CN107032293A - 用于避免激光再封装结构突出晶片表面的结构和工艺 - Google Patents

用于避免激光再封装结构突出晶片表面的结构和工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于制造微机械构件的方法，所述微机械构件具有衬底和与所述衬底连接并且连同所述衬底包围第一空穴的罩，其中，在所述第一空穴中存在第一压力并且包围具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，在第一方法步骤中，在所述衬底中或在所述罩中构造连接第一空穴与所述微机械构件的周围环境的进入开口；其中，在第二方法步骤中，调节所述第一空穴中的第一压力和/或第一化学组分；其中，在第三方法步骤中，通过借助于激光器引入能量或热量到所述衬底的或所述罩的吸收部分中来封闭所述进入开口，其中，在第四方法步骤中，在所述衬底的或所述罩的背向所述第一空穴的表面中在所述进入开口的区域中构造凹槽，所述凹槽用于容纳所述衬底的或所述罩的在所述第三方法步骤中转换为液态物态的材料区域。

Description

用于避免激光再封装结构突出晶片表面的结构和工艺
技术领域
本发明基于一种根据权利要求1的前序部分的方法。
背景技术
这样的方法由文献WO 2015/120939 A1已知。如果期望在微机械构件的空穴中的确定的内压或者在空穴中应包围具有确定的化学组分的气体混合物，则通常在封装微机械构件时或者在衬底晶片与罩晶片之间的键合过程期间调节内压或化学组分。在封装时例如将罩与衬底连接，由此罩和衬底共同包围空穴。通过调节在封装时在周围环境中存在的气体混合物的大气或压力和/或化学组分，可以因此调节在空穴中的确定的内压和/或确定的化学组分。
借助由文献WO 2015/120939 A1已知的方法可以有针对性地调节在微机械构件的空穴中的内压。借助所述方法尤其可能的是，制造具有第一空穴的微机械构件，其中，在第一空穴中可以调节第一压力和第一化学组分，第一压力或者第一化学组分不同于在封装时刻的第二压力和第二化学组分。
在根据文献WO 2015/120939 A1的用于有针对性地调节微机械构件的空穴中的内压的方法中，在罩中或在罩晶片中或在衬底中或在传感器晶片中产生至空穴的窄的进入通道。紧接着，空穴通过进入通道以所期望的气体和所期望的内压充满。最后借助于激光局部加热环绕进入通道的区域，衬底材料局部液化并且在硬化时密封封闭进入通道。
发明内容
本发明的任务在于，通过相对于现有技术简单并且成本有利的方式提供一种用于制造相对于现有技术机械稳健的以及具有长寿命的微机械构件的方法。此外，本发明的任务在于，提供一种相对于现有技术紧凑的、机械稳健的并且具有长寿命的微机械构件。根据本发明，这尤其适用于具有(第一)空穴的微机械构件。借助根据本发明的方法和根据本发明的微机械构件此外也可能的是，实现如下微机械构件，在所述微机械构件中，在第一空穴中可以调节第一压力和第一化学组分，而在第二空穴中可以调节第二压力和第二化学组分。例如设置这样的用于制造微机械构件的方法，对于所述微机械构件有利的是，在第一空穴中包围第一压力而在第二空穴中包围第二压力，其中，第一压力应不同于第二压力。那么这例如是如下情况，即在微机械构件中应集成用于转速测量的第一传感器单元并且在微机械构件中应集成用于加速度测量的第二传感器单元。
所述任务通过以下方式来解决，即
在第四方法步骤中，在衬底的或罩的背向第一空穴的表面中在进入开口的区域中构造凹槽，所述凹槽用于容纳衬底的或罩的在第三方法步骤中转换为液态物态的材料区域。
