CN111655608A - 用于封闭mems元件的柔性膜片中的开口的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于封闭在MEMS元件的柔性膜片中的开口的方法，所述方法包括以下步骤：‑提供在所述柔性膜片中的至少一个开口，‑将封闭材料布置在所述至少一个开口的区域中，‑至少使施加在所述至少一个开口的区域中的所述封闭材料熔化并且随后使熔化的材料冷却以用于封闭所述至少一个开口。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于封闭MEMS元件的柔性膜片中的开口的方法。
本发明还涉及一种具有柔性膜片的MEMS元件，该柔性膜片具有至少一个开口。
虽然本发明可以普遍地应用于具有柔性膜片的任意MEMS元件，但本发明根据呈具有在上膜片和下膜片之间的限定内压力的MEMS麦克风或MEMS压力传感器的形式的MEMS传感器进行阐释。
在已知的MEMS传感器、如MEMS压力传感器或MEMS麦克风中构造有至少一个腔，该腔通过至少一个柔性膜片覆盖。柔性膜片的取决于压力的、尤其取决于声压的偏移变化通过电容变化探测，该电容变化例如通过在柔性膜片和固定电极面之间的电极产生并且可以读取该电容变化。在MEMS压力传感器的制造期间为了膜片的露出还需要在膜片中的蚀刻入口，以便能够在整体上露出该膜片。这些开口又必须被封闭，以便提供限定的内压力。
背景技术
由DE 10 2015 224 520 A1已知用于制造微机械构件的方法，该微机械构件具有衬底和与衬底连接的并且与衬底围成第一腔的罩，其中，进入开口通过衬底或罩的在方法步骤中过渡到液态聚集态的材料区域在第一平面和第二平面之间基本上完全地被填充，该第一平面基本上平行于衬底的主延伸平面地走向并且布置在进入开口的基本上垂直于主延伸平面构造的区域的背离第一腔的一侧上，该第二平面基本上平行于衬底的主延伸平面地走向并且布置在进入开口的基本上垂直于主延伸平面构造的区域的面向第一腔的一侧上。
由DE 10 2015 224 506 A1已知用于制造微机械构件的方法，该微机械构件具有衬底和与衬底连接的并且与衬底围成第一腔的罩，其中，在第一腔中存在第一压力并且围入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，使第一腔与微机械构件的环境连接的进入开口构造在衬底或罩中，其中，
-在第二方法步骤中，在第一腔中调设出第一压力和/或第一化学组分，其中，
-在第三方法步骤中，借助于激光通过将能量或热量引入到衬底或罩的吸收部分中来封闭进入开口，其中，在第三方法步骤之前引入到第一腔中的吸气剂借助于通过激光产生的激光辐射在第三方法步骤期间至少部分地激活。
发明内容
本发明在实施方式中提供一种用于封闭MEMS元件的柔性膜片中的开口的方法，所述方法包括以下步骤：
-在柔性膜片中提供至少一个开口，
-将封闭材料布置在所述至少一个开口的区域中，
-至少使施加在所述至少一个开口的区域中的封闭材料熔化并且随后使所熔化的材料冷却来封闭所述至少一个开口。
本发明在另外的实施方式中提供一种具有柔性膜片的MEMS元件，该膜片具有至少一个开口，所述开口通过施加在所述至少一个开口的区域中的封闭材料的熔化和所熔化的封闭材料的随后的冷却来封闭。
由此实现的一个优点是，由此能够实现具有限定的内压力的MEMS元件的柔性膜片的封闭。另一优点是，开口在其几何构型方面较少地受限制并且即使这样能够实现可靠的封闭。另一优点是，在封闭所述开口时能够使较少的颗粒达到可能通过柔性膜片限定的腔中。此外，开口能够以灵活的方式可靠地并且成本有利地封闭。
本发明的另外的特征、优点和另外的实施方式在下面描述或者可以由此公开：
根据有利的扩展方案，尤其在所述至少一个开口的区域中借助于离心涂覆和/或借助于喷射方法和/或借助于晶片的键合实现封闭材料的施加。由此实现的一个优点是，由此能够以灵活的方式施加例如激光敏感材料，如呈膏、乳剂、乳剂滴或类似物的形式的二氧化硅、金属、聚合物或类似物。
根据另外的有利的扩展方案，借助于激光射束实现熔化。由此优点是，能够以简单的方式并且同时以非常可靠的方式局部地限界熔化并且因此能够可靠地实现所述至少一个开口的封闭。
