KR20190085186A

KR20190085186A - 회절 광학 요소 적층체를 위한 저온 기밀 밀봉

Info

Publication number: KR20190085186A
Application number: KR1020197020093A
Authority: KR
Inventors: 모세 크리만; 아다르 마겐
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2015-02-16
Filing date: 2015-12-29
Publication date: 2019-07-17
Also published as: US20160238855A1; US10732428B2; CN107257938B; EP4403979A2; US10234695B2; WO2016133590A1; EP3259625A1; KR102000725B1; US20190171030A1; KR102083138B1; HK1244886A1; CN107257938A; KR20170103956A; EP4403979A3

Abstract

광학 장치를 제조하는 방법은 한 쌍의 유리 웨이퍼(42)를 제공하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 회절 광학 요소(diffractive optical element, DOE)(44)가 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 형성된다. 스페이서(36)가 DOE를 포함하는 공동(40)을 한정하도록 유리 웨이퍼들 사이에 위치설정되고, 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 공동을 밀봉하는 기밀 밀봉부가 형성된다.

Description

회절 광학 요소 적층체를 위한 저온 기밀 밀봉{LOW-TEMPERATURE HERMETIC SEALING FOR DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT STACKS}

본 명세서에 기술된 실시예는 일반적으로 광학 장치에 관한 것이며, 특히 회절 광학 요소(diffractive optical element, DOE)를 밀봉하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

소형 광학 프로젝터는 다양한 응용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 이러한 프로젝터는 투영된 객체의 3차원(3D) 맵핑(깊이 맵핑으로도 알려져 있음)을 목적으로 코딩되거나 구조화된 광의 패턴을 객체에 캐스트(cast)하는 데 사용될 수 있다.

광학 프로젝터는, 일부 응용 분야에서, 하나 이상의 회절 광학 요소(DOE)를 사용하여 광을 투영할 수 있다. 예를 들어, 그 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2009/0185274 호에는, 입력 빔을 회절시켜 표면의 제1 영역 상에 제1 회절 패턴 - 제1 회절 패턴은 0차(zero order) 빔을 포함함 - 을 생성하도록 구성된 제1 DOE를 포함하는 패턴을 투영하기 위한 장치가 기재되어 있다. 제2 DOE는 0차 빔을 회절시켜 표면의 제2 영역 상에 제2 회절 패턴을 생성하도록 구성되어, 제1 및 제2 영역이 함께 표면을 적어도 부분적으로 덮게 한다.

본 명세서에 기술된 일 실시예는, 한 쌍의 유리 웨이퍼를 제공하는 단계 및 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 하나 이상의 회절 광학 요소(DOE)를 형성하는 단계를 포함하는, 광학 장치를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 스페이서(spacer)가 DOE를 포함하는 공동을 한정하도록 유리 웨이퍼들 사이에 위치설정되고, 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 공동을 밀봉하는 기밀 밀봉부가 형성된다.

일부 실시예에서, DOE를 형성하는 단계는 폴리머 층 내에 회절 패턴을 성형하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, DOE를 형성하는 단계는 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나에 회절 패턴을 패턴화하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 스페이서를 제1 금속 층으로 코팅하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 스페이서는 폴리머를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 스페이서는 유리를 포함한다.

일부 실시예에서, 스페이서 위치설정은 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼에 공동을 형성함으로써 스페이서를 생성하는 것을 포함한다. 다른 실시예에서, 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 공융 금속 합금을 접합하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 직접 산화물 접합을 수행하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 본 방법은, 추가로, 직접 산화물 접합을 수행하는 단계 전에, 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼의 접합 표면 및 스페이서의 접합 표면을 연마 및 세정하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 직접 산화물 접합을 수행하는 단계는 유리 웨이퍼들을 가열하고 서로를 향해 가압하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 직접 산화물 접합을 수행하는 단계는 실온에서 유리 웨이퍼들을 서로를 향해 가압하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 스페이서는 제1 표면을 갖는 유리 스페이서를 포함하고, 유리 웨이퍼들 각각은 제2 표면을 가지며, 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 제1 표면과 제2 표면을 용접하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 표면들을 용접하는 단계는 레이저-보조 마이크로 용접을 수행하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 제2 금속 층으로 코팅된 전기 전도성 폴리머를 형성하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 일 실시예에 따르면, 한 쌍의 유리 웨이퍼, 하나 이상의 회절 광학 요소(DOE), 스페이서, 및 기밀 밀봉부를 포함하는 광학 장치가 추가로 제공된다. DOE는 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 형성되고, 스페이서는 DOE를 포함하는 공동을 한정하도록 유리 웨이퍼들 사이에 위치설정되고, 기밀 밀봉부는 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 공동을 밀봉한다.

