EP4003904A1 - Hermetisch verschlossene transparente kavität und deren umhäusung - Google Patents

Hermetisch verschlossene transparente kavität und deren umhäusung

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Publication number
EP4003904A1
EP4003904A1 EP20751479.5A EP20751479A EP4003904A1 EP 4003904 A1 EP4003904 A1 EP 4003904A1 EP 20751479 A EP20751479 A EP 20751479A EP 4003904 A1 EP4003904 A1 EP 4003904A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
housing
hermetically sealed
laser
joining
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
EP20751479.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Ulrich Thomas
Thomas Zetterer
Yutaka ONEZAWA
Antti Määttänen
Kurt Nattermann
Robert Hettler
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 EP4003904A1 publication Critical patent/EP4003904A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • B81B7/0058—Packages or encapsulation for protecting against damages due to external chemical or mechanical influences, e.g. shocks or vibrations
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K5/00—Casings, cabinets or drawers for electric apparatus
    • H05K5/06—Hermetically-sealed casings
    • H05K5/066—Hermetically-sealed casings sealed by fusion of the joining parts without bringing material; sealed by brazing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/206—Laser sealing
    • 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
    • B81B7/0067—Packages or encapsulation for controlling the passage of optical signals through the package
    • 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
    • B81C1/00333—Aspects relating to packaging of MEMS devices, not covered by groups B81C1/00269 - B81C1/00325
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/20—Uniting glass pieces by fusing without substantial reshaping
    • C03B23/24—Making hollow glass sheets or bricks
    • C03B23/245—Hollow glass sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C27/00—Joining pieces of glass to pieces of other inorganic material; Joining glass to glass other than by fusing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C27/00—Joining pieces of glass to pieces of other inorganic material; Joining glass to glass other than by fusing
    • C03C27/06—Joining glass to glass by processes other than fusing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/04—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with articles made from glass
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for providing a plurality of hermetically sealed housings and a transparent housing.
  • 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. Bio-processors are known which are made from titanium and used.
  • Sensors can be protected with an enclosure according to the invention for particularly adverse environmental conditions.
  • This area also includes 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.
  • An enclosure according to the invention can also be used for the production of flow cells, for example in the context of electromobility. But also in aerospace, in high temperature applications and in the field of micro-optics are according to the invention
  • Housings can be used.
  • the electronics must therefore be protected from adverse environmental influences.
  • the housing is at least partially, i.e. at least partially and / or at least for a wavelength range, is transparent. This transparency allows communication, data or energy transfer, measurements from and with the electronics or sensors arranged in the cavity. In particular, it can be optical
  • 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, made 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
  • Process can be changed so that only a single housing is produced with the method, it makes sense under economic considerations to produce a plurality of housings in the same process sequence. This saves time, effort and
  • a hermetically sealed housing according to the invention comprises at least one cover substrate and a substrate which is arranged adjacent to the cover substrate and which together form at least part of the housing.
  • the at least two substrates are preferably arranged, i.e. stacked, one above the other.
  • a functional area is enclosed by the housing.
  • At least the cover substrate preferably has a glass-like material.
  • the cover substrate is thermally pre-stressed and hermetically sealed to the substrate arranged adjacent to the cover substrate with at least one laser bond line.
  • the cover substrate is made of a material which has a different coefficient of thermal expansion (CTE) than the adjacent one
  • the housing is preferably set up in such a way that the thermal prestress exerts a compressive stress on the cover substrate.
  • the at least one laser bond line can also enclose the functional area at a distance DF circumferentially so that the
  • the adjacently arranged substrate is preferably a base substrate.
  • the base substrate can be joined to the cover substrate in a hermetically sealed manner with a common laser bond line.
  • the adjacently arranged substrate can be an intermediate substrate, which is between the cover substrate and the
  • Base substrate is arranged, wherein then the base substrate is joined to the intermediate substrate in a first connection plane and the cover substrate is joined to the intermediate substrate in a second connection plane.
  • the at least one middle part can have a higher characteristic value of the coefficient of thermal expansion (CTE) both in comparison with the cover substrate and in comparison with the base substrate.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the thermal prestressing is preferably achieved by using materials having a different coefficient of thermal expansion and by a suitable temperature.
  • the method claimed according to the invention differs from the prior art, such as US2017210662, by moderate temperatures and a functional element.
  • the US document also describes the combination of different thermal expansion coefficients with suitable ones
  • the functional area preferably comprises a hermetically sealed one
  • Accommodation cavity for accommodating an accommodation object, such as an electronic circuit, a sensor or MEMS.
  • the covering substrate preferably forms an upper side of the accommodation cavity, the intermediate substrate forming a laterally circumferential edge of the accommodation cavity and the base substrate forming an underside of the accommodation cavity, which together completely enclose the accommodation cavity. Furthermore, at least one of the laterally encircling edge, lower side or upper side can be at least partially transparent for a wavelength range.
  • each housing forms a cavity which is enclosed by a laterally circumferential edge, an underside and an upper side of the housing.
  • the 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 underside or the upper side is a geometric construct which, with regard to the final position of the housing, can also be any other side.
  • the top side can be described as a first side, the bottom side as a second side opposite the first side, and the edge as the intermediate area between the first and second side, the edge typically being essentially perpendicular to the first and / or second side .
  • the top side, bottom side and circumferential edge are used below — as explained.
  • the top of the cavity can then be formed by a top layer such as a substrate, wafer or plate.
  • the circumferential edge of the cavity can also be formed by a second or middle substrate, disc or plate, the second substrate having a hole and this hole representing the subsequent cavity.
  • the underside of the cavity can finally be formed by a sublayer, substrate, disc or plate by arranging the sublayer below the intermediate layer.
  • the cavities are designed in particular as accommodation cavities; this means that electronic circuits, sensors or MEMS, for example, can be used in the respective cavities.
  • 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.
  • a first and at least one second substrate are provided in a first step, the at least one second substrate being made of transparent material and being a transparent substrate, and the at least one second substrate being a characteristic value of the coefficient of thermal expansion (CTE) which differs from the characteristic value of the coefficient of thermal expansion of the first substrate.
  • the at least two substrates are arranged directly next to or on top of one another, the respective edge of the respective housing of the cavities to be sealed is formed 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. Finally, the respective housing is separated by means of a cutting or severing step.
  • a first, at least one middle and a third substrate are first provided, the at least one middle substrate preferably consisting of transparent material and being a transparent substrate, and the at least one middle substrate having a different characteristic of the coefficient of thermal expansion (CTE) as the first and / or as the third substrate.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the at least three substrates are arranged directly next to one another or one on top of the other.
  • 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.
  • by increasing the pressure, 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 the amount of gas enclosed between the two-dimensional substrate layers, i.e. in particular on the contact surface, can be further reduced.
  • Prior evacuation is beneficial. Filling with a type of gas or a liquid can also be advantageous, depending on the process parameters and the materials to be used.
  • the substrate layers are therefore stacked directly and in direct contact with one another, that is to say arranged one on the other. Foreign materials between the substrate layers are preferably excluded as far as possible, so that the most cohesive and flat contact possible is produced from one substrate layer to the adjacent substrate layer.
  • the base substrate is in direct contact with the
  • Cover substrate arranged to one another, in particular without other materials or a spacing between base substrate and cover substrate being present.
  • the base substrate is arranged directly adjacent to the first or the first of the intermediate substrate layers
  • the cover substrate is in turn arranged directly adjacent to the last or the last of the intermediate substrate layers.
  • a planar substrate layer is joined directly to the planar substrate layer arranged immediately adjacent to one another without the use of foreign or non-planar materials for this purpose Materials or intermediate layers are provided or required.
  • the substrates are therefore each joined directly to one another.
  • the laser bond line produced by the substrate layers non-releasably connects the directly adjacent substrate layers.
  • the fused area of the laser bond line is therefore located in both substrates and merges seamlessly from the first substrate into the immediately adjacent second substrate, for example from the base substrate into the cover substrate if the cover substrate is arranged adjacent to the base 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 delimited volume is formed as a joining zone or laser bond line, in which there is a material transfer or mixing between the adjacent substrate layers, which are in particular flat. In other words, penetrates material of the first substrate, for example the
  • Cover substrate into the adjacent substrate, for example the intermediate substrate or the base substrate, and vice versa, so material from the adjacent substrate penetrates into the first substrate, so that in the joining zone there is a complete material intermixing of the adjacent substrates with one another.
  • 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.
  • a possibly occurring gap between the substrates is less than or equal to 5 mhi thick, 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.
  • Even with such a tolerable spacing, which in the context of this invention is also to be regarded as immediately adjacent it is possible to join with the laser in such a way that the joining zone has a thickness between 10 to 50 mhi and thus a hermetic seal is ensured. In this case too, the joining zone extends from the first substrate to 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 of the respective housing of the cavities to be sealed is formed by the at least one central substrate.
  • the respective lower side and the respective upper side of the respective housing are formed from the two remaining substrates.
