CN107032295A - 具有应力补偿层的激光再封 - Google Patents

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F·赖兴巴赫
J·莱茵穆特
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Abstract

本发明提出用于制造微机械结构元件的方法，微机械结构元件具有基底和与基底连接并与基底包围一第一空腔的盖，其中，在第一空腔中，第一压力占主导并且包括具有第一化学成分的第一气体混合物，其中，在第一方法步骤中，在基底中或者在盖中构造使第一空腔与微机械结构元件的周围环境连接的进口孔，其中，在第二方法步骤中，调节第一空腔中的第一压力和/或第一化学成分，其中，在第三方法步骤中，通过借助于激光将能量或热导入到基底或盖的吸收部分中来封闭进口孔，其中，在第四方法步骤中，在基底的或盖的表面上在进口孔的区域中沉积或生长一个层，用于产生第二机械应力，所述第二机械应力反作用于在进口孔被封闭的情况下产生的第一机械应力。

Description

具有应力补偿层的激光再封
技术领域
本发明从根据权利要求1的前序部分所述的方法出发。
背景技术
由WO 2015/120939A1公知了这种方法。如果微机械结构元件的空腔中确定的内部压力是所期望的或者在所述空腔中应该包括具有确定的化学成分的气体混合物，则所述内部压力或所述化学成分经常在封盖微机械结构元件时或在基底晶片和盖晶片之间的键合过程中被调节。在封盖时，例如盖与基底连接，由此盖和基底共同包围所述空腔。通过调节在封盖时存在于周围环境中的气体混合物的气氛或压力和/或化学成分，由此可以调节所述空腔中的确定的内部压力和/或确定的化学成分。
通过由WO 2015/120939A1公知的方法可以有针对性地调节微机械结构元件的空腔中的内部压力。通过所述方法尤其可能的是，制造具有第一空腔的微机械结构元件，其中，在第一空腔中可以调节第一压力和第一化学成分，所述第一压力和第一化学成分与封盖的时间点时的第二压力和第二化学成分不同。
在用于有针对性地调节根据WO 2015/120939 A1的微机械结构元件的空腔中的内部压力的方法中，在盖中或者在盖晶片中或者在基底中或者在传感器单元晶片中产生至空腔的窄的进口通道。接着，通过进口通道以期望的气体和期望的内部压力灌注所述空腔。最后，进口通道周围的区域局部地借助于激光加热，基底材料局部地液化并且在凝固时气密地封闭进口通道。
发明内容
本发明的目的在于以相对于现有技术简单和成本低廉的方式提供一种用于制造相对于现有技术机械鲁棒的以及具有长的使用寿命的微机械结构元件的方法。此外，本发明的目的在于提供一种相对于现有技术紧凑的、机械鲁棒的和具有长的使用寿命的微机械结构元件。根据本发明，这特别适用于具有(第一)空腔的微机械结构元件。此外，通过根据本发明的方法和根据本发明的微机械结构元件也可以实现一种微机械结构元件，在所述微机械结构元件情况下，在第一空腔中可以调节第一压力和第一化学成分，并且在第二空腔中可以调节第二压力和第二化学成分。例如设置这种用于制造微机械结构元件的方法，对于这种方法有利的是，在一空腔中包括第一压力，并且在第二空腔中包括第二压力，其中，第一压力应该不同于第二压力。这则例如是下述情况，用于测量转速的第一传感器单元和用于测量加速度的第二传感器单元应该集成在微机械结构元件中。
该目的通过如下方式实现，
在第四方法步骤中，在基底的或盖的表面上在进口孔的区域中沉积或生长一个层以产生第二机械应力，所述第二机械应力反作用于在进口孔封闭的情况下产生的第一机械应力。
由此以简单和成本低廉的方式提供一种用于制造微机械结构元件的方法，通过所述方法可以提供反作用于在进口孔封闭的情况下产生的第一机械应力的第二机械应力。由此可以例如借助于补偿应力来减小或者至少部分地补偿在没有根据本发明的层的情况下存在的第一机械应力，所述补偿应力通过所述层传递到进口孔的区域中或者通过所述层和进口孔的区域之间的边界层传递。由此可以例如减小在第三方法步骤之后硬化的材料区域中和/或在邻接于所述硬化的材料区域的其余基底或其余盖中和/或在所述硬化的材料区域和其余的基底或其余的盖之间的边界面上所产生的拉应力。
