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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Fenstervorrichtung für eine MEMS-Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Zum Schutz vor schädlichen äußeren physikalischen oder chemischen Einflüssen ist die Verkapselung von MEMS-Bauelementen (mikro (elektro) mechanischen Bauelementen) mit einem Schutzwafer, der Kavitäten und Durchgangsöffnungen aufweisen kann, in einem entsprechenden Wafer Verbund etabliert. Es ist üblich, den Schutzwafer auf dem Wafer mit den MEMS-Strukturen zu justieren und durch etablierte Techniken, wie z.B. anodisches Bonden oder Sealglas Bonden, mit diesem zu fügen.
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Für optische MEMS-Bauelemente ist zusätzlich zu den beschriebenen Anforderungen an den Kappenwafer regelmäßig ein transparentes Fenster über der Kavität mit hoher optischer Güte erforderlich. Ein Verfahren zu dessen Herstellung wird in
DE 10 2009 045 541 A1 beschrieben. Zur Reduktion von störenden Reflexionen an den Grenzflächen des optisch transparenten Fensters werden dünne Anti-Reflex Beschichtungen auf derartige Fenster aufgebracht oder diese gegenüber dem MEMS-Bauelement geneigt.
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Geneigte optische Fenster für vereinzelte Chips werden in
EP 1 688 776 A1 angegeben. Speziell für den Aufbau von Wafern aus mehreren Schichten werden geneigte Fenster in
US 2007 0024549 aufgeführt und deren Herstellung wird erläutert. Die
DE 10 2008 012 384 A1 beschreibt einen Deckel zur Verkapselung von Mikro-Systemen, der ein schräges optisches Fenster enthält, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Fenstervorrichtung für eine MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem ersten Schritt des Aufbringens einer Schicht aus einem transparenten Material auf einem Substrat mit einer Ausnehmung und einem zweiten Schritt des Deformierens der Schicht, so dass diese gefaltet wird und der deformierte Bereich der Schicht ein optisches Fenster bildet.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für eine Fenstervorrichtung in optischer Güte für eine MEMS-Vorrichtung. Das Verfahren gewährleistet einen Schutz der optischen Fenster vor Kratzern und Fremdpartikeln während der Weiterverarbeitung. Das dargestellte Verfahren ist tauglich für große Serien. Das Verfahren bietet die Möglichkeit die Neigung der Fensterstruktur zu begrenzen und die Fensterflächen mit einer nanostrukturierten Oberfläche zu versehen. Das Fenster kann hermetisch dicht hergestellt und eingesetzt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 2 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 4 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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4 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 6 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
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7a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 8 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
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9a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
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10a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
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11a)–d) schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
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12a)–e) schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
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13a)–f) schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 2 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und 2 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
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In 1a)–d) und 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Durchgangsöffnung im Substrat 1 und Bezugszeichen 5 bezeichnet einen verlagerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist und von der restlichen Hilfsschicht 3 durch eine Kavität 6 getrennt ist. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5 in die Durchgangsöffnung 4 gedreht werden kann. Der verlagerbare Bereich 5 zeigt einen Überlapp 8 mit der Peripherie der Durchgangsöffnung 4. Die Oberseite von Substrat 1 ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und dessen Unterseite ist mit Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet. Die Schicht 2 ist in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
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Die Reihenfolge folgender Produktionsschritte ist nicht zwingend festgelegt und kann davon abweichend vorgenommen werden. In einem ersten Schritt erfolgt gemäß 1a) die Herstellung des Substrats 1 bevorzugt beispielsweise aus Silizium, wobei in dieses Substrat 1, beispielsweise per KOH-Ätzen oder Sandstrahlen oder einem anderen beliebigen Material-Abtragverfahren, wie mechanischem Bohren, Schleifen oder per Laser, eine Durchgangsöffnung 4 eingebracht wird. Die Durchgangsöffnung 4 ist beispielsweise für den optischen Zugang zu einem Mikrospiegel (MOEMS) oder für die elektrische Kontaktierung über den Bondlands bestimmt.
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In einem zweiten Schritt wird gemäß 1a) ein Waferverbund bestehend aus einer transparenten und thermisch verformbaren Schicht 2, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, und einer Hilfsschicht 3, die vorzugsweise aus Silizium besteht, gebildet. Der Waferverbund wird mit in der MEMS Technik üblichen Verfahren wie beispielsweise anodischem Bonden oder Silizium-Glas-Direktbonden hergestellt. Die Hilfsschicht 3 kann vor oder nach dem Verbinden auf eine gewünschte Dicke gebracht werden, beispielsweise durch Schleifen oder Polieren.