  • a contact or interface surface is formed between the at least two, preferably three, substrates so that each housing has at least one, preferably two, contact surfaces.
  • a contact area can extend over the entire surface of the respective substrate. At least two contact surfaces are assigned to each housing. This means that even if the transparent substrate is viewed as a whole, a common
  • this contact area which extends over the entire surface of the substrate and which comes to lie on the second substrate, this contact area is conceptually divided or subdivided into each housing, so that each housing is assigned a part of this interface.
  • An interface does not have to be optically transparent. It is also advantageous if the transparent substrate is opaque in the visible wavelength range. Only the substrate through which the laser passes to get to the contact surface has at least one spectral window, so that at least the wavelength of the laser used can pass through the substrate at least partially or at least in areas.
  • the contact surface is designed so that the laser can perform an energy deposition on it. For example, the surfaces of the two substrates lying against one another can be sprinkled on and furthermore have a roughness in the nm range, for example.
  • a contact surface in the sense of this application is to be understood as a surface on which the incident laser beam can deposit energy, and so on Joining process can be carried out along the contact surface.
  • a simple case of such an interface is the contact area between two adjacent substrates.
  • all three substrate layers are transparent, so that both the underside, the edge and the upper side, and thus the housing, consist entirely of transparent material.
  • the substrates are glued to one another or joined to form a common
  • the step of hermetically sealing the cavities can be carried out by joining the at least three substrates along the two contact surfaces of each housing by means of a laser joining process.
  • energy can be deposited in the area of the contact surface by means of a laser, specifically so locally that it is referred to as a cold joining process.
  • the thermal energy provided for joining is thus concentrated on the course of the interface and diffuses only comparatively 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.
  • each housing is therefore assigned two circumferential contact surfaces.
  • the respective cavity is preferably hermetically sealed by joining along the two contact surfaces with the laser joining process.
  • the middle and the third, each transparent substrate, as well as the first substrate are firmly welded to one another and the cavities are hermetically sealed.
  • 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 at least one middle substrate can comprise more than one transparent substrate which together form the respective edge of the cavities.
  • the at least one middle substrate can comprise more than one transparent substrate which together form the respective edge of the cavities.
  • three middle Be arranged substrate layers wherein the three middle substrate layers together form the edge of the cavities.
  • the at least three substrates are preferably provided in the form of a wafer stack with at least 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 three wafers preferably consist of glass, glass ceramic, silicon, sapphire or a combination of the aforementioned materials.
  • at least one wafer consists of a material that is different from that of the middle wafer.
  • the wafer, which forms the underside of the cavities, can preferably be provided from an optically non-transparent material which may have other properties, such as in particular electrical conductivity.
  • the edge and the top of the housings, on the other hand, are preferably made of transparent material. It is further preferred to consist of all substrates
  • transparent material In the case of a transparent housing made of glass or predominantly of glass, in particular of borosilicate glass, it is particularly advantageous that this is chemically inert.
  • 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 at least partial transparency for the laser wavelength used in the irradiation area for the laser.
  • 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 is preferably made of glass, glass ceramic, silicon or sapphire or a combination of the aforementioned materials, for example ok
  • the further substrate or substrates can also comprise or consist of Al 2 O 3, sapphire, Si 3 N 4 or AlN.
  • Coatings can also be used, e.g. piezoresistive Si layers, especially for pressure sensors, or thicker layers for micromechanical applications such as pulse measurement via a MEMS.
  • the first and / or third substrate preferably has a thickness of less than 500 mhi, preferably less than 300 mhi, more preferably less than 120 mhi, and even more preferably a thickness of less than 80 mhi.
  • 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 can be chemically hardened at least partially and / or 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 lower side are particularly preferably chemically hardened, so that both the respective surface of the upper side or lower side is chemically hardened and the respective edge, that is to say the edge.
  • the housings are preferably heated to a temperature that is higher than the later use temperature of the
  • Enclosures For example, before the laser joining process is carried out, the housings are heated to a temperature higher than the ambient temperature.
  • the heating takes place before the laser joining to a temperature which is 5 K higher, 10 K higher, preferably 20 K or more preferably 70 K higher than the later temperature Operating temperature.
  • the enclosures are then allowed to cool down
  • the structure can also be implemented with the inverse ratio of the coefficient of thermal expansion. If the at least one middle substrate has a lower characteristic value of the thermal expansion coefficient than the upper side and / or the lower side and at the same time the laser joining process is carried out at a lower joining temperature, i.e. the joining temperature below the later one
  • a housing with a hermetically sealed accommodation cavity enclosed therein is also provided, which is 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 transparent housing with a hermetically sealed accommodation cavity for accommodating an accommodation object.
  • An accommodation object is, for example, an electronic circuit, a sensor or MEMS.
  • the transparent housing according to the invention comprises a laterally encircling edge made of transparent material made from a first part and an underside made from a second part and an upper side made from a third part, which together completely enclose the accommodation cavity.
  • the at least one central part of the housing consists of a material which has a different coefficient of thermal expansion (CTE) than the first and / or the third substrate.
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the three parts are also thermally prestressed.
  • the three parts can also be chemically toughened.
  • the at least three parts of the housing are joined to the hermetically sealed housing using a laser joining process.
  • the transparent casing preferably has an edge hardness of at least 150 MPa or more than 150 MPa, it being possible to measure the edge hardness using a four-point bending test method.
  • the substrates Before the step of joining the at least two, preferably three, substrates, the substrates can be connected to one another at least temporarily along the contact surfaces of each housing by means of wringing.
  • 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.
  • a marker can preferably be incorporated in the first, second and / or third part.
  • the thermal prestressing can preferably be achieved through the targeted use of
  • Materials having a different coefficient of thermal expansion can be achieved. This is further promoted or achieved by a suitable temperature.
  • the arrangement according to the invention comprises a first substrate made of at least partially transparent material, a second substrate which is arranged directly adjacent to the first substrate, the first substrate being joined to the second substrate by means of a laser joining method at a joining temperature, with the first Substrate at a temperature below the joining temperature Compressive stress is built up towards the second substrate, or wherein a compressive stress is built up towards the second substrate in the first substrate at a temperature above the joining temperature.
  • the second substrate can consist of a material which has a different coefficient of thermal expansion (CTE).
  • the second substrate has a higher coefficient of thermal expansion.
  • the first substrate can be a glass or glass ceramic substrate.
  • tensile stress can be built up in the second substrate of the arrangement.
  • Fig. 1 a plan view of the opened accommodation cavity
  • FIG. 1 b 3D view of a closed housing
  • Fig. 2c embodiment of the housing with three middle layers
  • FIG. 3 shows a plan view of a further embodiment of a housing
  • Fig. 3 shown housing
  • Fig. 8 representation of the housing with applied bias.
  • 1 a shows the accommodation object 2 to be protected embedded on a lower substrate 3, encased by an intermediate substrate 4 and to be covered by an upper substrate 5.
  • the three substrates 3, 4, 5 thus together form the housing 1 around the
  • Accommodation object 2 which is arranged in cavity 12.
  • the intermediate substrate 4 is made of a different material than the lower substrate 3 and than the upper substrate 5.
  • the intermediate substrate 4 has a higher coefficient of thermal expansion CTE than the other layers shown.
  • the layers 3, 4, 5 shown can be wafer slices, so that the housing is formed in that three wafer slices are layered on top of one another as a wafer stack and these are joined or welded.
  • a substrate 3, 4, 5 is preferably a flat glass component as part of an isolated chip.
  • a wafer is preferably a large-area glass component that can be separated into chips, which then comprise several substrates. With a later separation as shown in FIG. 7, a plurality of components consisting of different substrates can then be manufactured cost-effectively.
  • Fig. 1 b shows the hermetically sealed and hardened housing 1 formed in this way.
  • This housing 1 has the lower substrate 3, the intermediate substrate 4 and the upper substrate 5 stacked on top of one another, with between the lower substrate 3 and the intermediate substrate 4 on the one hand and between the Intermediate substrate 4 and the upper substrate 5, on the other hand, each have an interface 25.
  • the intermediate substrate layer 4 is not designed to be flat and continuous, so that in fleas the
  • the accommodation cavities 12 are formed.
  • FIG. 2a a section through a hermetically sealed hardened housing 1 is shown.
  • the lower substrate 3 forms the lower side 22 of the cavity 12, the intermediate substrate 4, which in this example is one with reference to the substrate 3 and 4
  • Accommodation object 2 arranged.
  • the substrates 3, 4, 5 can again be wafer slices, so that the housing is formed by three wafers together as a wafer stack 18 surrounding the accommodation cavity 12 and forming the housing 1.
  • 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 contact surface 25. External influences can affect the Enclosures 1 act, in particular on corners 6 of the laser-joined stack 18. These corners 6 prevent the penetration of, for example, chemical solutions into the substrate stack 18 up to the laser joining zone 8.
