DE102015224488A1

DE102015224488A1 - Spannungsreduzierung beim Laserwiederverschluss durch zeitlich geformte Laserpulse und Pulsfolgen

Info

Publication number: DE102015224488A1
Application number: DE102015224488.1A
Authority: DE
Inventors: Mawuli Ametowobla; Philip Kappe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe vorgeschlagen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt eine die erste Kaverne mit einer Umgebung des mikromechanischen Bauelements verbindende Zugangsöffnung in dem Substrat oder in der Kappe ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne eingestellt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen wird, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines eine Laserpulsdauer und eine Laserpulsintensität umfassenden zeitlich geformten Laserpulses zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe gesteuert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 2015/120939 A1 bekannt. Ist ein bestimmter Innendruck in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements gewünscht oder soll ein Gasgemisch mit einer bestimmten chemischen Zusammensetzung in der Kaverne eingeschlossen sein, so wird der Innendruck oder die chemische Zusammensetzung häufig beim Verkappen des mikromechanischen Bauelements bzw. beim Bondvorgang zwischen einem Substratwafer und einem Kappenwafer eingestellt. Beim Verkappen wird beispielsweise eine Kappe mit einem Substrat verbunden wodurch die Kappe und das Substrat gemeinsam die Kaverne umschließen. Durch Einstellen der Atmosphäre bzw. des Drucks und/oder der chemischen Zusammensetzung des beim Verkappen in der Umgebung vorliegenden Gasgemischs, kann somit der bestimmte Innendruck und/oder die bestimmte chemische Zusammensetzung in der Kaverne eingestellt werden.
Mit dem aus der WO 2015/120939 A1 bekannten Verfahren kann gezielt ein Innendruck in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements eingestellt werden. Mit diesem Verfahren ist es insbesondere möglich ein mikromechanisches Bauelement mit einer ersten Kaverne herzustellen, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck und eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann, der bzw. die sich von einem zweiten Druck und einer zweiten chemischen Zusammensetzung zum Zeitpunkt des Verkappens unterscheiden.
Bei dem Verfahren zum gezielten Einstellen eines Innendrucks in einer Kaverne eines mikromechanischen Bauelements gemäß der WO 2015/120939 A1 wird in der Kappe bzw. in dem Kappenwafer oder in dem Substrat bzw. in dem Sensorwafer ein schmaler Zugangskanal zu der Kaverne erzeugt. Anschließend wird die Kaverne mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Schließlich wird der Bereich um den Zugangskanal lokal mithilfe eines Lasers erhitzt, das Substratmaterial verflüssigt sich lokal und verschließt beim Erstarren den Zugangskanal hermetisch.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines gegenüber dem Stand der Technik mechanisch robusten sowie eine lange Lebensdauer aufweisenden mikromechanischen Bauelements auf gegenüber dem Stand der Technik einfache und kostengünstige Weise bereitzustellen. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gegenüber dem Stand der Technik kompaktes, mechanisch robustes und eine lange Lebensdauer aufweisendes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen. Erfindungsgemäß gilt dies insbesondere für ein mikromechanisches Bauelement mit einer (ersten) Kaverne. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement ist es ferner auch möglich ein mikromechanisches Bauelement zu realisieren bei dem in der ersten Kaverne ein erster Druck und eine erste chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann und in einer zweiten Kaverne ein zweiter Druck und eine zweite chemische Zusammensetzung eingestellt werden kann. Beispielsweise ist ein derartiges Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Bauelementen vorgesehen, für die es vorteilhaft ist, wenn in einer ersten Kaverne ein erster Druck und in einer zweiten Kaverne ein zweiter Druck eingeschlossen ist, wobei sich der erste Druck von dem zweiten Druck unterscheiden soll. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine erste Sensoreinheit zur Drehratenmessung und eine zweite Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung in einem mikromechanischen Bauelement integriert werden sollen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines eine Laserpulsdauer und eine Laserpulsintensität umfassenden zeitlich geformten Laserpulses zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe gesteuert wird.
