DE102016216918A1

DE102016216918A1 - Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und entsprechende mikromechanische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016216918A1
Application number: DE102016216918.1A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Steuer; Stefan Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-08
Also published as: US20180065845A1; CN107792829A; JP2018041084A; TW201811662A

Abstract

Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und eine entsprechende mikromechanische Vorrichtung. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen eines ersten Substrats (W1) mit einer Vorderseite (V1) und einer Rückseite (R1), welches eine Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) aufweist; Aufbringen eines zweiten Substrats (W2) auf der Vorderseite (V1), wobei das zweite Substrat (W2) thermisch verformbar ist und ein erstes Durchgangsloch (L21) oberhalb der Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) aufweist, welche eine geringere laterale Erstreckung als die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) aufweist; Ausbilden eines Klappbereichs (K; K‘) auf dem zweiten Substrat (W2) oberhalb oder unterhalb des ersten Durchgangslochs (L21), welcher in einer ersten Position bezüglich des ersten Substrats (W1) angeordnet ist; thermisches Verformen des zweiten Substrats (W2), wobei der Klappbereich (K; K‘) in eine zweite Position innerhalb Ausnehmung (L11) gebracht wird, welche gegenüber der ersten Position geneigt und optional in die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) eingesenkt ist; Entfernen des Klappbereichs (K; K‘) vom zweiten Substrat (W2); und Anbringen des optischen Fensters (FE) auf dem zweiten Substrat (W2) oberhalb oder unterhalb des ersten Durchgangslochs (L21) in der zweiten geneigten Position.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und eine entsprechende mikromechanische Vorrichtung.
Stand der Technik
Obwohl auch beliebige optische Vorrichtungen und Systeme anwendbar sind, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von optischen mikromechanischen Mikrospiegel-Scannervorrichtungen erläutert.
Mikromechanische MEMS-Bauelemente müssen zum Schutz vor schädlichen äußeren Umwelteinflüssen (z.B. feuchte, aggressive Medien etc.) geschützt werden. Ein Schutz vor mechanischer Berührung/Zerstörung sowie zur Ermöglichung des Vereinzelns aus einem Waferverbund in Chips durch Sägen ist ebenfalls erforderlich. In vielen Fällen muss auch durch eine hermetische Verkapselung die Einstellung einer bestimmten Atmosphäre (z.B. Gasart und/oder Gasdruck) ermöglicht werden.
Die Verkapselung von MEMS-Bauelementen mit einem Kappenwafer, der Kavitäten und Durchgangslöcher aufweist, im Waferverbund ist weitläufig etabliert. Dazu wird ein Kappenwafer zum Wafer mit den MEMS-Strukturen justiert und mit ihm zusammengefügt. Das Zusammenfügen kann beispielsweise über anodisches Bonden oder Direktbonden (fügemittelfreie Verbindung zwischen Glas und Silizium), über eutektische Fügschichten oder über Glaslote bzw. Kleber erfolgen. Unter den Kavitäten des Kappenwafers liegen das oder die MEMS-Bauelemente, wobei elektrische Bondpads zum Anschluss des MEMS-Bauelements mit dünnen Drähten über die Durchgangslöcher im Kappenwafer zugänglich sind.
Für optische mikromechanische MEMS-Bauelemente (MOEMS), wie z.B. für Mikrospiegel, sind der zuvor beschriebene Schutz und zusätzlich ein transparentes Fenster mit hoher optischer Güte und ggf. auch mit speziellen optischen Beschichtungen erforderlich. Vereinzelt sind in den Kappen auch Durchgangslöcher für die elektrische Verbindung realisiert.
