DE102011120660A1

DE102011120660A1 - Micro-mirror arrangement for wafer arrangement for e.g. laser projection, has static deflecting mirror for optical coupling of micro-mirrors, where deflecting mirror is bent regarding plane given by surface of substrate wafer

Info

Publication number: DE102011120660A1
Application number: DE201110120660
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Quenzer; Ulrich Hofmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-05-29

Abstract

The arrangement has micro-mirrors (4, 5) lying next to one another and carved out from a common substrate wafer (1) on a wafer plane. A base wafer (2) is connected with the substrate wafer, and a partial transparent lid (3) is connected with the substrate wafer. A static deflecting mirror (10) is arranged over the micro-mirrors for optical coupling of the micro-mirrors. The static deflecting mirror is bent regarding the plane given by a surface of the substrate wafer. The lid consists of glass or glass and silicon. The base wafer and substrate wafer consist of silicon or glass and silicon. An independent claim is also included for a wafer arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrospiegelanordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Waferanordnung mit einer Vielzahl von Mikrospiegelanordnungen.The invention relates to a micromirror arrangement according to the preamble of the main claim and to a wafer arrangement having a multiplicity of micromirror arrangements.

Gegenwärtig existiert eine große Vielfalt von Ausführungsansätzen für die Konstruktion und die Herstellung beweglicher Mikrospiegel für die Laserprojektion. Neben kardanischen Konstruktionen, die die Ablenkung von zwei Achsen in einem Bauteil ermöglichen, gibt es auch die Möglichkeit, einen zweiachsigen Scanner aus zwei gekoppelten einachsigen Spiegeln aufzubauen.There is currently a wide variety of approaches to the design and fabrication of moving micromirrors for laser projection. In addition to gimbals that allow the deflection of two axes in a component, there is also the possibility to build a biaxial scanner from two coupled uniaxial mirrors.

Üblicherweise erfolgt dieser Aufbau auf Basis von einzelnen Chips, was den Aufwand einer Justierung mit sich bringt, da jedes Bauteil einzeln zusammengesetzt werden muss. Aus der DE 10 2006 059 073 ist weiterhin eine Mikrospiegelanordnung mit wenigstens zwei Mikrospiegeln bekannt, die jeweils über eine Torsionsfeder an einem Substratwafer aufgehängt sind. Die Drehachsen der Mikrospiegel sind im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet, um einen optischen Strahl in zwei im Wesentlichen senkrecht zueinander stehenden Richtungen ablenken zu können. Die Mikrospiegel und die Torsionsfedern sind aus dem Substratwafer heraus strukturiert und liegen im Wesentlichen in einer Ebene.Usually, this structure is based on individual chips, which brings the effort of an adjustment with it, since each component must be assembled individually. From the DE 10 2006 059 073 Furthermore, a micromirror arrangement with at least two micromirrors is known, which are suspended in each case via a torsion spring on a substrate wafer. The axes of rotation of the micromirrors are arranged substantially perpendicular to one another in order to be able to deflect an optical beam in two substantially mutually perpendicular directions. The micromirrors and the torsion springs are structured out of the substrate wafer and lie substantially in one plane.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrospiegelanordnung mit zwei Mikrospiegeln zu schaffen, bei der der Justageaufwand gering gehalten wird und mit der ein vergrößerter Raumwinkel abgetastet werden kann, d. h. ein größerer Scanbereich erreicht wird.The invention has for its object to provide a micromirror arrangement with two micromirrors, in which the adjustment effort is kept low and with which an enlarged solid angle can be scanned, d. H. a larger scan area is achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.This object is achieved by the characterizing features of the main claim in conjunction with the features of the preamble.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.The measures specified in the dependent claims advantageous refinements and improvements are possible.

