DE102016217817A1 - Method for producing a protective wafer with oblique optical windows - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzwafers mit schrägen optischen Fenstern. Die Erfindung betrifft auch einen Schutzwafer mit schrägen optischen Fenstern, mit einem Vorderseitenwafer (100) mit einer Haupterstreckungsebene (110), mit einer ersten Oberflächenstruktur (150) umfassend eine erste Fensterrahmenfläche (155), welche schräg zur Haupterstreckungsebene (110) angeordnet ist, mit einem Rückseitenwafer (200) mit einer zweiten Oberflächenstruktur (250), welche zur ersten Oberflächenstruktur (150) wenigstens bereichsweise komplementär ausgestaltet ist, wobei die erste Oberflächenstruktur (150) und die zweite Oberflächenstruktur (250) wenigstens bereichsweise aneinander angeordnet sind, wobei zwischen der ersten Oberflächenstruktur (150) und der zweiten Oberflächenstruktur (250) eine optisch transparente elastische Membran (300) angeordnet ist, wobei der Schutzwafer eine Ausnehmung aufweist, welche durch die erste Fensterrahmenfläche (155) umgrenzt ist, wobei die Membran (300) in der Ausnehmung ein schräges optisches Fenster (350) bildet. Die Erfindung betrifft auch einen Waferstapel mit schrägen optischen Fenstern, wobei der Waferstapel einen solchen Schutzwafer mit schrägen optischen Fenstern nach und einen MEMS-Wafer aufweist.The invention relates to a method for producing a protective wafer with oblique optical windows. The invention also relates to a protective wafer having oblique optical windows, comprising a front side wafer (100) having a main extension plane (110), with a first surface structure (150) comprising a first window frame surface (155) arranged obliquely to the main extension plane (110) a backside wafer (200) having a second surface structure (250) which is at least partially complementary to the first surface structure (150), wherein the first surface structure (150) and the second surface structure (250) are arranged at least in regions, wherein between the first Surface structure (150) and the second surface structure (250) an optically transparent elastic membrane (300) is arranged, wherein the protective wafer has a recess which is bounded by the first window frame surface (155), wherein the membrane (300) in the recess oblique optical window (350) forms. The invention also relates to a wafer stack with oblique optical windows, the wafer stack having such a protective wafer with oblique optical windows and a MEMS wafer.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzwafers mit schrägen optischen Fenstern. Die Erfindung betrifft auch einen Schutzwafer mit schrägen optischen Fenstern und einen Waferstapel mit schrägen optischen Fenstern, wobei der Waferstapel einen Schutzwafer mit schrägen optischen Fenstern und einen MEMS-Wafer aufweist.The invention relates to a method for producing a protective wafer with oblique optical windows. The invention also relates to a protective wafer with oblique optical windows and a wafer stack with oblique optical windows, wherein the wafer stack has a protective wafer with oblique optical windows and a MEMS wafer.
MEMS-Bauelemente müssen zum Schutz vor schädlichen äußeren Umwelteinflüssen, beispielsweise dem Eindringen von Partikeln, etc. geschützt werden. Ein Schutz vor mechanischer Berührung oder Zerstörung sowie zur Ermöglichung des Vereinzelns aus einem Waferverbund in einzelne Chips durch Sägen ist ebenfalls erforderlich. In vielen Fällen kann auf eine hermetische Verkapselung verzichtet werden und es genügt ein Staub- und Berührungsschutz.MEMS devices must be protected to protect against harmful external environmental factors, such as the ingress of particles, etc. Protection against mechanical contact or destruction as well as enabling separation from a wafer composite into individual chips by sawing is also required. In many cases can be dispensed with a hermetic encapsulation and it is sufficient to dust and contact protection.
Die Verkapselung von MEMS-Bauelementen mit einem Kappenwafer, der Kavitäten und Durchgangslöcher aufweist im Waferverbund ist etabliert. Dazu wird ein Kappenwafer zum Wafer mit den MEMS-Strukturen justiert und mit ihm gefügt. Das Fügen kann sowohl mittels anodischem Bonden als auch Direktbonden (fügemittelfreie Verbindung zwischen Glas und Silizium), über eutektische Fügeschichten sowie über Glaslote oder Kleber erfolgen. Unter den Kavitäten des Kappenwafers liegt üblicherweise das MEMS-Bauelement, die elektrischen Bondpads zum Anschluss des Bauteils mit dünnen Drähten sind über das Durchgangsloch im Kappenwafer zugänglich.The encapsulation of MEMS devices with a cap wafer, which has cavities and through holes in the wafer composite is established. For this purpose, a cap wafer is adjusted to the wafer with the MEMS structures and joined with it. Joining can be carried out both by anodic bonding and direct bonding (bonding agent-free connection between glass and silicon), via eutectic joining layers and via glass solders or adhesives. Under the cavities of the cap wafer is usually the MEMS device, the electrical bond pads for connecting the component with thin wires are accessible via the through hole in the cap wafer.
