EP3999467A1 - Hermetisch verschlossene gehärtete glasumhäusung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Hermetisch verschlossene gehärtete glasumhäusung und verfahren zu deren herstellung

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Publication number
EP3999467A1
EP3999467A1 EP20750184.2A EP20750184A EP3999467A1 EP 3999467 A1 EP3999467 A1 EP 3999467A1 EP 20750184 A EP20750184 A EP 20750184A EP 3999467 A1 EP3999467 A1 EP 3999467A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
housing
substrate
hermetically sealed
laser
cover substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20750184.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Ulrich Thomas
Thomas Zetterer
Antti Määttänen
Robert Hettler
Yutaka ONEZAWA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP3999467A1 publication Critical patent/EP3999467A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0058—Packages or encapsulation for protecting against damages due to external chemical or mechanical influences, e.g. shocks or vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0032—Packages or encapsulation
    • B81B7/0035—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS
    • B81B7/0041—Packages or encapsulation for maintaining a controlled atmosphere inside of the chamber containing the MEMS maintaining a controlled atmosphere with techniques not provided for in B81B7/0038
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00269—Bonding of solid lids or wafers to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
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    • B81C1/00261—Processes for packaging MEMS devices
    • B81C1/00333—Aspects relating to packaging of MEMS devices, not covered by groups B81C1/00269 - B81C1/00325
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0109—Bonding an individual cap on the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0118—Bonding a wafer on the substrate, i.e. where the cap consists of another wafer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/01—Packaging MEMS
    • B81C2203/0163—Reinforcing a cap, e.g. with ribs

Definitions

  • the invention relates to a transparent cover layer for an enclosure, a transparent enclosure and a method for providing a plurality of hermetically sealed enclosures.
  • Hermetically sealed enclosures can be used to protect sensitive electronics, circuits or, for example, sensors. Medical implants can be used, for example, in the heart area, in the retina or for bio-processors. So far, housings made of titanium have been made and used for these purposes.
  • Sensors can be protected with a housing for particularly adverse environmental conditions.
  • This area also includes, for example, MEMS (micro-electro-mechanical systems), barometers, etc.
  • a housing according to the invention can be found in a cover for a smartphone, in the area of virtual reality glasses and similar devices.
  • the electronics must therefore be protected from environmental influences.
  • European patent EP 3 012 059 B1 shows a method for producing a transparent part for protecting an optical component. A new type of laser process is used.
  • the present invention is to be seen in the context that housings are to be improved and, in particular, built to be more resistant. This increases the robustness against environmental influences and, for example, also mechanical loads.
  • the invention is based on the object of providing an improved housing for a cavity in order to withstand even more adverse environmental conditions and influences. Particular attention is paid to the mechanical
  • Another aspect of the present invention is to improve the
  • a hermetically sealed housing is provided, the housing at least including a base substrate and a cover substrate which form at least part of the housing.
  • the cover substrate is placed flat on the base substrate so that the base substrate and the cover substrate form a stack. It can preferably be a wafer stack.
  • the housing encloses at least one functional area, which for
  • the functional area can comprise an active surface.
  • the functional area preferably has a cavity, that is to say a cavity which is enclosed by the housing.
  • the cavity can be prepared for the installation or the accommodation of functional components, so that it is an accommodation cavity.
  • At least the cover substrate preferably comprises a glass-like material at least in some areas.
  • the glass-like material of the cover substrate is further preferably at least partially transparent, specifically at least for a specific wavelength range.
  • the cover substrate consists of a glass, which in a
  • Wavelength range from 350 nm to 1800 nm is transparent.
  • the cover glass has an anti-reflection coating on both sides, a so-called AR coating, which reduces the Fresnel reflection in the range from 1000 nm to 1100 nm from 5% to less than 1%.
  • the base substrate and the cover substrate are hermetically sealed with at least one laser bond line. So it can be the base substrate directly and directly with the
  • Cover substrate can be hermetically sealed by means of a laser bond line.
  • the laser bond line has a height HL perpendicular to its connection plane.
  • the laser bond line can be understood as a continuous melting line with a mostly elliptical cross section (height HL + AF up to 100mhi, width 10-20-mhi), which is caused by heat accumulation of a kind of string of pearls from laser injections.
  • the melting line is created above the laser-shot pearl cord.
  • the location of the laser-shot pearl cord AF lies below the connection plane, so that the cross section of the resulting melt zone penetrates the connection plane.
  • Melt line therefore has a certain extent.
  • the vertical distance in this example from the connection plane to the end of the joining zone of the laser bond line in one direction is referred to as HL.
  • Lasers with a high repetition rate are preferred for laser welding.
  • the pearl cord of laser inclusions is usually no longer visible and the pearl distance is only indirectly (heat accumulation) in the geometry of the melt line.
  • At least the cover substrate points at least on the laser bond line
  • a hardened layer preferably a chemically hardened layer, wherein the hardened layer preferably exerts a compressive stress on the cover substrate.
  • a first (base substrate) and at least one second substrate (cover substrate) are provided in a first step, the at least one second substrate being made of transparent material, i.e. being at least partially or partially transparent for at least one wavelength range.
  • the at least two substrates are arranged directly next to or on top of one another, the cavity to be sealed is covered by the at least one second substrate, and the respective underside of the respective housing is formed by the first substrate.
  • At least one contact area is formed between the at least two substrates, so that each housing has at least one contact area.
  • the cavities are then hermetically sealed by joining the at least two substrates along the contact surface (s) of each housing, in particular on the contact surface along a line at the edge of each housing.
  • the Enclosures can advantageously be shared, for example from a common
  • Starting substrate are manufactured, for example in the form of wafers of a wafer stack.
  • the substrate layers are stacked directly and in direct contact with one another, that is to say they are arranged on one another. Foreign materials are excluded as far as possible between the substrate layers, so that the most cohesive and flat contact possible is created from one substrate layer to the adjacent substrate layer.
  • the base substrate is arranged in direct contact with the cover substrate to one another, in particular without other materials or a gap between them
  • Base substrate and cover substrate would be present.
  • the base substrate is arranged immediately adjacent to the first one or the first of the intermediate substrate layers, the
  • Cover substrate in turn immediately adjacent to the or the last of the
  • a planar substrate layer is joined directly to the planar substrate layer arranged immediately adjacent to one another, without foreign materials or non-planar materials or intermediate material layers being provided or required for this.