由此通过简单并且成本有利的方式提供用于制造微机械构件的方法，借助所述方法，被硬化的材料区域相对于表面沉降到衬底或罩中地可制造。与不构造凹槽的方法相比，根据本发明的方法例如具有如下优点，被硬化的材料区域不太远地突出表面，从而被硬化的材料区域对于机械冲击提供较小的作用面由此，被硬化的材料区域和/或在被硬化的材料区域与剩余衬底或剩余罩之间的边界面和/或环绕边界面的区域不易于裂纹形成。换言之，被硬化的材料区域通过根据本发明的方法例如在制造流程中不易于损坏和不期望的接触并且因此很少是裂纹的原因和起点。如果衬底材料仅仅局部受加热并且经加热的材料不仅在硬化时而且在相对于环境冷却时收缩，则借助根据本发明的方法也是不太成问题的。因此在封闭区域中可以产生非常大的拉应力也不太成问题，因为通过被硬化的材料区域的下降使得相对于机械冲击的作用面最小化。因此，根据压力和材料出现的自发性裂纹形成也不大可能。在进一步处理中或者在现场微机械构件的热负荷或机械负荷下裂纹形成也不太可能，因为经封闭的入口开口的区域被更好地保护。尤其借助根据本发明的方法不太关键的是，在材料区域基于再结晶动态性硬化时在熔化区域中心处或者在被硬化的材料区域中心处构成尖端或者尖端突出衬底的或罩的表面的突出部。这样的尖端的损坏概率或者在尖端的进一步制造流程中的不期望的接触可以通过凹槽的使用来有效降低。尤其根据本发明有利地可能的是，尖端位于罩的或衬底的否则(亦即除进入开口的区域以外)基本上平坦的表面之下。因此，根据本发明的方法是一种降低如下概率的有效可能性，即尖端是裂纹的原因或起点。因此，通过简单并且成本有利的方式提供一种用于制造相比于现有技术机械稳健的并且具有长寿命的微机械构件的方法。
与本发明相关地，可以如此理解术语“微机械构件”，即所述术语包括不仅微机械构件而且微机电构件。
本发明优选设置用于制造或者用于具有一个空穴的微机械构件。然而本发明例如也设置用于具有两个空穴或具有两个以上——亦即三个、四个、五个、六个或六个以上的空穴的微机械构件。
优选地，通过借助于激光器引入能量或热量到衬底的或罩的吸收所述能量或所述热量的部分中来封闭进入开口。在此优选地将能量或热量在时间上依次地分别引入到多个微机械构件的衬底的或罩的吸收部分中，所述微机械构件例如被共同制造在晶片上。然而替代地也设置在时间上并行地将能量或热量引入到多个微机械构件的衬底的或罩的相应吸收部分中，例如在使用多个激光射束或激光装置的情况下。
本发明有利的设计方案和扩展方案可由从属权利要求以及参照附图的描述得出。
根据一个优选的扩展方案设置，所述罩连同所述衬底包围第二空穴，其中，在所述第二空穴中存在第二压力并且包围具有第二化学组分的第二气体混合物。
本发明的另一主题是一种用于制造微机械构件的方法，所述微机械构件具有衬底和与所述衬底连接并且连同所述衬底包围第一空穴的罩，其中，在所述第一空穴中存在第一压力并且包围具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，
在第一方法步骤中，在所述衬底中或在所述罩中构造连接所述第一空穴与所述微机械构件的周围环境的进入开口；其中，
在第二方法步骤中，调节所述第一空穴中的第一压力和/或第一化学组分；其中，
在第三方法步骤中，通过借助于激光器引入能量或热量到所述衬底的或所述罩的吸收部分中来封闭所述进入开口，其中，
在第四方法步骤中，在所述衬底的或所述罩的背向所述第一空穴的表面中在所述进入开口的区域中构造凹槽，所述凹槽用于容纳所述衬底的或所述罩的在所述第三方法步骤中转换为液态物态的材料区域。
根据一个优选扩展方案设置，如此构造所述凹槽，使得被硬化的材料区域布置在基本上沿所述表面延伸的平面与所述第一空穴之间。由此有利地能够实现：被硬化的材料区域完全没有突出表面，从而被硬化的材料区域对于机械冲击提供还更小的作用面。由此，被硬化的材料区域和/或在被硬化的材料区域与剩余衬底或剩余罩之间的边界面和/或环绕边界面的区域还更不易于裂纹形成。
