DE602004000123T2

DE602004000123T2 - Einstellbare zusammengesetzte Linsenvorrichtung mit MEMS Steuerung

Info

Publication number: DE602004000123T2
Application number: DE602004000123T
Authority: DE
Inventors: Avinoam Highland Park Kornblit; Stanley Hoboken Pau; Maria Elina New Providence Simon
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2004-02-20
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-02-21
Also published as: US20040184155A1; CN100501455C; DE602004000123D1; US6912090B2; EP1460456A1; JP4607479B2; ATE306678T1; JP2004280117A; EP1460456B1; CN1532565A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbundmikrolinsen und insbesondere Verbundmikrolinsen, die durch eine mikro-elektromechanische Struktur oder ein mikro-elektromechanisches Teilsystem (MEMS) gesteuert werden.
Erörterung des verwandten Stands der Technik
Auf dem Gebiet der Optoelektronik weisen optische Linsen viele Anwendungen sowohl als individuelle Linsenelemente (Einzel- oder Verbundlinsen) oder als Arrays von derartigen Elementen auf. Individuelle Linsenelemente werden beispielsweise verwendet, um eine optische Quelle (z.B. einen Laser) an einen optischen Rezeptor zu koppeln. Rezeptoren beinhalten wohlbekannte optische Wellenleiter (z.B. optische Fasern und Siliziumoxidwellenleiter), wohlbekannte Fotodetektoren (z.B. p-i-n- und Lawinen-Fotodioden) und andere optische Einrichtungen. Andererseits kann ein Array aus derartigen Linsen die gleiche Kopplungsfunktion zwischen einem Array aus optischen Quellen und einem Array aus optischen Rezeptoren durchführen. Die Kopplungsfunktion kann eine oder mehrere der folgenden Funktionsarten enthalten: Fokussieren, Kollimieren und Formen.
Linsenarrays nach dem Stand der Technik enthalten Mikrolinsen, die in einem Halbleiter- (z.B. Si) oder einen dielektrischen (z.B. ein Glas aus Siliziumoxidbasis) Körper geätzt sind. Es gibt viele Techniken zum Herstellen eines derartigen Mikrolinsenarrays. Die meisten beinhalten standardmäßige fotolithografische Bearbeitungstechniken. Immer wenn eine Urform zur Verfügung steht, kann ein Mikrolinsenarray unter Verwendung von Formtechniken dupliziert werden. Bei vielen Anwendungen ist eine große Gleichförmigkeit der Brennweite über alle Linsen hinweg erwünscht, wird aber aufgrund von Defekten in den Materialien und Schwankungen beim Prozeß (z.B. beim Ätzprofil) nicht notwendigerweise erzielt. Ein Ansatz zur Lösung des letzteren Problems wird beschrieben von C. Bolle in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nr. 10/010,570 mit dem Titel Method for Compensation for Nonuniform Etch Profiles. Die eigene Anwendung, die am 13. November 2001 eingereicht wurde, ist durch Bezugnahme hier aufgenommen. Ein anderes Verfahren nach dem Stand der Technik zum Herstellen von Si-Mikrolinsen wird beschrieben von L. Erdmann et al., Optl. Eng., Bd. 36, Nr. 4, S. 1094–1098 (1977), die ebenfalls durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Zumindest theoretisch können solche individuellen Mikrolinsen oder Mikrolinsenarrays aus anderen Materialien wie etwa Kunststoff hergestellt werden. In der Praxis jedoch hängt die Materialwahl oftmals von der Präzision ab, die von der jeweiligen Anwendung gefordert wird. Beispielsweise erfordern viele unten erörterte optoelektronische Anwendungen eine extrem hohe Präzision dabei, wie Lichtstrahlen aus einer Einrichtung/einem Element zu einer/einem anderen gekoppelt werden. Diese Anwendungen diktieren den Einsatz eines Materials (z.B. Si), das eine ausgereifte Bearbeitungstechnologie aufweist, die die Formung der Mikrolinsen mit entsprechender Präzision ermöglicht.
Ein Mikrolinsenarray ist eine wesentliche Komponente für viele Arten optischer Teilsysteme wie etwa optische Schalter, Router, Dämpfungsglieder, Filter, Korrekturfilter und Dispersionskompensatoren. Bei typischen Anwendungen werden mit dem Mikrolinsenarray optische Strahlen aus einem Array aus Fasern oder Lasern gebildet und auf ein Array von Rezeptoren fokussiert.
Herkömmliche optische Router und Schalter verwenden Arrays aus Mikrolinsen, um optische Strahlen aus einem Array aus optischen Eingangsfasern auf ein Array aus optischen Ausgangsfasern zu kollimieren/fokussieren, so daß die Kopplung zwischen den beiden Arrays effizient ist. Die kollimierende und fokussierende Funktion dienen dazu, den Durchmesser der Lichtstrahlen auf die Öffnung der optischen Fasern abzustimmen.
Bei einer MEMS-Struktur stellen solche herkömmlichen Mikrolinsenarrays aus mehreren Gründen im allgemeinen keine optimale Kopplung der Lichtstrahlen an die optischen Fasern bereit. Zuerst variiert die Linsenkrümmung von Linse zu Linse aufgrund begrenzter Herstellungstoleranzen. Diese Krümmungsschwankungen führen zu Brennweitenschwankungen, die wiederum zu Schwankungen des Lichtstrahldurchmessers in den optischen Ausgangsfasern führen. Zweitens variieren optische Weglängen zwischen unterschiedlichen Paaren von Eingangs- und Ausgangsfasern für verschiedene Verläufe, was zu Schwankungen bei Strahldurchmessern an den Ausgangsfasern führt.
US-A-5,923,480 betrifft eine optomechanische Mikroeinrichtung, die folgendes umfaßt:
eine stationäre Sektion, die eine Ebene der Mikroeinrichtung definiert, mindestens eine Primärlinse, die sich in der Ebene der Mikroeinrichtung bewegen und einen Lichtstrahl in der gleichen Ebene ablenken kann, mindestens einen Befestigungsarm, der die Primärlinse mit der stationären Sektion verbindet, wobei ein Teil des Arms sich bewegen und die bewegliche Linse in der Ebene der Mikroeinrichtung bewegen kann.
Aus US-A-5,734,490 ist eine mikrooptische Komponente bekannt, die eine Mikrolinse mit einer Brennachse und einen Mikrobalken enthält, an der die Mikrolinse integral fixiert ist, wobei sich der Mikrobalken entlang einer Achse im wesentlichen senkrecht zur Brennachse der Mikrolinse erstreckt und elastische Verformungen entlang einer Achse im wesentlichen senkrecht zur Brennachse der Mikrolinse und zur Achse, entlang derer sich der Mikrobalken erstreckt, erfährt.
Aus WO-A-02 01 274 ist ein optischer Schalter bekannt, der mehrere übertragende Einrichtungen enthält, die auf einem einzelnen Substrat integriert sind. Jede individuelle übertragende Einrichtung enthält eine lenkende Einrichtung. Mehrere empfangende Einrichtungen sind vorgesehen. Mindestens einen Abschnitt der übertragenden Einrichtungen lenken Ausgangsstrahlen von den mehreren übertragenden Einrichtungen zu den mehreren empfangenden Einrichtungen.
Aus US-A-5,909,321 ist ein Doppelobjektiv bekannt, das beim Einsetzen zwischen den Lichtstrahlen eine Abweichungskorrektur in einem afokalen Zustand ohne Änderung seiner Brennweite durchführen kann. Das Doppelobjektiv ist so angeordnet, daß, wenn der Krümmungsradius der konkaven Oberfläche einer plankonkaven Linse r1 beträgt, der Brechungsindex der plankonkaven Linse n1 beträgt, die Größe eines Spalts zwischen der plankonkaven Linse und der plankonvexen Linse Δ beträgt, der Brechungsindex des Spalts n2 beträgt, der Krümmungsradius der konkaven Oberfläche einer plankonkaven Linse r2 beträgt und der Brechungsindex der plankonkaven Linse n3 beträgt, die folgenden Beziehung erfüllt ist:
Der Winkel zwischen gegenüberliegenden planaren Oberflächen wird geändert, indem die plankonkave Linse beispielsweise des Doppelobjektivs um ihre Krümmungsmitte als die Rotationsmitte gedreht wird.