  • the substrates are therefore each joined directly to one another.
  • the laser bond line produced in the two-dimensional contact area between two substrate layers non-releasably connects the directly adjacent substrate layers to one another.
  • the laser bond line is thus located in both substrates and merges seamlessly from the first substrate into the immediately adjacent second substrate, that is, for example, from the base substrate into the cover substrate.
  • a direct, flat or even full-area transition is thus formed from one substrate layer to the next substrate layer, such as a substrate-substrate transition or a glass-glass transition.
  • a locally limited volume is formed as a joining zone or laser bond line, in which a material transfer or mixing between the adjacent substrate layers, which in particular are flat, present. In other words, penetrates material of the first substrate, for example the
  • the joining zone can therefore also be referred to as a convection zone.
  • the new laser joining technology for generating the non-releasable substrate-substrate transition is particularly advantageously free of intermediate layers, glass frits, foils or adhesives that had to be introduced between the substrates in earlier known methods. Rather, the non-releasable connection can be produced without corresponding interfering intermediate layers or additional materials. This saves the use of additional materials, increases the achievable hardness of the end product and enables reliable hermetic sealing of the functional area or the cavity / s.
  • the laser joining zone in the finished end product can be determined by the specific local
  • the base substrate and the cover substrate can be joined to one another in a hermetically sealed manner using the same laser bond line.
  • one or more intermediate substrates can be arranged between the base substrate and the cover substrate, the base substrate then being joined to the lowermost intermediate substrate and the
  • the at least one laser bond line can encircle the functional area preferably at a distance DF.
  • the laser bond line can also be drawn as a curved line, e.g. in an S-shape, into the material or into the area of the contact surface between two substrates, so that it may be partially written into the hardness area or the hardness zone of the hardened material. It has surprisingly been found that the joining of the material by means of the laser joining process also works when the tensile stress built up in the material as a result of the hardening is high.
  • the hardened layer can have a hardening layer thickness DoL.
  • Covering substrate can preferably have a minimum material thickness MM up to the hardened layer above the laser bond line.
  • a total thickness DA of the cover substrate the following can also apply: DA - HL - DoL> MM.
  • the total thickness DA minus the height of the laser bond line that extends into the cover substrate with HL, and further minus the The thickness of the hardening layer DoL remains at least the minimum material thickness MM of the covering substrate.
  • the distance MM ensures that there is no thermal annihilation of the hardened area.
  • the hardening layer thickness DoL is the depth at which the stress curve passes through zero stress. Surprisingly, the grazing lines can even be in the DoL of the cover glass without affecting the strength. This is due to the small achievable lateral extension of the laser joint line in the range of less than 50 mhi, for example 10 to 50 mhi or 10 to 20 mhi.
  • the willow line can protrude into the hardened surface, since it preferably only "softens" an insignificant area there. In other words, the laser joining line can be part of the hardened surface if it is prepared or adjusted in such a way that it has only a small lateral extent.
  • a minimum material thickness MM can be provided above the laser bond line, which separates the laser bond line from the hardened surface.
  • the minimum material thickness is preferably greater than or equal to 100 mhi, more preferably greater than or equal to 50 mhi, even more preferably greater than or equal to 20 mhi. On the other hand, it has been found that it is sufficient if the minimum material thickness MM is above the
  • the laser bond line is smaller than 200 mhi, preferably smaller than 100 mhi, more preferably smaller than 50 mhi.
  • the cover substrate can advantageously be hardened on both sides, so that the cover substrate on its side facing the functional area and / or on the
  • Connecting surface to the base substrate has a second hardened layer with the hardening layer thickness DoLb.
  • the height of the laser bond line HL can be greater than the hardening layer thickness DoLb of the second hardened layer.
  • At least the covering substrate is preferably hardened on all sides, that is to say in particular on its entire outer border area.
  • the cover substrate has a hardened layer or hardened layers on all sides, which surround the functional area, in particular surround the entire circumference.
  • the package is subsequently hardened.
  • the hardened layer can then have the hardening layer thickness DoLa, the second hardened layer the hardening layer thickness DoLb, and the third hardened layer can have a hardening layer thickness DoLc on a circumferential edge of the housing.
  • the thicknesses DoLa, DoLb and DoLc can be the same.
  • Laser bond line and the hardening layer thickness DoLa are, for example, 5 to 10 mhi. Since this transition should not be softened, it is advantageous if at least half of the modular width is adhered to on the side of the respective hardened edge. Since the
  • Laser bond line can be higher, for example have an HL of 100 mhi or less, the ratio of pasture area to edge area is less favorable. It is therefore better not to let the laser bond line protrude into the hardened zone in the first place.
  • the cover substrate can have the one or a further functional area.
  • the functional area can be arranged in the cover substrate.
  • the functional area can include an active area applied to the underside of the cover substrate, such as a reflective layer.
  • the functional area can be hollowed into the covering substrate by hollowing out the covering substrate using a suitable method. A sandblasting process can be suitable for this.
  • the base substrate can also have a hardened DoLd layer on its underside opposite the laser bond line.
  • Each housing can form a cavity which is enclosed by a laterally circumferential edge, an underside and an upper side of the housing. In other words, such a cavity is enclosed on all sides by the housing, so that the
  • Housing for the cavity forms the circumferential edge, the bottom and the top.
  • the cavities can in particular be designed as accommodation cavities.
  • electronic circuits, sensors or MEMS for example, can be used in the respective cavities, i.e. they can be accommodated there.
  • These aforementioned devices, such as in particular electronic circuits, sensors or MEMS are therefore enclosed on all sides by the housing, since they are arranged within the accommodation cavity.
  • At least two substrates that is to say for example a cover substrate and a base substrate, are provided, at least one of the two substrates being made of transparent material or at least partially comprising a transparent material.
  • the at least two substrates are arranged directly on one another or directly on one another.
  • the at least two substrates are arranged or attached to one another in such a way that they come to lie flat against one another without other layers being present between the at least two substrates. For technical reasons, it is possible that even the slightest gas inclusions between the substrate layers cannot be avoided, which also result from possible unevenness of the substrate layers.
  • the amount of trapped gas can be further reduced by increasing the pressure, such as in particular by pressing the at least two substrates against one another, or by treating the surface of the substrate layers such as a grinding process. It is particularly preferred if the gap that may occur between the substrates is less than or equal to 5 mhi thick, more preferably less than or equal to 2 mhi, more preferably less than or equal to 1 mhi. Such a gap is created, for example, by tolerances in the production of the substrate, by thermal influences or by inclusions of particles such as dust.