Die erfindungsgemäße Mikrospiegelanordnung umfasst zwei auf Waferebene aus einem gemeinsamen Substratwafer herausgearbeitete, nebeneinander liegende Mikrospiegel, einen mit dem Substratwafer verbundenen Sockelwafer, einen zumindest teilweise transparenten, mit dem Substratwafer verbundenen Deckel und mindestens einen über den Mikrospiegeln angeordneten statischen Umlenkspiegel zur optischen Kopplung der beiden Mikrospiegel, wobei der mindestens eine statische Umlenkspeigel in Bezug auf die Mikrospiegel im Ruhezustand bzw. auf die Substratwaferebene, die beispielsweise durch die Oberfläche des Substratwafers vorgegeben ist, geneigt ist. Durch die Neigung des statischen Umlenkspiegels, die vorzugsweise in einem Bereich von 5° bis 15° in Bezug auf die Substratwaferebene aufweist, lässt sich ein größerer Scanbereich eines der beiden Mikrospiegel, z. B. des zweiten Mikrospiegels, der die reflektierte Strahlung des ersten Mikrospiegels empfängt, erreichen.The micromirror arrangement according to the invention comprises two micromirrors machined on the wafer level from a common substrate wafer, a base wafer connected to the substrate wafer, an at least partially transparent lid connected to the substrate wafer and at least one static deflection mirror arranged above the micromirrors for the optical coupling of the two micromirrors. wherein the at least one static Umlenkkspeigel with respect to the micromirrors at rest or to the substrate wafer plane, which is predetermined for example by the surface of the substrate wafer is inclined. Due to the inclination of the static deflection mirror, which preferably has a range of 5 ° to 15 ° with respect to the substrate wafer plane, a larger scanning range of one of the two micromirrors, for. B. the second micromirror, which receives the reflected radiation of the first micromirror, reach.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine statische Umlenkspiegel mit dem Deckel fest verbunden, bzw. in diesen integriert. Er wird vorzugsweise durch Aufdampfen oder Sputtern und Strukturieren hergestellt. In letzterem Fall weist der Deckel eine der Neigung des Umlenkspiegels entsprechende Neigung auf. Auf diese Weise wird der Aufbau der Mikrospiegelanordnung vereinfacht.In a preferred embodiment, the at least one static deflecting mirror is fixedly connected to the lid, or integrated into it. It is preferably made by vapor deposition or sputtering and patterning. In the latter case, the lid has a slope corresponding to the inclination of the deflecting mirror. In this way, the structure of the micromirror arrangement is simplified.