  • Fig. 2c shows a detail of a further embodiment of the
  • the three middle layers 4a, 4b, 4c all have a different characteristic value of the coefficient of thermal expansion CTE than the lower layer 3 and also than the upper layer 5.
  • This embodiment enables a graduated stress profile to be implemented over the layers 4a, 4b, 4c, or non-laser-joined components are provided with layers of glass under pressure.
  • 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 realize 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. 4 a a first sectional view of a first embodiment of a housing 1 is shown, which has the base substrate 3 and the cover substrate 5.
  • the housing is constructed or composed of two layers, namely the base layer 3 and the cover layer 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 so close together that the material of the base substrate 3 and the cover substrate 5 melt together without gaps.
  • 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 on its top or On the outside, a first hardened layer 27, 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 comprise an active layer, for example an electrically conductive layer, and the functional area 13 comprises 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, it can be provided that pre-planned locations or positions are not closed with the focused laser beam 9, but that the hermetic seal is set up there by other means such as an adhesive. Is preferred that
  • Functional area 13, 13a to be closed on all sides and without gaps.
  • FIG. 5a another embodiment is shown in which the laser joining zone 8 is created along the contact surface 25 by means of the laser pulse hits 16, at which the cover substrate 5 is welded or joined to the base substrate 3.
  • This embodiment has the further special feature that the surfaces of the first substrate 3 and of the second substrate 5 are hardened all around, that is to say have the hardened layers 27, 28 and 29.
  • Base substrate 3 or after connection to base substrate 3 with its upper side are immersed in a hardening bath so that the finished housing 1 is chemically hardened, i.e. has at least one hardened surface 27 and / or has at least one hardened layer.
  • the finished housing 1 is at least partially or
  • the cover substrate 5 has the height DoL.
  • the joining zone 8 has the height HL.
  • a minimum material thickness MM remains between the hardening zone 27 and the joining zone 8.
  • the entire thickness of the covering substrate 5 can then be composed of HL + MM + DoL.
  • the functional area 13, 13a extends within the hardened layers 27, 28, 29, the hardened layer 28 being arranged on an annular area around the functional area 13, 13a.
  • the hardened layer 28 being arranged on an annular area around the functional area 13, 13a.
  • Cover substrate 5 and also the base substrate 3 hardened on both of its long sides, in particular chemically hardened in a hardening solution.
  • the substrates 3, 5 were immersed in a hardening solution for chemical hardening on the respective long sides, for example on the respective upper side and underside, in order to harden the long sides.
  • the housing 1 is hardened on all outer sides, ie both the two opposite long sides have hardened layers 27 and 29, and the circumferential edge 14 of the housing has the hardened layer 28, the circumferential edge 14 extends around the housing 1.
  • the edge 14 can also be understood or referred to as the edge 21 of the housing, which extends around the cavity 12.
  • a housing 1 as shown in FIG. 5a can be obtained, for example, by dipping the assembled housing, which comprises the cover substrate 5 and the base substrate 3, in a hardening solution and, in particular, is chemically hardened there.
  • the hardened layers 27, 28, 29 are thus arranged directly on the outer sides of the housing 1.
  • Fig. 5b shows an embodiment of the housing 1, a section along the line C-> D is shown.
  • 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 method (cf. FIGS. 7 to 14).
  • the joining line 8 is arranged around the recess 13, 13a so that the recesses 13, 13a are hermetically sealed on all sides.
  • the housing 1, like the embodiment of FIG. 5a, is chemically hardened on all sides, in other words has a hardened area 27, 28 on all surfaces, 29 on.
  • 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 within the first hardened layer 27, the edge 21 of the cavity within the second hardened layer 28 and the bottom 22 of the cavity within the third hardened layer 29.
  • the cavity or the functional area 13, 13a is thus on all sides enclosed by hardened material 27, 28, 29.
  • Fig. 6 shows a further embodiment of a housing 1 along the section line C-> D, in this example the functional area 13 or the cavity 12 in the
  • Cover substrate 5 is arranged. For example, in this example only that
  • Cover substrate 5 can be hollowed out by means of the sandblasting method, whereas the
  • Base substrate 3 does not need to be treated further. Production can thus be simpler, since fewer parts of the housing have to be machined.
  • the cover substrate 5 has the hardening layer 27 on its long side and the hardening layer 28 on its 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, to the extent 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 directly in the area of the contact surface 25 between the covering substrate 5 and the base substrate 3. The joint along the joining line 8 was made within the hardening zone 28, that is, in relaxed material.
  • a first long side of the housing 1 has the hardened layer 27 and a first narrow side 14 has the hardened layer 28 in regions.
  • the hardened layer 28 can extend circumferentially around the housing 1, for example around the functional area 13.
  • a section is shown on the line C-> D drawn there, that is, through the functional area 13.
  • 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 inserted into the cover substrate 5 can be introduced, for example, by means of a sandblasting process, generally with an abrasive process, chemical etching is also possible in order to introduce the cavity into the substrate.
  • a first embodiment of the method is for
  • a step A the wafers 3, 4, 5 and the accommodation objects 2 to be accommodated are aligned.
  • the upper wafer 5 comes to rest on the intermediate wafer 4, and this in turn comes to lie on the lower wafer 3 in such a way that a substrate stack or wafer stack 18 is formed.
  • the middle layer 4 has a different coefficient of thermal expansion (CTE) than the lower layer 3 and also than the upper layer 5. Since here the intermediate substrate 4, which comprises the recesses in which the cavities 12 are formed, is arranged in the middle is, the accommodation cavities 12 are then enclosed on all sides by substrate material. In other words, when aligning the substrates in step A, the all-round enclosure with edge 21, bottom 22 and top 23 of the cavity is formed. If necessary, the substrates can be connected to one another, in particular fixed by wringing, for example to secure them in position.
  • Step B of the method shown in FIG. 7 shows the wafer stack 18 arranged one above the other with cavities 12 located therein for receiving accommodation objects 2.
  • the substrate stack or wafer stack 18 is optionally blasted on.
  • This substrate stack or wafer stack 18 can be fed to the joining process in this closed form, in which the layers are joined to form a firmly connected stack 18, so that one-piece housings 1 are obtained therefrom.
  • Step C shows the laser joining of the respective accommodation cavities 12, that is, the closing of the cavities 12 on all sides along the contact surfaces.
  • a laser unit 15 is guided from above the stack 18 over the surface of the stack 18 and a focused laser beam 9 is pointed at the zones to be joined.
  • the laser guide lines can be designed, for example, as a grid of intersecting lines. That too
  • Step D shows the step of separating or cutting the stack 18 in order to separate the housings 1.
  • the stack 18 is cut or separated along separating or cutting lines 10.
  • the temperature is preferably kept constant or steady in a temperature range which is just below the temperature at which the housings will later be used.
  • Step E finally shows the hermetically sealed and hardened housing 1 with the accommodation cavity 12 arranged therein.
  • the temperature can now be brought back to a normal temperature after completion of the aforementioned processing steps, that is to say in particular the ambient temperature.
  • FIG. 8 a detailed view of the joining area or a side sectional view of a housing 1 is shown, in which the joined melting areas 8 are shown in the area of the contact surface 25. Since the intermediate layer 4 has a higher characteristic value of the thermal expansion coefficient CTE than the lower layer 3 and also than the upper layer 5, a thermal prestress is formed in the illustrated Z-direction, which in turn results in a higher hardness of the finished housing 1.
  • the existing bias of the substrate stack is not resolved by the laser bond. This is due to the fusion of the bond profile of the laser bond line typical for the present invention, which is only very limited due to the ultrashort pulses, and which does not dissolve the pretension in the area.
  • the laser joining zone can be detected in the finished end product, for example, through the specific local change in the refractive index of the material in the small fusion area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine hermetisch verschlossene Umhäusung (1) umfassend zumindest ein Abdecksubstrat (5) und ein zu dem Abdecksubstrat (5) benachbart angeordnetes Substrat, welche zusammen zumindest einen Teil der Umhäusung (1) bilden, zumindest einen von der Umhäusung (1) umschlossenen Funktionsbereich (12, 13, 13a), wobei zumindest das Abdecksubstrat (5) bevorzugt ein glasartiges Material umfasst, wobei das Abdecksubstrat (5) thermisch vorgespannt ist, und wobei das Abdecksubstrat (5) mit dem zu dem Abdecksubstrat (5) benachbart angeordneten Substrat mit zumindest einer Laserbondlinie (8) hermetisch dicht gefügt ist, wobei das Abdecksubstrat (5) aus einem Material besteht, welches einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist als das benachbart angeordnete Substrat und eine thermische Vorspannung in der Umhäusung (1) aufgebaut ist, und wobei die thermische Vorspannung bevorzugt eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat (5) ausübt.

Description

Hermetisch verschlossene transparente Kavität und deren Umhäusung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Mehrzahl von hermetisch dichten Umhäusungen sowie eine transparente Umhäusung.