본 명세서에 기술된 일 실시예에 따르면, 광원 및 회절 광학 요소(DOE) 조립체를 포함하는 광학 장치가 추가로 제공된다. 광원은 광을 방출하도록 구성된다. DOE 조립체는 광원에 의해 방출된 광에 응답하여 광의 패턴을 투영하도록 구성된다. DOE 조립체는 한 쌍의 유리 웨이퍼, 하나 이상의 DOE, 스페이서, 및 기밀 밀봉부를 포함한다. DOE는 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 형성되고, 스페이서는 DOE를 포함하는 공동을 한정하도록 유리 웨이퍼들 사이에 위치설정되고, 기밀 밀봉부는 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 공동을 밀봉한다.

이들 및 다른 실시예들은 도면들과 함께 취해진 본 발명의 실시예들의 아래의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.

도 1은 본 명세서에 기술된 일 실시예에 따른, 집적 광 모듈(integrated photonics module, IPM)의 개략적인 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 명세서에 기술된 여러 실시예들에 따른, 회절 광학 요소(DOE) 적층체들의 기밀 밀봉된 봉지재(encapsulation)를 제조하기 위한 공정 시퀀스들의 개략적인 단면도들이다.

개요

예를 들어, 3차원(3D) 맵핑에 있어서 콤팩트한 광학 패턴 프로젝터가 사용될 수 있다. 회절 광학 요소(DOE) 장치를 기반으로 하는 광학 프로젝터는 DOE가 입력 빔의 일부만을 회절시키는 "0차 문제"를 나타낼 수 있으며, 빔의 회절되지 않은 부분은 곧바로 투영물 볼륨(projection volume)으로 계속될 수 있다. 또한, 0차 강도의 증가가 수반되는, 시간 경과 및 사용에 따른 DOE 효율의 저하는 DOE가 의도된 방향 이외의 방향으로 빔을 회절시키게 할 수 있으며, 눈의 위험을 초래할 수 있고/있거나 시스템의 광학 성능을 감소시킬 수 있다.

DOE 표면은 전형적으로 매우 미세한 회절 표면을 포함한다. 시스템 작동(또는 제조) 중에, 수분 또는 기타 오염물이 DOE의 활성 표면에 접착되어, DOE 효율 손실을 초래할 수 있거나, 또는 심지어 심각한 경우에는 전체 DOE 기능을 손상시킬 수 있다. DOE 조립체를 기밀하게 밀봉하는 것은 DOE를 보호하는 데 사용될 수 있다. 그러나, DOE 요소는 전형적으로 그러한 기밀 밀봉 공정에서 요구되는 고온에 민감한 폴리머로 제조된다.

하기의 본 명세서에 기술되는 실시예는 저온에서 DOE 조립체를 기밀하게 밀봉하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공한다. 일부 실시예에서, 개시된 방법은 하나 이상의 주어진 유리 웨이퍼 상에 하나 이상의 DOE를 형성하는 단계, DOE를 포함하는 공동을 한정하도록 유리 웨이퍼들 사이에 스페이서를 위치설정하는 단계, 및 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 공동을 밀봉하는 기밀 밀봉부를 형성하는 단계를 주된 단계로서 포함한다.

예시적인 실시예에서, 본 방법은 DOE 요소를 포함하는 2개의 웨이퍼들 사이에 에폭시 스페이서를 배치하는 단계, 및 저온 공정 동안 금 및 인듐 또는 금 및 주석과 같은 금속 층으로 스페이서를 코팅하여 DOE 조립체를 기밀하게 밀봉하는 공융 화합물을 형성하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 밀봉되지 않은 DOE 조립체가 먼저 에폭시 스페이서를 사용하여 형성된다. 금속 접합 링이 각각의 DOE 조립체의 주변부에 침착되고, DOE는 금속 링들 사이에 배치된다. 최종적으로, 웨이퍼는 낱개화된(singulated) DOE 조립체의 어레이를 형성하도록 다이싱(dicing)된다. 본 방법은, 추가로, DOE 조립체들 사이에 전도성 폴리머를 갖는 어레이를 성형하는 단계, 전도성 몰드를 다이싱하는 단계, 및 전도성 층(이 층은 전형적으로 구리 및/또는 니켈로 제조됨)으로 몰드를 도금하여 기밀하게 밀봉된 DOE 조립체를 형성하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 본 방법은 상부 표면들이 주위에 있도록 2개의 유리 웨이퍼 내에 공동을 에칭하는 단계(또는 에칭하지 않고 2개의 웨이퍼들 사이에 유리 스페이서를 배치시켜 공동을 생성하는 단계), 공동의 수평 표면에 DOE를 복제하는 단계, 상부 표면(또는 스페이서)을 연마 및 세정하는 단계, 저온 직접 산화물 접합 기법(또는 레이저 용접)을 사용하여 웨이퍼를 접합하는 단계, 및 웨이퍼를 다이싱하여 낱개화된 DOE 조립체의 어레이를 형성하는 단계를 포함한다.