此外，通过根据本发明的方法不那么有问题的是，基底材料仅仅局部地被加热并且加热的材料不仅在硬化时而且在冷却时相对于其周围环境收缩，因为通过在硬化时和在冷却时的收缩所产生的第一机械应力借助于所述层和由所述层产生的第二机械应力被反作用，或者能够减小进口孔的区域中占主导的总机械应力或应力分布。在封闭区域中可产生拉应力也是不那么有问题的，因为所述拉应力可以借助于所述层有针对性地减小。由此，按照应力和材料而产生的突发的裂缝形成以及在进一步加工中或在场地中在微机械结构元件热负荷或机械负荷时的裂缝形成也不太可能。
由此提供一种用于制造微机械结构元件或组件的方法，利用所述方法能够通过局部的熔化产生通道的封闭，其中，所述方法能够实现尽可能小的、在微机械结构元件中形成裂缝的倾向。
结合本发明，概念“微机械结构元件”理解为，所述概念不仅包括微机械结构元件而且包括微机电结构元件。
本发明优选地设置用于制造具有一个空腔的微机械结构元件或者用于具有一个空腔的微机械结构元件。然而本发明例如也设置用于具有两个空腔或者具有多于两个、即三个、四个、五个、六个或多于六个空腔的微机械结构元件。
优选地，通过借助于激光将能量或热导入到基底的或盖的吸收所述能量或热的部分中来封闭进口孔。在此，优选，将能量或热在时间上先后分别导入到多个微机械结构元件的基底的或盖的吸收部分中，所述微机械结构元件例如被共同制造在一个晶片上。然而也替代地设置，例如在使用多个激光束或激光装置的情况下在时间上并行地将能量或热导入到多个微机械结构元件的基底的或盖的相应的吸收部分中。
本发明的有利的构型和扩展方案可以由从属权利要求以及参考附图的说明可知。
根据一个优选的扩展方案设置，盖与基底包围一个第二空腔，其中，在第二空腔中，第二压力占主导并且包括具有第二化学成分的第二气体混合物。
根据一个优选的扩展方案设置，在基底的或盖的背离第一空腔的表面上沉积或生长所述层。由此有利地实现，第二机械应力可以通过基底的或盖的背离第一空腔的表面传导到进口孔的区域中。由此尤其有利地实现，可以尤其在进口孔的背离第一空腔的侧上导入第二机械应力并且由此能够实现在封闭的进口孔的区域中特别有利的应力分布。
根据一个优选的扩展方案设置，所述层在要构造的或封闭的进口孔上和/或在要构造的、打开的或封闭的进口孔紧邻附近被去除。由此能够实现，进口孔基本上可以与所述层无关地被打开或封闭。由此尤其有利地实现，所述层在第一方法步骤之前或之后以及在第三方法步骤之前或之后在所述表面上沉积或生长。此外，由此也可以实现将第二应力特别有利地传递到所述表面之中或之上、尤其不在进口孔之上和/或不在进口孔紧邻附近。
根据一个优选的扩展方案设置，第四方法步骤在时间上在第一方法步骤之前或者在时间上在第三方法步骤之后进行。由此有利地实现，或者首先调节第一空腔中的第一压力和/或第一化学成分并且接着使所述层沉积或生长，替代地，首先使所述层沉积或生长并且接着调节第一空腔中的第一压力和/或第一化学成分。
本发明的一个另外的内容是一种微机械结构元件，其具有基底和与所述基底连接并且与所述基底包围一个第一空腔的盖，其中，在第一空腔中，第一压力占主导并且包括具有第一化学成分的第一气体混合物，其中，所述基底或所述盖包括封闭的进口孔，其中，微机械结构元件包括在基底的或盖的表面上在进口孔的区域中沉积或生长的用于产生第二机械应力的层，所述第二机械应力反作用于在进口孔封闭的情况下产生的第一机械应力。由此以有利的方式提供具有被调节的第一压力的、紧凑的、机械鲁棒的和成本低廉的微机械结构元件。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结构元件。
根据一个优选的扩展方案设置，所述层布置在基底的或盖的背离第一空腔的表面上。由此有利地实现，第二机械应力可以通过基底的或盖的背离第一空腔的表面传导到进口孔的区域中。由此特别有利地能够实现，尤其可以在进口孔的背离第一空腔的侧上导入第二机械应力到并且由此实现在封闭的进口孔的区域中特别有利的应力分布。
根据一个优选的扩展方案设置，第一机械应力基本上是拉应力并且第二机械应力基本上是压应力，或者，第一机械应力基本上是压应力并且第二机械应力基本上是拉应力。由此可以借助于压应力反作用于拉应力，或者借助于拉应力反作用于压应力。
根据一个优选的扩展方案设置，所述层构造为基本上环形的和/或相对于进口孔旋转对称的。由此，第二机械应力可以将特别有利地传导到表面中或通过表面传导到微机械结构元件中。由此能够实现在封闭的进口孔的区域中特别有利的应力分布。
