DE102021206477A1 - Hermetically sealed optical projection assembly and method of making same - Google Patents
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Abstract
Eine optische Projektionsanordnung (10) umfasst eine erste Baugruppe (10-1), die auf einem gasdichten ersten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit einem an dem ersten Teilsubstrat (20-1) angeordneten, optoelektronischen Bauteil (30), wobei zumindest ein Teil der Sendestrahlung (32) des optoelektronischen Bauteils (30) eine Hauptabstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats (20-1) aufweist, einem gasdichten Abdeckungselement (38), das mit dem ersten Teilsubstrat (20-1) hermetisch gefügt ist, um eine hermetisch dichte Häusung für das optoelektronische Bauteil (30) bereitzustellen, wobei das Abdeckungselement (38) zumindest im Bereich der Hauptabstrahlrichtung ein für die Sendestrahlung transparentes Material aufweist, einer Linsenanordnung (40), die fest bzgl. des Abdeckungselements (38) angeordnet ist, zur Kollimation der Sendestrahlung (32) des optoelektronischen Bauteils (30), und einer Prisma-Anordnung (50), die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung (32) des optoelektronischen Bauteils (30) zu führen und an einer Auskoppeloberfläche (52) auszukoppeln, und ferner eine zweite Baugruppe (10-1), die auf einem zweiten Teilsubstrat (20-1) angeordnet ist, mit einer MEMS-Spiegelanordnung (60) mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (62), wobei die Prisma-Anordnung (50) und die MEMS-Spiegelanordnung (60) geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung (32) unter einem Einfallwinkel β auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement (62) trifft, wobei der Einfallwinkel β im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements (62) in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt.An optical projection arrangement (10) comprises a first assembly (10-1), which is arranged on a gas-tight first partial substrate (20-1), with an optoelectronic component (30) arranged on the first partial substrate (20-1), wherein at least part of the transmission radiation (32) of the optoelectronic component (30) has a main emission direction in a range of ± 30° to a vertical of the first partial substrate (20-1), a gas-tight cover element (38) which is connected to the first partial substrate (20 -1) is hermetically joined in order to provide a hermetically sealed housing for the optoelectronic component (30), the covering element (38) having a material that is transparent to the transmission radiation, at least in the area of the main emission direction, a lens arrangement (40) which is fixed with respect to of the cover element (38) is arranged for collimating the transmission radiation (32) of the optoelectronic component (30), and a prism arrangement (50) which is designed to the col to guide limited transmission radiation (32) of the optoelectronic component (30) and to decouple it on a decoupling surface (52), and also a second assembly (10-1), which is arranged on a second partial substrate (20-1), with a MEMS Mirror arrangement (60) with a movably suspended and deflectable MEMS-based mirror element (62), the prism arrangement (50) and the MEMS mirror arrangement (60) being arranged geometrically in relation to one another in such a way that the emitted transmission radiation (32) is at an angle of incidence β impinges on the movably suspended MEMS-based mirror element (62), the angle of incidence β in the idle state of the MEMS-based mirror element (62) being in a range between 30° and 50°.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hermetisch verkappte, optische Projektionsanordnung, wie z. B. ein optisches Projektionssystem in Form eines RGB-Scanners (RGB = Rot-Grün-Blau), und ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen hermetisch verkappten, optischen Projektionsvorrichtung.The present invention relates to a hermetically sealed optical projection assembly, such as. B. an optical projection system in the form of an RGB scanner (RGB = Red-Green-Blue), and further to a method for manufacturing such a hermetically sealed, optical projection device.
Gegenwärtige Systeme zur Vollfarbenprojektion sind vergleichsweise groß und eignen sich deshalb nur bedingt zur Integration in schlanke AR/VR-Brillen (AR = Augmented Reality, VR = Virtual Reality). So erfordert die Größe der Light Engine (= Lichtgenerator) und insbesondere deren Aufbauhöhe ein relativ großes, notwendiges Aufbauvolumen solcher optischen Projektionsvorrichtungen. Bei momentan eingesetzten Projektionssystemen werden beispielsweise individuell TO-gehäuste Laserdioden (TO = Transistor Outline), gemeinsam TO-gehäuste Laderdioden und/oder Laserdiodenaufbauten in Metall-Butterfly-Gehäusen eingesetzt.Current systems for full-color projection are comparatively large and are therefore only suitable to a limited extent for integration into slim AR/VR glasses (AR = Augmented Reality, VR = Virtual Reality). The size of the light engine (=light generator) and in particular its structural height requires a relatively large structural volume of such optical projection devices. In currently used projection systems, for example, individually TO-housed laser diodes (TO=transistor outline), jointly TO-housed charger diodes and/or laser diode structures in metal butterfly housings are used.
Ferner finden blaue und grüne Laderdioden immer breitere Einsatzfelder, wobei beispielsweise blaue Laserdioden als Komponenten beim Auslesen hochdichter optischer Speichermedien (Blu-Ray) weit verbreitet und etabliert zur Anwendung kommen. Ferner zeichnen sich vielfältige weitere Anwendungen leistungsstarker blauer und grüner Laserdioden ab, wie beispielsweise etwa als RGB-Lichtquellen in mobilen Bild- und Videoprojektionen und in der medizinischen und biologischen Spektroskopie. Sowohl grüne als auch blaue Laserdioden werden momentan in speziellen TO-Headern (TO 38) mit einem integrierten optischen Fenster und einer Kupferwärmesenke hermetisch dicht gehäust, d.h. in einem Gehäuse verpackt bzw. verkappt).Furthermore, blue and green charger diodes are finding ever broader fields of application, with blue laser diodes, for example, being widely used and established as components for reading high-density optical storage media (Blu-Ray). Furthermore, various other applications of powerful blue and green laser diodes are emerging, such as RGB light sources in mobile image and video projections and in medical and biological spectroscopy. Both green and blue laser diodes are currently hermetically sealed in special TO headers (TO 38) with an integrated optical window and a copper heat sink, i.e. packed or encapsulated in a housing).
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine verbesserte optische Projektionsanordnung zu schaffen, die auch bei Verwendung einer Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauelementen, wie z. B. RGB-Laserdioden, einen kompakten Aufbau ermöglicht.The object on which the present invention is based is therefore to provide an improved optical projection arrangement which, even when using a plurality of optoelectronic transmission components, such as e.g. B. RGB laser diodes, a compact structure allows.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Herstellungsverfahren für solche verbesserte optische Projektionsanordnungen zu schaffen.The present invention is also based on the object of creating a corresponding production method for such improved optical projection arrangements.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Konzepts sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Advantageous refinements and developments of the concept according to the invention are the subject matter of the dependent patent claims.
Eine optische Projektionsanordnung umfasst eine ersten Baugruppe, die auf einem gasdichten ersten Teilsubstrat angeordnet ist, und eine zweite Baugruppe, die auf einem zweiten Teilsubstrat angeordnet ist.An optical projection arrangement comprises a first assembly, which is arranged on a gas-tight first partial substrate, and a second assembly, which is arranged on a second partial substrate.
Die erste Baugruppe umfasst ein an dem ersten Teilsubstrat angeordnetes, optoelektronisches Bauteil, wobei zumindest ein Teil der Sendestrahlung des optoelektronischen Bauteils eine Hauptabstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats aufweist, ein gasdichtes Abdeckungselement, das mit dem ersten Teilsubstrat hermetisch gefügt ist, um eine hermetisch dichte Häusung für das optoelektronische Bauteil bereitzustellen, wobei das Abdeckungselement zumindest im Bereich der Hauptabstrahlrichtung ein für die Sendestrahlung transparentes Material aufweist, eine Linsenanordnung, die fest bzgl. des Abdeckungselements angeordnet ist, zur Kollimation der Sendestrahlung des optoelektronischen Bauteils, und eine Prisma-Anordnung, die ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung des optoelektronischen Bauteils zu führen und an einer Auskoppeloberfläche auszukoppeln.The first subassembly comprises an optoelectronic component arranged on the first partial substrate, at least part of the transmission radiation of the optoelectronic component having a main emission direction in a range of ±30° to a vertical of the first partial substrate, a gas-tight cover element which is hermetically sealed to the first partial substrate is joined in order to provide a hermetically sealed housing for the optoelectronic component, the covering element having a material that is transparent to the transmission radiation, at least in the area of the main emission direction, a lens arrangement which is fixed with respect to the covering element, for collimating the transmission radiation of the optoelectronic component, and a prism arrangement that is designed to guide the collimated transmission radiation of the optoelectronic component and to couple it out at a coupling-out surface.
Die zweite Baugruppe umfasst eine MEMS-Spiegelanordnung mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement, wobei die Prisma-Anordnung und das MEMS-Spiegelanordnung geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung unter einem Einfallwinkel β auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement trifft, wobei der Einfallwinkel β im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt.The second assembly comprises a MEMS mirror arrangement with a movably suspended and deflectable MEMS-based mirror element, the prism arrangement and the MEMS mirror arrangement being arranged geometrically in relation to one another in such a way that the emitted transmission radiation hits the movably suspended MEMS-based at an angle of incidence β Mirror element meets, wherein the angle of incidence β is in the rest state of the MEMS-based mirror element in a range between 30 ° and 50 °.
Ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Projektionsanordnung umfasst folgende Schritte:
- Anordnen einer ersten Baugruppe auf einem gasdichten ersten Teilsubstrat, mit Anordnen eines optoelektronischen Bauteils an dem ersten Teilsubstrat, wobei zumindest ein Teil der Sendestrahlung des optoelektronischen Bauteils eine Hauptabstrahlrichtung in einem Bereich von ± 30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats aufweist, Hermetisches Fügen eines gasdichten Abdeckungselements mit dem ersten Teilsubstrat, um eine hermetisch dichte Häusung für das optoelektronische Bauteil bereitzustellen, wobei das Abdeckungselement zumindest im Bereich der Hauptabstrahlrichtung ein für die Sendestrahlung transparentes Material aufweist, Anordnen einer Linsenanordnung fest bezüglich des Abdeckungselements zur Kollimation der Sendestrahlung des optoelektronischen Bauteils, und Anordnen einer Prisma-Anordnung an dem Abdeckungselement, wobei die Prisma-Anordnung ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung des optoelektronischen Bauteils zu führen und unter einem ersten Winkel α bzgl. einer Auskoppeloberfläche des Umlenkprismas auszukoppeln, wobei der erste Winkel α in einem Bereich zwischen 20° und 40° liegt, und
- Arranging a first subassembly on a gas-tight first partial substrate, with arranging an optoelectronic component on the first partial substrate, wherein at least part of the transmission radiation of the optoelectronic component has a main emission direction in a range of ± 30° to a vertical of the first partial substrate, hermetic joining of a gas-tight Covering element with the first partial substrate in order to provide a hermetically sealed housing for the optoelectronic component, the covering element having a material that is transparent to the transmitted radiation at least in the area of the main emission direction, arranging a lens arrangement fixed with respect to the covering element for collimating the transmitted radiation of the optoelectronic component, and arranging a prism arrangement on the cover element, wherein the prism Arrangement is designed to guide the collimated transmission radiation of the optoelectronic component and decouple it at a first angle α with respect to a decoupling surface of the deflection prism, the first angle α being in a range between 20° and 40°, and
Anordnen einer zweiten Baugruppe auf einem zweiten Teilsubstrat, mit Anordnen einer MEMS-Spiegelanordnung mit einem beweglich aufgehängten und auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement auf dem zweiten Teilsubstrat, wobei die Prisma-Anordnung und die MEMS-Spiegelanordnung geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung unter einem zweiten Winkel β auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement trifft, wobei der Winkel β im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements in einem Bereich zwischen 30° und 50° liegt.Arranging a second assembly on a second sub-substrate, with arranging a MEMS mirror arrangement with a movably suspended and deflectable MEMS-based mirror element on the second sub-substrate, wherein the prism arrangement and the MEMS mirror arrangement are arranged geometrically to one another in such a way that the emitted transmission radiation impinges on the movably suspended MEMS-based mirror element at a second angle β, wherein the angle β lies in a range between 30° and 50° in the rest state of the MEMS-based mirror element.
Die erfindungsgemäße Realisierung der optischen Projektionsanordnung, z. B. als kompakte RGB-Scanner, ermöglicht beispielsweise eine Vollfarbprojektion von Daten und Bildern in AR/VR-Brillen und weiteren Anwendungen. Insbesondere kann die Lebensdauer der eingesetzten Halbleiterlichtquellen, insbesondere mit Wellenlängen kleiner 500 nm, aufgrund der Unabhängigkeit von der Umgebungsatmosphäre äußerst langlebig ausgelegt werden, da eine hermetische und organikfreie Gehäuseversiegelung eine gewünschte, vorgegebene, chemische Zusammensetzung der einmal eingestellten Arbeitsatmosphäre der Halbleiterlichtquellen gewährleisten kann. Durch das erfindungsgemäße Konzept kann eine geometrische Kompaktierung der gesamten optischen Projektionsanordnung (RGB-Scanner-Anordnung) mit einer integrierten MEMS-Spiegelanordnung in einem hermetisch versiegelten, optischen Gehäuse unter Vermeidung von organischen Fügewerkstoffen und mit Einbringung einer definierten Arbeitsatmosphäre realisiert werden.The inventive realization of the optical projection arrangement, z. B. as a compact RGB scanner, for example, enables full-color projection of data and images in AR/VR glasses and other applications. In particular, the service life of the semiconductor light sources used, in particular with wavelengths of less than 500 nm, can be designed to be extremely long-lasting due to the independence from the ambient atmosphere, since a hermetic and organic-free housing seal can ensure a desired, specified, chemical composition of the working atmosphere of the semiconductor light sources once it has been set. The inventive concept allows the entire optical projection arrangement (RGB scanner arrangement) to be geometrically compacted with an integrated MEMS mirror arrangement in a hermetically sealed optical housing while avoiding organic joining materials and introducing a defined working atmosphere.
So kann also erreicht werden, dass die gehäusten strahlungsemittierenden Bauelemente der optischen Projektionsanordnung eine lange Lebensdauer bei gleichbleibend guter Strahl- und Leistungsqualität aufweisen können. Insbesondere kann eine Beschädigung der Strahlaustrittsbereiche aus den Halbleiterlichtquellen verringert oder vollständig verhindert werden, die ansonsten durch Einwirken von Wasserdampf und flüchtigen organischen Komponenten und unter Einwirkung der extrem intensiven und energiereichen Laserstrahlung auftreten kann.What can thus be achieved is that the housed radiation-emitting components of the optical projection arrangement can have a long service life with consistently good beam and power quality. In particular, damage to the beam exit regions from the semiconductor light sources can be reduced or completely prevented, which damage can otherwise occur as a result of exposure to water vapor and volatile organic components and exposure to the extremely intense and high-energy laser radiation.
Darüber hinaus kann eine kompakte Bauteilgröße der optischen Projektionsanordnung insbesondere in Verbindung mit einem zusätzlich in der optischen Projektionsanordnung integrierten MEMS-Spiegelscanner-Anordnung erreicht werden, wobei parasitäre Impedanzen der elektrischen Anschlüsse vermindert und die Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse äußerst effektiv gestaltet werden kann.In addition, a compact component size of the optical projection arrangement can be achieved, in particular in connection with a MEMS mirror scanner arrangement additionally integrated in the optical projection arrangement, with parasitic impedances of the electrical connections being reduced and the heat dissipation from the housing being extremely effective.
Die vorliegende Erfindung basiert somit auf der Erkenntnis, eine optische Projektionsanordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für diese optische Projektionsanordnung bereitzustellen, wobei zumindest die optoelektronischen Bauelemente (Sende- und/oder Empfangs-Halbleiterbauelemente) hermetisch (= gasdicht) verkappt auf dem Substrat der Baugruppe angeordnet sind, um die Halbleiterlichtquellen in einer definiert eingestellten Arbeitsatmosphäre betreiben zu können, da durch die hermetische Verkappung eine organikfreie Gehäuseversiegelung für die Halbleiterlichtquellen erreicht werden kann.The present invention is thus based on the finding of providing an optical projection arrangement and a corresponding manufacturing method for this optical projection arrangement, with at least the optoelectronic components (transmitting and/or receiving semiconductor components) being hermetically (= gas-tight) encapsulated on the substrate of the assembly In order to be able to operate the semiconductor light sources in a defined working atmosphere, since the hermetic encapsulation can achieve an organic-free housing seal for the semiconductor light sources.
Ferner ermöglicht die Ausgestaltung der optischen Projektionsanordnung eine im Wesentlichen vertikale Strahlanordnung bzw. Strahlführung (= Abstrahlrichtung) der optoelektronischen Sendebauelemente bezüglich der Substratebene, wobei ferner eine MEMS-Spiegelanordnung mit einem beweglich aufgehängten und (mit einem Ansteuersignal) auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement mechanisch fest angekoppelt ist. Dabei kann die Spiegelplatte (Spiegelfläche) des MEMS-Spiegelelements beispielsweise im Ruhezustand (= im nicht ausgelenkten Zustand oder in der Nullstellung) parallel oder nur geringfügig verkippt zu der Substratebene ausgerichtet sein.Furthermore, the configuration of the optical projection arrangement enables a substantially vertical beam arrangement or beam guidance (= emission direction) of the optoelectronic transmission components with respect to the substrate plane, with a MEMS mirror arrangement with a movably suspended and (with a control signal) deflectable MEMS-based mirror element being mechanically firmly coupled is. The mirror plate (mirror surface) of the MEMS mirror element can be aligned parallel or only slightly tilted to the substrate plane, for example in the idle state (=in the non-deflected state or in the zero position).
Die erfindungsgemäße optische Projektionsanordnung ist beispielsweise als eine erste und zweite Baugruppe ausgebildet, die auf fest miteinander gekoppelten Teilsubtraten (Substratabschnitten) oder auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind, wobei die optische Projektionsanordnung als eine photonische Anordnung eine optische Mittelachse aufweist bzw. vorgibt, deren Mittelpunkt auf die bewegliche MEMS-Spiegelplatte des MEMS-Spiegelelements ausgerichtet ist. Die optische Projektionsanordnung weist beispielsweise eine oder eine Mehrzahl Halbleiter-basierter Lichtquellen auf, die an einem gasdichten, ersten Teilsubstrat angeordnet sind, und mit einem gasdichten Abdeckungselement, an dem ferner eine Linsenanordnung angeordnet ist, hermetisch dicht gehäust ist, und ferner eine Prisma-Anordnung (mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität).The optical projection arrangement according to the invention is designed, for example, as a first and second assembly, which are arranged on part substrates (substrate sections) that are firmly coupled to one another or on a common carrier substrate, with the optical projection arrangement having or specifying an optical central axis as a photonic arrangement, the center of which is on the movable MEMS mirror plate of the MEMS mirror element is aligned. The optical projection arrangement has, for example, one or a plurality of semiconductor-based light sources, which are arranged on a gas-tight, first partial substrate and are hermetically sealed with a gas-tight cover element, on which a lens arrangement is also arranged, and also a prism arrangement (with deflection and beam combination functionality).
Die zumindest eine hermetisch gehäuste Halbleiter-basierte Lichtquelle weist dabei eine vom Trägersubstrat (z. B. vertikal) wegzeigende Lichtaustrittsrichtung auf, wobei die an dem gasdichten Abdeckungselement angeordnete Linsenanordnung zur Kollimation der divergenten Strahlung der zumindest einen optoelektronischen Lichtquelle ausgebildet ist.The at least one hermetically housed semiconductor-based light source has a light exit direction pointing away from the carrier substrate (e.g. vertically), the lens arrangement being arranged on the gas-tight cover element is designed for collimating the divergent radiation of the at least one optoelectronic light source.
Das Umlenkprisma hat nun die Eigenschaft, die Sendestrahlung bzw. die verschiedenen Strahlen der Sendestrahlung (bei mehreren Sendebauteilen bei den unterschiedlichen Wellenlängen) der zumindest einen Halbleiterlichtquelle zu führen und unter einem Auskoppelwinkel (erster Winkel α) auszukoppeln, wobei die geführte Sendestrahlung (= ein einzelner Sendestrahl oder eine Kombination einer Mehrzahl von Sendestrahlen) des zumindest einen optoelektronischen Sendebauteils unter einem Einfallwinkel β auf die beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelplatte trifft.The deflection prism now has the property of guiding the transmitted radiation or the different beams of the transmitted radiation (in the case of several transmitting components at the different wavelengths) of the at least one semiconductor light source and decoupling them at a decoupling angle (first angle α), with the guided transmitted radiation (= a single Transmission beam or a combination of a plurality of transmission beams) of the at least one optoelectronic transmission component strikes the movably suspended MEMS-based mirror plate at an angle of incidence β.
Die MEMS-Spiegelanordnung kann beispielsweise von einer domartigen Glaskappe umgeben sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die domförmige Glaskappe der MEMS-Spiegelanordnung zur hermetischen Verkappung der MEMS-Spiegelanordnung und/oder als mechanischer Schutz von der Außenwelt (= Umgebungsatmosphäre) ausgebildet sein oder zusätzlich eine hermetische Abschirmung bereitstellen.The MEMS mirror arrangement can be surrounded by a dome-like glass cap, for example. According to one exemplary embodiment, the dome-shaped glass cap of the MEMS mirror arrangement can be designed to hermetically encapsulate the MEMS mirror arrangement and/or as mechanical protection from the outside world (=environmental atmosphere) or additionally provide hermetic shielding.
Durch diese strukturelle Anordnung der einzelnen Elemente der optischen Projektionsanordnung mit dem zumindest einen optoelektronischen Sendebauteil, der Linsenanordnung, der Prisma-Anordnung und der MEMS-Spiegelanordnung und deren geometrische Ausrichtung zueinander kann ein äußerst kompakter Aufbau mit einem geringen Aufbauvolumen der optischen Projektionsanordnung erhalten werden, wobei aufgrund der hermetischen (gasdichten) Verkappung des zumindest einen optoelektronischen Sendebauteils mit der Unterbringung in einer definiert eingestellten Arbeitsatmosphäre eine hohe Lebensdauer des zumindest einen optoelektronischen Bauteils und damit der optischen Projektionsanordnung erreicht werden kann.This structural arrangement of the individual elements of the optical projection arrangement with the at least one optoelectronic transmission component, the lens arrangement, the prism arrangement and the MEMS mirror arrangement and their geometric alignment with one another allows an extremely compact design with a small installation volume of the optical projection arrangement to be obtained, with Due to the hermetic (gas-tight) encapsulation of the at least one optoelectronic transmission component with accommodation in a defined working atmosphere, a long service life of the at least one optoelectronic component and thus of the optical projection arrangement can be achieved.