다른 실시예에서, 밀봉된 DOE를 제조하는 단계는, 2개의 유리 웨이퍼 상에서, 모든 의도된 DOE 적층체 주위에 금속 링(전형적으로 금 및 인듐, 또는 금 및 주석으로 제조됨)을 침착하여, 그에 따라 (웨이퍼 내로 에칭함으로써 또는 웨이퍼들 사이에 유리 스페이서를 사용함으로써) 각 웨이퍼 내에 각각의 의도된 DOE 조립체를 위한 공동을 형성하는 단계를 포함한다. 전술된 바와 같이, DOE 요소는 각각의 공동의 수평 표면에 복제되고, 웨이퍼는 저온 금속 접합 기법을 이용하여 접합된다. 이어서, 웨이퍼 적층체는 낱개화된 DOE 조립체의 어레이를 형성하도록 다이싱된다.

전술된 기법은 DOE 제조업자가 저온 공정을 사용하여 밀봉된 DOE 요소를 제조하고 복제할 수 있게 한다. 따라서, DOE 제조업자는 DOE 장치의 안전성과 성능을 손상시키지 않으면서 DOE 재료를 유연하게 선택할 수 있다. 대안적인 실시예에서, DOE 요소는 웨이퍼 상에 에폭시 DOE를 배치하는 대신에 유리 웨이퍼의 표면에 직접 패턴화될 수 있다. 그러한 DOE 요소는 고온에 민감하지 않으며, 따라서, DOE 조립체를 기밀하게 밀봉하는 것은 종래의 고온 밀봉 기법을 사용하여 수행될 수 있다. 또한, 기밀하게 밀봉된 DOE 조립체는, 사용자를 눈 위험에 노출시키지 않고/않거나 프로젝터의 광학 성능을 감소시키지 않으면서 높은 수분 및/또는 집중적인 공중 입자 환경에서 광학 패턴 프로젝터를 사용하는 것을 허용한다.

시스템 설명

도 1은 본 명세서에 기술된 일 실시예에 따른, 집적 광 모듈(IPM)(20)의 상세를 도시하는 개략적인 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, IPM(20)은 광원, 본 예에서는 실리콘 광학 벤치(34)의 형태의 기판 상에 배치된 수직-공동 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)(22)를 포함한다. VCSEL(22)은 광학 벤치(34)에 전기적 및 기계적으로 접합되고, 광학 벤치에 직교하는 축을 따라 근적외선 범위(예를 들어, 900 nm 내지 1000 nm 또는 임의의 다른 적합한 파장)의 광 방사선을 방출한다.

대안적으로, 광원은 다른 적합한 유형의 코히어런트(coherent) 또는 비-코히어런트 고체-상태 방출기를 포함할 수 있다. 예를 들어, IPM(20)은 광학 벤치에 평행한 축을 따라 광 방사선을 방출하는 에지-방출 광원, 예컨대 GaAs 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 광학 벤치의 표면에 대해 원하는 각도(이 경우에는 90°)로 레이저 방사선을 상향으로 반사시키도록, 45° 미러 반사기(도시되지 않음)가 광학 벤치에 형성되거나 별개의 요소로서 제조될 수 있다.

렌즈(26)는 VCSEL(22)로부터의 광을 모으고 시준하며, 본 명세서에서 DOE 조립체로도 지칭되는 회절 광학 요소(DOE) 적층체(30)를 통해 광을 지향시킨다. 적층체는 전형적으로 실질적으로 유사한 한 쌍의 유리 플레이트(28, 29)를 포함한다. 플레이트(28, 29)는 전형적으로 각자의 유리 웨이퍼로부터 다이싱되며, 이는 아래에서 상세히 설명될 것이다. 이하의 설명에서, 명료화를 위해, "웨이퍼"(다이싱 전) 및 "플레이트"(다이싱 후)라는 용어는 상호교환가능하게 사용된다.

하나 이상의 DOE(44)가 유리 플레이트들 중 하나 상에(전형적으로는 다이싱 전의 웨이퍼 상에) 또는 둘 모두 상에 형성된다. 일부 실시예에서, DOE(44)는 유리 웨이퍼들 중 하나 상에 침착되는 폴리머 층, 예컨대 에폭시 폴리머 층에서의 회절 패턴의 복제(성형)에 의해 제조된다. 스페이서(36)가 전형적으로 플레이트들(28, 29) 사이에 배치되어, DOE 적층체(30)를 형성하도록 플레이트들 사이에 (그리고, 일부 실시예에서는, 대향하는 웨이퍼들 상에 배치된 DOE들(44) 사이에) 공동(40)을 형성한다. 스페이서(36)는 전형적으로, 플레이트들(28, 29)과 함께, 스페이서 웨이퍼로부터 다이싱된다. 다시, 명료화를 위해, "스페이서" 및 "스페이서 웨이퍼"라는 용어는 상호교환가능하게 사용된다.

일부 실시예에서, IPM(20)은 장면의 하나 이상의 객체 상에 구조화된 광을 투영하도록 구성된다. 광은 객체의 3차원(3D) 및/또는 2차원(2D) 맵의 세트를 형성하기 위해 객체로부터 하나 이상의 센서(도시되지 않음)로 반사된다. VCSEL(22)로부터 광을 수신 및 전송하는 광학 요소(렌즈(26) 및 DOE 적층체(30))가 스페이서(32)에 의해 벤치(34) 상에 장착된다.

