CN105209949B - 用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体中的窗口元件的方法和按该方法制造的自由形状窗口元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体中的、带有光学涂层的窗口元件的方法和根据该方法制造的自由形状窗口元件。本发明的任务在于，找出用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体中的、带有光学涂层的光学的窗口元件的改进的可行方案，该可行方案允许了与金属壳体的持久可靠的气密或真空密封的钎焊连接，根据本发明该任务通过如下方式来解决，即，在光学涂层(2)的通常的涂敷之后，将在可腐蚀的牺牲层的意义下的保护层(3)涂敷到光学涂层(2)上，借助高能辐射的加工射束(4)选择性地移除两个层系统(2、3)，以便通过局部加工针对具有任意几何造型的窗口元件剥蚀在其边缘区域(62)中的期望的光学作用的自由形状面(61)，从而在光学涂层上的保护层作为剥离式掩膜保留，该剥离式掩膜在为钎焊层(8)涂敷金属化部(7)之后通过腐蚀过程而剥离，该腐蚀过程选择性地仅侵蚀保护层但不侵蚀光学涂层，并且金属化部仅在包围自由形状面的外围的边缘区域(62)上得到保留。
Description
技术领域
本发明涉及用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体中的、带有光学涂层的窗口元件的方法和根据该方法制造的自由形状窗口元件。这种类型的窗口元件尤其适用于的是，在确保光学功能，特别是光谱功能的情况下，密闭式密封地(真空密封地)封闭辐射探测器的或辐射源的壳体。
背景技术
在现有技术中，由DE 10 2005 024 512 B3公知了一种用于制造能密闭式密封地钎焊的窗口元件的方法，在该窗口元件中，通过施装带有障碍层和内部扩散层的改进的粘附层系统，避免了漫射光或干扰辐射的侵入。在此制造的窗口元件由框架形的分区产生，虽然这些分区由于它们的矩形的形状能良好地加工，但就它们对反射角的限制方面在面积最小化的传感器或探测器中受到限制。因此，这样制造的窗口元件在尺寸设计得很小的面式传感器或图像探测器中导致了在与现有的壳体匹配时受到限制以及导致了质量损失。
此外，在DE 10 2007 039 291 A1中公开了一种光电子半导体模块，其装备有装配在芯片载体上的发光半导体芯片、具有在半导体芯片上方的至少部分透明的遮盖板的遮盖元件以及用于在侧向包套半导体芯片的框架部分，其中，遮盖板和框架部分无接合层地通过阳极压焊相互连接。框架部分和芯片载体随后可以如常见的金属芯片载体和罩那样通过钎焊连接。
此外也公知的是，单件地制造圆形的窗口元件并且根据这些窗口元件的用途将它们粘接到壳体中。
然而在此的缺陷在于与之相关的单件制造的处理耗费以及在窗口大小方面的限制。因此，单件地制造尺寸设计得很小的面式传感器、图像探测器和内窥镜(1mm至5mm)是极为耗费的，并且更确切地说这种方法不适用于批量制造。此外，这些元件极易发生故障并且因此也成本高昂。此外，在已粘接的窗口元件中，胶粘剂的渗透性(透气性)对基于此的需要100％密闭式气密的连接(真空适用性)的系统的持久稳定性有不利影响。利用已粘接的窗口可以建立仅近似密闭的连接。与此的区别在于，可以利用已钎焊的窗口元件构建持久稳定密闭式气密的且耐高温的系统。
发明内容
本发明的任务在于，找出用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体中的、带有光学涂层的光学的窗口元件的改进的可行方案，该可行方案允许了与金属的壳体的持久可靠的，即使在热交变负荷下也密闭式气密或真空密封的钎焊连接，并且还将漫射辐射和干扰辐射到光学涂层的层系统中的侵入保持得很小。
在此，应能够提供由透光的、扁平的载体材料构成的具有灵活的形状变型方案(自由形状窗口)的窗口元件，这些窗口元件在期望的在1mm至100mm之间的范围内的很小的规格的情况下能低成本地制造、能密闭式密封(真空密封)地钎焊并且对上述应用而言是持久稳定的。
在本发明的意义下，光学的窗口的自由形状面可以理解为这样的窗口元件，它们(在扁平的基本形状下优选平面平行地，但在特殊情况下也带有集成的光学的透镜和/或滤波器功能)圆形、椭圆形、镰刀形、多角形，例如三角形、矩形、多边形，但也可以是半圆形、三分之一圆形或四分之一圆形等地构造为面轮廓形状，其中，所有的形状也优选可以带有经倒圆的角地实施。轮廓形状也可以根据窗口元件的用途设计成能自由定义的形状。