Für optische MEMS (MOEMS), wie z. B. für Mikrospiegel ist der zuvor beschriebene Schutz und zusätzlich ein transparentes Fenster mit hoher optischen Güte und falls notwendig. auch mit speziellen optischen Beschichtungen erforderlich. Für kostensensitive Anwendungen und bei solchen Anwendungen, bei denen eine äußere Umverpackung einen ausreichenden Feuchte- und Medienschutz gewährleistet, kann auf eine hermetische Verkapselung der MEMS-Elemente verzichtet werden. In diesen Fällen können auch organische Materialien für die Verkapselung eingesetzt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass diese für den Herstellprozess und für den Betrieb geeignet sind, z. B. keine schädlichen Ausgasungen verursachen. Der Einsatz organischer Materialien bringt erhebliche Kostenvorteile mit sich, da diese im Vergleich zu anorganischen Materialien, wie z. B. Glas und Silizium in der Beschaffung und in der Verarbeitung wesentlich günstiger sind. Geeignete Materialien, die eingesetzt werden können, sind auf dem Markt verfügbar, beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK) oder Flüssigkristallpolymer (FKP). Als organisches Material für optisch transparente Fenster mit hoher optischer Güte kann z. B. Nitrozellulose verwendet werden.For optical MEMS (MOEMS), such as. B. for micromirror is the protection described above and also a transparent window with high optical quality and if necessary. Also required with special optical coatings. For cost-sensitive applications and in those applications in which an outer outer packaging ensures sufficient moisture and media protection, a hermetic encapsulation of the MEMS elements can be dispensed with. In these cases, organic materials can also be used for the encapsulation. It is important to ensure that these are suitable for the manufacturing process and for operation, eg. B. cause no harmful outgassing. The use of organic materials brings significant cost advantages, since these compared to inorganic materials, such. As glass and silicon in the procurement and processing are much cheaper. Suitable materials that can be used are available in the market, for example, polyetheretherketone (PEEK) or liquid crystal polymer (FKP). As organic material for optically transparent windows with high optical quality z. As nitrocellulose can be used.
Beim Durchtritt optischer Strahlen durch das transparente Fenster entstehen an den Grenzflächen Reflexionen. Wenn die ortsfesten Reflexe im Scanbereich des μSpiegels liegen, übersteigt ihre Intensität die des projizierten Bildes und wirkt daher störend. Diese störenden Reflexe können durch eine Anti-Reflex-Beschichtung des optischen Fensters nur in ihrer Intensität reduziert werden. Da der Spiegel in der Regel symmetrisch um seine Ruhelage schwingt bzw. ausgelenkt wird, ist der Reflex immer im Scanbereich, wenn das optische Fenster parallel zur Ruhelage der Spiegelfläche ist und der Abstand zwischen Spiegelebene und dem optischen Fenster klein ist (bei MEMS ist das immer der Fall). Die einzige Möglichkeit die Störung durch die Reflexe zu vermeiden, besteht darin, sie aus dem Scanbereich zu lenken, indem das optische Fenster und die Spiegelfläche (in Ruhelage, d. h. im nicht ausgelenkten Zustand) nicht parallel zueinander sind. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Neigung des optischen Fensters oder der Ruhelage des Spiegels. Beide Möglichkeiten sind aus Veröffentlichungen sowie aus Patentschriften in vielfachen Ausführungsformen bereits bekannt. Geneigte Fenster für vereinzelte Chips sind z. B. aus
Geneigte Fenster oder auch andere Fensterformen, mit denen die Reflexe vermeidbar sind, sind für das Wafer-Level-Packaging in
Andere Verfahren zur Herstellung von Schutzkappen mit geneigten optischen Fenstern sind beispielsweise in den Druckschriften
