DE102019119195A1

DE102019119195A1 - Hermetisch verschlossene gehärtete Glasumhäusung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102019119195A1
Application number: DE102019119195.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Ulrich Thomas; Thomas Zetterer; Antti Määttänen; Robert Hettler; Yutaka ONEZAWA
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-01-21
Also published as: US11993511B2; US20220135398A1; JP2022541499A; EP3999467A1; CN114080368A; WO2021009297A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hermetisch verschlossene Umhäusung umfassend ein Basissubstrat und ein Abdecksubstrat, welche zumindest einen Teil der Umhäusung bilden, zumindest einen von der Umhäusung umschlossenen Funktionsbereich, wobei zumindest das Abdecksubstrat bevorzugt ein glasartiges Material umfasst, wobei das Basissubstrat und das Abdecksubstrat mit zumindest einer Laserbondlinie hermetisch dicht gefügt sind, wobei die Laserbondlinie eine Höhe HL senkrecht zu seiner Verbindungsebene aufweist, wobei zumindest das Abdecksubstrat zumindest auf der der Laserbondlinie gegenüberliegenden Seite an seiner Oberfläche eine gehärtete Schicht aufweist, bevorzugt eine chemisch gehärtete Schicht, wobei die gehärtete Schicht bevorzugt eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat ausübt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine transparente Deckschicht für eine Umhäusung, eine transparente Umhäusung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen einer Mehrzahl von hermetisch dichten Umhäusungen.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hermetisch verschlossene Umhäusungen können dafür eingesetzt werden, sensible Elektronik, Schaltkreise oder beispielsweise Sensoren zu schützen. So können medizinische Implantate, beispielsweise im Bereich des Herzens, in der Retina oder für Bio-Prozessoren eingesetzt werden. Bislang werden zu diesen Zwecken Umhäusungen aus Titan angefertigt und eingesetzt.
Sensoren können mit einer Umhäusung für besonders widrige Umweltbedingungen geschützt werden. In diesen Bereich fallen beispielsweise auch MEMS (Mikro-ElektroMechanische-Systeme), Barometer usw.
Ein weiteres Feld für den Einsatz einer erfindungsgemäßen Umhäusung lässt sich in einer Hülle für ein Smartphone, im Bereich von Virtual Reality-Brillen und ähnliches Gerät finden.
Den vorgenannten Einsatzzwecken ist gemein, dass an die Elektronik hohe Anforderungen hinsichtlich ihrer Robustheit gestellt werden. Die Elektronik ist also vor den Umwelteinflüssen zu schützen. Darüber hinaus ist ggf. die Anforderung gestellt, dass ein optischer Austausch mit dem Innenbereich der Umhäusung, also der von der Umhäusung gebildeten Kavität, gewährleistet ist, also die Umhäusung zumindest teilweise transparent ist.
Es ist grundsätzlich bekannt, mehrere Teile zusammenzufügen und diese Teile so anzuordnen, dass in einem Zwischenraum ein Aufnahmebereich entsteht, in welchem Komponenten beherbergt werden können. Beispielsweise zeigt das Europäische Patent EP 3 012 059 B1 ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Teils zum Schützen eines optischen Bauteils. Es wird dabei ein neuartiges Laser-Verfahren eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung ist in dem Rahmen zu sehen, dass Umhäusungen verbessert und insbesondere widerstandsfähiger aufgebaut werden sollen. Dadurch lässt sich die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen und beispielsweise auch mechanischen Belastungen erhöhen.
Mit anderen Worten liegt der Erfindung also die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Umhäusung für eine Kavität bereitzustellen, um noch widrigeren Umweltbedingungen und Einflüssen standzuhalten. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der mechanischen Beanspruchung der Umhäusung, um beispielsweise Kantenbrüche zu vermeiden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die Verbesserung der Umhäusung besonders kostengünstig, aber auch zuverlässig und langlebig bereitzustellen, da sich auch die verbesserte Umhäusung in der Konkurrenzsituation des Marktes behaupten muss.
Im Rahmen der Erfindung wird daher ein Verfahren zum Bereitstellen einer Mehrzahl von hermetisch dichten Umhäusungen vorgestellt. Ob zwar auch ohne Schwierigkeit das Verfahren so geändert werden könnte, dass lediglich eine einzelne Umhäusung mit dem Verfahren hergestellt wird, ist es unter wirtschaftlichen Erwägungen sinnvoll, im gleichen Prozessablauf eine Mehrzahl von Umhäusungen herzustellen, da sich hierdurch Zeit, Aufwand und Rohstoffmaterial einsparen lässt.
Erfindungsgemäß wird eine hermetisch verschlossene Umhäusung bereitgestellt, die Umhäusung umfassend ein Basissubstrat und ein Abdecksubstrat, welche zumindest einen Teil der Umhäusung bilden. Mit anderen Worten wird beispielsweise das Abdecksubstrat auf das Basissubstrat flächig aufgelegt, so dass das Basissubstrat mit dem Abdecksubstrat einen Stapel bildet. Bevorzugt kann es sich dabei um einen Waferstapel handeln.
Die Umhäusung umschließt zumindest einen Funktionsbereich, welcher zur Durchführung verschiedener Aufgaben hergerichtet sein kann. Beispielsweise kann der Funktionsbereich eine aktive Oberfläche umfassen. Bevorzugt weist der Funktionsbereich eine Kavität auf, also einen Hohlraum, der von der Umhäusung umschlossen ist. Die Kavität kann für den Einbau bzw. die Beherbergung von Funktionsbauteilen hergerichtet sein, so dass es sich um eine Beherbergungs-Kavität handelt.
Zumindest das Abdecksubstrat umfasst bevorzugt zumindest bereichsweise ein glasartiges Material. Das glasartige Material des Abdecksubstrats ist weiter bevorzugt zumindest bereichsweise transparent, und zwar zumindest für einen bestimmten Wellenlängenbereich. In einem Beispiel besteht das Abdecksubstrat aus einem Glas, welches in einem Wellenlängenbereich von 350 nm bis 1800 nm transparent ist. Zusätzlich weist das Abdeckglas eine beidseitige Antireflektions-Beschichtung, ein sogenanntes AR-Coating, auf, welches die Fresnelreflektion im Bereich von 1000 nm bis 1100 nm von jeweils 5% auf unter 1% reduziert. Die Mehrzahl der Gläser hat in diesem Wellenbereich eine hohe Transmission. Für die endgültige Transmission sind später aufgebrachte Coatings maßgeblich, die auf die jeweiligen Eigenschaften designt werden können.
Das Basissubstrat und das Abdecksubstrat sind mit zumindest einer Laserbondlinie hermetisch dicht gefügt. Es kann also das Basissubstrat unmittelbar und direkt mit dem Abdecksubstrat mittels einer Laserbondlinie hermetisch dicht gefügt sein.
Die Laserbondlinie weist dabei eine Höhe HL senkrecht zu seiner Verbindungsebene auf. Mit anderen Worten kann die Laserbondlinie als eine kontinuierliche Schmelzlinie mit einem meist elliptischen Querschnitt (Höhe HL+AF bis zu 100µm, Breite 10-20-µm) aufgefasst werden, welche durch Wärmeakkumulation einer Art Perlenschnur von Laser-Einschüssen hervorgerufen wird. Generell ensteht die Schmelzlinie oberhalb Laser-Einschuss-Perlschnur. Die Lokation der der Laser-Einschuss-Perlschnur AF liegt dabei unterhalb der Verbindungsebene, so dass der Querschnitt der resultierenden Schmelzzone die Verbindungsebene durchdringt. Die Schmelzlinie weiß daher eine gewisse Ausdehnung auf. Der in diesem Beispiel vertikale Abstand von der Verbindungsebene zum Ende der Fügezone der Laserbondlinie in einer Richtung wird als HL bezeichnet. Beim Laserwelding werden bevorzugt Laser mit hoher Repetitionsrate eingesetzt. Die Perlschnur von Lasereinschlüssen ist in der Regel nicht mehr sichtbar und der Perlen-Abstand geht nur indirekt (Wärmeakkumulaiton) in die Geometrie der Schmelzlinie ein.