Beim Durchtritt optischer Strahlen durch das transparente Fenster entstehen an den Grenzflächen Reflexionen. Wenn die ortsfesten Reflexe einer mikromechanischen Mikrospiegel-Scannervorrichtung im Scanbereich des Mikrospiegels liegen, übersteigt ihre Intensität die des projizierten Bildes und wirkt daher störend. Diese störenden Reflexe können durch eine Anti-Reflex-Beschichtung des optischen Fensters nur in ihrer Intensität reduziert werden. Da der Mikrospiegel üblicherweise symmetrisch in seiner Ruhelage schwingt bzw. ausgelenkt wird, ist der Reflex immer im Scanbereich, wenn das optische Fenster parallel zur Ruhelage der Spiegelfläche ist und wenn der Abstand zwischen Spiegelebene und dem optischen Fenster klein ist (bei MEMS-Bauelementen ist dies immer der Fall).
Die einzige Möglichkeit, eine Störung durch die Reflexe zu vermeiden, besteht darin, sie aus dem Scanbereich zu lenken, indem das optische Fenster und die Spiegelfläche im unausgelenkten Zustand nicht parallel zueinander sind. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich einerseits eine Neigung des optischen Fensters oder andererseits eine Neigung der Ruhelage des Spiegels. Beide Möglichkeiten sind im Stand der Technik bekannt.
Geneigte Fenster für vereinzelte Chips sind beispielsweise in der EP 1 688 776 A1 offenbart. Geneigte Fenster oder auch andere Fensterformen, mit denen die Reflexe vermeidbar sind, sind für das Wafer-Level-Packaging in der EP 1 748 029 A2 beschrieben.
Gemäß der EP 1 748 029 A2 werden die dreidimensionalen Oberflächenstrukturen (beispielsweise geneigte Fenster) aus einem transparenten Material (Glas oder Kunststoff) in einem Waferverbund hergestellt. Die Verfahren, mit denen die dreidimensionalen Strukturen hergestellt werden, sind entweder sehr teuer oder ergeben nicht die erforderliche optische Güte. Wafer mit entsprechenden dreidimensionalen Strukturen sind zudem bei der Prozessierung, beispielsweise während des Waferbondens, problematisch, da die Strukturen leicht beschädigt werden können.
Weitere Verfahren zur Herstellung von Schutzkappen mit geneigten optischen Fenstern sind beispielsweise aus der DE 10 2008 040 528 A1 , der DE 10 2010 062 118 A1 und der DE 10 2012 206 858 A1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster nach Anspruch 1 sowie eine entsprechende mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 11.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, den geneigten Sitz des optischen Fensters durch thermisches Verformen einer Substratschicht herzustellen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit geneigtem optischem Fenster, welche beispielsweise als Schutzwafer für eine mikromechanische Mikrospiegel-Scannervorrichtung verwendet werden kann. Die geneigten optischen transparenten Fenster sind mit hoher optischer Güte herstellbar. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist robust und serientauglich.
Die geneigten optischen Fenster können mit Prozessen hergestellt werden, die in der MEMS- und Halbleitertechnologie üblich sind. Kratzer, Partikel und Beschädigungen auf dem geneigten optischen Fenster während der Prozessierung können leicht vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Ausnehmung als zweites Durchgangsloch ausgebildet. Dies ermöglich eine einfache Herstellung der Ausnehmung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das zweite Durchgangsloch ein gestuftes und/oder angeschrägtes Wandprofil auf, das beim thermischen Verformen des zweiten Substrats einen Anschlag für den Klappbereich in der zweiten geneigten Position bildet. So lässt sich die Neigung des optischen Fensters präzise definieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Ausnehmung als erste Kavität ausgebildet, welche sich ausgehend von der Vorderseite hin zu einem ersten Membranbereich an der Rückseite des ersten Substrats erstreckt, wobei der erste Membranbereich einen Anschlag für den Klappbereich in der zweiten geneigten Position bildet und wobei der erste Membranbereich nach dem thermischen Verformen des zweiten Substrats entfernt wird, so dass aus der ersten Kavität ein zweites Durchgangsloch gebildet wird. So lässt sich ein Anschlag über den ersten Membranbereich definieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Ausnehmung als zweite Kavität ausgebildet, welche sich ausgehend von der Rückseite hin zu einem zweiten Membranbereich an der Vorderseite des ersten Substrats erstreckt, wobei der Klappbereich durch Strukturieren des zweiten Membranbereichs ausgebildet wird. So läßt sich auf das dritte Wafersubstrat verzichten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das erste Substrat und das zweite Substrat Wafersubstrate, welche aufeinander gebondet werden, nachdem die Ausnehmung im ersten Substrat und das erste Durchgangsloch im zweiten Substrat gebildet worden sind. Dies ermöglicht eine großvolumige Batchverarbeitung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Klappbereich aus einem dritten Substrat strukturiert, nachdem das dritte Substrat auf das zweite Substrat gebondet worden ist. So lässt sich der Klappbereich einfach und präzise herstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird an die Rückseite beim thermischen Verformen ein Unterdruck oder an die Vorderseite ein Überdruck angelegt. Dies unterstützt den thermischen Verformungsschritt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird in die erste Kavität ein Vakuum eingeschlossen, welches das thermische Verformen unterstützt. Damit wird das thermische Verformen intern unterstützt. Falls nicht ausreichend, kann auch an die Vorderseite zusätzlich ein Überdruck angelegt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das zweite Substrat ein Glassubstrat. Solch ein Glassubstrat lässt sich beim thermischen Verformen gut kontrollieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren erläutert.
