CN112105580A - 用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和相应的微机械设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和一种相应的微机械设备。所述制造方法包括以下步骤：提供具有前侧(VS)和后侧(RS)的第一衬底(S1)；在所述第一衬底(S1)中形成多个间隔开的通孔(F1、F2)，所述通孔沿着多个间隔开的列(R1、R2)布置在所述第一衬底(S1)中；沿着所述列(R1、R2)中的每一列形成相应的连续的斜的槽(N1、N2)，所述槽确定用于倾斜的光学窗(G1、G2)的支座；并且将所述光学窗(G1、G2)在所述通孔(F1、F2)上方接合到所述槽(N1、N2)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和相应的微机械设备。
背景技术
虽然也可以应用任意的光学设备和系统，但本发明和基于本发明的问题参照光学微机械微镜扫描器设备进行阐释。
微机械MEMS构件必须针对有害的外部环境影响(例如湿气、侵蚀性介质等)受到保护。同样必要的是针对机械触碰/损害以及为了实现由晶片复合结构通过锯切分离成芯片的防护。在许多情况下也必须通过严密封装才能够实现确定的气氛(例如气体类型和/或气体压力)的调设。
具有带腔和通孔的罩晶片的MEMS构件在晶片复合结构中的封装已经详细地设定。为此将罩晶片关于具有MEMS结构的晶片进行调整并且与该晶片接合在一起。所述接合例如可以通过阳极键合或直接键合(在玻璃和硅之间的无接合剂的连接)、通过共晶接合层或通过玻璃焊剂或粘接剂实现。MEMS构件位于罩晶片的腔下方，其中，用于借助细线材连接MEMS构件的电键合垫可以通过罩晶片中的通孔接近。
对于光学微机械MEMS构件(MOEMS)、如微镜而言，需要之前描述的防护并且附加地需要具有高光学品质的和必要时具有特定光学涂层的透明窗。单独地，在罩中也实现用于电连接的通孔。
在光学射束穿过透明窗时，在边界面上产生反射。当微机械微镜扫描器设备的位置固定的反射位于微镜的扫描区域中时，投影图像的亮度上升并且因此起干扰作用。通过光学窗的抗反射涂层仅在干扰反射的亮度方面减小该干扰反射。因为微镜通常围绕其静止位态对称地摆动或偏转，所以当光学窗平行于镜面的静止位态并且当镜平面和光学窗之间的距离小时，所述反射总是位于扫描区域中(在MEMS构件中总是这种情况)。
避免通过反射引起的干扰的唯一的可能性在于，使所述反射从扫描区域转向离开，其方式是，光学窗和镜面在未偏转的状态中不彼此平行。为此，存在两个可能性方案，即一方面使光学窗倾斜，或者另一方面使镜的静止位态倾斜。两个可能性方案在现有技术中已知。
用于单独的芯片的倾斜窗例如在EP 1 688 776 A1中公开。在EP 1 748 029 A2中描述了用于晶片级封装的倾斜窗或者另外的窗形式，通过所述窗形式可以避免反射。
根据EP 1 748 029 A2，在晶片复合结构中由透明材料(玻璃或塑料)制造三维的表面结构(例如倾斜窗)。
用于制造三维结构的方法要么非常贵，要么得不到所需要的光学品质。此外，具有相应的三维结构的晶片在加工时、例如在晶片键合期间是有问题的，因为结构会容易地被损坏。
用于制造具有倾斜的光学窗的防护罩的其他方法例如由DE 10 2008 040 528A1、DE 10 2010 062 118 A1和DE 10 2012 206 858 A1已知。
发明内容
本发明实现一种根据权利要求1的用于具有倾斜的光学窗的微机械设备制造方法以及一种根据权利要求10的相应的微机械设备。
优选的扩展方案是各个从属权利要求的主题。
基于本发明的想法在于，在第一衬底中形成多个间隔开的通孔，所述通孔沿着多个间隔开的列布置在第一衬底中。相应的连续的斜槽沿着所述排中的每一排形成，所述槽确定用于倾斜的光学窗的支座。
因此，本发明能够实现用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的成本有利的制造方法，所述微机械设备例如可以用作为用于微机械微镜扫描器设备的防护晶片。