도 1의 IPM은 IPM 작동의 원리를 설명하는 데 필요한 요소들만을 포함한다는 것에 유의해야 한다. 실제의 IPM은 전형적으로 VECSEL 및 광학 경로와 관련된 추가 구성요소를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예는 주로 DOE 적층체(30)에 초점을 맞춘다. 도 1의 IPM(20)의 구성은, DOE 적층체(30)가 집적되고 사용될 수 있는 예시적인 시스템 또는 장치를 설명하기 위해 예로서 제공된다. 대안적으로, 임의의 다른 적합한 구성이 또한 사용될 수 있다. 적층체(30)와 같은 DOE 적층체는 구조화된 광 투영물 이외의 다양한 다른 응용물들, 예를 들어, 빔 스플리터, 광섬유 응용물, 레이저 가공 응용물, 패턴 생성기, 및 다양한 투영 응용물에서 사용될 수 있다.

DOE 적층체의 저온 기밀 밀봉

DOE를 기반으로 하는 광학 패턴 프로젝터에서, 입력 레이저 빔의 일부(0차 회절 부분으로 지칭됨)는 설계된 바와 같이 DOE에 의해 회절되는 것이 아니라, 곧바로 투영물 볼륨으로 계속될 수 있다. 매우 미세한 회절 패턴이 형성되는 DOE의 활성 표면에 소량의 수분 또는 다른 오염물이 접착되면, 미세 회절 패턴의 변화를 야기할 수 있으며, DOE의 효율을 저하시킬 수 있다. 이러한 변화는 안전 문제(예를 들어, 편향된 레이저 광에 대한 노출로 인한 눈 부상) 및/또는 시스템 성능의 저하를 초래할 수 있다.

일부 실시예에서, DOE 적층체(30)는 수분 또는 다른 오염물이 공동(40)으로 침투하는 것을 방지하도록 기밀하게 밀봉된다. 본 기술 분야에 공지된 기밀 밀봉 방법은 전형적으로 300℃ 이상의 온도에서 밀봉 공정을 적용한다. 이러한 높은 온도는 복제된 에폭시 폴리머의 구조를 손상시킬 가능성이 있는데, 복제된 에폭시 폴리머는 전형적으로 짧은 시간 동안 적용된 최대 250℃ 내지 270℃의 온도에 견딜 수 있다.

하기의 본 명세서에 기술되는 실시예는 복제된 에폭시 DOE, 또는 유리 웨이퍼 상에 패턴화된 DOE를 갖는 장치와 함께 사용하기에 적합한 저온 기밀 밀봉을 위한 기법을 제공한다. 도 1 내지 도 5는 한 쌍의 상보적인(complementary) DOE가 2개의 유리 웨이퍼들 사이에 형성된 공동 내에서 대면식으로(face-to-face) 함께 밀봉되는 구현예들을 구체적으로 예시한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, DOE 적층체는 임의의 개수의 유리 웨이퍼, 예를 들어, 상보적인 DOE를 갖는 2개 이상의 쌍의 유리 웨이퍼, 또는 홀수 개의 유리 웨이퍼 - 이 웨이퍼들 중 일부는 배면 맞댐(face-to-back) 구성으로 배열됨 - 를 포함할 수 있다. 그러나, 이들 실시예에서 사용되는 원리는 단일 DOE 또는 임의의 다른 적합한 DOE 구성을 밀봉 및 보호하기 위해 동일하게 적용될 수 있다.

도 2는 본 명세서에 기술된 일 실시예에 따른, DOE 적층체(30)의 기밀하게 밀봉된 봉지재를 제조하기 위한 공정 시퀀스의 단면도를 개략적으로 도시하는 다이어그램이다. 공정은 한 쌍의 유리 웨이퍼(42)로 단계 1에서 시작된다. (도 2뿐만 아니라 아래의 도 3 내지 도 5는 명료화를 위해 한 쌍의 웨이퍼의 작은 섹션만을 도시한다. 웨이퍼(42)는 전형적으로 그러한 섹션의 대형의 주기적인 2차원 어레이를 포함한다.) 웨이퍼는 150mm 내지 200mm의 범위(또는 임의의 다른 적합한 크기)의 에지 길이를 갖는 정사각형일 수 있다. 대안적으로, 웨이퍼는 상기 범위의 직경을 갖는 둥근 형상을 갖는다.

웨이퍼의 두께는 200μm 정도이다. 대안적인 실시예에서, 웨이퍼는 장치 사양 및/또는 기본 제조 기술의 요건 및 능력에 부합하기 위해 다른 적합한 형상, 크기 및/또는 두께를 가질 수 있다. 웨이퍼들(42) 각각은 웨이퍼들을 다수의 DOE 적층체들로 다이싱하기 위한 다이싱 영역들(51)의 십자형 네트(crisscross net)에 의해 분리된 DOE 적층체들(30)(도시되지 않음)의 어레이를 포함한다.