Es zeigen:
1a)–f) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und einer entsprechenden mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a)–e) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung von Variationen eines Herstellungsverfahrens für ein erstes Substrat einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3a)–e) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und einer entsprechenden mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4a)–e) schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und einer entsprechenden mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1a)–f) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und einer entsprechenden mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die mikromechanische Vorrichtung mit geneigtem optischem Fenster gemäß der ersten Ausführungsform ist beispielsweise als Schutzwafervorrichtung für eine mikromechanische Mikrospiegel-Scannervorrichtung verwendbar.
Die Herstellung der mikromechanischen Vorrichtung wird auf Waferebene beschrieben, obwohl sie nicht darauf beschränkt ist und auch auf Bauelementebene erfolgen könnte. Zur Vereinfachung der Darstellung wird dabei nur die Herstellung eines einzigen geneigten optischen Fensters gezeigt, obwohl auf Waferebene eine Vielzahl geneigter optischer Fenster produziert werden könnte.
In 1a) bezeichnet Bezugszeichen W1 ein erstes Wafersubstrat, beispielsweise ein Silizium-Wafersubstrat, W2 ein zweites Wafersubstrat, beispielsweise ein thermisch verformbares Glaswafersubstrat oder ein Kunststoffsubstrat, und W3 ein drittes Wafersubstrat, beispielsweise ebenfalls ein Silizium-Wafersubstrat.
In einem ersten Herstellungsschritt erfolgt die Prozessierung des ersten Wafersubstrats W1, das eine Vorderseite V1 und eine Rückseite R1 aufweist.
In das erste Wafersubstrat W1 werden beispielsweise KOH-Ätzen oder Sandstrahlen oder mittels eines anderen beliebigen Material-Abtragungsverfahrens (auch mechanisches Bohren, Schleifen, Erodieren oder Laserbearbeitung) Durchgangslöcher L11 und L12 eingebracht, wobei das Durchgangsloch L12 optional ist.
Im gleichen Verfahrensschritt können auch (nicht gezeigte) einseitige Vertiefungen an der Vorderseite V1, (beispielsweise Kavitäten oder Justagemarken etc.) eingebracht werden. Das Durchgangsloch L11 ist für die spätere Lagerung des geneigten optischen Fensters vorgesehen, welches einen optischen Zugang zu dem (nicht dargestellten) Mikrospiegel bildet. Seine Kante wirkt als Scharnier und ermöglicht ein gewisses Einsinken des optischen Fensters in das Durchgangsloch.
Das optionale Durchgangsloch L12 kann beispielsweise ein nicht-geneigtes optisches Fenster bzw. elektrische Kontakte für die Kontaktierung über Bondlands aufnehmen. Die Geometrie der Durchgangslöcher L11, L12 kann geeignet ausgewählt bzw. variiert werden.