可以制造具有高光学品质的倾斜的光学透明窗。根据本发明的制造方法是稳固的和适于批量生产的以及比已知方法成本更有利。借助MEMS衬底的本身已知的再加工过程仅需要稍微改型。
倾斜的光学窗可以通过在MEMS和半导体技术中常见的过程制造。可以容易地避免在加工期间在倾斜的光学窗上的刮痕、颗粒和损害。
通过根据本发明的概念可以使用必要时没有阶梯切割型廓的矩形的光学窗。由此可以使光学玻璃的每个晶片的用途增强并且简化分离过程，这是另外的成本优点。
根据优选的扩展方案，相邻的槽沿相反的方向倾斜。这能够实现稳定的衬底结构和芯片的狭窄布置，，使得对于相邻芯片的电键合垫仅需要设置一个共同的开口。
根据另外的优选扩展方案，光学窗沿着其整个周边严密密封地接合、例如粘接。这能够形成严密密封的窗。
根据另外的优选扩展方案，槽在机械磨削过程中形成。这是槽的有效形成方式。
根据另外的优选扩展方案，在形成槽之后将第二衬底键合到前侧上，其中，在第二衬底中形成用于装入光学窗的装入开口。这能够实现对于窗的附加的防护和定向辅助以及衬底的再加工和自动化处理，例如通过边缘抽吸。
根据另外的优选扩展方案，槽和第二衬底这样构型，使得光学窗完全沉降在第二衬底中。这种防护是特别有效的并且通过避免机械接触防止窗的损坏。
根据另外的优选扩展方案，装入开口构造为用于光学窗的侧面导向部。这能够实现窗的可靠定向。
根据另外的优选扩展方案，光学窗为了接合在边缘处环绕地设有玻璃焊剂，随后借助取放过程装入到槽中并且随后在装入状态中以热的方式在玻璃焊剂软化的情况下与衬底严密地接合、例如粘接。这能够实现稳固的和适于批量生产的方法。
根据另外的优选扩展方案，第一和/或第二衬底晶片衬底尤其是玻璃晶片衬底、硅晶片衬底、陶瓷晶片衬底、金属晶片衬底或塑料晶片衬底。这种衬底是稳定的并且能够容易地加工。
附图说明
下面参照实施方式结合附图阐释本发明的其他特征和优点。
附图示出：
图1a)-e)用于阐释根据本发明的第一实施方式的用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和相应的微机械设备的示意性横截面示图；
图2根据本发明的第一实施方式的微机械设备的示意性俯视图；
图3a)-d)用于阐释根据本发明的第二实施方式的用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和相应的微机械设备的示意性横截面示图；和
图4根据本发明的第二实施方式的微机械设备的示意性俯视图。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表明相同的或功能相同的元件。
图1a)-e)是用于阐释根据本发明的第一实施方式的用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和相应的微机械设备的示意性横截面示图，并且图2是根据本发明的第一实施方式的微机械设备的示意性俯视图。
根据第一实施方式的具有倾斜的光学窗的微机械设备例如可以作为用于微机械微镜扫描器设备的防护晶片设备使用。
微机械设备的制造在晶片平面上进行，但是所述制造不局限于此并且也可以在另外的衬底平面上进行。为了简化示图，在此仅示出两个倾斜的光学窗的制造，但是在晶片平面上当然可以生产大量倾斜的光学窗。
在图1a)中，附图标记S1表明第一晶片衬底、例如硅晶片衬底或玻璃晶片衬底或塑料衬底或金属晶片衬底或陶瓷晶片衬底等。图1a)相应于图2中的截面A-A’。
在第一制造步骤中进行第一晶片衬底S1的加工，该第一晶片衬底具有前侧VS和后侧RS。例如借助于KOH蚀刻或喷砂或者借助于另外的任意材料剥除方法(也借助于机械钻孔、磨削、冲蚀或激光加工)将通孔F1和F2引入到第一晶片衬底S1中。通孔F1、F2以及另外的未示出的通孔以平行的列R1、R2矩阵形地构造在第一晶片衬底S1上。
图1b)相应于图2中的截面B-B’。如在图1b)中示出，在随后的过程步骤中，在形成通孔F1、F2等之后，在前侧VS上沿着列R1、R2形成连续的斜的槽N1、N2，所述槽确定用于之后要装入的光学窗的支座或者说密封面。该槽N1、N2例如可以通过磨削加工出相应的型廓。在当前示例中，相对于第一晶片衬底S1的法线的倾斜角为60°，但原则上可以按照应用选择任意的倾斜角。在此，每个槽N1、N2延伸通过相应列的通孔F1、F2。相邻的槽N1、N2优选沿相反的方向倾斜，如在图1b)中示出的那样。