Zumindest das Abdecksubstrat weist zumindest auf der der Laserbondlinie gegenüberliegenden Seite an seiner Oberfläche eine gehärtete Schicht auf, bevorzugt eine chemisch gehärtete Schicht, wobei die gehärtete Schicht bevorzugt eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat ausübt.
In der Umhäusung kann das Basissubstrat mit dem Abdecksubstrat mit derselben Laserbondlinie miteinander hermetisch dicht gefügt sein. Andererseits können zwischen dem Basissubstrat und dem Abdecksubstrat ein oder mehrere Zwischensubstrate angeordnet sein, wobei dann das Basissubstrat mit dem untersten Zwischensubstrat gefügt ist und das Abdecksubstrat mit dem obersten Zwischensubstrat.
Die zumindest eine Laserbondlinie kann den Funktionsbereich bevorzugt in einem Abstand DF umlaufend umschließen. Die Laserbondlinie kann auch als gebogene Linie, z.B. in S-Form in das Material bzw. in den Bereich der Kontaktfläche zwischen zwei Substraten eingezogen werden, so dass hierbei ggf. teilweise in den Härtebereich bzw. in die Härtezone des gehärteten Materials eingeschrieben wird. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das Fügen des Materials mittels des Laser-Fügeverfahrens auch dann funktioniert, wenn die im Material durch die Härtung aufgebaute Zugspannung groß ist.
Die gehärtete Schicht kann eine Härtungsschichtdicke DoL aufweisen. Das Abdecksubstrat kann über der Laserbondlinie bevorzugt eine Mindestmaterialstärke MM bis zu der gehärteten Schicht aufweisen. Bei einer Gesamtdicke DA des Abdecksubstrats über der Laserbondlinie kann im Übrigen gelten: DA - HL - DoL ≥ MM. Der Abstand verhindert eine thermische Anhilierung des gehärteten Bereichs.
Die Härtungsschichtdicke DoL ist diejenige Tiefe, bei der die Spannungskurve den Spannungsnulldurchgang hat. Die Weldlinien können überraschenderweise in der DoL des Abdeckglases sein, ohne die Festigkeit zu beeinflussen. Dies liegt an der geringen lateralen Ausdehnung (10-20µm).
Die Weldlinie darf durchaus in die gehärtete Oberfläche hineinragen, da sie dort vorzugsweise nur einen nicht signifikanten Bereich „enthärtet“. Die Mindestmaterialstärke MM ist bevorzugt - 100 µm.
Das Abdecksubstrat kann in vorteilhafter Weise beidseitig gehärtet sein, so dass das Abdecksubstrat an seiner dem Funktionsbereich zugewandten Seite und/oder an der Verbindungsfläche zum Basissubstrat eine zweite gehärtete Schicht mit der Härtungsschichtdicke DoLb auweist.
Die Höhe der Laserbondlinie HL kann größer sein als die Härtungsschichtdicke DoLb der zweiten gehärteten Schicht.
Zumindest das Abdecksubstrat ist bevorzugt allseits, also insbesondere an seiner gesamten äußeren Umrandungsfläche, gehärtet. Mit anderen Worten weist das Abdecksubstrat allseits eine gehärtete Schicht bzw. gehärtete Schichten auf, die den Funktionsbereich umgeben, insbesondere vollumfänglich umgeben. Das Package ist insoweit nachträglich gehärtet.
Die gehärtete Schicht kann dann die Härtungsschichtdicke DoLa, die zweite gehärtete Schicht die Härtungsschichtdicke DoLb, und die dritte gehärtete Schicht an einem umlaufenden Rand der Umhäusung eine Härtungsschichtdicke DoLc aufweist. In einem Beispiel können die Dicken DoLa, DoLb und DoLc gleich sein.
Seitlich des Funktionsbereichs kann der Mindestabstand DB zwischen der Laserbondlinie und der Härtungsschichtdicke DoLa von 5 bis 10 µm betragen. Da dieser Übergang nicht enthärtet werden soll, ist seitlich zur jeweiligen gehärten Kante mindestens die Hälfte der modularen Breite einzuhalten. Da die Welds höher (ca 100µm) sind, ist das Verhältnis Weidfläche zu Kantenfläche wesentlich ungünstiger. Daher ist es besser, hier die Welds gar nicht erst in die gehärtete Zone hereinragen zu lassen.
Das Abdecksubstrat kann den oder einen weiteren Funktionsbereich aufweisen. Mit anderen Worten kann der Funktionsbereich in dem Abdecksubstrat angeordnet sein. Beispielsweise kann der Funktionsbereich eine auf der Unterseite des Abdecksubstrats aufgebrachte aktive Fläche umfassen, wie beispielsweise eine Reflexionsschicht. Beispielsweise kann der Funktionsbereich in das Abdecksubstrat gehöhlt sein, indem das Abdecksubstrat mit einem geeigneten Verfahren ausgehöhlt wird. Hierfür kann ein Sandstrahlverfahren geeignet sein.
Das Basissubstrat kann auch an seiner der Laserbondlinie gegenüberliegenden Unterseite eine gehärtete Schicht DoLd aufweisen.
Jede Umhäusung kann eine Kavität bilden, welche von einem seitlich umlaufenden Rand, einer Unterseite sowie einer Oberseite der Umhäusung umschlossen ist. Mit anderen Worten wird eine solche Kavität von der Umhäusung allseits umschlossen, so dass die Umhäusung für die Kavität den umlaufenden Rand, die Unterseite und die Oberseite bildet.
Die Kavitäten können insbesondere als Beherbergungskavitäten ausgebildet sein. Das bedeutet, dass in den jeweiligen Kavitäten beispielsweise elektronische Schaltkreise, Sensoren oder MEMS eingesetzt werden können, also dort beherbergt werden. Diese vorgenannten Geräte, wie insbesondere elektronische Schaltkreise, Sensoren oder MEMS, sind daher von der Umhäusung allseits umschlossen, da sie innerhalb der Beherbergungskavität angeordnet sind.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst zumindest zwei Substrate, also beispielsweise ein Abdecksubstrat und ein Basissubstrat, bereitgestellt, wobei zumindest eines der zwei Substrate aus transparentem Material besteht oder zumindest bereichsweise ein transparentes Material umfasst. Die zumindest zwei Substrate werden direkt aneinander oder direkt aufeinander angeordnet. Mit anderen Worten werden die zumindest zwei Substrate so aneinander angeordnet bzw. angebracht, dass sie flächig aneinander zu liegen kommen, ohne dass andere Schichten zwischen den zumindest zwei Substraten vorhanden sind.
Möglicherweise sind aus technischen Gründen geringste Gaseinschlüsse zwischen den Substrat-Schichten nicht zu vermeiden, die sich auch aus eventuellen Unebenheiten der Substratschichten ergeben. Beispielsweise kann durch eine Druckerhöhung, wie insbesondere durch ein Pressen der zumindest zwei Substrate aneinander, oder eine Oberflächenbehandlung der Substratschichten wie einem Schleifprozess die Menge eingeschlossenen Gases weiter reduziert werden. Es ist besonders bevorzugt, wenn der möglicherweise auftretende Spalt zwischen den Substraten kleiner oder gleich 5µm dick ist, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 1 µm. Dann ist es möglich, mit dem Laser derart zu fügen, dass die Fügezone zwischen 10 bis 50 µm Dicke aufweist und somit eine hermetische Versiegelung sichergestellt ist.
Von dem zumindest einen transparenten Substrat wird der jeweilige Rand und die jeweilige Oberseite der jeweiligen Umhäusung der zu dichtenden Kavitäten gebildet. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind das zumindest eine transparente Substrat zwei aneinander liegende transparente Substrate, so dass das erste transparente Substrat den Rand und das zweite transparente Substrat die Oberseite der jeweiligen Kavitäten bildet. In einer dazu alternativen Ausgestaltung weißt das transparente Substrat eine Vertiefung bzw. Mulde auf. Die Vertiefung bzw. Mulde kann beispielsweise mittels eines abrasiven Verfahrens oder mit einem anderen subtraktiven Verfahren wie einem Ätzverfahren in das transparente Substrat eingebracht werden. Das zweite Substrat bildet die jeweiligen Unterseiten der jeweiligen Umhäusung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle drei Substratschichten transparent, so dass sowohl Unterseite, Rand als auch Oberseite und somit die Umhäusung vollständig aus transparentem Material besteht.