根据一个优选的扩展方案设置，盖与基底包围一个第二空腔，其中，在第二空腔中，第二压力占主导并且包括具有第二化学成分的第二气体混合物。由此以有利的方式提供具有被调节的第一压力和第二压力的、紧凑的、机械鲁棒的和成本低廉的微机械结构元件。
根据一个优选的扩展方案设置，第一压力小于第二压力，其中，在第一空腔中布置有用于测量转速的第一传感器单元，并且在第二空腔中布置有用于测量加速度的第二传感器单元。由此以有利的方式提供用于利用不仅对于第一传感器单元而且对于第二传感器单元最优的运行条件来测量转速和测量加速度的、机械鲁棒的微机械结构元件。
附图说明
图1以示意图示出根据本发明的示例性实施方式的、具有打开的进口孔的微机械结构元件。
图2以示意图示出根据图1的、具有封闭的进口孔的微机械结构元件。
图3以示意图示出用于制造根据本发明的示例性实施方式的微机械结构元件的方法。
在不同的附图中，相同的部件始终设有相同的附图标记并且由此通常也分别仅仅一次地被标出或提及。
具体实施方式
在图1和图2中示出根据本发明的示例性实施方式的、具有图1中的打开的进口孔11和具有图2中的封闭的进口孔11的微机械结构元件1的示意图。在此，微机械结构元件1包括基底3和盖7。基底3和盖7相互优选气密地连接并且共同包围第一空腔5。微机械结构元件1例如构造为，基底3和盖7附加地共同包围第二空腔。然而第二空腔在图1和图2中未示出。
例如，在第一空腔5中、尤其是在如图2中所示的封闭的进口孔11的情况下，第一压力占主导。此外，在第一空腔5中包括具有第一化学成分的第一气体混合物。此外，例如，在第二空腔中，第二压力占主导，并且在第二空腔中包括具有第二化学成分的第二气体混合物。进口孔11优选地布置在基底3中或者在盖7中。在这里所述的实施例中，进口孔11示例性地布置在盖7中。然而，根据本发明，也可以替代于此地设置，进口孔11布置在基底3中。
例如设置，第一空腔5中的第一压力小于第二空腔中的第二压力。例如也设置，在第一空腔5中布置有在图1和图2中未示出的、用于测量转速的第一微机械传感器单元，并且在第二空腔中布置有在图1和图2中未示出的、用于测量加速度的第二微机械传感器单元。
在图3中以示意图示出用于制造根据本发明的示例性实施方式的微机械结构元件1的方法。在此，
-在第一步骤方法101中，在基底3中或者在盖7中构造将第一空腔5与微机械结构元件1的周围环境9连接的、尤其是窄的进口孔11。图1示意性地示出第一步骤方法101后的微机械结构元件1。此外，
-在第二方法步骤102中，调节第一空腔5中的第一压力和/或第一化学成分，或者说，通过进口通道以期望的气体和期望的内部压力灌注第一空腔5。此外例如
-在第三方法步103骤中，通过借助于激光将能量或热引入到基底3或盖7的吸收部分中来封闭进口孔11。替代地，例如也设置，
-在第三方法步103骤中，进口通道周围的区域仅仅优选地通过激光局部地加热，并且进口通道被气密地封闭。由此有利地能够实现，根据本发明的方法也设置通过不同于激光的其他能量源用于封闭进口孔11。图2示例性地示出第三方法步骤103后的微机械结构元件1。
时间上在第三方法步骤103之后，在图2中示例性地示出的横向区域15中，在盖7的背离空腔5的表面19上以及在垂直于横向区域15到微机械结构元件1表面的投影的深度上(即沿着进口孔11并且在朝向第一空腔5的方向上)可以产生机械应力。所述机械应力、尤其是局部机械应力尤其在盖7的材料区域13(所述材料区域在第三方法步骤103中转变成液体聚集态并且在第三方法步骤103之后转变成固体聚集态并且封闭进口孔11)和盖7的其余区域(所述其余区域在第三方法步骤103期间保留在固体聚集态中)之间的边界面附近占主导。在此，在图2中，盖7的封闭进口孔11的材料区域13仅仅视作示意性的或者示意性地示出，尤其是在其横向的、尤其是平行于表面延伸的延伸尺寸或造型方面并且尤其是在其垂于横向的延伸尺寸、尤其是垂直于表面延伸的延伸尺寸或结构方面。
如同在图3中示例性的示出的那样，附加地