Hierdurch wird auf einfache und kostengünstige Weise ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements bereitgestellt, mit dem das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines zeitlich geformten Laserpulses zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe steuerbar ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme bereits zeitlich vor einem ersten Übergang des Materialbereichs von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand sowie zeitlich nach einem zweiten Übergang des Materialbereichs von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand gezielt in das Substrat oder in die Kappe eingebracht werden kann. Somit wird aufgrund von Wärmeleitung in dem Substrat oder in der Kappe ermöglicht, dass an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe zeitlich vor dem ersten Übergang und zeitlich nach dem zweiten Übergang auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden können. Somit werden die Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe, insbesondere im Bereich der Zugangsöffnung, im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Wärmeausdehnung bei einer Temperaturerhöhung und/oder die Wärmeschrumpfung bei einer Temperatursenkung benachbarter Bereiche in dem Substrat oder in der Kappe, insbesondere im Bereich der Zugangsöffnung, aneinander angeglichen werden können und somit die im Bereich der verschlossenen Zugangsöffnung auftretenden mechanischen Spannungen im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden können.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere Temperaturgradienten zwischen dem erst kürzlich erstarrten Materialbereich bzw. Schweißpunkt und dem den Materialbereich bzw. den Schweißpunkt umgebenden Material im Vergleich zum Stand der Technik durch gezielte Erhöhung der Temperatur im den Materialbereich bzw. den Schweißpunkt umgebenden Material reduzieren. Insbesondere lassen sich diese Temperaturgradienten zum Zeitpunkt der Erstarrung des Schweißpunktes bzw. zeitlich kurz nach dem Erstarren des Schweißpunktes reduzieren. Somit lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass die Wärmeschrumpfung des Materialbereichs bzw. des Schweißpunktes im Wesentlichen der Wärmeschrumpfung des den Materialbereich umgebenden Materials entspricht bzw. die beiden Wärmeschrumpfungen aneinander angeglichen werden können. Somit wird vorteilhaft ermöglicht, dass die im Bereich der verschlossenen Zugangsöffnung, insbesondere zeitlich nach dem Abkühlen des Materialbereichs, auftretenden mechanischen Spannungen im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden können.
Erfindungsgemäß sind Temperaturgradienten zu einem Zeitpunkt zu dem der Materialbereich in einem flüssigen Aggregatzustand ist bzw. sich im Schmelzzustand befindet weniger kritisch, da der Materialbereich zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen spannungsfrei ist. Erfindungsgemäß ist jedoch beispielsweise vorgesehen, dass auch zu dem Zeitpunkt zu dem der Materialbereich in einem flüssigen Aggregatzustand ist die Temperaturgradienten im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind. Insbesondere wird erfindungsgemäß vermieden bzw. reduziert, dass sich zeitlich nach der Erstarrung des Materiabereichs Spannungen dadurch aufbauen, dass der kürzlich erstarrte Materialbereich heißer ist und dadurch beim Abkühlvorgang eine stärkere/andere thermische Dehnung erfährt als das den Materialbereich umgebende kältere Material. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Temperaturgradient im Material bzw. in dem Substrat bzw. in der Kappe während der Erstarrung des Materialbereichs bzw. des Schweißpunktes und während der Abkühlung möglichst gering zu halten, damit die nach der Abkühlung im Bauteil verbleibenden mechanischen Spannungen möglichst gering sind.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass mithilfe des gezielten Einbringens der Energie oder Wärme in das Substrat oder in die Kappe bereits zeitlich vor dem ersten Übergang und/oder zeitlich nach dem zweiten Übergang die Bewegung von Versetzungen thermisch aktivierbar ist. Somit ist es vorteilhaft möglich, dass durch thermisch aktivierte Versetzungsbewegungen bzw. durch erleichterte Versetzungsbewegungen das Substrat oder die Kappe zumindest teilweise bzw. zumindest teilweise lokal im Bereich der Zugangsöffnung, insbesondere zeitlich vor dem ersten Übergang und/oder zeitlich nach dem zweiten Übergang, plastisch verformbar ist. Somit können durch plastische Verformung lokal auftretende Spannungen bzw. Spannungsspitzen mithilfe des gezielten Einbringens der Energie oder Wärme im Vergleich zum Stand der Technik reduziert bzw. abgebaut werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft für ein Verfahren bei dem im dritten Verfahrensschritt ein Laserpunktschweißverfahren angewandt wird, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgrund von Punktschweißungen lokal im Bereich der Zugangsöffnung bzw. im Bereich der verschlossenen Zugangsöffnung in das Material eingebrachte Spannungen effektiv reduziert bzw. in weiter von der Zugangsöffnung entfernte Bereiche umverteilt werden können. Das Abbauen bzw. Reduzieren lokal auftretender Spannungen ist insbesondere vorteilhaft, da somit im Vergleich zum Stand der Technik der Widerstand gegenüber Rissbildung erhöht und somit die Wahrscheinlichkeit eines Bauteilversagens unmittelbar nach dem Verschließen der Zugangsöffnung, während der Weiterverarbeitung des mikromechanischen Bauelements oder während der Produktlebensdauer im Vergleich zum Stand verringert werden kann.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter dem zeitlich geformten Laserpuls von einem Laser nicht kontinuierlich oder über einen Zeitraum kontinuierlich aber mit variabler Intensität emittierte elektromagnetische Strahlung zu verstehen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist unter dem zeitlich geformten Laserpuls beispielsweise ein einzelner Laserpuls oder alternativ eine mehrere Laserpulse umfassende Einhüllende zu verstehen.