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In einem dritten Schritt gemäß 1a) wird ein verlagerbarer Bereich 5 in der Hilfsschicht 3 über der Durchgangsöffnung 4 definiert, auf dem das Material erhalten bleibt. Das kann beispielsweise mittels eines DRIE-Ätzprozesses erfolgen. Der verlagerbare Bereich 5 ist üblicherweise kleiner als die Fläche der Durchgangsöffnung 4 im Substrat 1. Der verlagerbare Bereich 5 dient der Versteifung der Schicht 2 während der in einem weiteren Schritt folgenden Verformung und sorgt dafür, dass die optische Fensterstruktur F zwar eine Neigung erhalten kann, aber die Ebenheit der geneigten Fläche gewährleistet bleibt.
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In einem vierten Schritt wird gemäß 1b) die Anordnung aus Hilfschicht 3 und Schicht 2 sowie Substrat 1 zueinander ausgerichtet und diese werden miteinander verbunden, beispielsweise über anodisches Bonden oder Direktbonden. Die Strukturierung der Hilfsschicht 3, d.h. die Definition des versteifenden verlagerbaren Bereichs 5 über der Durchgangsöffnung 4, kann vor oder nach der Herstellung dieses Waferstapels, bestehend aus Hilfsschicht 3, Schicht 2, Substrat 1, erfolgen.
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In einem fünften Schritt gemäß 1c) wird der Waferstapel von der Unterseite 11 des Substrats 1 flächig angesaugt und auf eine geeignet hohe Temperatur gebracht, bei der sich die Schicht 2 plastisch verformen kann. Allgemein kann ein Druckunterschied zwischen beiden Seiten des Fensterbereichs F zu einer Neigung und/oder zu einer Verschiebung des verlagerbaren Bereichs 5 führen. Die Neigung kann auch durch eine mechanische Kraft bewirkt werden. Aufgrund des Unterdrucks an der Durchgangsöffnung 4 wird die optische Fensterstruktur F im Bereich des verlagerbaren Bereichs 5 tiefgezogen. Die gewünschte Drehung um die Neigungsachse 7 wird definiert, indem der verlagerbare Bereich 5 lateral mindestens an einer Seite oder an mindestens einer Stelle über die Durchgangsöffnung 4 in dessen Peripherie über das Substrat 1 hinausragt und somit einen Überlapp 8 mit diesem zeigt. Der Überlapp 8 verhindert, dass der verlagerbare Bereich 5 an dieser Seite während der thermischen plastischen Verformung in die Durchgangsöffnung 4 hineingezogen wird. Durch eine geeignet eingestellte Dicke der Hilfsschicht 3 sowie einem geeignet eingestellten Unterdruck kann auch gezielt eine gewölbte Fensterstruktur F hergestellt werden.
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In einem sechsten Schritt wird gemäß 1d) die Hilfsschicht 3 abgeätzt, beispielsweise mittels KOH-Ätzen. Durch dieses Ätzen soll die Schicht 2 nicht oder nur minimal angeätzt werden, so dass ihre optische Güte erhalten bleibt. Um die Ätzzeit zu minimieren, können in die Hilfsschicht 3 Löcher oder Schlitze eingebracht werden. Diese Strukturen erhöhen die Ätzfläche und ermöglichen einen Ätzangriff anderer Ebenen, die schneller geätzt werden als die ursprüngliche Ebene. Die Löcher oder Schlitze sind für die Maximierung der Ätzgeschwindigkeit in ihren Dimensionen (Länge, Breite und Tiefe) geeignet auszulegen. Das Einbringen dieser Strukturen kann zusammen mit dem Erzeugen des verlagerbaren Bereichs 5 in einem Prozessschritt erfolgen.
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3a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 4 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und 4 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In 3a)–d) und 4 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Durchgangsöffnung im Substrat 1 und Bezugszeichen 5a bezeichnet einen verlargerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist und über mindestens ein Federelement 9 mit der restlichen Hilfsschicht 3 verbunden ist. Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Kavität. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5a in die Durchgangsöffnung 4 gedreht werden kann. Die Oberseite von Substrat 1 ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und dessen Unterseite ist mit Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet. Die Schicht 2 ist in 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
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Die Ausführungsform ist analog zu der in den 1a)–d) und in 2 erläuterten ersten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass der verlagerbare Bereich 5a in 3b)c) über mindestens ein Federelement 9 mit der Hilfsschicht 3 verbunden ist und keinen Überlapp mit der Peripherie der Durchgangsöffnung 4 zeigt.
