CN103373701A - 用于制造用于mems装置的光学窗装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于制造用于MEMS装置的光学窗装置的方法,其具有以下步骤:在具有凹槽的衬底上施加由透明材料构成的层;使所述层变形,从而所述层被折叠并且所述层的经变形的区域构成光学窗。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造用于MEMS装置的光学窗装置的方法。
背景技术
为了保护免受外部有害的物理影响或化学影响,在相应的晶片复合体(Verbund)中借助保护晶片建立MEMS构件(微(电子)机械构件)的封装,所述保护晶片可以具有空腔和通孔。普遍的是,在具有MEMS结构的晶片上校准保护晶片并且通过建立技术——例如阳极键合或密封玻璃键合来拼接所述保护晶片与所述具有MEMS结构的晶片。
对于光学MEMS构件,除了所述对罩晶片的要求以外,通常需要空腔上方的具有高光学品质的透明窗。在DE102009045541A1中说明一种用于制造所述透明窗的方法。为了降低光学透明窗的界面上的干扰反射,在这类窗上施加薄的防反射涂层或使其相对于MEMS构件倾斜。
在EP1688776A1中说明用于单独的芯片的合适的光学窗。尤其对于由多个层组成的晶片的结构,在US20070024549中列出合适的窗并且解释其制造。DE102008012384A1说明一种用于封装包含倾斜的光学窗的微系统的盖及其制造的方法。
发明内容
本发明提供一种根据权利要求1的用于制造用于MEMS装置的光学窗装置的方法,其具有在具有凹槽的衬底上施加由透明材料构成的层的第一步骤和使所述层变形从而所述层被折叠(gefaltet)并且所述层的经变形的区域构成光学窗的第二步骤。
优选的扩展方案是相应的从属权利要求的主题。
本发明提供一种用于在光学品质方面用于MEMS装置的窗装置的成本有利的制造方法。所述方法确保在再加工期间保护光学窗免受划痕和异物颗粒影响。所示方法适用于大批量。本方法提供以下可能性:限定窗结构的倾斜并且使窗表面设有纳米结构化的表面。可以严密密封地制造和使用所述窗。
本发明的其他特征和优点从参考附图的后续说明中得出。
附图说明
附图示出:
图1a)-d):沿着图2中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第一实施方式的制造方法;
图2:用于解释光学窗装置的根据本发明的第一实施方式的制造方法的示意性俯视图;
图3a)-d):沿着图4中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第二实施方式的制造方法;
图4:用于解释光学窗装置的根据本发明的第二实施方式的制造方法的示意性俯视图;
图5a)-d):沿着图6中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第三实施方式的制造方法;
图6:用于解释光学窗装置的根据本发明的第三实施方式的制造方法的示意性俯视图;
图7a)-d):沿着图8中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第四实施方式的制造方法;
图8:用于解释光学窗装置的根据本发明的第四实施方式的制造方法的示意性俯视图;
图9a)-d):用于解释光学窗装置的根据本发明的第五实施方式的制造方法的示意性横截面视图;
图10a)-d):用于解释光学窗装置的根据本发明的第六实施方式的制造方法的示意性横截面视图;
图11a)-d):用于解释光学窗装置的根据本发明的第七实施方式的制造方法的示意性横截面视图;
图12a)-e):用于解释光学窗装置的根据本发明的第八实施方式的制造方法的示意性横截面视图;
图13a)-f):用于解释光学窗装置的根据本发明的第九实施方式的制造方法的示意性横截面视图。
在附图中相同的参考标记表示相同的或功能相同的元件。
具体实施方式
图1a)-d)是沿着图2中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第一实施方式的制造方法;并且图2是用于解释光学窗装置的根据本发明的第一实施方式的制造方法的示意性俯视图。
在图1a)-d)和图2中,参考标记1表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。参考标记4表示衬底1中的通孔并且参考标记5表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分并且通过空腔6与其余的辅助层3分离。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5可以通过所述倾斜轴被转动到通孔4中。可移动的区域5示出与通孔4的外围(Peripherie)的重叠8。衬底1的上侧以参考标记10表示并且其下侧以参考标记11表示。窗结构以F表示。清晰起见,在图2中未示出层2。
