DE102019208373A1

DE102019208373A1 - Herstellen eines MEMS-Bauelements mit Glasabdeckung und MEMS-Bauelement

Info

Publication number: DE102019208373A1
Application number: DE102019208373.0A
Authority: DE
Inventors: Andre Brockmeier; Rafael Janski; Boris KIRILLOV; Marten Oldsen; Clemens Roessler; Francisco Javier Santos Rodriguez; Sokratis Sgouridis; Kurt Sorschag
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-12-10
Also published as: CN112047295A; US20200385264A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Mikroelektromechanisches-System-, MEMS-, Bauelements wird ein MEMS-Substrat mit einem beweglichen Element bereitgestellt. Ein Glasabdeckbauteil mit einer Glasabdeckung wird durch Heiß-Prägen gebildet. Das Glasabdeckbauteil ist an das MEMS-Substrat gebunden, um so durch die Glasabdeckung eine Kavität, in der das bewegliche Element angeordnet ist, hermetisch abzudichten.

Description

Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mikroelektromechanischen, MEMS-, Bauelements und auf ein entsprechendes MEMS-Bauelement und insbesondere auf ein gehäustes MEMS-Bauelement mit einer Glasabdeckung.
Hintergrund
Ein mikroelektromechanisches System, MEMS, ist ein System, das elektrische und mechanische Komponenten mit Abmessungen in dem Mikrometerbereich und darunter aufweist. Im Allgemeinen kann ein MEMS in einem MEMS-Substrat gebildet sein. Das MEMS-Substrat kann mehrere Schichten beinhalten, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, wie beispielsweise Halbleiterschichten, dielektrische Schichten und leitfähige Schichten. Typische Halbleiterschichten können aus Silizium gebildet sein, üblicherweise können dielektrische Schichten aus Oxid gebildet sein und können typische leitfähige Schichten aus Metall oder stark dotiertem Silizium gebildet sein. Das MEMS kann ein bewegliches Element, wie beispielsweise einen Spiegel, aufweisen, das durch das MEMS-Substrat in einer beweglichen Weise, wie z. B. einer schwingenden Weise, getragen wird.
Manchmal soll das bewegliche Element eines MEMS auf eine hermetisch abgedichtete Weise gehäust werden, um so das bewegliche Element vor äußeren Einflüssen zu schützen. Unterschiedliche Packages bzw. Gehäuse können für diesen Zweck verwendet werden. Jüngere MEMS-Technologien stellen neue Anforderungen an das Gehäuse bzw. Package von MEMS-Bauelementen. Insbesondere für mikrooptoelektromechanische Systeme, MOEMS, d. h. optische Anwendungen, wie beispielsweise einen Mikrospiegel oder optische Gassensoren, ist ein optischer Eintritt für Lichtmesssignale in das jeweilige MEMS-Bauelement erforderlich. Ein derartiger optischer Eintritt kann über ein transparentes Substrat (z. B. Glas) erfolgen. Da Parameter, wie Durchlässigkeit und Reflexion, wesentliche Parameter für die Qualität des Packages sind, können Package-Geometrien in dreidimensionaler Weise hergestellt werden.
In Hybrid-Packages kann eine Package-Abdeckung, die aus Seitenwänden aus einem ersten Material und einem planaren Glasbauteil gebildet ist, das an den Seitenwänden angebracht ist, an ein MEMS-Substrat gebunden sein. Das erste Material kann eine Keramik oder ein Metall sein. Im Allgemeinen sollte das planare Glasbauteil mit einem spitzen Winkel in Bezug auf die Substratebene des MEMS-Substrats angeordnet sein, um mögliche Verluste, Reflexionsinterferenzen und Signalrauschen in einem projizierten Bildbereich zu minimieren. Die Fertigung von Hybrid-Packages ist schwierig und teuer. Außerdem ist es schwierig, eine hermetische Abdichtung und gute Reproduzierbarkeit mit Hybrid-Packages zu erzielen. Zusätzlich sind das Manövrieren und die Assembly von Hybrid-Packages-Strukturen schwierig. Zum Bilden des Packages kann das MEMS-Substrat in einem Package-Gehäuse platziert werden und kann die Glasplatte an dem Package-Gehäuse angeklebt werden. Während der gesamten Assembly besteht das Risiko einer Verunreinigung des MEMS, wie beispielsweise durch Partikel, so dass die Funktionalität des MEMS beeinträchtigt sein kann.
Bei anderen Ansätzen wird das Package zusammen mit der MEMS-Struktur auf der Waferebene hergestellt. Mit anderen Worten, ein Abdeckbauteil kann einstückig mit den MEMS-Strukturen auf der Waferebene gebildet Werden oder kann an dem MEMS-Wafer auf der Waferebene angebracht werden. Beispielsweise können Glasabdeckungen für MEMS-Strukturen unter Verwendung eines sogenannten Aufschmelzverfahrens (oder Reflow- bzw. Rückflussverfahrens) hergestellt werden. Das Aufschmelzverfahren nutzt die Tatsache, dass sich Glas an seinem Erweichungspunkt wie eine ideale Newtonsche Flüssigkeit verhält. Die Glasflussgeschwindigkeit kann lokal durch künstlich hergestellte, nichtmittige Siliziuminseln beeinflusst werden, die zu einem Verkippen des Glases führen. Die 11(a) bis 11(g) zeigen einen möglichen Verfahrensablauf zur Herstellung einer Glasabdeckung unter Verwendung eines Aufschmelzverfahrens. 11(a) zeigt eine erste Trägerschicht. 11(b) zeigt eine Glasschicht mit Siliziuminseln, die auf einer ersten Oberfläche derselben gebildet sind. Wie in 11(c) gezeigt ist, ist eine zweite Trägerschicht an der ersten Oberfläche der Glasschicht derart angebracht, dass die Siliziuminseln innerhalb von Ausnehmungen der zweiten Trägerschicht angeordnet sind. Wie in 11(d) gezeigt ist, ist die erste Trägerschicht an der zweiten Oberfläche der Glasschicht angebracht. Teile der ersten Trägerschicht werden entfernt, so dass Siliziuminseln auf der zweiten Oberfläche der Glasschicht gebildet werden und den Siliziuminseln, die auf der ersten Oberfläche der Glasschicht gebildet sind, zugewandt sind, 11(e). Danach wird die Glasschicht auf ihren Erweichungspunkt erwärmt, so dass ein Aufschmelzen und eine Umbildung der Glasschicht stattfinden. Die resultierende Struktur ist in 11(f) gezeigt.
Dann werden die Siliziuminseln und die zweite Trägerschicht entfernt und die 3D-Glasschicht, die in 11(g) gezeigt ist, wird erhalten. Dieser Vorgang kann auf der Waferebene stattfinden und 11(g) zeigt zwei Glasabdeckungen, die jeweilige planare Abschnitte 2 aufweisen. Nach dem Anbringen der jeweiligen Glasabdeckung an einem MEMS-Wafer können die Glasabdeckungen voneinander getrennt werden.
Der Vorgang zur Herstellung von Glasabdeckungen unter Verwendung eines derartigen Aufschmelzvorgangs ist komplex, da er zumindest drei bis sechs fotolithografische Schritte, ein Glassubstrat und vier weitere Substrate, wie z. B. Siliziumsubstrate, beinhaltet. Außerdem sind zahlreiche und teure Verfahrensschritte beinhaltet, wie z. B. Plasmaätzen und Schleif- und Bindevorgänge. Drei der beinhalteten Substrate werden als Opferwafer verwendet. Eine Reproduzierbarkeit des Winkels der Glasabdeckung, die durch den Aufschmelzvorgang hergestellt wird, kann unter Umständen nicht erreicht werden. Eine Variation des Winkels sollte abhängig von der spezifischen Anwendung innerhalb eines Bereichs von ± 1° über dem gesamten Durchmesser des Substrats, d. h. Wafers, liegen. Dies führt zu noch höheren Anforderungen in Bezug auf eine Ausrichtungsgenauigkeit der einzelnen, eine Struktur ergebenden Elemente und reduziert die Freiheitsgrade bei der Verarbeitung.