图1c)相应于图2中的截面A-A’并且共同示出槽N1、N2与通孔F1、F2。图1d)相应于图2中的截面A-A’。
如在图1d)中示出，实现光学窗G1、G2的装入和严密密封的接合，所述光学窗首先已经借助于取放装备方法(Chip-to-Wafer-Bestückung，芯片至晶片装备方法)沿着其整个周边环绕地设有玻璃焊剂。在装入光学窗G1、G2之后，使完全装备有光学窗F1、F2的第一晶片衬底在(未示出的)加热板上加热，并且在达到玻璃焊剂的软化温度时光学窗G1、G2通过在前侧VS和后侧RS之间的压力差压紧到所述玻璃窗的相应的支座中。位于学窗G1、G2和第一晶片衬底S1之间的玻璃焊剂软化并且由此熔化。在随后的冷却之后，建立在光学窗G1、G2和第一晶片衬底之间的密封连接。
图1e)相应于图2中的截面B-B’。
随着最后的过程步骤结束防护晶片的制造。为了形成与致动器晶片或传感器晶片的密封的复合结构，例如同样将玻璃焊剂施加到第一晶片衬底S1的后侧RS上(未示出)。
这种具有MEMS晶片的晶片复合结构的制造通过常见的晶片复合工艺和晶片复合设施执行。在此，可以在第一晶片衬底和(未示出的)致动器晶片或传感器晶片之间的腔中调设出相对于环境的低压或过压，如在现有技术中已知的那样。随后芯片的分离也通过标准工艺、如锯切实现。
图3a)-d)是用于阐释根据本发明的第二实施方式的用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法和相应的微机械设备的示意性横截面示图，并且图4是根据本发明的第二实施方式的微机械设备的示意性俯视图。
图3a)、3b)、3c)相应于图4中的截面C-C’。图3c)相应于图4中的截面D-D’。
根据图3a)的过程状态紧接着根据图1c的过程状态。第二晶片衬底S2被键合到第一晶片衬底S1的前侧VS上。在该时间点，第二晶片衬底S2已经可以减薄到其最终的目标厚度并且也具有用于光学窗G1、G2的装入开口D1、D2。用于玻璃窗G1、G2的装入开口D1、D2的减薄和引入可以按照过程实施方案例如通过KOH蚀刻、喷砂、机械磨削、沟槽蚀刻等或者通过所提到的结构化方法的组合实现。
然而，在当前实施例中，首先将第二晶片衬底S2键合到第一晶片衬底S1上，然后减薄到所述第二晶片衬底的最终的目标厚度，并且随后形成用于装入光学窗G1、G2的装入开口D1、D2。
槽N1、N2的深度以及第二晶片衬底S2的厚度优选这样选择，使得光学窗G1、G2相对于第二晶片衬底S2的露出的表面完全沉降。由此可以确保，光学窗G1、G2在装入之后不受损坏，即例如避免由于机械影响所引起的刮痕。优选地，装入开口D1、D2构造为用于光学窗G1、G2的侧面引导部。通过这种侧面引导部，光学窗G1、G2在装入开口D1、D2内部不会滑动，如在图3d)中示出的那样。
如之前已经结合图1d)描述的那样，首先已经环绕地设有玻璃焊剂的光学窗G1、G2的装入借助于取放装备方法实现，然后进行玻璃软化温度步骤。
第二晶片衬底S2的使用能够实现第一晶片衬底S1的无结构的边缘并且也能够实现芯片的环绕的接合面。因此，槽N1、N2可以在整个晶片直径上延伸直至边缘，这在生产技术方面是非常有利的，因为例如可以使用具有大直径的磨削盘。这对于剥除速率以及也对于槽N1、N2的型廓的精度是非常有利的。如上所述，相邻的槽N1、N2优选沿相反的方向倾斜。
这样制造的防护晶片的进一步加工可以像已经结合第一实施方式描述的那样进行。
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。尤其地，所提到的材料和拓扑是示例性地并且不局限于所阐释的示例。
尤其可以选择另外的倾斜方向、角度、几何形状等。
如果使用仅一个衬底S1，那么光学窗也可以作为带连续地引入并且接合到槽中。
Claims (15)
1.用于具有倾斜的光学窗的微机械设备的制造方法，该制造方法具有以下步骤：