根据一个优选扩展方案设置，如此构造所述凹槽，使得所述凹槽到基本上沿所述表面延伸的平面上的投影的第一面积大于所述衬底的或者所述罩的所述被硬化的材料区域或所述吸收部分到所述平面上的投影的第二面积。由此有利地能够实现：如果凹槽相对于表面平地深置至少在没有凹槽的方法中可预期的材料区域的超出表面的突出部的高度，则防止被硬化的材料区域突出表面。
根据一个优选扩展方案设置，如此构造所述凹槽，使得所述凹槽到基本上沿所述表面延伸的平面上的投影的第一面积小于所述衬底的或者所述罩的所述被硬化的材料区域或所述吸收部分到所述平面上的投影的第二面积。由此通过有利的方式能够实现：衬底的或罩的转换为液态物态的材料区域的量是可减少的，并且从而通过引入能量而产生的熔池可以更好地融合，无需为了构造凹槽而要求不必要多的表面面积。
根据一个优选扩展方案设置，在基本上平行于所述表面延伸的平面中关于所述进入通道或关于所述材料区域或关于所述衬底的或者所述罩的吸收部分基本上旋转对称地构造所述凹槽。由此能够实现：熔池可以特别有利地融合。
根据一个优选扩展方案设置，将所述凹槽各向异性地刻蚀到所述表面中。由此有利地能够实现：可以各向异性地或狭长地设置凹槽——在凹槽较大延展的意义上基本上垂直于表面而不是平行于表面地或者在凹槽较小延展的意义上基本上垂直于表面而不是平行于表面地——构造。
根据一个优选扩展方案设置，在时间上在第一方法步骤之后实施第四方法步骤。由此有利地能够实现：可以将凹槽引入到具有存在的进入通道的表面中。
根据一个优选扩展方案设置，
在第四方法步骤中，在表面中在进入开口的区域中构造另一凹槽或优选地多个另外的凹槽，用于容纳衬底的或罩的在第三方法步骤中转换为液态物态的材料区域。
根据一个优选扩展方案设置，借助于硬掩膜结构化凹槽或另一凹槽或多个另外的凹槽。
此外，本发明的另一主题是微机械构件，所述微机械构件具有衬底和与所述衬底连接并且连同所述衬底包围第一空穴的罩，其中，在所述第一空穴中存在第一压力并且包围具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，所述衬底或所述罩包括封闭的进入开口，其中，所述衬底或所述罩包括在所述衬底的或所述罩的背向所述第一空穴的表面中并且在所述进入开口的区域中布置的凹槽，所述凹槽用于容纳所述衬底的或所述罩的在所述进入开口封闭期间转换为液态物态的材料区域。
根据一个优选扩展方案设置，所述罩连同所述衬底包围第二空穴，其中，在所述第二空穴中存在第二压力并且包围具有第二化学组分的第二气体混合物。
此外，本发明的另一主题是微机械构件，所述微机械构件具有衬底和与所述衬底连接并且连同所述衬底包围第一空穴和第二空穴的罩，其中，在所述第一空穴中存在第一压力并且包围具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，在所述第二空穴中存在第二压力并且包围具有第二化学组分的第二气体混合物，其中，所述衬底或所述罩包括封闭的进入开口，其中，所述衬底或所述罩包括在所述衬底的或所述罩的背向所述第一空穴的表面中并且在所述进入开口的区域中布置的凹槽，所述凹槽用于容纳所述衬底的或所述罩的在所述进入开口封闭期间转换为液态物态的材料区域。由此通过有利的方式提供具有所调节的第一压力和第二压力的紧凑的、机械稳健的并且成本有利的微机械构件。根据本发明的方法的所述优点相应地也适用于根据本发明的微机械构件。
根据一个优选扩展方案设置，如此构造所述凹槽，使得被硬化的材料区域布置在基本上沿所述表面延伸的平面与所述第一空穴之间。因此通过有利的方式提供相对于机械冲击特别稳健的微机械构件。
根据一个优选扩展方案设置，第一压力小于第二压力，其中，在第一空穴中布置用于转速测量的传感器单元，而在第二空穴中布置用于加速度测量的第二传感器单元。由此通过有利的方式提供一种用于转速测量和加速度测量的具有不仅对于第一传感器单元而且对于第二传感器单元优化的运行条件的机械稳健的微机械构件。
附图说明
图1：在示意图中示出根据本发明的示例性的实施方式的具有敞开的进入开口的微机械构件；