단계 1은 각각의 DOE 적층체(30)의 에지 주위에 금속 접합 라인(46)을 침착하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 접합 라인(46)은 금으로 만들어지며, 1 내지 3μm의 전형적인 두께를 갖는다. 금 층은 대량의 금(bulk gold)이 스퍼터링되는 서브마이크론 시드 층을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 접합 라인(46)은 동일하거나 유사한 두께의 금으로 코팅된 인듐 층을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 접합 라인(46)은 전형적으로 80%의 금 및 20%의 주석을 포함하는 합금을 포함할 수 있다. 단계 1은 웨이퍼들 중 적어도 하나의 웨이퍼의 표면 상에 하나 이상의 DOE(44)를 형성하는 것으로 종료된다. 일부 실시예에서, 단지 하나의 DOE만이 하나의 웨이퍼(42) 상에 형성될 수 있는 반면, 다른 웨이퍼는 오로지 접합 라인(46)만을 포함한다. 이러한 구성은 전형적으로 장면 내의 객체를 향한 레이저 빔의 단일 반사를 초래한다. 다른 실시예에서, 웨이퍼들(42) 양쪽 모두는 하나 이상의 DOE를 포함한다. 전형적으로, 각각의 DOE는 원하는 구조화된 광을 생성하도록 미세 회절 패턴 프로파일을 갖는 광학 표면을 포함할 수 있다.

단계 2에서, 공정은 유리 웨이퍼들 사이에 삽입하기 위한 스페이서 웨이퍼(50)를 제조하는 단계를 포함한다. 스페이서 웨이퍼는 DOE의 위치에 개구부를 갖는다. 스페이서 웨이퍼(50)는 100μm의 전형적인 두께를 가지며, 에폭시, FR4 또는 폴리이미드와 같은 폴리머 재료로 제조될 수 있다. 대안적으로, 스페이서 웨이퍼는 임의의 적합한 금속(또는 금속 합금) 또는 유리로 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 스페이서 웨이퍼(50)의 개구부는 DOE를 배치하기 위한 공간을 남기면서 유리 웨이퍼들 사이에 공동(40)을 형성하도록 DOE(44)의 위치와 정렬된다.

일 실시예에서, 공정은 (예를 들어, 전기도금 또는 무전해 기법을 사용하여) 베이스 금속 필름(예를 들어, 구리 및/또는 니켈)(52)으로 전체 스페이서 웨이퍼(50)를 도금하고, 뒤이어 금-인듐, 금-주석 또는 구리-주석 합금과 같은 저온 공융 합금(54)의 얇은 층(전형적으로, 2 내지 3μm 두께)을 제조함으로써 계속된다.

단계 3에서, 코팅된 스페이서 웨이퍼는 2개의 유리 웨이퍼들 사이에 삽입되고, 유리 웨이퍼들은 이어서 함께 가압되어 충분히 높은 온도(전형적으로, 약 200℃)로 가열된다. 삽도(38)를 참조하면, 합금(54)은 (스페이서(50) 상에 위치된) 금속 필름(52)과 (유리 웨이퍼(42) 상에 위치된) 접합 라인(46) 사이에 공융 접합을 형성한다. 공융 접합은 스페이서 웨이퍼(50)와 유리 웨이퍼(42) 사이에 기밀 밀봉을 형성하여, 그에 따라 DOE를 포함하는 공동(40)을 기밀하게 봉입한다. 일부 실시예에서, 접합 공정은 대기 환경에서, 또는 대안적으로 진공 또는 건조 가스의 플러싱 하에서 수행될 수 있다.

단계 4에서, 공정은 임의의 적합한 다이싱 기법(예를 들면, 쏘잉(sawing), 레이저 다이싱)을 사용하여 다이싱 영역(51)에서 (유리 웨이퍼(42) 및 스페이서 웨이퍼(50))의 접합된 적층체를 다이싱하는 단계를 포함한다. 다이싱 작동은 DOE 적층체(30)의 다수의 유닛을 형성한다. 각각의 DOE 적층체(30)는 수분 또는 오염물로부터 공동(40) 내에 있는 DOE(44)를 보호하는 밀봉된 봉지재를 포함한다.

도 3은 본 명세서에 기술된 일 실시예에 따른, DOE 적층체(31)의 기밀하게 밀봉된 봉지재를 제조하기 위한 공정 시퀀스의 단면도를 개략적으로 도시하는 다이어그램이다. DOE 적층체(31)는, 예를 들어, 상기 도 1의 IPM(20) 내의 DOE(30)로서의 역할을 할 수 있다. 공정은, 단계 1에서, 한 쌍의 유리 웨이퍼(60) 각각의 외측면 상에 금속 접합 링 층(62)(예를 들어, 구리, 니켈 및/또는 금)을 도금하는 것으로 시작된다. 공정은, 추가로, 웨이퍼들 중 적어도 하나의 웨이퍼의 표면 상에 하나 이상의 DOE(44)를 형성하는 단계, 및 유리 웨이퍼들 사이에 적합한 폴리머 스페이서 웨이퍼(63)를 삽입함으로써 2개의 유리 웨이퍼(공동(40)을 기밀하게 밀봉하지 않음)를 접합하여 웨이퍼-레벨 DOE 적층체(25)를 형성하는 단계를 포함한다. 폴리머 스페이서 웨이퍼는 도 2에 기술된 바와 같은 DOE 위치에 개구부를 포함한다.