In einem zweiten Herstellungsschritt erfolgt die Prozessierung des zweiten Wafersubstrats W2, welches im vorliegenden Beispiel ein Glaswafersubstrat ist. Das zweite Wafersubstrat W2 wird derart strukturiert, dass es ein Durchgangsloch L21 aufweist, das später oberhalb des Durchgangsloch L11 liegt, wodurch die Stelle definiert wird, an der in einem späteren Prozessschritt das optische Fenster platziert wird. Das Durchgangsloch L21 weist eine geringere laterale Ausdehnung als das Durchgangsloch L11 auf.
Danach wird das strukturierte zweite Wafersubstrat W2 auf das dritte Wafersubstrat W3 gebondet, beispielsweise durch anodisches Bonden oder durch Silizium-Glas-Direktbonden. Anschließend wird die Vorderseite V1 des ersten Wafersubstrats W1 auf die gegenüberliegende Seite des zweiten Wafersubstrats W2 gebondet. Dies führt zum Prozesszustand gemäß 1a).
Die Strukturierung des zweiten Wafersubstrats W2 kann alternativ auch im Zweier-Waferstapel mit Wafersubstrat W2 und W3 oder auch im Dreier-Waferstapel mit den Wafersubstraten W1, W2, W3 erfolgen. Erfolgt die Strukturierung im Zweier-Waferstapel W2, W3, so kann das Glas des zweiten Wafersubstrats aus den Bereichen der späteren Sägestraßen entfernt werden. Dies ist für den Vereinzelungsprozess vorteilhaft, da in diesem Fall nur Silizium mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Kosten gesägt werden kann.
Das dritte Wafersubstrat W3 wird auf der anderen Seite durch Schleifen und/oder Polieren abgedünnt und anschließend strukturiert. Dabei kann für eine geeignete Kantengeometrie für das später einzusetzende optische Fenster das Trenchprofil geeignet gewählt werden, also eine gerade Flanke FL oder eine schräge Flanke FL‘ bzw. FL‘‘ gewählt werden, wie in 1b) gezeigt. Dies gilt im übrigen auch für die weiteren Kanten.
Das Strukturieren des dritten Wafersubstrats W3 kann alternativ auch rückseitig vor dem Abdünnen und vor dem ersten Waferbonden mit dem Wafersubstrat W2 oder auch vorderseitig nach dem ersten Waferbonden mit dem Wafersubstrat W2 im Zweier-Waferstapel erfolgen. Jedenfalls sollte das Bonden vor dem Abdünnen erfolgen.
Insbesondere wird im dritten Wafersubstart W3 ein Klappbereich K oberhalb des Durchgangslochs L21 gebildet, wobei der Klappbereich K zunächst parallel zur Vorderseite V1, also nicht-geneigt, positioniert ist. Der Klappbereich K definiert den Bereich, in dem zu einem späteren Zeitpunkt das optische Fenster eingebracht wird. Das Strukturieren kann beispielsweise mittels eines DRIE-Ätzprozesses erfolgen.
Die Fläche des Klappbereichs K ist vorzugsweise kleiner als die Fläche des Durchgangslochs L11 im ersten Wafersubstrat W1 und größer als das Durchgangsloch L21 im zweiten Wafersubstrat W2. Der Überlappungsbereich zwischen dem Klappbereich K und dem Durchgangsloch L11 im ersten Wafersubstrat W1 bildet die Dicht- und Auflagefläche des späteren optischen Fensters. Die Flächen des Klappbereichs K dienen der Versteifung der Dicht- und Auflagefläche während der späteren thermischen Verformung. Sie sorgen dafür, dass die Dicht- und Auflagefläche des späteren optischen Fensters eine Neigung gegenüber der Vorderseite V1 aufweisen kann, aber ihre Ebenheit und Glattheit gewährleistet bleibt.
Anschließend werden das zweite und dritte Wafersubstrat W2, W3 auf das erste Wafersubstrat W1 gebondet. Dies führt zum Prozesszustand gemäß 1c).
