例如Ti/Au的金属沉积，从而将将形成粘结层24的区域填充。接着，使用剥离(lift-off)工艺去掉光刻胶以分离PR层，从而粘结层24形成在粘着层22和磁层23的每侧，如图2D所示。
参照图2E，基于点划线区域执行切割工艺。即，基板21被分成粘结层24形成在粘着层22和磁层23的每侧上的结构。
参照图2F，使用抛光工艺在基板21的一侧形成第一镜表面21a。根据所使用的目的，可通过调节倾斜角来形成第一镜表面21a。例如，当第一镜表面21a用于光学拾取器时，需要约45度和64.48度的倾斜角，然后执行抛光。这样，可形成多个单元微镜。在图2F中，粘结层24围绕粘着层22和磁层23。可任意调节粘结层24的形状。具体地，粘结层24是这样一个区域，在所述区域中，粘结层24将被粘结到稍后将描述的晶片级硅光实验台(SiOB)。
参照图2G，多个在图2A到图2F中形成的微镜布置在支架25上。在这种情况下，微镜粘结在支架25上，而不是卡在支架25上。结果，可完成微镜阵列结构。
现在将参照图3A到图3F描述将被粘结到上述微镜阵列的光电二极管(PD)的制造方法。
参照图3A，使用光刻工艺和RIE工艺或者湿蚀刻工艺将与微镜将被粘结到其上的区域对应的凹槽形成在光电二极管阵列基板31上。
参照图3B，粘着层32和磁层33形成在基板31上。通过涂覆例如Ta、Cr、Ru、Ti或者Pt的材料形成粘着层32。可通过涂覆例如CoSm、CoPt、NdFeB、NiFe或者FePt的铁磁材料形成磁层33。
参照图3C，在粘着层32和磁层33上执行例如光刻工艺和活性离子蚀刻(RIE)工艺、离子铣削工艺或者湿蚀刻工艺，从而将基板31的一部分暴露。在这种情况下，粘着层32和磁层33在基板31上保持均匀的间隔。粘着层32和磁层33的每个图案对应于在图2A到图2G中示出的一个单元微镜。在这种情况下，蚀刻区域和蚀刻宽度对应于单元微镜的粘着层22和磁层23的尺寸。
参照图3D，在粘着层32的蚀刻图案上的磁层33的磁化方向被对齐在预定方向上。因此，使用导磁体可将磁层33对齐。磁层33的磁化方向与将被粘结的微镜的磁层23的磁化方向相反。
参照图3E，粘结层34形成在粘着层32和磁层33的每侧。粘结层34使用例如Ti/Au的金属形成。形成粘结层34的方法与图2D示出的形成粘结层24的方法相同。
参照图3F，粘着层32和磁层33分别形成在基板31的凹槽内，并且可看到围绕粘着层32和磁层33的并在其中形成粘结层34的阵列结构。在图3F中，粘着层32和磁层33形成在其中的凹槽被分别形成。然而，凹槽可形成为可包括一行的矩形。
现在将参照图4A到图4C描述将上述微镜阵列与PD阵列互相粘结的方法。
参照图4A，其中形成有第一镜表面21a和第二镜表面21b的微镜阵列被粘结到PD阵列上，从而磁层23对应于磁层33，并且粘结层24对应于粘结层34。在这种情况下，由于微镜阵列的磁层23和PD阵列的磁层33以相反的磁化方向而对齐，从而在其上作用引力。由于磁层23和33具有相反的极性，所以在其上作用引力，从而微镜阵列和PD阵列以小于亚微米的高精度互相粘结。参照图4B，其上布置有具有第一镜表面21a和第二镜表面21b的基板21的支架25被分离。参照图4C，利用磁力将每个微镜固定到PD阵列。接着，施加压力和热以将微镜和基板31持久地互相粘结，从而它们被共晶粘结。如图4C所示，基于点划区域进行切割工艺，可获得单元光学装置。
图5和图6表示光学拾取器的结构，其中，微镜阵列粘结到晶片级SiOB并成形。参照图5和图6，光学拾取器包括形成在作为光具座的基板31的一侧上的第一镜表面21a和第二镜表面21b。第一镜表面21a位于基板31的一侧上，在第一微镜表面21a上，从安装单元43的光源发出的光被反射，并通过光通过孔42b入射到信息存储介质。第二镜表面21b位于基板31的另一侧上，在第二镜表面21b上，从第一镜表面21a传输的反射光入射到主光电探测器44。
主光电探测器44接收从信息存储介质反射的光并检测例如在伺服驱动中使用的倾斜误差信号、聚焦误差信号或者循轨误差信号的误差信号和例如RF信号的信息再现信号。监控光电探测器45直接接收从安装单元43的光源发出的光的一部分并使用所述数量的光产生监控信号。