Bei dem Laser kann es sich beispielsweise um einen Pulslaser oder auch um einen Dauerstrichlaser handeln, wobei der Dauerstrichlaser bevorzugt so betrieben wird, dass die elektromagnetische Strahlung über einen Zeitraum kontinuierlich oder nicht kontinuierlich emittiert wird bzw. über einen Zeitraum kontinuierlich oder nicht kontinuierlich auf den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe fällt. In anderen Worten ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung unter dem zeitlich geformten Laserpuls elektromagnetische Strahlung zu verstehen, welche in zeitlich begrenzten Portionen bzw. in einer zeitlich begrenzten Portion auf den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe fällt und von diesem zumindest teilweise absorbiert wird. Des Weiteren ist erfindungsgemäß die Gesamtdauer des zeitlich geformten Laserpulses die Dauer zwischen einem ersten Zeitpunkt zu dem die Intensität des zeitlich geformten Laserpulses gleich Null ist und einem zweiten Zeitpunkt zu dem die Intensität des zeitlich geformten Laserpulses gleich Null ist. Alternativ ist erfindungsgemäß auch vorgesehen, dass die Gesamtdauer des zeitlich geformten Laserpulses die Dauer zwischen einem dritten Zeitpunkt zu dem die Intensität des zeitlich geformten Laserpulses ein erstes lokales Minimum aufweist und einem vierten Zeitpunkt zu dem die Intensität des zeitlich geformten Laserpulses ein zweites lokales Minimum aufweist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „mikromechanisches Bauelement“ so zu verstehen, dass der Begriff sowohl mikromechanische Bauelemente als auch mikroelektromechanische Bauelemente umfasst.
Die vorliegende Erfindung ist bevorzugt für die Herstellung eines bzw. für ein mikromechanisches Bauelement mit einer Kaverne vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung beispielsweise auch für ein mikromechanisches Bauelement mit zwei Kavernen oder mit mehr als zwei, d.h. drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs, Kavernen vorgesehen.
Bevorzugt wird die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen diese Energie oder diese Wärme absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen. Hierbei wird bevorzugt Energie bzw. Wärme in jeweils den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe von mehreren mikromechanischen Bauelementen, welche beispielsweise auf einem Wafer gemeinsam hergestellt werden, zeitlich nacheinander eingebracht. Es ist jedoch alternativ auch ein zeitlich paralleles Einbringen der Energie bzw. Wärme in den jeweiligen absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe von mehreren mikromechanischen Bauelementen vorgesehen, beispielsweise unter Verwendung von mehreren Laserstrahlen bzw. Laservorrichtungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kappe mit dem Substrat eine zweite Kaverne umschließt, wobei in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck herrscht und ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses derart gesteuert wird, dass der zeitlich geformte Laserpuls während einer der Laserpulsdauer zeitlich vorangestellten weiteren Laserpulsdauer eine weitere Laserpulsintensität umfasst, wobei die weitere Laserpulsintensität geringer als die Laserpulsintensität ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme bereits zeitlich vor dem ersten Übergang gezielt in das Substrat oder in die Kappe eingebracht werden kann. Somit wird aufgrund von Wärmeleitung in dem Substrat oder in der Kappe ermöglicht, dass an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe zeitlich vor dem ersten Übergang auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden können. Somit werden die Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe, insbesondere im Bereich der Zugangsöffnung und insbesondere zu einem Zeitpunkt des Erstarrens des Materialbereichs, im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Dies ist insbesondere möglich, ohne dass der Materialbereich im Vergleich zum Stand der Technik früher in den flüssigen Aggregatzustand übergeht und ohne dass die angrenzenden Bereiche in den flüssigen Aggregatzustand übergehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses derart gesteuert wird, dass der zeitlich geformte Laserpuls während einer der Laserpulsdauer zeitlich folgenden dritten Laserpulsdauer eine dritte Laserpulsintensität umfasst, wobei die dritte Laserpulsintensität geringer als die Laserpulsintensität ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme zeitlich vor, während und nach dem zweiten Übergang gezielt in das Substrat oder in die Kappe eingebracht werden kann. Somit wird aufgrund von Wärmeleitung in dem Substrat oder in der Kappe ermöglicht, dass an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe zeitlich nach dem zweiten Übergang auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden können. Somit werden die Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe, insbesondere im Bereich der Zugangsöffnung und insbesondere während und kurz nach dem Zeitpunkt des Erstarrens des Materialbereichs, im Vergleich zum Stand der Technik reduziert. Dies ist insbesondere möglich, ohne dass der Materialbereich im Vergleich zum Stand der Technik unnötig lang im flüssigen Aggregatzustand gehalten wird und ohne dass die angrenzenden Bereiche in den flüssigen Aggregatzustand übergehen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Laserpulsintensität und/oder die weitere Laserpulsintensität und/oder die dritte Laserpulsintensität zeitlich konstant gehalten und/oder erhöht und/oder verringert wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass das Einbringen der Energie oder Wärme besonders genau gesteuert werden kann und somit besonders