Entsprechend ist noch Raum für Verbesserungen beim Herstellen von MEMS-Bauelementen und insbesondere beim Bereitstellen von Package-Abdeckungen für MEMS-Bauelemente.
Zusammenfassung
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroelektromechanisches-System-, MEMS-, Bauelements bereit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines MEMS-Substrats mit einem beweglichen Element; Bilden eines Glasabdeckbauteils mit einer Glasabdeckung durch Heiß-Prägen; und Binden (Bonden) des Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat, um so durch die Glasabdeckung eine Kavität, in der das bewegliche Element angeordnet ist, hermetisch abzudichten.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen ein Mikroelektromechanisches-System-MEMS-, Bauelement bereit, das folgende Merkmale aufweist: ein MEMS-Substrat mit einem beweglichen Element; und eine heißgeprägte Glasabdeckung, wobei die heißgeprägte Glasabdeckung an das MEMS-Substrat gebunden ist, so dass eine Kavität, in der das bewegliche Element angeordnet ist, hermetisch abgedichtet ist.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird eine Glasabdeckung eines gehäusten bzw. in einem Package vorgesehenen MEMS-Bauelements durch Heiß-Prägen hergestellt. Beim Heiß-Prägen wird erwärmtes Glas zwischen zwei Presswerkzeugen oder -formen gepresst, so dass nach dem Pressen und Abkühlen das Glas eine erwünschte Form besitzt. Beispiele erlauben das Bereitstellen der Glasabdeckung für ein gehäustes MEMS-Bauelement mit reduziertem Aufwand, erhöhter Reproduzierbarkeit und verbesserten optischen Eigenschaften. Bei Beispielen ist das MEMS ein mikrooptoelektromechanisches System und dient die Glasabdeckung dazu, um Licht von außerhalb zu dem beweglichen Element zu leiten, das unter Verwendung der Glasabdeckung gehäust ist.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines MEMS-Bauelements gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3(a) bis 3(f) schematische Querschnittsansichten zeigen, die hilfreich beim Erläutern eines Beispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements gemäß der vorliegenden Offenbarung sind;
4 eine schematische Ansicht einer Ausrüstung zum Heiß-Prägen zeigt;
5(a) bis 5(c) schematische Querschnittsansichten eines Beispiels eines Heiß-Prägens von Glasabdeckungen mit verkippten planaren Bauteilen zeigen;
6(a) bis 6(c) schematische Querschnittansichten eines Beispiels eines Heiß-Prägens von Glasabdeckungen mit kuppelförmiger Struktur zeigen;
7(a) bis 7(b) schematische Ansichten eines Beispiels eines Heiß-Prägens von Glasabdeckungen mit Abstandshaltern zeigen;
8 eine schematische Querschnittsansicht zeigt, die Bindeorte zeigt;
9(a) bis 9(c) schematische Querschnittsansichten eines Beispiels zum Herstellen eines MEMS-Bauelements unter Verwendung einer Abstandshalterschicht zeigen;
10(a) bis 10(b) schematische Querschnittsansichten eines MEMS-Substrats mit einer Glasabdeckung zeigen; und
11(a) bis 11(g) schematische Querschnittsansichten eines Aufschmelzvorgangs zeigen.

Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Es wird herausgestellt, dass die gleichen Elemente oder Elemente, die die gleiche Funktionalität besitzen, mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, üblicherweise weggelassen wird. So sind Beschreibungen, die für Elemente mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen vorgesehen sind, untereinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung ist eine Mehrzahl von Details dargelegt, um eine gründlichere Erläuterung von Beispielen der Offenbarung zu schaffen. Es ist für einen Fachmann auf diesem Gebiet jedoch zu erkennen, dass andere Beispiele ohne diese spezifischen Details praktiziert werden könnten. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Bauelemente in Blockdiagrammform und nicht im Detail gezeigt, um eine Verschleierung hierin beschriebener Beispiele zu vermeiden. Zusätzlich können Merkmale unterschiedlicher Beispiele, die hierin beschrieben sind, miteinander kombiniert werden, es sei denn, dies ist spezifisch anderweitig angegeben. Es wird angemerkt, dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, es sei denn, dies ist explizit zum Ausdruck gebracht. Es wird angemerkt, dass Elemente, die für ein Verständnis der Offenbarung nützlich sind, beschrieben werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf die Herstellung oder Fertigung eines 3D-Packages, das für optische MEMS-Anwendungen geeignet ist. Beispiele verwenden ein Pressen von Glas, das auf seinen Erweichungspunkt erweicht ist, was auch als Heiß-Prägen bezeichnet werden kann. Heiß-Prägen kann auf der Waferebene verwendet werden, um ein Glasabdeckbauteil herzustellen, das unter Verwendung eines geeigneten Bindungsverfahrens an einen MEMS-Wafer gebunden werden kann. Beispiele der vorliegenden Offenbarung erlauben eine erhebliche Reduzierung von Aufwand und Kosten zum Herstellen des Packages im Vergleich zu einer Hybrid-Herstellung einer Abdeckung. Zusätzlich können Beispiele zusätzliche Freiheitsgrade bei der Verarbeitung und eine verbesserte Reproduzierbarkeit bereitstellen. Beispiele erlauben eine eingangsseitige Verkapselung der MEMS-Struktur, so dass eine weitere Partikelverunreinigung vermieden werden kann, wie beispielsweise während Tests, während der Pre-Assembly und/oder während der Assembly der gedruckten Schaltungsplatine. Beispiele ermöglichen es, dass weitere Schritte bei der Pre-Assembly, wie z. B. Vereinzeln des Wafers in separate Bauelemente, unter Verwendung etablierter Verfahren, wie z. B. mechanischen Sägens, ausgeführt werden können.
1 zeigt ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen eines MEMS-Bauelements, wobei ein MEMS-Substrat mit einem beweglichen Element bei S1 bereitgestellt wird. Ein Glasabdeckbauteil mit einer Glasabdeckung wird durch Heiß-Prägen bei S2 gebildet. Bei S3 wird das Glasabdeckbauteil an das MEMS-Substrat gebunden (gebondet), um so unter einem definierten Innendruck durch die Glasabdeckung eine Kavität, in dem das bewegliche Element angeordnet ist, hermetisch abzudichten.
Da das Glasabdeckbauteil durch Heiß-Prägen gebildet wird, kann die Glasabdeckung mit erwünschten Abmessungen und mit einer erwünschten Oberflächenqualität implementiert werden, die unter Verwendung typischer mechanischer oder nasschemischer Verfahren schwierig zu implementieren sind. Ferner erlauben Beispiele die Herstellung von Glasabdeckungen mit Flanken- oder Seitenwandwinkeln in einem Bereich von 90°, die mit herkömmlichen Ansätzen schwierig hergestellt werden können oder die durch übliche Verfahren nur mit hohem Aufwand hergestellt werden können. Derartige Auswirkungen können unter Verwendung des Verfahrens zum Heiß-Prägen des Glases erzielt werden.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Beispiels eines MEMS-Bauelements gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das MEMS-Bauelement weist ein MEMS-Substrat 10 und eine Glasabdeckung 12 auf. Das MEMS-Substrat 10 weist ein bewegliches Element 14 auf. Das bewegliche Element 14 kann ein beliebiges bewegliches Element, das vorstellbar ist, sein, wie z. B. ein ablenkbarer Spiegel, eine ablenkbare Membran eines Sensors, ein einseitig aufgehängter Balken, oder ein bewegliches Element eines mechanischen Schalters. Bei Beispielen ist das MEMS-Bauelement ein optisches MEMS-Bauelement, wobei die Glasabdeckung 12 für Licht zumindest einer spezifischen Wellenlänge durchlässig ist, so dass einfallendes Licht durch die Glasabdeckung laufen und das bewegliche Element erreichen kann. Bei Beispielen dient das bewegliche Element dazu, das Licht durch die Glasabdeckung 12 zurück zu einem externen Empfänger zu reflektieren. Gleichzeitig könnten Störreflexionen außerhalb des optischen Wegs stattfinden. Bei Beispielen kann das bewegliche Element 14 Teil des optischen Gassensors sein. Die Glasabdeckung 12 ist durch Heiß-Prägen gebildet und ist an das MEMS-Substrat 10 gebunden, so dass eine Kavität 15, in der das bewegliche Element 14 angeordnet ist, hermetisch abgedichtet ist.
