CN107835788B - 用于微机械窗结构的制造方法和相应的微机械窗结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微机械窗结构的制造方法，所述制造方法具有以下步骤：提供衬底(1)，其中，所述衬底(1)具有正面(4)和背面(5)；在所述正面(4)上形成第一凹部(6)；在所述正面(4)和所述第一凹部(6)上构造覆层(8；8‘、8“)；并且在所述背面(5)上形成第二凹部(7)，使得所述覆层(8)至少局部地露出，由此通过所述覆层的露出区域形成窗(F)。

Description

用于微机械窗结构的制造方法和相应的微机械窗结构
技术领域
本发明涉及一种用于微机械窗结构的制造方法和一种相应的微机械窗结构。
背景技术
为了保护具有微机电(MEMS)构件的晶片免受物理或化学损坏，例如将保护晶片安装到具有MEMS构件的晶片上，例如通过阳极键合。为了保护光学元件、例如微镜，为此设置具有窗的保护晶片。在此，窗覆盖有光学透明层。
由DE 10 2013 211 886A1已知用于装备有窗的装置的制造方法。如在图4中示出的那样，窗板12借助于密封和/或粘接剂接合到衬底1的缺口11中，其中，缺口11相对于衬底1的正面4和背面5具有倾斜的边缘11a。
由EP 1 748 029 A2已知一种具有微镜装置的第一衬底，在该第一衬底上安装具有透光的窗元件的第二衬底。
由DE 10 2012 206 858 A1已知一种用于制造光学窗装置的方法。为此，将透明层安装到具有凹部的衬底上并且随后使该透明层变形。
超短脉冲激光(UKP激光)适用于，有针对性地结构化或去除表面，因此例如已经给UKP激光授予德国未来奖(消息可查阅网页http://www.vditz.de/meldung/deutscher-zukunftspreis-fuer-UKP-laser/)。
发明内容
本发明根据第一方面建立一种用于制造微机械窗结构的方法，所述方法具有以下步骤：提供衬底，其中，衬底具有正面和背面；在正面上形成第一凹部；在正面和第一凹部上构造覆层；并且在背面上形成第二凹部，使得覆层至少局部地露出，由此通过覆层的露出区域形成窗。
本发明根据另一方面建立一种微机械窗结构，具有：衬底，其中，衬底具有正面和背面，其中，衬底具有凹部区域，该凹部区域从正面向背面延伸；和在凹部区域内部展开的窗，该窗由覆层构成并且具有相对于正面倾斜的平面的形状。
本发明建立一种成本有利的方法，以便制造在衬底上的微机械窗结构。通过使覆层露出的方式，形成气密密封的窗，该窗例如尤其可能对于结合MEMS构件、如微镜的应用是必要的。
取消了窗的分离和借助于密封件或粘接剂的接合，由此根据本发明的方法允许微机械窗结构的批量生产。
通过根据本发明的方法制造的微机械窗结构确保对光学元件、例如微镜的保护。
通过使窗沉入在衬底中，使得窗本身也被保护免受损坏。
根据本发明方法的另一实施方式，这样实施第一凹部的形成，使得第一凹部的凹部面具有相对于正面倾斜的平面的形状。由此光学窗良好地适用于光的穿透，例如适用于结合微镜使用。通过窗的倾斜可以防止，在微镜中心出现1级衍射反射。
根据本发明方法的另一实施方式，这样实施第二凹部的形成，使得覆层刚好在具有相对于正面倾斜的平面的形状的凹部面上露出。由此可以确保，整个窗面可供用于光的穿透，例如用于结合微镜使用。
根据本发明方法的另一实施方式，第一凹部的形成通过超短脉冲激光(UKP激光)来实施。由此确保凹部表面的高平面度，因为去除的材料不熔化，而是直接蒸发，因此不出现难以控制的熔液。
根据本发明方法的另一实施方式，覆层是氮化物覆层。
根据本发明方法的另一实施方式，覆层具有第一子覆层和第二子覆层，其中，第一子覆层是氮化物覆层并且第二子覆层氧化物覆层。通过具有压应力的氧化物覆层与具有拉应力的氮化物覆层的结合，可以实现，覆层承受拉应力并且由此被拉平整。