Der Spiegel kann jedoch auch mit einer Neigung zum Deckel mit diesem z. B. durch Kleben oder Bonden verbunden werden.However, the mirror can also with a tendency to cover with this z. B. be connected by gluing or bonding.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Substratwafer, der Sockelwafer und der Deckel jeweils hermetisch dicht, insbesondere vakuumdicht miteinander verbunden sind, vorzugsweise mittels Glaslöten, metallischem Löten oder auch durch Bonden, z. B. anodisches Bonden. Durch die hermetisch dichte Versiegelung der Mikrospiegelanordnung ist es möglich, diese bei reduziertem Umgebungsdruck bzw. unter Vakuum zu betreiben, wodurch höhere Auslenkwinkel erreicht werden können oder niedrigere Antriebsspannung benötigt werden, vor allem wenn die Spiegel resonant betrieben werden. Das hermetisch dichte Volumen der Mikrospiegelanordnung kann jedoch auch mit einem Schutzgas gefüllt werden, wodurch eine gewünschte definierte Dämpfung erzielt werden kann.It is particularly advantageous that the substrate wafer, the base wafer and the lid are each connected hermetically sealed, in particular vacuum-tight, preferably by means of glass soldering, metallic soldering or by bonding, for. B. anodic bonding. The hermetic sealing of the micromirror arrangement makes it possible to operate it at reduced ambient pressure or under vacuum, whereby higher deflection angles can be achieved or lower drive voltages are required, above all when the mirrors are operated resonantly. However, the hermetically sealed volume of the micromirror arrangement can also be filled with an inert gas, whereby a desired defined damping can be achieved.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Deckel in Bezug auf die Ebene der Mikrospiegel im Ruhezustand ein geneigtes Eintrittsfenster und/oder ein geneigtes Austrittsfenster für die Einkopplung oder Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung aufweist. Durch die integrierte geneigte Fläche für die Einkopplung des Laserstrahls eines Projektors über den Deckel wird vermieden, dass Reflexe an der Oberfläche des Deckels in dem Projektionsbereich eines Projektors auftreffen. Die Neigung des Eintrittsfensters in Bezug auf die Substratwaferebene ist dabei vorzugsweise größer als 15°. Ebenfalls vorteilhaft ist die Integration des geneigten Austrittsfensters, dessen Neigung vorzugsweise zwischen 10° und 45° liegt. Damit wird es möglich, die Mikrospiegelanordnung kleiner und damit kompakter zu gestalten.It is particularly advantageous that the lid has an inclined entrance window and / or an inclined exit window with respect to the plane of the micromirrors in the idle state for the coupling or decoupling of the electromagnetic radiation. The integrated inclined surface for the coupling of the laser beam of a projector over the lid prevents reflections on the surface of the lid in the projection area of a projector. The inclination of the entrance window with respect to the substrate wafer plane is preferably greater than 15 °. Also advantageous is the integration of the inclined exit window, whose inclination is preferably between 10 ° and 45 °. This makes it possible to make the micromirror arrangement smaller and thus more compact.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Sockelwafer mit einem Eintrittsfenster für die Einkopplung einer elektromagnetischen Strahlung versehen. Auf diese Weise kann z. B. ein Laserstrahl von der ”Rückseite” der Mikrospiegelanordnung eingestrahlt werden, wodurch die Konstruktionsmöglichkeiten der Mikrospiegelanordnung bzw. eines Projektors vergrößert werden.In an advantageous embodiment, the base wafer with an entrance window for the Coupling of electromagnetic radiation provided. In this way, z. B. a laser beam from the "back" of the micromirror arrangement are irradiated, whereby the design possibilities of the micromirror arrangement or a projector can be increased.

Vorteilhafterweise können mindestens zwei Umlenkspiegel mit gleichen oder unterschiedlichen Neigungswinkeln über den Mikrospiegeln angeordnet sein. Dies gilt insbesondere, wenn durch den Sockelwafer eingestrahlt wird. Durch gleichartige Neigung der Umlenkspiegel gegenüber der Waferebene kann eine besonders kompakte Ausführungsform realisiert werden. Beide Umlenkspiegel können jedoch auch durch eine gemeinsame Spiegelfläche gebildet werden, d. h. es wird nur ein Umlenkspiegel verwendet, der eine größere Ausdehnung hat.Advantageously, at least two deflecting mirrors with the same or different angles of inclination can be arranged above the micromirrors. This is especially true when radiated through the pedestal wafer. By similar inclination of the deflection mirror relative to the wafer plane, a particularly compact embodiment can be realized. However, both deflection mirrors can also be formed by a common mirror surface, i. H. only one deflection mirror is used, which has a larger extent.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Deckel aus Glas oder aus Glas und Silizium und der Substratwafer und/oder der Sockelwafer bestehen aus Silizium oder aus Glas und Silizium. Durch die Wahl dieser Materialien bzw. durch die Beschränkung auf Glas und die Kombination aus Glas und Silizium können die hermetisch dichten Verbindungen zwischen den Komponenten realisiert werden.In a particularly preferred embodiment, the lid is made of glass or of glass and silicon, and the substrate wafer and / or the base wafer are made of silicon or of glass and silicon. The choice of these materials or the limitation to glass and the combination of glass and silicon, the hermetically sealed connections between the components can be realized.