gezielt Temperaturgradienten insbesondere im Bereich der verschlossenen Zugangsöffnung reduziert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses derart gesteuert wird, dass die weitere Laserpulsdauer zumindest teilweise dem ersten Übergang des Materialbereichs von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand zeitlich vorangestellt ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe bereits zeitlich vor dem ersten Übergang auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses derart gesteuert wird, dass die dritte Laserpulsdauer zumindest teilweise einem zweiten Übergang des Materialbereichs von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand zeitlich folgend ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe zeitlich nach dem zweiten Übergang auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines dem zeitlich geformten Laserpuls zeitlich vorangestellten und eine vierte Laserpulsdauer und eine vierte Laserpulsintensität umfassenden weiteren zeitlich geformten Laserpulses zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe gesteuert wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme bereits zeitlich vor dem zeitlich geformten Laserpuls in den Materialbereich bzw. in den absorbierenden Bereich eingebracht werden kann. Somit wird mithilfe von Wärmeleitung ermöglicht, dass sich der an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe zeitlich vor der Absorption des zeitlich geformten Laserpulses auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden kann und somit Temperaturgradienten effizient reduziert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines dem zeitlich geformten Laserpuls zeitlich folgenden und eine fünfte Laserpulsdauer und eine fünfte Laserpulsintensität umfassenden dritten zeitlich geformten Laserpulses zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat oder in der Kappe gesteuert wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme zeitlich nach dem zeitlich geformten Laserpuls in den Materialbereich bzw. in den absorbierenden Bereich eingebracht werden kann. Somit wird mithilfe von Wärmeleitung ermöglicht, dass sich der an den Materialbereich bzw. an den absorbierenden Teil des Substrats oder der Kappe angrenzende Bereiche des Substrats oder der Kappe zeitlich nach der Absorption des zeitlich geformten Laserpulses auf eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Temperatur gebracht werden kann und somit Temperaturgradienten effizient reduziert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme derart gesteuert wird, dass die vierte Laserpulsintensität geringer als die Laserpulsintensität ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme bereits zeitlich vor dem zeitlich geformten Laserpuls in den Materialbereich bzw. in den absorbierenden Bereich eingebracht werden kann ohne dass der Materialbereich in einen flüssigen Aggregatzustand übergeht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme derart gesteuert wird, dass die fünfte Laserpulsintensität geringer als die Laserpulsintensität ist. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass Energie oder Wärme zeitlich nach dem zeitlich geformten Laserpuls in den Materialbereich bzw. in den absorbierenden Bereich eingebracht werden kann ohne dass der Materialbereich erneut in einen flüssigen Aggregatzustand übergeht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Gesamtdauer des zeitlich geformten Laserpulses zwischen 10 fs und 10 s, bevorzugt zwischen 1 µs und 100 ms, insbesondere bevorzugt zwischen 10 µs und 10 ms liegt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Laserpulsdauer im Wesentlichen der weiteren Laserpulsdauer und/oder im Wesentlichen der dritten Laserpulsdauer entspricht. Alternativ ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Laserpulsdauer im Wesentlichen der halben weiteren Laserpulsdauer und/oder im Wesentlichen der halben dritten Laserpulsdauer entspricht. Außerdem ist alternativ gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Laserpulsdauer im Wesentlichen einem Drittel der weiteren Laserpulsdauer und/oder im Wesentlichen einem Drittel der dritten Laserpulsdauer entspricht. Des Weiteren ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Laserpulsdauer im Wesentlichen einem Viertel der weiteren Laserpulsdauer und/oder im Wesentlichen einem Viertel der dritten Laserpulsdauer entspricht. Schließlich ist alternativ gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Laserpulsdauer im Wesentlichen einem Fünftel der weiteren Laserpulsdauer und/oder im Wesentlichen einem Fünftel der dritten Laserpulsdauer entspricht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein mikromechanisches Bauelement mit geöffneter Zugangsöffnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung das mikromechanische Bauelement gemäß 1 mit verschlossener Zugangsöffnung.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4, 5, 6, 7 und 8 zeigen in schematischen Darstellungen zeitlich geformte Laserpulse gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 und 2 ist eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Bauelements 1 mit geöffneter Zugangsöffnung 11 in 1 und mit verschlossener Zugangsöffnung 11 in 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei umfasst das mikromechanische Bauelement 1 ein Substrat 3 und eine Kappe 7. Das Substrat 3 und die Kappe 7 sind miteinander, bevorzugt hermetisch, verbunden und umschließen gemeinsam eine erste Kaverne 5. Beispielsweise ist das mikromechanische Bauelement 1 derart ausgebildet, dass das Substrat 3 und die Kappe 7 zusätzlich gemeinsam eine zweite Kaverne umschließen. Die zweite Kaverne ist in 1 und in 2 jedoch nicht dargestellt.