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. Es sind Bio-Prozessoren bekannt, welche aus Titan angefertigt und eingesetzt werden.
Sensoren können mit einer erfindungsgemäßen 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. Eine erfindungsgemäße Umhäusung kann auch für die Herstellung von Flusszellen bspw. im Rahmen der Elektromobilität zum Einsatz kommen. Aber auch in der Luft- und Raumfahrt, in Hochtemperaturanwendungen und im Bereich der Mikrooptik sind erfindungsgemäße
Umhäusungen einsetzbar.
Den vorgenannten Einsatzzwecken ist gemein, dass an die Elektronik hohe
Anforderungen hinsichtlich ihrer Robustheit gestellt werden. Die Elektronik ist also vor widrigen Umwelteinflüssen zu schützen. Darüber hinaus ist ggf. die Anforderung gestellt, dass ein Austausch mit dem Innenbereich der Umhäusung, also der von der Umhäusung gebildeten Kavität, gewährleistet ist. Die Umhäusung ist zumindest teilweise, d.h. zumindest bereichsweise und/oder zumindest für einen Wellenlängenbereich, transparent ist. Diese Transparenz erlaubt Kommunikation, Daten- oder Energieübertragung, Messungen von und mit der in der Kavität angeordneten Elektronik bzw. Sensor. Es können insbesondere optische
Kommunikationsverfahren bzw. optische Daten- oder Energieübertragung ermöglicht sein.
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 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. Obwohl auch ohne Schwierigkeit das
Verfahren so geändert werden kann, dass lediglich eine einzelne Umhäusung mit dem Verfahren hergestellt wird, ist es unter wirtschaftlichen Erwägungen sinnvoll, im gleichen Prozessablauf eine Mehrzahl von Umhäusungen herzustellen. Hierdurch lässt sich Zeit, Aufwand und
Rohstoffmaterial einsparen.
Eine hermetisch verschlossene Umhäusung gemäß der Erfindung umfasst zumindest ein Abdecksubstrat und ein zu dem Abdecksubstrat benachbart angeordnetes Substrat, welche zusammen zumindest einen Teil der Umhäusung bilden. Bevorzugt sind die zumindest zwei Substrate übereinander angeordnet, d.h. gestapelt.
Von der Umhäusung wird erfindungsgemäß ein Funktionsbereich umschlossen.
Zumindest das Abdecksubstrat weist bevorzugt ein glasartiges Material auf. Das Abdecksubstrat ist thermisch vorgespannt und mit dem zu dem Abdecksubstrat benachbart angeordneten Substrat mit zumindest einer Laserbondlinie hermetisch dicht gefügt.
Das Abdecksubstrat besteht aus einem Material, welches einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist als das benachbart angeordnete
Substrat, wodurch eine thermische Vorspannung in der Umhäusung aufgebaut ist.
Die Umhäusung ist bevorzugt so eingerichtet, dass die thermische Vorspannung eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat ausübt. Die zumindest eine Laserbondlinie kann ferner den Funktionsbereich in einem Abstand DF umlaufend umschließen, so dass der
Funktionsbereich allseits umschlossen ist.
Das benachbart angeordnete Substrat ist bevorzugt ein Basissubstrat. In diesem Fall kann das Basissubstrat mit dem Abdecksubstrat mit einer gemeinsamen Laserbondlinie miteinander hermetisch dicht gefügt sein. Andererseits kann das benachbart angeordnete Substrat ein Zwischensubstrat sein, welches zwischen dem Abdecksubstrat und dem
Basissubstrat angeordnet ist, wobei dann das Basissubstrat mit dem Zwischensubstrat in einer ersten Verbindungsebene gefügt ist und das Abdecksubstrat mit dem Zwischensubstrat in einer zweiten Verbindungsebene gefügt ist.
Der zumindest eine mittlere Teil, also das Zwischensubstrat, kann einen höheren Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweisen sowohl im Vergleich zum Abdecksubstrat als auch im Vergleich zum Basissubstrat. Das thermische Vorspannen wird bevorzugt durch Verwendung von Materialien aufweisend einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erzielt und durch eine geeignete Temperatur. Das erfindungsgemäß beanspruchte Verfahren unterscheidet sich vom Stand der Technik, wie der US2017210662, durch moderate Temperaturen und ein Funktionselement. In der US-Schrift wird ebenfalls die Kombination unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten mit geeigneter
Temperaturbeschichtung angewendet, allerdings im Heissformungsverfahren und für das Härten von Glaswafern ohne Kavität für ein Funktionselement).
Der Funktionsbereich umfasst bevorzugt eine hermetisch verschlossene
Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungs-Objekts, wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS. Das Abdecksubstrat bildet dabei bevorzugt eine Oberseite der Beherbergungskavität, wobei das Zwischensubstrat einen seitlich umlaufenden Rand der Beherbergungskavität und das Basissubstrat eine Unterseite der Beherbergungskavität bildet, welche gemeinsam die Beherbergungskavität vollständig umschließen. Ferner kann zumindest eines aus seitlich umlaufendem Rand, Unterseite oder Oberseite zumindest bereichsweise für einen Wellenlängenbereich transparent sein.
Jede Umhäusung bildet erfindungsgemäß eine Kavität, welche von einem seitlich umlaufenden Rand, einer Unterseite sowie einer Oberseite der Umhäusung umschlossen ist. Mit anderen Worten wird die Kavität von der Umhäusung allseits umschlossen, so dass die
Umhäusung für die Kavität den umlaufenden Rand, die Unterseite und die Oberseite bildet. Im Sinne dieser Anmeldung ist Unterseite bzw. Oberseite ein geometrisches Konstrukt, die im Hinblick auf die endgültige Lage der Umhäusung auch jede andere Seite sein kann. Es kann alternativ die Oberseite als eine erste Seite beschrieben werden, die Unterseite als eine zweite, der ersten Seite gegenüberliegende Seite und der Rand als der Zwischenbereich zwischen erster und zweiter Seite, wobei der Rand typischerweise im Wesentlichen senkrecht zur ersten und/oder zweiten Seite steht. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern und die Erfindung an eine typische Beschreibung anzunähern, wird im Weiteren jedoch - wie erläutert— Oberseite, Unterseite und umlaufender Rand verwendet.
Die Oberseite der Kavität kann dann von einer Oberschicht wie einem Substrat, Scheibchen oder Plättchen gebildet werden. Der umlaufende Rand der Kavität kann ferner von einem zweiten oder mittleren Substrat, Scheibchen oder Plättchen gebildet sein, wobei das zweite Substrat ein Loch aufweist und dieses Loch die spätere Kavität darstellt. Die Unterseite der Kavität kann schließlich von einer Unterschicht, Substrat, Scheibchen oder Plättchen gebildet sein, indem die Unterschicht unterhalb der Zwischenschicht angeordnet wird.
Die Kavitäten sind insbesondere als Beherbergungskavitäten ausgebildet; das bedeutet, dass in den jeweiligen Kavitäten beispielsweise elektronische Schaltkreise, Sensoren oder MEMS eingesetzt werden können. 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 zum Bereitstellen einer Mehrzahl von hermetisch dichten Umhäusungen werden in einem ersten Schritt ein erstes und zumindest ein zweites Substrat bereitgestellt, wobei das zumindest eine zweite Substrat aus transparentem Material besteht und ein transparentes Substrat ist, und wobei das zumindest eine zweite Substrat einen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, der sich von dem Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Substrats unterscheidet. Die zumindest zwei Substrate sind dabei direkt aneinander oder aufeinander angeordnet, von dem zumindest einen zweiten Substrat wird der jeweilige Rand der jeweiligen Umhäusung der zu dichtenden Kavitäten gebildet, von dem ersten Substrat die jeweilige Unterseite der jeweiligen Umhäusung. 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. Schließlich folgt die Vereinzelung der jeweiligen Umhäusung mittels eines Schneid- oder Abtrenn-Schritts.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst ein erstes, zumindest ein mittleres und ein drittes Substrat bereitgestellt, wobei das zumindest eine mittlere Substrat bevorzugt aus transparentem Material besteht und ein transparentes Substrat ist, und wobei das zumindest eine mittlere Substrat einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist als das erste und/oder als das dritte Substrat.
Die zumindest drei Substrate werden direkt aneinander oder 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 des zwischen den flächig aufliegenden Substratschichten, d.h. inbesondere an der Kontaktfläche, eingeschlossenen Gases weiter reduziert werden. Das vorherige Evakuieren ist vorteilhaft. Auch eine Befüllung mit einer Gasart oder auch einer Flüssigkeit kann je nach Prozessparametern und einzusetzenden Materialien vorteilhaft sein.
Die Substratschichten werden also unmittelbar und in direktem Kontakt zueinander gestapelt, also aneinander angeordnet. Zwischen den Substratschichten sind Fremdmaterialien bevorzugt 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. 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. Zwischenschichten 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. 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, wenn das Abdecksubstrat benachbart zu dem Basissubstrat angeordnet ist.