Die Mikrospiegel können in ihren Abmessungen und Geometrien gleich oder unterschiedlich sein, wobei vorzugsweise die beiden Achsen der Spiegel senkrecht zueinander stehen. Weiterhin können sie elektrostatisch, magnetisch oder piezoelektrisch angetrieben werden, sie können beide resonant betrieben werden, es ist jedoch auch möglich, dass einer resonant und ein anderer nicht resonant schwingt.The micromirrors may be the same or different in their dimensions and geometries, wherein preferably the two axes of the mirrors are perpendicular to one another. Furthermore, they can be driven electrostatically, magnetically or piezoelectrically, they can both be operated resonantly, but it is also possible that one resonates resonant and another non-resonant.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Mikrospiegelanordnung ist es möglich, eine Vielzahl von Mikrospiegelanordnungen auf einmal durch Aufbauten ganzer Wafer herzustellen. Dies bedeutet, dass alle Mikrospiegel der Mikrospiegelanordnungen aus einem gemeinsamen Substratwafer heraus strukturiert sind und alle Sockelwafer einen gemeinsamen Sockelwafer bilden. Außerdem sind alle Deckel auf einem gemeinsamen Deckelwafer angeordnet und der gesamte Substratwafer, der gesamt Sockelwafer und der gesamte Deckelwafer mit der Vielzahl der entsprechenden Bauelementen werden derart miteinander verbunden, dass die Vielzahl von hermetisch dichten Mikrospiegelanordnungen gebildet wird. Somit wird eine Waferanordnung mit einer Vielzahl von Mikrospiegelanordnungen erzielt, wobei dann die einzelnen Mikrospiegelanordnungen z. B. durch Sägen aus der Waferanordnung heraus vereinzelt werden können.The inventive design of the micromirror arrangement makes it possible to produce a multiplicity of micromirror arrangements at once by constructing entire wafers. This means that all micromirrors of the micromirror arrangements are structured out of a common substrate wafer and all base wafers form a common base wafer. In addition, all of the lids are arranged on a common lid wafer, and the entire substrate wafer, the entire pedestal wafer, and the entire lid wafer having the plurality of corresponding devices are bonded together to form the plurality of hermetically sealed micromirror arrays. Thus, a wafer arrangement is achieved with a plurality of micromirror arrangements, in which case the individual micromirror arrangements z. B. can be singled out by sawing out of the wafer arrangement.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:

1 eine schematische Seitenquerschnittsansicht eines Mikrospiegels nach einem ersten Ausführungsbeispiel, 1 a schematic side cross-sectional view of a micromirror according to a first embodiment,

2 eine Aufsicht auf den Spiegel nach 1 und 2 a view of the mirror behind 1 and

3 eine schematische Seitenquerschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels nach der Erfindung mit Einstrahlung von der Rückseite. 3 a schematic side cross-sectional view of another embodiment of the invention with radiation from the back.