Der Dreier-Waferstapel mit den aufeinandergebondeten Wafersubstraten W1, W2 und W3 wird anschließend von der Rückseite R1 des ersten Wafersubstrats W1 flächig mittels einer Ansaugvorrichtung (Chuck) angesaugt und auf eine geeignet hohe Temperatur gebracht, bei der sich das Glas des zweiten Wafersubstrats W2 plastisch verformen kann. Aufgrund des durch die Ansaugung entstehenden Unterdrucks in dem Durchgangsloch L11 des ersten Wafersubstrats W1, welches an der Vorderseite V1 durch das zweite Wafersubstrat W2 und den Klappbereich K verschlossen ist, wird das Glas im Bereich oberhalb des Durchgangsloch L11, der neben dem Klappbereich K liegt, tiefgezogen, wie in 1d) gezeigt. Optional kann auch Überdruck von der Vorderseite V1 her angelegt werden.
Die gewünschte Endneigung des Klappbereichs K und des durch sie stabilisierten Glasbereichs des zweiten Wafersubstrats W2 kann durch die Prozessdauer oder dadurch definiert werden, dass eine geeignete Spacergeometrie im Durchgangsloch L11 vorgesehen wird, wie beispielsweise mit Bezug auf 2a)-e) illustriert ist. Gemäß 2b)–e) sind gestufte und/oder angeschrägte Wandprofile A‘, A‘‘, A‘‘‘, A‘‘‘‘ vorgesehen, die beim thermischen Verformen des Glases des zweiten Wafersubstrats W2 einen Anschlag für den Klappbereich in der geneigten Endposition bilden. Diese Geometrien begünstigen den Glas-Umformprozess. Unter bestimmten Umständen kann auch auf eine derartige Spaceranordnung vollständig verzichtet werden, wie in 1a) bzw. 2a) gezeigt.
Nach dem thermischen Verformen wird gemäß 1e) das dritte Wafersubstrat W3 beispielsweise mittels KOH-Ätzen entfernt. Durch dieses Ätzen sollte eine optional vorgesehene Spaceranordnung am Durchgangsloch L11 (vgl. 2b) bis 2e)) nicht oder nur minimal angeätzt werden. Um die Ätzzeit für das erste Wafersubstrat W1 zu minimieren, können auf der exponierten Oberfläche des dritten Wafersubstrats Löcher oder Schlitze eingebracht werden. Diese Strukturen erhöhen die Ätzfläche und ermöglichen einen seitlichen Ätzangriff anderer Kristallebenen, die schneller geätzt werden. Die Löcher oder Schlitze sind für die Maximierung der Ätzgeschwindigkeit in ihrer Form und ihren Dimensionen geeignet auszulegen. Das Einbringen derartiger Strukturen zur Ätzunterstützung kann beispielsweise zusammen mit der Ausbildung des Klappbereichs K in einem Prozessschritt erfolgen.
Schließlich verbleibt gemäß 1e) nur noch das deformierte zweite Wafersubstrat W2 mit dem Durchgangsloch L12 auf dem ersten Wafersubstrat W1, wobei das Durchgangsloch L21 des zweiten Wafersubstrats W2 die Position des nun aufzubringenden geneigten optischen Fensters definiert. Geometrisch bedeutet geneigt, dass die Normale des optischen Fensters gegenüber der Normalen der Vorderseite V1 verkippt bzw. geneigt ist.
Das optische Fenster FE ist vorzugsweise aus Glas hoher optischer Güte mit geeignetem thermischem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt. Ausgangsmaterial ist beispielsweise ein Glaswafer geeigneter Dicke und optischer Güte. Auf der einen Seite des optischen Fensters FE wird beispielsweise auf Waferebene ein Dicht- und Haftungsmedium umlaufend aufgebracht, beispielsweise Glaslot per Siebdruck aufgebracht und ausgehärtet (gesintert).
Die optischen Fenster FE werden dann beispielsweise vereinzelt und auf ein Tape aufgebracht, wobei das Vereinzeln beispielsweise durch standardmäßiges Glassägen oder Laserbearbeitung oder Sandstrahlen etc. erfolgt.