Erfindungsgemäß kann nun die gasdichte, hermetische Verkappung des zumindest einen optoelektronischen Sendebauteils in dem gasdichten Abdeckungselement mit der daran angeordneten Linsenanordnung erhalten werden, indem beispielsweise ein ebener optisch durchlässiger Deckel (Abdeckungselement) für ein verbessertes, gehäustes, strahlungsemittierendes Bauelement auf Waferebene hergestellt werden kann.According to the invention, the gas-tight, hermetic encapsulation of the at least one optoelectronic transmission component in the gas-tight cover element with the lens arrangement arranged thereon can now be obtained by, for example, producing a flat, optically permeable cover (cover element) for an improved, housed, radiation-emitting component at the wafer level.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Deckelsubstrats, z.B. zum Häusen eines oder einer Mehrzahl von optischen Bauelementen, folgende Schritte: Bereitstellen eines Formsubstrats, das einen strukturierten Oberflächenbereich mit einer Vertiefung aufweist, und eines Abdeckungssubstrats, das ein Glasmaterial aufweist; Verbinden des Abdeckungssubstrats mit dem Formsubstrat, um mittels der Vertiefung eine abgeschlossene Kavität zwischen dem Abdeckungssubstrat und dem Formsubstrat zu bilden; Tempern des Abdeckungssubstrats und des Formsubstrats, um die Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats zu verringern, und Bereitstellen eines Überdrucks in der abgeschlossenen Kavität gegenüber der umgebenden Atmosphäre, um basierend auf der verringerten Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats und dem Überdruck in der abgeschlossenen Kavität gegenüber der umgebenden Atmosphäre ein definiertes Auswölben des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats ausgehend von der abgeschlossenen Kavität bis zu einer von dem Abdeckungssubstrat beabstandeten Anschlagfläche zu bewirken, um ein geformtes Abdeckungssubstrat mit zumindest einem Deckelelement zu erhalten; und Entfernen des Anschlagelements und des Formsubstrats von dem geformten Abdeckungssubstrat, wobei das geformte Abdeckungssubstrat das Deckelsubstrat mit dem zumindest einen Deckelelement bildet.According to an exemplary embodiment, a method for producing a cover substrate, e.g. for packaging one or a plurality of optical components, comprises the steps of: providing a mold substrate having a structured surface area with a depression and a cover substrate having a glass material; bonding the cap substrate to the mold substrate to form a sealed cavity between the cap substrate and the mold substrate via the depression; annealing the cap substrate and the mold substrate to reduce the viscosity of the glass material of the cap substrate and providing a positive pressure in the sealed cavity relative to the surrounding atmosphere to based on the reduced viscosity of the glass material of the cap substrate and the positive pressure in the sealed cavity relative to the surrounding Atmosphere to bring about a defined bulging of the glass material of the cover substrate, starting from the closed cavity up to a stop surface spaced apart from the cover substrate, in order to obtain a shaped cover substrate with at least one cover element; and removing the stop member and the mold substrate from the molded cover substrate, wherein the molded cover substrate forms the cover substrate with the at least one cover member.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Deckelsubstrats, z.B. zum Häusen eines oder einer Mehrzahl von optischen Bauelementen, folgende Schritte: Bereitstellen eines Formsubstrats mit einem strukturierten Oberflächenbereich, der Vertiefungen aufweist, und eines Abdeckungssubstrats, das ein Glasmaterial aufweist; Verbinden eines zweiten Hauptoberflächenbereichs des Abdeckungssubstrats mit einem ersten Hauptoberflächenbereich des Formsubstrats, um mittels der Vertiefungen abgeschlossene Kavitäten zwischen dem Abdeckungssubstrat und dem Formsubstrat zu bilden; Tempern des Abdeckungssubstrats und des Formsubstrats, um die Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats zu verringern, um basierend auf der verringerten Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats ein Hineinfließen des Glasmaterials in die Vertiefungen zu bewirken, um ein geformtes Abdeckungssubstrat mit zumindest einem Deckelelement zu erhalten, und Entfernen des Formsubstrats von dem geformten Abdeckungssubstrat, wobei das geformte Abdeckungssubstrat das Deckelsubstrat mit dem zumindest einen Deckelelement bildet.According to an exemplary embodiment, another method for producing a cover substrate, e.g. for packaging one or a plurality of optical components, comprises the steps of: providing a molded substrate having a structured surface area which has depressions and a cover substrate which has a glass material; bonding a second major surface portion of the cap substrate to a first major surface portion of the mold substrate to form sealed cavities between the cap substrate and the mold substrate by means of the indentations; Annealing the cover substrate and the mold substrate to reduce the viscosity of the glass material of the cover substrate to cause the glass material to flow into the depressions based on the reduced viscosity of the glass material of the cover substrate to obtain a molded cover substrate with at least one cover element, and removing the molded substrate from the molded cap substrate, wherein the molded cap substrate forms the cap substrate with the at least one cap member.
Bei einer solchen Vorgehensweise zur Herstellung des optisch durchlässigen Deckels (als gasdichtes Abdeckungselement) wird ein Formsubstrat zum Ausformen von Deckelsubstraten mittels Glasfließverfahren genutzt, wobei optisch ebene, in der Höhe definiert abgesetzte Fensterbereiche in einem Glas-Deckelsubstrat hergestellt werden können. Mit diesem Glas-Deckelsubstrat (Abdeckungselement) können empfindliche Strahlungsquellen (Halbleiterlichtquellen) hermetisch dicht auf Wafer- und/oder Einzelsubstratebene verkappt werden. Das Glasfließverfahren erlaubt die Herstellung sehr glatter Glasoberflächen mit Rauigkeiten im Bereich von unter 5 nm.In such a procedure for producing the optically transparent cover (as a gas-tight cover element), a mold substrate is used to form cover substrates using a glass flow process, with optically flat window areas with a defined height offset being able to be produced in a glass cover substrate. With this glass cover substrate (cover element), sensitive radiation sources (semiconductors light sources) are hermetically sealed at the wafer and/or individual substrate level. The glass flow process allows the production of very smooth glass surfaces with roughnesses in the range of less than 5 nm.
So können mit heißviskosen Glasfließverfahren Abdeckungselemente zur Häusung von strahlungsempfindlichen Bauelementen, z.B. Halbleiterlichtquellen, vorteilhaft auf Waferebene mit deutlich vereinfachtem Aufwand hergestellt werden, wobei z. B. nur ein (einziges) Glasmaterial zur Herstellung des (gasdichten) Abdeckungselements eingesetzt wird. Nutzt man also ein Formsubstrat zum Ausformen von Abdeckungselementen (Deckelsubstraten) durch Glasfließverfahren, können eine große Anzahl von Abdeckungselementen (Glaskappen) mit gleichartig geformten Abmessungen ausgebildet werden, womit man empfindliche Halbleiterlichtquellen anschließend hermetisch dicht verkappen kann. Sofern Gründe der Aufbautechnik es erfordern, können diese geformten Glas-Abdeckungselemente auch vereinzelt werden und die Abdeckungselemente können für eine Einzelverkappung auf bestückten Trägersubstraten sowohl auf Wafer- wie auch auf Einzelsubstratebene eingesetzt werden.Covering elements for housing radiation-sensitive components, e.g. B. only a (single) glass material for the production of the (gas-tight) cover element is used. Thus, if a mold substrate is used to form cover members (cap substrates) by glass flow molding, a large number of cover members (glass caps) with similarly shaped dimensions can be formed, which can then be used to hermetically cap sensitive semiconductor light sources. Insofar as reasons for the assembly technology require it, these formed glass cover elements can also be separated and the cover elements can be used for individual encapsulation on assembled carrier substrates both at the wafer level and at the individual substrate level.
Somit kann erreicht werden, dass die gehäusten, strahlungsemittieren optoelektronischen Bauteile eine lange Lebensdauer bei gleichbleibend guter Strahl- und Leistungsqualität aufweisen. Insbesondere kann einen Eintrübung des Auslassfensters und eine Beschädigung der Laserfacetten verringert oder verhindert werden, da eine Einwirkung von Wasserdampf und von flüchtigen organischen Komponenten unter Einwirkung der extrem intensiven und energiereichen Laserstrahlung verringert oder verhindert werden kann. Zudem kann die Wärmeabfuhr aus dem Gehäuse verbessert werden. Ferner können niedrige Herstellungskosten erreicht werden.It can thus be achieved that the housed, radiation-emitting optoelectronic components have a long service life with consistently good beam and power quality. In particular, clouding of the exit window and damage to the laser facets can be reduced or prevented since exposure to water vapor and volatile organic components from exposure to the extremely intense and high-energy laser radiation can be reduced or prevented. In addition, the heat dissipation from the housing can be improved. Furthermore, low manufacturing costs can be achieved.
Bei einer weiteren möglichen Vorgehensweise zur Herstellung der Abdeckungselemente kann beispielsweise ein Formsubstrat zur Produktion von Deckelsubstraten mittels anodischem Bonden genutzt werden, wobei optisch ebene, in der Höhe definiert abgesetzte Fensterbereiche in einem Glas-Silizium-Deckelsubstrat hergestellt werden können, womit man empfindliche Strahlungsquellen anschließend hermetisch dicht auf Wafer- und/oder Einzelsubstratebene verkappen kann.In a further possible procedure for producing the cover elements, a mold substrate can be used for the production of cover substrates by means of anodic bonding, for example, in which case optically flat window areas with a defined height offset can be produced in a glass-silicon cover substrate, with which sensitive radiation sources can then be sealed hermetically can pack tightly at the wafer and/or single substrate level.
Gemäß einem weiteren möglichen Herstellungsverfahren können Deckelsubstrate mit den Abdeckungselementen mit ähnlichen Eigenschaften auch durch Glasfrit-Bondierung oder metallische Fügetechniken anstelle des oben angegebenem anodischen Bonden hergestellt werden.According to a further possible production method, cover substrates with the cover elements with similar properties can also be produced by glass frit bonding or metallic joining techniques instead of the anodic bonding mentioned above.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1a eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß einem Ausführungsbeispiel: -
1 b eine beispielhafte Ausführungsform der optischen Projektionsanordnung in einer Draufsicht gemäß dem Ausführungsbeispiel; -
1c-e eine beispielhafte Ausführungsform einer Prisma-Anordnung für die optische Projektionsanordnung in unterschiedlichen Ansichten gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 -8 weitere beispielhafte Ausführungsformen der Projektionsanordnung in einer Querschnittsansicht gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; -
9 ein beispielhaftes Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung der optischen Projektionsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
10 -12 beispielhafte Flussdiagramme zur Herstellung von (gasdichten) Abdeckungselementen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; -
13a-b beispielhafte Ausführungsformen für ein hermetisch gehäustes, optoelektronisches Bauelement gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; und -
14a-b beispielhafte Ausführungsformen für ein hermetisch gehäustes, optoelektronisches Bauelement gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
-
1a an exemplary embodiment of the optical projection arrangement in a cross-sectional view according to an embodiment: -
1 b an exemplary embodiment of the optical projection arrangement in a top view according to the exemplary embodiment; -
1c-e an exemplary embodiment of a prism arrangement for the optical projection arrangement in different views according to an embodiment; -
2 -8th further exemplary embodiments of the projection arrangement in a cross-sectional view according to further exemplary embodiments; -
9 an exemplary flowchart of the method for manufacturing the optical projection arrangement according to an embodiment; -
10 -12 exemplary flow charts for the production of (gas-tight) cover elements according to further exemplary embodiments; -
13a-b exemplary embodiments for a hermetically housed optoelectronic component according to further exemplary embodiments; and -
14a-b exemplary embodiments for a hermetically housed, optoelectronic component according to further exemplary embodiments.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte (mit gleichen Bezugszeichen) untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical elements, objects, function blocks and/or method steps that have the same function or have the same effect are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the Embodiments illustrated description of these elements, objects, function blocks and / or method steps (with the same reference numerals) is interchangeable or can be applied to each other.
In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Beschreibung eines Elements aus einem Halleitermaterial, dass das Element ein Halbleitermaterial aufweist, d.h. zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Halbleitermaterial gebildet ist. In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Beschreibung eines Elements aus einem Glasmaterial, dass das Element ein Glasmaterial aufweist, d.h. zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Glasmaterial gebildet ist.In the following description, the description of an element made of a semiconductor material means that the element has a semiconductor material, ie is formed at least partially or completely from the semiconductor material. In the following description, the Description of an element made of a glass material, that the element has a glass material, ie is formed at least partially or completely from the glass material.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).It should be understood that when an element is referred to as being “connected” or “coupled” to another element, it may be directly connected or coupled to the other element, or intermediary elements may be present. In contrast, when an element is said to be "directly connected" or "coupled" to another element, there are no intermediate elements present. Other terms used to describe the relationship between elements should be construed in a similar manner (e.g., "between" versus "directly between," "adjacent" versus "directly adjacent," etc.).
Zur Vereinfachung der Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele weisen die Figuren ein kartesisches Koordinatensystem x, y, z auf, wobei die Richtungen x, y, z orthogonal zueinander angeordnet sind. Bei den Ausführungsbeispielen entspricht die x-y-Ebene dem Hauptoberflächenbereich eines Trägers bzw. Substrats (= Referenzebene = x-y-Ebene), wobei die dazu vertikale Richtung nach oben bezüglich der Referenzebene (x-y-Ebene) der „+z“-Richtung entspricht, und wobei die Richtung vertikal nach unten bezüglich der Referenzebene (x-y-Ebene) der „-z“-Richtung entspricht. In der folgenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck „lateral“ eine Richtung parallel zu der x- und/oder y-Richtung, d. h. parallel zu der x-y-Ebene, wobei der Ausdruck „vertikal“ eine Richtung parallel zu der +/- z-Richtung angibt.To simplify the description of the different exemplary embodiments, the figures have a Cartesian coordinate system x, y, z, with the directions x, y, z being arranged orthogonally to one another. In the exemplary embodiments, the x-y plane corresponds to the main surface area of a carrier or substrate (= reference plane = x-y plane), with the vertical direction upwards relative to the reference plane (x-y plane) corresponding to the "+z" direction, and where the vertical downward direction with respect to the reference plane (x-y plane) corresponds to the "-z" direction. In the following description, the term "lateral" means a direction parallel to the x and/or y direction, i. H. parallel to the x-y plane, where the term "vertical" indicates a direction parallel to the +/-z direction.
Im Folgenden wird nun anhand der
So zeigt
Die optische Projektionsvorrichtung 10 umfasst nun beispielsweise eine erste Baugruppe 10-1, die auf einem gasdichten ersten Teilsubstrat bzw. einem gasdichten ersten Substratabschnitt 20-1 angeordnet ist, und eine zweite Baugruppe 10-2, die auf einem zweiten Teilsubstrat bzw. einem zweiten Substratabschnitt 20-2 angeordnet ist.The
Die erste Baugruppe 10-1 der optischen Projektionsanordnung 10 weist eine Sendeanordnung 30 mit (zumindest) einem an dem gasdichten ersten Teilsubstrat angeordneten, optoelektronischen (Halbleiter-basierten Bauteil (= Sendebauteil oder Sendebauelement, wie z. B. eine Laserdiode oder eine LED) 30-1 auf. Zumindest ein Teil der Sendestrahlung 32-1 des optoelektronischen Bauteils 30-1 weist eine Abstrahlrichtung bzw. Hauptabstrahlrichtung in einem Bereich von +/- 30° oder +/- 20° zu einer Vertikalen (zur Ebene) des ersten Teilsubstrats 20-1 auf.The first subassembly 10-1 of the
Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Sendeanordnung 30 eine oder eine Mehrzahl von optoelektronischen Sendebauteilen aufweisen, wobei in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können die optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 (= das optoelektronische Sendebauteil 30-1 und die optionalen optoelektronischen Sendebauteile 30-2, 30-3) auch angeordnet sein, um eine Hauptabstrahlrichtung (Hauptaustrittsrichtung) der jeweiligen Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 aus dem jeweiligen Sendebauteil vertikal zu dem ersten Teilsubstrat aufzuweisen, das heißt, um eine vertikale Strahlführung (bis zu der Prisma-Anordnung 50) vorzusehen, wie dies beispielhaft in
Als Abstrahlrichtung bzw. Hauptabstrahlrichtung der Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 wird bei einer Divergenz der Sendestrahlung 32 beispielsweise die Mittelachse der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 und/oder die Hauptachse eines Intensitätsmaximums der Sendestrahlung 32 bezeichnet. Als Divergenz der Sendestrahlung 32 wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Aufweitung bzw. der Abstrahlwinkel der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3, z. B. eines Laserstrahls und/oder einer LED-Strahlung, bezeichnet.When the transmitted
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Sendeanordnung 30 also zumindest ein Sendebauteil 30-1 oder eine Mehrzahl (= zumindest zwei) von optoelektronischen Sendebauteilen aufweisen. In
Die erste Baugruppe 10-1 weist ferner ein gasdichtes Abdeckungselement 38 auf, das mit dem gasdichten ersten Teilsubstrat 20-1 hermetisch gefügt bzw. verbunden ist, um eine hermetisch dichte bzw. gasdichte Häusung für das (zumindest eine) optoelektronische Bauteil 30-1 bzw. für die mehreren optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 bereitzustellen, wobei das Abdeckungselement 38 zumindest im Bereich der Hauptabstrahlrichtung der Sendestrahlung 32 bzw. 32-1, 32-2, 32-3 ein für die Sendestrahlung 32 transparentes Material aufweist, das heißt, für die abgestrahlte Sendestrahlung 32 transparent ist.The first assembly 10-1 also has a gas-
Bei der in
Somit kann die Linsenanordnung 40 mittels der Rahmenstruktur 44 und der daran angeordneten Linsenhalterstruktur 42 in einer definierten Fokuslage bzgl. des gasdichten Abdeckungselement 38 angeordnet oder fixiert sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Linsenanordnung 40 auch in der definierten Fokuslage an dem gasdichten Abdeckungselement 38 fixiert (angeklebt) sein.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das (geformte) gasdichte Abdeckungselement oder Deckelement 38 einen Seitenwandbereich 38-1 zwischen einem Sockelbereich 38-2 und einem Deckenbereich 38-3 auf, wobei der Deckenbereich 38-3 des Abdeckungselements 38 das für die Sendestrahlung 32 des zumindest einen optoelektronischen Bauteils 30 durchlässige Material aufweist, und zur Auskopplung der Sendestrahlung vorgesehen ist.According to one exemplary embodiment, the (shaped) gas-tight cover element or cover
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das gasdichte erste Trägersubstrat 20-1 ein thermisch leitfähiges und z.B. auch elektrisch isolierendes Keramikmaterial, z.B. Al2O3, AlN, SI3N4, LTCC, HTCC, etc. mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder ein Halbleiermaterial, wie z.B. Silizium, auf bzw. ist daraus aufgebaut. Das gasdichte erste Trägersubstrat 20-1 und das hermetisch daran gefügte, gasdichte Abdeckungselement 38 bilden somit das hermetische (= gasdichte) Primärgehäuse 20-1, 38 (mit der Kavität 39) um die optoelektronischen Bauteile 30 (3-1, 30-2, 30-2). Das hermetische Primärgehäuse 20-1, 38 für das zumindest eine optoelektronische Bauteil 30 weist nun beispielsweise eine reaktive Atmosphäre mit ausschließlich anorganischen Substanzen auf und/oder ist gegenüber dem Eindringen von Wasserdampf hermetisch dicht ausgebildet.According to one embodiment, the gas-tight first carrier substrate 20-1 has a thermally conductive and, for example, also electrically insulating ceramic material, for example Al 2 O 3 , AlN, SI 3 N 4 , LTCC, HTCC, etc. with a low thermal expansion coefficient or a semiconductive material, such as eg silicon, on or made up of it. The gas-tight first carrier substrate 20-1 and the hermetically joined, gas-
Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Linsenanordnung 40 (zumindest) ein Linsenelement 40-1 oder eine Mehrzahl von Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 aufweisen, wobei in
Die Linsenanordnung 40 weist also ein oder eine Mehrzahl von Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 auf, wobei jeweils ein Linsenelement 40-1, 40-2, 40-3 für ein optoelektronisches Sendebauteil 30-1, 30-2, 30-3 vorgesehen und demselben zugeordnet ist, um die jeweilige, z. B. divergente Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3, des optoelektronischen Bauteils 30-1 bzw. der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 zu kollimieren.The
Die Kollimation bezeichnet in der Optik die Parallelrichtung divergenter Lichtstrahlen, wobei die Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 der Linsenanordnung 40 auch als Kollimatoren oder Sammellinsen bezeichnet werden können. Die Linsenanordnung 40 kann auch als eine integrierte Mehrfachlinse 40 ausgebildet sein, wobei dann die Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 gemeinsam in der Mehrfachlinse 40 integriert angeordnet sind.In optics, collimation refers to the parallel direction of divergent light beams, with the lens elements 40-1, 40-2, 40-3 of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die Linsenanordnung 40 also eine Mehrzahl von Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 für die optoelektronische Sendeanordnung 30 zur Kollimation der z.B. divergenten Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 aufweisen, z.B. jeweils eine Kollimationslinse 40-# für ein optoelektronisches Bauelement 30-#.According to an exemplary embodiment of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die Linsenanordnung 40 also jeweils eine Kollimationslinse 40-# für ein optoelektronisches Bauelement 30-# aufweisen, wobei die Kollimationslinse 40-# ein Kollimationslinsenelement oder auch eine Mehrzahl von (optisch) hintereinander angeordneten Kollimationslinsenelementen (als eine Kollimationslinsenanordnung) aufweisen kann, um die jeweilige Kollimationslinse 40-# zu bilden.According to an exemplary embodiment of the
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst ferner eine Prisma-Anordnung 50 mit einer Umlenkfunktionalität und (optional) einer Strahlkombinationsfunktionalität. Die Prisma-Anordnung 50 ist nun so ausgebildet, um die kollimierte Sendestrahlung 32 des zumindest einen optoelektronischen Sendebauteils 30-1 umzulenken und zu führen und an einer Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung (= Umlenkprisma) 50 auszukoppeln.The
Für den Fall, dass die optoelektronische Sendeanordnung 30 eine Mehrzahl von optoelektronischen Bauteilen 30-1, 30-2, 30-3 aufweist, ist die Prisma-Anordnung 50 nun so ausgebildet, um die kollimierte (gemeinsame) Sendestrahlung 32, d. h. eine oder eine Kombination mehrerer oder alle der einzelnen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 umzulenken und gemeinsam zu führen und an einer Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung (= Umlenkprisma) 50 auszukoppeln. An der Austrittsfläche 52 des Prismas 50 kann beispielsweise eine breitbandige Antireflexionsbeschichtung 56 aufgebracht sein.If the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Auskopplung der Sendestrahlung 32 beispielsweise unter einem Auskoppelwinkel α (= Abstrahlwinkel) bezüglich der Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 erfolgen, wobei der Auskoppelwinkel α z.B. in einem Bereich zwischen 20° und 40° oder zwischen 24° und 30° (27° +/- 3°) liegen kann.According to one embodiment, the
Die Umlenkfunktionalität der Prisma-Anordnung 50 wird erreicht, indem der jeweilige Sendestrahl 32-1, 32-2, 32-3 von den optoelektronischen Bauteilen 30-1, 30-2, 30-3 durch Reflexion an einem jeweils zugeordneten Reflexionsbereich 50-1, 50-2, 50-3 der Prisma-Anordnung 50 in eine „gemeinsame“ Richtung bzw. optische Achse durch die Prisma-Anordnung 50 abgelenkt wird. Die einzelnen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 der Sendebauteile 30 können somit gemeinsam und parallel (= entlang einer gemeinsamen optischen Achse 54) in der Prisma-Anordnung 50 bis zu deren Auskoppeloberfläche 52 geführt werden. In der Prisma-Anordnung 50 sind somit für die einzelnen Sendestrahlungen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauelemente 30-1, 30-2, 30-3 jeweils eine reflektierende bzw. möglichst total reflektierende Umlenkfläche 50-1, 50-2, 50-3 vorgesehen, um die Strahlumlenkung in die gemeinsame, parallele optische Achse 54 der einzelnen Sendestrahlen 30-1, 30-2, 30-3, die z. B. unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, zu bewirken.The deflection functionality of the
Das Strahlkombinationsprisma 50 endet also auf der Strahlauslassseite mit der Austrittsfläche 52, die vom Trägersubstrat 20, 20-1, 20-2 weg zeigt. Die Abschlussfläche 53 des Prismas 50 am entgegengesetzten Ende kann unterschiedlich ausgebildet sein, z.B. durch ein angesetztes, quadratisch abschließendes Ende zum Schutz der Spiegelfläche 50-1, sofern die 45°-Spiegelfläche 50-1 zur Strahlumlenkung dadurch nicht mechanisch oder optisch beeinträchtigt wird.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können das erste Teilsubstrat 20-1 und das zweite Teilsubstrat 20-2 mechanisch fest gekoppelt, z.B. direkt angeflanscht, sein, um das Trägersubstrat 20 zu bilden.According to an exemplary embodiment of the