以下生产步骤的顺序不是强制性确定的并且可以与其不同地进行。在第一步骤中,根据图1a)优选例如由硅制造衬底1,其中例如通过KOH蚀刻或喷砂或其他任意材料去除方法——如机械钻孔、研磨或通过激光在衬底1中开设通孔4。通孔4例如确定用于通向微镜(MOEMS)的光学进口或通过键合区(Bondlands)的电接触。
在第二步骤中,根据图1a)构造由透明的且可热变形的、例如由玻璃或塑料构成的层2和优选由硅组成的辅助层3组成的晶片复合体。借助在MEMS技术中普遍的方法——例如阳极键合或硅玻璃直接键合来制造晶片复合体。辅助层3可以在复合之前或之后例如通过研磨或抛光达到所期望的厚度。
在第三步骤中,根据图1a)在通孔4上方在辅助层3中定义可移动的区域5,在所述可移动的区域上保留材料。这例如可以借助DRIE蚀刻过程实现。可移动的区域5通常比衬底1中的通孔4的面更小。可移动的区域5用于在另一步骤中后续的变形期间加固层2并且负责:光学窗结构F虽然可以得到倾斜但确保倾斜的面的平整性。
在第四步骤中,根据图1b),使由辅助层3和层2以及衬底1组成的布置彼此对准以及例如通过阳极键合或直接键合使辅助层3和层2以及衬底1彼此连接。辅助层3的结构化——即在通孔4上方加固的、可移动的区域5的限定可以在制造由辅助层3、层2、衬底1组成的晶片堆叠之前或之后进行。
在根据图1c)的第五步骤中,从衬底1的下侧11平面地抽吸晶片堆叠并且使其达到适当高的温度,在所述适当高的温度下层2可以塑性变形。通常,窗区域F的两侧之间的压力差可以导致可移动的区域5的倾斜和/或移动。也可以通过机械力引起倾斜。由于通孔4处的低压,在可移动的区域5的范围中深拉伸光学窗结构F。通过以下方式定义围绕倾斜轴7的所期望的转动:可移动的区域5在横向上至少在一侧或在至少一个位置处伸出通孔4至衬底1上的外围中并且因此示出与其的重叠8。重叠8防止在热塑性变形期间可移动的区域5在这一侧上进入通孔4中。通过辅助层3的适当调节的厚度以及适当调节的低压,也可以有针对性地制造拱起的窗结构F。
在第六步骤中,根据图1d)例如借助KOH蚀刻来蚀刻去除辅助层3。通过所述蚀刻,层2没有被蚀镂或仅仅被最小地蚀镂,从而保持其光学品质。为了使蚀刻时间最小化,可以在辅助层3中开设孔或缝。所述结构提高了蚀刻面并且能够实现其他平面的蚀刻侵蚀,所述其他平面比初始平面被更快地蚀刻。孔或缝可以适当地设计用于其维度(长、宽和高)中的蚀刻速度的最大化。所述结构的开设可以与可移动的区域5的产生一起在一个处理步骤中进行。
图3a-d)是沿着图4中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第二实施方式的制造方法,并且图4是用于解释光学窗装置的根据本发明的第二实施方式的制造方法的示意性俯视图。
在图3a-d)和图4中,参考标记1表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。参考标记4表示衬底1中的通孔并且参考标记5a表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分并且通过至少一个弹性元件9与其余的辅助层3连接。参考标记6表示空腔。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5a通过所述倾斜轴可以被转动到通孔4中。衬底1的上侧以参考标记10表示并且其下侧以参考标记11表示。窗结构以F表示。清晰起见,在图4中未示出层2。
本实施方式类似于在图1a)-d)和在图2中解释的第一实施方式,具有以下区别:图3b)c)中的可移动的区域5a通过至少一个弹性元件9与辅助层3连接并且示出与通孔4的外围没有重叠。
图5a-d)是沿着图6中的线A-B的示意性横截面视图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第三实施方式的制造方法,并且图6是用于解释光学窗装置的根据本发明的第三实施方式的制造方法的示意性俯视图。
在图5a)-d)和图6中,参考标记1a表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。参考标记4表示衬底1a中的通孔并且参考标记5b表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分并且通过空腔6与其余的辅助层3分离。可移动的区域5b具有至少一个止挡元件21,并且在衬底1a中的通孔4的相应侧上设有倾斜部20。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5b通过所述倾斜轴可以被转动到通孔4中。可移动的区域5b示出与通孔4的外围的重叠8。所述重叠在极端情况下也可以微不足道。衬底1a的上侧以参考标记10表示并且其下侧以参考标记11表示。窗结构以F表示。清晰起见,图6中未示出层2。