Der Schritt hermetisch dichtes Verschließen der Kavitäten kann durch Fügen der zumindest zwei Substrate entlang der jeweiligen Verbindungsfläche jeder Umhäusung mittels eines Laser-Fügeverfahrens durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann mittels eines Lasers im Bereich der Verbindungsfläche oder der gewünschten Eindringtiefe Energie deponiert werden, und zwar derart lokal, dass von einem Kalt-Fügeverfahren gesprochen werden kann. Die zum Fügen bereitgestellte Wärmeenergie wird also konzentriert auf den Verlauf der Verbindungsfläche gerichtet und diffundiert nur langsam in das übrige Material der Umhäusung, so dass insbesondere kein signifikanter Temperaturanstieg in der Kavität auftritt. Dies schützt die in der Kavität angeordnete Elektronik vor einer Überhitzung.
Vermittels des Lasers wird dabei lokal im Bereich der jeweiligen Umhäusung entlang der Verbindungsfläche Material der beiden Substrate angeschmolzen, so dass sich die zumindest zwei Substrate lokal verbinden. Der Fachmann kann hierfür beispielsweise auf die EP 3 012 059 B1 zurückgreifen, die hiermit durch Referenz inkorporiert wird.
Die jeweilige Umhäusung wird mittels eines Schneid- oder Abtrennschritts vereinzelt. Das bedeutet, dass die Substrate so geschnitten bzw. getrennt werden, dass jede Umhäusung von dem übrigen Material vereinzelt wird.
Die Umhäusungen werden schließlich durch ein Bad in einer chemischen Lösung an ihrer Oberfläche chemisch gehärtet.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass das chemische Härten der Oberfläche durch Baden in einer chemischen Lösung den Bruchwiderstand der jeweiligen Umhäusung signifikant zu erhöhen vermag und hierdurch insbesondere ein Kantenbrechen verringert wird. Dies ist aus mehreren Gründen überraschend.
Zunächst ist überraschend, dass die chemische Lösung nicht bis an die Fügenähte eindringt und somit die Fügenähte nicht chemisch beansprucht werden. Dies hätte verschlechternde Auswirkungen haben können, was zunächst angenommen werden musste. So war man bislang auch der Ansicht, dass chemisch gehärtete Umhäusungen mit einem Verfahren, bei welchem zwei oder mehrere Substrate miteinander gefügt werden, technisch nicht realisierbar seien, da bei der Vereinzelung der Umhäusungen aus dem Substrat ein Brechen der Umhäusungen erwartet wurde. Dies wurde auch von den Erfindern bei den anfänglichen Versuchen festgestellt. Mit dem hier vorgestellten Verfahren, und im besonders bevorzugten Fall im Zusammenhang mit dem Einsatz eines Lasers für den Füge- und/oder Abtrenn-Schritt, ist dies in überraschender Weise aber nun möglich.
Des Weiteren hat sich überraschend herausgestellt, dass die durch Laserfügen abgeschlossene Kavität ohne Weiteres Innendrücke von 2 Atm und mehr aushält, wie sie beispielsweise beim Aufheizen der Umhäusung im Härtungsbad auftreten können.
Die Umhäusung umfasst bevorzugt ein erstes und ein zweites transparentes Substrat, wobei das erste transparente Substrat den jeweiligen Rand sowie das zweite transparente Substrat die jeweilige Oberseite der Kavitäten bildet. Mit anderen Worten bildet das erste transparente Substrat das Abdecksubstrat und das zweite transparente Substrat das Zwischensubstrat. Beim Einsatz von zwei transparenten Substraten, eines zum Bilden des Randes und ein zweites zum Bilden der Oberseiten, sind jeder Umhäusung bereits zwei umlaufende optisch transparente Bereiche zugeordnet. Die jeweilige Kavität wird in diesem Fall hermetisch dicht verschlossen, indem entlang der beiden Grenzflächen einerseits zwischen dem Abdecksubstrat und dem Zwischensubstrat und andererseits zwischen dem Zwischensubtrat und dem Basissubstrat mit dem Laser-Fügeverfahren gefügt wird. Das erste und das zweite transparente Substrat wie auch das Basissubstrat werden hierbei fest miteinander verschweißt, sowie zugleich die Kavitäten hermetisch dicht versiegelt.
Bevorzugt werden die zumindest zwei, bevorzugt drei Substrate in Form eines Waferstapels mit zumindest zwei, bevorzugt drei, Wafern bereitgestellt. Aus den Wafern bzw. dem Waferstapel kann dann gemeinsam im gleichen Arbeitsprozess eine Mehrzahl hermetisch dichter Umhäusungen hergestellt werden. Diese Vorgehensweise hat sich als besonders ökonomisch herausgestellt, da ein besonders geringer Verschnitt und damit Materialverlust einhergeht.
Die zumindest zwei Wafer bestehen bevorzugt aus Glas oder es besteht zumindest ein Wafer aus Glas und das zweite Wafer aus einem von dem Glas verschiedenartigen Material. Mit anderen Worten kann das Wafer, welches die Unterseite der Kavitäten bildet, aus einem optisch nicht transparenten Material bereitgestellt werden, welches ggf. andere Eigenschaften aufweist, wie insbesondere elektrische Leitfähigkeit. Der Rand und die Oberseite der Umhäusungen ist hingegen aus transparentem Material. Weiter bevorzugt ist es, alle Substrate aus transparentem Material bereitzustellen. Bei einer transparenten Umhäusung aus Glas oder überwiegend aus Glas, insbesondere aus Borosilikatglas, ist es besonders vorteilhaft, dass dies chemisch inert ist.
Die Kantenhärte der hermetisch dichten Umhäusung kann mit einem Vier-Punkt-Biegetestverfahren gemessen werden. Die Kantenhärte der wie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ertüchtigten Umhäusungen, die also besonders widerstandsfähig sind, liegt dabei bei zumindest 150 MPa oder sogar bei mehr als 150 MPa.
Es ist bevorzugt, dass die Vereinzelung der jeweiligen Umhäusung mittels eines Lasers durchgeführt wird, also mittels eines Laser-Schneid- oder Laser-Abtrenn-Verfahrens. Hierdurch kann eine sauberere Trennung der Umhäusungen voneinander vollzogen werden, wobei weniger Bruch und sauberere Trennstellen entstehen. Es kann für das Abtrennen bevorzugt derselbe Laser eingesetzt werden, der auch für den Fügeschritt eingesetzt wird.
Das zumindest eine transparente Substrat kann neben Glas auch Glaskeramik, Silizium oder Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien umfassen, also beispielsweise aus Glas-Silizium, Glas/Silizium/Saphir-Kombination oder Silizium/Saphir-Kombination bestehen.
Das oder die Substrate können auch eine Beschichtung aufweisen. AR-Coatings, Schutzbeschichtungen, bioaktive Filme, optische Filter, leitfähige Schichten z.B. aus ITO oder Gold ist beispielsweise einsetzbar, solange sichergestellt ist, dass im Bereich der Einstrahlung für den Laser eine Transparenz bzw. zumindest teilweise Transparenz für die eingesetzte Laserwellenlänge vorliegt.
Der Schritt chemisches Härten der Umhäusungen umfasst bevorzugt zumindest einen der folgenden Unterschritte: Bereitstellen einer sauren oder basischen Lösung, insbesondere umfassend oder bestehend aus KNO₃; Einbringen der Umhäusungen in die saure oder basische Lösung; Erhitzen der sauren oder basischen Lösung auf eine Temperatur von zumindest 650 K, bevorzugt von zumindest 700 K, weiter bevorzugt von zumindest 720 K; Baden der Umhäusungen in der sauren oder basischen Lösung für zumindest 6 Stunden, bevorzugt für zumindest 8 Stunden, weiter bevorzugt für zumindest 9 Stunden sowie bevorzugt für höchstens 12 Stunden.