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5a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 6 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und 6 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung.
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In 5a)–d) und 6 bezeichnet Bezugszeichen 1a ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Durchgangsöffnung im Substrat 1a und Bezugszeichen 5b bezeichnet einen verlargerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist und durch eine Kavität 6 von der restlichen Hilfsschicht 3 getrennt ist. Der verlagerbare Bereich 5b besitzt mindestens ein Anschlagselement 21 und an entsprechenden Seiten der Durchgangsöffnung 4 in Substrat 1a sind Anschrägungen 20 vorgesehen. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5b in die Durchgangsöffnung 4 gedreht werden kann. Der verlagerbare Bereich 5b zeigt einen Überlapp 8 mit der Peripherie der Durchgangsöffnung 4. Der Überlapp kann in einem extremen Fall auch verschwindend gering sein. Die Oberseite von Substrat 1a ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und dessen Unterseite ist mit Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet. Die Schicht 2 ist in 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
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Die Ausführungsform ist analog zu der in den 1a)–d) und in 2) erläuterten ersten Ausführungsform, wobei zur Begrenzung der Drehung des verlagerbaren Bereichs 5b im Substrat 1a eine Durchgangsöffnung 4 per KOH-Ätzen so eingebracht wird, dass auf mindestens einer Seite der KOH-Ätzung eine Anschrägung 20 entsteht gemäß 5a) und 6. Zur Realisation des mechanischen Anschlags des verlagerbaren Bereichs 5b auf dem Substrat 1a wird am verlagerbaren Bereich 5b über der mindestens einen Anschrägung 20 mindestens ein Anschlagselement 21 gemäß 6 angebracht. Dadurch wird gewährleistet, dass sich beim Erhitzen der verlagerbare Bereich 5b nur soweit in die Durchgangsöffnung 4 drehen kann, bis das mindestens eine Anschlagselement 21 auf der entsprechenden Anschrägung 20 eine weitere Drehung blockiert 5c). Die maximale Drehung des verlagerbaren Bereichs 5b kann durch dem Abstand des mindestens einen Anschlagselement 21 von der Neigungsachse 7 frei eingestellt werden. Die mindestens eine Anschrägung 20 ist auch hinsichtlich der Verformung der Schicht 2 vorteilhaft, da die Verformung auch auf der mindestens einen Anschrägung 20 erfolgen kann und das Material daher nur in kleinerem Ausmaß geschert werden muss.
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7a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten entlang der Line A-B in 8 zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und 8 ist eine schematische Draufsicht zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung.
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In 7a)–d) und 8 bezeichnet Bezugszeichen 1b ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Durchgangsöffnung im Substrat 1b und Bezugszeichen 5c bezeichnet einen verlargerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist und durch eine Kavität 6 von der restlichen Hilfsschicht 3 getrennt ist. An einer Seite der Durchgangsöffnung 4 in Substrat 1b ist eine Anschrägung 22 vorgesehen und die zu dieser nächstgelegene parallele Kante des verlagerbaren Bereichs 5c ist mit Bezugszeichen 23 gekennzeichnet. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5c in die Durchgangsöffnung 4 gedreht werden kann. Der verlagerbare Bereich 5c zeigt einen Überlapp 8 mit der Peripherie der Durchgangsöffnung 4. Der Überlapp kann in einem extremen Fall auch verschwindend gering sein. Die Oberseite von Substrat 1b ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und dessen Unterseite ist mit Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet. Die Schicht 2 ist in 8 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
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Die Ausführungsform ist analog zu der in den 1a)–d) und in 2 erläuterten ersten Ausführungsform, wobei die Durchgangsöffnung 4 im Substrat 1b so gestaltet wird, dass der Anschlag des verlagerbaren Bereichs 5c mit der Kante 23 an der Anschrägung 22 erfolgt, die parallel zur Neigungsachse 7 verläuft und von dieser am weitesten entfernt ist 7c). Die Anschrägung 22 wird gemäß 8 nur an einer Seite der Durchgangsöffnung 4 angebracht, wobei die anderen drei Seiten der Durchgangsöffnung 4 ebenfalls mit schrägen oder senkrechten Kanten versehen werden können. Um den Anschlag des verlagerbaren Bereichs 5c zu realisieren und die maximale Drehung des verlagerbaren Bereichs 5c um die Neigungsachse 7 einzustellen wird der Abstand der Kante 23 von der Neigungsachse 7 so angepasst, dass die Drehung durch die Anschrägung 22 bei entsprechender Neigung blockiert wird 7c).