Alternativ können das erste Teilsubstrat 20-1 und das zweite Teilsubstrat 20-2 unterschiedliche Abschnitte oder Bereiche des Trägersubstrats 20 bilden, d.h. das erste Teilsubstrat 20-1 und das zweite Teilsubstrat 20-2 können gemeinsam das Trägersubstrat 20 bilden, so dass die erste Baugruppe 10-1 und zweite Baugruppe 10-2 auf dem gemeinsamen Trägersubstrat 20 als eine kombinierte photonische Anordnung angeordnet sind.Alternatively, the first sub-substrate 20-1 and the second sub-substrate 20-2 can form different sections or areas of the
Die Strahlkombination von verschiedenen Wellenlängen in der Prisma-Anordnung 50 ist nicht auf den sichtbaren Bereich (VIS = visible) beschränkt und kann sowohl in den nahen UV-Bereich als auch in den nahen Infrarot-Bereich erweitert werden, d.h. die Vorrichtung kann für die Bereiche UV-VIS, UV-VIS-NIR, VIS-NIR oder UV-NIR mit entsprechenden Emittern 30-1, 30-2, 30-3 und einem geeignet spezifizierten Strahlkombinationsprisma 50 aufgebaut werden. Der mit Standardmaterialien zugängliche Wellenlängenbereich für diese der Prisma-Anordnung 50 erstreckt sich von ca. 300 nm bis ca. 2650 nm („ca.“ steht für einen Bereich von ± 10% um den angegeben Wert) . Durch den Einsatz von Quarz-Fenster- und Prismenmaterialien kann dieser Bereich auf ca. 200 bis ca. 3000 nm („ca.“ steht für einen Bereich von ± 10% um den angegeben Wert) ausgedehnt werden, wobei beispielsweise hierbei nicht verkappte MEMS-Spiegel 60 eingesetzt werden. In jedem Fall, benötigt dieser breite Bereich besondere Antireflex-Beschichtungen und ggfs. eine besondere Verspiegelung der MEMS-Spiegelfläche 62. Der UV- und IR- Erweiterungsbereich ist insbesondere für spektroskopische Anwendungen zur Molekülanregung interessant, kann aber auch zur Objektdetektion genutzt werden.The beam combination of different wavelengths in the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch eine Lichtquelle 32-1 mit einer Sendestrahlung im nahen Infrarot-Beriech (NIR = 850 nm bis 1550 nm) integriert sein, beispielweise bei einer Anwendung des optischen Projektionsanordnung 10 als RGB-Scannereinheit zur Daten- und Bildprojektion in mobilen Anwendungen.According to an exemplary embodiment, a light source 32-1 with a transmission radiation in the near infrared range (NIR=850 nm to 1550 nm) can also be integrated, for example when using the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung kann die Prisma-Anordnung 50 eine optisch wirksame Beschichtung, z.B. eine Anti-Reflexionsbeschichtung 56, an der Einkoppeloberfläche 55 und/oder der Auskoppeloberfläche 52 aufweisen.According to an exemplary embodiment of the optical projection arrangement, the
Ein geeignetes Strahlkombinationsprisma ist eine optisch verkittete Anordnung von optischen Glasscheiben mit einer Dicke im Bereich 1 - 2 mm, die vor dem optischen Verkitten mit spezifischen dichroitischen Filterbeschichtungen bzw. einseitiger Verspiegelung und einseitiger Entspiegelung versehen wurden. Als optisch verkittet wird beispielsweise eine Verklebung mit einem an die Brechzahl angepassten Klebstoff (zwischen zwei angrenzenden bzw. aneinander liegenden Seitenflächen zweier Prisma-Elemente) verstanden, wobei der Klebstoff z.B. auch optisch transparent für den durchzulassenden Lichtstrahl ist. Eine Vielzahl optischer Gläser kann je nach Wellenlängenbereich der Laserlichtquellen hierzu eingesetzt werden, wie z.B. AK 7, KZFS12, L-LASF43, RAYVOLUTION etc.. Die dichroitischen Filterbeschichtungen sind so ausgelegt, dass sie ohne Luftinterface und vorzugsweise ohne Anspruch an eine Vorpolarisierung der Sendestrahlung (z.B. Laserstrahlung) als Durchlass- bzw. Sperrfilter arbeiten. Die Filtercharakteristik ist auf die Wellenlängen der Emitter und deren thermisch induzierte Wellenlängenänderung abgestimmt mit ausreichender Toleranzzugabe von mindestens 20 nm. Die einseitige Verspiegelung kann z.B. durch eine Metallisierung mit Silber oder Aluminium durchgeführt werden. Je nach Wellenlänge, insbesondere für Infrarot kann sich auch eine Goldschicht eignen. Die verkitteten Glasscheiben werden unter Beachtung der 45° Winkellage der inneren Filterschichten auf Endmaß von einigen Millimetern zersägt und die Kanten optisch poliert und ggfs. nach Notwendigkeit noch mit einer breitbandigen Antireflexschicht aus mehreren anorganischen Oxiden oder lokalen Absorberbeschichtungen (z.B. Metalloxide, Schwarzlack) versehen.A suitable beam combination prism is an optically cemented arrangement of optical glass panes with a thickness in the range 1 - 2 mm, which have been provided with specific dichroic filter coatings or one-sided mirroring and one-sided anti-reflection coating before optical cementing. Optically cemented is understood to be, for example, a bond with an adhesive that is adapted to the refractive index (between two adjacent or adjacent side surfaces of two prism elements), with the adhesive also being optically transparent to the light beam to be transmitted, for example. Depending on the wavelength range of the laser light sources, a variety of optical glasses can be used for this, such as AK 7, KZFS12, L-LASF43, RAYVOLUTION, etc. e.g. laser radiation) work as transmission or blocking filters. The filter characteristics are matched to the wavelengths of the emitters and their thermally induced change in wavelength with a sufficient tolerance of at least 20 nm. Depending on the wavelength, especially for infrared, a gold layer can also be suitable. The cemented glass panes are sawn to a final dimension of a few millimeters, taking into account the 45° angle position of the inner filter layers, and the edges are optically polished and, if necessary, provided with a broadband anti-reflective layer made of several inorganic oxides or local absorber coatings (e.g. metal oxides, black paint).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Rahmenstruktur 44 mechanisch fest mit dem Trägersubstrat 20 und der Prisma-Anordnung 50 verbunden, wobei beispielsweise die Rahmenstruktur 44 mit umlaufenden Wänden 44-1 (zumindest) nach außen optisch abgeschlossen ausbildet ist.According to one exemplary embodiment, the
Im Folgenden wird nun anhand der
So zeigt
In den
Die Prisma-Anordnung 50 ist beispielsweise für eine RGB-Anwendung vorgesehen, wobei eine erste Wellenlänge λ1 blauem Licht mit einer Wellenlänge von 450 nm +- 20 nm, die zweite Wellenlänge λ2 grünem Licht mit einer Wellenlänge von 510 nm +- 20 nm, und die dritte Wellenlänge λ3 rotem Licht mit einer Wellenlänge von 635 nm +- 20 nm entsprechen kann. Wenn nachfolgend von einer lichtdurchlässigen Beschichtung oder Antireflexionsbeschichtung gesprochen wird, wird auf eine Lichtdurchlässigkeit oder optische Durchlässigkeit für die jeweilige Wellenlänge von größer 99% ausgegangen. Bei einer reflektierenden Oberfläche und/oder Beschichtung wird von einem Reflexionsgrad (auch Reflexionsvermögen, Reflektivität oder Reflektanz) mit einem Wert von größer 99% ausgegangen. Bei einem matten Oberflächenmaterial bzw. Oberflächenzustand oder einem absorbierenden Oberflächenmaterial bzw. Oberflächenzustand wird von einem Absorptionsgrad bzw. Absorptionsvermögen von größer 99 % ausgegangen. Ein beispielhafter Toleranzbereich für die nachfolgend angegebenen Abmessungen liegen im Bereich von +- 5% oder +- 1 % und für die Winkelangaben in einem Bereich zwischen +- 5% oder +- 2%. Ferner wird beispielsweise von einer Oberflächenrauigkeit (rms) von ≤ 20 nm ausgegangen.The
Die Seitenfläche F1 weist beispielsweise eine Länge von 2,12 mm auf und ist in einem Winkel von 45° zur Grundfläche (x-y-Ebene = Referenzebene) ausgebildet. Die Fläche 1 ist als Spiegelfläche für einen ersten Teillichtstrahl mit der Wellenlänge λ1 ausgebildet. Die Seitenfläche F2 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist parallel zur Grundfläche. Die Seitenfläche F2 ist transparent für die Wellenlänge λ1 und weist beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung auf.The side surface F1 has a length of 2.12 mm, for example, and is formed at an angle of 45° to the base surface (x-y plane=reference plane). The
Die Seitenfläche F3 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist parallel zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F3 ist transparent für die zweite Wellenlänge λ2 und weist beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung auf.The side surface F3 has a length of 1.5 mm, for example, and is formed parallel to the base surface. The side surface F3 is transparent for the second wavelength λ2 and has an antireflection coating, for example.
Die Seitenfläche F4 weist beispielsweise eine Länge von 1,7 mm auf und ist parallel zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F4 ist für die Wellenlänge λ3 optisch durchlässig und weist beispielsweise eine Antireflexionsbeschichtung auf. Die Seitenfläche F2, F3, F4 entsprechen der im Vorhergehenden dargestellten Einkoppeloberfläche 55.The side surface F4 has a length of 1.7 mm, for example, and is formed parallel to the base surface. The side surface F4 is optically transparent for the wavelength λ3 and has an anti-reflection coating, for example. The side surfaces F2, F3, F4 correspond to the
Die Seitenfläche F5 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist senkrecht (vertikal) zu der Grundfläche (den Seitenflächen F2 - F4) ausgebildet. Die Seitenfläche F5 ist transparent für die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3.The side surface F5 has a length of 1.5 mm, for example, and is formed perpendicular (vertical) to the base surface (the side surfaces F2 - F4). The side surface F5 is transparent for the wavelengths λ1, λ2 and λ3.
Die Seitenfläche F6 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm auf und ist parallel zu der Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F6 ist beispielsweise matt oder absorbierend für die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 ausgebildet. Die Seitenfläche F7 weist beispielsweise eine Länge von 1,5 mm parallel zu der Grundfläche auf und ist ferner matt oder absorbierend ausgebildet.The side surface F6 has a length of 1.5 mm, for example, and is formed parallel to the base surface. The side surface F6 is, for example, designed to be matt or absorbing for the wavelengths λ1, λ2 and λ3. The side surface F7 has, for example, a length of 1.5 mm parallel to the base surface and is also designed to be matt or absorbent.
Die Seitenfläche F8 weist beispielsweise eine Länge von 2,12 mm auf und ist in einem Winkel von 45° zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F8 ist transparent für die Wellenlänge λ1 und reflektierend für die Wellenlänge λ2.The side surface F8 has a length of 2.12 mm, for example, and is formed at an angle of 45° to the base surface. The side surface F8 is transparent for the wavelength λ1 and reflective for the wavelength λ2.
Die Seitenfläche F9 weist beispielsweise eine Länge von 2,12 mm auf und ist in einem Winkel von 45° zur Grundfläche ausgebildet. Die Seitenfläche F9 ist transparent für die Wellenlängen λ1 und λ2 und reflektierend für die Wellenlänge λ3.The side surface F9 has a length of 2.12 mm, for example, and is formed at an angle of 45° to the base surface. The side surface F9 is transparent for the wavelengths λ1 and λ2 and reflective for the wavelength λ3.
Die Seitenflächen F10 und F11 der Prisma-Anordnung 50 (siehe
In
In den
Die Seitenflächen F2, F3 und F4 sind für einen 90°-Strahleintritt von den Sendebauelementen 30-1, 30-2, 30-3 ausgebildet. Ferner kann die Seitenfläche F5 (Auskoppelfläche 52) vertikal zu der Grundfläche ausgebildet sein, wobei ferner auch andere Ausrichtungsebenen für die Fläche F5 eingesetzt werden können, um den Auskoppelwinkel α und damit auch den Einfallswinkel β auf das Spiegelelement 62 für den jeweiligen gewünschten Anwendungsfall der optischen Projektionsanordnung 10 einzustellen.The side surfaces F2, F3 and F4 are designed for a 90° beam entry from the transmission components 30-1, 30-2, 30-3. Furthermore, the side surface F5 (decoupling surface 52) can be formed vertically to the base surface, in which case other alignment planes can also be used for the surface F5 in order to adjust the decoupling angle α and thus also the angle of incidence β onto the
Die zweite Baugruppe 10-2 der optischen Projektionsanordnung 10 umfasst nun auf dem zweiten Teilsubstrat bzw. Teilabschnitt 20-2 des Substrats 20 eine MEMS-Spiegelanordnung 60 mit einem beweglich aufgehängten auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement (= Spiegelfläche) 62. Die MEMS-Spiegelanordnung 60 ist beispielsweise mit einem externen Ansteuersignal S, z.B. über die Kontakt- bzw. Bondbereiche 64, ansteuerbar, um basierend auf dem Ansteuersignal S die Auslenkung des MEMS-basierten Spiegelelements 62 und damit die Ausrichtung der gemeinsamen Sendestrahlung 32 in eine gewünschte Raumrichtung (innerhalb des mechanischen Auslenkungsbereichs des Spiegelelements 62) zu bewirken.The second assembly 10-2 of the
Die Prisma-Anordnung 50 der ersten Baugruppe 10-1 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 der zweiten Baugruppe 10-2 sind nun so geometrisch zueinander angeordnet, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung 32, die beispielsweise die einzelnen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Bauteile 30-1, 30-2, 30-3 oder eine beliebige Kombination derselben aufweist, jeweils unter einem Einfallwinkel β, der beispielsweise durch die mit dem Ansteuersignal S bewirkbare Auslenkung des MEMS-Spiegelelements 62 einstellbar ist, auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement 62 trifft. Der Einfallwinkel β ist im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements 62 in einem Bereich zwischen 30° und 50° oder zwischen 37° und 43° (bei 40° +/- 3°). Der Einfallwinkel β ist somit der Zwischenwinkel zwischen der einfallenden Sendestrahlung 32 und der Spiegelfläche des MEMS-basierten Spiegelelements 62 im Ruhezustand.The
Die optische Projektionsanordnung 10 implementiert also eine i. W. vertikale Strahlanordnung bzw. Strahlführung (= Abstrahlung) der optoelektronischen Sendebauelemente 30-1, 30-2, 30-3 bezüglich der Substratebene (x-y-Ebene) mit einem mechanisch festgekoppelten MEMS-Spiegelelement 60, wobei die Spiegelplatte 62 des MEMS-Spiegelelements 60 beispielsweise im Ruhezustand (= im nicht ausgelenkten Zustand bzw. in der Nullstellung) parallel zu der Substratebene (des zweiten Teilsubstrats 20-2) ausgerichtet ist.The
Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst also die erste und zweite Baugruppe 10-1, 10-2, die auf fest miteinander gekoppelten Teilsubstraten oder Substratabschnitten 20-1, 20-2 eines gemeinsamen Trägersubstrat 20 angeordnet sind, wobei die optische Projektionsanordnung 10, die auch als photonische Anordnung bezeichnet werden kann, eine optische Mittelachse 54 (= gemeinsame optische Achse) bereitstellt, deren Mittelpunkt auf eine bewegliche MEMS-Spiegelplatte 62 gerichtet ist. Die optische Projektionsanordnung 10 umfasst beispielsweise die Sendeanordnung 30 mit mehreren Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3, die Linsenanordnung (Linsenebene) 40 mit mehreren Linsenelementen 40-1, 40-2, 40-3 und das Umlenkprisma 50. Die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 weisen dabei eine vom Trägersubstrat 20 weg-zeigende Lichtaustrittsrichtung bzw. Abstrahlrichtung auf, wobei die Linsenanordnung 40 zur Kollimation der divergenten Strahlung 32-1, 32-2, 32-3 der optoelektronischen Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 ausgebildet ist.The
Das Umlenkprisma 50 hat nun die Eigenschaft, die von den Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 bereitgestellten, verschiedenen Sendestrahlen 32-1, 32-2, 32-3 bei unterschiedlichen Wellenlänge zu führen und unter einem Auskoppelwinkel α auszukoppeln, wobei die geführte Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 unter dem Einfallwinkel β auf die beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelfläche 62 trifft.The
Durch diese strukturelle Anordnung der einzelnen Elemente der optischen Projektionsanordnung 10, d. h. der optoelektronischen Sendebauelemente 32-1, 32-2, 32-3, der Linsenanordnung 40, der Prisma-Anordnung 50 und der MEMS-Spiegelanordnung 60 und deren geometrischen Ausrichtung und Zuordnung zueinander kann ein äußerst kompakter (geometrischer) Aufbau mit einem geringen Aufbauvolumen und geringer Grundfläche (foot print) der optischen Projektionsanordnung 10 erhalten werden.This structural arrangement of the individual elements of the
Die optische Projektionsanordnung 10, die in Form einer kombinierten RGB-Scannereinheit implementiert sein kann, kann beispielsweise zur Daten- und Bildprojektion in mobilen Anwendungen dienen, wie z.B. in einem Headset für ein AR- oder VR-Anwendung als Smartglasses (Datenbrille, Augmented-Reality-Brille und/oder Virtual-Reality-Brille bzw. -Helm). Die optische Projektionsanordnung 10 kann beispielsweise aber auch im Innenbereich von Fahrzeugen betrieben und auch mit anderen Wellenlängen für spektroskopische Anwendungen in der Medizin, Biologie, Landwirtschaft bzw. Pflanzenzucht und Abfallwirtschaft eingesetzt werden. Weitere Anwendungsgebiete sind auch als gepulste Strahlquelle für eine LIDAR-Objektdetektion möglich. Zudem sind Anwendungen im Bereich lokaler UV-Bestrahlung beispielsweise zur Lackaushärtung und Sterilisation möglich.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch eine Lichtquelle 32-# mit einer Sendestrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR = 850 nm bis 1550 nm) integriert sein, beispielweise bei einer Anwendung des optischen Projektionsanordnung 10 als RGB-Scannereinheit zur Daten- und Bildprojektion in mobilen Anwendungen. Ein solche Lichtquelle mit einer Sendestrahlung im nahen Infrarot-Bereich (NIR = 850 nm bis 1550 nm) kann beispielsweise eingesetzt werden, um bei einer Anwendung zur Daten- und Bildprojektion in einer mobilen Anwendung eine Hand im Bild zu erkennen und das greifen nach einem virtuellen, projizierten Objekt über eine IR-Kamera an den Applikationsprozessor zurück zu koppeln. Man kann also Bilder anfassen und Objekte verschieben oder Eingaben durch das Greifen in ein projiziertes Bild machen.According to one exemplary embodiment, a light source 32-# with a transmission radiation in the near infrared range (NIR=850 nm to 1550 nm) can also be integrated, for example when using the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung können die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet sein, dass die gemeinsame optische Achse 54 der ausgekoppelten (gemeinsamen) Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Bauteile 30 durch den Mittelpunkt 62-1 des Spiegelelements 62 (der Spiegelplatte) verläuft. So können die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 beispielsweise geometrisch so zueinander angeordnet sein, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung 32 der optoelektronischen Sendebauteile 30 rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt der Spiegelplatte 62 angeordnet ist. Die gemeinsame optische Achse kann also durch den Mittelpunkt der Spiegelplatte 62 verlaufen und kann rotationssymmetrisch um diese Spiegelplatte 62 rotiert angeordnet sein.According to an exemplary embodiment of the optical projection arrangement, the
Damit kann die Ausrichtung bzw. Auslenkung der gemeinsamen Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 äußerst exakt in die gewünschte Raumrichtung (innerhalb des Auslenkungsbereichs des Spiegelelements 62) mittels der durch das Ansteuersignal S bewirkten Auslenkung des Spiegelelements 62 erhalten werden. Ferner kann ein relativ großer Auslenkungsbereich der gemeinsamen Sendestrahlung 32 mittels der gesteuerten Auslenkung des Spiegelelements 62 erreicht werden.The alignment or deflection of the common transmission radiation 32-1, 32-2, 32-3 can thus be obtained extremely precisely in the desired spatial direction (within the deflection range of the mirror element 62) by means of the deflection of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die Linsenanordnung 40 mittels einer Linsenhalterstruktur 42 in einer definierten Fokuslage bezüglich der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 fixiert sein. Somit können die einzelnen Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 jeweils in einer definierten Fokuslage bzgl. des zugeordneten Sendebauteils 30-1, 30-2, 30-3 angeordnet und fixiert sein. Ferner kann die Prisma-Anordnung 50 an bzw. auf der Rahmenstruktur 44 angeordnet und an derselben fixiert sein. Die Prisma-Anordnung 50 kann also mittels der Rahmenstruktur 44 an dem ersten Teilsubstrat (Trägersubstrat) 20-1 angeordnet und fixiert sein.According to an exemplary embodiment of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung kann die Linsenhalterstruktur 42 in einer Rahmenstruktur 44 bzw. als Teil der Rahmenstruktur 44 ausgebildet sein. Die Rahmenstruktur 44 kann mit umlaufenden (z.B. vertikal ausgebildeten und intransparenten) Seitenwänden 44-1 (zumindest) lateral nach außen optisch abgeschlossen ausbildet sein. Damit kann beispielsweise (zumindest abschnittsweise) eine optische Kanaltrennung zwischen der Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 der Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 bis zur Einkopplung in die Prisma-Anordnung 50 erhalten werden.According to an exemplary embodiment of the optical projection arrangement, the
Ferner kann auch die Prisma-Anordnung 50 mittels der Rahmenstruktur 44 an dem ersten Teilsubstrat 20-1 des Trägersubstrats 20 angeordnet (= fixiert) sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung kann also die Rahmenstruktur 44 eine mechanisch feste Verbindung (= Fixierung) des Trägersubstrats 20 mit der Linsenanordnung 40 und der Prisma-Anordnung 50 bereitstellen.Furthermore, the
Gemäß Ausführungsbeispielen kann also das Strahlkombinationsprisma 50 auf Rahmenstruktur 44 ruhen, die mit umlaufenden Wänden 44-1 einen nach außen optisch abgeschlossenen Rahmen ausbildet, soweit diese für die jeweilige Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 intransparent ausgebildet sind. Diese Rahmenstruktur 44 ist z.B. mit dem Trägersubstrat 20 und dem Prisma 50 mechanisch fest verbunden, wobei das Prisma 50 die Rahmenstruktur 44 z.B. gänzlich abdeckt (= vertikal bedeckt). Die mechanische Befestigung kann z.B. mit einer Klebung mit niedrig ausgasenden Klebstoffen, mittels niedrig temperiert schmelzenden Lotwerkstoffen oder durch eine mechanische Pressverbindung ausgeführt werden.According to exemplary embodiments,
Die Linsenhalterstruktur 42 innerhalb der Rahmenstruktur 44 ist so ausgeführt, das die Fokuslage der einzelnen Kollimationslinsen 40-1, 40-2 40-3 oder einer integrierten Mehrfachlinse 40 durch eine vertikale Verschiebung verändert und in einer bestimmten Fokuslage fixiert werden kann. Diese Lagefixierung an der Rahmenstruktur 44 kann durch einen Klebstoff (UV-aushärtenden Klebstoff), durch einen Lotwerkstoff, Glasfritte, Lot oder durch mechanische Klemmung erreicht werden. Optional können Polarisationsplättchen 46 (Retarder Plates) in der Linsenhalterstruktur 44 unterhalb oder oberhalb der Linsenelemente 40-1, 40-2, 40-3 angeordnet oder integriert werden, um die Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 für die im Prisma 50 befindlichen dichroitischen Beschichtungen 50-1, 50-2, 50-3 mit einer geeigneten Vorpolarisierung zu versehen.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können die Prisma-Anordnung 50 und das MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet sein, dass ein (minimaler) lateraler Abstand A (der unteren Kante 52-1) der Auskoppelfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 zu dem Mittelpunkt 62-1 des Spiegelelements 62 (Spiegelplatte) weniger als der 12-fache Wert der Aufbauhöhe H (= Dicke) der Prisma-Anordnung 50 beträgt.According to an exemplary embodiment of the
Je nach gewählter Geometrie (Neigungswinkel) der Prisma-Auskoppelfläche 52 kann der Auskoppelwinkel α variieren. Die MEMS-Spiegelplatte 62 kann sich entsprechend näher oder etwas ferner von der unteren Kante 50-4 des Prismas 50 entfernt befinden. Nimmt man beispielsweise die Aufbauhöhe H des Prismas 50 als Maßeinheit, so befindet sich die Spiegelplatte 62 (bzw. deren Mittelpunkt 62-1) in dieser Anordnung und Ausrichtung nicht weiter als 12 solche Maßeinheiten H (12*H) von der unteren Kante 52-1 der Prisma-Auskoppelfläche 52 (lateral) entfernt. Der Abstand A bezeichnet beispielsweise den direkten Abstand (= direkte Verbindungslinie) der Unterkante 52-1 der Prisma-Anordnung 50 zu dem Mittelpunkt Spiegelplatte 62, wobei die Länge A' den lateralen Anteil (parallel zur x-Achse) des Abstands A darstellt.Depending on the selected geometry (angle of inclination) of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann das Spiegelelement 62 in einem in Richtung der Prisma-Anordnung 50 geneigten (angekippten) Zustand (in einer Vorzugsneigung) angeordnet sein. So kann die Spiegelanordnung 60 beispielsweise auf einen Keil 24 aufgesetzt und fixiert sein oder der zweite Substratabschnitt 20-2 kann eine keilförmige Erhöhung 24 aufweisen, um den geneigten (vorgekippten) Aufbau der Spiegelanordnung (in Richtung der Prisma-Anordnung) zu erhalten.According to an exemplary embodiment of the
Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Spiegelanordnung 60 in einer Vorzugsneigung in Richtung des Prismas 50 anzukippen und damit den vom „Field of View“ (= Sichtfeld) des Spiegelscanners 10 aktiv bestrahlbaren Bereich in Richtung der orthogonalen Achse in Bezug auf das Trägersubstrat 20 auszurichten. Dies kann durch ein untergelegtes keilförmiges Formteil 24 oder durch den Aufbau des Spiegels 60 auf dem zweiten Substratabschnitt 20-2, der entsprechend geneigt ausgeführt ist, ausgebildet werden. werden.In some applications it may be desirable to tilt the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 können die optoelektronischen Sendebauteile 30-1, 30-2, 30-3 als Halbleiter-basierte Lichtquellen, z.B. LEDs oder Laserdioden für eine RGB-Sendestrahlung 32, ausgebildet sein. Ferner können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 beispielsweise als eine integrierte Bare-Die-Anordnung an dem ersten Teilsubstrat 20-1 angeordnet sind. Ggfs. können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 bereits mit integrierten Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 versehen sein oder zusätzliche integrierten Kollimationslinsen aufweisen.According to an exemplary embodiment of the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 auch in einem gemeinsamen Gehäuse oder individuellen Gehäusen vorverpackt integriert sein, und ggfs. wieder mit den integrierten Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 versehen sein.According to a further exemplary embodiment, the semiconductor-based light sources 30-1, 30-2, 30-3 can also be integrated pre-packaged in a common housing or individual housings, and if necessary again with the integrated collimation lenses 40-1, 40-2, 40 -3 be provided.