图2：在示意图中示出根据图1的具有封闭的进入开口的微机械构件；
图3：在示意图中示出根据本发明的示例性的实施方式的用于制造微机械构件的方法；
图4：在示意图中示出根据本发明的另一示例性的实施方式的微机械构件的衬底的或罩的材料区域；
图5：在示意图中示出在根据本发明的方法的不同时刻根据本发明的示例性的第三实施方式的微机械构件；
图6：在示意图中示出在根据本发明的方法的不同时刻根据本发明的示例性的第四实施方式的微机械构件；
图7：在示意图中示出在根据本发明的方法的不同时刻根据本发明的示例性的第五实施方式的微机械构件。
具体实施方式
在不同图中，相同部分总是设有相同的附图标记并且因此通常也分别仅命名或提到一次。
在图1和图2中示出根据本发明的示例性的实施方式的微机械构件1的示意图，所述微机械构件在图1中具有敞开的进入开口11而在图2中具有封闭的进入开口11。在此，微机械构件1包括衬底3和罩7。衬底3和罩7相互优选密封连接并且共同包围第一空穴5。微机械构件1例如如此构造，使得衬底3和罩7附加地共同包围第二空穴。然而，第二空穴在图1中和在图2中未示出。
例如在第一空穴5中、尤其在如图2中所示的封闭的进入开口11的情况下存在第一压力。此外，在第一空穴5中包围具有第一化学组分的第一气体混合物。此外，例如在第二空穴中存在第二压力并且在第二空穴中包围具有第二化学组分的第二气体混合物。优选地，进入开口11布置在衬底3中或罩7中。在这里的本实施例中，进入开口11示例性地布置在罩7中。然而，根据本发明对此替代地也可以设置，进入开口11布置在衬底3中。
例如设置，第一空穴5中的第一压力小于第二空穴中的第二压力。例如也设置，在第一空穴5中布置在图1中和图2中未示出的用于转速测量的第一微机械传感器单元，而在第二空穴中布置在图1和图2中未示出的用于加速度测量的第二微机械传感器单元。
在图3中在示意图中示出根据本发明的示例性的实施方式的用于制造微机械构件1的方法。在此，
-在第一方法步骤101中，在所述衬底3中或在所述罩7中构造连接所述第一空穴5与所述微机械构件1的周围环境9的、尤其狭长的进入开口11。图1示例性地示出在第一方法步骤101之后的微机械构件1。此外，
-在第二方法步骤102中，调节第一空穴5中的第一压力和/或第一化学组分或者使第一空穴5通过进入通道以具有所期望的气体和所期望的内压充满。此外例如：
-在第三方法步骤103中，通过借助于激光器引入能量或热量到所述衬底3的或所述罩7的吸收部分21中来封闭所述进入开口11。例如替代地也设置：
-在第三方法步骤103中，仅仅优选通过激光器局部加热环绕进入通道的区域并且密封封闭进入通道。因此有利地可能的是，使根据本发明的方法也设有其他能量源而不是激光器来封闭进入开口11。图2示例性地示出第三方法步骤103之后的微机械构件1。
在时间上在第三方法步骤103之后，可以在图2中示例性示出的横向区域15中在表面19上以及在垂直于横向区域15到表面19上的投影的深度上、也即沿进入开口11并且朝微机械构件1的第一空穴5的方向出现机械应力。机械应力、尤其局部机械应力尤其存在于如下边界面上及其附近，所述边界面位于罩7的在第三方法步骤103中过渡为液态物态并且在第三方法步骤103之后过渡为固态物态的并且封闭进入开口11的材料区域13与罩7的在第三方法步骤103期间保留在固态物态的剩余区域之间。在此，在图2中，罩7的封闭进入开口11的材料区域13仅仅可视为示意性的或者示意性地示出，尤其关于其横向的、尤其平行于表面19延伸的扩展部或成形部并且尤其关于其垂直于横向扩展部、尤其垂直于表面19延伸的大小或配置。
如在图3中示例性地示出的那样，附加地：