Die Firma MARADIN (Israel) hat einen optisch transparenten Schutzchip für Mikrospiegel aus Kunststoff entwickelt. Dabei werden einzelne Schutzchips hergestellt und anschließend einzeln auf den Wafer aufgebacht und mit diesem verklebt. Bei relativ großen und ungleichmäßig dicken optischen Fenstern können sich jedoch erhebliche optische Verzerrungen des projizierten Bildes und Transmissionsverluste ergeben.The company MARADIN (Israel) has developed an optically transparent protective chip for plastic micromirrors. In this case, individual protection chips are produced and then laked individually on the wafer and glued to it. For relatively large and unevenly thick optical However, windows can result in significant optical distortions of the projected image and transmission losses.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein sehr kostengünstiges Herstellungsverfahren für einen nicht hermetischen Kunststoff-Schutzwafer mit Kavitäten und geneigten transparenten Fenstern mit hoher optischer Güte zum Schutz eines mikromechanischen Wafers zu schaffen.The object of the invention is to provide a very cost-effective production method for a non-hermetic plastic protective wafer with cavities and inclined transparent windows with high optical quality for the protection of a micromechanical wafer.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzwafers mit schrägen optischen Fenstern mit den Schritten:
- a) Bereitstellen eines Vorderseitenwafers mit einer Haupterstreckungsebene, mit einer ersten Oberflächenstruktur umfassend eine erste Fensterrahmenfläche, welche schräg zur Haupterstreckungsebene angeordnet ist, Bereitstellen eines Rückseitenwafers mit einer zweiten Oberflächenstruktur, welche zur ersten Oberflächenstruktur wenigstens bereichsweise komplementär ausgestaltet ist, Bereitstellen einer optisch transparenten elastischen Membran,
- b) wenigstens bereichsweise Aufbringen von Kleber auf die erste Oberflächenstruktur oder auch die zweite Oberflächenstruktur oder auch die Membran,
- c) Zusammendrücken des Vorderseitenwafers und des Rückseitenwafers, derart, dass die erste Oberflächenstruktur und die zweite Oberflächenstruktur wenigstens bereichsweise komplementär aneinander anliegen, wobei die Membran dazwischen angeordnet ist.
- a) providing a front side wafer having a main extension plane, with a first surface structure comprising a first window frame surface which is arranged obliquely to the main extension plane, providing a back side wafer having a second surface structure which is at least partially complementary to the first surface structure, providing an optically transparent elastic membrane,
- b) at least partially applying adhesive to the first surface structure or the second surface structure or else the membrane,
- c) compressing the front-side wafer and the backside wafer, such that the first surface structure and the second surface structure at least partially abut each other in a complementary manner, wherein the membrane is arranged therebetween.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor dem Schritt a) der Vorderseitenwafer und der Rückseitenwafer durch Spritzgießen aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK) oder Flüssigkristallpolymer (FKP), oder aus Metall hergestellt werden. Vorteilhaft lassen sich die beiden Wafer so schnell und kostengünstig herstellen.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that prior to step a) the front side wafer and the back side wafer are produced by injection molding from a plastic, in particular polyetheretherketone (PEEK) or liquid crystal polymer (FKP), or from metal. Advantageously, the two wafers can be produced so quickly and inexpensively.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in einem Schritt d) auf einer Vorderseite und/oder auf einer Rückseite der Membran wenigstens im Bereich eines optischen Fensters eine Antireflexionsbeschichtung aufgebracht wird. Vorteilhaft können hierdurch störende Lichtreflexe weiter vermindert werden.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that in step d) an antireflection coating is applied on a front side and / or on a back side of the membrane at least in the region of an optical window. Advantageously, this disturbing light reflections can be further reduced.