Bei dem anhand der
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 (z.B. die Laserdioden) beispielsweise ohne ein Submount 34 auch direkt auf dem Trägersubstrat 20-1 bzw. dem Trägersubstrat 20 aufgebaut sein (siehe z.B. auch
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiterlichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 auch auf keramische Submounts 34 (mit einem AI203-, AIN-, Si3N4-Material oder einem anderen Keramik-Material) aufgebaut sein, um die Wärmeabfuhr zu verbessern und mechanischen Stress abzufangen. Die Submounts können entweder nur jeweils eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen tragen. Durch eine Metallisierung der Submounts, z.B. um eine 90°- Kante herum, ist es möglich auch kantenemittierende Laserdioden (ELED = edge emitting LED) und Superlumineszenz-Lichtdioden (SLED) so aufzubauen und zu kontaktieren, dass deren Strahlung nach oben hin (= vertikal zu Substratebene = x-y-Ebene) abgegeben wird. In einigen Fällen, z.B. bei geringer optischer Leistung, können die Halbleiterlichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 auch direkt auf dem Trägersubstrat 20 aufgebaut und kontaktiert werden.According to a further exemplary embodiment, the semiconductor light sources 30-1, 30-2, 30-3 can also be constructed on ceramic submounts 34 (with an Al 2 O 3 , AlN, Si 3 N 4 material or another ceramic material). to improve heat dissipation and absorb mechanical stress. The submounts can carry either only one light source or multiple light sources. By metallizing the submounts, e.g. around a 90° edge, it is also possible to construct and contact edge-emitting laser diodes (ELED = edge-emitting LED) and superluminescence light-emitting diodes (SLED) in such a way that their radiation is directed upwards (= vertically to substrate plane = xy plane) is released. In some cases, for example in the case of low optical power, the semiconductor light sources 30-1, 30-2, 30-3 can also be built up and contacted directly on the
Das Trägersubstrat 20 (20-1 + 20-2) kann beispielsweise ein Leiterplattenmaterial oder ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Keramikmaterial mit entsprechenden Leiterbahn- und Pad-Metallisierungen aufweisen oder kann auch (z.B. für eine gasdichte Ausführung) ein thermisch leitfähiges Keramik-Material mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie z.B. AI2O3, AIN, SI3N4, LTCC, HTCC oder ein Halbleiermaterial (z.B. Silizium), aufweisen oder aus demselben bestehen.The carrier substrate 20 (20-1 + 20-2) can, for example, have a printed circuit board material or a thermally conductive and electrically insulating ceramic material with corresponding interconnect and pad metallizations or can also (e.g. for a gas-tight design) have a thermally conductive ceramic material low thermal expansion coefficients, such as Al 2 O 3 , AIN, SI 3 N 4 , LTCC, HTCC or a semiconductor material (eg silicon), have or consist of the same.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann eine kuppelförmige (domförmige) Glaskappe 70 mit dem zweiten Teilsubstrat 20-2 gefügt sein.According to an embodiment of the
Die MEMS-Spiegelanordnung 60 kann beispielsweise von einer domförmigen, für die Sendestrahlung 32 transparenten Abdeckung 70, z.B. einer Glaskappe, umgeben sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die domförmige Glaskappe 70 auch die MEMS-Spiegelanordnung 60 von der Außenwelt (= Umgebungsatmosphäre) schützen oder auch hermetisch abschirmen.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 kann die transparente Abdeckung 70 eine optisch wirksame Beschichtung 72, z.B. eine Anti-Reflexionsbeschichtung, an der Innen- und/oder Außenoberfläche 70-A, 70-B der transparenten Abdeckung 70 aufweisen. Die optisch wirksame Beschichtung 72 kann zumindest bereichsweise an den Strahlungsdurchtrittsflächen der transparenten Abdeckung 70 vorgesehen sein.According to an exemplary embodiment of the
Die Abdeckung 70 (z.B. domförmige Glaskappe) des Spiegels 60 ist also beispielsweise doppelseitig mit einer Antireflexbeschichtung 72 versehen, um Streureflexe zu vermindern. Die Kuppelgeometrie ist vorzugsweise rotationssymmetrisch, wobei auch eine leichte elliptische Basis mit einem Verhältnis der Längs- zur Querachse von bis zu 1 : 0,8 möglich ist. Die Abdeckung 70 ist beispielsweise mindestens so hoch über der Spiegelfläche 62 wie es einem Durchmesser D der beweglich aufgehängten Spiegelplatte 62 entspricht und nicht höher als dem halben Durchmesser G/2 der Glaskappe 70 selbst, gemessen am unteren Innenbereich des ausgewölbten Kappenbereichs.The cover 70 (e.g. dome-shaped glass cap) of the
Durch die gewählte Geometrie der Abdeckung bzw. Glaskappe 70 können eventuelle Reflexe zerstreut und nicht fokussiert in den Bildbereich abgebildet werden. Die Wandstärke der Abdeckung 70 im optisch durchstrahlten Bereich ist vorzugsweise so dünn und gleichmäßig ausgeführt, dass der optische Einfluss auf die Strahldivergenz vernachlässigbar ist, d.h. beispielsweise eine Divergenz von kleiner 0,3°. Hierzu wird die Abdeckung 70 in diesem Bereich nicht dicker als 200 µm, 120 µm oder 60 µm ausgebildet.Due to the selected geometry of the cover or
Wie oben ausgeführt wurde, ist die transparente Abdeckung 70 beispielsweise als eine domförmige Glaskappe oder Glaskuppel ausgebildet, wobei aber die Abdeckung auch eine von einer Kugelhalbschale unterschiedliche geometrische Ausgestaltung aufweisen kann. So kann (zumindest abschnittweise) auch eine elliptische oder ovale Umfangslinie (parallel zur x-y-Ebene) oder eine elliptische oder ovale Querschnittslinie (parallel zur x-z-Ebene) für die kuppelförmige Abdeckung vorgesehen werden. Der Durchmesser der Abdeckung 70 kann beispielsweise in einem Bereich von 2 mm bis 16 mm und etwa von 3 mm bis 5 mm und bei etwa 4 mm liegen, während die Höhe der Abdeckung 70 oberhalb des Spiegelmittelpunktes 62-1 in einem Bereich von 1 mm bis 8 mm und bei etwa 1,5 mm liegen kann. Der Spiegeldurchmesser D, d.h. der Durchmesser des auslenkbaren Teils des MEMS-Spiegels 62, kann in einem Bereich von 0,5 mm bis 4 mm oder von 1 mm bis 1,4 mm liegen.As explained above, the
Aufgrund der dünnen Wandung der transparenten Abdeckung 70 erfolgt eine geringe Interaktion der Abdeckung 70 mit der Sendestrahlung 32 der Projektionsanordnung 10, so dass bei dem Durchgang der Sendestrahlung 32 durch das optisch transparente Material der Abdeckung 70 eine geringe Änderung der Parallelität, Wellenlänge und Intensität der Sendestrahlung 32 erfolgt.Due to the thin walls of the
Im Folgenden wird nun beispielhaft eine mögliche Ausführungsform der im vorherigen anhand der
Die Sendeanordnung 30 kann beispielsweise als ein VCSEL-Emitter (VCSEL = vertical-cavity surface-emitting laser) auf einem (gemeinsamen) Submount 34 in einer linearen Anordnung entlang einer optischen Achse 54 mit den Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3, ggfs. Polarisationsplättchen 46, und eine Strahlkombinations-Prisma 50, das durch seine Form den (z.B. gepulsten) Lichtstrahl 32 relativ steil auf den MEMS-Spiegel 62 führt. Beispielsweise ist der MEMS-Spiegel 62 auf demselben Trägersubstrat 20 wie die Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3 montiert. Das Trägersubstrat 20 kann z.B. Silizium aufweisen, wobei aber auch diverse Leiterplattenmaterialien und Keramiken in Betracht kommen. Die Verwendung eines Submounts 34 ist dabei je nach Substrat 20 und insbesondere bei kleinen Laserleistungen nicht zwingend notwendig. Der Spiegel 62 ist beispielsweise mit dem Glasfenster 70 geschützt oder auch hermetisch verkappt, wobei bei einer hermetischen Verkappung eine definierte Innenatmosphäre in dem Glasfenster 70 eingeschlossen werden kann. Die domförmige Geometrie der Glaskappe 70 kann in der Höhe der Halbschale variieren.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann auch das zweite Teilsubstrat 20-2 gasdicht ausgebildet sein und das gleiche Material oder die gleiche Materialkombination wie das erste Teilsubstrat 20-1 aufweisen. Damit kann die kuppelförmige (domförmige) Glaskappe 70 hermetisch mit dem zweiten Teilsubstrat 20-2 gefügt sein, um eine hermetisch dichte Häusung, z.B. eine hermetische Abschirmung und/oder Verkappselung (Verkappung), für die MEMS-Spiegelanordnung 60 gegenüber der Umgebungsatmosphäre zu bilden.According to an exemplary embodiment, the second partial substrate 20-2 can also be gas-tight and have the same material or the same combination of materials as the first partial substrate 20-1. Thus, the dome-shaped (dome-shaped)
Bei der optischen Projektionsanordnung 10, die anhand der Seitenansicht von
Der Abdeckungselement 38 kann so ausgeführt sein, dass es als Bestandteil einer Laserhäusung zusammen mit dem Trägersubstrat 20 als Boden eine definierte Innenatmosphäre einschließt, die in der Regel aus einer wasser- und kohlenwasserstofffreien Gaszusammensetzung bei Normaldruck besteht, z.B. Stickstoff/Sauerstoff bei ca. 1000 mbar +- 100 mbar. Andere Drücke oder prioritär vorliegende Füllgase sind auch denkbar.The
Bei der optischen Projektionsanordnung 10, die anhand der Draufsicht von
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die zusätzliche Fotodiode 30-1, 30-2, 30-3 also so integriert werden, dass ein kleiner Anteil der abgegebenen Strahlung 32-1, 32-2, 32-3 des jeweiligen Sendebauelements 30-1, 30-2, 30-3 auf die zugeordnete Fotodiode 31-1, 31-2, 31-3 fällt, um eine Leistungsüberwachung zu realisieren. Die Leistungsüberwachung der Sendebauelemente 30-1, 30-2, 30-3 dient zum Nachsteuern eventueller Leistungsverschlechterungen der Sendebauelemente 30-1, 30-2, 30-3 über der Zeit, z. B. für einen stabilen Weißabgleich, zur Funktionskontrolle und/oder für eine Schutzschaltung zum Einhalten der Lasersicherheit.According to this exemplary embodiment, the additional photodiode 30-1, 30-2, 30-3 can therefore be integrated in such a way that a small proportion of the emitted radiation 32-1, 32-2, 32-3 of the respective transmission component 30-1, 30- 2, 30-3 falls on the associated photodiode 31-1, 31-2, 31-3 in order to implement power monitoring. The performance monitoring of the transmission components 30-1, 30-2, 30-3 serves to readjust any deterioration in the performance of the transmission components 30-1, 30-2, 30-3 over time, e.g. B. for a stable white balance, for function control and / or for a protective circuit to maintain laser safety.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Strahlabführung zur Fotodiode beispielsweise auch vor dem MEMS-Spiegel 62 oder auch hinter dem MEMS-Spiegel 62 vorzugsweise auf oder dicht neben der optischen Achse 54 angeordnet sein. Die Strahlabführung kann beispielsweise über ein Winkelprisma (Beam Pickup) oder eine Lichtleiterstruktur realisiert werden, die außerhalb des für die eigentliche Projektion genutzten Gesichtsfelds (Field of View) liegt und bei bestimmten Winkelstellungen des Spiegels bewusst bestrahlt wird. Hierdurch kann zudem die Spiegelfunktion, insbesondere die Spiegelamplitude, elektronisch überprüft und gegebenenfalls nachgeregelt werden, um beispielsweise Verschlechterungen der definierten Innenatmosphäre in dem Spiegelgehäuse 60, 70 (z. B. des eingeschlossenen Vakuums) über der Zeit zu kompensieren. Die mit der Beeinträchtigung der definierten Innenatmosphäre in dem Glasfenster 70 einhergehende Dämpfungserhöhung führt zu einem erhöhten elektrischen Leistungsverbrauch, der ansonsten nicht direkt überwacht werden könnte. Die Überprüfung der Spiegelbewegung ist beispielsweise für den Anschaltvorgang der optischen Projektionsanordnung 10 (des RGB-Scanners) und insbesondere vor dem Hintergrund der Augensicherheit einer Bedienperson sinnvoll.According to a further exemplary embodiment, the beam removal to the photodiode can also be arranged, for example, in front of the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann für sog. Pico-Projektionsanordnungen eine zweite (weitere) Fotodiode (PD) 31-4 z.B. mit einem Linsenelement 40-4 mit optischer Ausrichtung zu einem Betrachter (Bedienperson) zeigend angeordnet werden, um zu verhindern, dass der Anwender direkt auf den MEMS-Spiegel 62 sieht. Sofern diese weitere Fotodiode 31-4 durch Rückreflexion am Betrachter beleuchtet wird, kann bewirkt werden, dass das Projektionssystem 10 innerhalb kürzester Zeit, z. B. ≤ 1 µs, abgeschaltet wird.According to a further embodiment, for so-called pico-projection arrangements, a second (further) photodiode (PD) 31-4 e.g. with a lens element 40-4 with optical alignment can be arranged pointing towards a viewer (operator) in order to prevent the user looks directly at the
Im Folgenden werden nochmals einige wesentliche Aspekte der erfindungsgemäßen optischen Projektionsanordnung 10 von
Ausführungsbeispiele beziehen somit sich auf eine, auf einem gemeinsamen gasdichten Trägersubstrat 20 (20-1, 20-2) kombinierte, photonische Anordnung 10 entlang einer optischen Mittelachse 54 mit Mittelpunkt auf einer beweglichen MEMS-Spiegelplatte 62 mit einer oder mehreren Halbleiterbasierten-Lichtquellen 30-1, 30-2, 30-3, z.B. ELED (egde emitting LED), VCSEL (VCSEL = vertical-cavity surface-emitting laser), LED, SLED (Superlumineszenz-LED), QLED (quantum-dot LED = Quantenpunkt-LED), deren Lichtaustrittrichtung vom Trägersubstrat 20 weg zeigt, einem hermetisch gefügten Deckel 38 mit optischem Durchlassfenster 38-3, einer Linsenanordnung 40 zur Kollimation der divergenten Strahlung, einem Umlenkprisma 50 mit der Eigenschaft die verschiedenen Strahlen, bei unterschiedlichen Wellenlängen, zu führen und unter einem Winkel α auszukoppeln, wobei der Strahl 32 unter einem Winkel β auf eine beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelfläche 62 trifft, die durch eine domförmige Glaskappe 70 hermetisch von der Außenwelt abgeschirmt ist. Der Winkel α liegt in einem Bereich zwischen 20° und 40°, vorzugsweise bei 27° +- 3 °. Der Winkel β liegt in einem Bereich zwischen 30° und 50°, vorzugsweise bei 40° +- 3°. Die gemeinsame optische Achse 54 geht durch den Mittelpunkt der Spiegelplatte 62 und kann rotationssymmetrisch um diese Spiegelplatte 62 rotiert angeordnet sein.Exemplary embodiments thus relate to a
Das Strahlkombinationsprisma 50 endet auf der Strahlauslassseite mit einer Austrittsfläche 52, die vom Trägersubstrat 20 weg zeigt. Die Abschlussfläche 53 des Prismas 50 am entgegengesetzten Ende kann unterschiedlich ausgebildet sein, z.B. durch ein angesetztes Quadratisch abschließendes Ende zum Schutz der Spiegelfläche, sofern die 45°-Spiegelfläche 50-1 zur Strahlumlenkung dadurch nicht mechanisch oder optisch beeinträchtigt wird. Die Strahlkombination verschiedener Wellenlängen durch das Prisma 50 ist nicht auf den sichtbaren Bereich (VIS = visible) beschränkt und kann sowohl in den nahen UV-Bereich als auch in den nahen Infrarot-Bereich erweitert werden, d.h. die Vorrichtung kann für die Bereiche UV-VIS, UV-VIS-NIR, VIS-NIR oder UV-NIR mit entsprechenden Emittern 30-# und einem geeignet spezifizierten Strahlkombinationsprisma 50 aufgebaut werden. Der mit Standardmaterialien zugängliche Wellenlängenbereich für diese Vorrichtung erstreckt sich von ca. 300 nm bis ca. 2650 nm. Durch den Einsatz von Quarz-Fenster- und Prismenmaterialien kann dieser Bereich ausgedehnt werden auf ca. 20 bis ca. 3000 nm, vorzugsweise würden hierbei nicht verkappte MEMS-Spiegel 60 eingesetzt. In jedem Fall, benötigt dieser breite Bereich besondere Antireflex-Beschichtungen 56, 72 und ggfs. eine besondere Verspiegelung der MEMS-Spiegelfläche 62. Der UV- und IR- Erweiterungsbereich ist insbesondere für spektroskopische Anwendungen zur Molekülanregung interessant, kann aber auch zur Objektdetektion genutzt werden.The
Als Material für das Abdeckungselement 38 oder zumindest des Durchlassfensters 38-3 des Abdeckungselements 38 kann AF32-Glas mit einer sehr flachen (plateauförmigen) Transmissionscharakteristik oder alternativ Borofloat 33 (BF33) mit einer ähnlichen Transmissionscharakteristik eingesetzt werden.AF32 glass with a very flat (plateau-shaped) transmission characteristic or alternatively Borofloat 33 (BF33) with a similar transmission characteristic can be used as the material for the
Das Strahlkombinationsprisma 40 ruht auf der Rahmenstruktur 44 (mit der Linsenhalterstruktur 42), die mit umlaufenden Wänden 44-1 eine mindestens nach außen optisch abgeschlossene Rahmenstruktur 44 ausbildet. Diese Rahmenstruktur 44 ist mit dem Trägersubstrat 20 und dem Prisma 50 mechanisch fest verbunden, wobei das Prisma 50 die Rahmenstruktur 44 z.B. gänzlich abdeckt. Die Methode der mechanischen Befestigung kann auf einer Klebeverbindung beruhen. Die Linsenhalterstruktur 42 innerhalb der Rahmenstruktur 44 ist so ausgeführt, das die Fokuslage der einzelnen Kollimationslinsen 40-1, 40-2, 40-3 oder einer integrierten Mehrfachlinse 40 durch eine vertikale Verschiebung verändert und in einer bestimmten Fokuslage fixiert werden kann. Diese Lagefixierung kann durch einen UV-härtenden Klebstoff ausgeführt sein. Auch andere Verfahren, wie z.B. mechanische Klemmung, sind nutzbar. Optionale Polarisationsplättchen 46 (Retarder Plates) können im Linsenhalter 42 unterhalb oder oberhalb der Linsen 40-# integriert werden, um die Strahlung 32 für die im Prisma befindlichen dichroitischen Beschichtungen geeignet vorzupolarisieren. Die Linsenmontage, z.B. mit UV-härtendem Klebstoff, ist auch direkt auf den Deckel 38 mit optischem Durchlassfenster 38-3 möglich, wobei sowohl die laterale Position als auch die Fokuslage durch die Klebverbindung eingestellt werden kann.The
Je nach gewählter Geometrie (Neigungswinkel) der Prisma-Auskoppelfläche 52 variiert der Auskoppelwinkel α und die MEMS-Spiegelplatte 62 befindet sich entsprechend näher oder etwas ferner von der unteren Kante des Prismas 50 entfernt. Nimmt man die Aufbauhöhe H des Prismas 50 als Maßeinheit, so befindet sich die Spiegelplatte 62 in dieser Vorrichtung z.B. nicht weiter als 12 (= 12 H) solche Maßeinheiten H von der unteren Kante der Prisma-Auskoppelfläche 52 entfernt. Die domförmige Glaskappe 70 des MEMS-Spiegels 60 ist beispielsweise doppelseitig mit einer Antireflexbeschichtung 72 versehen um Streureflexe zu vermindern. Die Kuppelgeometrie ist vorzugsweise rotationssymmetrisch (wobei eine leichte elliptische Basis mit einem Verhältnis der Längs- zur Querachse von bis zu 1 : 0,8 auch möglich ist) und mindestens so hoch über der Spiegelfläche 62 wie es einem Durchmesser D der beweglich aufgehängten Spiegelplatte entspricht und nicht höher als dem halben Durchmesser G (= G/2) der Glaskappe 70 selbst, gemessen am unteren Innenbereich des ausgewölbten Kappenbereichs 70. Durch die gewählte Geometrie der Glaskappe 70 können eventuelle Reflexe zerstreut und nicht fokussiert in den Bildbereich abgebildet werden. Die Wandstärke der Glaskappe 70 im optisch durchstrahlten Bereich ist vorzugsweise so dünn und gleichmäßig ausgeführt, dass der optische Einfluss auf die Strahldivergenz vernachlässigbar ist. Hierzu sollte die Glaskappe in diesem Bereich nicht dicker als 200 µm, vorzugsweise nicht dicker als 140 µm sein.Depending on the selected geometry (angle of inclination) of the
Bei besonderen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, den Spiegel 62 in einer Vorzugsneigung in Richtung des Prismas 50 anzukippen und damit den vom „Field of View“ des Spiegelscanners aktiv bestrahlbaren Bereich in Richtung der orthogonalen Achse in Bezug auf das Trägersubstrat 20 auszurichten. Dies kann durch ein untergelegtes keilförmiges Formteil 24 oder durch den Aufbau des Spiegels 60 auf einem ggfs. zweiten, geneigten Substrat 24 ausgeführt werden.In special applications, it can be advantageous to tilt the
Es ist möglich die Halbleiterlichtquellen 30-# auf keramische Submounts 34, wie z.B. AI20 3, AIN, SbN4, oder andere Keramiken aufweisen, aufzubauen um die Wärmeabfuhr zu verbessern und mechanischen Stress abzufangen. Die Submounts 34 können entweder nur jeweils eine Lichtquelle 30-# oder mehrere Lichtquellen 30-# tragen. Durch eine Metallisierung der Submounts um eine 90°-Kante herum ist es möglich auch kantenemittierende Laserdioden (ELED) und Superlumineszenz-Lichtdioden (SLED) so aufzubauen und zu kontaktieren, dass deren Strahlung nach oben hin abgegeben wird. In besonderen Fällen, insbesondere bei geringer optischer Leistung, können die Halbleiterlichtquellen 30-# auch direkt auf dem gasdichten Trägersubstrat 20 aufgebaut und kontaktiert werden. Das gasdichte Trägersubstrat 20 (20-1 und/oder 20-2) weist beispielsweise ein thermisch leitfähiges Keramikmaterial mit niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wie z.B. AI203, AIN, Si3N4, LTCC, HTCC, oder Silizium auf.It is possible to construct the semiconductor light sources 30-# on
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die MEMS-Spiegelanordnung 60 auch eine andere als eine domförmig ausgeführte Glasdeckelstruktur 70 aufweisen, wobei die hermetische Verkappung der MEMS-Spiegelanordnung 60 optional ist. Für quasi-statische Spiegel 60 ist ein Vakuum zum Betrieb nicht (unbedingt) notwendig.According to an exemplary embodiment, the
Die kombinierte RGB-Scannereinheit dient beispielsweise zur Daten- und Bildprojektion in mobilen Anwendungen aber auch im Innenbereich von Fahrzeugen und kann mit anderen Wellenlängen betrieben auch für spektroskopische Anwendungen in der Medizin, Biologie, Landwirtschaft bzw. Pflanzenzucht und Abfallwirtschaft eingesetzt werden. Weitere Anwendungsgebiete als gepulste Strahlquelle für LIDAR-Objektdetektion sind möglich. Zudem sind Anwendungen im Bereich lokaler UV-Bestrahlung beispielsweise zur Lackaushärtung und Sterilisation möglich.The combined RGB scanner unit is used, for example, for data and image projection in mobile applications but also in the interior of vehicles and can be operated with other wavelengths for spectroscopic applications in medicine, biology, agriculture or plant breeding and waste management. Further areas of application as a pulsed beam source for LIDAR object detection are possible. In addition, applications in the area of local UV radiation are possible, for example for paint curing and sterilization.