Die saure oder basische Lösung kann auch andere Kaliumsalze umfassen. Auch ein Austausch der Natrium-Ionen mit Rubidium, Cäsium, Francium oder Ähnlichem ist prinzipiell möglich. Beim Härten sollte darauf geachtet werden, dass die Umhäusung möglichst wenig Kontaktpunkte beispielsweise mit der Wanne, mit einzusetzenden Gestellen oder zu anderen Objekten im Bad aufweisen sollte, da an den entsprechenden Kontaktpunkten möglicherweise die Wirkung des Härtebades reduziert sein kann.
Erfindungsgemäß wird auch eine Umhäusung mit darin eingeschlossener hermetisch verschlossener Beherbergungskavität bereitgestellt, welche nach einem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
Eine nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellte Umhäusung kann in vorteilhafter Weise als medizinisches Implantat oder als Sensor verwendet werden, insbesondere als Barometer.
Ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegt eine insbesondere transparente Umhäusung mit einer hermetisch verschlossenen Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungs-Objekts. Ein Beherbergungs-Objekt ist beispielsweise ein elektronischer Schaltkreis, ein Sensor oder MEMS.
Die erfindungsgemäße Umhäusung weist einen seitlich umlaufenden Rand aus transparentem Material sowie eine Unterseite und eine Oberseite auf, die gemeinsam die Beherbergungskavität vollständig umschließen.
Zumindest eines aus seitlich umlaufendem Rand, Unterseite oder Oberseite sind hierbei zumindest bereichsweise für einen Wellenlängenbereich transparent. Mit anderen Worten ist es ausreichend, wenn zumindest ein Teilelement der Umhäusung zumindest an einem Teilbereich des Teilelements für einen bevorzugten Wellenlängenbereich transparent ist, wobei der Wellenlängenbereich im Vorhinein bekannt ist und das Material entsprechend auf die einzusetzende Wellenlänge des Lasers eingestellt werden kann, wenn dies gewünscht ist.
Die Umhäusung ist mit einem Laser-Fügeverfahren zu der hermetisch geschlossenen Umhäusung gefügt. Mit anderen Worten bestehen Rand, Unterseite und Oberseite aus mehr als einem Teil, beispielsweise zwei oder drei Teilen oder auch mehr, und wobei die Teile miteinander Lasergefügt sind zur Fertigstellung der Umhäusung.
Die Umhäusung ist zumindest teilweise und/oder bereichsweise chemisch gehärtet. Beispielsweise ist eine Oberfläche der Umhäusung, d.h. beispielsweise die Oberseite, chemisch gehärtet. Es können auch Oberseite und Rand chemisch gehärtet sein. Besonders bevorzugt sind sowohl Oberseite, als auch Rand, als auch Unterseite chemisch gehärtet, so dass sowohl die jeweilige Oberfläche von Oberseite bzw. Unterseite chemisch gehärtet ist, als auch die jeweilige Kante, das heißt der Rand.
Der seitlich umlaufende Rand kann bevorzugt aus einem ersten Substrat gefertigt sein, wobei die Unterseite aus einem zweiten Substrat gefertigt ist, und wobei die Oberseite aus einem dritten Substrat gefertigt ist. Die Umhäusung ist dann wieder aus einem Waferstapel hergestellt.
Bevorzugt kann bei der transparenten Umhäusung der seitlich umlaufende Rand und/oder die Unterseite und/oder die Oberseite chemisch gehärtet sein, oder weiter bevorzugt ist die vollständige Oberfläche der Umhäusung chemisch.
Die chemische Härtung der Umhäusung ist bevorzugt dadurch realisiert, dass in einer Schichtdicke von 30 µm oder weniger, oder von 20 µm oder weniger, oder bevorzugt von 10 µm oder weniger vorhandene Natrium-Ionen teilweise oder vollständig durch Kalium-Ionen ausgetauscht sind.
Die Umhäusung wird bevorzugt nach der Separation von weiteren Umhäusungen, die beispielsweise in einem Herstellungsverfahren gemeinsam mit der Umhäusung hergestellt wurden, insbesondere in dem zuvor beschriebenen Herstellungsverfahren, der chemischen Härtung unterzogen.
Die Umhäusung kann einen aus einem ersten Teil gefertigten seitlich umlaufenden Rand aus transparentem Material, eine aus einem zweiten Teil gefertigte Unterseite und eine aus einem dritten Teil gefertigte Oberseite umfassen, die gemeinsam die Beherbergungskavität vollständig umschließen.
Die vorgenannten zumindest drei Teile der Umhäusung werden dann mit einem Laser-Fügeverfahren zu der hermetisch geschlossenen Umhäusung gefügt.
Bevorzugt weist die Umhäusung eine Kantenhärte von zumindest 150 MPa oder mehr als 150 MPa auf, wobei die Kantenhärte mit einem Vier-Punkt-Biegetestverfahren gemessen werden kann.
Die transparente Umhäusung kann beispielsweise eine Größe von 3mm x 3mm oder weniger aufweisen, insbesondere weist die Beherbergungskavität einen Durchmesser von kleiner oder gleich 2 mm auf. Beispielsweise kann eine transparente Umhäusung auch eine Größe von 0,2mm x 0,2mm oder kleiner aufweisen. Andererseits kann die transparente Umhäusung je nach Einsatzgebiet aber durchaus auch größer hergestellt werden, mehrere Zentimeter Länge und mehr ist möglich. Eine Größenbegrenzung aus der Praxis, die sich durch das bevorzugte Herstellungsverfahren bedingt, die jedoch nicht per se als Größenbeschränkung verstanden werden darf, besteht einfach in der Größe der zu schneidenden Wafer. Der Einsatz von Wafern zur Herstellung ist jedoch nur als Beispiel zu verstehen. Es ist durchaus möglich, beispielsweise Glasplatten zur Herstellung der transparenten Umhäusung einzusetzen, die auch größere Abmessungen als typische Wafergrößen aufweisen kann.
Figurenliste
Es zeigen:

1 a eine Draufsicht auf die geöffnete Beherbergungskavität,
1b eine 3D-Ansicht einer geschlossenen Umhäusung,
2a einen Schnitt durch die Umhäusung,
2b eine Detailansicht auf die Fügezone,
3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Umhäusung,
4a - 8b Schnitte entlang der Linien A->B bzw. C->D von Ausführungsformen einer wie in 3 gezeigten Umhäusung,
9 den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Umhäusung,
10 den Ablauf eines weiteren Verfahrens zur Herstellung der Umhäusung,
11 -14 photographische Ansichten auf realisierte Umhäusungen gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 a zeigt das zu schützende Beherbergungsobjekt 2 eingebettet auf einem Basissubstrat oder unteren Wafer 3, umhüllt bzw. an seinen Seiten umschlossen von einem Zwischenwafer 4 und abzudecken von einem Abdecksubstrat oder oberen Wafer 5. Die drei Wafer 3, 4, 5 bilden somit in dem Beispiel der 1 gemeinsam die Umhäusung 1 um das Beherbergungsobjekt 2, welches in der Kavität 12 angeordnet ist. Mit anderen Worten wird beim Auflegen des oberen Wafers 5 auf den Zwischenwafer 4 im Beispiel der 1a eine allseits geschlossene Beherbungskavität 12 gebildet, welche in nachfolgenden Schritten hermetisch zu verschließen sein wird.
1b zeigt die solchermaßen gebildete hermetisch geschlossene, chemisch gehärtete Umhäusung 1. Diese Umhäusung 1 weist wie das Beispiel der 1 das Basissubstrat bzw. den unteren Wafer 3, das Zwischensubstrat bzw. den Zwischenwafer 4 und das Abdecksubstrat bzw. den oberen Wafer 5 übereinander gestapelt auf. Zwischen dem unteren Wafer 3 und dem Zwischenwafer 4 einerseits sowie zwischen dem Zwischenwafer 4 und dem oberen Wafer 5 andererseits ist jeweils eine Kontaktfläche oder Grenzfläche 25 vorgesehen. Wie auch der 1a zu entnehmen ist, ist die Zwischenwaferschicht 4 nicht durchgängig ausgebildet, so dass in Höhe der Zwischenwaferschicht 4 die Beherbungskavitäten 12 gebildet werden.