-在第四方法步骤104中，使一个层在基底3的或盖7的表面上在进口孔11的区域中沉积或生长，用于产生第二机械应力，所述第二机械应力反作用于在封闭进口孔11时产生的第一机械应力。在此，例如使所述层在基底3的或盖7的背离第一空腔5的表面上沉积或生长。此外，所述层例如至少部分地又被去除。例如，所述层在要构造的或封闭的进口孔11之上和/或在要构造的、打开的或封闭的进口孔11紧邻附近被去除。换句话说，附加层在进口通道或进口孔11的区域中被去除。然而替代地例如也设置，根据沉积方法而定，所述层或附加层也仅仅在基底3或盖7的一定地选择的区域中被施加或沉积或生长。例如，为了施加在仅仅选择的区域中，设置具有局部燃烧的等离子体的、等离子感应的氧化沉积。此外，例如也设置，所述层或附加层产生或具有非常高的压力，并且所述层构造为围绕进口通道11的环。
如同在图3中示例性的示出的那样，第四方法步骤104在时间上在第三方法步骤103之后进行。然而替代地也设置，第四方法步骤104在时间上在第一方法步骤101之前进行。对于第四方法步骤104在时间上在第一方法步骤101之前进行的情况，例如有利地设置，所述层或附加层在一个下述的区域中被去除，该区域至少包括基底3的或盖7的在下一个步骤中或者在第一方法步骤101中和/或在第三方法步骤103中熔化的区域或吸收部分，或者说材料区域13。此外，对于第四方法步骤104在时间上在第一方法步骤101之前进行的情况，例如设置，在第一方法步骤101中，进口孔构造在基底3中或在盖7中并且至少部分地也构造至所述层或附加层中或者穿过所述层或附加层。
例如也设置，
-在第四方法步骤104中，将所述层施加到基底材料上或者基底3上或者盖7上，其中，所述层产生压力(Druckstress)或压应力(Druckspannung)。换句话说，导致压力的层或附加层被施加到基底3上或者盖7上。例如，压力反作用于熔化并且又硬化的材料区域13的拉应力。在此例如设置，所述层尽可能局部地围绕熔化的区域或又硬化的材料区域13产生所述层的压力。
例如也设置，所述层在施加或生长或沉积紧之后不具有显著的压力或显著的压应力或者不将显著的压力或显著的压应力通过所述表面传递到基底3或盖7上。例如也设置，所述层具有拉力或拉应力或者将所述拉力或拉应力通过所述表面传递到基底3或盖7上。在此例如设置，所述层在时间上在第四方法步骤104之后这样预处理，以使得所述层改变其压力状态。在此，所述层例如这样预处理，使得所述层朝压力的方向改变其压力状态。
所述层或附加层的预处理例如为所述层或附加层朝压力的方向改变其压力状态，所述预处理例如如下设置：
-例如在第四方法步骤104中，使一个层或者说PECVD层或者说借助于等离子体支持的化学气相沉积或者借助于等离子体增强的化学气相沉积(plasma-enhanced chemicalvapor deposition)形成的层以拉力沉积，其中，PECVD层通过温度步骤转换成具有压力的状态。例如设置，在所述温度步骤中，整个微机械结构元件被加热或加温或调温。
-例如使一个下述的层沉积，该层在第三方法步骤期间通过在利用激光加热时的温度负荷或温度处理在围绕液化的区域或围绕处于液体聚集态中的材料区域13的区域中在该层的压力状态方面朝压力的方向发展。所述方法在两方面是有利的。一方面，利用这种开始(Ansatz)自调整地准确围绕熔化的区域或围绕处于液体聚集态中的材料区域13构建压力补偿层。另一方面，利用所述方法可以局部地达到比现有技术高的用于预处理的温度。当此外替代地在温度步骤中必须加热或加温或调温整个微机械结构元件或微机械结构元件的较大区域时，这是特别有利的。
-例如使一个下述的层沉积，该层在第五方法步骤期间通过一个另外的温度负荷或温度处理在该层的压力状态方面朝压力的方向发展。换句话说，在此使所述层或附加层的局部预处理在一个附加步骤中进行。例如设置，使用激光用于局部预处理。在此尤其有利地设置，使用短波长的、尤其具有小于1000nm波长的以及短的脉冲持续时间的激光或激光束或激光脉冲或多个激光脉冲。例如附加地设置，所述层或附加层通过与激光脉冲或脉冲的相互作用以朝压力或压应力的方向的应力改变作出反应，然而激光脉冲仅仅少量地耦合输入到基底3或盖7中，从而基底3或盖7不会以驰豫方式对所产生的压力或所产生的应力作出响应或反应。