根据本发明，该任务以用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体中的窗口元件的方法来解决，在该方法中，透光的、扁平的、其大小足以用于多个窗口元件的载体材料依次通过下列步骤来加工：
a)将至少一个光学涂层涂敷到透光的、扁平的载体材料的至少一个面上，
b)为光学涂层涂上保护层，该保护层在牺牲层的意义下是可腐蚀的层，
c)从载体材料上选择性地移除保护层和光学涂层，其方式是：通过借助高能辐射的定向的加工射束的局部加工，针对具有任意几何造型的窗口元件剥蚀在边缘区域中的至少一个期望的光学作用的自由形状面，这些边缘区域在外围包围至少一个光学作用的自由形状面，从而在光学涂层上的保护层作为完全遮盖至少一个期望的光学作用的自由形状面的掩膜地保留，
d)借助高能辐射的定向的加工射束沿着经局部加工的外围的边缘区域剥蚀载体材料的一部分，从而在载体材料的经局部加工的边缘区域中产生了限定粗糙度的至少一个下降的阶，其中，阶大于光学涂层的单一的层厚地置于载体材料的由光学涂层铺覆的高度水平面下方，
e)通过载体材料的如下的表面的覆盖的金属化部为所述表面涂上钎焊层系统，该表面具有由保护层遮盖的光学涂层和至少一个窗口元件的经局部加工的外围的边缘区域，以及
f)通过选择性地仅侵蚀保护层但不侵蚀光学涂层并且仅最小化地侵蚀金属化部的腐蚀过程，除去在光学涂层上的金属化部，从而附着在保护层上的金属化部由于底部腐蚀而剥离，并且金属化部仅在包围光学作用的自由形状面的经局部加工的外围的边缘区域上得到保留。
有利地，可以使用激光射束、粒子射束或电子射束作为定向的加工射束。
在一种优选的实施方案中，借助高能辐射的定向的加工射束，在剥蚀载体材料的经局部加工的外围的边缘区域时，至少一个下降的阶在靠内的和靠外的棱边区域中具有半径R在50μm与150μm之间的经倒圆的棱边，以便在步骤e)中通过完全地涂上钎焊层系统来获得经局部加工的外围的边缘区域的低应力的金属化部和用于钎焊层的随后使用的钎料的附加的棱边包覆。
适宜地，经局部加工的边缘区域借助清洁过程去除了松散且松动地附着的材料，并且调整了表面的限定的粗糙度，其中，粗糙度最大为Ramax＝2.5μm。在此，清洁过程优选可以通过借助激光射束、粒子射束、电子射束、玻璃珠射束或腐蚀液射束的射束加工实现。
在工艺的有效性方面以及出于使用工艺的原因，优选在晶片形的载体材料上制造多个窗口元件。
为此，优选在从光学涂层上除去金属化部的步骤f)之后，沿着分离线从载体材料中冲裁出单个窗口元件。
在一种替选的变型方案中，在剥蚀窗口元件的边缘区域的步骤d)之后，也同样紧接着沿着分离线从载体材料中冲裁出单个的窗口元件。
适宜地，在这两种变型方案中，通过沿着分离线从前侧起切开载体材料而冲裁出窗口元件，其中，前侧是载体材料的设置用于能钎焊的金属化部的表面。
被证实为有利的是，在切开载体材料之前，在载体材料的背侧上引入与分离线对应地延伸的弱化部。在此，可以附加地提供保持基底，并且载体材料可以通过各窗口元件的附着剂附着在保持基底上。
适宜地，借助高能辐射的定向的加工射束，可以通过利用定向的加工射束多次扫过分离线实现冲裁出窗口元件，并且可以同时沿着分离线产生了具有期望的半径R的经倒圆的棱边。
在通过利用定向的加工射束多次扫过分离线冲裁出窗口元件时，除了经倒圆的棱边之外还可以产生向内朝着窗口元件的表面法线倾斜的成斜面的侧面。
在另一种优选的实施方案中，通过利用定向的加工射束多次扫过分离线，可以直接结合通过定向的加工射束产生的对载体材料的下降的阶的剥蚀实现冲裁出窗口元件，并且在此可以沿着分离线产生带有在数十至数百微米范围内的半径R的经倒圆的棱边。
有利地，为了改进光学涂层对腐蚀过程和机械应力的抵抗力，可以使用氮化硅层、硫化锌层或DLC(类金刚石的碳)层或使用由硅、镁、铝的氧化物构成的层或使用由钇、镱、钡的氟化物构成的层或使用由锗或硅构成的半导体层作为光学涂层的封闭层。
优选地，将金属的保护层涂敷到光学涂层上作为保护层和剥离式掩膜。在此，利用来自如下的组中的金属材料中的至少一种产生保护层：铝和铝合金，例如铝硅合金、铝镁合金、铝锂合金以及镍和镍铁合金。
此外，当在很厚的钎焊层系统中应简化剥离过程时，金属的保护层可以在以钎焊层系统遮盖之前通过聚合物层得到补充。但也可以仅将聚合物层(例如光刻胶层)涂敷到光学涂层上作为保护层。
此外，该任务还通过用于壳体的任意成形的开口的用以密闭式密封地钎焊到壳体中的自由形状窗口元件来解决，这些自由形状窗口元件根据其中一种或多种前述方法变型方案来制造。
优选地，根据其中一种或多种前述的制造变型方案制造的用于壳体的任意成形的开口的自由形状窗口元件用以制造气密或真空密封的、光电子的或光电的结构元件。