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Die dritte und vierte Ausführungsform, die ein Begrenzen der Drehung des verlagerbaren Bereichs 5b, 5c in die Durchgangsöffnung 4 beinhaltet, ist vorteilhaft, da bei der plastischen Verformung während des Erhitzens ein Verschmelzen der umgeformten Schicht 2 mit einer Auflagefläche verhindert werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der auf einem Wafer möglicherweise mehrfach erzeugte verlagerbare Bereich 5b, 5c nach dem plastischen Verformen jeweils die gleiche Drehung aufweist, obwohl der Wafer nicht an jedem Ort der gleichen Temperatur ausgesetzt war.
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9a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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In 9a)–d) bezeichnet Bezugszeichen 1c ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. In Substrat 1c ist eine Kavität 32 eingebracht, die zur Unterseite 11 hin einen Bodenbereich 31 aufweist. Bezugszeichen 5 bezeichnet einen verlargerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist und von der restlichen Hilfsschicht 3 durch eine Kavität 6 getrennt ist. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5 in die Kavität 32 gedreht werden kann. Der verlagerbare Bereich 5 zeigt einen Überlapp 8 mit der Peripherie der Kavität 32. Der Überlapp 8 kann in einem extremen Fall auch verschwindend gering sein. Die Oberseite von Substrat 1c ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet.
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Die Reihenfolge folgender Produktionsschritte ist nicht zwingend festgelegt und kann davon abweichend vorgenommen werden. In einem ersten Schritt erfolgt gemäß 9a) das Einbringen einer Kavität 32 in das Substrat 1c, die zur Oberseite 10 hin offen ist. In einem zweiten Schritt wird ein Verbund gemäß 9a) aus dem Substrat 1c, einer Schicht 2, die aus einem transparenten thermisch verformbaren Material bestehen soll, und einer Hilfsschicht 3, gebildet, wobei sich in der Kavität 32 Vakuum befindet. In einem dritten Schritt wird gemäß 9b) ein verlagerbarer Bereich 5 in der Hilfsschicht 3 erzeugt. In einem vierten Schritt wird der Gesamtverbund geeignet erhitzt, so dass der verlagerbare Bereich 5, der Überlapp 8 mit der Peripherie der Kavität 32 zeigt, einseitig in die Kavität 32 über die Neigungsachse 7 gedreht wird 9c). Die plastische Verformung erfolgt durch das Vakuum, ohne dass es eines flächigen Ansaugens des Substrats 1c bedarf. In einem fünften Schritt erfolgt gemäß 9d) das Freilegen der Schicht 2 durch Entfernen der Hilfsschicht 3 und des Bodenbereichs 31 in einem Ätzprozess.
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10a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.
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In 10a)–d) bezeichnet Bezugszeichen 1c ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. In Substrat 1c ist eine Kavität 32 eingebracht, die zur Unterseite 11 hin einen Bodenbereich 31 aufweist. Bezugszeichen 5a bezeichnet einen verlargerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist und mit mindestens einem Federelement 9 mit der restlichen Hilfsschicht 3 verbunden ist. Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Kavität. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5a in die Kavität 32 gedreht werden kann. Die Oberseite von Substrat 1c ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet.
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Die Ausführungsform ist analog zu der in den 9a)–d) erläuterten fünften Ausführungsform mit dem Unterschied, dass der verlagerbare Bereich 5a gemäß 10b)c) über mindestens ein Federelement 9 mit der Hilfsschicht 3 verbunden ist und keinen Überlapp mit der Peripherie der Kavität 32 zeigt.
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Die fünfte und die sechste Ausführungsform haben den Vorteil, dass viele Wafer gleichzeitig in einem Ofen prozessiert werden können (Batch-Prozess für die Schrägstellung der Fenster). Diese Ausführungsformen haben ebenfalls einen Anschlag zur Begrenzung der Drehung des verlagerbaren Bereichs.
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11a)–d) sind schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
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In 11a)–d) bezeichnet Bezugszeichen 1d ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht. In Substrat 1d ist eine Kavität 33 eingebracht, die zur Unterseite 11 hin offen ist. Bezugszeichen 5d bezeichnet einen verlargerbaren Bereich, der über mindestens ein Federelement 9a mit Substrat 1d verbunden ist. Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Kavität. Die Oberseite von Substrat 1d ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet.