단계 2에서, 공정은 다수의 낱개화된 조립체들의 어레이를 생성하는 영역(63)에서 적층체(25)를 다이싱하는 단계, 및 그 적층체(25)를 몰드(도시되지 않음)에 피팅(fit)하는 단계를 포함한다. 단계 3에서, 공정은 적합한 전도성 오버 몰드(66)로 몰드를 충전하여 재구성된 웨이퍼-레벨 DOE 적층체(27)를 형성하는 단계를 포함한다. 오버 몰드(66)는 전형적으로 금속 입자로 충전된 탄소 또는 전도성 에폭시로 제조된다. 오버 몰드(66)는 낱개화된 DOE 조립체들의 에지들 사이의 영역을 충전하도록 그리고 DOE(44) 위에 광학 개구(optical aperture)를 남기도록 구성된다. 삽도(33)를 참조하면, 금속화된 접합 라인(62)은 오버 몰드(66)의 에지보다 더 넓고, 따라서 투명한 광학 개구 내로 약간 돌출되어 있음을 주목한다.

단계 4에서, 공정은 오버 몰드(66)를 통해 수직으로 절단함으로써 웨이퍼-레벨 DOE 적층체(27)를 다이싱하여 다수의 낱개화된 DOE 적층체(27)의 어레이를 생성하는 단계를 포함한다. 단계 5에서, 공정은 각각의 낱개화된 DOE 적층체를 전도성 층(68)으로 도금하여 기밀하게 밀봉된 DOE 적층체(31)를 형성하는 단계를 포함한다. 층(68)은 10 내지 20μm의 전형적인 두께를 갖는 구리 및/또는 니켈 층을 포함하며, 무전해 코팅 공정을 사용하여 구현된다. 무전해 코팅 공정 동안, 전도성 표면들만이 층(68)으로 코팅된다. 따라서, 오버 몰드(66) 및 라인(62)을 코팅하고 유리 웨이퍼(60)를 코팅되지 않은 채로 남기면, VCSEL(22)의 레이저 빔을 위한 투명한 광학 개구가 유지된다.

도 4는 본 명세서에 기술된 다른 실시예에 따른, DOE 적층체(71)의 기밀하게 밀봉된 봉지재를 제조하기 위한 공정 시퀀스의 단면도를 개략적으로 도시하는 다이어그램이다. DOE 적층체(71)는, 예를 들어, 상기 도 1의 IPM(20) 내의 DOE(30)로서의 역할을 할 수 있다. 공정은 유리-대-유리 봉지 공정(glass-to-glass encapsulation process)을 포함하고, 단계 1에서 전형적으로 두께가 300μm(전형적으로 두께가 200μm인 도 2 내지 도 3에 도시된 웨이퍼들(42, 60)보다 더 두꺼움)인 제1 유리 웨이퍼(70)로 시작된다.

웨이퍼(70)는 DOE 적층체들의 어레이를 포함하고, 다음의 공정 시퀀스가 웨이퍼-레벨에서 수행된다. 명료화를 위해, 도 4는 단일 DOE 적층체(71)를 제조하는 공정 시퀀스를 도시한다.

단계 2에서, 공정은 웨이퍼(70)의 중앙 영역에서 50μm의 전형적인 깊이로 공동을 에칭하는 단계를 포함한다. 그 결과, 에칭된 웨이퍼는 두께가 300μm인 주변 링, 및 50μm 두께의 스페이서(72)로 둘러싸인 250μm 두께의 공동(74)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 공정은 웨이퍼를 에칭하는 대신에 웨이퍼(70)의 표면 상에 스페이서(72)를 배치하는 단계를 포함한다. 스페이서(72)의 형상의 기능은 도 2의 단계 2에서 도시된 바와 같은 스페이서(50)의 기능과 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 스페이서는 유리로 제조되고 웨이퍼(70)는 더 얇을 수 있다(예를 들어, 250μm). 단계 3에서, 공정은 도 1에서 기술된 복제 기법을 사용하여, 공동(74) 내에서, 웨이퍼(70)의 수평 표면 상에 하나 이상의 DOE(44)를 성형하는 단계, 및 도 4의 단계 1 내지 단계 3에서 기술된 것과 실질적으로 유사한 공정을 제2의 실질적으로 유사한 유리 웨이퍼에 대해 반복하는 단계를 포함한다.