本发明基于这样的经验认识，即，公知的用于提高密闭式密封的钎焊连接的可靠性的附加的增附剂层在热交变负荷下不能带来期望的持久的效果，从而为了持久地确保壳体-窗口连接的密封性，还必须在窗口材料上建立起钎焊涂层的更紧密的接触，该接触此外在工艺上不会附加地给光学的过滤器层加负荷，并且此外不期望的外来辐射(漫射辐射和其它干扰辐射)由滤波器系统的边缘保持得很小。此外，窗口形状不应像迄今为止的那样局限于矩形、正方形或圆形的窗口。
根据本发明，通过如下解决上述问题，即，通过利用高能的射束(激光射束、电子射束或粒子射束)的射束加工在边缘区域中剥蚀光学涂层，直至明显到达窗口的基底(剥蚀出大于光学涂层的厚度的基底阶)，其同时以“重塑”期望的光学作用的面的材料剥蚀而允许了制造任意的自由形状面，并且在剥蚀的限定的保留的表面粗糙度的情况下实现了直接涂敷具有钎焊层系统的金属化部。由此，用于单个窗口元件的光学作用的自由形状面的钎焊金属化的已经预先公知的剥离式方法减少到仅对在光学涂层上事先施装的、对于能量射束加工所需的保护层进行底部腐蚀，该保护层因此满足了双重功能(保护层和剥离式掩膜)。
由此实现的是，一方面无需具有增附剂层的附加的全面涂层，由此也简化了钎焊系统的剥离式过程，并且另一方面光学涂层的用光束实施的剥蚀可以实现自由形状窗口，由于窗口元件的基底的在(径向的)宽度和深度上倒圆的边缘设计，该自由形状窗口对于无涂层的、附加地分级的边缘区来说允许了低应力的钎焊连接。当维持特定的表面粗糙度时，基底分级省去了附加的障碍层和内部扩散层，从而用于制造能密闭式气密地钎焊的窗口元件的方法得到简化并且同时提高了密闭式密封的钎焊连接的持久的可靠性。
本发明允许了光学的窗口元件的如下的制造，其确保了与金属的壳体的持久可靠的(即使在热交变负荷下也)密闭式密封或真空密封的钎焊连接，并且在此散射辐射和干扰辐射到光学的层系统中的侵入也保持得很小。在此，还实现了通过边缘剥蚀的方式制造自由形状窗口面，它们同时提高了钎焊连接的耐久稳定性。
附图说明
下面借助实施例和附图详细阐释本发明。附图中：
图1示出根据本发明的用于制造带有光学涂层和钎焊金属化部的窗口元件的方法的基础变型方案；
图2示出用于制造多个窗口元件的方法的有利实施方案；
图3示出用于制造多个窗口元件的方法的另一个优选实施方案；
图4示出考虑到最好的使用工艺时相同的窗口元件在形式为晶片的载体材料上的布置；
图5以窗口元件的边缘区域的放大的截面示出带有根据本发明制造的窗口元件的壳体罩的立体图，该截面作为带有制成的钎焊连接的剖面图；
图6示出在考虑到用于各种各样的应用的最好的使用工艺时，任意不同的窗口元件在形式为晶片的载体材料上的优选的布置；
图7A至图7C示出在分别针对不同的载体材料的窗口元件来说的波长上的特征性的透射特性，这些载体材料具有不同的光学涂层：A)具有用于3μm至11μm的波长范围的AR涂层(抗反射涂层)的锗载体，B)具有用于8μm至12μm的波长范围的长波通滤波器的硅载体，以及C)具有用于5.7μm至7μm的波长范围的带通滤波器的氟化钡载体。
具体实施方式
在根据示出了方法流程的示意图的图1的基本变型方案中，用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体9中的窗口元件6的方法具有下列步骤：
a)将至少一个光学涂层2涂敷到透光的、扁平的载体材料1的至少一个面上，
b)为光学涂层2涂上保护层3，该保护层在用于这种防腐蚀的光学涂层2的牺牲层的意义下是可腐蚀的层，
c)从载体材料1上选择性地移除保护层3和光学涂层2，其方式是：通过借助高能辐射的定向的加工射束4的局部加工，针对具有任意几何造型的窗口元件6剥蚀在边缘区域62中的至少一个期望的光学作用的自由形状面61，这些边缘区域在外围包围至少一个光学作用的自由形状面61，从而在光学涂层2上的保护层3作为完全遮盖期望的光学作用的自由形状面61的掩膜地保留，
d)借助高能辐射的定向的加工射束4沿着经局部加工的外围的边缘区域62剥蚀载体材料1的一部分，从而在载体材料1的经局部加工的边缘区域62中产生了限定粗糙度的至少一个下降的阶11、12，其中，阶11大于光学涂层2的单一的层厚地置于载体材料1的由光学涂层2铺覆的高度水平面下方，
e)通过载体材料1的如下的表面的覆盖的金属化部7为所述表面涂上能钎焊的涂层，该表面具有由保护层3遮盖的光学涂层2和至少一个窗口元件6的经局部加工的外围的边缘区域62，以及
f)通过选择性地仅侵蚀保护层3但不侵蚀光学涂层2并且仅最小化地侵蚀金属化部7的腐蚀过程，除去在光学涂层2上的金属化部7，从而附着在保护层3上的金属化部7由于底部腐蚀而剥离，并且金属化部7仅在包围光学作用的自由形状面61的经局部加工的外围的边缘区域62上得到保留。
优选使用硅、锗、氟化钡、氟化钙、硫化锌或蓝宝石(仅至5.5μm地透明)作为载体材料1。