Mittels einer Bestückungsanlage kann dann das optische Fenster FE mit dem Glaslot LO in den Fenstersitze des schrägen Durchgangslochs L21 eingebracht werden. Das hierfür verwendete Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen sind aus der SMD-Technik (Surface-Mount-Device) bekannt. Die Verbindung des optischen Fensters FE mit dem zweiten Wafersubstrat W2 in der Peripherie des Durchgangsloch L21 erfolgt in einem Heißprozess.
Der mit dem optischen Fenstern FE bestückte Waferverbund der Wafersubstrate W1, W2 wird dabei von der Seite des ersten Wafersubstrats W1 flächig angesaugt und auf eine geeignet hohe Temperatur gebracht, bei der das Glaslot LO aufschmilzt. Diese Temperatur sollte unterhalb der Erweichungstemperatur des Fensterglases liegen.
Aufgrund des Druckunterschiedes wird das Glaslot LO auf der Dichtfläche gequetscht und verbindet das optische Fenster FE mit dem zweiten Wafersubstrat W2 in der Peripherie des Durchgangsloch L21. Nach dem Abkühlen ist die mikromechanische Vorrichtung mit dem geneigten, hermetisch dichten optischen Fenster FE fertiggestellt und kann für eine weitere Verarbeitung, beispielsweise für eine Verbindung mit einer Mikrospiegel-Scannervorrichtung verwendet werden, wie in 1f) gezeigt.
Obwohl das optische Fenster FE gemäß 1f) an der Vorderseite V1 übersteht, kann der Prozess derart gesteuert werden, dass das optische Fenster FE derart in das Durchgangsloch L11 einsinkt, dass es einerseits schrägsteht und andererseits nicht mehr übersteht, was für viele Anwendungen vorteilhaft ist.
Eine derartige weitere Verarbeitung der mikromechanischen Vorrichtung mit dem geneigten optischen Fenster kann mit üblichen in der Mikromechanik verwendeten Bond-Verfahren (Bonden mit Glaslot oder Kleber, eutektisches Bonden, anodisches Bonden usw.) zum Schaffen einer hermetisch dichten Verbindung mit MEMS- oder MOEMS-Wafern erfolgen.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die geneigte Oberfläche des optischen Fensters FE im ersten Wafersubstrat W1 im Wesentlichen oder vollständig im Durchgangsloch L11 versenkt und dadurch geschützt sind. Das optische Fenster FE kann so bei der Weiterverarbeitung nicht geschädigt werden, also Kratzer, Abdrücke und anhaftende Partikel im Wesentlichen vermieden werden. Insbesondere gilt dies für das Glaslot-Waferbonden, bei dem die mikromechanische Vorrichtung mit dem geneigten optischen Fenster FE auf einen MOEMS-Wafer mit hohem mechanischen Druck gebondet wird.
Eine nicht dargestellte Alternative bei der ersten Ausführungsform besteht darin, dass das optische Fenster FE von der Rückseite R1 des ersten Wafersubstrats W1 von unten her auf das zweite Wafersubstrat W2 aufgesetzt und verbunden wird.
3a)–e) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und einer entsprechenden mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der zweiten Ausführungsform wird gemäß 3a) zunächst kein Durchgangsloch im ersten Wafersubstrat W1 gebildet, sondern eine erste Kavität K1, welche sich ausgehend von der Vorderseite V1 hin zu einem Membranbereich M1 an der Rückseite R1 des ersten Wafersubstrats W1 erstreckt.
Der Membranbereich M1 bildet einen Anschlag für den Klappbereich K in der zweiten geneigten Position. In der Kavität K1, welche an der Vorderseite V1 durch das zweite Wafersubstrat W2 und den Klappbereich verschlossen ist, wird ein Vakuum eingeschlossen, wenn der Dreier-Waferstapel mit den Wafersubstraten W1, W2, W3 gebildet wird, wie in 3b) dargestellt. Die lokale plastische Verformung des zweiten Wafersubstrats W2 im Bereich der ersten Kavität K1 erfolgt durch dieses Vakuum, ohne dass es einer flächigen Ansaugung des ersten Wafersubstrats W1 bedarf. Falls das Vakuum nicht ausreicht kann zusätzlich ein Überdruck an der Vorderseite V1 angelegt werden.