Bezugnehmend auf 2a ist ein Schnitt durch eine hermetisch geschlossene, chemisch gehärtete Umhäusung 1 gezeigt. Ein unterer Wafer 3 bildet die Unterseite 22 der Kavität 12, ein Zwischenwafer 4 bildet den Rand 21 der Kavität 12, ein oberer Wafer 5 schließlich die Oberseite 23 der Kavität 12. Mit anderen Worten umschließen unterer Wafer, Zwischenwafer und oberer Wafer 3, 4, 5 gemeinsam als Waferstapel 18 die Beherbergungskavität 12. In der Kavität 12 ist das Beherbergungsobjekt 2 angeordnet.
2b zeigt einen Detailausschnitt auf den Fügebereich, wobei die lasergefügte Interface-Zone 7 und die Laser-Fügezone 8 deutlich hervortritt. Die Laser-Fügezone 8 ist im Bereich der optischen Grenzfläche 25 angeordnet. Von außenseits der Umhäusung 1 können Umwelteinflüsse auf die Umhäusung wirken, insbesondere auf Ecken 6 des lasergefügten Stapels 18. Diese Ecken 6 verhindern dabei das Eindringen beispielsweise auch von chemischen Lösungen in den Waferstapel 18 bis zu der Laser-Fügezone 8. Mit anderen Worten findet an den Ecken 6 des lasergefügten Stapels 18 überraschenderweise kein Eindringen von chemischen Lösungen statt.
3 zeigt eine Aufsicht auf eine Umhäusung 1 gemäß der Erfindung, wobei die umlaufende Laser-Fügezone 8 den Funktionsbereich 13 umgibt. Der Funktionsbereich 13 kann verschieden aufgebaut sein. Beispiele für die Gestaltung des Funktionsbereichs 13, wie auch für andere Optionen einer Umhäusung, finden sich in den 4a bis 8b. Die verschiedenen Gestaltungen des Funktionsbereichs 13 lassen sich dabei graphisch in der 3 so zusammenfügen, da alle Aufsichten schematisch gleich darstellbar sind. An den Linien A-B bzw. C->D sind Schnitte skizziert, die entsprechend in den 4a bis 8b wiedergegeben werden.
Der Funktionsbereich kann verschiedene Aufgaben realisieren, beispielsweise kann dies ein optischer Rezeptor sein oder ein technisches, elektro-mechanisches und/oder elektronisches Bauteil, welches im Funktionsbereich 13 angeordnet ist. Es können auch mehrere dieser Aufgaben im Funktionsbereich 13 realisiert werden. Die Umhäusung 8 wird oberseits von dem oberen Substrat 5 abgedeckt. Die Laser-Fügezone 8 reicht in dieses obere Substrat 5 hinein.
Bezugnehmend auf 4a ist eine erste Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Umhäusung 1 gezeigt, wobei das obere Substrat 5 an seiner Oberseite eine erste gehärtete Schicht 27 aufweist. Beispielsweise kann das Abdecksubstrat 5 vor seiner Verbindung mit dem Basissubstrat 3 oder auch nach der Verbindung mit dem Basissubstrat 3 mit seiner Oberseite in ein Härtebad (siehe z.B. 9) getaucht werden, so dass die fertige Umhäusung 1 einseitig chemisch gehärtet ist, also zumindest eine gehärtete Oberfläche 27 aufweist und/oder zumindest eine gehärtete Schicht aufweist. Mit anderen Worten ist die fertige Umhäusung 1 zumindest bereichsweise bzw. zumindest teilweise gehärtet, wie insbesondere chemisch gehärtet. Bei der chemischen Härtung bildet sich eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat 5.
4a zeigt überdies den Aufbau der Laser-Fügelinie 8 aus einer Aneinanderreihung von einer Mehrzahl von Laser-Pulstrefferbereichen 16, welche so dicht aneinander gesetzt sind, dass das Material des Basissubstrats 3 und des Abdecksubstrats 5 miteinander lückenlos verschmilzt. Die erste gehärtete Schicht 27 weist die Höhe DoL auf. Die Fügezone 8 weist die Höhe HL auf. Zwischen der Härtezone 27 und der Fügezone 8 verbleibt eine Mindestmaterialdicke MM. Die gesamte Dicke des Abdecksubstrats 5 kann sich dann aus HL + MM + DoL zusammensetzen.
4b zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Umhäusung 1 entlang der Linie C->D, wie sie in 3 eingefügt ist. Das Abdecksubstrat 5 weist an seiner Oberseite bzw. Außenseite eine erste gehärtete Schicht 27 auf, welche sich über die Dicke DoL in das Material des Abdecksubstrats 5 hinein erstreckt. Mit anderen Worten ist das Abdecksubstrat 5 und somit die Umhäusung 1 an der Oberseite gehärtet bzw. weist dort eine Härtezone 27 auf, so dass die Umhäusung 1 bereichsweise, nämlich an einer Seite, gehärtet ist.
4b zeigt ferner einen Schnitt durch den Funktionsbereich 13, 13a, der sich beispielsweise als durchgehender Hohlraum oder Kavität in der Umhäusung 1 erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich die Kavität von dem Basissubstrat 3 bis in das Abdecksubstrat 5 und liegt beispielsweise in Form einer Ausnehmung aus Basissubstrat 3 und/oder Abdecksubstrat 5 vor. Beispielsweise kann der Funktionsbereich 13a auch eine aktive Schicht umfassen, z.B. eine elektrisch leitfähige Schicht, und der Funktionsbereich 13 umfasst die Kavität. Umlaufend um den Funktionsbereich 13, 13a ist die Laser-Fügezone 8 angeordnet, mittels welcher der Funktionsbereich 13, 13a an den Seiten rundherum verschlossen ist. Es ist denkbar, in der Laser-Fügezone 8 offene Bereiche zu belassen, so dass der Funktionsbereich 13, 13a nicht rundherum verschlossen ist, beispielsweise um einen Kommunikationskanal offenzulassen, mit welchem beispielsweise eine Fluidkommunikation mit der Umgebung aufbaubar ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, vorgeplante Stellen bzw. Positionen nicht mit dem fokussierten Laserstrahl 9 zu verschließen, sondern dort den hermetischen Verschluss mit anderen Mitteln wie mit einem Kleber einzurichten. Bevorzugt ist, den Funktionsbereich 13, 13a allseits und lückenlos zu verschließen.
Bezugnehmend auf 5a ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher entlang der Kontaktfläche 25 mittels der Laser-Pulstreffer 16 die Laser-Fügezone 8 geschaffen wird, an welcher das Abdecksubstrat 5 mit dem Basissubstrat 3 verschweißt bzw. gefügt ist. In dieser Ausführungsform weist das Abdecksubstrat 5 eine erste gehärtete Schicht 27 an seiner Oberseite sowie eine zweite gehärtete Schicht 28 an seiner Unterseite auf. Um dies zu erreichen, wurde das Abdecksubstrat 5 zunächst ohne in Kontakt mit weiteren Substraten zu sein in eine Härtelösung gelegt und an seinen beiden gegenüberliegenden Oberflächen chemisch gehärtet. In dieser Ausführungsform ist das Abdecksubstrat 5 somit direkt im Bereich einer gehärteten Schicht 28 gefügt. Es ist völlig überraschend, dass die Fügung in einer gehärteten Schicht 28 überhaupt möglich ist.
5b zeigt die weitere Ausführungsform einer Umhäusung 1, wobei eine Schnittansicht entlang der in 3 gezeigten Linie C->D dargestellt ist. Die Umhäusung 1 weist die erste gehärtete Schicht 27 und die zweite gehärtete Schicht 28 auf, wobei beide gehärtete Schichten im Abdecksubstrat 5 eingebracht oder aufgebracht sind. Der Funktionsbereich 13, 13a erstreckt sich durch die gehärtete Schicht 28, so dass die gehärtete Schicht 28 auf einen Ringbereich um den Funktionsbereich 13, 13a herum begrenzt ist. Die Fügezone 8 liegt teilweise in der zweiten gehärteten Schicht 28. Die gehärtete Schicht 28 weist eine Höhe DoLb auf. Die einzelnen Laser-Pulstrefferbereiche 16 und somit die Fügezone 8 kann so eingestellt sein, dass dessen Höhe HL die zweite Härtezone 28 übersteigt. Dadurch kann sichergestellt sein, dass die Fügung bis in den nicht-gehärteten Bereich des Materials eindringt, also das Ende des Fügebereichs nicht mehr in dem vorgespannten Bereich liegt. Somit tritt das Ende der Fügezone 28 in den spannungsfreien Bereich des Materials, also insbesondere des Glases, ein. Mit anderen Worten weist die Fügezone 8 einen Überstand über der zweiten gehärteten Schicht 28 auf, wobei der Überstand in ungehärtetes Material des Bereichs MM hineinreicht.