Bei Beispielen ist ein erstes Glasabdeckbauteil an eine erste Seite des MEMS-Substrats gebunden und ist ein zweites Glasabdeckbauteil an eine zweite Seite des MEMS-Substrats gegenüber von der ersten Seite desselben gebunden. So kann bei Beispielen ein bewegliches Bauteil eines MEMS-Bauelements von zwei gegenüberliegenden Seiten des MEMS-Substrats abgedichtet werden. Bei Beispielen kann das zweite Glasabdeckbauteil auch heißgeprägt sein. Bei anderen Beispielen kann ein anderes Abdeckbauteil an der zweiten Seite des MEMS-Substrats angebracht sein, wie z. B. ein Abdeckbauteil aus einem unterschiedlichen Material, das durch einen unterschiedlichen Vorgang gebildet wird. Bei weiteren Beispielen kann das MEMS-Substrat auf der zweiten Seite geschlossen sein und ist kein zusätzliches Abdeckbauteil an der zweiten Seite angebracht.
Bei Beispielen wird das Glasabdeckbauteil auf der Waferebene hergestellt. So kann eine Mehrzahl von Glasabdeckungen für MEMS-Bauelemente auf eine parallelisierte Weise gebildet werden. Das Glasabdeckbauteil kann an einem MEMS-Wafer angebracht sein, so dass bewegliche Elemente, die unterschiedlichen MEMS-Bauelementen des MEMS-Wafers zugeordnet sind, in unterschiedlichen Kavitäten hermetisch abgedichtet sind. Die MEMS-Bauelemente können dann aus dem Wafer vereinzelt werden, so dass separate MEMS-Bauelemente hergestellt werden.
Bei Beispielen weist das Bereitstellen des MEMS-Substrats ein Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einer Mehrzahl von beweglichen Elementen auf, wobei das Glasabdeckbauteil eine Mehrzahl von Glasabdeckungen aufweist, und wobei das Glasabdeckbauteil an das MEMS-Substrat gebunden ist, um so durch jede Glasabdeckung eine einer Mehrzahl von Kavitäten hermetisch abzudichten, wobei eines der Mehrzahl beweglicher Elemente in jeder der Kavitäten angeordnet ist.
Bei Beispielen weist das Bereitstellen des MEMS-Substrats ein Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einer Mehrzahl von beweglichen Elementen auf, wobei ein erstes Glasabdeckbauteil eine Mehrzahl erster Glasabdeckungen aufweist, wobei ein zweites Glasabdeckbauteil eine Mehrzahl zweiter Glasabdeckungen aufweist, wobei die Glasabdeckbauteile an das MEMS-Substrat gebunden sind, um so durch jeweilige erste und zweite Glasabdeckungen eine einer Mehrzahl von Kavitäten hermetisch abzudichten, wobei eines der Mehrzahl beweglicher Elemente in jeder der Kavitäten angeordnet ist.
Bei Beispielen weist das Verfahren ferner ein Vereinzeln des MEMS-Wafers und des Glasabdeckbauteils oder der Glasabdeckbauteile, die an denselben gebunden sind, in eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen auf, wobei die Kavitäten hermetisch abgedichtet bleiben.
So ermöglichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung ein Abdichten der Kavität oder der Kavitäten mit dem beweglichen Element oder den beweglichen Elementen auf der Waferebene, so dass eine Verunreinigung der beweglichen Elemente vermieden werden kann. Bei Beispielen werden das Glasabdeckbauteil oder die Glasabdeckbauteile in Anwesenheit eines inerten Prozessgases an das MEMS-Substrat gebunden, um das Risiko einer Verunreinigung weiter zu reduzieren.
Bei Beispielen kann ein beliebiges geeignetes Verfahren zum Binden des Glasabdeckbauteils oder der Glasabdeckbauteile an das MEMS-Substrat verwendet werden. Bei Beispielen weist das Binden des oder jedes Glasabdeckbauteils mit dem MEMS-Substrat ein Verwenden eines lokalen Schmelzverfahrens (z. B. Lasermikroschweißverfahren) auf.
Bei Beispielen können die Glasabdeckung oder die Glasabdeckungen Seitenwände aufweisen, die sich in einem Winkel zwischen 80° und 90° relativ zu einer Ebene des MEMS-Substrats erstrecken. Es wird Bezug auf Seitenwände 12b bzw. 12c genommen, die beispielsweise in 2 gezeigt sind. Die Seitenwände umgeben eine Kavität 15 an deren Seiten vollständig. Seitenwände, die sich in dieser Richtung erstrecken, sind mit anderen Verfahren schwierig herzustellen, die ein Implementieren von Glasabdeckbauteilen auf der Waferebene, wie z. B. Aufschmelzverfahren, erlauben. Erste Enden der Seitenwände sind an das MEMS-Substrat gebunden. Zweite Enden der Seitenwände können mit einem planaren oder kuppelförmigen Abschnitt der Glasabdeckung verbunden sein.
Bei Beispielen kann die Glasabdeckung oder können die Glasabdeckungen einen planaren Abschnitt 12a aufweisen, der Enden der Seitenwände 12b, 12c verbindet, die von dem MEMS-Substrat 10 weg zeigen, wobei der planare Abschnitt 12a relativ zu einer Ebene des MEMS-Substrats 10 verkippt ist. Ein Verkippungswinkel φ ist in 2 angezeigt. Bei Beispielen kann der Winkel φ in einem Bereich von 5° bis 20° liegen. Bei Beispielen liegt die Dicke der Seitenwände 12b, 12c innerhalb eines Bereich der Dicke des planaren Abschnitts 12a ± 25%, üblicherweise innerhalb eines Bereichs der Dicke des planaren Abschnitts ± 10%. Anders ausgedrückt kann die Dicke der Seitenwände 12b, 12c identisch zu der Dicke des oberen Abdeckbauteils, das mit den Seitenwänden verbunden ist, mit einem Toleranzbereich von ± 25% oder ± 10% sein. Seitenwände mit einer Dicke in dem Bereich der Dicke des planaren Abschnitts können mit anderen Verfahren, die ein Implementieren von Glasabdeckbauteilen auf der Waferebene erlauben, wie beispielsweise Aufschmelzverfahren, schwierig herzustellen sein.
Bei Beispielen weist das Bilden des Glasabdeckbauteils ein Bilden eines mechanischen Anschlagsbauteils auf, das von der Glasabdeckung nach innen vorsteht und einen mechanischen Anschlag für eine Bewegung des beweglichen Elements auf ein Binden des Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat hin darstellt. Ein Beispiel eines Anschlagsbauteils 17 ist schematisch in 2 gezeigt. Das Anschlagsbauteil kann so angeordnet sein, dass es den Bewegungsbereich des beweglichen Elements 14 einschränkt. Bei dem gezeigten Beispiel kann das Anschlagsbauteil 17 so angeordnet sein, dass es eine Bewegung des Teils des Elements 14, das dem Anschlagsbauteil zugewandt ist, in einer Aufwärtsrichtung stoppt. Das Integrieren eines derartigen Anschlagsbauteils in ein Abdeckbauteil kann mit anderen Verfahren, die ein Implementieren von Glasabdeckbauteilen auf der Waferebene erlauben, wie beispielsweise Aufschmelzverfahren, schwierig herzustellen sein.