  • the joining zone extends from the first substrate into the second substrate arranged adjacent to the first substrate.
  • the joining zone is therefore introduced in the contact area between the first and second substrate and fuses the substrates directly with one another to form an inseparable bond.
  • material of both substrates that lies in the joining zone is melted directly, and the material of the first substrate mixes with the material of the second substrate to form an inseparable one-piece composite.
  • the housing produced in this way thus has a one-piece, that is to say monolithic bond between the substrates in the joining zone
  • the respective edge and the respective upper side of the respective housing of the cavities to be sealed are formed by the at least one transparent substrate.
  • the at least one transparent substrate is two transparent substrates lying next to one another, so that the first transparent substrate forms the edge and the second transparent substrate forms the top of the respective cavities.
  • the transparent substrate has a depression or trough.
  • the depression or trough can be made in the transparent substrate, for example, by means of an abrasive process or another subtractive process such as an etching process.
  • the second substrate forms the respective undersides of the respective housing.
  • all three substrate layers are transparent, so that both the underside, the edge and the upper side, and thus the housing, are made entirely of transparent material.
  • the step of hermetically sealing the cavities can be carried out by joining the at least two substrates along the respective connection surface of each housing by means of a laser joining process.
  • energy can be deposited by means of a laser in the area of the connection surface or the desired penetration depth, specifically so locally that it can be referred to as a cold joining process.
  • the thermal energy provided for joining is therefore concentrated on the course of the
  • the connecting surface is directed and diffuses only slowly into the rest of the material of the housing, so that in particular no significant temperature rise occurs in the cavity. This protects the electronics arranged in the cavity from overheating.
  • the respective housing is separated by means of a cutting or severing step. This means that the substrates are cut or separated in such a way that each housing is separated from the remaining material.
  • the housings are finally chemically hardened on their surface by a bath in a chemical solution.
  • the inventors have found that the chemical hardening of the surface by bathing in a chemical solution is able to significantly increase the resistance to breakage of the respective housing and, as a result, in particular, edge breaking is reduced. This is surprising for several reasons.
  • the cavity closed by laser joining can easily withstand internal pressures of 2 atm and more, as can occur, for example, when the housing is heated in the hardening bath.
  • the housing preferably comprises a first and a second transparent substrate, the first transparent substrate forming the respective edge and the second transparent substrate forming the respective top side of the cavities.
  • the first transparent substrate forms the cover substrate and the second transparent substrate forms the
  • the respective cavity is hermetically sealed by joining with the laser joining process along the two interfaces on the one hand between the cover substrate and the intermediate substrate and on the other hand between the intermediate substrate and the base substrate.
  • the first and the second transparent substrate as well as the base substrate are permanently welded to one another and the cavities are hermetically sealed at the same time.
  • the at least two, preferably three substrates are preferably provided in the form of a wafer stack with at least two, preferably three, wafers.
  • a plurality of hermetically sealed housings can then be produced jointly from the wafers or the wafer stack in the same work process. This procedure has proven to be particularly economical, since there is particularly little scrap and thus material loss.
  • the at least two wafers preferably consist of glass or at least one wafer consists of glass and the second wafer consists of a material different from the glass.
  • the wafer that forms the underside of the cavities can be made from an optically non-transparent material that may have other properties, such as, in particular, electrical conductivity.
  • the edge and the top of the housings are made of transparent material. It is further preferred to provide all substrates made of transparent material. In the case of a transparent housing made of glass or predominantly made of glass, in particular made of borosilicate glass, it is particularly advantageous that this is chemically inert.
  • the edge hardness of the hermetically sealed enclosure can be measured using a four-point bending test method.
  • the edge hardness of the housings strengthened with the method according to the invention, which are therefore particularly resistant, is at least 150 MPa or even more than 150 MPa.
  • the separation of the respective housing is carried out by means of a laser, that is to say by means of a laser cutting or laser severing process.
  • a laser that is to say by means of a laser cutting or laser severing process.
  • the housings can be separated more cleanly from one another, with fewer breakages and cleaner separating points.
  • the same laser that is also used for the joining step can preferably be used for the separation.
  • the at least one transparent substrate can also comprise glass ceramic, silicon or sapphire or a combination of the aforementioned materials, that is to say consist for example of glass-silicon, glass / silicon / sapphire combination or silicon / sapphire combination.
  • the substrate or substrates can also have a coating.
  • AR coatings, protective coatings, bioactive films, optical filters, conductive layers, e.g. made of ITO or gold, can be used, for example, as long as it is ensured that there is transparency or at least partial transparency for the laser in the area of radiation for the laser
  • the step of chemical hardening of the housings preferably comprises at least one of the following substeps: providing an acidic or basic solution, in particular comprising or consisting of KNO3; Introducing the enclosures into the acidic or basic solution; Heating the acidic or basic solution to a temperature of at least 650 K, preferably of at least 700 K, more preferably of at least 720 K; Bathing the
  • the acidic or basic solution can also comprise other potassium salts.
  • An exchange of the sodium ions with rubidium, cesium, francium or the like is also possible in principle.
  • a housing with a hermetically sealed accommodation cavity enclosed therein is also provided, which has been produced according to a method described above.
  • a housing produced according to the method described above can advantageously be used as a medical implant or as a sensor, in particular as a barometer.
  • a particularly transparent housing with a hermetically sealed accommodation cavity for receiving an accommodation object.
  • An accommodation object is, for example, an electronic circuit, a sensor or MEMS.
  • the housing according to the invention has a laterally encircling edge made of transparent material and an underside and an upper side, which together completely enclose the accommodation cavity.
  • At least one of the laterally circumferential edge, underside or upper side are here at least partially transparent for a wavelength range.
  • at least one sub-element of the housing is transparent at least in a sub-area of the sub-element for a preferred wavelength range, the wavelength range being known in advance and the material being able to be adjusted accordingly to the wavelength of the laser to be used, if desired is.
  • the housing is joined to the hermetically sealed housing using a laser joining process.
  • the edge, lower side and upper side consist of more than one part, for example two or three parts or even more, and the parts are laser-joined to one another to complete the housing.
  • the housing is at least partially and / or chemically hardened in areas.