通过根据本发明的方法制造的微机械结构元件1例如包括在基底3的或盖7的表面上在进口孔11的区域中沉积或生长的、用于产生第二机械应力的层，所述第二机械应力反作用于在进口孔11被封闭的情况下产生的第一机械应力。例如，在此将所述层布置在基底3的或盖7的背离第一空腔5的表面上。然而也可以考虑的是，将所述层布置在基底3的或盖7的朝向第一空腔5的表面上。由此，可以尤其在被封闭的进口孔11的朝向第一空腔5的侧上将第二机械应力传导到微机械结构元件1中。此外例如设置，第一机械应力基本上是拉应力并且第二机械应力基本上是压应力。替代地也设置，第一机械应力基本上是压应力并且所述第二机械应力基本上是拉应力。根据本发明这意味着，所述层构造为使得第二应力是一种下述的应力或应力分布，该应力或应力分布基本上反作用于第一应力或应力分布。由此根据本发明也设置，第一应力和第二应力至少部分地是法向应力和/或弯曲应力和/或剪切应力和/或压应力和/或拉应力。此外根据本发明也设置，所述层构造为例如基本上环形的和/或相对于进口孔11旋转对称的。

Claims (10)

1.一种用于制造微机械结构元件(1)的方法，所述微机械结构元件具有基底(3)和与所述基底(3)连接并且与所述基底(3)包围一第一空腔(5)的盖(7)，其中，在所述第一空腔(5)中，第一压力占主导并且包括具有第一化学成分的第一气体混合物，其中，
-在第一方法步骤(101)中，在所述基底(3)中或者在所述盖(7)中构造使所述第一空腔(5)与所述微机械结构元件(1)的周围环境(9)连接的进口孔(11)，其中，
-在第二方法步骤(102)中，调节所述第一空腔(5)中的第一压力和/或第一化学成分，其中，
-在第三方法步骤(103)中，通过借助于激光将能量或热导入到所述基底(3)的或所述盖(7)的吸收部分中来封闭所述进口孔(11)，其特征在于，
在第四方法步骤(104)中，在所述基底(3)的或所述盖(7)的表面上在所述进口孔(11)的区域中沉积或生长一个层，用于产生第二机械应力，所述第二机械应力反作用于在所述进口孔(11)被封闭的情况下产生的第一机械应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述基底(3)的或所述盖(7)的背离所述第一空腔(5)的表面上沉积或生长所述层。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在要构造的或封闭的进口孔(11)之上和/或在要构造的、打开的或封闭的进口孔(11)紧邻附近去除所述层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，第四方法步骤(104)在时间上在第一方法步骤(101)之前或者在时间上在第三方法步骤(103)之后进行。
5.一种微机械结构元件(1)，其具有基底(3)和与所述基底(3)连接并且与所述基底(3)包围一第一空腔(5)的盖(7)，其中，在所述第一空腔(5)中，第一压力占主导并且包括具有第一化学成分的第一气体混合物，其中，所述基底(3)或所述盖(7)包括封闭的进口孔(11)，其特征在于，
所述微机械结构元件(1)包括在所述基底(3)的或所述盖(7)的表面上在所述进口孔(11)的区域中沉积或生长的、用于产生第二机械应力的层，所述第二机械应力反作用于在所述进口孔(11)被封闭的情况下产生的第一机械应力。
6.根据权利要求5所述的微机械结构元件(1)，其中，所述层布置在所述基底(3)的或所述盖(7)的背离所述第一空腔(5)的表面上。
7.根据权利要求5或6所述的微机械结构元件(1)，其中，所述第一机械应力基本上是拉应力并且所述第二机械应力基本上是压应力，或者，所述第一机械应力基本上是压应力并且所述第二机械应力基本上是拉应力。
8.根据权利要求5，6或7所述的微机械结构元件(1)，其中，所述层构造为基本上环形的和/或相对于所述进口孔(11)旋转对称的。
9.根据权利要求5，6，7或8所述的微机械结构元件(1)，其中，所述盖(7)与所述基底(3)包围一第二空腔，其中，在所述第二空腔中，第二压力占主导并且包括具有第二化学成分的第二气体混合物。
10.根据权利要求5，6，7，8或9所述的微机械结构元件(1)，其中，所述第一压力小于所述第二压力，其中，在所述第一空腔(5)中布置有用于测量转速的第一传感器单元，并且在所述第二空腔中布置有用于测量加速度的第二传感器单元。
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