Die Anwendung des hermetischen Häusungsverfahrens (siehe unten) auch für Einzelelemente mit optisch detektierender oder optisch emittierender Funktion ist darüber hinaus sehr vielfältig.The use of the hermetic housing process (see below) for individual elements with an optically detecting or optically emitting function is also very diverse.
So zeigt
Bei dem anhand der
Im Folgenden werden nochmals einige werden einige wesentliche Aspekte der erfindungsgemäßen optischen Projektionsanordnung 10 von
Ausführungsbeispiele beziehen somit sich auf eine optischen Projektionsanordnung 10 auf Basis von vertikal emittierenden Laserdioden (VCSEL) 30-#. Die Linsen 40-# sind in Fokuslage auf den hermetisch gefügten Glasdeckel 38 aufgeklebt. Durch die Aufteilung in einen hermetisch gegen Gasaustausch abgeschlossenen Bereich 20-1, 38 und einen offenen Bereich werden Einschränkungen hinsichtlich der einsetzbaren Fügewerkstoffe und Materialien für die Optikmontage im offenen Bereich weitgehend reduziert. Das gasdichte erste Trägersubstrat 20-1 und das hermetisch daran gefügte, gasdichte Abdeckungselement 38 bilden somit das hermetische (= gasdichte) Primärgehäuse (= Kavität) um die optoelektronischen Bauteile 30 (3-1, 30-2, 30-2).Embodiments thus relate to an
Der sogenannte Linsenträger (= Rahmenstruktur 44 mit Linsenhalterstruktur 42) braucht bei dieser Bereichsaufteilung keine definierte Arbeitsatmosphäre einschließen und hat ausschließlich eine mechanische Trägerfunktion und kann als optische Abschirmung gegen Streustrahlung nach außen wirken. In der Kavität des hermetisch abgeschlossenen Bereichs 20-1, 38 befinden sich die Halbleiter-Lichtquellen 30-# (mindestens eine, es kann aber auch eine Mehrzahl sein) auf einzelnen Submounts, einem gemeinsamen Submount 34 oder in Direktmontagetechnik auf das Trägersubstrat 20, für deren Aufbau- und Verbindungstechnik beispielsweise auf die Verwendung organischer Materialien verzichtet wird. Vielmehr können diese Aufbauten durch metallische Verbindungstechniken realisiert werden, d.h. Weichlötverbindungen auf Basis von Zinn oder Indium basierten Weichloten oder eutektischen Lötungen z.B. im System AuSn. Weitere Verbindungstechniken auf Basis von Sintertechnologie z.B. mit Silber basierten Sinterpasten sind auch möglich. Diese genannten metallischen Verbindungstechniken können auch für die Rahmenversiegelung des Glasdeckels bzw. Silizium-Glas-Deckels 38 oder alternativen Deckelvarianten mit optischem Durchlassfenster 38-3 zum Einsatz kommen. Diese alternativen Deckelvarianten können einen gefrästen Metallrahmen oder tiefgezogene Metallbleche 38 mit einem hermetisch eingesetzten Glasfenster 38-3 aufweisen (siehe z.B.
So zeigt
Bei dem anhand der
Gemäß Ausführungsbeispielen kann also die Rahmenstruktur 44 einen nach außen optisch abgeschlossenen Rahmen ausbilden, soweit das Wandmaterial für die jeweilige Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 intransparent ausgebildet sind. Das gasdichte Abdeckungselement 38 kann z.B. ein Abtrennelement 38-4 aufweisen, um zwei Teilkavitäten 38-A, 38-B zur optischen Kanaltrennung der Halbleiterlichtquellen 30-1 und 30-2, 30-3 zu bilden.According to exemplary embodiments, the
Im Folgenden werden nochmals einige werden einige wesentliche Aspekte der erfindungsgemäßen optischen Projektionsanordnung 10 von
Ausführungsbeispiele beziehen somit sich auf eine optischen Projektionsanordnung 10 mit einem Glas-Silizium-Deckel 38 mit Doppelkavität 38-A, 38-B. Die Kavitätshöhe H38 wird durch den Siliziumrahmen 38-1 des Deckels 38 bestimmt und ist nicht auf eine Silizium Standard-Waferdicke von 725 µm beschränkt. Durch Verwendung besonders dicker Silizium-Wafer oder einen Stapelaufbau kann die Kavitätshöhe H38 an besondere Anforderungen der optischen Aufbauten in der Kavität 20, 38 angepasst werden. Sowohl das Verfahren für die Herstellung von Glas-Deckeln 38 und für die Herstellung von Silizium-Glas-Deckeln 38 ermöglichen die Ausbildung von Multikavitäten38-A, 38-B, ... in einem Deckel 38, die es ermöglichen eine optische Kanaltrennung und falls nötig eine Trennung der Atmosphären zu realisieren. Durch den Einsatz von Getterwerkstoffen in einer ausgewählten Kavität können reaktive Luftgase (Stickstoff, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser) lokal gebunden und aus der eingeschlossenen Atmosphäre entfernt werden.Exemplary embodiments thus relate to an
So zeigt
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann also die Rahmenstruktur 44 einen nach außen optisch abgeschlossenen Rahmen ausbilden, soweit das Wandmaterial für die jeweilige Sendestrahlung 32-1, 32-2, 32-3 intransparent ausgebildet sind. Das gasdichte Abdeckungselement 38 kann z.B. ein Abtrennelement 38-4 aufweisen, um zwei Teilkavitäten 38-A, 38-B zur optischen Kanaltrennung der Halbleiterlichtquellen 30-1 und 30-2, 30-3 zu bilden.According to one exemplary embodiment, the
Wie in
So zeigt
Bei dem Ausführungsbeispiel von
Ausführungsbeispiel beziehen somit sich auch auf eine optischen Projektionsanordnung 10 mit einem Metall-Glas-Deckel 38 mit hermetischem Randabschluss 38-1, 38-2 und hermetisch eingesetztem Glasfenster 38-3.Embodiments thus also relate to an
So zeigt
Wie in
So zeigt
So kann gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel der optischen Projektionsanordnung 10 von
Bei einigen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Spiegelanordnung 60 in einer Vorzugsneigung in Richtung des Prismas 50 anzukippen und damit den vom „Field of View“ (= Sichtfeld) des Spiegelscanners 10 aktiv bestrahlbaren Bereich in Richtung der orthogonalen Achse in Bezug auf das Trägersubstrat 20 auszurichten. Dies kann durch ein untergelegtes keilförmiges Formteil 24 oder durch den Aufbau des Spiegels 60 auf dem zweiten Substratabschnitt 20-2, der entsprechend geneigt ausgeführt ist, ausgebildet werden.In some applications it may be desirable to tilt the
Diese Anordnung mit der vorverkippten Spiegelanordnung 60 kann beispielsweise vorgesehen werden, um den Sendestrahl 32 möglichst steil oder senkrecht (z.B. im Idealfall senkrecht) von oben auf das Spiegelelement 62 auftreffen zu lassen und (im Idealfall) bei dessen Strahlführung keinen Schattenwurf zu verursachen. Um dieser Implementierung möglichst nahezukommen, wird durch die vorverkippte Anordnung der Spiegelanordnung 60 einerseits ein möglichst steiler Einfallswinkel β des Sendestrahls 32 auf das Spiegelelement 62 bewirkt, wobei ferner der gescannte Strahl 32 beim Austritt aus der Glaskuppel (dem Dom) 70 relativ weit von dem unteren Rand des Kuppelelements 70 entfernt diesen durchtritt. Dadurch kann erreicht werden, dass die zum unteren Rand der Glaskuppel 30 zunehmende Dicke des Glasmaterials der Glaskuppel 70 keine optischen Störeinflüsse auf den Strahl 32 ausübt. Ferner entsteht das projizierte Bild durch den Strahl 32 weniger seitlich verschoben. In beiden Fällen kann die Spiegelplatte 62 parallel zum Aufbausubstrat 20 in der Ruhelage ausgerichtet sein.This arrangement with the
Vorrichtung mit seitlich angeneigtem MEMS-Spiegel 60 kann beispielsweise vorgesehen werden, um den bestrahlbaren Bereich in der Winkellage orthogonaler zum Trägersubstrat einstellen zu können.A device with a laterally
Wie in
So zeigt
Das in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 100 zur Herstellung der optischen Projektionsanordnung 10 einen Schritt 110 des Anordnens einer ersten Baugruppe 10-1 auf einem gasdichten ersten Teilsubstrat 20-1. Der Schritt 110 des Anordnens umfasst ferner einen Schritt 112 des Anordnens eines optoelektronischen Bauteils (z. B. Sendebauteils) 30-# an dem ersten Teilsubstrat 20-1, wobei zumindest ein Teil der Sendestrahlung 32 des optoelektronischen Bauteils 30 eine Hauptabstrahlrichtung in einem Bereich von +-30° zu einer Vertikalen des ersten Teilsubstrats 20-1 aufweist, und ferner einen Schritt 114 des hermetischen Fügens eines gasdichten Abdeckungselements 38 mit dem ersten Teilsubstrat 20-1, um eine hermetisch dichte Häusung für das optoelektronische Bauteil 30 bereitzustellen, wobei das Abdeckungselement 38 zumindest im Bereich der Hauptabstrahlrichtung ein für die Sendestrahlung transparentes Material aufweist.According to one exemplary embodiment, the
Der Schritt des Anordnens 110 umfasst ferner einen Schritt 116 des Anordnens einer Linsenanordnung 40 feststehend bezüglich des Abdeckungselements 38 zur Kollimation der z. B. divergenten Sendestrahlung 32 des optoelektronischen Bauteils 30 und ferner einen Schritt 118 des Anordnens einer Prisma-Anordnung 50, z. B. mit Umlenk- und Strahlkombinationsfunktionalität, fest bezüglich des Abdeckungselements 38 oder an dem Abdeckungselement 38, wobei die Prisma-Anordnung 50 ausgebildet ist, um die kollimierte Sendestrahlung 32 des optoelektronischen Bauteils zu führen und unter einem Abstrahlwinkel, z. B. einem ersten Winkel α, bezüglich einer Auskoppeloberfläche 52 der als Umlenkprisma wirksamen Prisma-Anordnung 50 auszukoppeln. Der Abstrahlwinkel α kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 20° und 40° oder bei 27° +- 3° liegen.The step of arranging 110 further comprises a
Das Verfahren 100 umfasst ferner einen Schritt 120 des Anordnens einer zweiten Baugruppe 10-2 auf einem zweiten Teilsubstrat 20-2. Der Schritt 120 des Anordnens umfasst ferner einen Schritt 122 des Anordnens einer, z. B. mit einem Ansteuersignal ansteuerbaren, MEMS-Spiegelanordnung 60 mit einem beweglich aufgehängten und, z. B. mit dem Ansteuersignal, auslenkbaren MEMS-basierten Spiegelelement 62 (Spiegelfläche) auf dem zweiten Teilsubstrat 20-2, wobei die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet sind, dass die ausgekoppelte Sendestrahlung 32 (Sendestrahl) unter einem Einfallwinkel β auf das beweglich aufgehängte MEMS-basierte Spiegelelement 62 trifft, wobei der Einfallwinkel β im Ruhezustand des MEMS-basierten Spiegelelements in einem Bereich zwischen 30° und 50° oder bei 40° +- 3° liegt. Der Einfallswinkel β auf die Spiegelfläche 62 des MEMS-Spiegelelements 60 ist durch die Auslenkung des MEMS-Spiegelelements 62 einstellbar.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das optoelektronische Bauteil 30 eine Mehrzahl von Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-#, z. B. LEDs oder Laserdioden für eine RGB-Sendestrahlung 32, auf, wobei das Verfahren 100 ferner einen Schritt 130 des Anordnens der Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-# als eine integrierte Bare-Die-Anordnung an dem ersten Teilsubstrat 20-1 aufweist, wobei die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-# gegebenenfalls integrierte Kollimationslinsen aufweisen können.According to an exemplary embodiment, the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Halbleiter-basierten Lichtquellen 30-# beispielsweise ohne ein Submount direkt auf dem ersten Teilsubstrat 20-1 (Trägersubstrat) angeordnet werden (Schritt 132).According to a further exemplary embodiment, the semiconductor-based light sources 30-# can be arranged directly on the first partial substrate 20-1 (carrier substrate) without a submount, for example (step 132).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine optisch wirksame Beschichtung 56, z. B. eine Antireflexionsbeschichtung etc., an der Einkoppel- und/oder Auskoppeloberfläche 52 der Prisma-Anordnung angeordnet werden (Schritt 134).According to a further embodiment, an optically
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Prisma-Anordnung und die MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet werden (Schritt 136), dass die (gemeinsame) optische Achse 54 der ausgekoppelten Sendestrahlung 32 des optoelektronischen Bauteils 30 durch den Mittelpunkt des Spiegelelements bzw. der Spiegelplatte 62 verläuft.According to a further exemplary embodiment, the prism arrangement and the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet werden (Schritt 138), dass die ausgekoppelte Sendestrahlung 32 des optoelektronischen Bauteils 30 rotationssymmetrisch um den Mittelpunkt der Spiegelplatte 62 angeordnet ist.According to a further exemplary embodiment, the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Linsenanordnung 40 mittels einer Linsenhalterstruktur 42 als Teil einer Haltestruktur 44 in einer definierten Fokuslage bezüglich des gasdichten Abdeckungselements 38 fixiert werden (Schritt 140), wobei die Prisma-Anordnung 50 an/auf der Rahmenstruktur 44 mit der Linsenhalterstruktur 42 angeordnet ist und die Rahmenstruktur 44 mit umlaufenden Wänden 44-1 eine (zumindest) nach außen optisch abgeschlossene Rahmenstruktur 44 ausbildet. Die Linsenanordnung 40 kann zur Kompensation der zusätzlich durch die kuppelförmige bzw. domförmige Glaskappe 70 verursachten Ablenkung der Sendestrahlung 32 dienen. Die Linsenhalterstruktur 42 innerhalb der Rahmenstruktur 44 ist beispielsweise so ausgeführt, dass die Fokuslage der jeweiligen Kollimationslinse oder einer integrierten Mehrfachlinse 40 durch eine vertikale Verschiebung verändert und in einer bestimmten Fokuslage fixiert werden kann.According to a further embodiment, the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Linsenanordnung 40 in der definierten Fokuslage an dem gasdichten Abdeckungselement 38 fixiert bzw. angeklebt werden (Schritt 142), wobei die Prisma-Anordnung 50 mittels der Rahmenstruktur fest an dem ersten Teilsubstrat bzw. Trägersubstrat 20-1 angeordnet wird.According to a further exemplary embodiment, the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Prisma-Anordnung 50 und die MEMS-Spiegelanordnung 60 geometrisch so zueinander angeordnet werden (Schritt 144), dass ein z. B. minimaler, lateraler Abstand der unteren Kante der Auskoppelfläche 52 der Prisma-Anordnung 50 zu dem Mittelpunkt des Spiegelelements bzw. der Spiegelplatte 62 weniger als der 12-fache Wert der Aufbauhöhe H (= Dicke) der Prisma-Anordnung 50 beträgt.According to a further exemplary embodiment, the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Spiegelelement 62 in einem in Richtung der Prisma-Anordnung 50 geneigten bzw. angekippten Zustand angeordnet werden (Schritt 146). Das Spiegelelement 62 kann also in einer Vorzugsneigung bezüglich der Prisma-Anordnung 50 angeordnet werden. Dazu kann die Spiegelanordnung beispielsweise auf einen Keil 24 aufgesetzt und fixiert werden, um den geneigten, vorgekippten Aufbau der Spiegelanordnung 60 in Richtung der Prisma-Anordnung 50 zu erhalten.According to a further exemplary embodiment, the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können das erste und zweite Teilsubstrat 20-1, 20-2 fest miteinander gekoppelt werden (Schritt 148). Dies kann beispielsweise durch ein direktes Anflanschen des ersten und zweiten Teilsubstrats 20-1, 20-2 erfolgen. Damit ist es möglich, dass die MEMS-Spiegelanordnung 60 entkoppelt von der Lichtquelle auf einem eigenen Substrat (Teilsubstrat 20-2) aufgebaut werden kann.According to an exemplary embodiment, the first and second sub-substrates 20-1, 20-2 can be firmly coupled to one another (step 148). This can be done, for example, by directly flanging on the first and second partial substrates 20-1, 20-2. This makes it possible for the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine kuppelförmige bzw. domförmige Glaskappe 70 mit dem zweiten Teilsubstrat 20-2 hermetisch gefügt werden (Schritt 150), um eine hermetisch dichte Häusung, z. B. für eine hermetische Abschirmung und/oder Verkapselung), für die MEMS-Spiegelanordnung 60 gegenüber der Umgebungsatmosphäre zu bilden.According to a further exemplary embodiment, a dome-shaped or dome-shaped
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine optisch wirksame Beschichtung 72, z. B. eine Antireflexionsbeschichtung etc., an der Innenseite- und/oder Außenoberfläche an der kuppelförmigen Glaskappe 70 angeordnet werden (Schritt 152). Die optisch wirksame Beschichtung 72 kann beispielsweise zumindest an den Strahldurchtrittsflächen der kuppelförmigen Glaskappe 70 aufgebracht werden.According to one embodiment, an optically
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine reaktive Atmosphäre in der hermetisch dichten Häusung für das optoelektronische Bauteil 30 mit ausschließlich organischen Substanzen angeordnet werden (Schritt 154). Die hermetisch dichte Häusung für das optoelektronische Bauteil 30 kann ferner hermetisch dicht gegenüber dem Eindringen von Wasserdampf ausgebildet sein.According to a further exemplary embodiment, a reactive atmosphere can be arranged in the hermetically sealed housing for the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden bei dem Verfahren 200 zur Herstellung eines Deckelsubstrats 90, z.B. zum Häusen eines oder einer Mehrzahl von optischen Bauelementen, bei Schritt 210 ein Formsubstrat 80, das einen strukturierten Oberflächenbereich 80-1 mit einer Vertiefung 82 aufweist, und ein Abdeckungssubstrat 90, das ein Glasmaterial aufweist, bereitgestellt. Bei Schritt 220 wird das Abdeckungssubstrat 90 mit dem Formsubstrat 80 verbunden, um mittels der Vertiefung 82 eine abgeschlossene Kavität 84 zwischen dem Abdeckungssubstrat 90 und dem Formsubstrat 80 zu bilden. Bei Schritt 230 werden das Abdeckungssubstrat 90 und das Formsubstrat 80 getempert, um die Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 zu verringern, wobei ferner ein Überdruck in der abgeschlossenen Kavität 84 gegenüber der umgebenden Atmosphäre bereitgestellt wird, um basierend auf der verringerten Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 und dem Überdruck in der abgeschlossenen Kavität 84 gegenüber der umgebenden Atmosphäre ein definiertes Auswölben des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 ausgehend von der abgeschlossenen Kavität 84 bis zu einer von dem Abdeckungssubstrat beabstandeten Anschlagfläche 94-1 zu bewirken, um ein geformtes Abdeckungssubstrat 90 mit zumindest einem Deckelelement 38 zu erhalten. Bei Schritt 250 wird das Anschlagelement 94 und das Formsubstrat 80 von dem geformten Abdeckungssubstrat 90 entfernt, wobei das geformte Abdeckungssubstrat 90 das Deckelsubstrat mit dem zumindest einen Deckelelement 38 bildet.According to an exemplary embodiment, in the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Abdeckungssubstrat 90 eine Versteifungsstruktur 92 an dem ersten oder zweiten Hauptoberflächenbereich 90-1, 90-2 des Abdeckungssubstrats 90 auf, wobei bei dem Schritt 220 des Anordnens des Abdeckungssubstrats 90 auf dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 das Abdeckungssubstrat 90 mit dem Verstärkungselement 92 ausgerichtet auf dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 angeordnet wird, um das Verstärkungselement 92 an dem Abdeckungssubstrat 90 in einer ausgerichteten Position zu dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 anzuordnen.According to one embodiment, the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das Abdeckungssubstrat zwei gegenüberliegende Versteifungsstrukturen 92 auf, die an dem Abdeckungssubstrat 90 an gegenüberliegenden Seitenflächen 90-1, 90-2 des Abdeckungssubstrats 90 und gegenüberliegend zueinander an einer Position angeordnet sind, um bei dem Schritt 220 des Anordnens des Abdeckungssubstrats 90 auf dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 das Abdeckungssubstrat 90 ausgerichtet auf dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 anzuordnen, um das dem Formsubstrat 80 zugewandte Verstärkungselement 92 in einer ausgerichteten Position mit dem strukturierten Oberflächenbereich des Formsubstrats 80 anzuordnen.According to a further exemplary embodiment, the cover substrate has two opposing
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren ferner mit folgenden Schritte auf: Entfernen der Versteifungsstruktur oder Versteifungsstrukturen 92 nach dem Schritt des Temperns und des Bereitstellens eines Überdrucks von dem geformten Abdeckungssubstrat 90, und/oder Vereinzeln des geformten Abdeckungssubstrats, um vereinzelte Deckelelemente 38 zu erhalten.According to an exemplary embodiment, the method further comprises the following steps: removing the stiffening structure or stiffening