Beispielsweise herrscht in der ersten Kaverne 5, insbesondere bei wie in 2 dargestellter verschlossener Zugangsöffnung 11, ein erster Druck. Außerdem ist ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung in der ersten Kaverne 5 eingeschlossen. Des Weiteren herrscht beispielsweise in der zweiten Kaverne ein zweiter Druck und es ist ein zweites Gasgemisch mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung in der zweiten Kaverne eingeschlossen. Bevorzugt ist die Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7 angeordnet. Bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zugangsöffnung 11 beispielhaft in der Kappe 7 angeordnet. Erfindungsgemäß kann es jedoch alternativ hierzu auch vorgesehen sein, dass die Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 angeordnet ist.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der erste Druck in der ersten Kaverne 5 geringer ist als der zweite Druck in der zweiten Kaverne. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass in der ersten Kaverne 5 eine in 1 und 2 nicht dargestellte erste mikromechanische Sensoreinheit zur Drehratenmessung und in der zweiten Kaverne eine in 1 und 2 nicht dargestellte zweite mikromechanische Sensoreinheit zur Beschleunigungsmessung angeordnet sind.
In 3 ist in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen des mikromechanischen Bauelements 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei wird

– in einem ersten Verfahrensschritt 101 die die erste Kaverne 5 mit einer Umgebung 9 des mikromechanischen Bauelements 1 verbindende, insbesondere schmale, Zugangsöffnung 11 in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7 ausgebildet. 1 zeigt beispielhaft das mikromechanische Bauelement 1 nach dem ersten Verfahrensschritt 101. Außerdem wird
– in einem zweiten Verfahrensschritt 102 der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne 5 eingestellt bzw. die erste Kaverne 5 mit dem gewünschten Gas und dem gewünschten Innendruck über den Zugangskanal geflutet. Ferner wird beispielsweise
– in einem dritten Verfahrensschritt 103 die Zugangsöffnung 11 durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats 3 oder der Kappe 7 mithilfe eines Lasers verschlossen. Es ist beispielsweise alternativ auch vorgesehen, dass
– in dem dritten Verfahrensschritt 103 der Bereich um den Zugangskanal lediglich bevorzugt durch einen Laser lokal erhitzt wird und der Zugangskanal hermetisch verschlossen wird. Somit ist es vorteilhaft möglich, das erfindungsgemäße Verfahren auch mit anderen Energiequellen als mit einem Laser zum Verschließen der Zugangsöffnung 11 vorzusehen. 2 zeigt beispielhaft das mikromechanische Bauelement 1 nach dem dritten Verfahrensschritt 103.

Zeitlich nach dem dritten Verfahrensschritt 103 können in einem in 2 beispielhaft dargestellten lateralen Bereich 15 an einer der Kaverne 5 abgewandten Oberfläche der Kappe 7 sowie in der Tiefe senkrecht zu einer Projektion des lateralen Bereichs 15 auf die Oberfläche, d.h. entlang der Zugangsöffnung 11 und in Richtung der ersten Kaverne 5, des mikromechanischen Bauelements 1 mechanische Spannungen auftreten. Diese mechanischen Spannungen, insbesondere lokale mechanischen Spannungen, herrschen insbesondere an und in der Nähe einer Grenzfläche zwischen einem im dritten Verfahrensschritt 103 in einen flüssigen Aggregatzustand übergehenden und nach dem dritten Verfahrensschritt 103 in einen festen Aggregatzustand übergehenden und die Zugangsöffnung 11 verschließenden Materialbereich 13 der Kappe 7 und einem während dem dritten Verfahrensschritt 103 in einem festen Aggregatzustand verbleibenden Restbereich der Kappe 7. Hierbei ist in 2 der die Zugangsöffnung 11 verschließende Materialbereich 13 der Kappe 7 lediglich als schematisch anzusehen bzw. schematisch dargestellt, insbesondere hinsichtlich seiner lateralen, insbesondere parallel zu der Oberfläche verlaufenden, Erstreckung bzw. Formgebung und insbesondere hinsichtlich seiner senkrecht zur lateralen Erstreckung, insbesondere senkrecht zu der Oberfläche verlaufenden, Ausdehnung bzw. Konfiguration.