根据本发明方法的另一实施方式，在覆层上形成蛾眼结构。由此可能的是，减少窗的反射并且提高窗的透光性。
根据本发明微机械窗结构的另一实施方式，在覆层的露出的窗区域上构造至少一个附加的防反射层。
根据本发明方法的另一实施方式，通过沟蚀刻、KOH蚀刻和/或通过铣削实现第二凹部的形成。
根据本发明微机械窗结构的另一实施方式，覆层是氮化物覆层。
根据本发明微机械窗结构的另一实施方式，覆层具有第一子覆层和第二子覆层，其中，第一子覆层是氮化物覆层并且第二子覆层是氧化物覆层。
附图说明
本发明实施方式的其他特征和优点由下面参照附图的描述得出。
附图示出：
图1a至c用于阐述用于制造根据本发明第一实施方式的微机械窗结构的制造方法的示意性横截面视图；
图2a至b用于阐述用于制造根据本发明第二实施方式的微机械窗结构的制造方法的示意性横截面视图；
图3根据本发明第三实施方式的微机械窗结构的示意性横截面视图；和
图4根据现有技术实施方式的微机械窗结构的示意性俯视图。
在所有附图中，相同的或功能相同的元件和装置(只要不另外说明)设有同样的附图标记。方法步骤的编号用于概要性并且(只要不另外说明)尤其不应包含确定的时间顺序。尤其也可以同时实施多个方法步骤。
具体实施方式
图1a至c示出用于说明用于制造根据本发明第一实施方式的微机械窗结构的制造方法的示意性横截面视图。
在第一方法步骤中，提供具有正面4和背面5的衬底1，例如半导体衬底，如硅衬底。
在第二方法步骤中，在正面4上例如通过KOH蚀刻、沟蚀刻、喷砂或磨削形成在衬底1中的第一凹部6。优选地，第一凹部6也可以借助于超短脉冲激光(UKP激光)成形。
根据本发明的第一实施方式，第一凹部6是楔形的，其中，第一凹部面2垂直于正面4并且第二凹部面3相对于正面4以角度倾斜，该角度在第二凹部面3和正面4之间形成。在此，角度大于零，例如在10°到60°之间、尤其在15°到45°之间、特别优选在20°到40°之间。如果如上面所述的那样使用UKP激光，则尤其可以确保，第一凹部面2和第二凹部面3具有高的平面度。
然而第一凹部面2不必垂直于前面4。第一凹部面2尤其能够以在第一凹部面2和正面4之间形成的角度α倾斜。例如可以构造第一凹部面2的斜度，其方式是，这样选择衬底1、例如硅衬底的晶向，使得衬底1的<111>-晶向具有相对于正面4的倾斜角度。
然而第一凹部6的形状不局限于楔形，第一凹部6尤其可以是方形、梯形或拱形。
附加地，第一凹部面2和第二凹部面3的平面度可以通过在使用合成气体、如H2的情况下在大于1000℃的温度中的退火步骤来改善。
在第二凹部面3和背面5之间形成的体积相当于在随后的方法步骤中掏空的第二凹部7的体积。
在第三方法步骤中，如在图1b中示出的那样，在正面4、第一凹部面2和第二凹部面3上构造覆层8。在此，覆层8的构造例如可以通过化学气相沉积(“Chemical vapourdeposition”，CVD)、通过物理气相沉积(“physical vapour deposition”，PVD)、通过PECVD(“Plasma-Enhanced-Chemical-Vapor-Deposition”，等离子体增强化学气相沉积)、PICVD(“Plasma-Impulse-Chemical-Vapor-Deposition”，等离子体脉冲化学气相沉积)、LPCVD(“Low-Pressure-Chemical-Vapor-Deposition”，低压化学气相沉积)或TCVD(“Thermical-Chemical-Vapor-Deposition”，热化学气相沉积)方法或者通过热氧化来实现。但覆层8的构造不必局限于这些方法并且同样可以通过其他方法或者通过多种方法的组合实现。
覆层8优选由透明的或半透明的材料、例如由玻璃或塑料组成。覆层8例如可以是氮化物覆层、如LP(“Low pressure”，低压)氮化物覆层。但覆层8的材料不必局限于此。