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Die Reihenfolge folgender Produktionsschritte ist nicht zwingend festgelegt und kann davon abweichend vorgenommen werden. In einem ersten Schritt erfolgt gemäß 11a) das Einbringen einer Kavität 33 in das Substrat 1d mit Hilfe eines Ätzvorgangs. In einem zweiten Schritt wird ein Verbund aus dem Substrat 1d und einer Schicht 2, die aus einem transparenten thermisch verformbaren Material bestehen soll, gebildet. In einem dritten Schritt erfolgt gemäß 11b) das Erzeugen eines verlagerbaren Bereichs 5d in der Hilfsschicht 3 und das Anbringen mindestens eines Federelements 9a. In einem vierten Schritt erfolgt geeignetes Erhitzen des Gesamtverbundes und Anlegen eines Unterdrucks von der Unterseite 11 an die Kavität 33, so dass der verlagerbare Bereich 5d einseitig in die Kavität 33 gedreht wird 11c). Der verlagerbare Bereich 5d auf der Unterseite der Fensterstruktur F verhindert während der plastischen Verformung das Verschmelzen der Schicht 2 mit der Ansaugfläche. In einem fünften Schritt wird gemäß 11d) die Schicht 2 durch Entfernen des verlagerbaren Bereichs 5d und des Torsionselements 9a freigelegt.
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Die erzeugte optische Fenstervorrichtung kann mit üblichen in der Mikromechanik verwendeten Bond-Verfahren, wie beispielsweise dem Bonden mit Glaslot oder Kleber, eutektischem Bonden oder anodischem Bonden, mit den MEMS oder MOEM-Wafern verbunden werden.
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Besonders vorteilhaft an den erläuterten Ausführungsformen ist, dass die Fensterstruktur F im Substrat 1, 1a, 1b, 1c, 1d versenkt und dadurch geschützt ist. Die Fenstervorrichtung kann bei der Weiterverarbeitung nicht geschädigt werden, da Kratzer, Abdrücke sowie anhaftende Partikel vermieden werden können. Insbesondere gilt dies für das Glaslot-Waferbonden, bei dem die Fenstervorrichtung und der MOMEMS-Wafer mit hohem mechanischen Druck gegeneinander gepresst werden.
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12a)–e) sind schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung.
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In 12a)–e) bezeichnet Bezugszeichen 1e ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht. Bezugszeihen 1e1, 1e2, 1e3 und 1e4 bezeichnen Einspannbereiche, die aus dem Substrat 1e gebildet werden, wobei sich eine Ausnehmung 50 zwischen den Einspannbereichen befindet. Eine Kante der Einspannbereiche ist mit Bezugszeichen K1, K2, K3 und K4 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet.
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Die Reihenfolge folgender Produktionsschritte ist nicht zwingend festgelegt und kann davon abweichend vorgenommen werden. In einem ersten Schritt erfolgt gemäß 12b) das Erzeugen von mindestens vier geeigneten Einspannbereichen 1e1, 1e2, 1e3, 1e4 aus einem Substrat 1e, die durch geeignete Strukturierungsverfahren, wie beispielsweise per KOH-Ätzen, per Trenchätzen mit dem sogenannten ARDE-Effekt (Aspect Ration Dependent Etching), mit schrägen Flächen versehen werden. Die Oberflächen dieser schrägen Flächen sind dabei nicht von entscheidender Bedeutung für die optische Güte der Fensterstruktur F.
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In einem zweiten Schritt werden gemäß 12c) die Einspannbereiche paarweise (1e1, 1e2),(1e3, 1e4) an den beiden Seiten einer Schicht 2, die aus einem thermisch verformbaren transparenten Material besteht, angeordnet, so dass eine Ausnehmung 50 gebildet wird.
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In einem dritten Schritt wird ein Verbund aus den Einspannbereichen 1e1, 1e2, 1e3, 1e4 und der Schicht 2, beispielsweise über anodisches Bonden oder Direktbonden, gebildet.
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Die Elemente 1e1, 1e2, 1e3 und 1e4 können auch folgendermaßen hergestellt werden, wobei in einem ersten Schritt je ein Substrat 1e auf die Vorder- und Rückseite der Schicht 2 mittels eines üblichen Bondverfahrens angebracht wird und in einem zweiten Schritt die Kanten K1, K2, K3, K4 sowie die Ausnehmung 50 per Schleifen hergestellt werden.