Gemäß 6a ist ein weiteres Beispiel einer Umhäusung 1 gezeigt, in welcher die erste gehärtete Schicht 27, die zweite gehärtete Schicht 28 und die dritte gehärtete Schicht 29 eingebracht sind. In dieser Ausführungsform wurden das Abdecksubstrat 5 und auch das Basissubstrat 3 an seinen beiden Langseiten gehärtet, insbesondere chemisch gehärtet in einer Härtelösung. Mit anderen Worten wurden die Substrate 3, 5 an den jeweiligen Langseiten, also z.B. an der jeweiligen Oberseite und Unterseite, einzeln in eine Härtelösung zur chemischen Härtung getaucht, um die Langseiten zu härten. Nach der Härtung wurden die beiden Substrate 3, 5 übereinander angeordnet, also gestapelt, so dass die Oberseite des Basissubstrats 3 an der Unterseite des Abdecksubstrats 5 zu liegen kommt. Die Härtezone, welche an der Oberseite des Basissubstrats 3 angeordnet ist, kommt somit an der Härtezone zu liegen, welche an der Unterseite des Abdecksubstrats 5 angeordnet ist. Die Substrate 3, 5 werden hernach unmittelbar im Bereich des gehärteten Materials, also insbesondere im Bereich des gehärteten Glases, gefügt.
Es wird angenommen, dass durch den Laserfügevorgang im Bereich der jeweiligen Laser-Pulstrefferzone 16 Entspannung des Materials eintritt, so dass, wenn die Laser-Pulstrefferzone in ihrer Höhe HL die Höhe der Härtezone 28 übersteigt, so ein Überstand verbleibt, dass dann von dem ersten Substrat 3 über den Bereich der jeweiligen Pulstrefferzone 16 hinweg und bis in das zweite Substrat 5 hinein durchgängig entspanntes Material vorliegt. In dem fertigen Stapel der Umhäusung 1 ist somit an seiner Oberseite die erste gehärtete Schicht 27, an der Kontaktfläche 25 die zweite gehärtete Schicht 28 und an seiner Unterseite die dritte gehärtete Schicht 29 angeordnet.
6b zeigt die weitere Ausführungsform im Bereich des Schnittes C->D, welche drei Härtezonen 27, 28, 29 aufweist. Der Funktionsbereich 13, 13a ist auch in dieser Ausführungsform so angeordnet, dass er sich von dem Basissubstrat 3 in das Abdecksubstrat 5 hinein erstreckt, beispielsweise als Ausnehmung in dem jeweiligen Substrat. Eine solche Ausnehmung 13, 13a kann insbesondere durch ein Sandstrahlverfahren eingebracht werden. Rund um die Ausnehmung 13, 13a herum ist die Fügelinie 8 angeordnet, so dass die Ausnehmungen 13, 13a allseits hermetisch verschlossen sind.
7a zeigt noch eine Ausführungsform einer Umhäusung 1 im Bereich des Schnittes A->B, wobei das Abdecksubstrat 5 an seiner Oberseite die erste gehärtete Schicht 27 und an seiner Schmalseite oder Kante 14 die zweite gehärtete Schicht 28 aufweist. So wurde beispielsweise das Abdecksubstrat 5 einzeln oder nach der Fügung mit dem Basissubstrat 3 in eine Härtelösung mit der Oberseite des Abdecksubstrats 5 in eine Härtelösung zur chemischen Härtung getaucht und dabei so weit eingetaucht, dass die Höhe der zweiten gehärteten Schicht 28 erreicht wird. In diesem Beispiel weist das Basissubstrat 3 keine Härtezonen auf. Die seitliche Härtezone 28 endet in diesem Beispiel unmittelbar im Bereich der Kontaktfläche 25 zwischen Abdecksubstrat 5 und Basissubstrat 3. Die Fügung entlang der Fügelinie 8 wurde innenseits der Härtezone 28 eingebracht, also in entspanntem Material.
7b zeigt noch eine Ausführungsform einer Umhäusung 1, bei welcher eine erste Langseite eine gehärtete Schicht 27 aufweist und eine erste Schmalseite 14 bereichsweise eine gehärtete Schicht 28 aufweist. Die gehärtete Schicht 28 kann sich umlaufend um die Umhäusung 1 erstrecken, beispielsweise geschlossen um den Funktionsbereich 13 herum. Im Vergleich zur 3 ist ein Schnitt an der dort gezeichneten Linie C->D dargestellt, also durch den Funktionsbereich 13 hindurch. Der Funktionsbereich 13 ist in dieser Ausführungsform auf die Abmessung des Abdecksubstrats 5 begrenzt, reicht also nicht in das Basissubstrat 3 hinein. Das Basissubstrat 3 ist direkt und unmittelbar mit dem Abdecksubstrat 5 gefügt, so dass also keine weitere Schicht bzw. kein weiteres Substrat zwischen Basissubstrat 3 und Abdecksubstrat 5 angeordnet ist. Der Funktionsbereich 13 ist als Kavität ausgeführt. Die Kavität kann in das Abdecksubstrat 5 beispielsweise mittels Sandstrahlverfahren eingebracht werden, allgemein mit einem abrasiven Verfahren. Auch ein chemisches Ätzen ist möglich, um die Kavität in das Substrat einzubringen.
8a zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Umhäusung 1, wobei ein Schnitt im Bereich der in 3 gezeigten Linie A->B dargestellt ist, d.h. ein Schnitt entlang bzw. durch eine Fügelinie 8 hindurch. In dieser Ausführungsform ist die Umhäusung 1 an allen Außenseiten gehärtet, d.h. sowohl die beiden gegenüberliegenden Langseiten weisen gehärtete Schichten 27 und 29 auf, als auch die umlaufende Kante 14 der Umhäusung die gehärtete Schicht 28, wobei sich die umlaufende Kante 14 rings um die Umhäusung 1 erstreckt. Mit anderen Worten sind im Falle einer quaderförmigen Umhäusung alle vier Schmalseiten, die ein Quader aufweist, zu der Kante 14 zusammengefasst. Die Kante 14 kann auch als Rand 21 der Umhäusung aufgefasst bzw. bezeichnet werden, welche sich um die Kavität herum erstreckt. Eine wie in 8a gezeigte Umhäusung 1 lässt sich beispielsweise erhalten, indem die fertig gefügte Umhäusung, welche das Abdecksubstrat 5 und das Basissubstrat 3 umfasst, in eine Härtelösung getaucht wird und dort insbesondere chemisch gehärtet wird. Die gehärteten Schichten 27, 28, 29 sind somit unmittelbar an den Außenseiten der Umhäusung 1 angeordnet. Innenseits der gehärteten Schichten 27, 28, 29 verbleibt somit ein Bereich für die Fügelinie 8, welche ggf. mit einem Abstand zu den gehärteten Schichten 27, 28, 29 eingebracht wird.