단계 4에서, 공정은 각각의 웨이퍼의 표면(76)을 연마 및 세정하는 단계, 및 각각의 웨이퍼의 공동 및 DOE(44)가 서로 대면하고 있도록 웨이퍼들을 대면식으로 위치설정하는 단계를 포함한다. 단계 5에서, 공정은 웨이퍼들을 접촉 표면(76)에서 서로를 향해 가압함으로써, 웨이퍼들을 접합하여 스페이서들(72) 사이에 기밀하게 밀봉된 공동(40)을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 웨이퍼들을 접합하는 것은 Ziptronix(미국 노스 캐롤라이나주 소재)의 ZiBond® 기법과 같은 직접 산화물 접합 기법을 포함하며, 이 기법에서 웨이퍼들을 가압하는 것은 실온에서 수행되거나, 또는 150℃ 내지 200℃ 범위의 전형적인 온도에서 수행된다.

대안적인 실시예에서, 웨이퍼를 접합하기 위해(그리고, 공동을 형성하도록 웨이퍼를 에칭하기보다는 오히려 유리 스페이서를 배치하는 경우에는, 유리 스페이서를 웨이퍼에 접합하기 위해) 레이저-보조 마이크로 용접 기법이 사용될 수 있다. 용접 레이저는 비교적 낮은 온도에서 웨이퍼의 다른 영역들을 남기고 표면들(76) 사이의 계면만을 가열하여, 그에 따라 전체 접합 공정 동안 DOE(44)를 실온(예를 들어, 25℃)으로 유지시킨다. 이러한 기법은, 예를 들어, Primoceler(핀란드 탐페어 소재)에 의해 제공된다. 단계 6에서, 공정은 접합된 웨이퍼들을 2개의 인접한 공동들(40) 사이에 위치된 영역(73)에서 다이싱하여 DOE 적층체(71)의 다수의 낱개화된 기밀하게 밀봉된 조립체들의 어레이를 생성하는 단계를 포함한다.

도 5는 본 명세서에 기술된 또 다른 실시예에 따른, DOE 적층체(81)의 기밀하게 밀봉된 봉지재를 제조하기 위한 공정 시퀀스의 단면도를 개략적으로 도시하는 다이어그램이다. DOE 적층체(81)는, 예를 들어, 상기 도 1의 IPM(20) 내의 DOE(30)로서의 역할을 할 수 있다. 이 기법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 스페이서 상에 금속 층을 침착 및 용접하는 것과 결합된 도 4의 공정과 유사하게, 유리 웨이퍼(80) 내의 공동을 에칭함으로써 유리 스페이서를 형성하는 단계를 포함한다. 전체 공정은 DOE 적층체(81)의 기밀하게 밀봉된 봉지재를 제조한다. 공정은 한 쌍의 유리 웨이퍼(80)를 제공하는 것으로 시작되며, 각각의 웨이퍼는 전형적으로 두께가 300μm이다.

단계 1에서, 공정은 웨이퍼(80) 상에 금속 층(82)을 침착하는 단계를 포함한다. 층(82)은 DOE 적층체(81)가 양쪽 웨이퍼들(80) 상에 위치설정될 수 있는 영역을 한정한다. 층(82)은 전술된 바와 같은 공융 층을 형성하기 위해, 2 내지 3μm의 전형적인 두께를 갖는 인듐 층으로 피복된 2 내지 3μm의 전형적인 두께의 금 필름을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 층(82)은 80%의 금과 20%의 주석으로 된 전형적인 혼합물을 포함할 수 있다. 단계 2에서, 공정은 웨이퍼(80) 상에 십자형의 스페이서(84)를 형성하여, 그에 따라 DOE 적층체(81)를 위한 공간을 남기는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 스페이서를 형성하는 단계는 도 4에 기술된 바와 같이 양쪽 웨이퍼들 모두에 50μm의 공동(86)을 에칭함으로써 수행된다. 대안적인 실시예에서, 공정은 웨이퍼를 에칭하는 대신에 웨이퍼(80)의 표면 상에 스페이서(82)를 배치하는 단계를 포함한다. 스페이서(82)의 형상은 도 2의 단계 2에서 도시된 바와 같은 스페이서(50)의 형상과 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 스페이서는 유리로 제조되고 웨이퍼(80)는 더 얇을 수 있다(예를 들어, 250μm).

단계 3에서, 공정은 도 1에 기술된 복제 기법을 사용하여, 공동(86) 내에서, 웨이퍼(80)의 수평 표면 상에 하나 이상의 DOE(44)를 성형하는 단계를 포함한다. 단계 4에서, 공정은 하나의 웨이퍼의 공동 및 DOE(44)가 다른 웨이퍼의 공동 및 DOE와 대면하도록 유리 웨이퍼들을 위치설정하는 단계를 포함한다. 공정은, 추가로, 유리 웨이퍼들을 층(82)의 위치에서 서로를 향해 가압하여 금과 인듐(또는 금과 주석)의 공융 접합을 형성하는 단계를 포함한다. 이 단계는 200℃의 전형적인 온도에서 수행된다. 공융 접합은 웨이퍼들 사이의 공동(40)의 기밀 밀봉을 형성한다. 단계 6에서, 공정은 접합된 웨이퍼들을 2개의 인접한 공동들(40) 사이에 위치된 영역(83)에서 다이싱하여 DOE 적층체(81)의 다수의 낱개화된 기밀하게 밀봉된 조립체들의 어레이를 생성하는 단계를 포함한다.