Kurze Darstellung der Erfindung
Eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der Erfindung sind wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung läßt sich zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen ohne weiteres anhand der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung verstehen. Es zeigen:
1(a) eine schematische Querschnittsansicht einer Verbundmikrolinsenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform unter Verwendung eines Doppelobjektivs mit zwei gekrümmten Oberflächen;
1(b) eine schematische Querschnittsansicht einer Verbundmikrolinsenvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform unter Verwendung eines Doppelobjektivs mit drei gekrümmten Oberflächen;
1(c) ist eine schematische Draufsicht einer Schlangenfeder, die in den Ausführungsformen der 1(a) und 1(b) verwendet wird;
2 ist eine graphische Darstellung einer normierten Brennweite gegenüber einem normierten Linsenabstand;
3–12 sind schematische Querschnittsansichten, mit denen verschiedene Prozeßschritte bei der Herstellung einer in 13 und 14 gezeigten Verbundmikrolinsenvorrichtung verwendet werden;
13 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verbundmikrolinsenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Doppelobjektivs mit zwei gekrümmten Oberflächen und von der in 1(a) gezeigten Art;
14 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verbundmikrolinsenvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Doppelobjektivs mit zwei gekrümmten Oberflächen und von der in 1(b) gezeigten Art;
15–32 sind schematische Querschnittsansichten, mit denen verschiedene Prozeßschritte bei der Herstellung einer in 33 gezeigten Verbundmikrolinsenvorrichtung beschrieben werden;
33 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verbundmikrolinsenvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Doppelobjektivs mit zwei gekrümmten Oberflächen und von der in 1(a) gezeigten Art;
34 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Verbundmikrolinsenvorrichtung, die modifiziert ist, um die Funktion eines Filters oder Interferometers auszuführen;
35 ist eine schematische Blockdiagrammansicht eines Teilsystems einschließlich einer Rückkopplungsschleife zum Steuern einer Verbundmikrolinsenvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
36 ist eine schematische Ansicht eines weiteren Teilsystems, das eine typische Anwendung eines Arrays aus Verbundmikrolinsenvorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung demonstriert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Allgemeine Struktur
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung beschreiben die folgenden Abschnitte das Design von MEMS-einstellbaren (d.h. abstimmbaren) Verbundmikrolinsenvorrichtungen (d.h. entweder einer einzelnen Vorrichtung, die eine Verbundmikrolinse enthält, oder eines Arrays derartiger Vorrichtungen) sowie Verfahren zu ihrer Herstellung und Verfahren zu ihrem Betreiben in verschiedenen Systemen. Je nach der jeweiligen Ausführungsform können der vertikale Abstand zwischen den Mikrolinsen entlang einer gemeinsamen optischen Achse, der horizontale Abstand ihrer optischen Achsen und/oder die Neigung ihrer optischen Achsen relativ zueinander durch über die MEMS angelegten Spannungen eingestellt werden. Die Steuerung des Abstands und der Neigung gestattet wiederum die Abänderung eines optischen Parameters (z.B. der effektiven Brennweite) der Mikrolinsenvorrichtung.
Eine einzelne Verbundmikrolinsenvorrichtung kann als Dämpfungsglied, Korrekturfilter, Dispersionskompensator oder Filter (34), als Beispiel, verwendet werden, oder eine Vielzahl derartiger Vorrichtungen kann als ein Array (36) ausgebildet werden. Die Teilung des Arrays kann fest oder variabel sein (räumlich, nicht zeitlich).
Ein Array aus Verbundmikrolinsenvorrichtungen eignet sich insbesondere bei Anwendungen (z.B. faseroptischen Übertragungssystemen), bei denen die Gleichförmigkeitsanforderung hoch ist oder bei denen eine Abstimmbarkeit erwünscht ist. Das abstimmbare Mikrolinsenarray soll in einem optischen Teilsystem (z.B. einem optischen Schalter oder Router) enthalten sein und durch eine Rückkopplungsspannungsquelle gesteuert werden, die die Mikrolinsenarraykonfigurationen an interne Schwankungen wie etwa Temperaturänderungen oder externe Schwankungen wie etwa Strahlprofiländerungen anpaßt.
Eine einzelne Vorrichtung 10a, die ein Mikrodoppelobjektiv und einen MEMS-Controller enthält, ist in 1(a) schematisch gezeigt. Hier zeigen wir, daß die Vorrichtung 10a zwei koaxiale Mikrolinsen 12a und 14a enthält. Mindestens eine der Mikrolinsen kann bewegt werden. In dem dargestellten Fall kann die Linse 14a bewegt werden; die Linse 12a ist stationär, und das Doppelobjektiv weist zwei gekrümmte Oberflächen auf, eine auf der Innenseite, der Oberfläche jeder Mikrolinse zugewandt. Alternativ ist eine ähnliche Vorrichtung 10b in 1(b) gezeigt, die ebenfalls ein Doppelobjektiv enthält, das durch koaxiale Mikrolinsen 12b (stationär) und 14b (beweglich) gebildet wird. In diesem Fall weist das Doppelobjektiv jedoch drei gekrümmte Oberflächen auf, eine jeweils auf den inneren und äußeren Oberflächen der Mikrolinse 12b und eine auf der äußeren Oberfläche der Mikrolinse 14b. Mehr als zwei Mikrolinsen (z.B. ein Triplett) jedoch und somit mehr als vier gekrümmte Oberflächen könnten verwendet werden, wenn der damit einhergehende Zuwachs an Komplexität toleriert werden kann.
Zusätzlich kann jede Linse konkav oder konvex und kann sphärisch oder asphärisch sein oder Gestalten einschließlich anamorph (z.B. zylindrisch) aufweisen.
Die Mikrolinsen sind üblicherweise mit Antireflexbeschichtungen beschichtet, die so ausgelegt sind, daß sie einen niedrigen Reflexionsgrad innerhalb eines von dem jeweiligen System und/oder der jeweiligen Anwendung bestimmten Wellenlängenbereich aufweisen. (Reflektierende Beschichtungen werden jedoch in einigen Anwendungen wie etwa beispielsweise Filtern und Dispersionskompensatoren verwendet, die in späteren Abschnitten erörtert werden.)
Ausführlichere und dennoch weitere schematische Wiedergaben verschiedener Ausführungsformen von einzelnen Mikrolinsenvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den 13, 14 und 33 gezeigt.
Der MEMS-Abschnitt jeder Mikrolinsenvorrichtung 10a und 10b enthält eine Trägerstruktur 16a und 16b, nachgiebige Mittel 20a und 20b, eine obere Elektrode und mehrere untere Elektroden 20a und 20b, wie in 1(a) bzw. 1(b) gezeigt. Die Trägerstrukturen 16a und 16b weisen Öffnungen 22a und 22b (z.B. quadratische Öffnungen) auf, in denen die beweglichen Linsen 14a bzw. 14b aufgehängt sind. An den nachgiebigen Mitteln 20a und 20b sind die beweglichen Linsen 14a und 14b innerhalb der Öffnungen 22a bzw. 22b aufgehängt. Zur Veranschaulichung sind die nachgiebigen Mittel Schlangenfedern 20a und 20b, die der Einfachheit halber nur in den Draufsichten der 1(a) bzw. 1(b) und in der erweiterten Draufsicht von 1(c) dargestellt sind. Schließlich dienen die ganzen beweglichen Mikrolinsen 14a und 14b als die oberen Elektroden, wohingegen die unteren Elektroden 18a und 18b um den Umfang der stationären Mikrolinsen 12a bzw. 12b herum positioniert sind. In 1(a) sind die Elektroden 18a in den vier Ecken der quadratischen Öffnungen 22a positioniert gezeigt; in 1(b) sind die Elektroden 18b an den Mittelpunkten der vier Seiten der quadratischen Öffnung 22b positioniert gezeigt. Es eignen sich auch andere Anordnungen der unteren Elektroden.
Als Veranschaulichung ist die obere Elektrode (bewegliche Linse) an eine Stromquelle mit Massepotential gekoppelt und die unteren Elektroden sind an eine Spannungsquelle gekoppelt. An jede untere Elektrode kann die gleiche oder eine andere Spannung angelegt sein. Die Ausführungsformen von 13 und 14 sind auf diese Weise ausgelegt. Bei diesen Ausführungsformen können der vertikale Abstand, der horizontale Abstand und/oder die Neigung der Mikrolinsen in dem Doppelobjektiv eingestellt (d.h. abgestimmt) werden, indem die an alle oder eine Unterkombination der Vielzahl von unteren Elektroden angelegten Spannungen variiert werden. Zur Abänderung des horizontalen Abstands jedoch würde das Design der 1(a) und 1(b) modifiziert werden, um eine seitliche Bewegung der beweglichen Linse zu ermöglichen. Ein typisches modifiziertes Design würde zusätzliche Elektroden 18 (nicht gezeigt) um den Umfang der stationären Linse herum und zusätzliche Federn 20 (nicht gezeigt), die die bewegliche Linse mit der Trägerstruktur koppeln, enthalten.
Im allgemeinen ändern die über die MEMS angelegten Spannungen die kapazitive Kopplung zwischen den Mikrolinsen ab und bewirken dadurch, daß sich die Mikrolinsen relativ zueinander bewegen. Wenn beispielsweise Spannungen zwischen der Vielzahl unterer Elektroden und der oberen Elektrode (bewegliche Linse) von 1 angelegt werden, wird die bewegliche Mikrolinse 14a, 14b in Richtung der stationären Mikrolinse 12a bzw. 12b gezogen. Die Schlangenfedern 20a, 20b, die die bewegliche Linse 12a bzw. 12b tragen, liefern eine Rückstellkraft und können so ausgelegt sein, daß sie große Schwankungen beim vertikalen Abstand d zwischen den Mikrolinsen gestatten. Durch Erhöhen der Länge und Anzahl von Wiederholungen der Federn erreicht die vorliegende Erfindung eine kleine Federkonstante und einen großen Ausschlag (das Ausmaß, um den sich der vertikale Abstand ändert).