In 1 ist mit 1 ein Substratwafer bezeichnet, aus dem gemeinsam zwei an Achsen 12, 13 aufgehängte Mikrospiegel heraus strukturiert sind. Auch die Achsen 12, 13 sind aus dem Substratwafer 1 strukturiert. Ein Sockelwafer 2, aus dem zwei Kavitäten 9 unterhalb der Mikrospiegel 4, 5 herausgearbeitet sind, ist mit dem Substratwafer 1 hermetisch dicht verbunden, wobei beide Wafer 1, 2 im Wesentlichen aus Silizium bestehen. Ein Deckel, der ganz oder teilweise aus Glas besteht, ist mit dem Substratwafer z. B. durch Glaslot oder dergleichen hermetisch dicht verbunden. Der Deckel weist eine geneigte Eintrittsfensterfläche 7 auf, die eine typische Neigung in Bezug auf die Ebene des Substratwafers von größer als 15° bis 20° hat. Weiterhin umfasst der Deckel eine ebenfalls geneigte Austrittsfläche 8, die größer ist als die Eintrittsfläche, da die reflektierte Strahlung mit allen Ablenkwinkeln austreten können muss. Die Austrittsfensterfläche 8 hat typischerweise einen Neigungswinkel zur Substratwaferebene von 10° bis 45°. An der Innenseite des Deckels, d. h. den Mikrospiegeln 4, 5 zugewandt, ist ein Umlenkspiegel 10 fest mit dem Deckel 3 verbunden. Er kann aufgedampft oder gesputtert und anschließend strukturiert werden. Der statische Umlenkspiegel 10 kann auf die Deckeloberfläche bei 300°C bis 400°C gebondet sein. Der Umlenkspiegel 10 bzw. seine Spiegelfläche weist ebenfalls eine Neigung zu der Ebene des Substratwafers 1 bzw. zu der Ebene der Mikrospiegel 4, 5 im Ruhezustand auf. Die Neigung mit einem typischen Neigungswinkel von 5° bis 15° wird insbesondere bei aufgedampftem oder gesputtertem Spiegel durch die Neigung des Deckels 3 vorgegeben bzw. erreicht, d. h. der Deckel 3 muss an der Stelle des Umlenkspiegels ebenfalls eine Neigung von 5° bis 15° aufweisen.In 1 is with 1 denotes a substrate wafer, from which together two on axes 12 . 13 Suspended micromirrors are structured out. Also the axles 12 . 13 are from the substrate wafer 1 structured. A pedestal wafer 2 , from the two cavities 9 below the micromirrors 4 . 5 are worked out with the substrate wafer 1 hermetically sealed, with both wafers 1 . 2 consist essentially of silicon. A lid which consists wholly or partly of glass, with the substrate wafer z. B. hermetically sealed by glass solder or the like. The lid has an inclined entrance window surface 7 which has a typical inclination with respect to the plane of the substrate wafer of greater than 15 ° to 20 °. Furthermore, the cover comprises a likewise inclined exit surface 8th , which is larger than the entrance surface, since the reflected radiation must be able to escape with all deflection angles. The exit window area 8th typically has a tilt angle to the substrate wafer plane of 10 ° to 45 °. On the inside of the lid, ie the micromirrors 4 . 5 facing, is a deflection mirror 10 firmly with the lid 3 connected. It can be vapor-deposited or sputtered and then structured. The static deflection mirror 10 may be bonded to the lid surface at 300 ° C to 400 ° C. The deflection mirror 10 or its mirror surface also has an inclination to the plane of the substrate wafer 1 or to the level of micromirrors 4 . 5 at rest. The inclination with a typical inclination angle of 5 ° to 15 °, in particular in vapor-deposited or sputtered mirror by the inclination of the lid 3 specified or achieved, ie the lid 3 must also have an inclination of 5 ° to 15 ° at the location of the deflecting mirror.

Wie aus 2 zu erkennen ist, stehen die Mikrospiegel 4, 5 jeweils senkrecht zueinander, wobei der Mikrospiegel 5 rechteckig ausgeführt ist, um den durch den Mikrospiegel 4 bereits in einer Achse abgelenkten Strahl, üblicherweise Laserstrahl, der von dem ebenfalls rechteckig ausgebildeten Umlenkspiegel 6 reflektiert wird, noch vollständig einfangen zu können. Jedoch sind auch andere Formen denkbar. Die Strahlen sind in gestrichelten Linien zusammen mit den Richtungspfeilen angedeutet.How out 2 it can be seen, are the micromirrors 4 . 5 each perpendicular to each other, the micromirror 5 Rectangular is made by the micromirror 4 beam already deflected in one axis, usually a laser beam, that of the deflecting mirror, which is also rectangular 6 is reflected, still be able to capture completely. However, other forms are conceivable. The rays are indicated in dashed lines along with the directional arrows.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Mikrospiegelanordnung dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen die gleichen Komponenten bezeichnen.In 3 a further embodiment of the micromirror arrangement is shown, wherein like reference numerals designate the same components.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Strahlung, z. B. der Laserstrahl, von der Rückseite, d. h. durch den Sockelwafer eingestrahlt, wodurch er mindestens teilweise aus Glas bestehen bzw. ein Eintrittsfenster 14 aufweisen muss. Aufgrund der rückseitigen Einstrahlung ist ein zusätzlicher Umlenkspiegel 10 notwendig, um den Laserstrahl auf den Mikrospiegel zu lenken. Die Umlenkspiegel 10 und 6, die hier von einer gemeinsamen Spiegelfläche 11 gebildet werden, sind mit der Innenseite des leicht geneigten Bereichs des Deckels 3 verbunden und haben den gleichen Neigungswinkel. Durch die Neigung wird die Baugröße bzw. Bauhöhe verringert und es lassen sich Verbesserungen bezüglich des zulässigen maximalen Ablenk- bzw. Scanwinkels erreichen.In this embodiment, the radiation, z. B. the laser beam from the back, ie irradiated by the base wafer, whereby it at least partially made of glass or an entrance window 14 must have. Due to the rear radiation is an additional deflection mirror 10 necessary to direct the laser beam to the micromirror. The deflection mirror 10 and 6 , here by a common mirror surface 11 are formed with the inside of the slightly inclined portion of the lid 3 connected and have the same angle of inclination. Due to the inclination of the size or height is reduced and it can be achieved improvements in the allowable maximum deflection or scan angle.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006059073 [0003]