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In einem vierten Schritt erfolgt gemäß 12d) die Umformung der Schicht 2, indem der Verbund geeignet erhitzt und mit beidseitigem mechanischen Druck deformiert wird, so dass die paarweise angeordneten Einspannbereiche (1e1, 1e2) und (1e3, 1e4) so zueinander ausgerichtet werden, dass diese nach dem Deformieren in gleicher Orientierung bündig nebeneinander angeordnet sind und die Kanten K1, K3 und K2, K4 der Einspannbereiche auf beiden Seiten der Schicht 2 eine Gerade bilden. Dieser Prozess kann mit einem handelsüblichen Bonder temperatur- und druckkontrolliert erfolgen. Dabei ist ein Stapeln mehrerer Wafer übereinander möglich (Batch-Prozessierung).
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In einem fünften Schritt wird gemäß 12e) die Fensterstruktur F durch Entfernen des Substrates 1e durch Abätzen freigelegt.
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13a)–f) sind schematische Querschnitts-Ansichten zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer optischen Fenstervorrichtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung.
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In 13a)–f) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, Bezugszeichen 2 eine Schicht aus einem transparenten Material, vorzugsweise eine Glas- oder Kunststoffschicht, und Bezugszeichen 3 eine Hilfsschicht, vorzugsweise eine Siliziumschicht. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Durchgangsöffnung im Substrat 1 und Bezugszeichen 5 bezeichnet einen verlagerbaren Bereich, der ein Teil der Hilfsschicht 3 ist. Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Neigungsachse über die der verlagerbare Bereich 5 in die Durchgangsöffnung 4 gedreht werden kann. Der verlagerbare Bereich 5 zeigt einen Überlapp 8 mit der Peripherie der Durchgangsöffnung 4. Die Oberseite von Substrat 1 ist mit Bezugszeichen 10 gekennzeichnet und dessen Unterseite ist mit Bezugszeichen 11 gekennzeichnet. Die Fensterstruktur ist mit F gekennzeichnet. Bezugszeichen V bezeichnet eine Vertiefung im Substrat 1.
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In einem ersten Schritt erfolgt gemäß 13a) das Ätzen einer Durchgangsöffnung 4 in das Substrat 1 mit der Vertiefung V. In einem zweiten Schritt erfolgt gemäß 13b) die Herstellung eines Waferverbunds, bestehend aus der Schicht 2 und der Hilfsschicht 3, beispielsweise durch anodisches Bonden. In einem dritten Schritt gemäß 13c) wird ein verlagerbarer Bereich 5 aus der Hilfsschicht 3 erzeugt, beispielsweise durch ein Abdünnen der Hilfsschicht 3 mit einem anschließendem DRIE Prozess. In einem vierten Schritt gemäß 13d) erfolgt das Fügen des Verbundes bestehend aus dem verlagerbaren Bereich 5 der Hilfsschicht 3, der Schicht 2 und dem Substrat 1. In einem fünften Schritt gemäß 13e) erfolgt ein Drehen des verlagerbaren Bereichs 5 um die Neigungsachse 7 in der Vertiefung V des Substrates 1. In einem sechsten Schritt wird gemäß 13f) der verlagerbare Bereich 5 der Hilfsschicht 3 abgeätzt, so dass die Fensterstruktur F freigelegt wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt. Insbesondere sind die genannten Materialien und Topologien nur beispielhaft und nicht auf die erläuterten Beispiele beschränkt.
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Eine Prozessoption der genannten Ausführungsformen ist die Erzeugung einer nanostrukturierten Oberfläche der Schicht 2 im Bereich der Fensterstruktur F zur Reduzierung ungewollter Reflexe. Hierfür wird das Material, das an der Schicht 2 anliegt, auf der zur Schicht 2 gerichteten Seite mit Nanostrukturen versehen, noch bevor das Material mit der Schicht 2 verbunden wird. Dies geschieht beispielsweise mittels KOH- oder Trenchätzen. Die Nanostrukturierung der Schicht 2 erfolgt während der plastischen Verformung. Nach der plastischen Verformung wird das entsprechende Material von der Fensterstruktur F abgeätzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045541 A1 [0003]
- EP 1688776 A1 [0004]
- US 20070024549 [0004]
- DE 102008012384 A1 [0004]