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 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.
Es ist besonders bevorzugt, wenn ein möglicherweise auftretende Spalt zwischen den Substraten kleiner oder gleich 5 mhi dick ist, 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 eine Dicke zwischen 10 bis 50 mhi 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 mittleren Substrat wird der jeweilige Rand der jeweiligen Umhäusung der zu dichtenden Kavitäten gebildet. Von den beiden übrigen Substraten wird die jeweilige Unterseite und die jeweilige Oberseite der jeweiligen Umhäusung gebildet. Zwischen den zumindest zwei, bevorzugt drei, Substraten wird jeweils eine Kontakt- bzw. Grenzfläche gebildet, so dass jede Umhäusung zumindest eine, bevorzugt zwei, Kontaktflächen aufweist.
Eine Kontaktfläche kann sich über die gesamte Oberfläche des jeweiligen Substrats erstrecken. Zu jeder Umhäusung werden hierbei zumindest zwei Kontaktflächen zugeordnet. Das bedeutet, dass auch wenn das transparente Substrat als Ganzes betrachtet eine gemeinsame
Kontaktfläche aufweist, die sich über die gesamte Oberfläche des Substrats erstreckt und die an dem zweiten Substrat zu liegen kommt, diese Kontaktfläche gedanklich auf jede Umhäusung aufgeteilt bzw. unterteilt wird, so dass jeder Umhäusung ein Teil dieser Grenzfläche zugeordnet ist.
Eine Grenzfläche muss nicht optisch transparent sein. Weiter ist es vorteilhaft, wenn das transparente Substrat im sichtbaren Wellenlängenbereich opak ausgebildet ist. Lediglich das Substrat, durch welches der Laser durchtritt, um zu der Kontaktfläche zu gelangen, weist zumindest ein spektrales Fenster auf, so dass zumindest die Wellenlänge des eingesetzten Lasers durch das Substrat zumindest teilweise oder zumindest bereichsweise hindurchtreten kann. Die Kontaktfläche ist so beschaffen, dass der Laser an dieser eine Energiedeposition vollziehen kann. Beispielsweise können die Oberflächen der beiden aneinanderliegenden Substrate angesprengt sein, und weiter beispielsweise eine Rauheit im nm-Bereich aufweisen.
An dieser Fläche wird der Laser zumindest teilweise absorbiert, so dass dort Energie eingebracht werden kann. Generell ist eine Kontaktfläche im Sinne dieser Anmeldung als eine Fläche zu verstehen, an welcher der eintreffende Laserstrahl Energie deponieren kann und so ein Fügeprozess entlang der Kontaktfläche durchgeführt werden kann. Ein einfacher Fall einer solchen Grenzfläche ist die Kontaktfläche zwischen zwei aneinanderliegenden Substraten.
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 bestehen.
Die Substrate werden aneinander geklebt oder gefügt, um eine gemeinsame
Umhäusung zu bilden und um die Kavitäten hermetisch dicht zu verschließen.
Der Schritt hermetisch dichtes Verschließen der Kavitäten kann durch Fügen der zumindest drei Substrate entlang der zwei Kontaktflächen jeder Umhäusung mittels eines Laser- Fügeverfahrens durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann mittels eines Lasers im Bereich der Kontaktfläche Energie deponiert werden, und zwar derart lokal, dass von einem Kalt- Fügeverfahren gesprochen wird. Die zum Fügen bereitgestellte Wärmeenergie wird also konzentriert auf den Verlauf der Grenzfläche gerichtet und diffundiert nur vergleichsweise 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 Kontaktflächen 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. Beim Einsatz von zumindest zwei transparenten Substraten, eines zum Bilden des Randes und ein zweites zum Bilden der Oberseiten, sind jeder Umhäusung also zwei umlaufende Kontaktflächen zugeordnet. Die jeweilige Kavität wird in diesem Fall vorzugsweise dadurch hermetisch dicht verschlossen, indem entlang der beiden Kontaktflächen mit dem Laser-Fügeverfahren gefügt wird. Das mittlere und das dritte jeweils transparente Substrat wie auch das erste Substrat werden hierbei fest miteinander verschweißt, sowie die Kavitäten hermetisch dicht versiegelt.
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.
Das zumindest eine mittlere Substrat kann in einer bevorzugten Ausführungsform mehr als ein transparentes Substrat umfassen, welche gemeinsam den jeweiligen Rand der Kavitäten bilden. Beispielsweise können zwischen dem ersten und dem dritten Substrat drei mittlere Substratschichten angeordnet sein, wobei die drei mittleren Substratschichten gemeinsam den Rand der Kavitäten bilden.
Bevorzugt werden die zumindest drei Substrate in Form eines Waferstapels mit zumindest 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 drei Wafer bestehen bevorzugt aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien. Alternativ besteht zumindest ein Wafer aus einem Material, was sich von dem des mittleren Wafers unterscheidet. Bevorzugt 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 sind hingegen bevorzugt aus transparentem Material bereitgestellt. 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.
Das oder die Substrate können auch eine Beschichtung aufweisen. AR-Coatings, Schutzbeschichtungen, bioaktive Filme, optische Filter, leitfähige Schichten, z.B. aus ITO oder Gold, sind beispielsweise einsetzbar, solange sichergestellt ist, dass im Bereich der Einstrahlung für den Laser eine zumindest teilweise Transparenz für die eingesetzte Laserwellenlänge vorliegt.
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 besteht bevorzugt aus Glas, Glaskeramik, Silizium oder Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien, also beispielsweise io
aus Glas-Silizium, Glas/Silizium/Saphir-Kombination oder Silizium/Saphir-Kombination. Das oder die weiteren Substrate können auch AI203, Saphir, Si3N4 oder AIN umfassen bzw. daraus bestehen. Durch die Kombination eines transparenten Substrats mit einem verschiedenartigen Substrat können z.B. Halbleitereigenschaften realisiert werden. Auch Beschichtungen können eingesetzt werden, z.B. piezoresistive Si-Schichten insbesondere für die Drucksensorik, oder dickere Schichten für mikromechanische Anwendungen wie Pulsmessung über ein MEMS.
Das erste und/oder dritte Substrat weist bevorzugt eine Dicke von unter 500 mhi, bevorzugt unter 300 mhi, weiter bevorzugt unter 120 mhi, und noch weiter bevorzugt eine Dicke von unter 80 mhi, auf.
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 kann in einer weiteren Ausführungsform zumindest teilweise und/oder bereichsweise chemisch gehärtet sein. 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.
Vor der Durchführung des Laser-Fügeverfahrens erfolgt bevorzugt ein Aufheizen der Umhäusungen auf eine Temperatur, die höher ist als die spätere Einsatztemperatur der
Umhäusungen. Beispielsweise erfolgt vor der Durchführung des Laser-Fügeverfahrens ein Aufheizen der Umhäusungen auf eine Temperatur höher als die Umgebungstemperatur.
Insbesondere erfolgt das Aufheizen vor dem Laser-Fügen auf eine Temperatur, die 5 K höher, 10 K höher, bevorzugt 20 K oder weiter bevorzugt 70 K höher ist als die spätere Einsatztemperatur. Anschließend erfolgt ein Abkühlenlassen der Umhäusungen auf
Umgebungstemperatur.
Weiter bevorzugt ist es, den Schritt Vereinzelung der Umhäusungen vor dem Schritt Abkühlenlassen der Umhäusungen auf Umgebungstemperatur durchzuführen.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass der Aufbau auch mit umgekehrtem Verhältnis des thermischen Ausdehnungskoeffizienten realisiert werden kann. Wenn das zumindest eine mittlere Substrat einen niedrigeren Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Oberseite und/oder die Unterseite und zugleich das Laser-Fügeverfahren bei einer niedrigeren Füge-Temperatur durchgeführt wird, also die Füge-Temperatur unterhalb der späteren
Einsatztemperatur der Umhäusung bzw. unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, dann wird sich eine umgekehrte Druckverteilung einstellen, die in gleicher Weise eine Stärkung der Umhäusung hervorruft. In diesem Fall wird sich in Oberseite und/oder Unterseite bei der Einsatztemperatur der Umhäusung eine Zugspannung aufbauen, wohingegen sich im zumindest einen mittleren Substrat eine Druckspannung aufbaut.
Erfindungsgemäß wird auch eine Umhäusung mit darin eingeschlossener hermetisch verschlossener Beherbergungskavität bereitgestellt, welche nach einem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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 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 transparente Umhäusung gemäß der Erfindung umfasst einen aus einem ersten Teil gefertigten seitlich umlaufenden Rand aus transparentem Material sowie eine aus einem zweiten Teil gefertigte Unterseite und einer aus einem dritten Teil gefertigte Oberseite, die gemeinsam die Beherbergungskavität vollständig umschließen.