Alternativ ist die obere Elektrode (bewegliche Linse) an eine Spannungsquelle gekoppelt, und alle unteren Elektroden sind an eine Stromquelle von Massepotential gekoppelt. Die Ausführungsform von 33 ist auf diese Weise ausgelegt. Bei dieser Ausführungsform kann der vertikale Abstand zwischen den beiden Mikrolinsen eingestellt werden, aber nicht die relative Position oder Neigung.
Unter der Annahme, daß beide Mikrolinsen der Vorrichtung von 1 die gleiche optische Achse aufweisen, sind die effektive Brennweite f₁₂ des Doppelobjektivs und seine Ableitung gegeben durch

wobei f₁ und f₂ die Brennweiten der beiden Mikrolinsen und d ihr vertikaler Abstand sind. Die Brennweite jeder der Mikrolinsen wird durch die Bearbeitungstechnik, die bei seiner Herstellung verwendet wird, festgelegt. (Siehe die Bolle-Anwendung und das Referat von Erdmann et al., oben angeführt.) Bei einem festgelegten Wert f₁₂ und d tritt eine größte Abstimmbarkeit ∂f₁₂/∂d in der Nähe der Singularität von 2 auf, wobei f1 + f2 ≈ d (3)und der kleinste Wert von f₁f₂. Man beachte, daß in Abhängigkeit von den Krümmungen der Mikrolinsen f₁ und/oder f₂ entweder positiv oder negativ sein können. Eine typische Funktionsbeziehung der Brennweite als Funktion eines normierten Abstands ist in 2 gezeigt. Man beachte, daß die Schwankung außerhalb des Gebiets der Singularität klein ist, wo d/f₂ ~ 2,1. Eine Änderung des Verhältnisses f₁/f₂ verschiebt die Kurve entlang der d/f₂-Achse.
Filter
Wie oben erwähnt kann eine abstimmbare Verbundmikrolinsenvorrichtung dafür ausgelegt sein, eine Filterungsfunktion auszuführen. Ein veranschaulichender Filter 30, ein Gire-Tournois-(GT)-Filter (oder Interferometer) ist in 34 gezeigt. Das GT-Filter verwendet ein Doppelobjektiv des in 1(a) gezeigten Typs. Jedoch eignen sich auch andere Doppelobjektivdesigns einschließlich (aber begrenzt auf) das von 1(b). In 34 sind die Innenflächen der Mikrolinsen 32a und 32b mit Reflexbeschichtungen 33a bzw. 33b beschichtet. Diese Beschichtungen können metallisch sein, können mehrschichtige Dielektrika sein oder können ein anderes geeignetes, in der Technik. wohlbekanntes Design aufweisen. Jedenfalls bilden die Reflexbeschichtungen einen Hohlraumresonator. Durch den Einsatz der MEMS zum Ändern der Position der beweglichen Mikrolinsen können wir die Länge des Resonators abändern, was es uns wiederum gestattet, den Strahlungsstrahl (oder Lichtstrahl) 34 spektral oder räumlich zu filtern. Außerdem weist das GT-Filter seine eigene Wellenlängendispersionskennline auf, die so ausgelegt sein kann, daß sie die Dispersion einer anderen optischen Einrichtung kompensiert.
Regelkreisteilsystem
In vielen Anwendungen unterliegt eine Mikrolinsenvorrichtung oder ein Array aus ihnen veränderlichen Bedingungen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Alterung), die bewirken, daß die Vorrichtung oder das Array variable optische Parameter (z.B. Wellenlänge, Leistung, Strahlprofil) aufweisen. Wie in 35 gezeigt, läuft somit ein divergierender optischer Eingangsstrahl 42i durch eine Mikrolinsenvorrichtung 41 und tritt als kollimierter optischer Ausgangsstrahl 42o aus. (Der Einfachheit halber ist nur ein Einzelstrahl der Strahlen gezeigt.) wenn sich beispielsweise die Temperatur der Vorrichtung 41 ändert, dann ändern sich infolge von Änderungen bei der Temperatur ihrer Umgebung auch die Eigenschaften (z.B. Wellenlänge, Leistung, Strahlprofil) des Ausgabestrahls. Um diese optischen Parameter zu stabilisieren (d.h. die Grenze ihrer Schwankung auf vorbestimmte akzeptable Bereiche) ist die Vorrichtung mit einem Regelkreisteilsystem ausgestattet, das einen Controller 45, einen Temperatursensor 43 und einen Fotodetektor 44 enthält. Letzterer kann als Empfänger-Detektor fungieren; z.B. in Verbindung mit einem Empfänger 47 (oder als ein integraler Teil davon), der dazu verwendet wird, Informationen aus dem Ausgabestrahl 42o zu extrahieren, oder er kann als ein Monitor-Detektor fungieren; z.B. in einer Rückkopplungsschleife, die zum Erfassen eines optischen Parameters des Ausgabestrahls 42o verwendet wird.
Es sei anfänglich angenommen, daß der Fotodetektor ein Empfänger-Detektor ist und daß die Vorrichtung 41 und der Sensor 43 sich innerhalb einer Kammer 46 (z.B. einer hermetischen Kammer) befinden. In diesem Fall liefert der Fotodetektor ein elektrisches Signal (zu decodierende Informationen enthaltend) auf den Leitungen 44a und 44b zum Empfänger 47 (nicht zum Controller 45 auf Leitung 44c). Der Sensor 43 liefert ein elektrisches Signal (proportional zur Temperatur) auf Leitung 43a an einen Eingang des Controllers 45. Der Controller wiederum liefert ein elektrisches Ausgangssignal auf Leitung 45a, das sowohl (1) eine grobe Einstellung der Position der beweglichen Mikrolinse 41a (als Reaktion auf ein Signal, das seine Anfangssollposition einstellt) und (2) eine Feinabstimmung der Position der beweglichen Mikrolinse 41a (als Reaktion auf Signale von Sensor 43) bereitstellt.
Alternativ kann der Regelkreis auf dem Wellenlängen-, Leistungs- oder Raumprofil des Ausgabestrahls 42o basieren. In diesem Fall könnte der Fotodetektor 44 als ein Monitor-Detektor zum Erfassen von Änderungen bei diesen optischen Parametern und zur Bereitstellung eines elektrischen Signals auf den Leitungen 44a und 44c zu einem weiteren Eingang des Controllers 45 verwendet werden, der auf ähnliche Weise wie der oben beschriebene funktioniert, um die Position der beweglichen Mikrolinse 41a zu steuern.
Der Detektor 44 ist so gezeigt, daß er sich innerhalb der Kammer 46 befindet, doch kann er sich alternativ außerhalb befinden, vorausgesetzt ein Übertragungsmittel (z.B. ein Fenster) ist vorgesehen, damit der Ausgabestrahl auf den Fotodetektor fällt.
Wenn sich im Gegensatz dazu die Vorrichtung 41 in einer Umgebung mit gesteuerter Temperatur und Feuchtigkeit befindet, dann würde sich die Notwendigkeit für die Kammer 46 und möglicherweise den Temperatursensor 43 erübrigen, und der Regelkreis würde auf dem Erfassen von Parametern außer der Temperatur basieren.
Arrays
Bei einer wichtigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, schematisch in 36 dargestellt, bildet eine Vielzahl einstellbarer Verbindungsmikrolinsenvorrichtungen 51 ein Array 50. Jede Vorrichtung 51 enthält eine Verbundlinse und einen MEMS-Controller des oben beschriebenen Typs.
Bei einer typischen Anwendung koppelt das Mikrolinsenarray Lichtstrahlen aus einem Array 60 von Lichtquellen 61 in ein Array 70 von optischen Rezeptoren 71. Zur Darstellung sind nur zwei Strahlen (von vielen), die von einer typischen einzelnen Quelle 61a ausgehen, so gezeigt, daß sie einen Lichtstrahl 62 bilden, der auf das Mikrolinsenarray 50 auftrifft. In der Praxis würde eine Vielzahl von Quellen 61 gleichzeitig eine Vielzahl derartiger Strahlen emittieren, die auf verschiedene Vorrichtungen in dem Mikrolinsenarray auftreffen. Wie gezeigt fällt der Strahl 62 auf eine typische Mikrolinsenvorrichtung 51a, die den Strahl kollimiert. Der kollimierte Strahl 64 fällt auf einen typischen Rezeptor 71a.