附加地，例如在相同过程步骤中在背面5上施加掩模9并且使该掩模结构化，使得背面5的属于第二凹部7的部分露出。当掩模9由与覆层8相同的材料组成、即覆层8和掩模9可以在单个工作步骤中被施加时，可以节省时间和成本。但掩模9也可以由与覆层8不同的材料组成并且分别被施加。
在用于根据本发明第一实施方式的微机械窗结构的制造方法的第四方法步骤中，如在图1c中示出的那样，第二凹部7这样形成，使得在第二凹部面3上的覆层8从背面5开始从衬底1的材料中露出。通过覆层8的露出产生在第一凹部6和第二凹部7之间由覆层8形成的窗F，光能够穿透该窗。覆层8在第二凹部面3上尤其遮盖第一凹部6和第二凹部7的全部横截面积，由此所述全部横截面积可供窗使用。
凹部7的形成可以通过沟蚀刻和/或通过KOH蚀刻实现。然而凹部7的形成不局限于该方法，凹部7的形成尤其可以通过铣削、借助于激光(例如UKP激光)或者通过这些方法的组合来实现。在这些情况下可以取消施加掩模9的方法步骤。
此外，例如也可以使第二凹部面3上的覆层8的仅一部分从背面5开始从衬底1的材料中露出。
因此，如在图1c中说明的那样，根据权利要求1制造形成根据本发明第一实施方式的微机械窗结构。在这里，衬底1具有正面4和背面5，其中，衬底1具有凹部区域6、7，该凹部区域从正面4向背面5延伸。展开的窗F在凹部区域6、7内部延伸，该窗由覆层8组成并且具有相对于正面倾斜的平面的形状。根据第一实施方式，凹部区域6、7是方形的，其中，侧面垂直于正面4或者说垂直于背面5。然而凹部6、7不必是方形的并且尤其可以具有梯形横截面、一般的多边形横截面或者拱形横截面。根据第一实施方式，覆层同样在第一凹部面2和正面4上延伸。但本发明不局限于这种情况，尤其可以缺少在正面4上的覆层。
图2a、b示出用于说明根据本发明第二实施方式的微机械窗结构的制造方法的示意性横截面视图。
与用于根据本发明第一实施方式的微机械窗结构的制造方法不同，在这里覆层8分为第一子覆层8‘和第二子覆层8“，其中，第一子覆层8‘首先构造在正面4、第一凹部面2和第二凹部面3上，并且随后第二子覆层8“构造在第一子覆层8‘上。
第一子覆层8‘和第二子覆层8“优选由透明的或者半透明的材料、例如由玻璃或塑料组成。第一子覆层8‘例如可以是氧化物覆层并且第二子覆层8“例如可以是氮化物覆层、例如LP氮化物覆层，然而第一子覆层8‘和第二子覆层8“的材料不必局限于此。
与用于根据本发明第一实施方式的微机械窗结构的制造方法不同，掩模9同样可以分为第一子掩模9‘和第二子掩模9“，其中，第一子掩模9‘首先构造在背面5上，并且随后第二子掩模9“构造在第一子掩模9‘上，随后使第一子掩模9‘和第二子掩模9“这样结构化，使得背面5的属于第二凹部7的部分露出。
第一子掩模9‘尤其可以由与第一子覆层8‘相同的材料组成并且第二子掩模9“可以由与第二子覆层8“相同的材料组成，使得第一子掩模9‘可以与第一子覆层8‘同时构造并且第二子掩模9“可以与第二子覆层8“同时构造，由此可以节省时间和成本。
然而第一子掩模9‘的材料和第二子掩模9“的材料可以与第一子覆层8’和第二子掩模8“的材料不同。
本发明的示例性实施方式不局限于这些可能方案。覆层8尤其可以由第一子覆层8‘和第二子覆层8“组成，但是掩模9仅由一个子掩模组成。此外，覆层8可以由多于两个子覆层组成并且掩模9可以由多于两个子掩模组成，并且覆层8的子覆层的数量与掩模9的子掩模的数量不必相同。
如在图2b中示出，在用于根据本发明第二实施方式的微机械窗结构的制造方法的另一步骤中这样形成第二凹部7，使得第二凹部面3上的覆层8从背面5开始从衬底1的材料中露出。通过覆层8的露出产生在第一凹部6和第二凹部7之间由覆层8形成的窗F，光能够穿透该窗。第二凹部7的形成可以根据上面提到的方法中的任一方法实现。