本实施方式类似于在图1a)-d)中和在图2中解释的第一实施方式,其中为了限定可移动的区域5b在衬底1a中的转动,通过KOH蚀刻如此开设通孔4,使得根据图5a)和图6在KOH蚀刻的至少一侧上产生倾斜部20。为了在衬底1a上实现可移动的区域5b的机械止挡,根据图6在至少一个倾斜部20上在可移动的区域5b处施加至少一个止挡元件21。由此确保:在加热时可移动的区域5b仅仅可以如此程度地转动到通孔4中,直至相应的倾斜部20上的至少一个止挡元件21阻止进一步的转动,图5c)。可以通过至少一个止挡元件21与倾斜轴7的间距自由调节可移动的区域5b的最大转动。至少一个倾斜部20在层2的变形方面也是有利的,因为所述变形也可以在至少一个倾斜部20上进行并且因此仅须以较小程度剪切材料。
图7a)-d)示出沿着图8中的线A-B的示意性横截面图,用于解释光学窗装置的根据本发明的第四实施方式的制造方法,并且图8示出用于解释光学窗装置的根据本发明的第四实施方式的制造方法的示意性俯视图。
在图7a)-d)和图8中,参考标记1b表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。参考标记4表示衬底1b中的通孔并且参考标记5c表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分并且通过空腔6与其余的辅助层3分离。在衬底1b中的通孔4的一侧上设置倾斜部22,并且可移动的区域5c的与所述倾斜部最近的、平行的棱边以参考标记23表示。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5c通过所述倾斜轴可以被转动到通孔4中。可移动的区域5c示出与通孔4的外围的重叠8。所述重叠在极端情况下也可以是微不足道的。衬底1b的上侧以参考标记10表示并且其下侧以参考标记11表示。窗结构以F表示。清晰起见,图8中未示出层2。
本实施方式类似于在图1a)-d)中和在图2中解释的第一实施方式,在衬底1b中如此构造通孔4,使得可移动的区域5c借助棱边23在倾斜部22上实现止挡,所述棱边23与倾斜轴7平行地延伸并且与所述倾斜轴相距最远,图7c)。根据图8,倾斜部22仅仅施加在通孔4的一侧上,其中通孔4的其他三侧同样可以设有倾斜的或竖直的棱边。为了实现可移动的区域5c的止挡以及调节可移动的区域5c围绕倾斜轴7的最大转动,如此匹配棱边23与转动轴7的间距,使得通过倾斜部22在相应倾斜的情况下阻止转动,图7c)。
包含限制可移动的区域5b、5c转动到通孔4中的第三和第四实施方式是有利的,因为在加热期间在塑性变形的情况下可以防止具有承载面的已变形的层2的熔化。另一个优点在于,在晶片上可能多次产生的可移动的区域5b、5c在塑性变形之后分别具有相同的转动,尽管晶片不是在每个位置上经受相同的温度。
图9a)-d)是用于解释光学窗装置的根据本发明的第五实施方式的制造方法的示意性横截面视图。
在图9a)-d)中,参考标记1c表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。在衬底1c中开设空腔32,其朝向下侧11具有底部区域31。参考标记5表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分并且通过空腔6与其余的辅助层3分离。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5通过所述倾斜轴可以被转动到空腔32中。可移动的区域5示出与空腔32的外围的重叠8。所述重叠8在极端情况下也可以是微不足道的。衬底1c的上侧以参考标记10表示。窗结构以F表示。
以下生产步骤的顺序不是强制确定的并且可以与其不同地进行。在第一步骤中,根据图9a)在衬底1c中开设空腔32,所述空腔朝向上侧10敞开。在第二步骤中,根据图9a)构造由衬底1c、层2和辅助层3构成的复合体,所述层2应由透明的、可热变形的材料组成,其中真空位于空腔32中。在第三步骤中,根据图9b)在辅助层3中产生可移动的区域5。在第四步骤中,适当地加热总复合体,从而示出与空腔32的外围的重叠8的可移动的区域5在单侧通过倾斜轴7转动到空腔32中,图9c)。塑性变形通过所述真空实现,而不需要衬底1c的平面抽吸。在第五步骤中,根据图9d),通过在蚀刻过程中去除辅助层3和底部区域31来暴露层2。
图10a)-d)是用于解释光学窗装置的根据本发明的第六实施方式的制造方法的示意性横截面视图。