Das Array 60 aus Quellen kann ein Array aus aktiven Einrichtungen wie etwa Lasern enthalten. In der Regel sind die aktiven Quellen Halbleiterdiodenlaser, die direkt in das Mikrolinsenarray 50 gekoppelt sind. Bevorzugt umfaßt das Quellenarray 60 ein Array aus als VCSELs bekannten Oberflächenlasern. Alternativ kann das Array 60 ein Array aus passiven Einrichtungen wie etwa optischen Eingangsfasern oder optischen Mikrospiegeln enthalten, die Lichtstrahlen in das Mikrolinsenarray 50 koppeln. Die Ausdrücke passiv und aktiv werden in dem Sinne verwendet, daß aktive Einrichtungen ein elektrisches Signal in ein optisches konvertieren und umgekehrt; passive Einrichtungen tun das nicht (z.B. sind die letzteren als Beispiel optische Wellenleiter oder Lichtstrahlumlenker).
Das Array 70 aus Rezeptoren 71 kann analog ein Array aus aktiven Einrichtungen wie etwa Fotodetektoren oder ein Array aus passiven Einrichtungen wie etwa optischen Ausgabefasern, Splittern oder Mikrospiegeln enthalten.
Ein optischer Router ist eine wichtige Teilsystemanwendung derartiger Arrays. Beispielsweise enthält ein typischer Router des Quellenarrays 60 ein Array aus optischen Fasern, das an seinem Eingangsende an ein Array aus Lasern und an seinem Ausgangsende an das Mikrolinsenarray 50 gekoppelt ist. Die kollimierten Strahlen (z.B. 64) werden in ein Array aus wohlbekannten Mikrospiegeln gelenkt, die eine Strahllenkfunktion ausführen. Nach der Umlenkung durch das Mikrospiegelarray werden die Strahlen in ein anderes Mikrolinsenarray gekoppelt, das die Strahlen auf das Eingangsende eines Arrays aus optischen Ausgabefasern neufokussiert.
Kompensationsverfahren
Wie weiter oben erwähnt liefern herkömmliche Mikrolinsenarrays aus mehreren Gründen im allgemeinen keine optimale Kopplung der Lichtstrahlen an die optischen Fasern (oder anderen optischen Rezeptoren). Zuerst variiert die Mikrolinsenkrümmung von Mikrolinse zu Mikrolinse aufgrund begrenzter Herstellungstoleranzen. Diese Krümmungsschwankungen führen zu Brennweitenschwankungen, die wiederum zu Schwankungen des Lichtstrahldurchmessers in den optischen Ausgabefasern führen. Zweitens variieren optische Weglängen zwischen unterschiedlichen Paaren von Eingabe- und Ausgabefasern für verschiedene Verläufe, was zu Schwankungen bei Strahldurchmessern an den Ausgabefasern führt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kompensieren von Schwankungen bei einem optischen Parameter (z.B. effektive Brennweite) unter verschiedenen einzelnen der individuellen Mikrolinsenvorrichtungen in einem Array des oben beschriebenen Typs bereitgestellt. Das vorliegende Kompensationsverfahren beinhaltet: (a) Bestimmen, daß eine erste Vorrichtung in dem Array einen Wert des Parameters aufweist, der von einem Standardwert verschieden ist; und (b) Anlegen eines elektrischen Signals an den MEMS-Controller der ersten Vorrichtung, wodurch bewirkt wird, daß der Controller eine mechanische Wirkung ausführt, die den Wert des Parameters der ersten Vorrichtung dem Standardwert annähert. Bei einer veranschaulichenden Ausführungsform dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung ändert die mechanische Wirkung den vertikalen Abstand, den horizontalen Abstand und/oder die Neigung zwischen einem Paar von Mikrolinsen in der ersten Vorrichtung ab.
Natürlich kann das gleiche Verfahren auf eine Vielzahl von Vorrichtungen angewendet werden, die einen Wert aufweisen, der sich von dem mindestens einer anderen Vorrichtung unterscheidet.
Außerdem kann der Standardwert des optischen Parameters ein vorbestimmter Wert dieses Parameters sein, der sich (1) in einer bestimmten zweiten Vorrichtung des Arrays erstreckt oder (2) in einem Computer gespeichert ist, wobei an jenen Vorrichtungen, die dem Standard nicht genügen, Einstellungen vorgenommen werden.
Je nach der Anwendung werden im Verlauf der Zeit (in der Fabrik oder vor Ort) eine Vielzahl von Einstellungen oder eine einzelne Einstellung (in der Fabrik) gefolgt von dem Fixieren der beweglichen Linse (oder Linsen) an ihrem Platz in Betracht gezogen. Letzteres könnte beispielsweise dazu verwendet werden, das Fokalsystem innerhalb eines montierten Routers (oder Schalters) zu optimieren und dann alle beweglichen Mikrolinsen in Position zu verriegeln.
Als nächstes werden zwei Verfahren zum Herstellen einer Verbundmikrolinsenvorrichtung des in den 13, 14 und 33 gezeigten Typs beschrieben. In dem entsprechenden Text werden verschiedene Materialien, Abmessungen und Arbeitsbedingungen lediglich zur Veranschaulichung angegeben und sollen, soweit nicht ausdrücklich anders festgestellt, den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken.
Herstellungsverfahren I
Die unten beschriebene Herstellungstechnik beschreibt den Prozeßfluß zur Herstellung einer einstellbaren Verbundmikrolinsenvorrichtung des in den 13 oder 14 gezeigten Typs. Wir beschreiben die Herstellung der aktiven (beweglichen) Linse, der stationären Linse und der MEMS sowie den Zusammenbau der verschiedenen Komponenten. Die Technik beschreibt ein Array aus derartigen Vorrichtungen, das jedoch gegebenenfalls zerlegt oder auf andere Weise in individuelle Vorrichtungen getrennt werden kann.
Aktive Linse
In Verbindung mit den 3–9 beschreiben wir die Herstellung der aktiven Mikrolinse.
Wie in 3 gezeigt, ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung der aktiven Mikrolinse ein Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Wafer 80, der eine SiO₂-Schicht 81 umfaßt, die zwischen einem unteren Si-Gebiet (oder Substrat) 82 und einem oberen Si-Gebiet (oder Schicht). 83 vergraben ist. SOI-Wafer sind wohlbekannt, und sie werden beispielsweise bei der Herstellung fortgeschrittener ICs sowie von MEMS verwendet. Wenngleich anstelle eines SOI-Wafers ein Si-Volumenwafer verwendet werden kann, ist der Prozeß viel komplexer mit viel engeren Prozeßspielräumen. Aus anderen Materialien (z.B. Quarzglas, Quarz, Zinkoxid oder sogar Kunststoff) oder aus anderen Halbleitern (z.B. SiGe) hergestellte Wafer können verwendet werden.
Der Ausgangsschritt ist die Herstellung eines Arrays aus (in Draufsicht) im wesentlichen kreisförmigen aktiven Mikrolinsen 84 (4) auf dem SOI-Wafer. Im allgemeinen werden diese Mikrolinsen erzeugt, indem auf den Wafer halbkugelförmige Masken 85 (3) erzeugt und ihre Gestalten in die obere Si-Schicht 83 übertragen werden. Es gibt eine Reihe wohlbekannter Möglichkeiten zur Erzeugung dieser Art von gestalteter Maske. Üblicherweise beginnt der Maskenherstellungsprozeß durch Ausbilden einer Vielzahl von im wesentlichen zylindrischen Masken (nicht gezeigt; eine für jede aktive Mikrolinse), deren Zylinderachsen im wesentlichen senkrecht zu der oberen Oberfläche des Wafers verlaufen. Diese Masken werden durch Standardfotolithografie in einer Schicht aus Polymer [z.B. Fotolack (PR)] ausgebildet. Dann werden die zylindrisch gestalteten PR-Masken durch eine wohlbekannte Technik flüssig gemacht, die beispielsweise beinhaltet, sie entweder bei erhöhter Temperatur zu backen und/oder sie einem Lösungsmittel auszusetzen. Die meisten dieser Ansätze wandeln die zylindrischen Masken in im wesentlichen halbkugelförmige Masken 84 um (3). Nachdem die Maskengestalt in die obere Si-Schicht 83 übertragen ist, erhält man entweder sphärische oder asphärische Mikrolinsen 84 (4), je nach den Ätzbedingungen (z.B. Typ und Stärke des Ätzmittels; Ätzzeit und -temperatur).
Alternativ kann das Maskenmaterial aus einem Glas hergestellt sein, das, wenn es erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, seine Gestalt ändert.
Das Maskenmaterial 85 und die obere Si-Schicht 83 werden dann zusammen geätzt, um die in 4 gezeigten Mikrolinsen 84 auszubilden. Die Linsenöffnung a und die Linsendurchbiegung s sind so ausgelegt, daß sie der entsprechenden Anwendung entsprechen. Wenn beispielsweise die Mikrolinsenöffnung, die durch die Anwendung diktiert wird, 0,4 mm und die erforderliche Brennweite 0,4 mm beträgt, beträgt die Durchbiegung s für eine sphärische Mikrolinse 20,4 μm (unter Verwendung eines Brechungsindexes n = 3,48 für Si).