In 4, 5, 6, 7 und 8 sind in schematischen Darstellungen zeitlich geformte Laserpulse gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei ist in 4, 5, 6, 7 und 8 die Intensität Y über die Zeit X von beispielshaft dargestellten zeitlich geformten Laserpulsen dargestellt.
Hierbei zeigt 4 beispielhaft einen zeitlich geformten Laserpuls 905, wobei der zeitlich geformte Laserpuls 905 eine Laserpulsdauer 901 und eine Laserpulsintensität 903 umfasst. Mit anderen Worten ist in 4 eine üblicherweise zur Anwendung kommende einfache Pulsform, wie näherungsweise ein sogenannter Rechteckpuls, dargestellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zeitlich geformte Laserpuls 905 beliebige beispielsweise mit modernen Laserquellen realisierbare Pulsformen umfasst.
5 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform des zeitlich geformten Laserpulses 905 mithilfe dessen das Einbringen der Energie oder Wärme derart gesteuert wird, dass der zeitlich geformte Laserpuls 905 während einer der Laserpulsdauer 901 zeitlich vorangestellten weiteren Laserpulsdauer 907 eine weitere Laserpulsintensität 909 umfasst, wobei die weitere Laserpulsintensität 909 geringer als die Laserpulsintensität 903 ist. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen, dass eine dem eigentlichen Schweißpuls vorlaufende Laserleistung zum Einbringen der Energie oder Wärme angewendet wird. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass eine dem eigentlichen Schweißpuls vorgelagerte Emission bzw. die dem eigentlichen Schweißpuls vorlaufende Laserleistung mit im Vergleich zum Schweißpuls deutlich geringerer Leistung bzw. Intensität angewendet wird. Hierdurch lässt sich vorteilhaft ermöglichen, dass sich das dem Schweißpunkt benachbarte Material durch Wärmeleitung bereits vorwärmt, wodurch sich der Temperaturgradient im Vergleich zum Stand der Technik reduziert.
6 zeigt beispielhaft eine weitere Ausführungsform des zeitlich geformten Laserpulses 905 mithilfe dessen das Einbringen der Energie oder Wärme derart gesteuert wird, dass der zeitlich geformte Laserpuls 905 während einer der Laserpulsdauer 901 zeitlich folgenden dritten Laserpulsdauer 911 eine dritte Laserpulsintensität 913 umfasst, wobei die dritte Laserpulsintensität 913 geringer als die Laserpulsintensität 903 ist. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen, dass eine dem eigentlichen Laserpuls nachlaufende Leistung die Abkühlung des Schweißpunktes verzögert. Hierdurch wird der Temperaturgradient zum Zeitpunkt der Erstarrung des Materialbereichs 13 ebenfalls reduziert. Beispielsweise umfasst eine dem eigentlichen Schweißpuls nachgelagerte Emission bzw. nachlaufende Leistung mit im Vergleich zum Schweißpuls deutlich geringere Leistung bzw. Intensität.
7 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des zeitlich geformten Laserpulses 905, wobei die Laserpulsintensität 903 zuerst erhöht und anschließend verringert wird. Außerdem wird die weitere Laserpulsintensität 909 erhöht und die dritte Laserpuls Intensität 913 verringert. Mit anderen Worten umfasst der zeitlich geformte Laserpuls 905 in 7 Rampen der Pulsleistung. 7 zeigt beispielhaft eine dem eigentlichen Schweißpuls bzw. der Laserpulsintensität 903 zeitlich vorgelagerte Emission mit zunehmender Leistung sowie eine dem eigentlichen Schweißpuls bzw. der Laserpulsintensität 903 zeitlich nachgelagerte Emission mit abnehmender Leistung. Hierbei ist erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen, dass die Steigung der Intensität Y mit der Zeit X des zeitlich geformten Laserpulses 905 zunimmt bzw. dass der zeitlich geformte Laserpuls 905 mehrere jeweils eine Steigung umfassende Steigungssegmente umfasst. Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die Steigungen zeitlich vor einer maximalen Intensität 927 des zeitlich geformten Laserpulses 905 mit der Zeit X zunehmen und zeitlich nach der maximalen Intensität 927 des zeitlich geformten Laserpulses 905 mit der Zeit X abnehmen. Beispielsweise ist jedoch auch vorgesehen, dass die Laserpulsintensität 903 und/oder die weitere Laserpulsintensität 909 und/oder die dritte Laserpulsintensität 913 zeitlich konstant gehalten und/oder erhöht und/oder verringert wird.
Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses 905 derart gesteuert wird, dass die weitere Laserpulsdauer 907 zumindest teilweise einem ersten Übergang des Materialbereichs 13 von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand zeitlich vorangestellt ist. Außerdem ist beispielsweise vorgesehen, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses 905 derart gesteuert wird, dass die dritte Laserpulsdauer 911 zumindest teilweise einem zweiten Übergang des Materialbereichs 13 von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand zeitlich folgend ist.
8 zeigt beispielhaft einen dem zeitlich geformten Laserpuls 905 zeitlich vorangestellten und eine vierte Laserpulsdauer 915 und eine vierte Laserpulsintensität 917 umfassenden weiteren zeitlich geformten Laserpuls 919 zum Steuern des Einbringens der Energie oder Wärme zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7. Außerdem zeigt 8 beispielhaft einen dem zeitlich geformten Laserpuls 905 zeitlich folgenden und eine fünfte Laserpulsdauer 921 und eine fünfte Laserpulsintensität 923 umfassenden dritten zeitlich geformten Laserpulses 925 zum Steuern des Einbringens der Energie oder Wärme zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat 3 oder in der Kappe 7. Des Weiteren zeigt 8 beispielhaft, dass die vierte Laserpulsintensität 917 geringer als die Laserpulsintensität 903 ist und dass die fünfte Laserpulsintensität 923 geringer als die Laserpulsintensität 903 ist.
Außerdem zeigt 8 eine Vielzahl zusätzlicher Laserpulse, wobei die zusätzlichen Laserpulse dem zeitlich geformten Laserpuls 905 vorlaufen oder nachlaufen. Beispielsweise umfasst die Vielzahl zusätzlicher Laserpulse einen dem zeitlich geformten Laserpuls 905 zeitlich vorangestellten und eine sechste Laserpulsdauer und eine sechste Laserpulsintensität umfassenden vierten zeitlich geformten Laserpuls 929, einen dem zeitlich geformten Laserpuls 905 zeitlich vorangestellten und eine siebte Laserpulsdauer und eine siebte Laserpulsintensität umfassenden fünften zeitlich geformten Laserpuls 931, einen dem zeitlich geformten Laserpuls 905 zeitlich folgenden und eine achte Laserpulsdauer und eine achte Laserpulsintensität umfassenden sechsten zeitlich geformten Laserpuls 933, sowie einen dem zeitlich geformten Laserpuls 905 zeitlich folgenden und eine neunte Laserpulsdauer und eine neunte Laserpulsintensität umfassenden siebten zeitlich geformten Laserpuls 935. Mit anderen Worten sind beispielsweise dem eigentlichen Schweißpuls bzw. dem zeitlich geformten Laserpuls 905 Pulse mit im Vergleich zum Schweißpuls bzw. zum zeitlich geformten Laserpuls 905 deutlich geringerer ggf. ansteigender Energie bzw. Leistung bzw. Intensität vorgelagert. Außerdem sind beispielsweise dem eigentlichen Schweißpuls bzw. dem zeitlich geformten Laserpuls 905 Pulse mit im Vergleich zum Schweißpuls bzw. zum zeitlich geformten Laserpuls 905 deutlich geringerer ggf. abnehmender Energie bzw. Leistung bzw. Intensität nachgelagert.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Gesamtdauer der Pulsfolge zwischen 100 ns und 1 s, bevorzugt zwischen 1 µs und 100 ms, insbesondere bevorzugt zwischen 10 µs und 10 ms liegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist unter Gesamtdauer der Pulsfolge die Dauer zwischen einem fünften Zeitpunkt zu dem die Intensität eines zeitlich zuerst auftretenden geformten Laserpulses gerade noch Null ist und einem sechsten Zeitpunkt zu dem die Intensität eines zeitlich zuletzt auftretenden geformten Laserpulses gerade eben Null ist. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass die Laserpulsintensitäten in einem ersten Drittel der Gesamtdauer der Pulsfolge geringer als die Laserpulsintensitäten in einem zweiten Drittel der Gesamtdauer der Pulsfolgen sind. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass die Laserpulsintensitäten in einem dritten Drittel der Gesamtdauer der Pulsfolge geringer als die Laserpulsintensitäten in dem zweiten Drittel der Gesamtdauer der Pulsfolgen sind. Beispielsweise ist vorgesehen, dass das dritte Drittel zeitlich auf das zweite Drittel und das zweite Drittel zeitlich auf das erste Drittel folgt.