光学涂层可以是不同类型的。它们的范围从抗反射层系统(例如AR滤波器21)到各种各样的光谱锐截止滤波器和带通滤波器直至具有极为特殊的光谱特性的干涉滤波器系统(下面概括成光谱的滤波器系统22或抽象成光学涂层2)。尤其是最后提到的干涉滤波器系统优选施装在窗口元件6的也承载用于钎焊连接的金属化部7的(技术上的)上侧上，其随后在壳体9中是窗口元件6的内侧。反之，窗口元件6的随后作为外侧安装在壳体9上的(技术上的)背侧较为常见地，但也并不是唯一地铺覆有抗反射涂层、吸收滤波器和反射滤波器。
在为施装在窗口元件6的上侧上的光学涂层2选定保护层3时，首先考虑的是良好的湿法化学腐蚀特性，但也考虑到了对高能的加工射束4的剥蚀产物的抵抗力。在此，主要使用如下的材料，例如铝以及铝合金(例如Al-Si、Al-Mg、Al-Li)或者是镍和镍铁合金，其中，优选是为了足够的层稳定性的很大的层厚(在100nm至5μm之间)和针对移除过程的很短的腐蚀持续时间(在1分钟至10分钟之间，最佳在2分钟至3分钟)。由铬或钛构成的替选的保护层3为此仅需较小的层厚(在50nm至1μm之间)。
但为了通过加工射束4进行层剥蚀，有时要求保护层3具有3μm至8μm的较大的层厚，以便确保足够的(例如以防等离子溅射器的)保护。在这些情况下，也可以形成较厚的聚合物层(例如光刻胶)或由前述的金属层和聚合物层构成的复合物。
除了完全剥蚀保护层3和光学涂层2之外，加入借助加工射束4对载体材料1的进一步的经分级的材料剥蚀作为重要的方法步骤。为此，最先完成绕期望的光学作用的自由形状面61的边缘区域62的限定的粗糙度，其在0.5μm至2.5μm的范围内尽可能均匀地调整，以便实现钎焊层系统71的安全且持久的附着。在此，通过加工射束4的剥蚀线围绕光学作用的自由形状面61的环绕式的边缘平行的走向实现了均匀性。另一方面，通过剥蚀至少一个大于光学涂层2的层厚的下降到光学涂层2的底部水平面之下的阶11确保的是，尽可能抑制随后的从金属化部7的边缘区域62到光学涂层2中的干扰光耦入。
因为在制造窗口元件6时始终也要考虑技术上的效率，所以针对在共同的载体材料1(所谓的晶片)上制造多个不同的窗口元件6来说也需要冲裁出单个窗口元件6，但冲裁也可以作为过程步骤在涂层过程和剥蚀过程的不同阶段中进行。为此，在随后的方法变型方案中一起说明了不同的可行方案。
在根据图2的方法的第一种变型方案中，例如由硅(Si)或锗(Ge)或蓝宝石(Al2O3)或石英玻璃(SiO2)或氟化钙(CaF2)构成的且其大小足以用于多个窗口元件6的透光的、扁平的载体材料1依次以下列步骤来加工：
a)将光学涂层2(例如调质层、抗反射涂层或过滤器涂层)涂敷到载体材料1的两个表面上，
b)为载体材料1的两个表面涂上用于光学涂层2的保护层3(例如用于激光加工的金属层)，其中，在载体材料1的背侧上，根据窗口元件6的光学作用的自由形状面61的期望的造型来实施出缺口15，以便在随后冲裁出窗口元件6时避免折断棱边。
c)借助定向的射束加工(激光加工、电子射束处理、粒子射束处理和类似处理或水射束处理)，在一个/多个边缘区域62中，从载体材料1上选择性地移除保护层3和光学涂层2，窗口元件6的光学作用的自由形状面61由所述边缘区域包围，以及
d)借助品质因子可切换或可调制的固体激光器的定向的加工射束4来加工窗口元件6的光学作用的自由形状面61，其方式是：通过激光升华实现在一个或多个边缘区域62中的低压力且少残渣的加工，
e)优选通过由例如钛(Ti)-铂(Pt)-金(Au)或钛(Ti)-钯(Pd)-金(Au)或铬(Cr)-铁镍合金(FeNi)-金镍合金(AuNi)或铜镍金合金(CuNiAu)-镍(Ni)构成的钎焊层系统71的物理气相沉积(PVD方法)或者通过利用镍(Ni)和金(Au)的化学的方法来涂敷金属化部7，该金属化部在经射束加工的边缘区域62中附着在载体材料1上，以及
f)剥离附着在保护层3上的钎焊层系统71，其方式是：在后续的仅选择性地侵蚀施装在光学作用的自由形状面61上的保护层3的腐蚀过程中，在钎焊层系统71很少地被侵蚀且一个或多个光学涂层2未被侵蚀期间，移除保护层3，其中，保护层3是用于光学涂层2的剥离式掩膜，从而金属化部7仅在载体材料1上呈钎焊环形结构的形式在绕一个或多个光学作用的自由形状面61的边缘区域62中得到保留，以及
g)借助品质因子可切换或可调制的固体激光器的加工射束4从载体材料1中冲裁出窗口元件6，其方式是：在前侧以激光器的加工射束4来扫描与背侧的(具有窗口元件6的光学作用的自由形状面61的期望的造型的)缺口15一致地选择的分离线43。