Insbesondere zeigt
Bei Schritt 210 werden zunächst ein Formsubstrat 80, z. B. ein Halbleiter- oder SiliziumWafer, mit einem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 bereitgestellt, das heißt, das Formsubstrat 80 ist zumindest mit einer Vertiefung bzw. Ausnehmung 82 versehen. Ferner wird das Abdeckungssubstrat 90, z. B. ein Glaswafer, bereitgestellt. Das Abdeckungssubstrat 90 weist ferner an dem ersten und zweiten Hauptoberflächenbereich 90-1, 90-2 desselben jeweils gegenüberliegend Verstärkungselemente 92 auf, die zueinander ausgerichtet sind. Die Verstärkungselemente 92 sind beispielsweise paarweise gegenüberliegend an dem ersten und zweiten Hauptoberflächenbereich 90-1, 90-2 des Abdeckungssubstrats 90 angeordnet. Die Verstärkungselemente 92 an den gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereichen 90-1, 90-2 des Abdeckungssubstrats 90 sind hinsichtlich einer vertikalen Projektion beispielsweise deckungsgleich bzw. aneinander überdeckend angeordnet.At
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Formsubstrat 80 als ein Halbleitersubstrat (Halbleiterwafer oder Siliziumwafer) und das Abdeckungssubstrat 90 als ein Glassubstrat bzw. Glaswafer ausgebildet sein.According to an exemplary embodiment, the
Das Formsubstrat 80 ist beispielsweise ein geformtes Substrat mit einer Form, Kontur oder Topographie, wie z. B. ein topographisch strukturiertes Substrat. Das Formsubstrat 80 kann beispielsweise als ein Halbleiterwafer, z. B. ein Siliziumwafer, ausgebildet sein, wobei die Oberflächenstrukturierung bzw. Topographie des Formsubstrats mittels Halbleiterbearbeitungsschritten bzw. Siliziumbearbeitungsschritten äußerst exakt erhalten werden kann. Ferner können auch mechanische Oberflächenbearbeitungsverfahren, z. B. für ein CNC-Fräsen, zum Bilden der Struktur in dem Formsubstrat 80 angewendet werden. Ferner können neben Halbleitermaterialien, wie z. B. Si, SiGe, beispielsweise auch andere Materialien, wie z. B. AIN, SiC, hochschmelzendes Glas (z. B. Schott AF32), für das Formsubstrat eingesetzt werden, die für ein fotolithographisches oder mechanisches Oberflächenbearbeitungsverfahren zum Bilden der Struktur in dem Formsubstrat 80 geeignet sind und ferner bei den Tempervorgängen während des Verfahrens zur Herstellung des Deckelsubstrats ausreichend temperaturstabil sind.Molded
Das Abdeckungssubstrat 90 weist beispielsweise ein (einziges) homogenes Material bzw. Glasmaterial auf, um mit den folgenden Herstellungsschritten daraus das geformte Abdeckungssubstrat 90 als Deckelsubstrat bzw. Glaskappe mit den einzelnen Abdeckungselementen 38 zu bilden.The covering
Bei dem Schritt 210 wird ferner das Abdeckungssubstrat 90 auf dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 ausgerichtet angeordnet, um die Verstärkungselemente 92, z. B. Silizium-Verstärkungselemente, des Abdeckungssubstrats 90 in einer ausgerichteten bzw. vorgegebenen Position mit dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 anzuordnen. So kann beispielsweise der zweite Hauptoberflächenbereich 90-2 des Abdeckungssubstrats 90, der an dem Formsubstrat 80, das heißt an den erhöhten Bereichen des strukturierten Oberflächenbereichs 80-1 des Formsubstrats 80, anliegt, eben bzw. plan sein und somit ohne Ausnehmungen oder Vertiefungen ausgebildet sein.Also at
Ferner werden die Verstärkungselemente an dem zweiten Hauptoberflächenbereich 90-2 des Abdeckungssubstrats 90 jeweils innerhalb der Vertiefungen 82 des Formsubstrats 80, das heißt zwischen den erhöhten Bereichen des strukturierten Oberflächenbereichs 80-1 des Formsubstrats 80, angeordnet.Furthermore, the reinforcing elements on the second main surface area 90-2 of the
Bei einem Schritt 220 wird dann das Abdeckungssubstrat 90 mit dem Formsubstrat 80 verbunden bzw. gefügt, z. B. mittels anodischem Bonden hermetisch verbunden, um zumindest eine abgeschlossene Kavität 84 zwischen dem Abdeckungssubstrat 90 und dem Formsubstrat 80 zu bilden. Dabei bildet die in dem Formsubstrat 80 angeordnete Vertiefung 82 bzw. bilden die in dem Formsubstrat 80 angeordneten Vertiefungen 82 dann jeweils die zumindest eine abgeschlossene Kavität 84 zwischen dem Abdeckungssubstrat 90 und dem Formsubstrat 80.At
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das hermetische Verbinden 220 des Abdeckungssubstrats 90 mit dem Formsubstrat 80 in einer Atmosphäre mit einem definierten atmosphärischen Unterdruck durchgeführt, um einen definierten atmosphärischen Druck in den abgeschlossenen Kavitäten 84 einzuschließen.According to an exemplary embodiment, the
In Vorbereitung des eigentlichen Herstellungsprozesses (Schritte 210, 220) wird also ein mit Verstärkungselementen 92 vorbereiteter Glaswafer 90 (= Abdeckungssubstrat) bereitgestellt. In der Vorbereitung wird zudem das Formsubstrat 80, z. B. ein Silizium-Formsubstrat, mit einseitigen Kavitäten und Kanalstrukturen 82 (= Ausnehmungen oder Vertiefungen) versehen. Der Glaswafer 90 wird zu dem Formsubstrat 10 ausgerichtet und in einer definierten Atmosphäre beispielsweise anodisch gebondet, um einen (definierten) Gasdruck in den Kavitäten und Kanalstrukturen 84 einzuschließen.In preparation for the actual production process (
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens 200 sind das Abdeckungssubstrat 90 und/oder das Formsubstrat 10 ausgebildet, um die abgeschlossene Kavität 84 mit einer Mehrzahl von abgeschlossenen Kavitätsbereichen 84 zwischen dem Abdeckungssubstrat 90 und dem Formsubstrat 10 zu bilden, wobei die abgeschlossenen Kavitätsbereiche 84 fluidisch getrennt voneinander sind oder wobei ferner Gasaustauschkanäle 84-1 zwischen den von der Umgebungsatmosphäre abgeschlossenen Kavitätsbereichen 84 vorhanden sind, um diese fluidisch miteinander zu verbinden, um einen gemeinsamen definierten atmosphärischen Druck in den verbundenen Kavitätsbereichen 84 zu erhalten.According to an embodiment of the
Bei einem (nachfolgenden) Schritt 230 wird nun das Abdeckungssubstrat 90 und das Formsubstrat 10 getempert, das heißt, einer Temperaturbehandlung unterzogen bzw. erhitzt (erwärmt), um die Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 zu verringern. Ferner wird bei dem Schritt 130 ein Überdruck in der (zumindest einen) abgeschlossenen Kavität bzw. den abgeschlossenen Kavitätsbereichen 84 gegenüber der umgebenden Atmosphäre bereitgestellt, um basierend auf der verringerten Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 und dem Überdruck in der abgeschlossenen Kavität 84 gegenüber der umgebenden Atmosphäre ein definiertes Auswölben, z. B. Ausglasen oder Verformen, des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 ausgehend von der abgeschlossenen Kavität 84 bis zu einer von dem Abdeckungssubstrat 90 beabstandeten Anschlagsfläche 94-1 eines Anschlagelements 94 zu bewirken. Das definierte Auswölben des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 aufgrund des Überdrucks in der abgeschlossenen Kavität 84 und der verringerten Viskosität des Glasmaterials kann auch als Ausblasen oder Verformen des Glasmaterials bezeichnet werden.At a (subsequent)
Durch das definierte Auswölben des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 90 wird somit ein geformtes Abdeckungssubstrat 90 mit (zumindest) einem Deckelelement bzw. Abdeckungselement 38 (= Auswölbung oder Verformung) erhalten. Als Abdeckungselement 38 wird somit die erhaltene Auswölbung oder Verformung des geformten Abdeckungssubstrats (= Deckelsubstrat) 90 bezeichnet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 230 des Temperns in einem Temperaturbereich über 650 °C, z. B. zwischen 650 °C und 955 °C oder zwischen 650 °C und 750 °C durchgeführt werden.The defined bulging of the glass material of the covering
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Ablaufdiagramm 200 wird das Abdeckungssubstrat 90 bei dem Schritt des Temperns und des Bereitstellens eines Überdrucks 32 im Bereich der abgeschlossenen Kavität 84 bis zu einer Höhe h (abzüglich der Dicke der Verstärkungselemente 92) ausgewölbt bzw. ausgeblasen, wobei die Höhe h durch den vertikalen Abstand der Anschlagfläche 94-1 des Anschlags 94 zu dem ersten Hauptoberflächenbereich 90-1 des Abdeckungssubstrats 90 vorgegeben ist.According to an exemplary embodiment of
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Ablaufdiagramms 200 ist der der Kavität 84 oder den Kavitätsbereichen 84 gegenüberliegende Bereich der Anschlagsfläche 94-1 des Anschlagselements 94 eben und parallel zu dem Hauptoberflächenbereich 90-1 des Abdeckungselements 90 ausgebildet, um bei dem Schritt 230 des Temperns und des Bereitstellens eines Überdrucks einen ebenen Deckenbereich 38-3 des Deckelelements 38 zu bilden.According to an exemplary embodiment of the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels des Ablaufdiagramms 200 kann der der Kavität 84 oder den Kavitätsbereichen 84 gegenüberliegende Bereich der Anschlagfläche 94-1 des Anschlagelements 94 auch geneigt (lokal geneigt) bezüglich des Hauptoberflächenbereichs 90-1 des Abdeckungssubstrats 90 ausgebildet sein, um bei dem Schritt 130 einen geneigten Deckenbereich 38-3 des Deckelelements 38 zu bilden.According to a further exemplary embodiment of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Anschlagelement 94 als ein wieder verwendbares Werkzeug ausgeführt sein und eine Antihaftbeschichtung 94-1 (als bzw. an der Anschlagfläche 94-1) für das Glasmaterial des Abdeckungssubstrats 90 aufweisen. Die Durchführung des Glasfließprozesses 230 kann also in einem druckkontrollierten Ofen 96 erfolgen.According to an exemplary embodiment, the
Nach dem Abkühlen und der Entnahme des geformten Abdeckungssubstrats 90 mit dem Formsubstrat 80 aus dem Ofen 50 wird nun bei einem nachfolgenden Schritt 240 das Anschlagelement 90, das Formsubstrat 80 sowie die Verstärkungselemente 92 von dem geformten Abdeckungssubstrat 94 entfernt, wobei nun das geformte Abdeckungssubstrat 90 das Deckelsubstrat mit dem zumindest einen Deckelelement bzw. Abdeckungselement 38 bildet. Das Deckelsubstrat 90 kann z. B. zum Häusen eines oder einer Mehrzahl von optischen oder optoelektronischen Bauelementen 30 eingesetzt werden.After the cooling and the removal of the shaped
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 240 des Entfernens des Anschlagelements 94, des Formsubstrats 80 und der Verstärkungselemente 92 mittels eines Ätzvorgangs, z. B. eines Silizium- oder Halbleiter-Ätzvorgangs des Halbleiter- oder Siliziummaterials des Formsubstrats 80 und der Verstärkungselemente 92 durchgeführt werden. Soweit das Anschlagelement 94 nicht als wieder verwendbares Werkzeug ausgebildet ist, kann auch das Anschlagelement 94 mittels eines Halbleiter-Ätzvorgangs entfernt werden.According to one embodiment, the
Da das Abdeckungssubstrat 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel ein einziges homogenes Material, z. B. ein Glasmaterial, aufweist, ist auch das geformte Abdeckungssubstrat 94` einteilig (einstückig) und aus einem einzigen homogenen Material, z. B. dem Glasmaterial, ausgebildet.According to one embodiment, since the
Bei einem (optionalen) nachfolgenden Schritt 250 kann der Prozessablauf 200 ferner auf Aufbringen bzw. Abscheiden einer Metallisierung 86 als eine (zusammenhängende) Rahmenstruktur bzw. als ein Versiegelungsrahmen an dem zweiten Hauptoberflächenbereich an den nicht-ausgewölbten Bereichen (Sockelbereichen) 38-2 der Deckelelemente 38 des geformten Abdeckungssubstrats (des Deckelsubstrats) 94` aufweisen.In an (optional)
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ferner bei Schritt 250 eine Antireflexionsbeschichtung 88 auf einem innenseitigen und/oder außenseitigen Bereich, z. B. dem Strahlungsaustrittsbereich bzw. dem Deckenbereich 38-3, des Deckelelements 38 des geformten Abdeckungssubstrats 94' aufgebracht oder abgeschieden werden.Further according to an embodiment, at
Bei dem optionalen Schritt 250 kann somit eine Abscheidung des Versiegelungsrahmens 86 und/oder der optionalen Antireflexionsbeschichtung(en) 88 auf das Deckelsubstrat 94` erfolgen. Mit diesem Glas-Deckelsubstrat 94` können dann optische Aufbauten auf Waferebene hermetisch versiegelt werden.In the
Bei einem optionalen nachfolgenden Schritt 260 kann der Prozessablauf 200 ferner ein Vereinzeln des geformten Abdeckungssubstrats 94' aufweisen, um vereinzelte Abdeckungselemente bzw. Deckelelemente 38 zu erhalten. Das Vereinzeln 260 des Glas-Deckelsubstrats 94` kann beispielsweise durch Sägen oder Lasertrennung erfolgen. Mit den vereinzelten Abdeckungselementen 38 können optische Aufbauten auf Einzelsubstratebene oder auf Waferebene durch Einzelverkappung hermetisch versiegelt werden.In an optional
Im Folgenden werden nochmals einige werden einige wesentliche Aspekte und Verfahrensschritte des Prozessablaufs des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens 200 von
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren 200 von
Das erfindungsgemäße Verfahren 200 zur Herstellung optischer Komponenten, weist beispielsweise folgende Verfahrensschritte auf:
- - Bereitstellen eines ersten Substrats 90 und eines zweiten Substrats 80,
- - Bereitstellen mindestens eines Verstärkungselements 92,
- - Erzeugen eines Stapels durch Anordnen des mindestens einen Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90,
wodurch das Verstärkungselement 92 einen Bereich des ersten Substrats 90 abdeckt, - - in Kontakt bringen des zweiten Substrats 80
90, 92,mit dem Stapel - - Erwärmen und Verformen des ersten Substrats 90 derart, dass zumindest ein Teil des durch das mindestens eine Verstärkungselement abgedeckten Bereichs des ersten Substrats 90 aus der Ebene herausgehoben wird, und/oder dass ein Bereich des ersten Substrats 90 mit dem mindestens einen Verstärkungselement in Kontakt gebracht wird.
- - providing a
first substrate 90 and asecond substrate 80, - - Providing at least one
reinforcement element 92, - - Creating a stack by arranging the at least one
reinforcement element 92 on thefirst substrate 90, whereby thereinforcement element 92 covers a region of thefirst substrate 90, - - bringing the
second substrate 80 into contact with the 90, 92,stack - - Heating and deforming the
first substrate 90 in such a way that at least part of the area of thefirst substrate 90 covered by the at least one reinforcement element is lifted out of the plane, and/or that an area of thefirst substrate 90 is brought into contact with the at least one reinforcement element will.
Das erste Substrat 90 (= Abdeckungssubstrat) stellt das Ausgangs- bzw. Basissubstrat für die optische Komponente dar. Um eine hohe Qualität der optischen Komponente, insbesondere der Oberflächen, zu gewährleisten, können die beiden Substratseiten 90-1, 90-2 des ersten Substrats 90 bzw. deren Oberflächen, die die Ausgangsflächen z. B. für ein optisches Fenster bzw. dessen Transmissionsflächen 38-3, darstellen, bevorzugt poliert ausgeführt sein. Entsprechend weisen die beiden Substratseiten 90-1, 90-2 bevorzugt eine quadratische Oberflächenrauigkeit kleiner gleich 25 nm, bevorzugt kleiner gleich 15 nm, besonders bevorzugt kleiner gleich 5 nm auf.The first substrate 90 (=cover substrate) represents the starting or base substrate for the optical component. In order to ensure a high quality of the optical component, in particular the surfaces, the two substrate sides 90-1, 90-2 of the
Die Oberflächen eines optischen Fensters 38-3, durch die die in der Anwendung eingesetzte Strahlung 32 in das optische Fenster einfällt und/oder wieder ausgekoppelt wird, stellen die Transmissionsflächen eines optischen Fensters 38-3 dar.The surfaces of an optical window 38-3, through which the
Beispielsweise sind die beiden Substratseiten 90-1, 90-2 des ersten Substrats 90 eben (planar) und/oder zueinander planparallel ausgeführt.For example, the two substrate sides 90-1, 90-2 of the
Um optischen Qualitätsansprüchen gerecht zu werden, weisen die beiden Substratseiten 90-1, 90-2 des ersten Substrats 90 bevorzugt eine Ebenheitsabweichung kleiner einem Viertel der Wellenlänge der in der Anwendung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung 32 auf, wobei besonders bevorzugt Wellenlängen vom ultravioletten bis in den infraroten Wellenlängenbereich (zum Beispiel zwischen etwa 200 nm und etwa 15 µm) Anwendung finden. Demzufolge sind bei länger-welligem Licht, zum Beispiel mit einer Wellenlänge von 720 nm, Werte für die Ebenheitsabweichung kleiner 180 nm von Vorteil. Bei Verwendung von kürzer-welligem Licht mit Wellenlängen unter 440 nm steigen die Anforderungen an die Substratseiten, so dass Werte für die Ebenheitsabweichung kleiner 110 nm bevorzugt werden.In order to meet optical quality requirements, the two substrate sides 90-1, 90-2 of the
Die Planparallelitätsabweichung der beiden Substratseiten des ersten Substrats weisen beispielsweise Werte kleiner 10 µm auf. Mit solchen Oberflächeneigenschaften bietet das erste Substrat 90 sehr gute Voraussetzungen für eine optische Komponente, die beispielsweise geringere Abweichungen und eine geringere Strahlaufweitung des optischen Strahlenverlaufs 32, was zu einer geringeren Verfälschung der optischen Signale führt, verursacht.The plane-parallelism deviation of the two substrate sides of the first substrate has values of less than 10 μm, for example. With such surface properties, the
Des Weiteren kann das erste Substrat 90 beispielsweise eine homogene Materialstruktur aufweisen, um unerwünschte Brechungen und/oder Ablenkungen der Strahlung 32 durch die aus dem ersten Substrat 90 hergestellte optische Komponente zu vermeiden.Furthermore, the
Eine Vielzahl von optischen Komponenten sollte zumindest in Teilbereichen, üblicherweise in ihrer Gesamtheit, für die in der Anwendung eingesetzte elektromagnetische Strahlung 32 (32-#) durchlässig sein. Bei den meisten optischen Anwendungen wird eine möglichst hohe Transparenz dieser für die in der Anwendung eingesetzte elektromagnetische Strahlung 32 durchlässigen Bereiche 38-3 gefordert, damit beispielsweise ein Laserstrahl 32 möglichst unbeeinflusst das Mikro-System 60 erreicht.A large number of optical components should be transparent, at least in some areas, usually in their entirety, to the electromagnetic radiation 32 (32-#) used in the application. Most optical applications require the highest possible transparency of these regions 38 - 3 , which are transparent to the
Entsprechend enthält das erste Substrat 90 beispielsweise zumindest in Teilbereichen Glas und/oder ein glasähnliches Material oder das erste Substrat 90 besteht aus Glas und/oder einem glasähnlichen Material. Unter glasähnlichen Materialien werden erfindungsgemäß Stoffe verstanden, die wegen ihrer thermodynamischen Eigenschaften (amorpher Aufbau, Glasübergangstemperatur) Gläsern ähneln, obwohl sich ihre chemische Zusammensetzung von der der Silikatgläser unterscheidet. Als Beispiele seien hier die in der Chemie bekannten Kunstgläser oder organischen Vitroide wie Polymethylmethacrylate (PMMA), Polycarbonat und Polystyrol genannt.Correspondingly, the
Bevorzugte Gläser (Glasmaterialien) sind beispielsweise Silikatgläser, insbesondere Borsilikatgläser, da Borsilikatgläser sehr chemikalien- und temperaturbeständig sind. Die Temperaturbeständigkeit und Unempfindlichkeit der Borsilikatgläser gegen plötzliche Temperaturschwankungen sind eine Folge ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zudem ist der Transmissionsgrad insbesondere im für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich mit über 90% sehr hoch.Preferred glasses (glass materials) are, for example, silicate glasses, in particular borosilicate glasses, since borosilicate glasses are very chemical and temperature resistant. The temperature resistance and insensitivity of borosilicate glasses to sudden temperature fluctuations are a result of their low thermal expansion coefficient. In addition, the transmittance is very high at over 90%, particularly in the wavelength range visible to humans.