8b zeigt eine Ausführungsform der Umhäusung 1, wobei ein Schnitt entlang der Linie C->D dargestellt ist. Die Umhäusung 1 ist allseits chemisch gehärtet, weist also mit anderen Worten an allen Oberflächen einen gehärteten Bereich 27, 28, 29 auf. Beispielsweise ist an der ersten Langseite, die die Oberseite des Abdecksubstrats 5 sein kann, eine erste gehärtete Schicht 27 angeordnet, an einer zweiten Langseite, die die Unterseite des Basissubstrats 3 sein kann, eine dritte gehärtete Schicht 29 und an dem umlaufenden Rand 21 bzw. der umlaufende Kante 14 die zweite gehärtete Schicht 28 angeordnet. Die Oberseite 23 der Kavität ist innenseits der ersten gehärteten Schicht 27 angeordnet, der Rand 21 der Kavität innenseits der zweiten gehärteten Schicht 28 sowie die Unterseite 22 der Kavität innenseits der dritten gehärteten Schicht 29. Die Kavität bzw. der Funktionsbereich 13, 13a ist somit allseits von gehärtetem Material 27, 28, 29 umschlossen. Bezugnehmend auf 9 ist eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Umhäusung 1 gezeigt. In einem Schritt A werden die Wafer und die zu beherbergenden Beherbergungsobjekte 2 ausgerichtet. Dabei kommt das Abdecksubstrat bzw. der obere Wafer 5 auf dem Zwischenwafer 4, und dieser wiederum auf dem Basissubstrat bzw. unteren Wafer 3 derart zu liegen, dass ein Waferstapel 18 gebildet wird. Da hierbei der Zwischenwafer 4, der die Ausnehmungen umfasst, in welchen die Kavitäten 12 gebildet sind, mittig angeordnet ist, sind hernach die Beherbergungskavitäten 12 allseits von Wafermaterial umschlossen. Mit anderen Worten wird beim Ausrichten der Wafer im Schritt A die allseitige Umschließung der Kavität 12 mit Rand 21, Unterseite 22 und Oberseite 23 der Kavität gebildet.
Schritt B des in 3 gezeigten Verfahrens zeigt den übereinander angeordneten Waferstapel 18 mit darin befindlichen Kavitäten 12 zur Aufnahme von Beherbergungsobjekten 2. Dieser Waferstapel 18 kann in dieser geschlossenen Form dem Fügeverfahren zugeführt werden.
Schritt C zeigt das Laserfügen der jeweiligen Beherbergungskavitäten 12, also das Verschließen der Kavitäten 12 allseits entlang der Kontaktflächen 25. Hierfür wird eine Lasereinheit 15 von oberhalb des Waferstapels 18 über die Oberfläche des Waferstapels 18 geführt und dabei punktuell ein fokussierter Laserstrahl 9 auf die zu fügende Zone gerichtet. Die Laserfügelinien 8 können beispielsweise als ein Raster von sich kreuzenden Linien ausgeführt werden. Auch das Parallelziehen zweier oder mehrere Laserfügelinien 8 kann eingesetzt werden, wenn dies beispielsweise je nach Material für das spätere Vereinzeln sich als vorteilhaft erweist. Nach Abschluss des Schritts C des Herstellungsverfahrens sind alle Kavitäten 12 hermetisch geschlossen.
Schritt D zeigt den Schritt der Separation bzw. des Schneidens des Waferstapels 18, um die Umhäusungen 1 zu vereinzeln. Hierbei wird entlang von Trenn- bzw. Schneidlinien 10 der Waferstapel geschnitten bzw. getrennt.
In einem Schritt E werden die Umhäusungen 1 in einem Bad 11 mit saurer oder basischer Härtelösung chemisch gehärtet. Vorzugsweise weist das Bad 11 eine Temperaturregelung auf, so dass eine voreingestellte Temperatur gehalten werden kann.
Schritt F zeigt schließlich die hermetisch versiegelte chemisch gehärtete Umhäusung 1 mit darin angeordneter Beherbergungskavität 12.
Bezugnehmend auf 10 ist ein weiteres Verfahren gezeigt, mit welchem hermetisch geschlossene chemisch gehärtete Umhäusungen 1 erhaltbar sind. In Schritt A des Verfahrens wird der Waferstapel 18 gebildet, indem die einzelnen Waferschichten 3, 4, 5 übereinander angeordnet und ausgerichtet werden. In den Beherbergungskavitäten 12 sind Beherbergungsobjekte 2 angeordnet.
Schritt B zeigt den fertig hergestellten Waferstapel 18, bei welchem unterer Wafer 3, Zwischenwafer 4 und oberer Wafer 5 jeweils zueinander im direkten Kontakt übereinander liegen.
Dieser Waferstapel wird in Schritt C dem Bad 11 mit saurer oder basischer Härtelösung zugeführt und im Bad gehärtet.
Mit Schritt D wird das Laser-Fügeverfahren durchgeführt, wobei jede Kavität 12 mittels des Fügens der drei Waferschichten 3, 4, 5 hermetisch verschlossen wird. Der Laser fügt dabei die Waferschichten 3, 4, 5 entlang der optischen Grenzflächen und rings um jede Einzelkavität 12.
Mit Schritt E wird ein Laserschneidverfahren angewandt. Entlang der Schneidlinien 10 wird der Laser derart geführt, dass ein Schneiden der Wafer vollzogen werden kann. Bei diesem Schneidverfahren werden Kanten mit besonderer Festigkeit erhalten. Es ist bevorzugt, dass die Kanten glatt und ungebrochen erhalten bleiben. Aber auch Kanten mit einer feinschliffartigen Rauheit können beispielsweise mittels eines Kurzpuls-Laserperforierens erhalten werden.
Schritt F zeigt das Vorliegen der hermetisch verschlossenen und chemisch gehärteten Umhäusungen 1.
11 zeigt ein erstes Beispiel einer realisierten gehärteten Umhäusung 1 aus Schott D263T eco in einer Draufsicht. Deutlich ist die runde, d.h. im Wesentlichen kreisförmig runde und allseits geschlossene Kavität 12 im Innenraum der Umhäusung 1 zu erkennen. Die Kavität 12 weist in diesem Beispiel einen horizontalen Durchmesser von etwa 4 mm auf. Die Umhäusung weist eine Kantenlänge von etwa 5,5 mm auf. Die gezeigte Probe wurde 9 Stunden bei 450°C in einer 100% KNO₃-Lösung gehärtet.
12 zeigt eine Seitenansicht auf die gehärtete Kante 14 einer Umhäusung 1, hergestellt aus Schott D263T eco. Aus perspektivischen Gründen ist in der Ansicht der 12 die Kavität 12 nicht sichtbar. Bezugnehmend auf 13 ist noch eine Draufsicht auf eine Umhäusung 1 gezeigt, bei welcher auch der Verlauf der Kante 14 erkennbar ist.
14 zeigt schließlich eine Seitenansicht auf einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Umhäusung 1, hergestellt aus Boro33, mit eingeschlossener Kavität 12. Auch die in 14 gezeigte Probe wurde 9 Stunden bei 450°C in einer 100% KNO₃-Lösung gehärtet. Mit 14 sind deutlich auch die zwischen den Substratschichten auftretenden Kontaktflächen 25 erkennbar, die zwischen dem unteren Substrat 3 und der Zwischenschicht 4 einerseits sowie der Zwischenschicht 4 und dem oberen Substrat 5 andererseits angeordnet sind. Obere und untere Quadrate sind PMMA-Scheiben, die zur Präpäration des Querschliffs auf den Glaschip angeklebt wurden. Nur der in 14 umrahmte Bereich zeigt die Glasumhäusung 1. Benachbart ist als Rest von der Probenpräparation Plastik angeordnet.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände dar, so dass Beschreibungen von Gegenständen, die ggf. nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchen der Gegenstand in der Beschreibung nicht explizit beschrieben ist.