상기 도 2 내지 도 5의 구성은 순전히 예로서 도시된다. 대안적인 실시예에서, DOE 적층체는 임의의 다른 적합한 방식으로 그리고 임의의 다른 적합한 유형의 공간형성(spacing) 및/또는 기밀 밀봉을 사용하여 한 쌍의 웨이퍼로부터 조립될 수 있다.

따라서, 전술된 실시예들은 예로서 인용되어 있고 이하의 청구범위는 상기의 본 명세서에 특히 도시되고 설명된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 상기의 본 명세서에 기술된 다양한 특징들의 조합들 및 하위-조합들 둘 모두뿐만 아니라, 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 떠오를 것이고 종래 기술에서 개시되지 않은 그의 변형들 및 수정들을 포함한다. 본 특허 출원에 참조로서 편입된 문헌들은, 임의의 용어들이 본 명세서에서 명시적으로 또는 암시적으로 이루어진 정의들과 모순되는 방식으로 이러한 편입된 문헌들에 정의되는 경우를 제외하고 본 출원의 통합 부분으로 고려되어야 하며, 오직 본 명세서에서의 정의들만이 고려되어야 한다.

Claims

광학 장치의 제조 방법으로서,
한 쌍의 유리 웨이퍼 - 상기 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 하나 이상의 회절 광학 요소(diffractive optical element, DOE)가 형성됨 - 를 서로 직접 결합시켜 상기 유리 웨이퍼들 사이에 상기 DOE를 포함하는 공동을 형성하는 단계; 및
상기 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 상기 공동을 밀봉하는 기밀 밀봉부를 형성하는 단계
를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 폴리머 층 내에 회절 패턴을 성형함으로써 상기 DOE를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼에 회절 패턴을 패턴화함으로써 상기 DOE를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 직접 산화물 접합을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
제4항에 있어서, 상기 직접 산화물 접합을 수행하는 단계 전에, 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼의 하나 이상의 표면을 연마 및 세정하는 단계를 포함하는, 방법.
제4항에 있어서, 상기 직접 산화물 접합을 수행하는 단계는 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼의 하나 이상의 표면을 가열하고 상기 유리 웨이퍼들을 서로를 향해 가압하는 단계를 포함하는, 방법.
제4항에 있어서, 상기 직접 산화물 접합을 수행하는 단계는 실온에서 상기 유리 웨이퍼들을 서로를 향해 가압하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 기밀 밀봉부를 형성하는 단계는 상기 유리 웨이퍼 상의 표면들 중 하나 이상의 표면을 서로 직접 용접하는 단계를 포함하는, 방법.
제8항에 있어서, 상기 표면들 중 하나 이상의 표면을 직접 용접하는 단계는 레이저-보조 마이크로 용접을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
광학 장치로서,
하나 이상의 표면에서 서로 직접 결합된 한 쌍의 유리 웨이퍼;
상기 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 회절 광학 요소(DOE) - 상기 유리 웨이퍼들은 상기 유리 웨이퍼들 사이에 상기 DOE를 포함하는 공동을 가짐 -; 및
상기 표면들 중 하나 이상의 표면에서 상기 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 상기 공동을 밀봉하는 기밀 밀봉부
를 포함하는 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 DOE는 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼와 결합된 폴리머 층 내의 회절 패턴을 포함하는, 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 DOE는 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼 내에 패턴화된, 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 기밀 밀봉부는 유리 밀봉부를 포함하는, 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 기밀 밀봉부는 직접 접합된 산화물을 포함하는, 광학 장치.
광학 장치로서,
광을 방출하도록 구성된 광원; 및
상기 광원에 의해 방출된 상기 광에 응답하여 광의 패턴을 투영하도록 구성된 회절 광학 요소(DOE) 조립체를 포함하고, 상기 DOE 조립체는,
하나 이상의 표면에서 서로 직접 결합된 한 쌍의 유리 웨이퍼;
상기 유리 웨이퍼들 중 하나 이상의 유리 웨이퍼 상에 형성된 하나 이상의 DOE - 상기 유리 웨이퍼들은 상기 유리 웨이퍼들 사이에 상기 DOE를 포함하는 공동을 가짐 -; 및
상기 표면들 중 하나 이상의 표면에서 상기 유리 웨이퍼들을 함께 접합하고 상기 공동을 밀봉하는 기밀 밀봉부를 포함하는, 광학 장치.
제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 DOE는 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼와 결합된 폴리머 층 내의 회절 패턴을 포함하는, 광학 장치.
제15항에 있어서, 상기 하나 이상의 DOE는 상기 유리 웨이퍼들 중 적어도 하나의 유리 웨이퍼 내에 패턴화된, 광학 장치.
제15항에 있어서, 상기 기밀 밀봉부는 유리 밀봉부를 포함하는, 광학 장치.
제15항에 있어서, 상기 기밀 밀봉부는 직접 접합된 산화물을 포함하는, 광학 장치.