Neben einem oder mehreren ersten Substraten 90 wird mindestens ein zweites Substrat (= Formsubstrat) 80 bereitgestellt.In addition to one or more
Bevorzugt enthält das zweite Substrat 80 zumindest in Teilbereichen ein halbleitendes Material oder das zweite Substrat 80 besteht aus einem halbleitenden Material. Insbesondere Halbleiterwafer, bevorzugt Siliziumwafer, finden als zweites Substrat Verwendung, wodurch die ausgereiften und gut beherrschbaren Prozesse der Halbleitertechnologie, insbesondere der Siliziumtechnologie, einsetzbar sind. Das zweite Substrat 80 - insbesondere der Bereich (die Bereiche) des zweiten Substrats 80, der (die) mit dem Stapel aus erstem Substrat 90 und Verstärkungselement 92 direkt oder indirekt (z.B. über Auflagestrukturen) in Kontakt gebracht wird (werden) - enthält vorzugsweise hochtemperaturbeständige Materialien, insbesondere Graphit, oder besteht daraus. Auf Grund einer geringen Neigung, sich mit dem ersten Substrat 90, insbesondere mit Glas, zu verbinden, und einer dadurch bedingten geringen Abnutzung lassen sich solche Substrate mehrfach benutzen bzw. über einen längeren Zeitraum einsetzen (= längere Standzeit).The
Im nächsten Verfahrensschritt 210 wird mindestens ein Verstärkungselement 92 beispielsweise durch Abtrennen von einem Verstärkungssubstrat 92 bereitgestellt, wobei das Verstärkungssubstrat bevorzugt als Platte oder Wafer, insbesondere als Silizium- oder Glaswafer, ausgeführt ist. Dadurch lässt sich aus einem Verstärkungssubstrat 92 eine Vielzahl von Verstärkungselementen 92 herstellen und die Bearbeitungsschritte für die Gewährleistung der gewünschten Stärke bzw. Dicke der Verstärkungselemente 92 reduzieren bzw. optimieren.In the
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform besteht oder enthält das Verstärkungssubstrat und/oder das mindestens eine Verstärkungselement 92 zumindest in Teilbereichen ein halbleitendes Material. Ein mögliches Material ist Silizium, da bei deren Verwendung die ausgereiften und gut beherrschbaren Prozesse der Halbleitertechnologie, insbesondere der Siliziumtechnologie, eingesetzt werden können. Aber auch Gläser, die einen höheren Schmelzpunkt als das erste Substrat 90 aufweisen (z. B. hochschmelzende Gläser), sind beispielsweise als Verstärkungselemente 92 und/oder Verstärkungssubstrat 92 geeignet. Beispielhafte Materialien für die Verstärkungselemente 92 und/oder das Verstärkungssubstrat 92 weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizient auf, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizient des Materials des ersten Substrats 90 möglichst nahe kommt bzw. mit diesem möglichst identisch ist. Beispielsweise sollte die Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner gleich 5 ppm/°K, oder kleiner gleich 1 ppm/°K, sein. Dadurch lassen sich mechanische Spannungen, die während des Abkühlens durch unterschiedlich starkes Zusammenziehen des ersten Substrats 90 und der Verstärkungselemente 92 entstehen können und die zu einer Beschädigung des ersten Substrats 90 und/oder der Verstärkungselemente 92 bzw. der optischen Komponente führen könnten, reduzieren.In a further exemplary embodiment, the reinforcement substrate and/or the at least one
Das Bereitstellen des Verstärkungselements 92 kann auf verschiedene Möglichkeiten erfolgen.The
Das Verstärkungselement 92 kann durch Abtrennen bzw. Heraustrennen von/aus dem Verstärkungssubstrat 92 hergestellt werden. Bevorzugte Trennverfahren sind Sägen, Laserschneiden beziehungsweise Laserbearbeiten, Brechen (eventuell mit vorherigem Ritzen) und/oder Ätzen. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass das Verstärkungselement beispielsweise durch Ätzen einer auf dem ersten Substrat abgeschiedenen Schicht erzeugt, so dass ein vergleichsweise niedriger Materialabtrag erhalten werden kann. Gemäß Ausführungsbeispielen kann durch einen beispielsweise vor dem Anordnen des Verstärkungselements 92 stattfindenden Herstellungsprozess, beispielsweise durch Sägen, Laserschneiden, Brechen oder Ätzen, das Verstärkungssubstrat 92 und damit das Ausgangsmaterial für das Verstärkungselement 92 wesentlich effektiver genutzt werden. Dadurch und durch die damit verbundene Einsparung von weiteren Prozessschritten, wie z.B. Lackaufbringung, Belichtung, Lackstrukturierung, Lackentfernung, lassen sich die Fertigungskosten reduzieren.The
Die Herstellung der Verstärkungselemente 92 vor dem Anordnen hat zudem den Effekt, dass die Verstärkungselemente 92 aus verschiedenen Materialien (z.B. von mehreren Verstärkungssubstraten) und mit unterschiedlichen Größen (z.B. Dicke) bzw. Formen sowie mit verschiedenen Eigenschaften (z.B. bezüglich Transparenz, Reflektivität oder Absorptionsverhalten) für den nachfolgenden Anordnungsschritt bereitgestellt werden können. Dies ermöglicht eine optimierte und flexible Anpassung der Fertigung an die gewünschten Spezifikationen. Des Weiteren wird bei einer Herstellung des Verstärkungselements 92 vor dem Anordnungsschritt der Bereich des ersten Substrats 90, der nicht mit dem Verstärkungselement 92 in Kontakt bzw. in Verbindung gebracht wird, in geringerem Maße aggressiven Medien wie z.B. Ätzlösungen ausgesetzt, so dass dieser Bereich für spätere Kontaktierungs- und/oder Verbindungsschritte besser konserviert werden kann bzw. wodurch die beispielsweise hohen Oberflächeneigenschaften dieses Bereichs besser erhalten werden können.The production of the
Bei einer weiteren Ausführungsform können die Verstärkungselemente 92 als Array aus einem einzigen Substrat 92 bestehen. Dieses Substrat 92 wird mittels der etablierten Verfahren wie Lithographie und Ätzen hergestellt. Beispielsweise kann dieses Substrat 92 ein Material aufweisen bzw. daraus bestehen, das sich mit dem ersten Substrat 90 verbinden lässt ohne dessen optische Eigenschaften zu verändern. Durch Zurückschleifen des Verstärkungselements-Substrats 92 lassen sich separierte Verstärkungselemente 92 auf dem ersten Substrat 90 herstellen.In another embodiment, the
Durch eine hohe Oberflächenqualität (z.B. geringe Rauigkeit, geringe Ebenheitsabweichung) des Verstärkungselements kann eine hohe Oberflächenqualität des ersten Substrats konserviert beziehungsweise die hohe Oberflächenqualität des Verstärkungselements im Zuge des Erwärmen und Verformens auf das erste Substrat übertragen werden, um eine hohe Oberflächenqualität der herzustellenden optischen Komponente zu gewährleisten. Des Weiteren wird durch Anordnen, insbesondere Aufbringen, des mindestens einen Verstärkungselements auf dem ersten Substrat ein Stapel erzeugt, wodurch das Verstärkungselement einen Bereich des ersten Substrats abdeckt beziehungsweise bedeckt. Im Felgenden wird dieser Stapel aus erstem Substrat und Verstärkungselement als „Basisstapel“ bezeichnet.A high surface quality (e.g. low roughness, low flatness deviation) of the reinforcement element can preserve a high surface quality of the first substrate or the high surface quality of the reinforcement element can be transferred to the first substrate in the course of heating and shaping in order to achieve a high surface quality for the optical component to be produced guarantee. Furthermore, by arranging, in particular applying, the at least one reinforcement element on the first substrate, a stack is produced, as a result of which the reinforcement element covers or covers a region of the first substrate. In the rim end, this stack of first substrate and reinforcement element is referred to as the "base stack".
Dass eine erste Schicht 90, ein erster Bereich oder eine erste Vorrichtung „auf“ einer zweiten Schicht 80, einem zweiten Bereich oder einer zweiten Vorrichtung angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Felgenden bedeuten, dass die erste Schicht 90, der erste Bereich 80 oder die erste Vorrichtung unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der zweiten Schicht 80, dem zweiten Bereich oder der zweiten Vorrichtung angeordnet oder aufgebracht ist. Weiterhin kann auch ein mittelbarer Kontakt bezeichnet sein, bei dem weitere Schichten, Bereiche und/oder Vorrichtungen zwischen der ersten Schicht, dem ersten Bereich oder der ersten Vorrichtung 90 und der zweiten Schicht, dem zweiten Bereich oder der zweiten Vorrichtung 80 angeordnet sind. Die Anordnung des Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 kann beispielsweise mit einem Vakuumhandler (Vakuumsauger), einem Greifer (Collet) oder einem Pickup-Tool (Kombination aus Vakuumsauger und Greifer) erfolgen, die eine positionsgenaue und präzise Anordnung des Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 gewährleisten. Bei einem ganzen Substrat erfolgt die Justierung anhand eines sogenannten Aligners. Dabei wird das Verstärkungselement 92 derart auf dem ersten Substrat 90 angeordnet bzw. aufgebracht, dass eine Verformung des beispielsweise als optisches Fenster (38-3) fungierenden Bereichs des ersten Substrats 90 reduziert oder verhindert wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil des Verstärkungselements 92 einen Bereich des ersten Substrats 90, der beispielsweise später als optisches Fenster oder als Teil eines optischen Fensters 38-3 fungiert, abdeckt bzw. bedeckt. Dieser abgedeckte Bereich des ersten Substrats 90 erstreckt sich im Rahmen der vorliegenden Ausführungsbeispiele auf den Bereich des ersten Substrats 90, der zwischen bzw. auf der Kontaktfläche bzw. Grenzfläche, die zwischen dem Verstärkungselement 92 und dem ersten Substrat 90 besteht, und der Parallelprojektion dieser Kontaktfläche auf die gegenüberliegende Substratseite 90-1, 90-2 des ersten Substrats 90 liegt, wobei der Verbindungsvektor zwischen einem Punkt der Kontaktfläche und seinem Abbild auf der gegenüberliegenden Substratseite des ersten Substrats 90 parallel zum resultierenden Normalenvektor der Kontaktfläche liegt, wobei der resultierende Normalenvektor der Kontaktfläche durch Vektoraddition der Normaleneinheitsvektoren der infinitesimalen Teilflächen der Kontaktfläche, die in Richtung des ersten Substrats 90 weisen, ermittelt wird. Die Oberflächenbereiche des ersten Substrats 90, die gemeinsame Punkte mit der Kontaktfläche bzw. deren Abbild haben, gehören mit zum abgedeckten Bereich des ersten Substrats 90.The fact that a
Der Definition des abgedeckten Bereichs des ersten Substrats 90 wird ein Stapel (Basisstapel/weiterer Basisstapel) zugrunde gelegt, wie er vor der Verformung nach den vorliegenden Ausführungsbeispielen des ersten Substrats 90 vorliegt. Das zusätzliche Material des Verstärkungselements 92 stabilisiert und schützt den abgedeckten Bereich des ersten Substrats 90 und wirkt einer Verformung entgegen. Dadurch lassen sich die beispielsweise beim bereitgestellten ersten Substrat 90 vorhandene hohe Ebenheit, Planparallelität und geringe Oberflächenrauigkeit erhalten, was die Basis für qualitativ hochwertige optische Komponenten 38 ist, und zudem Flächen, wie z.B. Transmissionsflächen, die einer nachträglichen Bearbeitung (zum Beispiel einem Polierschritt) nicht zugänglich sind, mit einer hohen Oberflächenqualität realisieren.The definition of the covered area of the
Beim Anordnen beziehungsweise Aufbringen des mindestens einen Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 werden das erste Substrat 92 und das Verstärkungselement 90 beispielsweise formschlüssig und/oder stoffschlüssig, wie z.B. durch Kleben, Löten oder Bonden, miteinander verbunden, um eine hohe Lagestabilität des Verstärkungselements 92 gegenüber dem ersten Substrat 90 zu gewährleisten. Zweckmäßig erfolgt das Anordnen des Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 derart, dass ein Verschieben und/oder Verdrehen des Verstärkungselements 92 gegenüber dem ersten Substrat 90 reduziert oder verhindert wird. In einer Ausführungsform wird das mindestens eine Verstärkungselement 92, zum Beispiel ein Silizium-Chip, durch anodisches Bonden, direktes Bonden, plasma-aktiviertes Bonden und/oder thermisches Bonden auf dem ersten Substrat 90 angeordnet bzw. mit diesem verbunden. Vor allem in der Halbleiterindustrie sind diese Bondverfahren häufig eingesetzte Verbindungstechniken, die zu stabilen Verbindungen führen. Bevorzugt erfolgt ein solcher Verbindungsschritt, wie z.B. das Bonden, im Vakuum, wodurch sich beispielsweise Lufteinschlüsse und/oder eingeschlossene Partikel in den Verbindungsbereichen, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Verstärkungselement 92 und erstem Substrat 90, vermeiden und dadurch entstehende Defekte an der Oberfläche des ersten Substrats 90 und damit an der Oberfläche der optischen Komponente reduzieren lassen.When the at least one
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das mindestens eine Verstärkungselement 92 vor dem Anordnen auf dem ersten Substrat 90 auf einem Positionierungsmittel angeordnet. Die Bestückung des Positionierungsmittels mit dem Verstärkungselement 92, also die Übertragung und Anordnung des Verstärkungselements, kann beispielsweise mit einem Vakuumhandler (Vakuumsauger), einem Greifer (Collet) oder einem Pickup-Tool (Kombination aus Vakuumsauger und Greifer) erfolgen, die eine positionsgenaue und präzise Bestückung auf dem Positionierungsmittel gewährleisten.In an exemplary embodiment, the at least one
Als Positionierungsmittel eignen sich alle Mittel, Vorrichtungen und Werkzeuge, die das Verstärkungselement 92 in seiner Lage stabilisieren bzw. justiert halten. Durch diese Stabilisierung wird die Handhabung des Verstärkungselements 92 in Bezug auf die weiteren Verfahrensschritte wesentlich erleichtert. So kann beispielsweise die Bestückung unter Reinraumbedingungen bei atmosphärischem Luftdruck und ein nachfolgender Verbindungsschritt, z.B. das anodische Bonden, in einem anderen Reimraumbereich im Vakuum erfolgen.All means, devices and tools that stabilize or keep the reinforcing
Als Positionierungsmittel geeignet sind beispielsweise haftfähige Unterlagen auf Basis von magnetischer oder elektrostatischer Kraftwirkung oder Substrate, die kraftschlüssige (die Reibung erhöhende Schicht), stoffschlüssige (z.B. aufgebrachte Klebeschicht) oder formschlüssige Verbindungen (z.B. Vertiefungen beziehungsweise Ausnehmungen) gewährleisten können.Suitable positioning means are, for example, adhesive bases based on magnetic or electrostatic forces or substrates that can ensure non-positive (friction-increasing layer), material-to-material (e.g. applied adhesive layer) or form-fitting connections (e.g. indentations or recesses).
Mit Blick auf einen nachfolgenden Verbindungsschritt (z.B. anodisches Bonden) ist das Positionierungsmittel beispielsweise elektrisch leitfähig ausgeführt. Entsprechend enthält oder besteht das Positionierungsmittel beispielsweise aus elektrisch leitfähigen und/oder halbleitenden Materialien wie zum Beispiel Silizium. Als beispielhafte Positionierungsmittel kann ein Aufnahmesubstrat Verwendung finden. Ein solches Aufnahmesubstrat verfügt über mindestens eine Ausnehmung beziehungsweise Vertiefung (Aufnahmevertiefung), die für die Aufnahme des Verstärkungselements 92 ausgelegt ist und dieses insbesondere lateral fixiert bzw. justiert hält. Da die Justage des Verstärkungselements 92 in diesem Fall hauptsächlich durch eine formschlüssige Verbindung zwischen Aufnahmesubstrat und Verstärkungselement 92 gewährleistet wird, kann das Aufnahmesubstrat nach dem Anordnen des Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 durch Aufhebung des Formschlusses auf einfache Art und Weise entfernt werden, um den so erzeugten Basisstapel aus erstem Substrat 90 und Verstärkungselement 92 für weitere Prozessschritte freizugeben. Das Aufnahmesubstrat lässt sich dann für den nächsten Bestückungsvorgang wieder verwenden und ist so mehrfach einsetzbar, wodurch wiederum eine Reduzierung des Fertigungsaufwandes und der Fertigungskosten gegeben ist.With a view to a subsequent connection step (e.g. anodic bonding), the positioning means is designed to be electrically conductive, for example. Correspondingly, the positioning means contains or consists, for example, of electrically conductive and/or semiconductive materials such as, for example, silicon. A receiving substrate can be used as an exemplary positioning means. Such a receiving substrate has at least one recess or indentation (receiving indentation) which is designed to receive the
Um den Kontakt des Aufnahmesubstrats mit dem ersten Substrat 90 beim Anordnen des Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 zu verhindern und so die Oberflächenqualität des ersten Substrats 90 in den Bereichen, die nicht mit dem Verstärkungselement in Kontakt bzw. in Verbindung gebracht werden sollen, für weitere Verbindungs- und/oder Kontaktierungsschritt zu konservieren bzw. ein möglichst problemloses Entfernen des Aufnahmesubstrats nach dem Anordnen des Verstärkungselements 92 auf dem ersten Substrat 90 gewährleisten zu können, ist die Aufnahmevertiefung bevorzugt derart ausgelegt, dass mindestens eines der Verstärkungselemente 92 nach Anordnung auf dem Aufnahmesubstrat über die Begrenzungsflächen des Aufnahmesubstrats hinausragt. Beispielsweise ragen alle Verstärkungselemente 92 nach Anordnung auf dem Aufnahmesubstrat über die Begrenzungsflächen des Aufnahmesubstrats hinaus. Vorzugsweise kann das mindestens eine Verstärkungselement mindestens ein Fixierungselement aufweisen bzw. mit mindestens einem Fixierungselement in wechselseitiger Wirkbeziehung (z.B. mechanische, elektrostatische und/oder magnetische Kraftkopplung) stehen. Das Fixierungselement reduziert oder verhindert beispielsweise nach dem Inkontaktbringen des Basisstapels mit dem mindestens einen zweiten Substrat 80 ein Verschieben und/oder Verdrehen des Verstärkungselements gegenüber dem ersten Substrat 90 und erhöht damit die Lagestabilität des Verstärkungselements 92. Beispielsweise stehen das Verstärkungselement 92 und das Fixierungselement miteinander mechanisch in Verbindung, um eine möglichst stabile Kraftkopplung gewährleisten zu können.In order to prevent the contact of the receiving substrate with the
Beispielsweise wird das Fixierungselement im Verfahrensschritt des Inkontaktbringens des Basisstapels mit dem zweiten Substrat 80 zwischen dem Basisstapel und dem zweiten Substrat 80 eingeklemmt. Durch geeignete Aufnahmenuten, zum Beispiel in dem zweiten Substrat 80, lässt sich trotz des zwischengelagerten bzw. eingeklemmten Fixierungselements ein zweckmäßiger Kontakt zwischen Basisstapel und zweiten Substrat 80 gewährleisten. In einer beispielsweise Ausgestaltung steht zumindest ein Teil des Fixierungselements mit einem Bereich des ersten Substrats 90 in Kontakt bzw. in Verbindung, der nach dem Inkontaktbringen des Basisstapels mit dem zweiten Substrat 80 außerhalb des Auslenkungsbereichs bzw. im Auflagebereich liegt. Da dieser Bereich des ersten Substrats 90 keiner Auslenkung bzw. Verformung unterworfen ist, begünstigt er eine verbesserte Kraftaufnahme und damit eine erhöhte Lagestabilität des Verstärkungselements 92. Beispielsweise wird das Fixierungselement bei der Herstellung des Verstärkungselements 92 erzeugt, wodurch sich zusätzliche Fertigungsschritte einsparen lassen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform werden ein oder mehrere Auflagestrukturen erzeugt, wobei die Erzeugung der Auflagestruktur derart erfolgt, dass die Auflagestruktur den Auflagebereich, insbesondere die Auflagefläche, des ersten Substrats 90 schützt und/oder als Abstandshalter zwischen dem ersten Substrat 90 und dem zweiten Substrat 80 fungiert.For example, the fixing element is clamped between the base stack and the
Der Auflagebereich ist der Bereich des ersten Substrats 90, der während des Verfahrens keine Auslenkung, insbesondere nicht durch Verformung, erfährt bzw. durch das zweite Substrat 80 direkt oder indirekt gestützt wird. Eine direkte Stützung liegt vor, wenn das erste Substrat 90 und das zweite Substrat 80 miteinander in Kontakt gebracht werden. Bei einer indirekten Stützung sind beispielsweise zwischen dem ersten Substrat 90 und dem zweiten Substrat 80 ein oder mehrere Schichten oder Schichtfolgen angeordnet. Die Auflagefläche ist die Oberfläche des Auflagebereichs, die dem zweiten Substrat 80 zugewandt ist. Bei einem herzustellenden Deckel beispielsweise bildet die Auflagefläche des ersten Substrats 90 die Kontaktfläche des Deckels und damit die Fläche des Deckels, die für den Kontakt bzw. die Verbindung des Deckels mit dem Trägersubstrat vorgesehen ist. Die Kontaktfläche des Deckels und/oder die der Kontaktfläche auf der anderen Substratseite gegenüberliegenden Oberfläche des ersten Substrats liegen bevorzugt in mindestens einer der Substratebenen des ersten Substrats 90. Entsprechend sind nach dem Verbinden des Deckels 38 mit dem Trägersubstrat 20 die Trägersubstratebene und die Substratebenen des ersten Substrats 90 beispielsweise parallel angeordnet. Durch die Anordnung der Auflagestruktur auf dem ersten Substrat 90 kann die beispielsweise hohe Oberflächenqualität des ersten Substrats 90 konserviert werden bzw. können ein oder mehrere hochqualitative Oberflächenbereiche der Auflagestruktur während des Verfahrensschritts 230 des Erwärmen und Verformens auf das erste Substrat 90 abgeformt und so ein oder mehrere Auflagebereiche, wie z.B. Auflageflächen und damit potenzielle Kontaktflächen der herzustellenden optischen Komponente 38, mit hoher Oberflächenqualität realisiert werden. Solche hochqualitativen Oberflächenbereiche mit beispielsweise geringer Rauigkeit und hoher Ebenheit ermöglichen den Einsatz ausgereifter Verbindungstechniken, wie z.B. anodisches Bonden, mit denen sich stabile Verbindungen zwischen der optischen Komponente 38, z.B. einem Deckel, und dem Trägersubstrat 20 herstellen lassen.The support area is the area of the
Beispielsweise wird auf beiden Substratseiten des ersten Substrats 90 jeweils mindestens ein Verstärkungselement 92 angeordnet, wobei sich gegenüberliegende Verstärkungselemente 92 beispielsweise zumindest teilweise überlappen. In einer beispielhaften Ausführungsform überlappen sich solche Verstärkungselemente 92 komplett. Dadurch werden die durch sie abgedeckten Bereiche des ersten Substrats 90 (besonders) gut stabilisiert und vor Verformung geschützt. Beispielsweise werden die Verstärkungselemente 92 so auf dem ersten Substrat 90 angeordnet, dass kein Neigen des durch dieses Verstärkungselement 92 abgedeckten Bereichs des ersten Substrats 90 beim Erwärmen und Verformen (Schritt 230) unterstützt wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass beide Verstärkungselemente 92 zentrisch im Auslenkungsbereich des ersten Substrats 90 angeordnet sind. For example, at least one
Der Auslenkungsbereich (= Wölbung) ist der (während des Erwärmen und Verformens bei Schritt 230) nicht (beispielsweise nicht durch das zweite Substrat 80) gestützte Bereich des ersten Substrats 90, der sich zwischen den Auflagebereichen befindet. Ein Auslenkungsbereich lässt sich aufteilen in den durch das Verstärkungselement 92 abgedeckten Bereich des ersten Substrats 90 und den Verformungsbereich des ersten Substrats 90. Der Verformungsbereich stellt wiederum den Bereich des ersten Substrats 90 dar, der durch seine Formänderung ein Auslenken aus der Ebene heraus, des durch das Verstärkungselement 92 abgedeckten Bereich des ersten Substrats 90 gewährleistet.The deflection area (=curvature) is the unsupported (during heating and deforming at step 230) area of the first substrate 90 (e.g. not by the second substrate 80) which is located between the support areas. A deflection area can be divided into the area of the
Unter einer zentrischen Anordnung eines Verstärkungselements 92 im Auslenkungsbereich wird im Sinne der Ausführungsbeispiele verstanden, dass der Abstand des Verstärkungselements 92 zu allen Richtungen an den angrenzenden Auflagebereichen beispielsweise gleichgroß ist. Entsprechend gilt für eine zentrische Kraft auf den Auslenkungsbereich, dass der Abstand des Angriffspunkts der resultierenden Kraft in allen Richtungen an den Auslenkungsbereich angrenzenden Auflagebereichen gleichgroß ist. Bei einer nicht zentrischen resultierenden Kraft auf ein Verstärkungselement 92 ist der Abstand des Angriffspunkts zu den Rändern des Verstärkungselements 92 in mindestens einer Richtung nicht gleichgroß.A central arrangement of a