Erfindungsgemäß sind insbesondere eine Vielzahl unterschiedlicher Pulsformen bzw. Pulszüge vorgesehen, die derart abgestimmt werden, dass residuale mechanische Spannungen im Bereich der Zugangsöffnung zeitlich nach dem Verschluss der Zugangsöffnung im Vergleich zum Stand der Technik minimiert werden. Hierzu werden nahezu beliebige zeitlich Pulsformen und Pulsfolgen vorgeschlagen, welche den Zweck der Minimierung der residualen Spannungen erfüllt. Hierfür ist beispielhaft auch vorgesehen, dass die hier dargestellten Pulsformen und Pulsfolgen beliebig kombiniert werden. Beispielsweise ist auch vorgesehen, dass beliebige (freie) Pulsformen zur Anpassung der Temperaturgradienten um den Schweißpunkt während des Erstarrungs- und Abkühlungsprozesses angewandt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/120939 A1 [0002, 0003, 0004]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (1) mit einem Substrat (3) und mit einer mit dem Substrat (3) verbundenen und mit dem Substrat (3) eine erste Kaverne (5) umschließenden Kappe (7), wobei in der ersten Kaverne (5) ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei – in einem ersten Verfahrensschritt (101) eine die erste Kaverne (5) mit einer Umgebung (9) des mikromechanischen Bauelements (1) verbindende Zugangsöffnung (11) in dem Substrat (3) oder in der Kappe (7) ausgebildet wird, wobei – in einem zweiten Verfahrensschritt (102) der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne (5) eingestellt wird, wobei – in einem dritten Verfahrensschritt (103) die Zugangsöffnung (11) durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden Teil des Substrats (3) oder der Kappe (7) mithilfe eines Lasers verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines eine Laserpulsdauer (901) und eine Laserpulsintensität (903) umfassenden zeitlich geformten Laserpulses (905) zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat (3) oder in der Kappe (7) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses (905) derart gesteuert wird, dass der zeitlich geformte Laserpuls (905) während einer der Laserpulsdauer (901) zeitlich vorangestellten weiteren Laserpulsdauer (907) eine weitere Laserpulsintensität (909) umfasst, wobei die weitere Laserpulsintensität (909) geringer als die Laserpulsintensität (903) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses (905) derart gesteuert wird, dass der zeitlich geformte Laserpuls (905) während einer der Laserpulsdauer (901) zeitlich folgenden dritten Laserpulsdauer (911) eine dritte Laserpulsintensität (913) umfasst, wobei die dritte Laserpulsintensität (913) geringer als die Laserpulsintensität (903) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserpulsintensität (903) und/oder die weitere Laserpulsintensität (909) und/oder die dritte Laserpulsintensität (913) zeitlich konstant gehalten und/oder erhöht und/oder verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses (905) derart gesteuert wird, dass die weitere Laserpulsdauer (907) zumindest teilweise einem ersten Übergang des Materialbereichs (13) von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand zeitlich vorangestellt ist.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe des zeitlich geformten Laserpulses (905) derart gesteuert wird, dass die dritte Laserpulsdauer (911) zumindest teilweise einem zweiten Übergang des Materialbereichs (13) von dem flüssigen in den festen Aggregatzustand zeitlich folgend ist.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines dem zeitlich geformten Laserpuls (905) zeitlich vorangestellten und eine vierte Laserpulsdauer (915) und eine vierte Laserpulsintensität (917) umfassenden weiteren zeitlich geformten Laserpulses (919) zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat (3) oder in der Kappe (7) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme mithilfe eines dem zeitlich geformten Laserpuls (905) zeitlich folgenden und eine fünfte Laserpulsdauer (921) und eine fünfte Laserpulsintensität (923) umfassenden dritten zeitlich geformten Laserpulses (925) zur Verringerung von Temperaturgradienten in dem Substrat (3) oder in der Kappe (7) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme derart gesteuert wird, dass die vierte Laserpulsintensität (917) geringer als die Laserpulsintensität (903) ist.
Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Einbringen der Energie oder Wärme derart gesteuert wird, dass die fünfte Laserpulsintensität (923) geringer als die Laserpulsintensität (903) ist.