优选地，用于层剥蚀的激光射束的示例性参数例如是在30μm至60μm之间的光斑直径、在1kHz至1000kHz之间的脉冲频率和在5W至60W之间的激光器功率。通过调节(借助这种类型的射束偏转)感应出的面能量，确定了激光射束的侵入深度并且进而确定了材料剥蚀的体积，并且因此为了容纳能钎焊的钎焊层系统71产生尽可能均匀的且能润湿/能涂层的底座，其带有最高Ramax＝2.5μm的限定的表面粗糙度。
相比公知的机械的剥蚀方法，在层剥蚀中尤其防止了在光学涂层2中的裂口应力。
在第一实施方案中，用于光学作用的自由形状面61的保护层3是金属保护层3，其优选由铝(Al)构成，铝在限定的过程条件的情况下在溅镀时(例如基底温度<180℃且1.066Pa<p<2.250Pa的较高的工作压力)以0.5μm至5μm的层厚被离析，以便产生粗晶体的结构。这种结构必要时通过腐蚀来装饰，从而铝在(优选1μm的)激光波长的范围内出于产生的表面粗糙度的原因而具有很小的反射能力。
利用为了形成有效的剥离式掩膜而可以具有直至钎焊层系统71的厚度的三倍至五倍的总厚度的保护层3，可以防止由激光烟和等离子体溅液构成的通常在激光方法中出现的污染物，并且由于保护层3n的底部腐蚀而被用作剥离式掩膜，以便除去在光学涂层2上方的金属化部7。在使用保护层3的上述基本的厚度匹配的情况下，使用了厚度大于100nm且小于5μm的纯铝层。如果需要更厚的保护层3(例如直至8μm)，那么可以使用聚合物层(例如公知的光刻胶)或由金属和聚合物构成的复合物作为用于保护层3的材料。作为铝的替选方案，针对金属保护层3也可以使用铝合金(例如铝硅合金、铝镁合金或铝锂合金)以及镍和镍铁合金。
借助图2至图6可以看到窗口元件6的可能的自由形状变型方案。当然，由窗口元件6的形状和载体材料1(带有用于紫外光、红外光和可见光的光学涂层2的在0.2mm至6mm的厚度范围内的晶片或板)的形状构成的组合是可行的且由本发明的已公开的主题所包括。根据图4和图6所选择的最优的面积利用的使用工艺来说，为了冲裁出单个窗口元件6，当在所提出的射束加工中也利用高能辐射的加工射束4(例如激光射束)进行冲裁时，在0.5mm与1mm之间的接片宽度是合理的或足够的。
有利的是，射束加工的特征在于，通过射束加工的第一阶段，促进了激光耦入到光学涂层2中(也耦入到高反射的调质层中)的金属保护层3、光学涂层2被剥蚀和熔化，由此产生了限定的(能在0.5μm<Ra<2.5μm的范围内选择的)且尽可能均匀的表面粗糙度，其确保了与各个光学层的特性无关的射束耦入，而无需特殊的激光器，并且在第二阶段，具有至少一个阶11的(带有大于光学涂层2的总厚度的高度的)载体材料1的一部分在光学涂层2的底部水平面之下被剥蚀并且以上面说明的表面粗糙度来制成。阶11优选降低到光学涂层2的层厚的两倍。
在根据图3的方法的第二种变型方案中，透光的、扁平的载体材料1被依次用下列步骤加工：
a)根据图3中的示意图，将不同的光学涂层2涂敷到载体材料1的两个表面上，其方式是：在一个表面上施装形式为AR滤波器21的抗反射涂层并且在另一个表面上施装光谱的滤波器系统22，
b)为载体材料1的两个表面涂上由聚合物(例如负性工作的光刻胶)构成的用于光学涂层2的保护层3，其中，在载体材料1的背侧上，以如下方式附着有附加的保持基底5，即，期望的窗口元件6(参看图2)分别(例如利用双面胶带)至少逐点地固定，
c)借助以加工射束4的定向的射束加工，在一个/多个边缘区域62中，从载体材料1上选择性地移除保护层3和光学涂层2，窗口元件6的光学作用的自由形状面61由所述边缘区域包围，以及进一步
d)借助加工射束4来加工窗口元件6的光学作用的自由形状面61，用以塑造出在载体材料1中的至少一个阶11，其方式是：通过激光升华实现在窗口元件6的一个/多个边缘区域62中的低压力且少残渣的加工，紧接其后的是，
g)借助形式为电子射束的加工射束4根据窗口元件6的期望的造型冲裁出窗口元件6，并且紧接着如根据图2的方法流程中设计的那样进行的是
e)优选通过钎焊层系统71的物理的气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD方法)涂敷带有钎焊层系统71的金属化部71，该金属化部在经射束加工的边缘区域62中附着在载体材料1上，以及
f)剥离附着在保护层3上的金属化部7，其方式是：在选择性地侵蚀先前施装的保护层3的腐蚀过程中，在剥离过程中移除该保护层，从而金属化部7作为钎焊环形结构在载体材料1上仅在绕光学作用的自由形状面61的边缘区域62中得以保留，以及
g)同时将窗口元件6从保持基底5上除去，由此分立出窗口元件6。