  • one surface of the housing i.e. for example the top
  • the top and edge can also be chemically hardened.
  • Both the upper side and the edge as well as the underside are particularly preferably chemically hardened, so that both the respective surface of the upper side or underside is chemically hardened, and the respective edge, that is to say the edge.
  • the laterally circumferential edge can preferably be made from a first substrate, the bottom side being made from a second substrate, and the top side being made from a third substrate.
  • the housing is then again made from a wafer stack.
  • the laterally circumferential edge and / or the underside and / or the upper side can preferably be chemically hardened, or more preferably the entire surface of the housing is chemically.
  • the chemical hardening of the casing is preferably implemented in that sodium ions present in a layer thickness of 30 mhi or less, or 20 mhi or less, or preferably 10 mhi or less are partially or completely exchanged for potassium ions.
  • the housing is preferably subjected to chemical hardening after the separation of further housings, which were produced together with the housing, for example, in a production process, in particular in the production process described above.
  • the housing can comprise a laterally circumferential edge made of transparent material made from a first part, an underside made from a second part and an upper side made from a third part, which together completely enclose the accommodation cavity.
  • the aforementioned at least three parts of the housing are then joined to the hermetically sealed housing using a laser joining process.
  • the casing preferably has an edge hardness of at least 150 MPa or more than 150 MPa, it being possible for the edge hardness to be measured using a four-point bending test method.
  • the transparent housing can, for example, have a size of 3 mm ⁇ 3 mm or less, in particular the accommodation cavity has a diameter of less than or equal to 2 mm.
  • a transparent housing can also have a size of 0.2 mm ⁇ 0.2 mm or smaller.
  • the transparent housing can also be made larger, depending on the area of application, several centimeters in length and more is possible.
  • a practical size limitation which is due to the preferred manufacturing method, but which should not be understood as a size limitation per se, is simply the size of the wafers to be cut. The use of wafers for production is only to be understood as an example. It is entirely possible, for example, to use glass plates to produce the transparent housing, which can also have larger dimensions than typical wafer sizes.
  • Fig. 1 a is a plan view of the opened accommodation cavity
  • 1 b shows a 3D view of a closed housing
  • FIG. 3 shows a plan view of a further embodiment of a housing
  • Fig. 3 shown housing
  • FIGS. 1 1-14 are photographic views of housings implemented according to the invention.
  • Fig. 1 a shows the accommodation to be protected 2 embedded on a
  • Base substrate or lower wafer 3 encased or enclosed on its sides by an intermediate wafer 4 and to be covered by a cover substrate or upper wafer 5.
  • the three wafers 3, 4, 5 thus together form the housing 1 around the in the example of FIG Accommodation object 2, which is arranged in cavity 12.
  • a housing cavity 12 that is closed on all sides is formed, which will have to be hermetically sealed in subsequent steps.
  • FIG. 1 b shows the hermetically closed, chemically hardened housing 1 formed in this way.
  • This housing like the example in FIG. 1, has the base substrate or the lower wafer 3, the intermediate substrate or the intermediate wafer 4 and the cover substrate or the upper one Wafer 5 stacked on top of one another. Between the lower wafer 3 and the intermediate wafer 4 on the one hand and between the intermediate wafer 4 and the upper wafer 5 on the other hand, a contact surface or interface 25 is provided in each case.
  • the intermediate wafer layer 4 is not formed continuously, so that the accommodation cavities 12 are formed at the level of the intermediate wafer layer 4.
  • FIG. 2a a section through a hermetically sealed, chemically hardened housing 1 is shown.
  • a lower wafer 3 forms the underside 22 of the cavity 12
  • an intermediate wafer 4 forms the edge 21 of the cavity 12
  • an upper wafer 5 finally the upper side 23 of the cavity 12.
  • the lower wafer, the intermediate wafer and the upper wafer 3, 4, 5 together as a wafer stack 18, the accommodation cavity 12.
  • the accommodation object 2 is arranged in the cavity 12.
  • FIG. 2b shows a detail section of the joining area, the laser-joined interface zone 7 and the laser joining zone 8 clearly emerging.
  • the laser joining zone 8 is arranged in the area of the optical interface 25. From outside the housing 1, environmental influences can act on the housing, in particular on corners 6 of the laser-joined stack 18. These corners 6 prevent chemical solutions from penetrating into the wafer stack 18 up to the laser joining zone 8 the corners 6 of the laser-joined stack 18 surprisingly no penetration of chemical solutions instead.
  • FIG. 3 shows a plan view of a housing 1 according to the invention, the circumferential laser joining zone 8 surrounding the functional area 13.
  • the functional area 13 can be constructed in different ways. Examples of the design of the functional area 13, as well as other options for an enclosure, can be found in FIGS. 4a to 8b. The various designs of the functional area 13 can be shown graphically in FIGS. 4a to 8b.
  • the functional area can implement various tasks, for example this can be an optical receptor or a technical, electro-mechanical and / or electronic component which is arranged in the functional area 13. Several of these tasks can also be implemented in functional area 13.
  • the housing 8 is covered on the top by the upper substrate 5.
  • the laser joining zone 8 extends into this upper substrate 5.
  • FIG. 4a a first sectional view of a first embodiment of a housing 1 is shown, the upper substrate 5 having a first hardened one on its upper side Layer 27 has.
  • the top of the cover substrate 5 can be immersed in a hardening bath (see e.g. FIG. 9) before it is connected to the base substrate 3 or after the connection to the base substrate 3, so that the finished housing 1 is chemically hardened on one side, i.e. at least has a hardened surface 27 and / or has at least one hardened layer.
  • the finished housing 1 is at least partially or at least partially hardened, such as, in particular, chemically hardened.
  • compressive stress is formed on the cover substrate 5.
  • Fig. 4a also shows the structure of the laser joining line 8 from a series of a plurality of laser pulse hit areas 16, which are set so close to one another that the material of the base substrate 3 and the cover substrate 5 melt together without gaps.
  • the first hardened layer 27 has the height DoL.
  • the joining zone 8 has the height HL. A remains between the hardening zone 27 and the joining zone 8
  • the total thickness of the cover substrate 5 can then be composed of HL + MM + DoL.
  • FIG. 4b shows a sectional view of an embodiment of a housing 1 along the line C-> D, as inserted in FIG. 3.
  • the cover substrate 5 has a first hardened layer 27 on its upper side or outside, which extends over the thickness DoL into the material of the cover substrate 5.