光路分离单元42a将从安装单元43的光源发出的并入射到信息存储介质的光的路径与从信息存储介质反射的光的路径互相分离。例如全息光学元件(HOE)的衍射光学元件或者衍射光学元件(DOE)可被用作光路分离单元42a。
现在将描述光学拾取器的操作。从安装单元43的光源发出的光从微镜21的第一镜表面21a反射并通过光通过孔42b入射到例如CD的信息存储介质。从信息存储介质反射的光通过光通过孔42b入射到微镜21的第一镜表面21a。从第一镜表面21a反射的光入射到第二镜表面21b并被主光电探测器44接收。因此，微镜21被精确地粘结到SiOB，从而精确地控制光路。根据本发明实施例的微镜阵列考虑到对齐表面而被形成，并可满足例如光学拾取器的光学元件的精度。
根据本发明，可获得下面的优点。首先，通过调节铁磁层的磁化排列而不需要形成单独的对齐标记(key)就可容易地将微镜阵列和光电二极管(PD)阵列互相粘结。其次，微镜阵列可被制造成具有晶片级的高精度，并且每个镜表面被单独地形成，从而与使用湿蚀刻的制造微镜阵列的传统方法相比，工艺时间很短。再次，当使用半导体工艺制造传统的微镜时，具有低表面精度镜表面的光学元件所使用的光源的波长的需要不能被满足。然而，根据本发明，单元微镜的精度可被控制，从而微镜可被用于蓝光光盘系统等。
虽然已经参照本发明的优选实施例具体地表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种变化。

Claims (11)

1、一种制造微镜阵列的方法，包括：
在基板上形成粘着层，并在所述粘着层上形成磁层；
加工所述粘着层和所述磁层的图案；
磁化所述磁层；
在所述粘着层和所述磁层的每侧形成粘结层；
将所述基板切割成各个单元，所述各个单元包括所述粘着层、所述磁层和所述粘结层；
在所述基板的侧面形成镜表面以形成单元微镜结构；
将所述单元微镜结构放置在支架上以形成微镜阵列。
2、如权利要求1所述的方法，其中，所述基板是Si基板或者玻璃基板。
3、如权利要求1所述的方法，其中，所述粘着层包括Ta、Cr、Ru、Ti和Pt中的至少一种材料。
4、如权利要求1所述的方法，其中，所述磁层包括CoSm、CoPt、NdFeB、NiFe或者FePt中的至少一种材料。
5、如权利要求1所述的方法，其中，所述支架包括凹槽，用来放置所述单元微镜结构。
6、一种制造具有微镜的光学装置的方法，所述方法包括：
准备支架，至少一个微镜单元放置在所述支架上，其中，所述微镜单元包括第一基板、第一粘着层、第一磁层、第一粘结层和镜表面；
准备光电二极管阵列，所述光电二极管阵列包括磁化方向与所述第一磁层的磁化方向相反的第二磁层；
通过所述第一磁层和所述第二磁层之间的磁力将所述微镜单元粘附到所述光电二极管阵列上；
将所述支架与所述微镜单元分离；
将所述微镜单元粘结到所述光电二极管阵列上；
根据单元光学装置切割所述光电二极管阵列。
7、如权利要求6所述的方法，其中，所述准备支架的步骤包括：
在所述第一基板上形成所述第一粘着层，并在所述第一粘着层上形成所述第一磁层；
加工所述第一粘着层和所述第一磁层的图案；
磁化所述第一磁层；
在所述第一粘着层和所述第一磁层的每侧形成第一粘结层；
将所述第一基板切割成各个单元，所述各个单元包括所述第一粘着层、所述第一磁层和所述第一粘结层；
在所述切割的基板的侧面形成镜表面以形成所述微镜单元；
将所述微镜单元放置在具有多个凹槽的支架上。
8、如权利要求6所述的方法，其中，所述准备光电二极管阵列的步骤包括：
在第二基板上形成多个凹槽；
在所述第二基板上形成第二粘着层，并在所述第二粘着层上形成所述第二磁层；
加工所述第二粘着层和所述第二磁层的图案；
在与所述第一磁层的磁化方向相反的方向上磁化所述第二磁层；
在所述第二粘着层和所述第二磁层的每侧形成第二粘结层。
9、如权利要求8所述的方法，其中，所述第一基板或者所述第二基板是Si基板或者玻璃基板。
10、如权利要求8所述的方法，其中，所述第一粘着层或者所述第二粘着层包括Ta、Cr、Ru、Ti和Pt中的至少一种材料。
11、如权利要求8所述的方法，其中，所述第一磁层或者所述第二磁层包括CoSm、CoPt、NdFeB、NiFe或者FePt中的至少一种材料。
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