Bei Beispielen weist die Glasabdeckung scharfe Ränder zwischen unterschiedlichen Abschnitten derselben auf und weist keine abgerundeten Übergänge zwischen Abschnitten derselben auf. Derartige scharfe Ränder können unter Umständen mit anderen, die ein Implementieren von Glasabdeckbauteilen auf der Waferebene erlauben, wie beispielsweise Aufschmelzvorgängen, nicht hergestellt werden. Es wird beispielsweise Bezug auf 11 genommen, die klar abgerundete Ränder des Glasabdeckbauteils zeigt. Entsprechend kann eine Glasabdeckung, die keine derartigen abgerundeten Ränder aufweist, sondern scharfe Ränder aufweist, klar von einer Glasabdeckung unterschieden werden, die durch Heiß-Prägen aus einer Glasabdeckung gebildet wird, die durch einen Aufschmelzvorgang gebildet wird.
Bei Beispielen sind alle Strukturen des Glasabdeckbauteils, die an einer Seite des MEMS-Substrats angebracht sind, in einem einzelnen Stück unter Verwendung der Heißprägetechnik gebildet. Bei Beispielen kann vor einem Binden des Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat eine perforierte Abstandshalterschicht zwischen dem Glasabdeckbauteil und dem MEMS-Substrat vorgesehen werden. Die perforierte Abstandshalterschicht kann auch als eine Heißpräge-Glasschicht gebildet sein. Bei anderen Beispielen werden Abstandshalterstrukturen zusammen mit dem Glasabdeckbauteil in einem einzelnen Stück heißgeprägt. Bei anderen Beispielen kann die perforierte Abstandshalterschicht unter Verwendung von nasschemischen Verfahren gebildet werden.
Bei Beispielen kann die Glasabdeckung abhängig von der Anwendung eine unterschiedliche Form aufweisen. Bei Beispielen kann die Abdeckung einen kuppelförmigen Abschnitt anstelle eines planaren Abschnitts beinhalten. Im Wesentlichen jede vorstellbare Form kann unter Verwendung der Heißprägetechnologie implementiert werden, so dass Beispiele der vorliegenden Offenbarung für eine große Anzahl möglicher Anwendungen geeignet sind.
Bei Beispielen ist das bewegliche Element ein beweglicher Spiegel für Lichterfassungs- und Abstandsmess-, LIDAR-, Anwendungen (LIDAR = Light Detection and Ranging). Bei Beispielen ist das bewegliche Element ein bewegliches Teil eines optischen Gassensors, eines optischen Drucksensors oder eines optischen Beschleunigungssensors.
Die Heißprägetechnologie erlaubt es, dass Oberflächen des Glasabdeckbauteils mit einer geringen Oberflächenrauigkeit von weniger als 4 mm gefertigt werden können. So kann eine hohe optische Qualität in Bezug auf Durchlässigkeit erzielt werden, wobei Reflexion und Brechung von Licht an der Glasabdeckung verhindert oder minimiert werden können.
Bei Beispielen stellt die vorliegende Offenbarung die Herstellung eines 3D-Packages für MEMS-Anwendungen, wie beispielsweise optische MEMS-Anwendungen, unter Verwendung des Verfahrens des Heiß-Prägens von Glas bereit. Bei Beispielen findet dies auf der Waferebene statt. Die auf der Waferebene hergestellten 3D-Package-Strukturen werden dann auf irreversible Weise an einen Systemwafer, d. h. einen MEMS-Wafer, gebunden.
Bezug nehmend auf die 3(a) bis 3(b) wird nun ein spezifisches Beispiel erklärt. Ein MEMS-Wafer 50, der einer Verarbeitung an einer Vorderseite 52 und Rückseite 54 desselben unterzogen wurde, ist in 3(a) gezeigt. Die Vorderseite 52 stellt eine erste Seite des MEMS-Wafers 50 dar und die Rückseite 54 stellt eine zweite Seite des MEMS-Wafers 50 dar. Wie in 3(b) gezeigt ist, ist eine Rückabdeckung 56 an die Rückseite des MEMS-Wafers 15 gebunden. Die Rückabdeckung 56 kann eine Glasabdeckung sein, die durch Heiß-Prägen gebildet ist. Die Rückabdeckung 56 kann aus anderen Materialien gebildet sein, insbesondere in dem Fall, dass die Rückabdeckung 56 nicht durchscheinend sein muss. Bei dem gezeigten Beispiel wurde die Vorderseite 52 nicht vollständig verarbeitet, bevor die Rückabdeckung 56 an die Rückseite 54 gebunden wurde. So kann, nachdem die Rückabdeckung 56 an die Rückseite 54 gebunden wurde, der MEMS-Wafer 50 von der Vorderseite 52 desselben bearbeitet werden, um bewegliche Elemente 14a, 14b freizugeben, die jeweils einem MEMS-Bauelement zugeordnet sind. Außerdem können Metallschichten an der Vorderseite 52 gebildet und/oder strukturiert werden. Die resultierende Struktur ist in 3(c) gezeigt. Danach wird ein Glasabdeckbauteil 58 an die Vorderseite 52 des MEMS-Wafers 50 gebunden, 3(d). Das Glasabdeckbauteil 58 ist durch Heiß-Prägen gebildet. Das Glasabdeckbauteil 58 weist Glasabdeckungen 60, 62 für eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen auf. Während nur zwei Glasabdeckungen 60 und 62 gezeigt sind, kann das Glasabdeckbauteil 58 eine Mehrzahl von Glasabdeckungen für eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen aufweisen, die in dem MEMS-Wafer 50 in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind. So können Glasabdeckungen des Glasabdeckbauteils 58 auch in einem zweidimensionalen Array angeordnet sein. Nach einem Binden des Glasabdeckbauteils 58 an den MEMS-Wafer 50 können Brücken 64, die Glasabdeckungen 60, 62 benachbarter MEMS-Bauelemente miteinander verbinden, durchgeschnitten werden, um Anschlussbereiche auf der Vorderseite 52 freizulegen. Die resultierende Struktur ist in 3(e) gezeigt. Danach findet eine Vereinzelung statt, um den MEMS-Wafer 50 in einzelne MEMS-Bauelemente 66, 68 zu separieren. Die Vereinzelung kann unter Verwendung üblicher Vereinzelungstechniken stattfinden, wie z. B. mechanischem Sägen oder Laserschneiden. Die resultierende Struktur ist in 3(f) gezeigt.
Wie aus den 3(a) bis 3(g) zu erkennen ist, weist das Glasabdeckbauteil 58 keine abgerundeten Übergänge auf, sondern weist scharfe Ränder auf. Außerdem weist die Dicke eines planaren Abschnitts der Glasabdeckungen 60, 62, der sich in einem Winkel relativ zu der Substratebene erstreckt, die gleiche Dicke auf wie Seitenwandabschnitte, die sich senkrecht zu der Substratebene erstrecken. Der Ausdruck Substratebene bezieht sich auf die Ebene, die durch die größeren Abmessungen des Substrats aufgespannt ist, d. h. die Länge und die Breite desselben, während die Richtung senkrecht zu der Substratebene die Dickenrichtung desselben ist.
Um ein Glasabdeckbauteil durch Heiß-Prägen zu bilden, wird Glas, das für das Verbundsystem geeignet ist, auf seinen Erweichungspunkt erwärmt, d. h. die Glasübergangstemperatur Tg, und wird unter Verwendung vorstrukturierter Presswerkzeuge gepresst. Die Presswerkzeuge weist Strukturen auf, die Umkehrungen der zu erzeugenden Strukturen entsprechen. Nach einem Abkühlen des Glases sind die durch die Presswerkzeuge definierten Strukturen reproduzierbar über den gesamten Durchmesser des Wafers hergestellt.