在一种特别的实施方案中，在阶11和另一个阶12(仅在图3中的步骤c)或步骤d)所示)中以如下方式进行射束加工(例如通过激光烧蚀)，即，在钎焊层系统71中，阶11在50μm至200μm的平面的钎焊范围内在绕窗口元件6的光学作用的自由形状面61的边缘区域62中并且在靠外的边缘区域62中产生了在200μm至500μm范围内的另一个阶12，阶11下降到光学涂层2的底部面下方略深于光学涂层2的厚度，优选直至光学涂层厚度的两倍。
通过也可以仅构造为具有在50μm与150μm之间的半径R的经倒圆的棱边13(如在图5中所示那样)的另外的阶12所确保的是，金属化部7不仅平面地施装在窗口元件6与壳体9的接触面上，而且也改变了窗口元件6的带有钎焊层8的棱边，并且进而在热负荷或机械负荷的情形下使裂口的形成最小化(参看图2、图3和尤其是图5中的细节图)。在此，阶11确保了包围壳体棱边的钎料连接，用以使接触面水平面下降到光学涂层2的底部水平面之下，而不会使反射光或漫射光或任意其它的干扰光从钎焊层8入射到光学涂层2的过滤器层中。
此外，剥蚀载体材料所形成的阶11直至光学涂层2的底部面下方都有助于可以减小保护层3的厚度，因为针对腐蚀介质的很高的侧面的侵蚀区存在于保护层3上，该保护层通常应具有置于其上的钎焊层系统71的期望厚度的三倍至五倍的厚度，以便具有针对用于可靠地露出光学涂层2的剥离过程来说足够的稳定性。由此，保护层3的厚度可以减小至最小为大于或等于钎焊层系统71的厚度。
此外，通过激光处理，载体材料1的表面以如下方式在粗糙度方面进行结构化，即，产生扩大的表面，其在金属化部7之后可供钎料连接使用并且因此有助于在密闭式密封的拼接系统方面的更好的系统稳定性。通过钎焊接触面的借助粗糙度，但也通过经倒圆的棱边13和成斜面的侧面14产生的表面扩大，可以在密闭式密封的改进的系统稳定性的情况下也将窗口元件6的边缘区域62的所谓的接片宽度从通常的500μm至800μm降低至100μm，其中，最佳的范围在300μm与500μm之间。当针对经倒圆的棱边13优选使用在50μm与150μm之间，最佳在80μm与100μm之间的半径R时，窗口元件6的成斜面的侧面14朝着作为钎焊接触面的经加工的边缘区域62倾斜(在图5的放大截面图中可以更为清晰地看到，其中，外棱边的倾斜角W相对钎焊接触面的面法线倾斜1°与15°之间地来选择并且倾斜角优选在8°至12°之间)。
此外，在图5中以剖面图示出了壳体9，至少两个不同形状的窗口元件2插入到该壳体中。在此，窗口元件6是带有经倒圆的角的四分之一圆形或半圆形的自由形状面62。光学涂层2(不失一般性地)仅安装在窗口元件6的内侧上。于是在放大的截面图中，首先可以看到金属化部7以及钎焊层8。在此重要的是，窗口元件6的所有的棱边过渡部构造为经倒圆的棱边13，由此钎焊层8的钎料低应力且耐久地紧贴到窗口元件的钎焊环形结构上。钎焊层8的厚度主要取决于窗口元件6的作为阶11剥蚀的表面的所选择的粗糙度并且在300nm与5μm之间，优选在1μm与3μm之间，其中，在(直至2.5μm的)较大的表面粗糙度的情况下使用较大的厚度。
在光学涂层2中(抗反射＝AR和/或光谱的滤波器)，通过金属的保护层3可以更为简单地促进激光耦入到光学涂层2的光学的层中。这一点可以通过借助对铝层(其应大于100nm且不大于5μm)或对由Cr、Ti等构成的薄的吸收层(它们具有在50nm至1μm之间的层厚)的腐蚀使其变粗糙而得到支持。
针对窗口元件6的施装在作为载体材料1的晶片上并且图7A至图7C示出了它们的波长相关的透射特性的可能的光学涂层2的示例例如是Ge基底(图7A)上的针对3μm至11μm范围内的抗反射涂层(AR-滤波器21)，或者作为针对优选可以涂敷在窗口元件6的外侧上，但也可以替选地涂敷在窗口元件6的内侧上的光学涂层2的示例是在Si基底(图7B)上的针对8μm至12μm的长波通滤波器或在BaF2-基底(图7C)上的针对5.7μm至7μm的带通滤波器。
为了提高对光学涂层2的防护，可以有利地涂敷靠上的封闭层，其可以是氮化硅层、硫化锌层或DLC层(类金刚石的碳层)或是由硅、镁、铝的氧化物构成的层或是由钇、镱、钡的氟化物构成的层或是由锗或硅构成的半导体层。
可用的光学涂层(例如AR-滤波器21和/或滤波器系统22)的大部分对在此使用的激光波长来说或是透明的或是反射性的。通过所产生的金属的保护层3确保了在材料中的过程稳定的辐射能量吸收。因此可以实现保护层3、光学涂层2和载体材料1的升华/烧蚀。
在一种实施变型方案中，金属的保护层3由铝(Al)构成，其中，Al通过低浓缩的NaOH(1％至5％)被溶解。
在根据本发明的方法的另外的实施方案中，也可以使用镍或镍合金，如铁镍合金，或者使用铝合金，例如铝硅合金、铝镁合金或铝锂合金作为保护层3。