根据另外的有利的扩展方案，除了所施加的封闭材料的熔化之外附加地，使在所述至少一个开口的区域中的柔性膜片的材料熔化。由此优点是，由此可以实现在所述至少一个开口的区域中的封闭材料和膜片材料的特别可靠的连接。
根据另外的有利的扩展方案，借助于激光射束使封闭材料运动到所述至少一个开口的区域中。由此，封闭材料也可以首先布置在开口的直接区域外部并且然后借助于激光射束朝着开口运动以用于封闭该开口。由此不需要封闭材料直接在所述至少一个开口的区域中的费事的和精确的布置。
根据另外的有利的扩展方案，至少部分地提供呈膜片材料的形式的封闭材料。由此优点是，不必再施加另外的材料类型作为封闭材料。以该方式通过单个材料实现特别可靠的封闭。
根据另外的有利的扩展方案，通过剥除柔性膜片的膜片材料来提供封闭材料。在此，柔性膜片可以在剥除的准备阶段中已经这样定尺寸、尤其更厚地定尺寸，使得随后通过相应的剥除实现柔性膜片的期望的(目标)层厚度。因此，所述封闭和柔性膜片的合适的定尺寸基本上在一个步骤中进行。
根据另外的有利的扩展方案，借助于光学装置提供呈空心环或空心椭圆的形式的激光射束。以该方式，可以通过激光射束、尤其是该激光射束的横截面的成形实现封闭材料的特别精确和可靠的熔化并且实现所述至少一个开口的封闭。借助于空心环例如可以有针对性地照射封闭材料和开口之间的过渡区域，而不在封闭材料或开口的中心处引入高能量。由此可以使封闭材料仅在边缘区域中熔化并且避免封闭材料的完全熔化。
根据另外的有利的扩展方案，提供在其功率方面和/或在至少一个直径方面有规律地变动(pulsierend)的激光射束。由此提高灵活性，因为由此激光射束能够以灵活的方式适配于不同的材料和不同大小的开口。
根据另外的有利的扩展方案，使激光射束和柔性膜片的平面相对彼此倾斜地布置。由此优点是，例如能够在侵入到柔性膜片中的深度较小时实现激光射束的增大的光斑尺寸，这优化了通过激光射束到柔性膜片的期望的浅的材料深度中的能量引入并且同时增大了熔化面积。
根据另外的有利的扩展方案，至少部分地借助于柔性膜片形成腔并且所述至少一个开口构造为通向腔的入口并且通过封闭柔性膜片中的所述至少一个开口在腔中围入限定的压力。由此优点是，针对压力应用提供精确的和可靠的MEMS元件。
根据MEMS元件的另外的有利的扩展方案，在柔性膜片下方、尤其在腔的内表面上布置有抗粘附材料。由此优点是，减小在腔内部的部分的永久粘附。
本发明的其他重要的特征和优点由从属权利要求、附图并且由参照附图的相应的附图说明得出。
当然，前面提到的和下面还要阐释的特征不仅能够以相应说明的组合应用，而且也能够以另外的组合或单独地应用，而不偏离本发明的框架。
附图说明
本发明的优选实施方案和实施方式在附图中示出并且在下面的说明中详细阐释，其中，相同的附图标记涉及相同的或功能相同的构件或元件。
图1以横截面示意性示出在封闭开口之前的根据本发明的实施方式的MEMS压力传感器。
图2以横截面示意性示出在封闭开口时的根据图1的MEMS压力传感器。
图3以横截面示意性示出根据本发明的实施方式的用于封闭图1的MEMS压力传感器的开口的方法的步骤。
图4示出根据本发明的实施方式的用于封闭MEMS压力传感器的开口的方法的步骤。
图5a-d示出根据本发明的实施方式的用于封闭MEMS压力传感器的开口的激光射束的不同形式。
具体实施方式
图1以横截面示意性示出在封闭开口之前的根据本发明的实施方式的MEMS压力传感器。
在图1中示出MEMS压力传感器1。MEMS压力传感器1包括衬底4，其中，在衬底4上布置有下膜片3，该下膜片在其下侧上从衬底4部分地露出或者说可以露出。在下膜片4的上侧上布置有支撑结构5，该支撑结构使上膜片2相对于下膜片3受支撑。上膜片2和下膜片3基本上水平地并且彼此平行地布置。在此，通过下膜片和上膜片2、3以及支撑结构5形成多个腔10。在下膜片3的上侧上并且在上膜片2的下侧上分别布置有电极7，所述电极在膜片2、3运动时经受在这些电极之间的电容的变化。然而，该电容变化可以相应地借助于读取方法读取并且例如获取作用到膜片2、3上的压力。