Claims

Wafer-level micromirror array from a common substrate wafer ( 1 ), adjacent micromirrors ( 4 . 5 ), one with the substrate wafer ( 1 ) connected base wafers ( 2 ), at least partially transparent, with the substrate wafer ( 1 ) associated lid ( 3 ) and at least one above the micromirrors ( 4 . 5 ) arranged static deflection mirror ( 10 ) for the optical coupling of the two micromirrors ( 4 . 5 ), characterized in that the at least one static deflecting mirror ( 10 ) is inclined with respect to the plane predetermined by the surface of the substrate wafer.

Micro-mirror arrangement according to claim 1, characterized in that the at least one deflecting mirror ( 10 ) with the lid ( 3 ), wherein preferably the lid ( 3 ) one of the inclination of the deflection mirror ( 10 ) has corresponding inclination.

Micromirror arrangement according to Claim 1 or Claim 2, characterized in that the deflecting mirror ( 10 ) has an inclination of 5 ° to 15 ° with respect to the plane formed by the surface of the substrate wafer.

Micromirror arrangement according to one of Claims 1 to 3, characterized in that substrate wafers ( 1 ), Base wafer ( 2 ) and lid ( 3 ) are each hermetically sealed, in particular vacuum-tight connected to each other.

Micromirror arrangement according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the lid ( 3 ) with respect to that of the surface of the substrate wafer ( 1 ) predetermined plane an inclined entrance window ( 7 ) and / or exit window ( 8th ) for the coupling or decoupling of electromagnetic radiation.

Micromirror arrangement according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the base wafer ( 2 ) an entrance window ( 14 ) for the coupling of electromagnetic radiation.

Micro-mirror arrangement according to claim 5, characterized in that the inclination of the entrance window ( 7 ) is greater than 15 ° and / or the exit window ( 8th ) is between 10 ° and 45 °.

Micro-mirror arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that two deflecting mirrors ( 10 ) with equal or different tilt angles over the micromirrors ( 4 . 5 ) are arranged.

Micro-mirror arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the lid ( 3 ) consists of glass or of glass and silicon and that the substrate wafer ( 1 ) and / or the pedestal wafer ( 2 ) consist of silicon or of glass and silicon.

A wafer arrangement comprising a multiplicity of micromirror arrangements according to one of Claims 1 to 9, all micromirrors ( 4 . 5 ) of the micromirror arrangements from a common substrate wafer ( 1 ), all base wafers form a common base wafer and all lids ( 3 ) are arranged on a common lid wafer, and the substrate wafer, the pedestal wafer, and the lid wafer are bonded together to form the plurality of hermetically sealed micromirror arrays.