Der zumindest eine mittlere Teil der Umhäusung besteht erfindungsgemäß aus einem Material, welches einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist als das erste und/oder als das dritte Substrat. Die drei Teile sind darüber hinaus thermisch vorgespannt. Die drei Teile können darüber hinaus zusätzlich chemisch vorgespannt sein.
Schließlich sind die zumindest drei Teile der Umhäusung mit einem Laser- Fügeverfahren zu der hermetisch geschlossenen Umhäusung gefügt.
Bevorzugt weist die transparente 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 Substrate können vor dem Schritt Fügen der zumindest zwei, bevorzugt drei, Substrate entlang der Kontaktflächen jeder Umhäusung mittels Ansprengens zumindest temporär miteinander verbunden werden.
Die transparente Umhäusung kann beispielsweise eine Größe von 3 mm x 3 mm 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 0,2 mm x 0,2 mm 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.
Bevorzugt kann in dem ersten, zweiten und/oder dritten Teil ein Marker eingebracht sein.
Das thermische Vorspannen kann bevorzugt durch den gezielten Einsatz von
Materialien aufweisend einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erzielt werden. Weiter wird dies gefördert bzw. erreicht durch eine geeignete Temperatur.
Es liegt ferner im Rahmen der Erfindung, eine Anordnung vorzustellen, die
insbesondere geeignet ist zur Herstellung einer Umhäusung. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst ein erstes Substrat aus zumindest bereichsweise transparentem Material, ein zweites Substrat, welches unmittelbar benachbart zu dem ersten Substrat angeordnet ist, wobei das erste Substrat mit dem zweiten Substrat mittels Laser-Fügeverfahrens bei einer Füge-Temperatur gefügt ist, wobei im ersten Substrat bei einer Temperatur unterhalb der Füge-Temperatur eine Druckspannung zum zweiten Substrat hin aufgebaut ist, oder wobei im ersten Substrat bei einer Temperatur oberhalb der Füge-Temperatur eine Druckspannung zum zweiten Substrat hin aufgebaut ist.
Bei der Anordnung kann das zweite Substrat aus einem Material bestehen, welches einen unterschiedlichen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist. Insbesondere weist das zweite Substrat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
Bei der Anordnung kann das erste Substrat ein Glas- oder Glaskeramiksubstrat sein.
Ferner kann im zweiten Substrat der Anordnung eine Zugspannung aufgebaut sein.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 a Aufsicht auf die geöffnete Beherbergungskavität,
Fig. 1 b 3D-Ansicht einer geschlossenen Umhäusung,
Fig. 2a Schnittansicht durch die Umhäusung,
Fig. 2b Detailansicht auf die Fügezone,
Fig. 2c Ausführungsform der Umhäusung mit drei mittleren Schichten,
Fig. 3 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Umhäusung,
Fig. 4a - 6 Schnitte entlang der Linien A->B bzw. C->D von Ausführungsformen einer wie in
Fig. 3 gezeigten Umhäusung,
Fig. 7 ein Verfahren zur Herstellung einer Umhäusung,
Fig. 8 Darstellung der Umhäusung mit anliegender Vorspannung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 a zeigt das zu schützende Beherbergungsobjekt 2 eingebettet auf einem unteren Substrat 3, umhüllt von einem Zwischensubstrat 4 und abzudecken von einem oberen Substrat 5. Die drei Substrate 3, 4, 5 bilden somit gemeinsam die Umhäusung 1 um das
Beherbergungsobjekt 2, welches in der Kavität 12 angeordnet ist. Mit anderen Worten, beim Auflegen des oberen Substrats 5 auf das Zwischensubstrat 4 im Beispiel der Fig. 1 a wird eine geschlossene Beherbungskavität 12 gebildet, welche in nachfolgenden Schritten hermetisch zu verschließen sein wird. Das Zwischensubstrat 4 ist dabei aus einem anderen Material gefertigt als das untere Substrat 3 und als das obere Substrat 5. Das Zwischensubstrat 4 weist in dem hier vorgestellten Beispiel einen höheren Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE auf als die anderen dargestellten Schichten. Bei den dargestellten Schichten 3, 4, 5 kann es sich um Wafer-Scheiben handeln, so dass die Umhäusung gebildet wird, indem drei Wafer-Scheiben als Wafer-Stapel aufeinandergeschichtet sind und diese gefügt bzw. verschweißt sind. Ein Substrat 3, 4, 5 ist vorzugsweise ein flächiges Glasbauteil als Teil eines vereinzelten Chips. Ein Wafer ist vorzugsweise ein großflächiges Glasbauteil, das zu Chips vereinzelt werden kann, die dann mehrere Substrate umfassen. Mit einer späteren Vereinzelung wie in Fig. 7 gezeigt können dann kosteneffizient eine Mehrzahl aus verschiedenen Substraten bestehende Bauteile gefertigt werden.
Fig. 1 b zeigt die solchermaßen gebildete hermetisch geschlossene und gehärtete Umhäusung 1. Diese Umhäusung 1 weist das untere Substrat 3, das Zwischensubstrat 4 und das obere Substrat 5 übereinander gestapelt auf, wobei zwischen dem unteren Substrat 3 und dem Zwischensubstrat 4 einerseits sowie zwischen dem Zwischensubstrat 4 und dem oberen Substrat 5 andererseits jeweils eine Grenzfläche 25 vorliegt. Wie auch der Fig. 1 a zu entnehmen ist, ist die Zwischensubstratschicht 4 nicht flächig durchgängig ausgebildet, so dass in Flöhe der
Zwischensubstratschicht die Beherbungskavitäten 12 gebildet werden.
Bezugnehmend auf Fig. 2a ist ein Schnitt durch eine hermetisch geschlossene gehärtete Umhäusung 1 gezeigt. Das untere Substrat 3 bildet die Unterseite 22 der Kavität 12, das Zwischensubstrat 4, der in diesem Beispiel einen mit Bezug zu Substrat 3 und 4
unterschiedlichen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE aufweist, bildet den Rand 21 der Kavität 12, ein oberes Substrat 5 schließlich die Oberseite 23 der Kavität 12. Mit anderen Worten umschließen untere Substrat, Zwischensubstrat und oberes Substrat 3, 4, 5 gemeinsam als Substratstapel 18 die Beherbergungskavität 12. In der Kavität 12 ist das
Beherbergungsobjekt 2 angeordnet. Bei den Substraten 3, 4, 5 kann es sich abermals um Wafer- Scheiben handeln, so dass die Umhäusung gebildet wird, indem drei Wafer gemeinsam als Wafer-Stapel 18 die Beherbergungskavität 12 umschließen und die Umhäusung 1 bilden.
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 Kontaktfläche 25 angeordnet. Von außen können Umwelteinflüsse auf die Umhäusung 1 wirken, insbesondere dabei auf Ecken 6 des lasergefügten Stapels 18. Diese Ecken 6 verhindern dabei das Eindringen beispielsweise auch von chemischen Lösungen in den Substratstapel 18 bis zu der Laser-Fügezone 8.
Fig. 2c zeigt einen Detailausschnitt einer weiteren Ausführungsform des
Substratstapels 18 bzw. der Umhäusung 1 , wobei oberhalb einer unteren Schicht 3 drei mittlere Schichten 4a, 4b und 4c angeordnet sind. Die drei mittleren Schichten 4a, 4b, 4c weisen allesamt einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE auf als die untere Schicht 3 und auch als die obere Schicht 5. Durch diese Ausführungsform kann ein abgestuftes Spannungsprofil über die Schichten 4a, 4b, 4c realisiert werden, bzw. nicht lasergefügte Bauteile mit unter Druck stehenden Glasschichten versehen werden.
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 Fig. 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, welche das Basissubstrat 3 und das Abdecksubstrat 5 aufweist. Mit anderen Worten ist die Umhäusung aus zwei Schichten nämlich der Basisschicht 3 und der Abdeckschicht 5 aufgebaut oder zusammengesetzt. Fig. 4a zeigt überdies den Aufbau der Laser- Fügelinie 8 aus einer Aneinanderreihung von einer Mehrzahl von Laser-Pulstrefferbereichen 16, welche so dicht aneinandergesetzt sind, dass das Material des Basissubstrats 3 und des Abdecksubstrats 5 miteinander lückenlos verschmilzt.
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. Diese Ausführungsform weist die weitere Besonderheit auf, dass die Oberflächen des ersten Substrats 3 und des zweiten Substrats 5 ringsherum gehärtet sind, also die gehärteten Schichten 27, 28 und 29 aufweisen.
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 getaucht werden, so dass die fertige Umhäusung 1 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. 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.
Der Funktionsbereich 13, 13a erstreckt sich innerhalb der gehärteten Schichten 27, 28, 29, wobei die gehärtete Schicht 28 auf einen Ringbereich um den Funktionsbereich 13, 13a herum angeordnet ist. In der in Fig. 5a, 5b gezeigten Ausführungsform wurden also 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 in eine Härtelösung zur chemischen Härtung getaucht, um die Langseiten zu härten.