为了制造用于MEMS压力传感器1的该MEMS层结构，在上膜片2中布置有呈开口的形式的蚀刻入口6。该开口6又必须被封闭，以便例如能够实现在两个膜片2、3之间的腔10中的1至10mbar的限定的内压力。
图2以横截面示意性示出在封闭开口时的根据图1的MEMS压力传感器。
在图2中基本上示出根据图1的MEMS压力传感器1。不同于根据图1的MEMS麦克风1，在根据图2的MEMS麦克风1中在开口6中或上仅部分地布置有封闭材料8。借助于激光射束9将封闭材料8有针对性地熔化到开口上或中并且由此在冷却之后封闭盖开口。封闭材料8例如是相应匹配的激光敏感材料，例如呈膏、乳剂、乳剂滴或类似物形式的二氧化硅、金属、聚合物或类似物。该激光敏感材料例如可以借助于离心涂覆或有针对性地通过喷射方法施加。同样地，必要时可以使用附加地键合的附加晶片作为封闭材料8。
图3以横截面示意性示出根据本发明的实施方式的用于封闭图1的MEMS压力传感器的开口的方法的步骤。
在图3中基本上示出根据图1的MEMS压力传感器1。不同于根据图1的MEMS压力传感器1，在根据图3的MEMS压力传感器1中封闭材料8不直接布置到开口6中或上，而是相应地布置在所述开口的右侧旁边。借助于斜着入射的激光射束9，通过激光射束9使封闭材料8移动到开口6上(附图标记20)，使得最终根据图2的封闭材料8布置在开口6上或中。然后又借助于激光射束9加热该封闭材料，所述封闭材料由此被熔化并且在冷却后封闭开口6。
图4示出根据本发明的实施方式的用于封闭MEMS麦克风的开口的方法的步骤。
在图4中基本上示出根据图1的MEMS压力传感器1。不同于根据图1的MEMS压力传感器1，在根据图4的MEMS压力传感器1中上膜片2较厚地实施。在此，上膜片2的垂直于两个膜片2、3之间的距离所测量的厚度这样测定，以便能够借助于激光射束9由熔化的膜片材料产生材料前部作为封闭材料8，然而在此不损坏膜片2。在此，激光射束9这样引导到上膜片2上，使得材料前部的运动沿方向21进行，即熔化的材料朝着开口6的方向运动。在此，激光射束9扫描上膜片2的膜片表面。换言之，上膜片2的厚度这样测定，使得在借助于激光射束9的材料剥除和开口6的封闭之后实现或提供上膜片2的期望的目标厚度。
图5a-d示出根据本发明的实施方式的用于封闭MEMS压力传感器的开口的激光射束的不同形式。
在图5a-d中分别示出激光射束9的形式的变型方案。在图5a中，激光射束9具有点形的激光光斑9或者说圆形的形式。在图5b中，借助于相应的光学器件提供在其横截面中的呈空心环9b的形式的激光射束9。在图5c中基本上提供根据图5b的空心环9b。然而，根据图5c的空心环9b‘的直径30在此尤其围绕平均的直径例如周期性地、随机地或类似地改变。在此，平均直径尤其基本上相应于上膜片2的圆形开口6的直径。最后，在图5d中示出空心椭圆9c，该空心椭圆的沿着空心椭圆的轴线的一个直径30有规律地变动或改变。同样可能的是，替代地或附加地相应改变另一轴线的直径。
借助于图5b-d的实施方式例如可以产生封闭材料8的局部的更好的熔化物分配。
在另外的实施方式中，激光射束9能够以相对于MEMS元件的、尤其是上柔性膜片2的表面的相应角度入射到该表面上，以便在侵入到膜片2中的深度较小的情况下实现较高的光斑尺寸、换言之由激光射束9加载的更大面积。由此可以优化到期望的浅的材料深度中的能量引入并且增大熔化面积。
MEMS元件尤其可以使用为MEMS压力传感器、MEMS惯性传感器、MEMS惯性传感器和MEMS压力传感器的组合、MEMS麦克风、MEMS扬声器和/或具有包围在空穴中的参考气体的、如呈NOx传感器、Lambda传感器或类似装置的形式的MEMS气体传感器。
具有柔性膜片的传感器元件例如具有在约几百纳米至几微米的范围中的厚度。作为封闭材料例如可以使用具有在约几百纳米至几微米的范围中的厚度的、富含硅的氮化物SixNy或化学计量的硅氮化物Si3N4。如已经详细解释的那样，作为封闭材料还可以使用在旋涂玻璃(Spin-on-Glas)中的二氧化硅或具有溶解的氧化钨的金属膏，其中，随后使溶剂蒸发并且二氧化硅或金属作为封闭材料8使用。如果可以借助于喷射方法施加封闭材料8，那么例如可以由此施加铝或铜。封闭材料8同样可以借助于LIFT(Laser induced forwardtransfer，激光诱导转移法)施加到膜片2上。作为封闭材料例如可以使用铬、铝、铜、二氧化硒或石墨。