Bei einem weiteren Verfahrensschritt 220 wird der Basisstapel 90, 92 mit dem zweiten Substrat 80 in Kontakt gebracht. Das Inkontaktbringen des Basisstapels 90, 92 mit dem zweiten Substrat 80 erfolgt beispielsweise derart, dass durch eine ausgebildete Vertiefung 82 in dem zweiten Substrat 80 ein Hohlraum 84 zwischen dem zweiten Substrat 80 und dem Basisstapel 90, 92 gebildet wird. Durch den Hohlraum 84 kann ein direkter Kontakt zwischen dem Auslenkungsbereich des ersten Substrats 90 und dem zweiten Substrat 80 vor dem Erwärmen und Verformen (bei Schritt 230) verhindert werden. Ein solcher Kontakt könnte zum Anhaften des Auslenkungsbereichs des ersten Substrats 90 am zweiten Substrat 80, z.B. auch indirekt durch Anhaften des auf dem ersten Substrat 90 angeordneten Verstärkungselements 92 am zweiten Substrat 80, führen und ein verformungsbedingtes Auslenken des ersten Substrats 90 im Auslenkungsbereich verhindern oder erschweren.In a
Des Weiteren kann in dem Hohlraum 84 ein Druck unterhalb oder oberhalb des Umgebungsdrucks, insbesondere des atmosphärischen Luftdrucks, erzeugt werden. Da der Hohlraum 84 zumindest durch einen Teil des Auslenkungsbereichs des ersten Substrats 90 begrenzt wird, lassen sich durch einen in dem Hohlraum 84 erzeugten Druck, der unterhalb oder oberhalb des Umgebungsdrucks liegt, Kraftwirkungen zur Begünstigung des Verformungsprozesses erzeugen. Des Weiteren kann in dem Hohlraum 84 ein Druck unterhalb oder oberhalb des Umgebungsdrucks, insbesondere des atmosphärischen Luftdrucks, erzeugt werden. So lassen sich durch einen in dem Hohlraum 84 erzeugten Druck, der unterhalb oder oberhalb des Umgebungsdrucks liegt, Kraftwirkungen zur Begünstigung des Verformungsprozesses erzeugen.Furthermore, a pressure below or above the ambient pressure, in particular the atmospheric air pressure, can be generated in the
Des Weiteren sollte das zweite Substrat 80 mit dem Basisstapel 90, 92 stoffschlüssig verbunden werden (siehe Schritt 220). Dadurch lässt sich beispielsweise ein von der Umgebung hermetisch dicht abschießender Hohlraum 84 zwischen dem Basisstapel 90, 92 und dem zweiten Substrat 80 erzeugen. Indem der Verbindungsprozess 220 bei bestimmten Drücken durchgeführt wird, können bestimmte Druckwerte in den Hohlräumen 84 erzeugt werden.Furthermore, the
Je nach Zusammensetzung des verwendeten Material des ersten Substrates 90 erfolgt der anschließende Erwärmungsprozess (Schritt 230) typischerweise bei wesentlich höheren Temperaturen als der vorhergehende Verbindungsprozess (Schritt 220).Depending on the composition of the material used for the
Beispielsweise werden Temperaturen oberhalb der Erweichungstemperatur des zu verformenden Materials eingesetzt. Bei der Formgebung des ersten Substrats 90 werden beispielsweise die Fließeigenschaften des ersten Substrats 90, wie sie insbesondere in der Nähe und oberhalb der Erweichungstemperatur (softening point) und/oder der Schmelztemperatur vorliegen, ausgenutzt. Der Effekt dieser Art der Formgebung, die auch als Glasfließen bezeichnet wird, gegenüber anderen Formgebungs- oder Prägeverfahren, wie zum Beispiel Glastiefziehen oder Glasprägen (zum Beispiel Blankpressen), besteht vor allem darin, dass sich optische Komponenten beispielsweise mit Substrat- bzw. Waferausdehnungen, iwie z.B. Substrat- bzw. Waferdurchmessern größer gleich 80 mm, und z.B. größer gleich 1 50mm, oder z.B. größer gleich 300mm, mit hoher Oberflächenqualität, geringer Oberflächenrauigkeit, hoher Oberflächenebenheit und hoher Planparallelität der Oberflächen der Substratseiten, realisieren lassen.For example, temperatures above the softening point of the material to be shaped are used. In the shaping of the
Abhängig vom eingestellten Druck in den Hohlraum, kann der Basisstapel 90, 92 aus der Ebene herausgedrückt oder reingezogen werden.Depending on the set pressure in the cavity, the
Bei eine beispielhaften Ausführungsform wird ein Druck in den Hohlraum 84 eingeschlossen der höher als der Umgebungsdruck beim Prozessieren ist. Dabei wird eine Druckdifferenz zwischen beiden Substratseiten des ersten Substrats 90, wie z.B. im Auslenkungsbereich, bewirkt, so dass der Basisstapel 90, 92 aus der Ebene herausgedrückt wird.In an exemplary embodiment,
Die Höhe wird dabei durch das Einstellen eines optimalen Verhältnisses von eingeschlossenem Druck in dem Hohlraum und dem Druck in der Prozessumgebung bestimmt. Dabei werden wie nach der idealen Gasgleichung die Drücke so eingestellt, dass diese in dem Hohlraum und der Prozessumgebung annähernd gleich sind, wenn die gewünschte Ausblashöhe des Basisstapels 90, 92 erreicht wird.The level is determined by setting an optimal ratio of the pressure trapped in the cavity and the pressure in the process environment. As in the case of the ideal gas equation, the pressures are adjusted in such a way that they are approximately the same in the cavity and in the process environment when the desired blow-out height of the
Eine weitere Möglichkeit ist, eine Auslenkungsbegrenzung 94 zu nutzen, der die maximal gewünschte verformungsbedingte Auslenkung begrenzt. Als Auslenkungsbegrenzung 94 können Substrate verwendet werden, die temperaturstabil oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases sind. Beispielsweise lässt sich die Auslenkungsbegrenzung 94 mehrmals verwenden. Die Abstandshöhe H wird dabei durch Abstandshalter eingestellt (Die Beschreibung der Abstandshalter ist eigentlich optional).Another possibility is to use a
In einer weiteren Ausführungsform wird in dem Hohlraum ein Druck eingeschlossen der niedriger als der Umgebungsdruck beim Prozessieren ist. Dabei wird eine Druckdifferenz zwischen beiden Substratseiten des ersten Substrats 90, z.B. im Auslenkungsbereich, eingestellt, so dass der Basisstapel 90, 92 in den Hohlraum gedrückt wird. Dabei wirkt die Unterseite des Hohlraums 84 als Begrenzung.In a further embodiment, a pressure that is lower than the ambient pressure during processing is enclosed in the cavity. A pressure difference is set between the two substrate sides of the
Nach dem Umformprozess (Schritt 230 - in beiden beschriebenen Verfahren) werden die die Verstärkungselemente 92 und das zweite Substrat 80 komplett entfernt (Schritt 240). Für bestimmte Anwendungen kann es allerdings effektiv sein, dass Teile des Verstärkungselements 92 bzw. des weiteren Verstärkungselements 92, zum Beispiel als rahmenförmige Stabilisierungsstruktur oder Blendenstruktur, auf dem ersten Substrat 90 bzw. der fertigen optischen Komponente 38 verbleibt.After the forming process (step 230 - described in both methods) are the Reinforcing
Der fertige Glaswafer 90' kann als Ganzes mit dem mit einem Bauteilsubstratwafer gefügt werden. Eine weitere Möglichkeit wäre den Glaswafer 90' zu vereinzeln und diese mit einem sogenannten Pick-and-Place-Montagetool auf den Bauteilsubstratwafer zu montieren.The finished glass wafer 90' can be bonded as a whole to a device substrate wafer. A further possibility would be to separate the glass wafer 90' and to mount it on the component substrate wafer using a so-called pick-and-place assembly tool.
Bei einer beispielshaften Ausgestaltung werden zumindest Teilbereiche des ersten Substrats 90' mit mindestens einer Veredlungsbeschichtung 88, beispielsweise mit einer Entspiegelungsbeschichtung, einer Antistatik-Beschichtung, einer Reflexionsbeschichtung und/oder einer Absorbtionsbeschichtung, und/oder funktionalen Oberflächenstrukturen versehen, wodurch sich die Funktionalität der optischen Komponente 38 verbessern lässt.In an exemplary configuration, at least partial areas of the first substrate 90' are provided with at least one finishing
Beispielhaft eingesetzte Veredlungsbeschichtungen 88 sind Entspiegelungsbeschichtungen, die z.B. Reflexionen an einem Deckel 38, insbesondere an dessen optischen Fenstern 38-3, und damit Strahlungsverluste weiter verringern. Solche Entspiegelungsbeschichtungen 88 lassen sich zum Beispiel durch Schichtsysteme aus Magnesiumfluorid und Titanoxid, oder Siliziumdioxid und Titanoxid realisieren. Des Weiteren finden beispielsweise Antistatik-Beschichtungen, die ein elektrisches Aufladen der optischen Komponente minimieren, Verwendung. Ein für Antistatik-Beschichtungen in optischen Anwendungen geeignetes Material ist ITO (Indiumzinnoxid), da es dotiert eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und über einen breiten Wellenlängenbereich eine hohe Transparenz aufweist.
Versiegelungsrahmen 86 können auf die Glas-Kappenwafer 90' durch verschiedene Verfahren aufgebracht werden. Zum einen als aufgedampfte Metallisierungen mit Schattenmasken bevorzugt ausgeführt als Rahmenstrukturen oder als eine Metallfläche mit Aussparungen für die optischen Fenster 38-3. Neben gedampften Metallisierungen kommt auch eine gesputterte Metallschicht oder eine galvanische Abscheidung auf eine Grundmetallisierung in Frage. Alternativ kann eine gedruckte und vorgetemperte Glasfritte als solche Rahmen oder durchgängige Beschichtung mit Aussparungen für die optischen Fenster vorgesehen werden.Sealing frames 86 can be applied to glass cap wafers 90' by various methods. On the one hand as vapour-deposited metallizations with shadow masks, preferably designed as frame structures or as a metal surface with cutouts for the optical windows 38-3. In addition to vaporized metallization, a sputtered metal layer or galvanic deposition on a base metallization can also be considered. Alternatively, a printed and pre-tempered glass frit can be provided as such a frame or continuous coating with recesses for the optical windows.
Bei Schritt 310 wird zunächst wieder ein Formsubstrat 80, z. B. ein Halbleiter- oder Siliziumwafer, mit einem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 bereitgestellt, das heißt, das Formsubstrat ist zumindest mit einer Vertiefung bzw. Ausnehmung 82 versehen. Die Vertiefungen bzw. Ausnehmungen 82 können auch durchgängig (als Durchlochungen) ausgebildet sein. Ferner wird ein Abdeckungssubstrat 90, z. B. ein Glaswafer, bereitgestellt.At
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann also das Formsubstrat 80 als ein Halbleitersubstrat (Halbleiterwafer oder Siliziumwafer) und das Abdeckungssubstrat 90 als ein Glassubstrat bzw. Glaswafer ausgebildet sein.According to one exemplary embodiment, the
Bei einem Schritt 320 wird das Abdeckungssubstrat 90 auf dem strukturierten Oberflächenbereich 80-1 des Formsubstrats 80 angeordnet und mit dem Formsubstrat verbunden bzw. gefügt, z. B. mittels anodischem Bonden hermetisch verbunden. Das ebene Glassubstrat 90 wird also auf das Formsubstrat 80 anodisch bondiert.In a
Bei Schritt 330 wird das Formsubstrat 80 (z. B. Silizium-Formsubstrat) beispielsweise durch ein Schleifverfahren geöffnet, um die Kavitäten 84 auf der Unterseite zu öffnen. Das Öffnen des Formsubstrats 80 kann auch mittels eines Ätzvorgangs durchgeführt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ferner eine Antireflexionsbeschichtung 88 auf einem innenseitigen und/oder außenseitigen Bereich, z. B. dem Strahlaustrittsbereich bzw. dem Deckenbereich 38-3, des Deckelelements 38 aufgebracht oder abgeschieden werden. Das nun vorliegende Abdeckungssubstrat (Glas-Silizium-Deckelsubstrat) mit dem zumindest einen Deckelelement bzw. Abdeckungselement 38 kann nun zum Häusen eines oder einer Mehrzahl von optischen oder optoelektronischen Bauelementen 30 (optische Aufbauten) auf Waferebene eingesetzt werden.At
Bei einem (optionalen) nachfolgenden Schritt 340 kann der Prozessablauf 300 ferner ein Vereinzeln des Abdeckungssubstrats 80, 90 aufweisen, um vereinzelte Abdeckungselemente bzw. Deckelelemente 38 zu erhalten. Das Vereinzeln 340 des Glas-Silizium-Deckels 80, 90 kann beispielsweise durch Sägen oder Lasertrennung erfolgen. Mit den vereinzelten Abdeckungselementen 38 können optische Aufbauten, wie z. B. optische Sende- und/oder Empfangselemente, auf Einzelsubstratebene oder auf Waferebene durch Einzelverkappung hermetisch versiegelt bzw. verkappt werden.In an (optional)
Wie bei Schritt 350 ferner beispielhaft dargestellt ist, kann das Abdeckungselement 38 mittels eines Abtrennelement 38-4 auch als ein Multi-Kavitäten-Abdeckungselement (Glas-Silizium-Deckel) 38 ausgebildet sein. Die Ausbildung von Multikavitäten 38-A, 38-B in einem Abdeckungselement 38 ermöglichen beispielsweise eine optische Kanaltrennung und, falls nötig, eine Trennung der Atmosphären in den einzelnen Kavitäten 38-A, 38-B.As is also shown by way of example in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden bei dem Verfahren 400 zur Herstellung eines Deckelsubstrats 90, z.B. zum Häusen eines oder einer Mehrzahl von optischen Bauelementen, bei Schritt 420 ein Formsubstrats 81 mit einem strukturierten Oberflächenbereich 81-1, der Vertiefungen 83 aufweist, und eines Abdeckungssubstrats 91, das ein Glasmaterial aufweist, bereitgestellt. Bei Schritt 425 wird ein zweiter Hauptoberflächenbereich 91-2 des Abdeckungssubstrats 91 mit einem ersten Hauptoberflächenbereich 81-1 des Formsubstrats 81 verbunden, um mittels der Vertiefungen 83 abgeschlossene Kavitäten zwischen dem Abdeckungssubstrat 91 und dem Formsubstrat 81 zu bilden. Bei Schritt 430 werden das Abdeckungssubstrat 91 und das Formsubstrat 81 getempert, um die Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 91 zu verringern, um basierend auf der verringerten Viskosität des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 91 ein Hineinfließen des Glasmaterials in die Vertiefungen 83 zu bewirken, um ein geformtes Abdeckungssubstrat 91 mit zumindest einem Deckelelement 38 zu erhalten. Bei Schritt 435 wird das Formsubstrat 81 von dem geformten Abdeckungssubstrat 90 entfernt, wobei das geformte Abdeckungssubstrat 90 das Deckelsubstrat mit dem zumindest einen Deckelelement 38 bildet.According to an exemplary embodiment, in the method 400 for producing a
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Schritt 430 des Temperns ein Unterdruck in der abgeschlossenen Kavität 83 gegenüber der umgebenden Atmosphäre erzeugt wird, um das Hineinfließen oder Hineinziehen des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 91 in die Vertiefungen 83 zu unterstützen.According to an exemplary embodiment, in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird bei dem Verbinden 425 ein Unterdruck oder Vakuum in der abgeschlossenen Kavität 83 eingeschlossen wird, um bei dem Schritt 430 des Temperns einen Unterdruck in der abgeschlossenen Kavität 83 gegenüber der umgebenden Atmosphäre zu erhalten, um das Hineinfließen oder Hineinziehen des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 91 in die Vertiefungen 83 zu unterstützen.According to an exemplary embodiment, a negative pressure or vacuum is sealed in the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Abdeckungssubstrat 91 eine Versteifungsstruktur 92 an dem ersten Hauptoberflächenbereich 91-1 des Abdeckungssubstrats 91 auf, wobei bei dem Schritt 425 des Anordnens des Abdeckungssubstrats 91 auf dem strukturierten Oberflächenbereich 81-1 des Formsubstrats 81 das Abdeckungssubstrat 91 mit dem Verstärkungselement 92 ausgerichtet auf dem strukturierten Oberflächenbereich 81-1 des Formsubstrats 81 angeordnet wird, um das Verstärkungselement 92 an dem Abdeckungssubstrat 91 in einer ausgerichteten Position zwischen zwei Vertiefungen 83 des Formsubstrats 81 anzuordnen;According to one embodiment, the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 40 ferner folgende Schritte auf: Entfernen 435 der Versteifungsstruktur oder Versteifungsstrukturen 92 nach dem Schritt des Temperns, und Vereinzeln 455 des geformten Abdeckungssubstrats 91, um vereinzelte Deckelelemente 38 zu erhalten.According to an exemplary embodiment, the
Insbesondere zeigt
Bei einem optionalen Schritt 405 wird zunächst ein Formsubstrat 80`, z. B. ein Halbleiter- oder Siliziumwafer, mit einem strukturierten Oberflächenbereich 80`-1 bereitgestellt, das heißt, das Formsubstrat 80' ist zumindest mit einer oder einer Mehrzahl von erhöhten Strukturen 82' versehen.In an
Bei einem optionalen Schritt 410 wird auf das erste Formsubstrat 80' ein ebenes Glassubstrat 91 anodisch bondiert.In an
Bei einem optionalen Schritt 415 wird das erste Silizium-Formsubstrat beispielsweise durch ein Schleifverfahren abgedünnt, um Versteifungs- bzw. Verstärkungselemente 92 auf einem Glassubstrat 90 herzustellen. Die Versteifungselemente 92 sind beispielsweise vorgesehen, um eine minimale Oberflächenrauigkeit des Glasmaterials des Abdeckungssubstrats 91 bei dem Glasfließprozess beizubehalten.In an
Bei Schritt 420 wird ein zweites Formsubstrat 81, z. B. ein Halbleiter- oder Siliziumwafer, mit vertieften Strukturen 83 in einem ersten Hauptoberflächenbereich 81-1 hergestellt und bereitgestellt.At
Bei Schritt 425 wird das Glassubstrat 90 mit den Verstärkungselementen 92 auf das zweite Formsubstrat 81 (Silizium-Formsubstrat) mit einem eingeschlossenen Vakuum in den Vertiefungen 83 anodisch aufgebonded.At
Bei Schritt 430 wird ein Glasfließprozess in einem Temperofen (= temperaturgeregelten Ofen) 50 mit der Möglichkeit, einen Überdruck in der umgebenden Atmosphäre gegenüber der abgeschlossenen Kavität 83 während des Fließprozesses zu erzeugen, durchgeführt. Bei dem Glasfließprozess fließt das Glasmaterial des Glassubstrats in die Vertiefungen bzw. wird durch das eingeschlossene Vakuum in die Vertiefungen 83 gezogen. Schließlich wird das Glassubstrat abgekühlt und aus dem Ofen 50 entnommen.At step 430 a glass flow process is performed in an annealing furnace (=temperature controlled furnace) 50 with the possibility of creating a positive pressure in the surrounding atmosphere compared to the
Bei Schritt 435 wird das Material des Formsubstrats 81 (des zweiten Silizium-Formsubstrats) und der Silizium-Verstärkungselemente 92, z. B. mittels eines Ätzvorgangs, entfernt.At
Bei einem optionalen Schritt 440 kann eine Metallisierung und gegebenenfalls eine Antireflexionsbeschichtung 86, 88 innen- und/oder außenseitig auf dem Glassubstrat 91 abgeschieden werden.In an
Bei einem optionalen Schritt 445 kann das resultierende Glassubstrat 91, das heißt, der vorbereite Glas-Kappenwafer 91 auf einem vorbestimmten Substratwafer 20 angeordnet werden, um optoelektronische Bauelemente 30 hermetisch zu verkappen.In an
Bei einem optionalen Schritt 450 wird beispielsweise eine hermetische Fügeverbindung zwischen dem Kappenwafer 91 und dem bestückten Substratwafer 20 durchgeführt.In an
Bei einem optionalen Schritt 455 werden die Bauteile 95 auf Waferebene vereinzelt, um vereinzelte optoelektronische Sende- und/oder Empfangsbauelemente 95 zu erhalten.In an
Bei einem optionalen Schritt 460 sind beispielhafte Vorrichtungen 95 für Detektoren und Emitter mit beispielsweise einem aktiven Element dargestellt sind. Diese optoelektronischen Vorrichtungen werden nachfolgend in den
Die
Das hermetisch gehäuste, optoelektronische Bauelement 95 von
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des hermetisch gehäusten, optoelektronischen Bauelements 95 kann das Abdeckungselement 38 optional so ausgebildet sein, dass die obere Seitenwand 38-3 für die Empfangsstrahlung optisch transparent ausgebildet ist. Das optoelektronische Bauelement 95 weist beispielsweise ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement 31, wie z. B. ein optoelektronisches Empfangsbauelement bzw. eine Fotodiode, auf.According to an exemplary embodiment of the hermetically housed
Das in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des hermetisch gehäusten, optoelektronischen Bauelements 95 kann das Abdeckungselement 38 optional so ausgebildet sein, dass die obere Seitenwand 38-3 für die Sendestrahlung optisch transparent ausgebildet ist. Das optoelektronische Bauelement 95 weist beispielsweise ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement, wie z. B. ein optoelektronisches Sendebauelement, auf.According to an exemplary embodiment of the hermetically housed
Bei dem hermetisch gehäusten, optoelektronischen Bauelement 95 von
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des hermetisch gehäusten, optoelektronischen Bauelements 95 kann das Abdeckungselement 38 optional so ausgebildet sein, dass die obere Seitenwand 38-3 für die Sendestrahlung optisch transparent ausgebildet ist. Das optoelektronische Bauelement 95 weist beispielsweise ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement 30, wie z. B. ein optoelektronisches Sendebauelement, und ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement 31, wie z. B. ein optoelektronisches Empfangsbauelement bzw. eine Fotodiode, auf.According to an exemplary embodiment of the hermetically housed
In
Da bei dem hermetisch gehäusten, optoelektronischen Bauelement 95 von
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können.Although some aspects of the present disclosure have been described as features in the context of an apparatus, it is clear that such a description can also be considered as a description of corresponding method features. Although some aspects have been described as features associated with a method, it is clear that such a description can also be regarded as a description of corresponding features of a device or the functionality of a device.
Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einem programmierbaren Bestückungsautomaten mit integrierter optischer Vermessung, einem Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden. Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein.Some or all of the method steps may be performed by (or using) hardware apparatus, such as a programmable pick and place machine with integrated optical sensing, a microprocessor, a programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, some or more of the method steps may be performed by such an apparatus. Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware, or in software, or at least partially in hardware, or at least partially in software.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.In the foregoing Detailed Description, in part, various features were grouped together in examples in order to streamline the disclosure. This type of disclosure should not be interpreted as an intention that the claimed examples have more features than are expressly recited in each claim. Rather, as the following claims reflect, subject matter may lie in less than all features of a single disclosed example. Thus the following claims are hereby incorporated into the Detailed Description, where each claim may stand as its own separate example. While each claim may stand as its own separate example, it should be noted that although dependent claims in the claims refer back to a specific combination with one or more other claims, other examples also include a combination of dependent claims with the subject-matter of each other dependent claim or a combination of each feature with other dependent or independent claims. Such combinations are contemplated unless it is stated that a specific combination is not intended. Furthermore, it is intended that a combination of features of a claim with any other independent claim is also included, even if that claim is not directly dependent on the independent claim.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.Although specific embodiments have been illustrated and described herein, it will be apparent to those skilled in the art that a variety of alternative and/or equivalent implementations may be substituted for the specific embodiments shown and illustrated therein without departing from the subject matter of the present application. This anmel This text is intended to cover all adaptations and variations of the specific embodiments described and discussed herein. Therefore, the present application subject matter is limited only by the language of the claims and the equivalent embodiments thereof.
Claims (48)
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