In der in Fig. 5a gezeigten 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 12 herum erstreckt. Eine wie in Fig. 5a 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. 5b zeigt eine Ausführungsform der Umhäusung 1 , wobei ein Schnitt entlang der Linie C->D dargestellt ist. 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 (vgl. Figs. 7 bis 14) eingebracht werden. Rund um die Ausnehmung 13, 13a herum ist die Fügelinie 8 angeordnet, so dass die Ausnehmungen 13, 13a allseits hermetisch verschlossen sind.
Die Umhäusung 1 ist, wie auch die Ausführungsform der Fig. 5a, 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 innerhalb der ersten gehärteten Schicht 27 angeordnet, der Rand 21 der Kavität innerhalb der zweiten gehärteten Schicht 28 sowie die Unterseite 22 der Kavität innerhalb der dritten gehärteten Schicht 29. Die Kavität bzw. der Funktionsbereich 13, 13a ist somit allseits von gehärtetem Material 27, 28, 29 umschlossen.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Umhäusung 1 entlang der Schnittlinie C->D, wobei in diesem Beispiel der Funktionsbereich 13 bzw. die Kavität 12 in dem
Abdecksubstrat 5 angeordnet ist. Beispielsweise kann in diesem Beispiel lediglich das
Abdecksubstrat 5 mittels des Sandstrahlverfahrens ausgehöhlt sein, wohingegen das
Basissubstrat 3 nicht weiter behandelt werden muss. Die Herstellung kann somit einfacher sein, da weniger Teile der Umhäusung bearbeitet werden müssen.
Das Abdecksubstrat 5 weist in diesem Beispiel der Fig. 6 an seiner Langseite die Härtungsschicht 27 und an seiner Kante 14 die Härtungsschicht 28 auf. Beispielsweise wurde 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 zwar soweit 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 innerhalb der Härtezone 28 eingebracht, also in entspanntem Material. Mit anderen Worten weist eine erste Langseite der Umhäusung 1 die gehärtete Schicht 27 auf und eine erste Schmalseite 14 weist bereichsweise die gehärtete Schicht 28 auf. Die gehärtete Schicht 28 kann sich umlaufend um die Umhäusung 1 erstrecken, beispielsweise 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 mitels Sandstrahlverfahren eingebracht werden, allgemein mit einem abrasiven Verfahren, auch ein chemisches Ätzen ist möglich, um die Kavität in das Substrat einzubringen.
Bezugnehmend auf Fig. 7 ist eine erste Ausführungsform des Verfahrens zur
Herstellung einer gehärteten Umhäusung 1 gezeigt. Das Verfahren beginnt in einem
Temperaturbereich, der unterhalb derjenigen Temperatur liegt, bei welcher die Umhäusung später eingesetzt werden soll. In einem Schritt A werden die Wafer 3, 4, 5 und die zu beherbergenden Beherbergungsobjekte 2 ausgerichtet. Dabei kommt das obere Wafer 5 auf dem Zwischenwafer 4, und dieses wiederum auf dem unteren Wafer 3 derart zu liegen, dass ein Substratstapel bzw. Waferstapel 18 gebildet wird. Die mitlere Schicht 4 weist dabei einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) auf als die untere Schicht 3 und auch als die obere Schicht 5. Da hierbei das Zwischensubstrat 4, das die Ausnehmungen umfasst, in welchen die Kavitäten 12 gebildet sind, mittig angeordnet ist, sind hernach die Beherbergungskavitäten 12 allseits von Substratmaterial umschlossen. Mit anderen Worten wird beim Ausrichten der Substrate im Schritt A die allseitige Umschließung mit Rand 21 , Unterseite 22 und Oberseite 23 der Kavität gebildet. Gegebenenfalls können die Substrate miteinander verbunden werden, insbesondere mittels Ansprengen beispielsweise zur Lagesicherung fixiert werden.
Schritt B des in Fig. 7 gezeigten Verfahrens zeigt den übereinander angeordneten Waferstapel 18 mit darin befindlichen Kavitäten 12 zur Aufnahme von Beherbergungsobjekten 2. Gegebenenfalls ist der Substratstapel bzw. Waferstapel 18 angesprengt. Dieser Substratstapel bzw. Waferstapel 18 kann in dieser geschlossenen Form dem Fügeverfahren zugeführt werden, bei welchem die Schichten zu einem fest verbundenen Stapel 18 gefügt werden, so dass hieraus jeweils einstückige Umhäusungen 1 erhalten werden.
Schritt C zeigt das Laserfügen der jeweiligen Beherbergungskavitäten 12, also das Verschließen der Kavitäten 12 allseits entlang der Kontaktflächen. Hierfür wird eine Lasereinheit 15 von oberhalb des Stapels 18 über die Oberfläche des Stapels 18 geführt und dabei punktuell ein fokussierter Laserstrahl 9 auf die zu fügenden Zonen gerichtet. Die Laserfügelinien können beispielsweise als ein Raster von sich kreuzenden Linien ausgeführt werden. Auch das
Parallelziehen zweier oder mehrere Laserfügelinien kann eingesetzt werden, wenn sich dies beispielsweise je nach Material für das spätere Vereinzeln als vorteilhaft erweist. Nach Abschluss des Schritts C des Herstellungsverfahrens sind alle Kavitäten hermetisch geschlossen. Schritt D zeigt den Schritt der Separation bzw. des Schneidens des Stapels 18, um die Umhäusungen 1 zu vereinzeln. Hierbei wird entlang von Trenn- bzw. Schneidlinien 10 der Stapel 18 geschnitten bzw. getrennt. Bis zu diesem Schritt wird die Temperatur vorzugsweise konstant gehalten bzw. stetig in einem Temperaturbereich, der gerade unterhalb derjenigen Temperatur liegt, bei welcher die Umhäusungen später eingesetzt werden.
Schritt E zeigt schließlich die hermetisch versiegelte und gehärtete Umhäusung 1 mit darin angeordneter Beherbergungskavität 12. Die Temperatur kann nach Abschluss der vorgenannten Bearbeitungsschritte nunmehr wieder auf eine Normaltemperatur gebracht werden, also insbesondere der Umgebungstemperatur.
Bezugnehmend auf Fig. 8 ist eine Detailansicht auf den Fügebereich bzw. eine Seiten- Schnittansicht auf eine Umhäusung 1 gezeigt, bei welcher die gefügten Schmelzbereiche 8 im Bereich der Kontaktfläche 25 dargestellt sind. Da die Zwischenschicht 4 einen höheren Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE aufweist als die untere Schicht 3 und auch als die obere Schicht 5, bildet sich eine thermische Vorspannung über die dargestellte Z-Richtung, woraus wiederum eine höhere Härte der fertigen Umhäusung 1 resultiert.
Die vorhandene Vorspannung des Substratstapels wird dabei durch den Laserbond nicht aufgelöst. Dies liegt an dem durch die Ultrakurzpulse nur sehr begrenzt vorliegenden Verschmelzungen des für die vorliegende Erfindung typischen Bondprofils der Laserbondlinie, welche in der Fläche die Vorspannung nicht auflöst. Die Laserfügezone lässt sich im fertigen Endprodukt dabei beispielsweise durch die spezifische lokale Brechungsindexänderung des Materials in dem kleinen Verschmelzungsbereich nachweisen.
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, chemisch gehärtete Umhäusung
2 Beherbergungs-Objekt
3 Unteres Substrat, Schicht oder Wafer, Basissubstrat bzw. untere Abdeckung
4 Zwischen-Substrat, Zwischenschicht oder Zwischen-Wafer
5 Oberes Substrat, Schicht oder Wafer, Abdecksubstrat bzw. obere Abdeckung
6 Ecke des Laser-gefügten Stapels 18
7 Laser-gefügte Interface-Zone
8 Laser-Fügezone
9 fokussierter Laserstrahl
10 Trenn- bzw. Schneidlinien
12 Beherbergungs-Kavität
13 Funktionsbereich
13a zweiter Funktionsbereich
14 Kante
15 Lasereinheit zum Fügen und/oder Schneiden
16 Laser-Pulstrefferbereich
18 Stapel
21 Rand
22 Unterseite der Kavität
23 Oberseite der Kavität
25 Kontaktfläche bzw. Grenzfläche zwischen zwei Substraten
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
zumindest ein Abdecksubstrat (5) und ein zu dem Abdecksubstrat (5) benachbart angeordnetes Substrat, welche zusammen zumindest einen Teil der Umhäusung (1 ) bilden, zumindest einen von der Umhäusung (1 ) umschlossenen Funktionsbereich (12, 13, 13a), wobei zumindest das Abdecksubstrat (5) bevorzugt ein glasartiges Material umfasst, wobei das Abdecksubstrat (5) thermisch vorgespannt ist, und
wobei das Abdecksubstrat (5) mit dem zu dem Abdecksubstrat (5) benachbart angeordneten Substrat mit zumindest einer Laserbondlinie (8) hermetisch dicht gefügt ist,
wobei das Abdecksubstrat (5) aus einem Material besteht, welches einen anderen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist als das benachbart angeordnete Substrat und eine thermische Vorspannung in der Umhäusung (1 ) aufgebaut ist, und
wobei die thermische Vorspannung bevorzugt eine Druckspannung auf das Abdecksubstrat (5) ausübt.
2. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, 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 vorstehenden Ansprüche,
wobei das benachbart angeordnete Substrat ein Basissubstrat (3) ist, und
wobei das Basissubstrat (3) mit dem Abdecksubstrat (5) mit derselben Laserbondlinie (8) miteinander hermetisch dicht gefügt ist, oder
wobei das benachbart angeordnete Substrat ein Zwischensubstrat (4, 4a, 4b, 4c) ist, welches zwischen dem Abdecksubstrat (5) und dem Basissubstrat (3) angeordnet ist, das Basissubstrat (3) mit dem Zwischensubstrat in einer ersten Verbindungsebene gefügt ist und das Abdecksubstrat (5) mit dem Zwischensubstrat in einer zweiten Verbindungsebene gefügt ist.
4. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der zumindest eine mittlere Teil (4, 4a, 4b, 4c) einen höheren Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist sowohl im Vergleich zum Abdecksubstrat (5) als auch im Vergleich zum Basissubstrat (3).
5. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem der Substrate (3, 4, 4a, 4b, 4c, 5) ein Marker eingebracht ist.
6. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das thermische Vorspannen durch Verwendung von Materialien aufweisend einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) erzielbar ist und durch eine geeignete Temperatur.
7. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Funktionsbereich (12, 13, 13a) eine hermetisch verschlossene
Beherbergungskavität (12) zur Aufnahme eines Beherbergungs-Objekts (2), wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS, umfasst.
8. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das Abdecksubstrat (5) eine Oberseite (23) der Beherbergungskavität bildet, wobei das Zwischensusbtrat einen seitlich umlaufenden Rand (21 ) der Beherbergungskavität und das Basissubstrat (3) eine Unterseite (22) der Beherbergungskavität bildet, welche gemeinsam die Beherbergungskavität vollständig umschließen.
9. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eines aus seitlich umlaufendem Rand, Unterseite oder Oberseite zumindest bereichsweise für einen Wellenlängenbereich transparent ist.
10. Anordnung, insbesondere zur Herstellung einer Umhäusung (1 ), die Anordnung umfassend ein erstes Substrat (3) aus zumindest bereichsweise transparentem Material, ein zweites Substrat (4), welches unmittelbar benachbart zu dem ersten Substrat (3) angeordnet ist,
wobei das erste Substrat (3) mit dem zweiten Substrat (4) mittels Laser-Fügeverfahrens bei einer Füge-Temperatur gefügt ist,
wobei im ersten Substrat (3) bei einer Temperatur unterhalb der Füge-Temperatur eine Druckspannung zum zweiten Substrat (4) hin aufgebaut ist, oder
wobei im ersten Substrat (3) bei einer Temperatur oberhalb der Füge-Temperatur eine Druckspannung zum zweiten Substrat (4) hin aufgebaut ist.
1 1. Anordnung nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei das zweite Substrat (4) aus einem Material besteht, welches einen
unterschiedlichen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, insbesondere einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), und/oder
wobei das erste Substrat (3) ein Glas- oder Glaskeramiksubstrat ist, und/oder wobei im zweiten Substrat (4) eine Zugspannung aufgebaut ist.
12. Verfahren zum Bereitstellen einer Mehrzahl von hermetisch dichten Umhäusungen (1 ), wobei von jeder Umhäusung (1 ) ein Funktionsbereich (12, 13, 13a) beherbergt oder eine Kavität (12) gebildet wird, welche von einem seitlich umlaufenden Rand (21 ), einer Unterseite (22) und einer Oberseite (23) der Umhäusung (1 ) umschlossen ist, und wobei die Kavitäten insbesondere als Beherbergungs-Kavität ausgebildet sind zur Aufnahme von elektronischen Schaltkreisen, Sensoren oder MEMS, mit den Schritten:
- Bereitstellen von einem ersten und zumindest einem zweiten Substrat (3, 4, 5), wobei das zumindest eine zweite Substrat (4) aus transparentem Material besteht und ein transparentes Substrat ist, und wobei das zumindest eine zweite Substrat (4) einen Kennwert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist, der sich von dem Kennwert des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (CTE) des ersten Substrats (3) unterscheidet,
wobei die zumindest zwei Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, von dem zumindest einen zweiten Substrat (4) der jeweilige Rand der jeweiligen Umhäusung (1 ) der zu dichtenden Kavitäten gebildet wird, von dem ersten Substrat (3) die jeweilige Unterseite der jeweiligen Umhäusung (1 ) gebildet wird und an den Kontaktflächen zwischen den zumindest zwei Substraten (3, 4) eine Kontaktfläche (7, 25) gebildet wird, so dass jede Umhäusung (1 ) zumindest eine Kontaktfläche aufweist,
- hermetisch dichtes Verschließen der Kavitäten durch Fügen der zumindest zwei Substrate (3, 4) entlang der Kontaktfläche jeder Umhäusung (1 ), insbesondere an der
Kontaktfläche entlang einer Linie am Rand jeder Umhäusung (1 ),
- Vereinzelung der jeweiligen Umhäusung (1 ) mittels eines Schneid- oder Abtrenn-
Schritts.
13. Verfahren nach vorstehendem Anspruch
ferner umfassend ein Abdecksubstrat (5),
wobei das zumindest eine zweite Substrat (4) ein Zwischensubstrat ist, welches zwischen dem Abdecksubstrat (5) und dem ersten Substrat (3) angeordnet ist.
14. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das hermetisch dichte Verschließen der Kavitäten mittels eines Laser- Fügeverfahrens durchgeführt wird, und/oder
wobei das hermetisch dichte Verschließen der Kavitäten bei einer Temperatur durchgeführt wird, die niedriger oder höher ist als die spätere Einsatztemperatur der Umhäusung (1).
15. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das zumindest eine Zwischensubstrat (4) mehr als ein transparentes Substrat umfasst, welche gemeinsam den jeweiligen Rand (21 ) der Kavitäten bilden.
16. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine transparente Substrat (3, 4, 4a, 4b, 4c, 5) aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien besteht, oder wobei das zumindest eine transparente Substrat aus keramischem Material besteht, insbesondere oxidkeramisches Material, umfasst.
17. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Substrate (3, 4, 4a, 4b, 4c, 5) als Wafer-Stapel (18) bereitgestellt werden, um aus dem Wafer-Stapel eine Mehrzahl hermetisch dichter Umhäusungen (1 ) gemeinsam im gleichen Arbeitsprozess herzustellen.
18. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei die zumindest zwei Wafer (3, 4, 4a, 4b, 4c, 5) aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien bestehen, und/oder
wobei zumindest ein Wafer ein von dem mittleren Wafer verschiedenartiges Material umfasst, und/oder
wobei alle Wafer aus transparentem Material bestehen.
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 mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste (3) und/oder dritte Substrat eine Dicke von unter 500 mhi, bevorzugt unter 300 mhi, weiter bevorzugt unter 120 mhi, und noch weiter bevorzugt eine Dicke von unter 80 mhi, aufweist.
21. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine mittlere Substrat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) aufweist als das erste und/oder das dritte Substrat, und wobei die folgenden weiteren Schritte umfasst sind: vor der Durchführung des Laser-Fügeverfahrens Aufheizen der Umhäusungen (1 ), auf eine Füge-Temperatur, die höher ist, als die spätere Einsatztemperatur der Umhäusungen (1 ), insbesondere 5 K höher, 10 K höher, bevorzugt 20 K oder weiter bevorzugt 70 K höher als die spätere Einsatztemperatur, und Durchführung des Laser-Fügeverfahrens bei der Füge- Temperatur.
22. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch,
wobei der Schritt Vereinzelung der Umhäusungen (1 ) vor dem Abkühlenlassen der Umhäusungen (1 ) auf Umgebungstemperatur durchgeführt wird.
23. Verfahren nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Substrate (3, 4, 4a, 4b, 4c, 5) vor dem Schritt Fügen der zumindest zwei Substrate entlang der Kontaktflächen (7, 25) jeder Umhäusung (1 ) mittels Ansprengens zumindest temporär miteinander verbunden werden.
24. Umhäusung (1 ) mit darin eingeschlossener hermetisch verschlossener Beherbergungs- Kavität (12) hergestellt nach einem der vorstehenden Verfahren.
25. Verwendung einer nach dem vorstehenden Verfahren hergestellten Umhäusung (1 ) mit darin eingeschlossener hermetisch verschlossener Beherbergungs-Kavität (12) als medizinisches Implantat oder als Sensor, insbesondere als Barometer.
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