Bei einem veranschaulichenden Ätzprozeß unter Verwendung von Cl₂-basierter Chemie für das Ätzmittel ätzt Si 1,3-mal schneller als eine Fotolackmaske auf Novolakbasis (nPR). (Novolak, auch geschrieben novolak, ist ein wohlbekanntes Phenolformaldehydharz.) Deshalb sollte die angestrebte Durchbiegungshöhe in nPR 15,7 μm betragen. Bei einem veranschaulichenden Lackfließprozeß ist die Mikrolinsendurchbiegung in nPR um das 1,8-fache größer als die nPR-Dicke bei Beschichtung. (Eine einfache Berechnung auf der Basis der Volumenerhaltung zeigt, daß ein Zylinder mit einer Öffnung (Durchmesser) a bei Transformierung in eine Mikrolinse zu einer Durchbiegung führt, die ungefähr doppelt so hoch ist wie die anfängliche Höhe. Aufgrund einer gewissen Verdichtung jedoch wird die Durchbiegung in dem nPR um ungefähr 10% reduziert, was einen Wert von 1,8 ergibt. Auf der Basis dieser Berechnungen ist das Ziel für die nPR-Dicke vor dem Aufschmelzen 8,7 μm.
Die durch den Schmelzprozeß erhaltene Maskengestalt ist im wesentlichen halbkugelförmig, wie in 3 gezeigt. Der Ätzprozeß beeinflußt die Gestalt etwas, doch sind die Abweichungen von der Kugelgestalt mit Ausnahme der oben erwähnten Abmessungen minimal, und für alle praktischen Zwecke ist die Gestalt der gekrümmten Oberfläche der Si-Mikrolinsen 84 (4) kugelförmig (im wesentlichen gleiche Ätzraten von Si und PR bewahren die kugelförmige Gestalt; für die Abmessungen in dem obigen Beispiel sind jedoch die Abweichungen gering). Nachdem das PR ganz verbraucht worden ist, bleibt die Gestalt der Mikrolinsen selbst dann unverändert, wenn der Ätzprozeß fortgesetzt wird. (Tatsächlich wird ein Überätzprozeß bevorzugt, um ein vollständiges Entfernen von PR aus dem ganzen Wafer sicherzustellen.) In der oberen Si-Schicht 83 werden die verbleibenden Gebiete 83a (4), die zwischen benachbarten Mikrolinsen liegen, zur Ausbildung der Schlangenfedern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet. Eine Federdicke (Höhe) von einigen wenigen Mikrometern ist adäquat. Wenn beispielsweise die gewünschte Federhöhe 5 μm beträgt, sollte die Anfangsdicke der Si-Gebiete 83a geringfügig größer als 25,4 μm sein (die Summe der Linsendurchbiegung und der Federdicke). Gleichförmigkeit und Steuerung beim Ätzschritt, der die Federn ausbildet, sind wichtig, da diese Prozeßkennlinien die Federkonstanten beeinflussen.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf die 5 & 6, die (nach einigen zusätzlichen Prozeßschritten) auseinander gezogene Ansichten des umrissenen Abschnitts von 4 zeigen. Diese Figuren veranschaulichen, wie die Federn für die individuellen Mikrolinsen ausgebildet sind. (Von nun ab wird nur die Herstellung einer einzelnen Mikrolinsenvorrichtung beschrieben, wobei sich versteht, daß sich der Prozeß auch auf die Herstellung eines Arrays anwenden läßt.) Die Maske für diesen Teil des Prozesses ist PR, eine konforme Hartmaske (z.B. SiO₂) oder eine Kombination aus den beiden. Wenn nur eine PR-Maske verwendet wird, sollte sie dick genug sein, die Mikrolinsen während des ganzen Ätzprozesses zu bedecken. Eine einfache Berechnung ergibt, daß, wenn das PR fließt, um ein flaches Profil zu erzeugen, was einen Extremfall darstellt, seine Dicke ungefähr 25 μm betragen sollte. Wenn im Gegensatz dazu nur eine SiO₂-Hartmaske verwendet wird, sollte ihre Dicke (unter Annahme eines Verhältnisses 5:1 der Ätzraten von Si:SiO₂) mindestens 1 μm betragen. Diese Art von Hartmaske wird durch herkömmliche Trockenätztechniken (z.B. Plasmaätzen) strukturiert, dann wird der PR abgelöst und das SiO₂ dient als Maske während des Ätzens der Si-Gebiete 83a. Wenn schließlich eine Kombination aus einer PR-Schicht 86 und einer Hartmaske 87 während des Ätzens von Si-Gebieten 83a verwendet wird, wie in 5 gezeigt, dann können vorteilhafterweise dünnere Schichten aus PR und Hartmasken-SiO₂ verwendet werden.
Der PR wird als nächstes unter Verwendung von Standardfotolithografie strukturiert, um schlangenförmige Öffnungen 86a auszubilden, und über einen Trockenätzprozeß wird diese Struktur in die Si-Gebiete 83a übertragen (in 5 ist nur ihr Querschnitt gezeigt). Nach dem Ablösen des PRs erhält man die in 6 gezeigte Struktur. Die Schlangenfedern sind mit 88 bezeichnet. Diese Figur zeigt, weshalb ein SOI-Wafer das bevorzugte Ausgangsmaterial ist; das heißt, die vergrabene Oxidschicht 81 dient als Ätzstop sowohl in dem obigen Federausformungsschritt und in einem nachfolgenden Ätzschritt, mit dem der Hohlraum 89 ausgebildet wird (8), wie unten beschrieben.
Wie in 8 gezeigt, beinhaltet die nächste Phase der Herstellung der Vorrichtung die Ausbildung eines Hohlraums 89 unter der Mikrolinse 84, der es gestattet, daß die Mikrolinse an ihren Schlangenfedern 88 aufgehängt wird. Wie in 7 gezeigt, besteht der erste Schritt darin, die obere Oberfläche der Mikrolinse mit einer relativ dicken PR-Schicht 90 zu bedecken, die die obere Oberfläche der Mikrolinse schützt und eine flache obere Oberfläche 90a der PR-Schicht liefert. Während des Ätzprozesses (z.B. Plasmaätzen, was Wärme erzeugt), wird der Wafer gekühlt, indem er an einen Halter geklemmt wird. Heliumgas wird verwendet, um für einen Wärmekontakt zwischen dem Wafer und dem Halter zu sorgen. Die flache Oberfläche 90a reduziert vorteilhafterweise die Heliumleckrate in die Ätzkammer. Die Dicke der PR-Schicht 90 sollte in dieser Phase des Prozesses mindestens 50 μm betragen.
Nachdem die Mikrolinse von der PR-Schicht 90 geschützt worden ist, wird der Wafer umgeklappt und unter Verwendung einer PR-Schicht 91 fotolithografisch eine Öffnung 89 definiert, wie in 7 gezeigt. Die strukturierte PR-Schicht 91 sollte mindestens 20 μm dick sein, um das Ätzen der unteren Si-Schicht 82 bis auf eine Tiefe von etwa 700 μm zu erleichtern. In der Regel ist das Ätzmittel für diesen Schritt SF₆-basiert, und Si:PR-Ätzratenselektivitäten von mindestens 50:1 werden realisiert.
Die Gleichförmigkeit dieses Ätzschritts sowie seine Selektivität zum Ätzen von Si gegenüber SiO₂ bestimmt die Dicke der vergrabenen SiO₂-Schicht 81 in dem SOI-Wafer. Eine Ätzgleichförmigkeit bei diesem Schritt von ±5% entspricht einer Schwankung von ±10% bei der Ätzrate über den Wafer hinweg. Diese Schwankung impliziert, daß in einigen Bereichen des Wafers der den Hohlraum 89 bildende Ätzschritt möglicherweise die SiO₂-Schicht 81 (ab dem Boden) freilegen kann, wohingegen in anderen Bereichen dieser gleiche Ätzschritt möglicherweise die Schicht 81 unter etwa 70 μm an restlichem Si von der Schicht 82 zurückläßt. Die Struktur von 7 wird dann trockengeätzt (z.B. plasmageätzt), bis jedes restliche Si entfernt ist. Zu Zwecken der Veranschaulichung sollte, bei Annahme von Si:SiO₂-Ätzratenselektivitäten von mindestens 100:1 bei diesem Schritt, die vergrabene SiO₂-Schicht 81 mindestens 0,7 μm dick sein. Eine geringfügig dickere Schicht (mindestens 1 μm) wird bevorzugt, um bei dem Ätzschritt einen Sicherheitszuschlag zu erhalten.
Nach dem Trockenätzprozeß werden die PR-Schichten 90 und 91 abgelöst, was zu der in 8 gezeigten Struktur führt. Als nächstes entfernt ein geeignetes Ätzmittel (z.B. eine HF-Lösung) die in 8 gezeigten SiO₂-Schichten 81 und 87.