Bezugszeichenliste

1: Hermetisch geschlossene gehärtete Umhäusung
2: Beherbergungs-Objekt
3: Unteres Substrat bzw. Basissubstrat oder unterer Wafer
4: Zwischensubstrat oder Zwischen-Wafer
5: Oberes Substrat bzw. Abdecksubstrat oder oberer Wafer
6: Ecke des Laser-gefügten Stapels 18
7: Laser-gefügte Interface-Zone
8: Laser-Fügezone
9: fokussierter Laserstrahl
10: Trenn- bzw. Schneidlinien
11: Bad mit saurer oder basischer Härtelösung
12: Beherbergungs-Kavität
13: Funktionsbereich
13a: zweiter Funktionsbereich
14: Kante
15: Lasereinheit zum Fügen und/oder Schneiden
16: Laser-Pulstrefferbereich
18: Stapel oder Waferstapel
21: Rand
22: Unterseite der Kavität
23: Oberseite der Kavität
25: Kontakt- bzw. Grenzfläche
27: Härtezone bzw. erste gehärtete Schicht
28: Härtezone bzw. zweite gehärtete Schicht
29: Härtezone bzw. dritte gehärtete Schicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3012059 B1 [0006, 0034]

Claims

Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) umfassend ein Basissubstrat (3) und ein Abdecksubstrat (5), welche zumindest einen Teil der Umhäusung bilden, zumindest einen von der Umhäusung umschlossenen Funktionsbereich (12, 13, 13a), wobei zumindest das Abdecksubstrat bevorzugt ein glasartiges Material umfasst, wobei das Basissubstrat und das Abdecksubstrat mit zumindest einer Laserbondlinie (8) hermetisch dicht gefügt sind, wobei die Laserbondlinie eine Höhe HL senkrecht zu seiner Verbindungsebene aufweist, wobei zumindest das Abdecksubstrat (5) zumindest auf der der Laserbondlinie gegenüberliegenden Seite an seiner Oberfläche eine gehärtete Schicht (27, 28, 29) aufweist, bevorzugt eine chemisch gehärtete Schicht, wobei die gehärtete Schicht bevorzugt eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat (5) ausübt.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach Anspruch 1, wobei das Basissubstrat (3) mit dem Abdecksubstrat (5) mit derselben Laserbondlinie (8) miteinander hermetisch dicht gefügt ist, und/oder wobei die zumindest eine Laserbondlinie (8) den Funktionsbereich (12, 13, 13a) in einem Abstand (DF) umlaufend umschließt.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die gehärtete Schicht (27, 28, 29) eine Härtungsschichtdicke DoL aufweist und das Abdecksubstrat (5) über der Laserbondlinie (8) eine Mindestmaterialstärke MM bis zu der gehärteten Schicht aufweist, und wobei bei einer Gesamtdicke DA des Abdecksubstrats über der Laserbondlinie gilt: DA - HL - DoL ≥ MM.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Abdecksubstrat (5) beidseitig gehärtet ist, so dass das Abdecksubstrat an der Verbindungsfläche (25) zum Basissubstrat (3) eine zweite gehärtete Schicht (28) mit der Härtungsschichtdicke DoLb auweist.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach Anspruch 4, wobei die Höhe der Laserbondlinie (8) HL größer ist als die Härtungsschichtdicke DoLb der zweiten gehärteten Schicht (28).
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest das Abdecksubstrat (5) allseits, also insbesondere an seiner gesamten äußeren Umrandungsfläche, die gehärtete Schicht (27, 28, 29) aufweist, wobei die gehärtete Schicht die Härtungsschichtdicke DoLa, die zweite gehärtete Schicht die Härtungsschichtdicke DoLb, und die dritte gehärtete Schicht an einem umlaufenden Rand (14) der Umhäusung eine Härtungsschichtdicke DoLc aufweist, wobei insbesondere die Dicken DoLa, DoLb und DoLc gleich sind.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Abdecksubstrat (5) den oder einen weiteren Funktionsbereich (12, 13, 13a) aufweist.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Basissubstrat an seiner der Laserbondlinie gegenüberliegenden Unterseite eine gehärtete Schicht DoLd aufweist.
Hermetisch verschlossene Umhäusung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Basissubstrat und dem Abdecksubstrat ein Zwischensubstrat angeordnet ist, wobei das Basissubstrat mit dem Zwischensubstrat in der Verbindungsebene gefügt ist, und wobei das Abdecksubstrat mit dem Zwischensubstrat in einer zweiten Verbindungsebene gefügt ist.
Hermetisch verschlossene Umhäusung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Umhäusung allseits des Funktionsbereichs gehärtet ist, und/oder wobei die Umhäusung an jeder seiner äußeren Oberflächen eine gehärtete Schicht aufweist.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Funktionsbereich eine hermetisch verschlossenen Beherbergungskavität (12) zur Aufnahme eines Beherbergungs-Objekts (2) wie einem elektronischen Schaltkreis, einem Sensor oder MEMS umfasst.
Hermetisch verschlossene Umhäusung nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Abdecksubstrat eine Oberseite (23) der Beherbergungskavität bildet, wobei das Zwischensubstrat (5) einen seitlich umlaufenden Rand (21) der Beherbergungskavität und das Basissubstrat eine Unterseite (22) der Beherbergungskavität bildet, welche gemeinsam die Beherbergungskavität vollständig umschließen, und wobei zumindest eines aus seitlich umlaufendem Rand, Unterseite oder Oberseite zumindest bereichsweise für einen Wellenlängenbereich transparent ist.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Umhäusung mit einem Laser-Fügeverfahren zu der hermetisch geschlossenen Umhäusung gefügt ist, indem mittels der zumindest einen Laserbondlinie das Basissubstrat, das Abdecksubstrat und ggf. ein oder mehrere Zwischensubstrate miteinander gefügt sind.
Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Härtung der Umhäusung dadurch realisiert ist, dass in einer Schichtdicke von 30 µm oder weniger, oder von 20 µm oder weniger, oder bevorzugt von 10 µm oder weniger vorhandene Natrium-Ionen teilweise oder vollständig durch Kalium-Ionen ausgetauscht sind.
Hermetisch dichte Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die transparente Umhäusung nach der Separation von weiteren transparenten Umhäusungen der chemischen Härtung unterzogen wurde.
Verfahren zum Bereitstellen einer Mehrzahl von hermetisch dichten Umhäusungen (1), wobei jede Umhäusung einen Funktionsbereich, wie insbesondere eine Beherbergungskavität (12), bereitstellt, welcher von einem seitlich umlaufenden Rand (21), einer Unterseite (22) und einer Oberseite (23) der Umhäusung umschlossen ist, mit den Schritten: - Bereitstellen von zumindest einem Abdecksubstrat und einem Basissubstrat (3, 4, 5), wobei zumindest das Abdecksubstrat (5) zumindest bereichsweise transparentes Material umfasst, wobei die zumindest zwei Substrate (3, 4, 5) direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, - hermetisch dichtes Verschließen des Funktionsbereichs durch Fügen der zumindest zwei Substrate (3, 4, 5) entlang einer Fügelinie mittels eines Laser-Fügeverfahrens, - Vereinzelung der jeweiligen Umhäusung mittels eines Schneid- oder Abtrenn-Schritts, - chemisches Härten der Oberfläche der jeweiligen Umhäusung durch Baden in einer chemischen Lösung (11).
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die zumindest zwei Substrate (3, 4, 5) als Wafer-Stapel (18) mit zumindest zwei, bevorzugt drei, Wafern bereitgestellt werden, um aus den Wafern eine Mehrzahl hermetisch dichter Umhäusungen (1) gemeinsam im gleichen Arbeitsprozess herzustellen.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die zumindest zwei Wafer (3, 4, 5) aus Glas, Glaskeramik, Silizium oder Saphir bestehen, oder wobei zumindest ein Wafer ein verschiedenartiges Material umfasst.
Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Vereinzelung der jeweiligen Umhäusung (1) mittels eines Laser-Schneid- oder Laser-Abtrenn-Schritts durchgeführt wird, wobei insbesondere derselbe Laser eingesetzt wird, der auch für den Füge-Schritt eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine transparente Substrat (3, 4, 5) aus Glas, Glaskeramik, Silizium oder Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt chemisches Härten der Umhäusungen (1) zumindest einen der folgenden Unterschritte umfasst: Bereitstellen einer sauren oder basischen Lösung (11), insbesondere umfassend oder bestehend aus KNO₃, Einbringen der Umhäusungen in die saure oder basische Lösung, Erhitzen der sauren oder basischen Lösung auf eine Temperatur von zumindest 650 Kelvin, bevorzugt von zumindest 700 Kelvin, weiter bevorzugt von zumindest 720 Kelvin, Baden der Umhäusungen in der sauren oder basischen Lösung für zumindest 6 Stunden, bevorzugt für zumindest 8 Stunden, weiter bevorzugt für zumindest 9 Stunden und bevorzugt für höchstens 12 Stunden.
Hermetisch dichte Umhäusung (1) mit darin eingeschlossenem hermetisch verschlossenen Funktionsbereich, insbesondere umfassend eine Beherbergungs-Kavität (12), hergestellt nach einem der vorstehenden Verfahren.
Verwendung einer nach mindestens einem der vorstehenden Verfahren hergestellten Umhäusung (1) mit darin eingeschlossenem hermetisch verschlossenen Funktionsbereich, insbesondere umfassend eine Beherbergungs-Kavität (12), als medizinisches Implantat oder als Sensor, insbesondere als Barometer.