  • the cover substrate 5 and thus the housing 1 is hardened on the upper side or has a hardening zone 27 there, so that the housing 1 is hardened in certain areas, namely on one side.
  • FIG. 4b also shows a section through the functional area 13, 13a, which extends, for example, as a continuous cavity or cavity in the housing 1.
  • the cavity extends from the base substrate 3 into the cover substrate 5 and is, for example, in the form of a recess made from the base substrate 3 and / or
  • the functional area 13a can also include an active layer, for example an electrically conductive layer, and the functional area 13 includes the cavity.
  • the laser joining zone 8 by means of which the functional area 13, 13a is closed all around on the sides, is arranged around the functional area 13, 13a. It is conceivable to leave open areas in the laser joining zone 8 so that the functional area 13, 13a is not closed all around, for example to leave open a communication channel with which, for example, fluid communication with the surroundings can be established. In other words, preplanned positions or positions can be provided not to close with the focused laser beam 9, but to set up the hermetic seal there by other means, such as with an adhesive. Is preferred that
  • Functional area 13, 13a to be closed on all sides and without gaps.
  • the cover substrate 5 has a first hardened layer 27 on its upper side and a second hardened layer 28 on its underside. To achieve this, the cover substrate 5 was first placed in a hardening solution without being in contact with other substrates and chemically hardened on its two opposite surfaces. In this embodiment, the cover substrate 5 is thus joined directly in the area of a hardened layer 28. It is completely surprising that joining in a hardened layer 28 is possible at all.
  • Fig. 5b shows the further embodiment of a housing 1, with one
  • the housing 1 has the first hardened layer 27 and the second hardened layer 28, both hardened layers being introduced or applied in the covering substrate 5.
  • the functional area 13, 13a extends through the hardened layer 28, so that the hardened layer 28 is limited to an annular area around the functional area 13, 13a.
  • the joining zone 8 lies partially in the second hardened layer 28.
  • the hardened layer 28 has a height DoLb.
  • the individual laser pulse hit areas 16 and thus the joining zone 8 can be set such that its height HL exceeds the second hardness zone 28. This can ensure that the joint penetrates into the non-hardened area of the material, i.e. the end of the
  • the joining area is no longer in the prestressed area.
  • the end of the joining zone 28 thus enters the stress-free area of the material, that is to say in particular of the glass.
  • the joining zone 8 has a protrusion over the second hardened layer 28, the protrusion extending into the uncured material of the area MM.
  • FIG. 6a a further example of an enclosure 1 is shown in which the first hardened layer 27, the second hardened layer 28 and the third hardened layer 29 are introduced.
  • the cover substrate 5 and also the base substrate 3 were hardened on both of its long sides, in particular chemically hardened in a hardening solution.
  • the substrates 3, 5 were on the respective long sides, that is eg on the respective top and bottom, individually immersed in a hardening solution for chemical hardening in order to harden the long sides.
  • the two substrates 3, 5 were arranged one above the other, that is to say stacked, so that the top of the base substrate 3 comes to rest on the bottom of the cover substrate 5.
  • the hardening zone which is arranged on the upper side of the base substrate 3 thus comes to lie on the hardening zone which is arranged on the lower side of the cover substrate 5.
  • the substrates 3, 5 are then joined directly in the area of the hardened material, that is to say in particular in the area of the hardened glass.
  • the laser joining process results in relaxation of the material in the area of the respective laser pulse impact zone 16, so that if the laser pulse impact zone exceeds the height HL of the hardness zone 28, a protrusion remains that then of the first Substrate 3 is present throughout the area of the respective pulse hit zone 16 and into the second substrate 5 into relaxed material.
  • the first hardened layer 27 is thus arranged on its upper side, the second hardened layer 28 on the contact surface 25 and the third hardened layer 29 on its lower side.
  • the functional area 13, 13a is also arranged in this embodiment in such a way that it extends from the base substrate 3 into the cover substrate 5, for example as a recess in the respective substrate.
  • a recess 13, 13a can in particular be made by a sandblasting process.
  • the joint line 8 is arranged around the recess 13, 13a, so that the recesses 13, 13a are hermetically sealed on all sides.
  • FIG. 7a shows another embodiment of a housing 1 in the area of the section A-> B, the cover substrate 5 having the first hardened layer 27 on its upper side and the second hardened layer 28 on its narrow side or edge 14.
  • the cover substrate 5 was immersed individually or after being joined to the base substrate 3 in a hardening solution with the top of the cover substrate 5 in a hardening solution for chemical hardening and immersed so far that the height of the second hardened layer 28 is reached.
  • the base substrate 3 has no hardness zones.
  • the lateral hardening zone 28 ends in this example directly in the area of the contact surface 25 between Cover substrate 5 and base substrate 3.
  • the joint along the joint line 8 was made on the inside of the hardening zone 28, that is to say in relaxed material.
  • FIG. 7b shows another embodiment of a housing 1 in which a first long side has a hardened layer 27 and a first narrow side 14 has a hardened layer 28 in certain areas.
  • the hardened layer 28 can extend circumferentially around the housing 1, for example closed around the functional area 13.
  • FIG. 3 a section on the line C-> D drawn there is shown, ie through the
  • the functional area 13 is limited to the dimensions of the cover substrate 5, so it does not extend into the base substrate 3.
  • the base substrate 3 is joined directly to the cover substrate 5, so that no further layer or no further substrate is arranged between the base substrate 3 and the cover substrate 5.
  • the functional area 13 is designed as a cavity.
  • the cavity can be introduced into the covering substrate 5, for example, by means of a sandblasting method, generally using an abrasive method. Chemical etching is also possible in order to introduce the cavity into the substrate.
  • Fig. 8a shows yet another embodiment of a housing 1, a section in the area of the line A-> B shown in Fig. 3 being shown, i.e. a section along or through a joining line 8.
  • the housing 1 is hardened on all outer sides, ie both the two opposite long sides have hardened layers 27 and 29, as well as the circumferential edge 14 of the housing has the hardened layer 28, the circumferential edge 14 surrounding the housing 1 extends.
  • all four narrow sides, which a cuboid has, are combined to form the edge 14.
  • the edge 14 can also be understood or referred to as the edge 21 of the housing, which extends around the cavity.
  • the hardened layers 27, 28, 29 are thus arranged directly on the outer sides of the housing 1. On the inside of the hardened layers 27, 28, 29 there remains an area for the joining line 8, which is possibly introduced at a distance from the hardened layers 27, 28, 29.