Dann werden, wie in 9 gezeigt, Antireflexbeschichtungen (ARCs) 92 und 93 auf der oberen und unteren Oberfläche der Mikrolinse 84 abgeschieden. Jede ARC könnte beispielsweise eine einzelne Schicht aus dielektrischem Material (z.B. Si₃N₄) mit einer Dicke gleich ¼ der Arbeitsmittenwellenlänge oder eine mehrschichtige dielektrische Struktur sein, die dafür ausgelegt ist, über einen breiten Bereich von Wellenlängen einen geringen Reflexionsgrad bereitzustellen.
Man beachte hier, daß die aktive Mikrolinse von 9 eine Trägerstruktur oder einen Abstandshalter 102 enthält, durch den die aktive Mikrolinse über der stationären aufgehängt werden kann. Die Trägerstruktur 102 bildet einen Hohlraum 89, in dem die stationäre Linse vorsteht, wie in 13 gezeigt.
Wenngleich die Trägerstruktur eine Vielzahl geometrischer Formen annehmen kann, ist eine der einfachsten ein Quadrat (in 1 in Draufsicht gezeigt), das es ohne weiteres gestattet, eine kreisförmige Mikrolinse (in Draufsicht) darin zu positionieren.
Stationäre Linse
In Verbindung mit den 10–12 wird die Herstellung der stationären Linse und der mit ihr assoziierten Elektroden beschrieben.
Die in 10 gezeigte stationäre Mikrolinse 94 kann aus einem standardmäßigen Halbleiterwafer (z.B. Si) hergestellt werden; es ist kein SOI-Wafer erforderlich.
Prinzipiell jedoch können auch andere Materialien (z.B. Quarzglas, Quarz, optisches Glas, Zinkoxid oder sogar Kunststoff) oder andere Halbleiter (z.B. SiGe) verwendet werden.
Unter der Annahme, daß ein standardmäßiger Si-Wafer 98 verwendet wird, sind die zum Ausbilden der halbkugelförmigen Gestalt der Mikrolinse 94 verwendeten Anfangsschritte ähnlich denen, mit denen die aktive Mikrolinse 84 geformt wird, wie in Verbindung mit den 3 und 4 beschrieben. An diesem Punkt wird die Rückseite des Wafers 98 poliert (falls der standardmäßige Si-Wafer eine rauhe Rückfläche aufweist), und ARC-Beschichtungen 95 und 96 werden auf der oberen bzw. unteren Oberfläche abgeschieden. Dann wird eine Opferschicht 97 (z.B. 200 nm dickes SiO₂) auf der oberen ARC 95 abgeschieden. Die Schicht 97 schützt die darunterliegende ARC 95 während eines unten zu erörternden Ätzschritts. Die erhaltene Struktur ist in 10 gezeigt. Alternativ kann es vorteilhaft sein, die untere ARC 96 auch mit einer Schutzschicht zu bedecken.
Wie in 11 gezeigt, wird, um den Prozeß des Ausbildens von Elektroden um den Umfang der stationären Mikrolinse 94 herum zu beginnen, zuerst eine Metallschicht 99 auf der Schutzschicht 97 abgeschieden. Nach der Metallabscheidung (z.B. 0,5 μm dickes Al) wird eine PR-Schicht abgeschieden. Die PR-Schicht wird über Standardfotolithografie strukturiert, um eine Vielzahl von PR-Säulen 100 auszubilden, die sich um den Umfang der stationären Mikrolinse 94 herum befinden. In der zweidimensionalen Ansicht von 11 sind nur zwei Säulen gezeigt; in drei Dimensionen würden jedoch mehr als zwei und in der Regel vier Säulen verwendet, um beispielsweise zu ermöglichen, daß vier Elektroden (18a, 18b) danach ausgebildet werden, wie in 1 gezeigt. Entsprechende Elektroden sind in den 12–14 mit der Zahl 101 bezeichnet.
Als nächstes wird der strukturierte Wafer geätzt, um die PR-Struktur in die Metallschicht 99 zu übertragen und dadurch die Elektroden 101 zu definieren, wie in 12 gezeigt. Mit diesem Schritt werden auch Leiter oder eine Verdrahtung (nicht gezeigt) ausgebildet, um das Anlegen elektrischer Signale an die Elektroden 101 zu gestatten. (Eine entsprechende Verdrahtung ist für die bewegliche Mikrolinse nicht erforderlich, da sie geerdet ist und somit keinen Strom führt. Ein leitendes Epoxid reicht aus, um die bewegliche Mikrolinse an Masse zu koppeln.) Ein Naß- oder ein Trockenätzschritt wird dann verwendet, um die Schutzschicht 97 zu entfernen, wodurch die in 12 gezeigte Struktur zurückbleibt. Bei Verwendung von Si₃N₄ als das Material der ARCs 95 und 96 und SiO₂ als das Material der Schutzschicht 97 umfaßt ein geeignetes Naßätzmittel eine Ethylenglycol-HF-Lösung oder eine Ethylenglycol-BOE-Lösung.
Zusammenbau
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die aktive Mikrolinse (9) und die stationäre Mikrolinse (12) zusammengebaut, um die in 13 gezeigte Vorrichtung zu bilden. Diese Baugruppe enthält eine Trägerstruktur (oder Abstandshalter) 102, der in 8 ausgebildet wurde und nun zwischen den beiden Linsen angeordnet ist, so daß die aktive Linse 84 koaxial über der stationären Linse 94 gestützt oder aufgehängt ist. Ihre Höhe reicht aus, um zwischen den beiden Mikrolinsen einen Spalt bereitzustellen, der gestattet, daß ihr Abstand und/oder ihre Neigung elektrisch eingestellt werden.
Veranschaulichend umfaßt die Trägerstruktur ein Halbleitermaterial (z.B. Si oder SiGe) und ist um den Umfang der stationären Linse herum durch ein Klebematerial (z.B. Epoxid oder Polyimid) fixiert.
Bei Betrieb koppelt eine nicht gezeigte Verdrahtung eine Spannungsquelle an ausgewählte einzelne der unteren Elektroden 101. Der gleiche Spannungspegel kann an alle Elektroden 101 angelegt werden, um nur den vertikalen Abstand zwischen den beiden Mikrolinsen abzuändern, oder unterschiedliche Spannungspegel können an unterschiedliche der Elektroden 101 angelegt werden, um die Neigung der aktiven (oder beweglichen) Mikrolinse sowie den vertikalen Abstand zwischen den beiden Mikrolinsen abzuändern. Anderseits sind in 13 die aktive Mikrolinse 84 und die Struktur 102 nicht elektrisch voneinander isoliert. Wie oben angemerkt, sind die aktive Mikrolinse und die Trägerstruktur an eine Quelle von Massepotential gekoppelt.
Bei der Ausführungsform von 13 weisen die halbkugelförmigen Oberflächen der beiden Mikrolinsen in die gleichen Richtungen, ähnlich dem Design von 1(b), ohne aber die gekrümmte Oberfläche auf der Rückseite der Mikrolinse 12b. Alternativ kann, wie in 14 gezeigt, die aktive Mikrolinse umgeklappt und so montiert werden, daß die halbkugelförmigen Oberflächen der beiden Mikrolinsen einander zugewandt sind, ähnlich dem Design von 1(a). Bei dieser Konfiguration ist die Si-Trägerstruktur 102 (13) möglicherweise nicht hoch genug, um einen adäquaten Abstand zwischen den beiden Mikrolinsen zu gestatten. In diesem Fall kann eine alternative höhere Trägerstruktur 103 (14) zwischen den beiden Mikrolinsen angeordnet werden. Diese Trägerstruktur braucht nicht aus Halbleitermaterial hergestellt zu sein; eine geeignete Alternative ist ein über Fotolithografie definierbares Polyimid.
Unter der Annahme, daß die Brennweite für jede der aktiven und stationären Mikrolinsen f₁ = f₂ = 0,4 mm und ihr vertikaler Abstand d = 700 μm beträgt, gibt Gleichung (1) die effektive Brennweite der Vorrichtung von entweder 13 oder 14 als f₁₂ = 1,6 mm an.
Herstellungsverfahren II
Die unten beschriebene Herstellungstechnik beschreibt einen Prozeßfluß zur Herstellung einer bevorzugten einstellbaren Verbundmikrolinsenvorrichtung des in 33 gezeigten Typs. Wir beschreiben die Herstellung der aktiven (beweglichen) Linse, der stationären Linse und der MEMS sowie den Zusammenbau der verschiedenen Komponenten. Die Technik beschreibt ein Array aus derartigen Vorrichtungen, das jedoch gegebenenfalls zerlegt oder auf andere Weise in individuelle Vorrichtungen getrennt werden kann.
Diese Herstellungstechnik ist zwar geringfügig komplizierter, führt aber zu einem Design, das gegenüber in den 13 und 14 gezeigten vorausgegangenen Designs signifikante Vorteile aufweist. Insbesondere sind die Mikrolinsenvorrichtung von 33, die aktive Linse und die Wände der Trägerstruktur voneinander isoliert, wodurch die aktive Linse bestromt werden kann, während die Wände und die stationären Linsen auf Massepotential gehalten werden. Simulationen zeigen, daß dieses Design ein viel besseres Verhalten aufweist als das vorherige; das heißt, das neue Design weist eine niedrigere Arbeitsspannung und eine größere Arbeitsauslenkung auf.