在图10a)-d)中,参考标记1c表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。在衬底1c中开设空腔32,所述空腔朝向下侧11具有底部区域31。参考标记5a表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分并且借助至少一个弹性元件9与其余的辅助层3连接。参考标记6表示空腔。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5a通过所述倾斜轴可以被转动到空腔32中。衬底1c的上侧以参考标记10表示。窗结构以F表示。
本实施方式类似于在图9a)-d)中解释的第五实施方式,具有以下区别:根据图10b)c)的可移动的区域5a通过至少一个弹性元件9与辅助层3连接并且示出与空腔32的外围没有重叠。
第五和第六实施方式的优点是,可以同时在一个炉中处理多个晶片(用于窗的倾斜放置的批量处理)。所述实施方式同样具有用于限定可移动的区域的转动的止挡。
图11a)-d)是用于解释光学窗装置的根据本发明的第七实施方式的制造方法的示意性横截面视图。
在图11a)-d)中,参考标记1d表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层。在衬底1d中开设空腔33,所述空腔朝向下侧11敞开。参考标记5d表示可移动的区域,其通过至少一个弹性元件9a与衬底1d连接。参考标记34表示空腔。衬底1d的上侧以参考标记10表示。窗结构以F表示。
以下生产步骤的顺序不是强制确定的并且可以与其不同地进行。在第一步骤中,根据图11a)借助蚀刻过程在衬底1d中开设空腔33。在第二步骤中,由衬底1d和层2构造复合体,所述层2应由透明的、可热变形的材料组成。在第三步骤中,根据图11b)在辅助层3中产生可移动的区域5d并且施加至少一个弹性元件9a。在第四步骤中,适当加热总复合体并且从下侧11向空腔33施加低压,从而使可移动的区域5d在单侧转动到空腔33中,图11c)。在窗结构F的下侧上的可移动的区域5d防止在热塑变形期间具有吸入面的层2的熔化。在第五步骤中,根据图11d),通过去除可移动的区域5d和扭转元件9a来暴露层2。
可以借助在微机械中使用的、普遍的键合方法——例如借助玻璃焊剂或粘接剂的键合、共晶键合或阳极键合将所产生的光学窗装置与MEMS或MOEM晶片连接。
对于所解释的实施方式而言特别有利的是,窗结构F在衬底1、1a、1b、1c、1d中下沉并且由此受到保护。窗装置在再加工中不会受到损坏,因为可以避免划痕、压痕以及附着的颗粒。这尤其适于玻璃焊剂晶片键合,其中借助高机械压力彼此按压窗装置和MOMEMS晶片。
图12a)-e)是用于解释光学窗装置的根据本发明的第八实施方式的制造方法的示意性横截面视图。
在图12a)-e)中,参考标记1e表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层。参考标记1e1、1e2、1e3和1e4表示夹紧区域,其由衬底1e构成,其中凹槽50位于这些夹紧区域之间。夹紧区域的棱边以参考标记K1、K2、K3和K4表示。窗结构以F表示。
以下生产步骤的顺序不是强制确定的并且可以与其不同地进行。在第一步骤中,根据图12b)由衬底1e产生至少四个合适的夹紧区域1e1、1e2、1e3和1e4,所述至少四个合适的夹紧区域通过合适的结构化方法——例如通过KOH蚀刻、通过具有所谓的ARDE效果(Aspect Ration DependentEtching:纵横比决定蚀刻)的沟槽蚀刻设置倾斜的面。所述倾斜的面的表面在此对于窗结构F的光学品质是不重要的。
在第二步骤中,根据图12c)将夹紧区域成对地(1e1,1e2)、(1e3,1e4)设置在由可热变形的、透明的材料组成的层2的两侧上,从而构成凹槽50。
在第三步骤中,例如通过阳极键合或直接键合由夹紧区域1e1、1e2、1e3和1e4与层2构成复合体。
也可以如下制造元件1e1、1e2、1e3和1e4,其中在第一步骤中借助通常的键合方法在层2的前侧和背侧上分别施加一个衬底1e并且在第二步骤中通过研磨来制造棱边K1、K2、K3、K4以及凹槽50。
在第四步骤中,根据图12d)实现层2的变形,其方式是合适地加热复合体并且借助两侧的机械压力使复合体变形,从而成对设置的夹紧区域(1e1,1e2)和(1e3,1e4)如此彼此对准,使得它们在变形之后以相同的定向齐平地并排设置并且夹紧区域的棱边K1、K2和K3、K4在层2的两侧上构成直线。所述过程可以借助商业常用的键合器温度控制且压力控制地实现。在此,能够实现多个晶片彼此堆叠(批量处理)。
在第五步骤中,根据图12e),通过蚀刻去除来去除衬底1e,以暴露窗结构F。
图13a)-f)是用于解释光学窗装置的根据本发明的第九实施方式的制造方法的示意性横截面图。