提供具有前侧(VS)和后侧(RS)的第一衬底(S1)；
在所述第一衬底(S1)中形成多个间隔开的通孔(F1、F2)，所述通孔沿着多个间隔开的列(R1、R2)布置在所述第一衬底(S1)中；
沿着所述列(R1、R2)中的每一列形成相应的连续的斜的槽(N1、N2)，所述槽确定用于倾斜的光学窗(G1、G2)的支座；并且
将所述光学窗(G1、G2)在所述通孔(F1、F2)上方接合到所述槽(N1、N2)中。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，相邻的槽(N1、N2)沿相反的方向倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，所述光学窗(G1、G2)沿着所述光学窗的整个周边严密密封地接合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述槽(N1、N2)以机械磨削过程形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，在形成所述槽(N1、N2)之后将第二衬底(S2)键合到所述前侧(VS)上，其中，在所述第二衬底(S2)中形成用于装入所述光学窗(G1、G2)的装入开口(D1、D2)。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其中，所述槽(N1、N2)和所述第二衬底(S2)这样构型，使得所述光学窗(G1、G2)完全沉降在所述第二衬底(S2)中。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其中，所述装入开口(D1、D2)构造为用于所述光学窗(G1、G2)的侧面导向部。
8.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述光学窗(G1、G2)为了接合在边缘上环绕地设有玻璃焊剂，然后通过取放过程装入到所述槽(N1、N2)中，然后在装入状态中以热的方式在所述玻璃焊剂软化的情况下严密密封地接合。
9.根据前述权利要求中任一项所述的制造方法，其中，所述第一衬底和/或第二(S1、S2)是晶片衬底、尤其是玻璃晶片衬底、硅晶片衬底、陶瓷晶片衬底、金属晶片衬底或塑料晶片衬底。
10.具有倾斜的光学窗的微机械设备，具有：
带前侧(VS)和后侧(RS)的第一衬底(S1)；
在所述第一衬底(S1)中的多个间隔开的通孔(F1、F2)，所述通孔沿着多个间隔开的列(R1、R2)布置在所述第一衬底(S1)中；
沿着所述列(R1、R2)中的每一列的相应连续的斜的槽(N1、N2)，所述槽确定用于所述倾斜的光学窗(G1、G2)的支座；
多个光学窗(G1、G2)，所述光学窗在所述通孔(F1、F2)上方严密密封地接合到所述槽(N1、N2)中。
11.根据权利要求10所述的具有倾斜的光学窗的微机械设备，其中，相邻的槽(N1、N2)以相反的方向倾斜。
12.根据权利要求10或11所述的具有倾斜的光学窗的微机械设备，其中，所述光学窗(G1、G2)沿着所述光学窗的整个周边严密密封地接合。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的具有倾斜的光学窗的微机械设备，其中，第二衬底(S2)键合到所述前侧(VS)上，其中，在所述第二衬底(S2)中形成用于装入所述光学窗(G1、G2)的装入开口(D1、D2)。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的具有倾斜的光学窗的微机械设备，其中，所述槽(N1、N2)和所述第二衬底(S2)构型成，使得所述光学窗(G1、G2)完全沉降在所述第二衬底(S2)中。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的具有倾斜的光学窗的微机械设备，其中，所述装入开口(D1、D2)构造为用于所述光学窗(G1、G2)的侧面导向部。
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