Nach dem thermischen Verformen, dessen Resultat in 3c) gezeigt ist, wird der Membranbereich M1 entfernt, sodass aus der ersten Kavität K1 ein Durchgangsloch LL11‘ des ersten Wafersubstrats W1 entsteht. Gleichzeitig wird das dritte Wafersubstrat W3 vollständig entfernt, was zum in 3d) gezeigten Zustand führt. Da bei dieser Ausführungsform der Druckunterschied während des thermischen Verformens nicht extern zu generieren ist, ist die gleichzeitige Prozessierung einer Vielzahl von Wafern in einem Ofen in einem günstigeren einfachen Batch-Prozess möglich.
Schließlich mit Bezug auf 3e) wird analog zu 1f) das optische Fenster eingesetzt und thermisch mit dem zweiten Wafersubstrat W2 in der Peripherie des Durchgangsloch L21 mittels Glaslot verbunden.
4a)–e) sind schematische Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster und einer entsprechenden mikromechanischen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der dritten Ausführungsform wird gemäß 4a) ebenfalls zunächst kein Durchgangsloch im ersten Wafersubstrat W1 gebildet, sondern eine Kavität K2, welche sich ausgehend von der Rückseite R1 hin zu einem Membranbereich M2 an der Vorderseite V1 des ersten Wafersubstrats W1 erstreckt.
Weiterhin verzichtet die dritte Ausführungsform gänzlich auf das dritte Wafersubstrat W3. Der Klappbereich K‘ wird bei dieser Ausführungsform durch Strukturieren des Membranbereichs M2 ausgebildet, was durch eine rückseitige Ätzung des ersten Wafersubstrats W1 erfolgt. Dies ist in 4b) dargestellt.
Das anschließende thermische Aufschmelzen und Schrägstellen des Klappbereichs K‘ erfolgt wie bei der oben beschriebenen ersten bzw. zweiten Ausführungsform, wie in 4c) gezeigt.
Gemäß 4d) wird anschließend der Klappbereich K‘ durch Ätzen entfernt, wodurch ein Durchgangsloch LL11‘‘ im ersten Wafersubstrat W1 gebildet wird.
Ebenfalls analog zur ersten bzw. zweiten Ausführungsform erfolgt Anbringen des optischen Fensters FE, welches allerdings in dieser Ausführungsform von der Rückseite R1 eingesetzt wird
Da bei dieser Ausführungsform der Klappbereich K‘ auf der Unterseite des zweiten Wafersubstrats W2 im Durchgangsloch LL11‘‘ vorgesehen ist, ist ein Verschmelzen des Glases des zweiten Wafersubstrats W2 mit der Ansaugvorrichtung (Chuck) im Vergleich zur ersten Ausführungsform vorteilhafterweise verhindert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
Insbesondere können andere Neigungsrichtungen, Winkel, Geometrien etc. gewählt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1688776 A1 [0008]
EP 1748029 A2 [0008, 0009]
DE 102008040528 A1 [0010]
DE 102010062118 A1 [0010]
DE 102012206858 A1 [0010]

Claims

Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster, welches die Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten Substrats (W1) mit einer Vorderseite (V1) und einer Rückseite (R1), welches eine Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) aufweist; Aufbringen eines zweiten Substrats (W2) auf der Vorderseite (V1), wobei das zweite Substrat (W2) thermisch verformbar ist und ein erstes Durchgangsloch (L21) oberhalb der Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) aufweist, welche eine geringere laterale Erstreckung als die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) aufweist; Ausbilden eines Klappbereichs (K; K‘) auf dem zweiten Substrat (W2) oberhalb oder unterhalb des ersten Durchgangslochs (L21), welcher in einer ersten Position bezüglich des ersten Substrats (W1) angeordnet ist; thermisches Verformen des zweiten Substrats (W2), wobei der Klappbereich (K; K‘) in eine zweite Position innerhalb Ausnehmung (L11) gebracht wird, welche gegenüber der ersten Position geneigt und optional in die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) eingesenkt ist; Entfernen des Klappbereichs (K; K‘) vom zweiten Substrat (W2); und Anbringen des optischen Fensters (FE) auf dem zweiten Substrat (W2) oberhalb oder unterhalb des ersten Durchgangslochs (L21) in der zweiten geneigten Position.