在图13a)-f)中,参考标记1表示衬底、优选硅衬底,参考标记2表示由透明材料构成的层,优选玻璃层或塑料层,并且参考标记3表示辅助层,优选硅层。参考标记4表示衬底1中的通孔并且参考标记5表示可移动的区域,其是辅助层3的一部分。参考标记7表示倾斜轴,可移动的区域5通过所述倾斜轴可以被转动到通孔4中。可移动的区域5示出与通孔4的外围的重叠8。衬底1的上侧以参考标记10表示并且其下侧以参考标记11表示。窗结构以F表示。参考标记V表示衬底1中的凹部。
在第一步骤中,根据图13a)在具有凹部V的衬底1中蚀刻通孔4。在第二步骤中,根据图13b)例如通过阳极键合制造由层2和辅助层3组成的晶片复合体。在根据图13c)的第三步骤中,例如通过借助随后的DRIE过程减薄辅助层3来由辅助层3产生可移动的区域5。在根据图13d)的第四步骤中,拼接由辅助层3的可移动的区域5、层2和衬底1组成的复合体1。在根据图13e)的第五步骤中,围绕衬底1的凹部V中的倾斜轴7转动可移动的区域5。在第六步骤中,根据图13f)蚀刻去除辅助层3的可移动的区域5,从而暴露窗结构F。
尽管已经根据优选的实施例描述了本发明,但本发明不限于此。特别是,所提到的材料和拓扑仅仅是示例性的并且不限于所解释的示例。
所提到的实施方式的一种处理选择是在窗结构F的区域中产生层2的纳米结构化表面,用于减小不期望的反射。为此,施加在层2上的材料在其与层2连接之前在朝向层2的一侧上设有纳米结构。这例如借助KOH蚀刻或沟槽蚀刻进行。在塑性变形期间进行层2的纳米结构化。在塑性变形之后,蚀刻去除窗结构F的相应材料。
Claims (12)
1.一种用于制造用于MEMS装置的光学窗装置的方法,其具有以下步骤:
在具有凹槽(4;32;33;50)的衬底(1;1a;1b;1c;1d;1e)上施加由透明材料构成的层(2);
使所述层(2)变形,从而所述层被折叠并且所述层(2)的经变形的区域构成光学窗(F)。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,在具有所述凹槽(4;32;33)的衬底(1;1a;1b;1c;1d)的上侧(10)上施加由所述透明材料构成的所述层(2),以及使所述层(2)变形,从而所述层(2)被折叠到所述凹槽(4;32;33)中并且所述层(2)的经变形的区域构成光学窗(F)。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,在所述层(2)的与所述衬底(1;1a;1b;1c)背离的一侧上展开辅助层(3),所述辅助层具有可移动的区域(5;5a;5b;5c),在变形时使所述可移动的区域围绕倾斜轴(7)转动到所述凹槽(4;32)中并且在变形之后去除所述可移动的区域。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,所述可移动的区域(5;5b;5c)示出与所述凹槽(1;1a;1b;1c)的外围的重叠(8)。
5.根据权利要求3所述的方法,其中,所述可移动的区域(5a)通过至少一个弹性元件(9)与其余的辅助层(3)连接。
6.根据权利要求4所述的方法,其中,所述可移动的区域(5b)具有至少一个止挡元件(21),其中,所述衬底(1a)的相应侧在通孔(4)中具有倾斜部(20),其确定所述可移动的区域(5b)围绕所述倾斜轴(7)到所述通孔(4)中的最大转动。
7.根据权利要求4所述的方法,其中,所述衬底(1b)在所述通孔(4)中具有倾斜部(22),其确定所述可移动的区域(5c)围绕所述倾斜轴(7)到所述通孔(4)中的最大转动。
8.根据权利要求4或5所述的方法,其中,所述凹槽(32)具有底部区域(31),其在所述变形之后被去除。
9.根据权利要求2所述的方法,其中,在衬底(1d)的下侧(11)上开设空腔(33),在所述空腔的朝向所述层(2)的一侧上设置可移动的区域(5d),所述可移动的区域通过至少一个弹性元件(9a)与其余的衬底连接,其中,在所述变形之后去除所述可移动的区域(5d)和所述弹性元件(9a)。
10.根据权利要求1所述的方法,其中,所述衬底(1e)具有至少两对相对置的夹紧区域(1e1;1e2;1e3;1e4),所述层(2)被夹紧在这些夹紧区域之间,其中,所述两对(1e1;1e2)和(1e3;1e4)通过所述凹槽(50)彼此分离,其中,如此实现所述变形,使得所述两对(1e1;1e2)和(1e3;1e4)彼此移动,其中,在所述变形之后去除所述衬底(1e)。
11.根据以上权利要求中任一项所述的方法,其中,所述层(2)的至少一侧具有纳米结构化的表面。
12.一种用于MEMS装置的光学窗装置,其按照根据权利要求1至11中任一项所述的方法制造。
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