Außerdem wird durch die Integration einer zweiten Ätzstopschicht in Verfahren II die mit der Federausbildung in Verfahren I assoziierte Steuerfrage behandelt.
Aktive Linse
In Verbindung mit den 15–31 wird die Herstellung einer modifizierten aktiven Linse beschrieben.
Wie bei Verfahren I ist das Ausgangsmaterial ein SOI-Wafer 110 mit einer 1 μm dicken vergrabenen SiO₂-Schicht 111, wie im unteren Abschnitt von 15 gezeigt. Die Dicke der oberen Si-Schicht 112 sollte etwa gleich der Dicke der Federn in der aktiven Mikrolinsenstruktur sein. Bei Verfahren I betrug die Dicke etwa 5 μm, doch da die Anforderungen von Verfahren II hinsichtlich der Gleichförmigkeit des Ätzens weniger streng sind, kann eine noch dünnere obere Si-Schicht 112 verwendet werden. Die Schicht 112 dient auch als ein elektrischer Leiter zu den individuellen aktiven Mikrolinsen und sollte deshalb eine akzeptabel hohe Dotierkonzentration aufweisen (z.B. im Bereich von etwa 10¹⁶–10¹⁷ cm^–3, was ausreicht, um für eine adäquate elektrische Leitung zu sorgen, ohne zuviel optische Absorption zu verursachen).
Als nächstes wird der SOI-Wafer 110 auf beiden Seiten oxidiert, damit man jeweils 1 μm dicke SiO₂-Schichten 113 und 114 erhält.
Wie in dem oberen Abschnitt von 15 gezeigt, wird auch ein zweiter Wafer 115 (nicht SOI, sondern Volumen-Si) oxidiert, um eine SiO₂-Schicht 116 auszubilden. [Wenngleich dieser Schritt auch eine nicht gezeigte Oxidschicht auf der oberen Oberfläche des Volumenwafers 115 ausbilden kann, ist das Vorliegen einer derartigen Oxidschicht irrelevant, da schließlich die obere Oberfläche geschliffen und poliert wird.] Der oxidierte SOI- und Volumen-Si-Wafer werden miteinander verbunden, indem die exponierten Oberflächen der Oxidschichten 113 und 116 miteinander verklebt werden. Die verklebten Oxidschichten sind in 16 durch die Bezugszahl 117 angezeigt. (Wenngleich in 16 nicht gezeigt, würde die Dicke der Schicht 117 in der Praxis etwa gleich der Summe der Dicken der Schichten 113 und 116 sein.) Nachdem das Verkleben dieser Schichten abgeschlossen ist, wird die obere Oberfläche des Volumen-Si-Wafers 115 geschliffen und poliert, um eine obere Si-Schicht 115a (16) zu erhalten, in der die aktiven Mikrolinsen ausgebildet werden. Deshalb sollte die Schicht 115a eine Dicke aufweisen, die etwa 0,5 μm größer ist als die gewünschte Mikrolinsendurchbiegung. Im Verfahren I beträgt die Durchbiegung zur Veranschaulichung etwa 25,4 μm, was auch für Verfahren II gilt. Dementsprechend sollte die Gesamtdicke von Schicht 115a etwa 26 μm betragen.
Die in 16 gezeigte resultierende Struktur ist als ein Doppel-SOI bekannt. Diese Art von Wafer ist auch aus kommerziellen Quellen erhältlich, wie etwa Soitec Inc., die Vertretungen in Bernin, Frankreich und Peabody, Massachusetts, USA, hat.
Als nächstes wird die Oxidschicht 114 auf der Rückseite des Wafers über standardmäßige fotolithografische und Ätztechniken strukturiert (17), um kreisförmige Öffnungen 118 auszubilden. Jede Öffnung wird schließlich auf eine aktive Mikrolinse ausgerichtet und wird einen Durchmesser aufweisen, der geringfügig kleiner ist als die Mikrolinsenöffnung. Unter Verwendung der Illustration von Verfahren I, bei dem der Öffnungsdurchmesser 0,4 mm betrug, wird geschätzt, daß der Durchmesser der Öffnungen 118 etwa 0,38 mm betragen sollte.
An diesem Punkt werden die aktiven Mikrolinsen 119 (19) unter Verwendung halbkugelförmig geformter PR-Masken 120 (18) auf die in Verfahren I beschriebene Weise in der Si-Schicht 115a ausgebildet, außer daß die Mikrolinsen 119 auf die Öffnungen 118 auf der Rückseite der Wafer ausgerichtet sind.
Dann wird wie in 20 gezeigt eine ARC 121 auf den Mikrolinsen 119 abgeschieden. Wie zuvor kann für die ARC eine Si₃N₄-Schicht mit einer Dicke von ¼ Wellenlänge verwendet werden. Auf der ARC 121 wird eine etwa 200 nm dicke SiO₂-Schutzschicht 122 abgeschieden.
Bei dem nächsten Schritt werden die individuellen Linsen voneinander isoliert. Dazu wird eine strukturierte PR-Schicht 123 fotolithografisch auf der Schutzschicht 122 ausgebildet. Die PR-Schicht sollte dick genug sein, damit die Mikrolinsen während des Ätzprozesses geschützt werden (d.h. des Ätzens, das Si/SiO₂-Material entfernt, das durch die Öffnungen in dem PR freiliegt). In einem Worst-Case-Szenarium, bei dem die PR-Schicht den Wafer planarisiert, wie oben, sollte die PR-Schicht mindestens 26 μm dick sein. (In Wirklichkeit wird in den meisten Fällen keine vollständige Planarität erzielt, und so ist es möglich, einen viel dünneren PR zu verwenden.) Öffnungen 124 in dem strukturierten PR legen Gebiete zwischen benachbarten Mikrolinsen frei. Diese Gebiete werden bis hinunter zur Si-Schicht 115b geätzt, was jede Mikrolinse 119 auf einem Segment 117a der Oxidschicht 117 isoliert zurückläßt, wie in der Struktur von 21 gezeigt. Tatsächlich werden durch diesen Ätzschritt die folgenden Schichten innerhalb der freigelegten Gebiete entfernt: die Schutzschicht 122, die ARC 121, die Si-Schicht 115a und die SiO₂-Schicht 117.
Nachdem die individuellen aktiven Mikrolinsen isoliert worden sind, wird dann eine etwa 500 nm dicke Schicht 125 aus dotiertem Polysilizium (oder amorphem Si) (die genaue Dicke ist unkritisch und kann von Anwendung zu Anwendung variieren) über dem ganzen Wafer abgeschieden (22). Die Schicht 125 wird dann zurückgeätzt, um Abstandshalter 126 (23 und 24) auszubilden, die schließlich eine elektrische Verbindung zu der Si-Schicht 115b darunter bereitstellen. In der Draufsicht bilden die Abstandshalter einen vollständigen Ring um die aktive Linse herum. 24 zeigt eine auseinander gezogene Ansicht der individuellen aktiven Mikrolinse von 23, durch ein gestricheltes Rechteck umrissen.
Wie in 25 gezeigt, beinhaltet der nächste Teil des Prozesses das fotolithografische Strukturieren und Ätzen der Si-Schicht 115b. Das strukturierte Si weist einen doppelten Zweck auf: es bildet die elektrische Leitungsführung (Verdrahtung) zu jeder aktiven Mikrolinse, und sie dient als das Schlangenfedermaterial.
Als nächstes wird in der Rückseite des Wafer ein Hohlraum 128 (28) geöffnet. Der Hohlraum weist zwei Sektionen auf, die im Tandem entlang der optischen Achse der Mikrolinse 119 angeordnet sind; eine schmalere Sektion 128a (28; entsprechend der Breite der in 24–26 gezeigten Öffnung 118) und eine breitere Sektion 128b (28; entsprechend der Breite der in 26 gezeigten Öffnung 131). Der Hohlraum wird in mehreren Schritten ausgebildet, die in Verbindung mit 26 und 27 beschrieben werden.
Zuerst werden dicke PR-Schichten 129 und 130 (26) auf der Oberseite bzw. Unterseite des Wafers abgeschieden. Wie zuvor sollte die obere PR-Schicht 129 ausreichend dick sein, um eine planare Oberfläche zu liefern, die es gestattet, den Wafer in dem Halter eines Ätzwerkzeugs zu plazieren. Dann wird die PR-Schicht 130 am Boden des Wafers fotolithografisch strukturiert, um eine Öffnung 131 auszubilden, die breit genug ist, um die Mikrolinse 119 und ihre Federn 127 (26) einzuschließen.
Als zweites wird, wie in 27 gezeigt, die Öffnung 118 in der Oxidschicht 114 dazu verwendet, den schmaleren Hohlraumabschnitt 128a auszubilden; das heißt, als Veranschaulichung werden etwa 100 μm Si von der Rückseite des Wafers (Si-Gebiet 110a) geätzt, wobei ein SF₆-basiertes Ätzmittel mit einer Ätzratenselektivität von > 100:1 für Si:SiO₂) in Verbindung mit einer 1 μm dicken Oxidmaske verwendet wird.