4 zeigt schematisch ein Beispiel einer Ausrüstung zum Heiß-Prägen. Ein oberes Presswerkzeug 70 und ein unteres Presswerkzeug 72 sind innerhalb einer Prozesskammer 74 vorgesehen. Heizelemente 76 sind in der Prozesskammer 74 vorgesehen. Das Innere der Prozesskammer 74 kann fluidisch über eine Zuführleitung 78 mit einer Vakuumpumpe verbunden sein. Ein Glasmaterial 80, aus dem das Heißprägebauteil gebildet werden soll, ist innerhalb einer Prozesskammer 74 zwischen den Presswerkzeugen 70 und 72 platziert. Zumindest eines der Presswerkzeuge 70, 72 ist relativ zu dem anderen beweglich, so dass Glasmaterial 80 zwischen denselben nach einem Erwärmen desselben gepresst werden kann. Dies ist in 4 durch einen Pfeil 82 angezeigt. Bei Beispielen kann ein hydraulisches System 84 vorgesehen sein, um eines der Presswerkzeuge zu bewegen.
Nach einem Laden von Glasmaterial 80 in die Prozesskammer 74 wird dasselbe unter Verwendung der Heizelemente 76 auf seinen Erweichungspunkt erwärmt. Danach wird das untere Presswerkzeug 72 relativ zu dem oberen Presswerkzeug 70 bewegt, so dass das Glasmaterial gemäß den umgekehrten Strukturen, die in den Presswerkzeugen 70, 72 gebildet sind, heißgeprägt wird. Danach wird das Glasmaterial abgekühlt und aus der Ausrüstung herausgenommen.
Die Presswerkzeuge können ausgebildet sein, um ein Glasabdeckbauteil mit einer erwünschten Form herzustellen. Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie beispielsweise dem oben erwähnten Aufschmelzverfahren, kann das Heiß-Prägen eine größere Vielzahl von Formen, die gebildet werden sollen, ermöglichen, indem einfach die Presswerkzeuge geändert werden. Insbesondere können neben einer Glasabdeckung mit einem planaren Bauteil kuppelförmige Glas-Packages in einer derartigen Qualität hergestellt werden, dass diese geeignet für einen Betrieb eines optischen MEMS-Bauelements sind, das frei von Verlusten und frei von Interferenzen ist.
5(a) zeigt zwei Presswerkzeuge 90, 92, die ausgebildet sind, um ein Glasabdeckbauteil heißzuprägen, das Glasabdeckungen mit planaren Bauteilen aufweist. Ein oberes Presswerkzeug 90 weist Vorsprünge 94 auf und ein unteres Presswerkzeug 92 weist Ausnehmungen 96 auf. Eine Glasplatte 98 ist zwischen den Presswerkzeugen 90, 92 angeordnet. Jeder Vorsprung 94 weist eine verkippte Oberfläche auf, die einer entsprechenden verkippten Oberfläche in einer der Ausnehmungen 96 zugewandt ist. Wie in 5(b) gezeigt ist, werden die Presswerkzeuge 90, 92 aufeinander zu bewegt, so dass die Glasplatte 98 gemäß der Kavität, die zwischen dem oberen und dem unteren Presswerkzeug 90, 92 verbleibt, verformt wird. Danach werden die Presswerkzeuge 90, 92 voneinander getrennt und das heißgeprägte Glasabdeckbauteil 58a wird herausgenommen. Eine gestrichelte Line in 5 zeigt, wo das Glasabdeckbauteil 58a später geschnitten werden soll, wenn einzelne MEMS-Bauteile aus dem MEMS-Wafer vereinzelt werden.
6(a) zeigt zwei Presswerkzeuge 100, 102, die ausgebildet sind, um ein Glasabdeckbauteil, das kuppelförmige Glasabdeckungen aufweist, heißzuprägen. Ein oberes Presswerkzeug 100 weist konvexe kuppelförmige Vorsprünge 104 auf und ein unteres Presswerkzeug 102 weist konkave kuppelförmige Ausnehmungen 106 auf. Nach einem Pressen des oberen Presswerkzeugs 100 und des unteren Presswerkzeugs 102 aufeinander zu verbleibt eine Kavität, siehe 6(b). Die Glasplatte 98 wird verformt und nimmt dabei die Form dieser Kavität an und das Glasabdeckbauteil 58b, das kuppelförmige Glasabdeckungen aufweist, kann aus den Presswerkzeugen 100, 102 herausgenommen werden, nachdem diese voneinander separiert wurden. Das resultierende Glasabdeckbauteil 58b ist in 6(c) gezeigt.
Die in 5 und 6 gezeigten Beispiele dienen für eine spezifische optische MEMS-Anwendung, wie beispielsweise eine MEMS-Anwendung, in der das bewegliche Element durch einen Mikrospiegel gebildet ist. Bei anderen Anwendungen können die die Glasabdeckungen eine unterschiedliche Form aufweisen und können an spezifische MEMS-Anwendungen und/oder MEMS-Bauelemente angepasst sein. Dies kann in flexibler Weise erzielt werden, indem die Presswerkzeuge verändert werden, da Heiß-Prägen ein einfaches Verfahren zum Strukturieren von Glas in drei Dimensionen darstellt. Die Prozessparameter und die Anforderungen an das Glasmaterial, das verarbeitet werden soll, können mittels der Zusammensetzung des Materials und weiterer Prozessparameter, wie beispielsweise Temperatur und Druck, in einem weiten Bereich variieren. Die Rückabdeckung 56 in 3 kann auch unter Verwendung entsprechend angepasster Presswerkzeuge hergestellt werden. Aufgrund der hohen Oberflächenqualität der Strukturen, die unter Verwendung von Heiß-Prägen realisiert werden, sind Beispiele der vorliegenden Offenbarung besonders geeignet für optische Komponenten, wie z. B. Abdeckungen für optische MEMS-Bauelemente. Bei Beispielen können zusätzliche optische Komponenten, wie z. B. Linsen, in die Glasabdeckung eingebaut sein.
Im Vergleich zu dem Glasabdeckbauteil 58, das in 3 gezeigt ist, kann das Glasabdeckbauteil 58a, das in 5(c) gezeigt ist, unter Umständen keine Abstandshalter zum ausreichenden Beabstanden der Glasabdeckungen von dem MEMS-Substrat aufweisen. In diesem Fall kann eine zusätzliche perforierte Abstandshalterschicht hergestellt und zwischen dem Glasabdeckbauteil und dem MEMS-Substrat vorgesehen werden. 7(a) zeigt das Glasabdeckbauteil 58a aus 5(c) als Wafer 1 und eine zusätzliche perforierte Abstandshalterschicht als Wafer 2. Beide Wafer können unabhängig voneinander hergestellt werden und können nach einer Herstellung derselben aneinander gebunden werden. Beide Wafer können aneinander gebunden werden, um das Glasabdeckbauteil 58 zu bilden, das in 7(d) gezeigt ist. Bei anderen Beispielen können Presswerkzeuge angepasst sein, um die Abstandshalter einstückig mit dem Glasabdeckbauteil zu bilden. Dies ist in den 7(b) und 7(c) gezeigt. Wie in 7(b) gezeigt ist, weist das obere Presswerkzeug 90a Abstandshalterausnehmungen 110 an den Seiten der Vorsprünge 94 auf, so dass nach dem Heiß-Prägen das Glasabdeckbauteil 58 Abstandshalter 112 aufweist, wie in 7(d) gezeigt ist. Die Abstandshalter 112 stellen Teile der Seitenwände der jeweiligen Glasabdeckung dar und umgeben die Kavität mit dem beweglichen Bauteil nach einem Binden des Glasabdeckbauteils an den MEMS-Wafer vollständig.
7(d) zeigt das resultierende Glasabdeckbauteil 58, das durch separate Schichten, die aneinander gebunden sind, erzielt werden kann, wie in 7(a) gezeigt ist, oder durch eine einstückige Schicht, wie in den 7(b) und 7(c) gezeigt ist.