总结而言，本发明的实施方式中的至少一个实施方式具有下列优点中的至少一个优点：
·在封闭膜片中的开口时将较少的颗粒引入到同一个膜片的下侧的区域中。
·在开口、尤其是蚀刻入口中的更自由的几何形状选择。
·之后借助于抗粘附材料例如对膜片下方的腔的进行涂覆并且随后以限定的内压力封闭的可能性。
·将多个内压力包围在通过膜片形成的不同的腔区域。
·高灵活性。
·高可靠性。
虽然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改型。
Claims (13)
1.用于封闭在MEMS元件(1)的柔性膜片(2)中的开口(6)的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供在所述柔性膜片(2)中的至少一个开口(6)，
-将封闭材料(8)布置在所述至少一个开口(6)的区域中，
-至少使施加在所述至少一个开口(6)的区域中的所述封闭材料(8)熔化并且随后使熔化的材料(8)冷却以用于封闭所述至少一个开口(6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，尤其在所述至少一个开口(6)的区域中借助于离心涂覆和/或借助于喷射方法和/或借助于晶片的键合实现所述封闭材料(8)的施加。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述熔化借助于激光射束(9、9a、9b、9b‘、9c)实现。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，除了施加的所述封闭材料(8)的熔化之外附加地，使所述至少一个开口(6)的区域中的所述柔性膜片(2)的材料熔化。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，借助于激光射束(9、9a、9b、9b‘、9c)使所述封闭材料(8)运动到所述至少一个开口(6)的区域中。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，至少部分地提供呈膜片材料的形式的所述封闭材料(8)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过剥除所述柔性膜片的膜片材料提供所述封闭材料(8)。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，借助于光学装置提供呈空心环(9b、9b‘)或空心椭圆(9c)的形式的所述激光射束(9、9a、9b、9b‘、9c)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中，提供在其功率方面和/或在至少一个直径(30)方面有规律地变动的所述激光射束(9、9a、9b、9b‘、9c)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，所述激光射束(9、9a、9b、9b‘、9c)和所述柔性膜片(2)的平面相对彼此倾斜地布置。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，至少部分地借助于所述柔性膜片形成腔并且所述至少一个开口(6)构造为通向所述腔(10)的入口并且通过所述至少一个开口(6)的封闭将限定的压力围入所述腔(10)中。
12.具有柔性膜片(2)的MEMS元件(1)，该柔性膜片具有至少一个开口(6)，该开口通过施加在所述至少一个开口(6)的区域中的封闭材料(8)的熔化和熔化的所述封闭材料(8)的随后的冷却而封闭。
13.根据权利要求12所述的MEMS元件，其中，在所述柔性膜片(2)下方、尤其在腔(10)的内表面上布置有抗粘附材料。
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