Als drittes werden die verbleibenden freiliegenden Abschnitte 114a der Oxidschicht 114 weggeätzt, und das tiefe Ätzen des Si-Gebiets 110a wird wieder aufgenommen, bis der zentrale Abschnitt 11a der vergrabenen Oxidschicht 111 freigelegt ist (28). Der Tiefätzschritt bildet die breitere Hohlraumsektion 128b und entspricht der Gestalt der schmaleren Hohlraumsektion 128a nach oben, bis er an den zentralen Abschnitt 111a der vergrabenen Oxidschicht 111 anstößt.
Nachdem der Hohlraumbildungsprozeß den zentralen Abschnitt 111a des vergrabenen Oxids 111 unter jeder Mikrolinse freilegt, wird dieser Abschnitt weggeätzt (29), um zu vermeiden, daß in dem Lichtweg mehrere Reflexionsoberflächen vorliegen. Dann wird der freigelegte zentrale Abschnitt 112a der Si-Schicht 112 entfernt (z.B. wieder unter Verwendung eines Ätzmittels auf SF₆-Basis), um die in 30 gezeigte Struktur herzustellen. Dieser Schritt legt wiederum Oxid frei, doch diesmal den zentralen Abschnitt 117a der Oxidschicht 117.
An diesem Punkt wird der PR abgelöst und die Mikrolinsen werden freigegeben; das heißt wie gezeigt, in 30 und 31 werden die peripheren Abschnitte 111b (unter den Federn 127) der vergrabenen Oxidschicht 111 und der zentrale Abschnitt 117a (am Boden der Mikrolinse 119) der Oxidschicht 117 weggeätzt, wie in 31 gezeigt. Schließlich wird eine ARC 132 am Boden der Mikrolinse 119 (und übrigens auf den anderen Rückflächen) mit ähnlichen Dickeanforderungen abgeschieden, die weiter oben hinsichtlich der Ausbildung der ARC 121 auf der Oberseite der Mikrolinse erörtert wurden. 31 zeigt die Endform der aktiven Mikrolinse, die mit Hilfe von Federn 127 nachgiebig an der Trägerstruktur 133 aufgehängt ist.
Stationäre Linse
Der Prozeß zum Herstellen der stationären Mikrolinse 134 (32) ähnelt dem im Verfahren I beschriebenen, aber ohne die Metallschicht 99 (11), die zum Ausbilden der Elektroden 101 verwendet wird (12–14). Die Mikrolinse 134 ist in 32 nach dem Abscheiden der ARCs 135 und 136 auf ihrer Oberseite bzw. Rückseite gezeigt.
Die stationäre Mikrolinse 134 von Verfahren II ist einfacher herzustellen als die entsprechende Mikrolinse 94 von Verfahren I, da erstere nur einen Fotolithografieschritt (im Gegensatz zu zwei derartigen Schritten in Verfahren I) erfordert und keine Abscheidung von Oxiden und Metall zur Ausbildung der Elektroden erfordert.
Zusammenbau
Die aktive Mikrolinse 119 und die stationäre Mikrolinse 134 werden dann zusammengebaut, indem die Trägerstruktur 133 auf den peripheren Oberflächen der stationären Mikrolinse montiert werden, wie in 33 gezeigt. In der Regel wird die Trägerstruktur 133 mit Hilfe eines geeigneten Klebematerials (z.B. Epoxid oder Polyimid) an den peripheren Oberflächen fixiert.
Bei diesem Design sind sowohl die stationäre Linse 134 als auch die Wände der Trägerstruktur an eine Quelle von Massepotential gekoppelt, wohingegen die aktive Mikrolinse 119 bestromt ist (d.h. an eine Spannungsquelle gekoppelt ist).
Metallpads (nicht gezeigt), die das Herstellen elektrischer Verbindungen erleichtern, können auf der oberen Oberfläche der Baugruppe unter Verwendung einer standardmäßigen Aufdampfung von Metall durch die Öffnungen in einer Lochmaske abgeschieden werden. Alternativ können die Pads über den folgenden Prozeß ausgebildet werden: einen zusätzlichen fotolithografischen Schritt nach der Ausbildung der Abstandshalter (24), Aufdampfen einer Metallschicht und eine wohlbekannte Abhebetechnik.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen für die vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen, die ausgedacht werden können, um eine Anwendung der Grundlagen der Erfindung darzustellen, lediglich veranschaulichend sind. Insbesondere können die aktiven und stationären Mikrolinsen der Vorrichtung von 33 wie bei den Vorrichtungen von 13 und 14 auch aus Materialien wie etwa SiGe, Quarzglas, Quar, Zinkoxid oder sogar Kunststoff hergestellt werden.

Claims

Mikrolinsenvorrichtung, die folgendes umfaßt: ein Substrat, erste und zweite optische Mikrolinsen, die auf dem Substrat befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinsen entlang ihrer optischen Achsen so voneinander getrennt sind, daß sie eine zusammengesetzte Linse bilden; wobei mindestens eine der Mikrolinsen relativ zu der anderen mindestens in Richtung der Achsen bewegt werden kann; wobei die Vorrichtung weiterhin einen MEMS-Controller zum elektrischen Steuern der Position der mindestens einen beweglichen Mikrolinse enthält und die Position des Substrats unabhängig ist von der steuernden Wirkung des Controllers.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die bewegliche Mikrolinse als eine erste Elektrode dient, wobei der MEMS-Controller eine Struktur enthält, die von der stationären Mikrolinse gestützt wird, wobei die Struktur eine Öffnung aufweist, in der die bewegliche Mikrolinse nachgiebig geschützt ist, und weiterhin eine Vielzahl zweiter Elektroden enthält, die neben der stationären Mikrolinse angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Elektroden zusammen die Position der beweglichen Mikrolinse als Reaktion auf ein zwischen den zweiten Elektroden und der beweglichen Mikrolinse angelegtes elektrisches Signal steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der MEMS-Controller nachgiebige Mittel enthält, die zwischen die Struktur und die bewegliche Mikrolinse gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die stationäre Mikrolinse im wesentlichen kreisförmig ist und die zweiten Elektroden um den Umfang der stationären Mikrolinse herum im wesentlichen gleichmäßig beabstandet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Summe der Brennweiten der ersten und zweiten Komponentenmikrolinsen etwa gleich dem Abstand zwischen den ersten und zweiten Komponentenmikrolinsen ist.
Vorrichtung mit einem Array aus optischen Elementen, wobei jedes der Elemente eine Vorrichtung nach Anspruch 1 umfaßt.
Verfahren zum Kompensieren von Schwankungen bei einem optischen Parameter einer ersten optischen Vorrichtung in einem Array von derartigen Vorrichtungen, wobei jede der Vorrichtungen folgendes enthält: (i) ein Substrat, (ii) eine zusammengesetzte Mikrolinse mit einer optischen Achse und mit mindestens zwei Komponentenmikrolinsen, wobei mindestens eine der Komponentenmikrolinsen relativ zu der anderen Komponentenmikrolinse mindestens in der Richtung der Achse bewegt werden kann, wobei die Verbundmikrolinse auf dem Substrat befestigt ist, (iii) einen MEMS-Controller zum elektrischen Steuern der Position der mindestens einen beweglichen Komponentenmikrolinse, wobei der Controller als Reaktion auf ein daran angelegtes elektrisches Signal eine mechanische Wirkung erzeugt, und (iv) die Position des Substrats unabhängig ist von der steuernden Wirkung des Controllers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bestimmen, daß die erste Vorrichtung einen Wert des Parameters aufweist, der von einem Standardwert verschieden ist; und (b) Anlegen eines elektrischen Signals an den MEMS-Controller der ersten Vorrichtung, wodurch bewirkt wird, daß der Controller der ersten Vorrichtung die mechanische Wirkung ausführt, die die mindestens eine bewegliche Komponentenmikrolinse der ersten Vorrichtung bewegt, damit sich der Wert des Parameters der ersten Vorrichtung des dem Standardwerts annähert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Standardwert der Wert des optischen Parameters in einer zweiten Vorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die erste und zweite Vorrichtung in einem Array von solchen Vorrichtungen enthalten sind und Schritt (a) das Bestimmen beinhaltet, daß eine Vielzahl der Vorrichtungen andere Werte des Parameters als die zweite Vorrichtung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der optische Parameter die effektive Brennweite einer Vorrichtung ist und Schritt (a) bestimmt, daß die effektive optische Brennweite der ersten Vorrichtung von dem Standardwert verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin nach Schritt (b) mit dem zusätzlichen Schritt (c) des Fixierens aller der mindestens einen Komponentenmikrolinsen in Position.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Summe der Brennweiten der mindestens zwei Komponentenmikrolinsen etwa gleich dem Abstand zwischen den mindestens zwei Komponentenmikrolinsen ist.