-在第四方法步骤104中，在衬底3的或罩7的背向第一空穴5的表面19中在进入开口11的区域中构造凹槽17，所述凹槽用于容纳或部分容纳衬底3的或罩7的在第三方法步骤103中转换为液态物态的材料区域13或者至少部分转换为液态物态的吸收部分21。如在图3中示例性地示出的那样，例如在时间上在第一方法步骤101之后并且在时间上在第二方法步骤102之前实施第四方法步骤104。然而替代地也设置，在时间上在第一方法步骤101之前或者在时间上在第二方法步骤102之后实施第四方法步骤104。因此，根据本发明的方法可以有利地通过简单方式匹配于不同的制造过程。
尤其设置，在激光再密封之前或者在时间上在第一方法步骤101之前将在进入通道的区域或进入开口11中的结构或凹槽17或多个凹槽17引入到表面19或硅表面中，以便使封闭平面或材料区域13降低或深置，从而在熔池硬化时产生的突出部位于晶片表面或表面19之下。
在图4中在示意图中示出根据另一示例性实施方式的衬底3的或罩7的已经被硬化的材料区域13。在此，被硬化的材料区域13或尖端突出罩7的表面19。在图5、图6和图7中在示意图中示出在根据本发明的不同时刻根据示例性的第三、第四和第五实施方式的微机械构件1。在此提出多个不同结构或凹槽17的结构，其中，所述结构优选各向异性地被刻蚀到表面19或硅表面中。在此示例性地，罩7包括在罩7的背向第一空穴5的表面19中布置的凹槽17。在图7中示出的实施例中，罩7包括多个凹槽17。此外，凹槽17或多个凹槽17布置在进入开口11的区域中用于容纳罩7的在进入开口11封闭期间转换为液态物态的材料区域13。在所有在图5、图6和图7中示出的实施例中，凹槽17或多个凹槽17如此构造，使得被硬化的材料区域13布置在基本上沿表面19延伸的平面与第一空穴5之间。
图5示出在根据本发明的方法期间在不同时刻的微机械构件1，其中，如此构造凹槽17，使得凹槽17到基本上沿表面19延伸的平面上的投影的第一面积大于衬底3的或者罩7的被硬化的材料区域13或吸收部分21到所述平面上的投影的第二面积。例如附加地或替代地也设置，为了降低再密封突出部，有利地环绕进入通道借助于各向异性的刻蚀来刻蚀大于熔化区域的平面区域。在此，刻蚀深度例如为至少要预期的突出部的高度。此外，例如如此选择平面区域的大小，使得熔化区域在包括所有公差的情况下总是位于所述平面区域内。
此外，图6示出在根据本发明的方法期间在不同时刻的微机械构件1，其中，如此构造所述凹槽17，使得所述凹槽17到基本上沿所述表面19延伸的平面上的投影的第一面积大于所述衬底3的或者所述罩7的所述被硬化的材料区域13或吸收部分21到所述平面上的投影的第二面积。
此外，图7示出在根据本发明的方法期间在不同时刻的微机械构件1，其中，在基本上平行于所述表面19延伸的平面中关于所述进入通道11或关于所述材料区域13或关于所述衬底3的或者所述罩7的吸收部分21基本上旋转对称地构造所述凹槽17。尤其在图7示出的实施例中，将凹槽17或多个凹槽17各向异性地刻蚀到表面19中。
在图6和7中示例地示出，可以通过一个或多个经刻蚀的单结构如此减少在激光再密封时熔化的材料量，使得熔池可以融合并且在硬化之后不再突出晶片表面19。所述结构进入到硅表面19中的深度可以匹配于在熔化区域内的刻蚀面积的部分。除去的材料越多，必须越浅地实现刻蚀。然而必须确保：剩余材料足够用于封闭进入通道11。
最后优选地设置，使大于熔化区域的区域平地深置至少要预期的突出部的高度或者通过一个或多个刻蚀到表面19中的单结构减少在熔化区域中的熔化的材料量，从而熔池可以融合。在所述情况下，所述结构进入到硅表面19中的深度可以为几个微米直至超过硅的罩7的或衬底3的熔化深度。例如也设置，将凹槽17或多个凹槽17或结构与用于压力释放的结构组合。

Claims (10)

1.一种用于制造微机械构件(1)的方法，所述微机械构件具有衬底(3)和与所述衬底(3)连接并且连同所述衬底(3)包围第一空穴(5)的罩(7)，其中，在所述第一空穴(5)中存在第一压力并且包围具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，