Die Erfindung betrifft auch einen Schutzwafer mit schrägen optischen Fenstern, mit einem Vorderseitenwafer mit einer Haupterstreckungsebene, mit einer ersten Oberflächenstruktur umfassend eine erste Fensterrahmenfläche, welche schräg zur Haupterstreckungsebene angeordnet ist, mit einem Rückseitenwafer mit einer zweiten Oberflächenstruktur, welche zur ersten Oberflächenstruktur komplementär ausgestaltet ist, wobei die erste Oberflächenstruktur und die zweite Oberflächenstruktur aneinander angeordnet sind, wobei zwischen der ersten Oberflächenstruktur und der zweiten Oberflächenstruktur eine optisch transparente elastische Membran angeordnet ist, wobei der Schutzwafer eine Ausnehmung aufweist, welche durch die erste Fensterrahmenfläche umgrenzt ist, wobei die Membran in der Ausnehmung ein schräges optisches Fenster bildet.The invention also relates to a protective wafer with oblique optical windows, with a front wafer having a main extension plane, with a first surface structure comprising a first window frame surface, which is arranged obliquely to the main extension plane, with a back side wafer having a second surface structure, which is designed to be complementary to the first surface structure, wherein the first surface structure and the second surface structure are arranged adjacent to one another, wherein an optically transparent elastic membrane is arranged between the first surface structure and the second surface structure, wherein the protective wafer has a recess which is bounded by the first window frame surface, wherein the membrane in the recess forms a slanted optical window.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schutzwafers sieht vor, dass der Vorderseitenwafer oder auch der Rückseitenwafer wenigstens aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK) oder Flüssigkristallpolymer (FKP), oder aus Metall bestehen.An advantageous embodiment of the protective wafer according to the invention provides that the front-side wafer or else the back-side wafer consist at least of a plastic, in particular of polyetheretherketone (PEEK) or liquid-crystal polymer (FKP), or of metal.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schutzwafers sieht vor, dass die Membran aus Nitrozellulose oder einem optisch transparenten Elastomer besteht. Vorteilhaft ist diese Membran flexibel, gut formbar und sehr dünn, was die optischen Eigenschaften verbessert, insbesondere das Phänomen von optischen Verzerrungen vermindert.An advantageous embodiment of the protective wafer according to the invention provides that the membrane consists of nitrocellulose or an optically transparent elastomer. Advantageously, this membrane is flexible, easy to form and very thin, which improves the optical properties, in particular reduces the phenomenon of optical distortions.
Die Erfindung betrifft außerdem einen Waferstapel mit schrägen optischen Fenstern, wobei der Waferstapel einen erfindungsgemäßen Schutzwafer mit schrägen optischen Fenstern und einen MEMS-Wafer aufweist.The invention also relates to a wafer stack with oblique optical windows, wherein the wafer stack has a protective wafer according to the invention with oblique optical windows and a MEMS wafer.
Zeichnungdrawing
Die
Beschreibungdescription
Nachfolgend ist das Herstellungsverfahren für einen aus organischem Material bestehenden Schutzwafer mit Kavitäten, und transparenten geneigten Fenstern in optischer Qualität beschrieben. Die Reihenfolge des Herstellungsverfahrens ist hier nur beispielhaft aufgeführt und kann auch davon abweichend erfolgen.Hereinafter, the manufacturing method of an organic material protective wafer having cavities and transparent inclined windows of optical quality will be described. The order of the manufacturing process is listed here only as an example and can also be done otherwise.
Die
Im ersten Schritt werden die Vorder- und Rückseitenwafer beispielsweise mittels Spritzgusstechnik geeignet dreidimensional strukturiert hergestellt. Der Vorderseitenwafer
Auf die Rückseite des Vorderseitenwafers
Nach der Fertigstellung des Schutzwafers als Waferstapel aus Vorderseitenwafer, Membran und Rückseitenwafer kann jeweils auf der Vorderseite oder auch auf der Rückseite der schräg gestellten Membran eine Anti-Reflex-Schicht aufgebracht werden. Um eine Abschattung bei der Abscheidung dieser Schicht in Wandnähe zu verringern können die Wände des Durchgangslochs
In einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Anti-Reflex-Schicht auf die Membran aufgebracht werden, bevor die Membran zwischen den Vorderseitenwafer und den Rückseitenwafer eingebracht wird.In an alternative embodiment of the method according to the invention, the anti-reflection layer can be applied to the membrane before the membrane is introduced between the front-side wafer and the back-side wafer.
Da die Membranfenster innerhalb des Waferstapels liegen, sind sie bei der weiteren Prozessierung vor mechanischer Berührung geschützt.Since the membrane windows are located within the wafer stack, they are protected from mechanical contact during further processing.
Optional kann vor dem Schritt a) der Vorderseitenwafer
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Schritt d) auf einer Vorderseite oder auch auf einer Rückseite der Membran
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- VorderseitenwaferFront wafer
- 110110
- HaupterstreckungsebeneMain plane
- 150150
- erste Oberflächenstrukturfirst surface structure
- 155155
- FensterrahmenflächeWindow frame surface
- 200200
- RückseitenwaferBackside wafer
- 250250
- zweite Oberflächenstruktursecond surface structure
- 300300
- optisch transparente Membranoptically transparent membrane
- 330330
- AntireflexionsbeschichtungAnti-reflection coating
- 350350
- DurchgangslochThrough Hole
- 355355
- optisches Fensteroptical window
- 400400
- MEMS-WaferMEMS wafer
- 500500
- Chipchip
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102012206858 A1 [0007] DE 102012206858 A1 [0007]
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- 2016-09-16 DE DE102016217817.2A patent/DE102016217817A1/en active Pending
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