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) als zweites Durchgangsloch (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘) ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das zweite Durchgangsloch (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘) ein gestuftes und/oder angeschrägtes Wandprofil (A‘, A‘‘; A‘‘‘; A‘‘‘‘) aufweist, das beim thermischen Verformen des zweiten Substrats (W2) einen Anschlag für den Klappbereich (K) in der zweiten geneigten Position bildet.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) als erste Kavität (K1) ausgebildet wird, welche sich ausgehend von der Vorderseite (V1) hin zu einem ersten Membranbereich (M1) an der Rückseite (R1) des ersten Substrats (W1) erstreckt, wobei der erste Membranbereich (M1) einen Anschlag für den Klappbereich (K) in der zweiten geneigten Position bildet und wobei der erste Membranbereich (M1) nach dem thermischen Verformen des zweiten Substrats (W2) entfernt wird, so dass aus der ersten Kavität (K1) ein zweites Durchgangsloch (L11‘) gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) als zweite Kavität (K2) ausgebildet wird, welche sich ausgehend von der Rückseite (R1) hin zu einem zweiten Membranbereich (M2) an der Vorderseite (V1) des ersten Substrats (W1) erstreckt, wobei der Klappbereich (K‘) durch Strukturieren des zweiten Membranbereichs (M2) ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (W1) und das zweite Substrat (W2) Wafersubstrate sind, welche aufeinander gebondet werden, nachdem die Ausnehmung (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; K1; K2) im ersten Substrat (W1) und das erste Durchgangsloch (L21) im zweiten Substrat (W2) gebildet worden sind.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Klappbereich (K) aus einem dritten Substrat (W3) strukturiert wird, nachdem das dritte Substrat (W3) auf das zweite Substrat (W2) gebondet worden ist.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei an die Rückseite (R1) beim thermischen Verformen ein Unterdruck oder an die Vorderseite (V1) ein Überdruck angelegt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei in die erste Kavität (K1) ein Vakuum eingeschlossen wird, welches das thermische Verformen unterstützt.
Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Substrat (W2) ein Glassubstrat ist.
Mikromechanische Vorrichtung mit einem geneigten optischen Fenster, welche aufweist: ein erstes Substrat (W1) mit einer Vorderseite (V1) und einer Rückseite (R1), welches ein Durchgangsloch (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; LL11‘; LL11‘‘) aufweist; ein zweites Substrat (W2), welches auf der Vorderseite (V1) des ersten Substrats (W1) angebracht ist, wobei das zweite Substrat (W2) im Bereich des Durchgangslochs (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; LL11‘; LL11‘‘) verformt ist und ein weiteres Durchgangsloch (L21) aufweist, welches eine geringere laterale Erstreckung als Durchgangsloch (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; LL11‘; LL11‘‘) aufweist; wobei das optische Fenster (FE) auf dem zweiten Substrat (W2) oberhalb oder unterhalb des weiteren Durchgangslochs (L21) in der geneigten Position angebracht ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das erste Substrat (W1) und das zweite Substrat (W2) Wafersubstrate sind, welche aufeinander gebondet sind.
Mikromechanische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei das wobei das zweite Substrat (W2) ein Glassubstrat ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das optische Fenster (FE) auf dem zweiten Substrat (W2) mittels Glaslot angebracht ist.
Mikromechanische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das optische Fenster (FE) im wesentlichen im Durchgangsloch (L11; L11‘; L11‘‘; L11‘‘‘; L11‘‘‘‘; LL11‘; LL11‘‘) des zweiten Substrats (W2) versenkt ist.