此外，该方法还可以通过如下得到优化，即，在部分烧蚀地移除金属的保护层3或聚合物保护层(例如光刻胶层)和光学涂层2之后，完整地冲裁出光学作用的自由形状面61，并且窗口元件6事先部分地以如下方式通过选择性地粘接或粘贴如图3所示的那样固定在保持基底5上，即，在该变型方案中，能清洁这些窗口元件并且能为它们涂上钎焊层系统71。
工艺顺序在此规定如下：
a0)第一次清洁(通常以水并伴随着超声波)，
a)涂敷一个或多个光学涂层2，
b)优选在两侧施装保护层3，
c01)腐蚀保护层3用以改善激光耦入，
c02)准备带有粘接部位或粘贴丝网印刷部的保持基底5，
c03)利用钎焊侧将晶片朝上地粘接到保持基底5上，
c)第一次激光加工阶段(移除保护层3和光学涂层2)，
d)第二次激光加工阶段(冲裁出窗口元件6的面结构)，
e0)第二次清洁
e)涂上钎焊层系统71，
g)冲裁出窗口元件6并且除去保持基底5，入库储存，
f)通过保护层3的底部腐蚀而将金属化部7从光学作用的自由形状面61上剥离。
使用如下的光学涂层2，它的封闭层能抵抗用来再腐蚀保护层3的弱碱。在此，硅镍层、硫化锌层或DLC(类金刚石的碳)层尤其适合用作封闭层。
附图标记列表
1 载体材料
11 (去除载体材料所形成的)阶
12 (去除载体材料所形成的)另一个阶
13 (窗口元件6的)经倒圆的棱边
14 (窗口元件6的)成斜面的侧面
15 (背侧的)缺口
2 光学涂层
21 AR滤波器
22 (光谱的)滤波器系统
3 保护层
4 (高能辐射的)加工射束
43 (用于冲裁出窗口元件6的)分离线
5 保持基底
6 窗口元件
61 光学作用的自由形状面
62 边缘区域(钎焊边缘)
7 金属化部
71 钎焊层系统
8 钎焊层
9 壳体
R 半径
W (侧面的)倾斜角
Claims (21)
1.一种用于制造能密闭式密封地钎焊到壳体(9)中的窗口元件(6)的方法，在该方法中，透光的、扁平的、其大小足以用于多个窗口元件(6)的载体材料(1)依次以下列a)-f)步骤来加工：
a)将至少一个光学涂层(2)涂敷到透光的、扁平的载体材料(1)的至少一个面上，
b)为所述光学涂层(2)涂上保护层(3)，所述保护层在牺牲层的意义下是能腐蚀的层，
c)从所述载体材料(1)上选择性地移除所述保护层(3)和所述光学涂层(2)，其方式是：通过借助高能辐射的定向的加工射束(4)的局部加工，针对具有任意几何造型的窗口元件(6)剥蚀在经局部加工的外围的边缘区域(62)中的至少一个期望的光学作用的自由形状面(61)，所述经局部加工的外围的边缘区域在外围包围至少一个光学作用的自由形状面(61)，从而在所述光学涂层(2)上的所述保护层(3)作为完全遮盖至少一个期望的光学作用的自由形状面(61)的掩膜保留，
d)借助高能辐射的定向的加工射束(4)沿着经局部加工的外围的边缘区域(62)剥蚀所述载体材料(1)的一部分，从而在所述载体材料(1)的经局部加工的外围的边缘区域(62)中产生限定粗糙度的至少一个下降的阶(11、12)，其中，至少一个阶(11)大于所述光学涂层(2)的单一的层厚地置于载体材料(1)的由光学涂层(2)铺覆的高度水平面之下，
e)通过所述载体材料(1)的如下表面的覆盖的金属化部(7)为所述表面涂上钎焊层系统(71)，所述表面具有由所述保护层(3)遮盖的光学涂层(2)和至少一个窗口元件(6)的经局部加工的外围的边缘区域(62)，
f)通过选择性地仅侵蚀所述保护层(3)但不侵蚀所述光学涂层(2)以及仅最小化地侵蚀钎焊层系统(71)的腐蚀过程，除去在所述光学涂层(2)上的金属化部(7)，从而钎焊层系统(71)的附着在所述保护层(3)上的金属化部(7)由于底部腐蚀而剥离，并且所述钎焊层系统(71)仅在包围光学作用的自由形状面(61)的经局部加工的外围的边缘区域(62)上得到保留，以及
其中，要么在除去金属化部(7)的步骤f)之后，要么在剥蚀窗口元件(6)的经局部加工的外围的边缘区域(62)的步骤d)之后，利用定向的加工射束(4)沿着分离线(43)从所述载体材料(1)中冲裁出单个的窗口元件(6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用激光射束、粒子射束或电子射束作为定向的加工射束(4)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，借助高能的定向的加工射束(4)，在剥离所述载体材料(1)的经局部加工的外围的边缘区域(62)时，至少一个下降的阶(11、12)在靠内的和靠外的棱边区域中具有半径(R)在50μm与150μm之间的倒圆的棱边(13)，以便在步骤e)中通过完全地涂上所述钎焊层系统(71)来获得经局部加工的外围的边缘区域(62)的低应力的金属化部(7)和用于随后使用的钎料的附加的棱边包覆。