  • Fig. 8b shows an embodiment of the housing 1, a section along the line C-> D is shown.
  • the housing 1 is chemically hardened on all sides, so it has to do with others Words have a hardened area 27, 28, 29 on all surfaces.
  • a first hardened layer 27 is arranged on the first long side, which can be the top side of the cover substrate 5
  • a third hardened layer 29 is arranged on a second long side, which can be the underside of the base substrate 3
  • a third hardened layer 29 is arranged on the circumferential edge 21 or the circumferential edge 14, the second hardened layer 28 is arranged.
  • the top 23 of the cavity is arranged on the inside of the first hardened layer 27, the edge 21 of the cavity on the inside of the second hardened layer 28 and the bottom 22 of the cavity on the inside of the third hardened layer 29.
  • the cavity or functional area 13, 13a is thus on all sides enclosed by hardened material 27, 28, 29.
  • a first embodiment of the method for producing a housing 1 is shown.
  • the wafers and the accommodation objects 2 to be accommodated are aligned.
  • the cover substrate or the upper wafer 5 comes to rest on the intermediate wafer 4, and this in turn comes to lie on the base substrate or the lower wafer 3 in such a way that a wafer stack 18 is formed.
  • the accommodation cavities 12 are then enclosed on all sides by wafer material.
  • the cavity 12 is enclosed on all sides with the edge 21, bottom 22 and top 23 of the cavity.
  • Step B of the method shown in FIG. 3 shows the stacked wafer 18 with cavities 12 located therein for receiving accommodation objects 2.
  • This stack of wafers 18 can be fed to the joining process in this closed form.
  • Step C shows the laser joining of the respective accommodation cavities 12, that is to say the closing of the cavities 12 on all sides along the contact surfaces 25.
  • Laser unit 15 is guided from above the wafer stack 18 over the surface of the wafer stack 18 and a focused laser beam 9 is aimed at the zone to be joined.
  • the laser guide lines 8 can for example be designed as a grid of intersecting lines.
  • the parallel drawing of two or more laser joining lines 8 can also be used if this proves to be advantageous for later separation, for example depending on the material.
  • Step C of the manufacturing process has been completed, all of the cavities 12 are hermetically sealed.
  • Step D shows the step of separating or cutting the wafer stack 18 in order to separate the housings 1.
  • the wafer stack is cut or separated along separating or cutting lines 10.
  • the housings 1 are chemically hardened in a bath 11 with an acidic or basic hardening solution.
  • the bath 1 1 preferably has a
  • Step F finally shows the hermetically sealed, chemically hardened housing 1 with the accommodation cavity 12 arranged therein.
  • step A of the method the wafer stack 18 is formed by the individual wafer layers 3, 4, 5 being arranged and aligned one above the other.
  • accommodation cavities 12 are
  • Accommodation objects 2 arranged.
  • Step B shows the finished wafer stack 18, in which the lower wafer 3, intermediate wafer 4 and upper wafer 5 are each in direct contact with one another.
  • This wafer stack is fed to the bath 11 with acidic or basic hardening solution in step C and hardened in the bath.
  • each cavity 12 being hermetically sealed by joining the three wafer layers 3, 4, 5.
  • the laser adds the wafer layers 3, 4, 5 along the optical interfaces and around each individual cavity 12
  • step E a laser cutting process is used.
  • the laser is guided along the cutting lines 10 in such a way that the wafer can be cut.
  • edges with particular strength are obtained. It is preferred that the edges remain smooth and unbroken.
  • edges with a finely ground roughness can also be obtained, for example, by means of short pulse laser perforation.
  • Step F shows the presence of the hermetically sealed and chemically hardened housings 1.
  • FIG. 1 1 shows a first example of a hardened housing 1 made of Schott D263T eco in a plan view.
  • the round that is to say essentially circular and closed on all sides, cavity 12 in the interior of the housing 1 can be clearly seen.
  • the cavity 12 in this example has a horizontal diameter of about 4 mm.
  • the housing has an edge length of about 5.5 mm.
  • the sample shown was cured in a 100% KNC solution at 450 ° C. for 9 hours.
  • Fig. 12 shows a side view of the hardened edge 14 of a housing 1, made of Schott D263T eco. For reasons of perspective, the cavity 12 is not visible in the view of FIG. 12.
  • FIG. 13 a top view of a housing 1 is shown, in which the course of the edge 14 can also be seen.
  • FIG. 14 finally shows a side view of a section through a
  • Enclosure 1 made of Boro33, with enclosed cavity 12.
  • the sample shown in FIG. 14 was also cured for 9 hours at 450 ° C. in a 100% KNC solution.
  • 14 also clearly shows the contact areas 25 occurring between the substrate layers, which are arranged between the lower substrate 3 and the intermediate layer 4 on the one hand and the intermediate layer 4 and the upper substrate 5 on the other hand.
  • the upper and lower squares are PMMA disks that were glued to the glass chip to prepare the cross-section. Only the area framed in FIG. 14 shows the glass housing 1. Adjacent is plastic as the remainder of the sample preparation.

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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

Hermetisch verschlossene gehärtete Glasumhäusung und Verfahren zu deren Herstellung
Beschreibung
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-Elektro- Mechanische-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 zumindest 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 1 100 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 100mhi, Breite 10-20-mhi) 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.
Mit anderen Worten werden zum Bereitstellen einer Umhäusung in einem ersten Schritt ein erstes (Basissubstrat) und zumindest ein zweites Substrat (Abdecksubstrat) bereitgestellt, wobei das zumindest eine zweite Substrat aus transparentem Material besteht, also zumindest bereichsweise oder teilweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ist. Die zumindest zwei Substrate sind dabei direkt aneinander oder aufeinander angeordnet, von dem zumindest einen zweiten Substrat wird die zu dichtende Kavität abgedeckt, von dem ersten Substrat die jeweilige Unterseite der jeweiligen Umhäusung gebildet. Zwischen den zumindest zwei Substraten wird zumindest eine Kontaktfläche gebildet, so dass jede Umhäusung zumindest eine Kontaktfläche aufweist. Die Kavitäten werden sodann hermetisch dicht verschlossen durch Fügen der zumindest zwei Substrate entlang der Kontaktfläche(n) jeder Umhäusung, insbesondere an der Kontaktfläche entlang einer Linie am Rand jeder Umhäusung. Die Umhäusungen können vorteilhaft gemeinsam beispielsweise aus einem gemeinsamen
Ausgangssubstrat gefertigt werden, beispielsweise in Form von Wafern eines Waferstapels.