在第一方法步骤(101)中，在所述衬底(3)中或在所述罩(7)中构造连接所述第一空穴(5)与所述微机械构件(1)的周围环境(9)的进入开口(11)；其中，
在第二方法步骤(102)中，调节所述第一空穴(5)中的第一压力和/或第一化学组分；其中，
在第三方法步骤(103)中，通过借助于激光器引入能量或热量到所述衬底(3)的或所述罩(7)的吸收部分(21)中来封闭所述进入开口(11)，其特征在于，
在第四方法步骤(104)中，在所述衬底(3)的或所述罩(7)的背向所述第一空穴(5)的表面(19)中在所述进入开口(11)的区域中构造凹槽(17)，所述凹槽用于容纳所述衬底(3)的或所述罩(7)的在所述第三方法步骤(103)中转换为液态物态的材料区域(13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述罩(7)连同所述衬底(3)包围第二空穴，其中，在所述第二空穴中存在第二压力并且包围具有第二化学组分的第二气体混合物。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，如此构造所述凹槽(17)，使得被硬化的材料区域(13)布置在基本上沿所述表面(19)延伸的平面与所述第一空穴(5)之间。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，如此构造所述凹槽(17)，使得所述凹槽(17)到基本上沿所述表面(19)延伸的平面上的投影的第一面积大于所述衬底(3)的或者所述罩(7)的所述被硬化的材料区域(13)或所述吸收部分(21)到所述平面上的投影的第二面积。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，如此构造所述凹槽(17)，使得所述凹槽(17)到基本上沿所述表面(19)延伸的平面上的投影的第一面积小于所述衬底(3)的或者所述罩(7)的所述被硬化的材料区域(13)或所述吸收部分(21)到所述平面上的投影的第二面积。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在基本上平行于所述表面(19)延伸的平面中关于所述进入通道(11)或关于所述材料区域(13)或关于所述衬底(3)的或者所述罩(7)的吸收部分(21)基本上旋转对称地构造所述凹槽(17)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述凹槽(17)各向异性地刻蚀到所述表面(19)中。
8.一种微机械构件(1)，所述微机械构件具有衬底(3)和与所述衬底(3)连接并且连同所述衬底(3)包围第一空穴(5)的罩(7)，其中，在所述第一空穴(5)中存在第一压力并且包围具有第一化学组分的第一气体混合物，其中，所述衬底(3)或所述罩(7)包括封闭的进入开口(11)，其特征在于，所述衬底(3)或所述罩(7)包括在所述衬底(3)的或所述罩(7)的背向所述第一空穴(5)的表面(19)中并且在所述进入开口(11)的区域中布置的凹槽(17)，所述凹槽用于容纳所述衬底(3)的或所述罩(7)的在所述进入开口(11)封闭期间转换为液态物态的材料区域(13)。
9.根据权利要求8所述的微机械构件(1)，其中，所述罩(7)连同所述衬底(3)包围第二空穴，其中，在所述第二空穴中存在第二压力并且包围具有第二化学组分的第二气体混合物。
10.根据权利要求8所述的微机械构件(1)，其中，如此构造所述凹槽(17)，使得被硬化的材料区域(13)布置在基本上沿所述表面(19)延伸的平面与所述第一空穴(5)之间。
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