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，经局部加工的外围的边缘区域(62)借助清洁过程去除了松散且松动地附着的材料，并且调整了表面的粗糙度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述粗糙度最大为Ramax＝2.5μm。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述清洁过程通过借助激光射束、粒子射束、电子射束、玻璃珠射束或腐蚀液射束的射束加工实现。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通过沿着所述分离线(43)从前侧起切开所述载体材料(1)冲裁出窗口元件(6)，其中，所述前侧是所述载体材料(1)的设置用于能钎焊的金属化部(7)的表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在切开所述载体材料(1)之前，在所述载体材料(1)的背侧上引入与所述分离线(43)对应地延伸的弱化部。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，提供保持基底(5)，并且所述载体材料(1)借助各窗口元件(6)的附着剂附着在所述保持基底(5)上。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过从所述保持基底(5)上移除窗口元件(6)来实施要么在除去金属化部(7)的步骤f)之后，要么在剥蚀窗口元件(6)的经局部加工的外围的边缘区域(62)的步骤d)之后，在利用定向的加工射束(4)沿着分离线(43)从所述载体材料(1)中冲裁出单个的窗口元件(6)期间已经从所述载体材料(1)中冲裁出的单个的窗口元件(6)。
11.根据权利要求7至8中任一项所述的方法，其中，借助高能辐射的定向的加工射束(4)，通过利用定向的加工射束(4)多次扫过所述分离线(43)来实现冲裁出窗口元件(6)，并且在此沿着所述分离线(43)产生具有半径(R)的倒圆的棱边(13)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在通过利用定向的加工射束(4)多次扫过所述分离线(43)冲裁出所述窗口元件(6)时，除了所述倒圆的棱边(13)之外还产生向内地朝着所述窗口元件(6)的表面法线倾斜的成斜面的侧面(14)。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，通过利用定向的加工射束(4)多次扫过所述分离线(43)，直接结合通过定向的加工射束(4)产生的对载体材料(1)的下降的阶(11)的剥蚀来实现冲裁出所述窗口元件(6)，并且在此沿着所述分离线(43)产生带有在数十至数百微米范围内的半径(R)的倒圆的棱边(13)。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，使用氮化硅层、硫化锌层或类金刚石的碳层或使用由硅、镁、铝的氧化物构成的层或使用由钇、镱、钡的氟化物构成的层或使用由锗或硅构成的半导体层作为所述光学涂层(2)的封闭层。
15.按权利要求1所述的方法，其中，将金属的保护层(3)涂敷到所述光学涂层(2)上作为保护层(3)。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，利用来自如下的组中的金属材料中的至少一种来产生所述保护层(3)：铝和铝合金，以及镍和镍铁合金。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，当在很厚的钎焊层系统(71)中应简化剥离式过程时，金属的保护层(3)在以所述钎焊层系统(71)遮盖之前通过聚合物层得到补充。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，聚合物层(3)涂敷到所述光学涂层(2)上作为保护层。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述铝合金为铝硅合金、铝镁合金、铝锂合金。
20.一种用于壳体(9)的任意成形的开口的用以密闭式密封地钎焊到所述壳体(9)中的自由形状窗口元件，所述自由形状的窗口元件通过根据权利要求1至19中的任意一项所述的方法来制造。
21.一种对用于壳体(9)的任意成形的开口的根据权利要求20所述的自由形状窗口元件的应用，该自由形状窗口元件用于制造气密或真空密封的光电子的或光电的结构元件。
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