Dann folgt im Verfahren die Vereinzelung der jeweiligen Umhäusung mittels eines Schneid- oder Abtrenn-Schritts.
Die Substratschichten werden unmittelbar und in direktem Kontakt zueinander gestapelt, also aneinander angeordnet. Zwischen den Substratschichten sind Fremdmaterialien möglichst ausgeschlossen, so dass ein möglichst schlüssiger und flächiger Kontakt von einer Substratschicht zur benachbarten Substratschicht entsteht. Im Falle von zwei Substraten wird also beispielsweise das Basissubstrat im direkten Kontakt mit dem Abdecksubstrat zueinander angeordnet, insbesondere ohne dass andere Materialien oder ein Abstand zwischen
Basissubstrat und Abdecksubstrat vorhanden wäre. Beispielsweise kann es tolerabel sein, wenn zwischen den Substratschichten ein Abstand, der sich auch durch Unebenheiten der Substrate ergeben kann, von kleiner 5 mhi, bevorzugt kleiner 2 mhi, weiter bevorzugt kleiner 1 mhi ergibt.
Im Beispiel von mehr als zwei Substraten wird das Basissubstrat unmittelbar benachbart zu dem oder der ersten der Zwischensubstratschichten angeordnet, das
Abdecksubstrat wiederum unmittelbar benachbart zu dem oder der letzten der
Zwischensubstratschichten angeordnet.
Dann werden die Substrate miteinander mit dem neuen Laserfügeverfahren gefügt. Dabei wird eine flächige Substratschicht mit der unmittelbar benachbart angeordneten flächigen Substratschicht direkt miteinander gefügt, ohne dass hierfür Fremdmaterialien oder nichtflächige Materialien bzw. Zwischenmaterialschichten vorgesehen oder benötigt sind. Die Substrate werden also jeweils direkt miteinander gefügt. Die in den flächigen Kontaktbereich zwischen zwei Substratschichten eingebrachte erzeugte Laserbondlinie verbindet nicht-lösbar die direkt aneinander angeordneten Substratschichten miteinander. Der Aufschmelzbereich der
Laserbondlinie befindet sich also in beiden Substraten, und geht nahtlos von dem ersten Substrat in das unmittelbar benachbart angeordnete zweite Substrat über, also beispielsweise von dem Basissubstrat in das Abdecksubstrat.
Es bildet sich somit von einer Substratschicht zur nächsten Substratschicht ein unmittelbarer, flächiger oder sogar vollflächiger Übergang heraus, wie beispielsweise ein Substrat-Substrat-Übergang oder ein Glas-Glas-Übergang. Es bildet sich ein lokal begrenztes Volumen als Fügezone bzw. Laserbondlinie, in welchem ein Materialtransfer bzw. -Vermischung zwischen den benachbarten Substratschichten, welche insbesondere flächig ausgebildet sind, vorliegt. Mit anderen Worten dringt Material des ersten Substrats, beispielsweise des
Abdecksubstrats, in das benachbart angeordnete Substrat, beispielsweise das Zwischensubstrat oder das Basissubstrat, ein und umgekehrt, es dringt also Material von dem benachbart angeordneten Substrat in das erste Substrat ein, so dass in der Fügezone eine vollständige Materialdurchmischung der benachbart angeordneten Substrate untereinander vorliegt. Die Fügezone kann daher auch als Konvektionszone bezeichnet werden.
Die neue Laserfügetechnik zur Erzeugung des nicht-lösbaren S u bstrat-S u bstrat- Übergangs ist dabei in besonders vorteilhafter Weise frei von Zwischenschichten, Glasfritten, Folien oder Kleber, die in früheren bekannten Verfahren zwischen die Substrate eingebracht werden mussten. Vielmehr lässt sich die nicht-lösbare Verbindung ohne entsprechende störende Zwischenschichten bzw. Zusatzmaterialien erzeugen. Dies spart den Einsatz von zusätzlichen Materialien, steigert die erzielbare Härte des Endprodukts und ermöglicht eine sichere hermetische Versiegelung des Funktionsbereichs bzw. der Kavität/en. Die Laserfügezone lässt sich im fertigen Endprodukt dabei beispielsweise durch die spezifische lokale
Brechungsindexänderung des Materials in dem kleinen Verschmelzungsbereich nachweisen.
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 kann im Übrigen gelten: DA - HL - DoL > MM. Also die Gesamtdicke DA abzüglich der Höhe der Laserbondlinie, die mit HL in das Abdecksubstrat hineinreicht, und weiter abzüglich der Härtungsschichtdicke DoL verbleibt von dem Abdecksubstrat mindestens die Mindestmaterialstärke MM. Der Abstand MM stellt sicher, dass es zu keiner thermischen Annihilierung des gehärteten Bereichs kommt.
Die Härtungsschichtdicke DoL ist diejenige Tiefe, bei der die Spannungskurve den Spannungsnulldurchgang hat. Die Weidlinien können überraschenderweise sogar in der DoL des Abdeckglases sein, ohne die Festigkeit zu beeinflussen. Dies liegt an der geringen erzielbaren lateralen Ausdehnung der Laserfügelinie im Bereich von kleiner 50 mhi, beispielsweise 10 bis 50 mhi oder 10 bis 20 mhi. Die Weidlinie kannin die gehärtete Oberfläche hineinragen, da sie dort vorzugsweise nur einen nicht signifikanten Bereich„enthärtet“. Mit anderen Worten kann die Laserfügelinie Teil der gehärteten Oberfläche sein, wenn diese so hergerichtet bzw. eingestellt ist, dass sie nur eine geringe laterale Ausdehnung aufweist.
Sicherheitshalber kann oberhalb der Laserbondlinie aber eine Mindestmaterialstärke MM vorgesehen sein, die die Laserbondlinie von der gehärteten Oberfläche trennt. Die
Mindestmaterialstärke ist bevorzugt größer oder gleich 100 mhi, weiter bevorzugt größer oder gleich 50 mhi, noch weiter bevorzugt größer oder gleich 20 mhi. Andererseits hat sich herausgestellt, dass es ausreicht, wenn die Mindestmaterialstärke MM oberhalb der
Laserbondlinie kleiner ist als 200 mhi, bevorzugt kleiner ist als 100 mhi, weiter bevorzugt kleiner ist als 50 mhi.