Unterschiedliche Verfahren können verwendet werden, um das Glasabdeckbauteil an das MEMS-Substrat zu binden. Im Folgenden sind einige Beispiele dessen beschrieben, wie das Binden erzielt werden kann. Übliche Bindungsverfahren (Bonding-Verfahren) können verwendet werden, wie beispielsweise Haftmittelbinden, anodisches Bonden, Fusionsbonden, eutektisches Bonden oder Binden unter Verwendung von Glasfritte oder einer Glaspaste. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass ein Binden unter Verwendung von Laser-Mikroschweißen bestens geeignet sein kann, um das Glasabdeckbauteil an das MEMS-Substrat zu binden.
Beim Haftmittelbinden werden zwei Materialien in irreversibler Weise unter Verwendung einer Haftmittelschicht aneinander gebunden. Es kann schwierig sein, eine hermetisch abdichtende Verbindung, die langzeitstabil gegenüber äußeren Einflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit und chemischen Substanzen, ist, unter Verwendung einer Haftmittelschicht zu erzielen. Außerdem kann das Haftmittel einer Entgasung unterzogen werden, was zu Verunreinigungen und Abweichungen beim Innendruck der Kavität führen kann. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, CTEs, zwischen dem Haftmittel und dem Glas und/oder dem MEMS-Substratmaterial können zu Belastungsbedingungen führen und deshalb das Verhalten des MEMS. Ferner kann das Haftmittelbinden zu einer reduzierten Temperaturstabilität führen.
Anodisches Bonden kann besser geeignet sein, um eine hermetische Verbindung zu erzielen, wenn planare Oberflächen mit einer Rauheit von weniger als 20 mm für eine stabile Verbindung verfügbar sind. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten beider Materialien sollten aneinander angepasst sein, insbesondere angesichts von Prozesstemperaturen von bis zu 400°C. Damit der Bindungsmechanisrnus funktioniert, sollte das Glas Alkaliionen an der Bindungsgrenzfläche beinhalten.
Eine Verbindung auf der Waferebene kann unter Verwendung von Fusionsbonden bei Raumtemperatur oder einer höheren Temperatur implementiert werden. Dieses Verfahren kann geeignet sein, um unterschiedliche Materialien aneinander zu binden, wenn stark planare Oberflächen mit einer geringen Rauigkeit von weniger als 0,5 mm verfügbar sind.
Eutektisches Bonden wird typischerweise mittels einer oder mehrerer Metallschichten erzielt. Unter dem Effekt einer kontrollierten Kraft wird in dem Fall einer ausreichend hohen Temperatur eine Diffusionszone an dem eutektischen Punkt gebildet. Die Diffusionszone kann eine feste Bindung zwischen unterschiedlichen Materialien bereitstellen. Dieses Verfahren erlaubt ein Ausgleichen von größeren Oberflächenunregelmäßigkeiten. Prozesstemperaturen zum Herstellen der eutektischen Mischung können jedoch sehr hoch sein, wie z. B. 379°C für Si-Au und 580°C für Si-Al. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu bindenden Materialien sollten aneinander angepasst sein.
Das Binden unter Verwendung von Glasfritte oder einer Glaspaste ermöglicht eine hermetische Verbindung zwischen zwei Substraten. Während das Auftragen der Glasfritte oder -paste und Ausbrennen eines Lösungsmittels auf einer Seite, d. h. auf einem Trägersubstrat, wie z. B. dem Glasabdeckbauteil, erzielt werden kann, und mit moderaten Temperaturen unter 400°C, muss der letztendliche Verbindungsschritt, d. h. das Brennen, bei höheren Temperaturen von bis zu 500°C erfolgen. Die Metallisierung des MEMS-Wafers sollte ausgebildet sein, um derartigen Temperaturen zu widerstehen. Außerdem weist die Zusammensetzung der Glasfritte oder -paste und des Lötmittels oft einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als das Substrat, wie beispielsweise ein Siliziumsubstrat.
Die beschriebenen Verfahren können planparallele Platten oder lokale Stifte für eine direkte Verbindung zwischen Glas und Silizium erforderlich machen, um einen Kontakt zwischen beiden Materialien mittels einer definierten Krafteingabe sicherzustellen. Aufgrund der dreidimensionalen Strukturierung des Glasabdeckbauteils können zusätzliche Maßnahmen implementiert werden, um das erwünschte Ergebnis, wie z. B. spezielle Spannvorrichtungen zum Manövrieren des Glasabdeckbauteils zu erzielen. Dies kann zu erhöhtem Prozessaufwand und reduzierten Freiheitsgraden beim Entwurf führen.
Im Allgemeinen kann jedes Bindungsverfahren zum Erzielen einer hermetischen Bindung zwischen dem Glasabdeckbauteil und dem MEMS-Substrat verwendet werden. Es wurde jedoch erkannt, dass ein Verfahren, das als Laser-Mikroschweißen bekannt ist, höchst geeignet ist, um das Glasabdeckbauteil an das MEMS-Substrat zu binden. Beim Laser-Mikroschweißen oder Glas-Mikroschweißen wird Glas an der Grenzfläche zu dem Material des MEMS-Substrats, wie beispielsweise das Silizium des MEMS-Substrats, lokal unter Verwendung eines Lasers geschmolzen, um so eine irreversible Bindung herzustellen. Bei diesem Verfahren ist eine Temperatureingabe lokal auf die Position eingeschränkt, an der das Schweißen unter Verwendung des Laserstrahls durchgeführt wird. So ist dies unabhängig von der Metallisierung des MEMS-Wafers. Während dieses Verfahren eine relativ lokale Verbindung erzielt, kann das Behalten von Unterschieden zwischen Wärmeausdehnungskoeffizienten der miteinander zu verbindenden Materialien hilfreich sein, um eine haltbare hermetisch abgedichtete Verbindung zu erzielen. Glas-Mikroschweißen unter Verwendung eines Laserstrahls kann ein Verbinden relativ komplexer Geometrien und unterschiedlicher Materialien ermöglichen. Ein Bewegungsweg des Lasers kann an einen spezifischen Entwurf angepasst werden und ein Manövrieren des 3D-Struktur-Glasabdeckbauteils kann durch eine beliebige geeignete Einheit erzielt werden. Dies kann ohne Druckplatten oder Stifte zur Bereitstellung eines direkten Kontakts zwischen dem Glasabdeckbauteil und dem MEMS-Substrat erzielt werden. Ein Aneinanderklemmen des Glasabdeckbauteils und des MEMS-Substrats sollte ausreichend sein. Das Binden wird ohne zusätzliche Schichten erreicht, während dennoch eine ausreichende Adhäsion des Glases an der Materialgrenzfläche nach dem Schmelzvorgang erzielt wird. So besteht ein hoher Freiheitsgrad in Bezug auf die Materialien, die aneinander gebunden werden können. Außerdem kann das Binden bei unterschiedlichen Prozessdrücken bei Vorliegen unterschiedlicher Prozessgase, wie beispielsweise Inertgasen, erzielt werden.
8 zeigt schematisch einen unteren Glaswafer 120, einen Siliziumwafer 122, der auf dem unteren Glaswafer 120 angeordnet ist, und einen oberen Glaswafer 124, der auf dem Siliziumwafer 122 angeordnet ist. Der Siliziumwafer 122 kann einen MEMS-Wafer mit einem oder mehreren beweglichen Elementen, wie z. B. einer geschlossenen Membran in einem linken Abschnitt und einem einseitig aufgehängten Balken in dem rechten Abschnitt desselben, darstellen. Das in 8 gezeigte Bauelement kann einen Beschleunigungs- und Drucksensor darstellen, wobei ein Druck unter Verwendung der geschlossenen Membran erfasst werden kann und eine Beschleunigung unter Verwendung des einseitig aufgehängten Balkens erfasst werden kann. Bei Beispielen können der obere Glaswafer 124 und/oder der untere Glaswafer 120 als heißgeprägte Glasabdeckungen implementiert sein. Laserschweißen kann durchgeführt werden, um den oberen Glaswafer 124 an eine obere Oberfläche des Siliziumwafers 122 zu binden und um den unteren Glaswafer 120 an eine untere Oberfläche des Siliziumwafers 122 zu binden. Glasschweißen findet an jeweiligen Schweißorten 126 unter Verwendung von Laserlicht 128 statt. Wie durch Pfeile in 8 angezeigt ist, kann ein Laser, der das Laserlicht 128 bereitstellt, relativ zu dem Waferstapel bewegt werden, um die Wafer an erwünschten Orten zu verbinden.