因此，如在图2b中说明的那样，根据权利要求1制造形成根据本发明第二实施方式的微机械窗结构。与如在图1c中说明的第一实施方式不同，第二实施方式具有第一子覆层8‘和第二子覆层8“，其中，第一子覆层8‘尤其可以是氮化物覆层，并且第二子覆层8“可以是氧化物覆层。
图3示出用于说明根据本发明第三实施方式的微机械窗结构的制造方法的示意性横截面视图。
与用于根据本发明第一实施方式的微机械窗结构的制造方法不同，在这里覆层8、尤其是覆层8在第二凹部面3上构造的部分至少区段式地设有纳米结构化表面。纳米结构化表面尤其可以是蛾眼结构10。蛾眼结构10由小隆起组成，这些小隆起的间距可以在所使用光的波长范围的数量级选择，由此可以实现，减小覆层8的反射特性并且可以使光更好地透射。
根据本发明的另一优选实施方式，可以在窗F上构造至少一个另外的防反射覆层。所述至少一个防反射覆层例如可以是金属覆层(该金属覆层可以具有在几纳米范围内的厚度)、塑料覆层、硅覆层或者类似覆层。覆层的构造可以通过喷镀、借助于CVD方法或者借助于浸渍方法实施。
虽然前面已经参照优选实施例描述了本发明，但本发明不局限于此，而是能够以多种方式修改。本发明尤其能够以各种各样的方式改变或者修改，而不偏离本发明的核心。

Claims (12)

1.微机械窗结构，具有:
衬底(1)，其中，所述衬底(1)具有正面(4)和背面(5)，其中，所述衬底(1)具有凹部区域(6、7)，该凹部区域从所述正面(4)向所述背面(5)延伸；和
在所述凹部区域(6、7)内部展开的窗(F)，该窗由覆层(8)形成并且具有相对于所述正面(4)倾斜的平面的形状，其中，所述覆层(8)具有第一子覆层(8‘)和第二子覆层(8“)，其中，所述第一子覆层(8‘)是氮化物覆层并且所述第二子覆层(8“)是氧化物覆层，所述覆层至少是透明的或半透明的；其中，所述凹部区域(6、7)具有垂直于所述衬底(1)的所述正面(4)的表面，所述覆层(8)的部分形成在所述凹部区域(6、7)的垂直于所述衬底(1)所述正面(4)的所述表面上。
2.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述凹部区域的形成通过超短脉冲激光来实施。
3.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述凹部区域的形成通过KOH蚀刻来实施。
4.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，在所述覆层(8)上形成蛾眼结构(10)。
5.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，在所述覆层(8)的露出的窗区域上构造至少一个附加的防反射层。
6.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述凹部区域的形成通过沟蚀刻、KOH蚀刻和/或铣削实现。
7.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述窗是光学透明的。
8.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述窗的所述覆层至少部分地通过所述背面上的所述凹部区域露出。
9.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述窗跨越所述凹部区域。
10.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述覆层具有压应力。
11.根据权利要求1所述的微机械窗结构，其中，所述第一子覆层具有压应力，所述第二子覆层具有拉应力。
12.根据权利要求11所述的微机械窗结构，其中，覆层具有压应力。
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