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 seitliche Mindestabstand DB zwischen der
Laserbondlinie und der Härtungsschichtdicke DoLa beispielsweise 5 bis 10 mhi betragen. Da dieser Übergang nicht enthärtet werden soll, ist es vorteilhaft, wenn seitlich zur jeweiligen gehärten Kante mindestens die Hälfte der modularen Breite eingehalten wird. Da die
Laserbondlinie höher sein können, beispielsweise eine HL von 100 mhi oder kleiner aufweisen, ist das Verhältnis Weidfläche zu Kantenfläche ungünstiger. Daher ist es besser, hier die Laserbondlinie 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 5 mhi dick ist, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 2 mhi, weiter bevorzugt kleiner oder gleich 1 mhi. Ein solcher Spalt entsteht beispielsweise durch Toleranzen bei der Substratherstellung, durch thermische Beeinflussung oder durch Einschlüsse von Partikeln wie Staub. Auch bei einer solchen tolerierbaren Beabstandung, die im Rahmen dieser Erfindung auch als unmittelbar benachbart angesehen werden soll, ist es möglich, mit dem Laser derart zu fügen, dass die Fügezone zwischen 10 bis 50 mhi Dicke aufweist und somit eine hermetische Versiegelung sichergestellt ist. Auch in diesem Fall reicht die Fügezone vom ersten Substrat bis in das benachbart zum ersten Substrat angeordnete zweite Substrat. Die Fügezone wird also im Kontaktbereich zwischen ersten und zweiten Substrat eingebracht und verschmelzt die Substrate direkt miteinander zu einem untrennbaren Verbund. Mit anderen Worten wird mit dem Fügen der benachbart angeordneten Substrate in der Fügezone direkt Material beider Substrate angeschmolzen, welches in der Fügezone liegt, und es vermischt sich das Material des ersten Susbtrats mit dem Material des zweiten Substrats zu einem untrennbaren einstückigen Verbund. Die solchermaßen hergestellte Umhäusung weist somit jedenfalls in der Fügezone einen einstückigen, das heißt monolithischen Verbund zwischen den Substraten auf
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 io
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 mhi oder weniger, oder von 20 mhi oder weniger, oder bevorzugt von 10 mhi 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. Kurzbeschreibunq der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 a eine Draufsicht auf die geöffnete Beherbergungskavität,
Fig. 1 b eine 3D-Ansicht einer geschlossenen Umhäusung,
Fig. 2a einen Schnitt durch die Umhäusung,
Fig. 2b eine Detailansicht auf die Fügezone,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Umhäusung,
Fig. 4a - 8b Schnitte entlang der Linien A->B bzw. C->D von Ausführungsformen einer wie in
Fig. 3 gezeigten Umhäusung,
Fig. 9 den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung einer Umhäusung,
Fig. 10 den Ablauf eines weiteren Verfahrens zur Herstellung der Umhäusung, Fig. 1 1 - 14 photographische Ansichten auf realisierte Umhäusungen gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 1 a eine allseits geschlossene Beherbungskavität 12 gebildet, welche in nachfolgenden Schritten hermetisch zu verschließen sein wird.
Fig. 1 b zeigt die solchermaßen gebildete hermetisch geschlossene, chemisch gehärtete Umhäusung 1. Diese Umhäusung 1 weist wie das Beispiel der Fig. 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 Fig. 1 a zu entnehmen ist, ist die Zwischenwaferschicht 4 nicht durchgängig ausgebildet, so dass in Höhe der Zwischenwaferschicht 4 die Beherbungskavitäten 12 gebildet werden.
Bezugnehmend auf Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 4a bis 8b. Die verschiedenen Gestaltungen des Funktionsbereichs 13 lassen sich dabei graphisch in der Fig.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 Figs. 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 Fig. 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. Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 4b zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Umhäusung 1 entlang der Linie C->D, wie sie in Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 5b zeigt die weitere Ausführungsform einer Umhäusung 1 , wobei eine
Schnittansicht entlang der in Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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.
Fig. 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 Flärtezone 28 eingebracht, also in entspanntem Material.
Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 8a zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Umhäusung 1 , wobei ein Schnitt im Bereich der in Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 1 1 mit saurer oder basischer Härtelösung chemisch gehärtet. Vorzugsweise weist das Bad 1 1 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 Fig. 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 1 1 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.
Fig. 1 1 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% KNC -Lösung gehärtet.
Fig. 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 Fig. 12 die Kavität 12 nicht sichtbar. Bezugnehmend auf Fig. 13 ist noch eine Draufsicht auf eine Umhäusung 1 gezeigt, bei welcher auch der Verlauf der Kante 14 erkennbar ist.
Fig. 14 zeigt schließlich eine Seitenansicht auf einen Schnitt durch eine
erfindungsgemäße Umhäusung 1 , hergestellt aus Boro33, mit eingeschlossener Kavität 12. Auch die in Fig. 14 gezeigte Probe wurde 9 Stunden bei 450 °C in einer 100% KNC -Lösung gehärtet. Mit Fig. 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 Fig. 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. Bezuqszeichenliste:
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

Claims

Patentansprüche:
1. 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.
2. 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.
3. 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 gilt: DA - HL - DoL > MM.
4. 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.
5. 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).
6. 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.
7. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Abdecksubstrat (5) den oder einen weiteren Funktionsbereich (12, 13,
13a) aufweist.
8. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei das Basissubstrat an seiner der Laserbondlinie gegenüberliegenden
Unterseite eine gehärtete Schicht DoLd aufweist.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Härtung der Umhäusung dadurch realisiert ist, dass in einer Schichtdicke von 30 mhi oder weniger, oder von 20 mhi oder weniger, oder bevorzugt von 10 mhi oder weniger vorhandene Natrium-Ionen teilweise oder vollständig durch Kalium-Ionen ausgetauscht sind.
15. 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.
16. 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 (1 1 ).
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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 (1 1 ), 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.
22. Hermetisch dichte Umhäusung (1 ) mit darin eingeschlossenem hermetisch
verschlossenen Funktionsbereich, insbesondere umfassend eine Beherbergungs-Kavität (12), hergestellt nach einem der vorstehenden Verfahren.
23. 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.
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