Die 9(a) bis 9(c) zeigen ein Beispiel, bei dem eine perforierte Abstandshalterglasschicht 130 unter Verwendung von Glas-Mikroschweißen an die erste Seite 52 des MEMS-Wafers 50 gebunden ist. Eine Rückabdeckung 56 kann auch unter Verwendung von Glas-Mikroschweißen an die zweite Seite 54 des MEMS-Wafers 50 gebunden sein. Der MEMS-Wafer 50 mit der perforierten Abstandshalterschicht 130 an der ersten Oberfläche und der Rückabdeckung 56 an der zweiten Oberfläche ist in 9(b) gezeigt. Danach wird, wie in 9(c) gezeigt ist, das Glasabdeckbauteil 58a unter Verwendung von Glas-Mikroschweißen an die perforierte Abstandshalterschicht 130 gebunden. So findet das Glas-Mikroschweißen zwischen zwei Glasbauteilen beim Binden des Glasabdeckbauteils 58a an den MEMS-Wafer 50 statt.
Bei anderen Beispielen kann das Glasabdeckbauteil 58, das Abstandshalterbauteile 112 einstückig beinhaltet, wie in 7(d) gezeigt ist, direkt ohne perforierte Abstandshalterschicht 130 dazwischen an den MEMS-Wafer 50 gebunden sein.
So wird bei Beispielen ein Binden durch lokales Schmelzen von Glas erzielt, wobei ein derartiges Binden zwischen zwei Glasbauteilen, zwischen Glas und Silizium und zwischen Glas und anderen Materialien erzielt werden kann. Mikroschweißen kann vor Ort erzielt werden, ohne die Wafer zu bewegen und ohne Druck auf die Wafer auszuüben. Dies erlaubt einen zusätzlichen Freiheitsgrad in Bezug auf die Materialauswahl, wenn ein Abstandshaltersubstrat verwendet werden soll. Glas-Mikroschweißen ist besonders geeignet für strukturiertes 3D-Glas, für Glas/Glas-Bindungen, Glas/Silizium-Bindungen, Glas/Glas/Silizium-Bindungen oder Glas/Glas/Silizium/Glas-Bindungen. Ferner sind Glas-Mikroschweißverfahren einfach auszubauen (z. B. größerer Waferdurchmesser).
Wenn die Glasabdeckung als ein Package bzw. Gehäuse für ein optisches MEMS-Bauelement dient, weisen das Package und die Qualität desselben einen direkten Einfluss auf das Verhalten des Systems auf. Wenn die Glasabdeckung planparallel zu der Substratebene gebildet ist, kann ein heller Punkt aufgrund einer Teilreflexion an der Grenzfläche zwischen Luft und der Glasabdeckung zu einer Projektionsbildfläche führen. Bezug wird hierauf die 10(a) und 10(b) genommen, die schematische Querschnittsansichten eines MEMS-Substrats 10 zeigen, an dem eine Glasabdeckung 12 angebracht ist. Das MEMS-Substrat 10 weist ein bewegliches Element 14 auf, wie z. B. einen ablenkbaren Spiegel. Die Glasabdeckung 12 ist an dem Substrat 10 angebracht, um so das bewegliche Element 14 hermetisch abzudichten. Gemäß 10(a) ist ein planares oberes Bauteil 12a der Abdeckung 12 planparallel zu dem MEMS-Substrat angeordnet, d. h. parallel zu einer Ebene des MEMS-Substrats. Allgemein kann die MEMS-SubstratEbene eine Ebene sein, die parallel zu einer Ebene ist, die durch die Haupterstreckungen des MEMS-Substrats aufgespannt wird, d. h. die Länge und die Breite des Substrats. Gemäß 10(b) ist das planare obere Bauteil 12a der Abdeckung 12 in einem Winkel relativ zu der Substratebene angeordnet.
Der ablenkbare Spiegel kann ausgebildet sein, um einfallendes Laserlicht zu einer Projektionsbildfläche 18 zu reflektieren. Einfallendes Laserlicht 16 kann durch das planare Bauteil 12a fallen und kann an dem beweglichen Bauteil 14 reflektiert werden. Bruchteile von Laserlicht 16 können an der Luft/Glas-Grenzfläche des planaren Bauteils 12a reflektiert werden, wie in den 10(a) und 10(b) gezeigt ist. Gemäß 10(a) kann das teilweise reflektierte Laserlicht die Projektionsfläche 18 erreichen und kann einen hellen Fleck bilden, der als ein Reflexpunkt 20a gezeigt ist. Gemäß 10(b) erreicht Licht, das an der Luft/Glas-Grenzfläche des planaren Bauteils 12a reflektiert wird, nicht die Projektionsfläche 18, siehe Reflexpunkt 20b. So können Störungen aufgrund von Teilreflexionen an der Abdeckung 12 durch Anordnen des planaren Bauteils 12a mit einem spezifischen Winkel relativ zu dem MEMS-Bauelement, d. h. der Substratebene, reduziert oder verhindert werden.
So erzeugen Beispiele der Offenbarung Strukturen von 3D-Packages auf der Waferebene für MOEMS-Anwendungen unter Verwendung eines Heißprägeverfahrens von Glas. Wie oben erklärt wurde, erlaubt ein derartiges Verfahren vorteilhafte Auswirkungen im Vergleich zu einem Aufschmelzverfahren im Hinblick auf mögliche Strukturgeometrien und im Hinblick auf Reproduzierbarkeit. Bei Beispielen wird eine irreversible Verbindung zwischen dem so gefertigten 3D-Glas-Package und dem MEMS-Substrat unter Verwendung eines Laser-Mikroschweißverfahrens hergestellt. Ein derartiges Bindungsverfahren kann im Vergleich zu anderen üblichen Bindungsverfahren im Hinblick auf Temperaturkompatibilität, CTE-Fehlanpassung und Kombination von Verbundmaterialien von Vorteil sein und vereinfacht deshalb eine Integration des Verfahrens in Halbleiterfertigungsvorgänge.
Obwohl einige Aspekte als Merkmale in dem Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist klar, dass eine derartige Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale eines Verfahrens betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale in dem Kontext eines Verfahrens beschrieben wurden, ist klar, dass eine derartige Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale im Hinblick auf die Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden kann.
Bei der vorstehenden detaillierten Beschreibung ist zu erkennen, dass verschiedene Merkmale zu dem Zweck einer Verschlankung der Offenbarung in Beispielen zusammen gruppiert wurden. Dieses Verfahren der Offenbarung soll nicht als eine Absicht widerspiegelnd interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale benötigen, als in jedem Anspruch explizit genannt sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche dies widerspiegeln, ein Gegenstand der vorliegenden Offenbarung in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. So sind die folgenden Ansprüche hierdurch in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch alleine als separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch alleine als separates Beispiel stehen kann, wird darauf hingewiesen, dass, obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, weitere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen beinhalten können. Derartige Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, es sei denn, es wird angemerkt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist es beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs zu einem beliebigen anderen unabhängigen Anspruch einzuschließen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es wird darauf hingewiesen, dass Modifizierungen und Abänderungen der Anordnungen und der hierin beschriebenen detaillierten Details für andere Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich sind. Deshalb soll eine Einschränkung lediglich durch den Schutzbereich der anhängigen Patentansprüche vorliegen, und nicht durch die spezifischen Details, die mittels Beschreibung und Erläuterungen der Beispiele hierin dargelegt werden.
Bezugszeichenliste

10: MEMS-Substrat
12: Glasabdeckung
12a: planares Bauteil der Glasabdeckung
12b, 12c: Seitenwände der Glasabdeckung
14, 14a, 14b: bewegliches Bauteil
16: Laserlicht
17: Anschlagsbauteil
18: Projektionsfläche
20a, 20b: Reflexpunkte
50: MEMS-Wafer
52: erste Seite des MEMS-Wafers
54: zweite Seite des MEMS-Wafers
56: Rückabdeckung
58, 58a, 58b: Glasabdeckbauteil
60, 62: planare Bauteile
64: Brückenbauteil
66, 68: MEMS-Bauelemente
70, 72: Presswerkzeuge
74: Prozesskammer
76: Heizelemente
78: Vakuumzufuhrleitung
80: Glasmaterial
82: Bewegungspfeil
84: hydraulisches System
90, 90a: obere Presswerkzeuge
92: unteres Presswerkzeug
94: Vorsprünge
96: Ausnehmungen
98: Glasplatte
100, 102: Presswerkzeuge
104: kuppelförmige Vorsprünge
106: kuppelförmige Ausnehmungen
110: Abstandshalterausnehmungen
112: Abstandshalterbauteile
120: unterer Glaswafer
122: Siliziumwafer
124: oberer Glaswafer
126: Schweißorte
128: Laserlicht
130: perforierte Abstandshalterschicht

Claims

Ein Verfahren zum Herstellen eines Mikroelektromechanisches-System-, MEMS-, Bauelements, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines MEMS-Substrats mit einem beweglichen Element; Bilden eines Glasabdeckbauteils mit einer Glasabdeckung durch Heiß-Prägen; und Binden des Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat, um so durch die Glasabdeckung eine Kavität, in der das bewegliche Element angeordnet ist, hermetisch abzudichten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ein Binden eines ersten Glasabdeckbauteils an eine erste Seite des MEMS-Substrats und ein Binden eines zweiten Glasabdeckbauteils an eine zweite Seite des MEMS-Substrats gegenüber von der ersten Seite desselben aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Bereitstellen des MEMS-Substrats ein Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einer Mehrzahl beweglicher Elemente aufweist, wobei das Glasabdeckbauteil eine Mehrzahl von Glasabdeckungen aufweist und wobei das Glasabdeckbauteil an das MEMS-Substrat gebunden ist, um so durch jede Glasabdeckung eine einer Mehrzahl von Kavitäten hermetisch abzudichten, wobei eines der Mehrzahl beweglicher Elemente in jeder der Kavitäten angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Bereitstellen des MEMS-Substrats ein Bereitstellen eines MEMS-Wafers mit einer Mehrzahl beweglicher Elemente aufweist, wobei das erste Glasabdeckbauteil eine Mehrzahl erster Glasabdeckungen aufweist, wobei das zweite Glasabdeckbauteil eine Mehrzahl zweiter Glasabdeckungen aufweist, wobei die Glasabdeckbauteile an das MEMS-Substrat gebunden sind, um so durch jeweilige erste und zweite Glasabdeckungen eine einer Mehrzahl von Kavitäten hermetisch abzudichten, wobei eines der Mehrzahl beweglicher Elemente in jeder der Kavitäten angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, das ferner ein Vereinzeln des MEMS-Wafers und des Glasabdeckbauteils oder der Glasabdeckbauteile, das/die daran gebunden ist/sind, in eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen aufweist, wobei die Mehrzahl von Kavitäten hermetisch abgedichtet bleibt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Binden des oder jedes Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat ein Verwenden eines Laser-Mikroschweißverfahrens aufweist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Glasabdeckung oder die erste Glasabdeckung Seitenwände aufweist, die sich in einem Winkel zwischen 80° und 90° relativ zu einer Ebene des MEMS-Substrats erstrecken.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Glasabdeckung oder die erste Glasabdeckung einen planaren Abschnitt aufweist, der Enden der Seitenwände verbindet, die von dem MEMS-Substrat weg zeigen, wobei der planare Abschnitt relativ zu einer Ebene des MEMS-Substrats verkippt ist, auf ein Binden des Glasabdeckbauteils oder der ersten Glasabdeckung an das MEMS-Substrat hin.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Dicke der Seitenwände innerhalb eines Bereichs der Dicke des planaren Abschnitts ± 25%, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs der Dicke des planaren Abschnitts ± 10% liegt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Glasabdeckung scharfe Ränder zwischen unterschiedlichen Abschnitten derselben aufweist und keine abgerundeten Übergänge zwischen Abschnitten derselben aufweist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Glasabdeckung oder die erste Glasabdeckung eine kuppelförmige Struktur aufweist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das ein Bereitstellen einer perforierten Abstandshalterschicht zwischen dem Glasabdeckbauteil und dem MEMS-Substrat vor einem Binden des Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat aufweist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, das ein Binden des Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat bei Vorliegen eines inerten Prozessgases aufweist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das bewegliche Element ein beweglicher Spiegel für Lichterfassungs- und Abstandsmess-, LIDAR-, Anwendungen ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem das bewegliche Element ein bewegliches Teil eines optischen Gassensors, eines optischen Drucksensors oder eines optischen Beschleunigungssensors ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Bilden des Glasabdeckbauteils oder des ersten Glasabdeckbauteils ein Bilden eines mechanischen Anschlagselements aufweist, das von der Glasabdeckung oder der ersten Glasabdeckung nach innen vorsteht und einen mechanischen Anschlag für eine Bewegung des beweglichen Elements darstellt, auf ein Binden des Glasabdeckbauteils oder des ersten Glasabdeckbauteils an das MEMS-Substrat hin.
Ein Mikroelektromechanisches-System-, MEMS-, Bauelement, das folgende Merkmale aufweist: ein MEMS-Substrat mit einem beweglichen Element; und eine heißgeprägte Glasabdeckung, wobei die heißgeprägte Glasabdeckung an das MEMS-Substrat gebunden ist, so dass eine Kavität, in der das bewegliche Element angeordnet ist, hermetisch abgedichtet ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 17, das eine erste heißgeprägte Glasabdeckung, die an eine erste Seite des MEMS-Substrats gebunden ist, und eine zweite Glasabdeckung aufweist, die an eine zweite Seite des MEMS-Substrats gegenüber von der ersten Seite desselben gebunden ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 oder 18, bei dem die Glasabdeckung oder die erste Glasabdeckung Seitenwände aufweist, die sich in einem Winkel zwischen 80° und 90° relativ zu einer Ebene des MEMS-Substrats erstrecken.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem die Glasabdeckung oder die erste Glasabdeckung einen planaren Abschnitt aufweist, der Enden der Seitenwände verbindet, die von dem MEMS-Substrat weg zeigen, wobei der planare Abschnitt relativ zu einer Ebene des MEMS-Substrats verkippt ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 20, bei dem die Dicke der Seitenwände innerhalb eines Bereichs der Dicke des planaren Abschnitts ± 25%, vorzugsweise innerhalb eines Bereichs der Dicke des planaren Abschnitts ± 10% liegt.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem die Glasabdeckung scharfe Ränder zwischen unterschiedlichen Abschnitten derselben aufweist und keine abgerundeten Übergänge zwischen Abschnitten derselben aufweist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem die Glasabdeckung oder die erste Glasabdeckung eine kuppelförmige Struktur aufweist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, das eine perforierte Abstandshalterschicht zwischen dem Glasabdeckbauteil und dem MEMS-Substrat aufweist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem das bewegliche Element ein beweglicher Spiegel für Lichterfassungs- und Abstandsmess-, LIDAR-, Anwendungen ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem das bewegliche Element ein bewegliches Teil eines optischen Gassensors, eines optischen Drucksensors oder eines optischen Beschleunigungssensors ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 17 bis 26, bei dem das Glasabdeckbauteil oder das erste Glasabdeckbauteil ein mechanisches Anschlagsbauteil aufweist, das von der Glasabdeckung oder der ersten Glasabdeckung nach innen vorsteht und einen mechanischen Anschlag für eine Bewegung des beweglichen Elements darstellt.