JP2021523024A - 傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置に関する。製造方法は、おもて面（ＶＳ）および裏面（ＲＳ）を有する第１の基板（Ｓ１）を設けるステップと、第１の基板（Ｓ１）の互いに離間した複数の列（Ｒ１，Ｒ２）に沿って配列され、互いに離間した複数の貫通孔（Ｆ１，Ｆ２）を第１の基板（Ｓ１）に形成するステップと、複数の列（Ｒ１，Ｒ２）の各々に沿って、連続する傾斜した溝（Ｎ１，Ｎ２）を形成して傾斜光学窓（Ｇ１，Ｇ２）のための支持部を定めるステップと、貫通孔（Ｆ１，Ｆ２）の上で溝（Ｎ１，Ｎ２）に光学窓（Ｇ１，Ｇ２）を組み込むステップとを含む。

Description

本発明は、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置に関する。

任意の光学式の装置およびシステムを使用することもできるが、光学式でマイクロメカニカルのマイクロミラー走査装置を使用して本発明および本発明の課題を説明する。

マイクロメカニカルＭＥＭＳ素子は、有害な外部環境の影響（例えば、湿気、攻撃的媒体など）から保護される必要がある。機械的接触／破壊に対する保護、および、ソーイングによりウェハ複合体を複数のチップに分離することを可能にする必要もある。多くの場合、密閉封入によって、特定の雰囲気（例えば、ガスの種および／またはガス圧）の設定を可能にする必要がある。

ウェハアセンブリにおいて、キャビティおよび貫通孔を有するキャップウェハを用いたＭＥＭＳ素子の封入は広く確立されている。このために、キャップウェハは、ＭＥＭＳ構造を有するウェハに対して適合されたうえで、このウェハと接合される。この接合は、例えば、陽極ボンディングまたは直接ボンディング（接合剤なしでのガラスとシリコンとの間の結合）によって、共晶接合層を介して、またはガラスはんだもしくは接着剤を介して行うことができる。キャップウェハのキャビティの下方に単数または複数のＭＥＭＳ素子が位置し、薄いワイヤによりＭＥＭＳ素子を接続するための電気ボンディングパッドが、キャップウェハの貫通孔を介してアクセス可能である。

例えばマイクロミラーなどの光学式のマイクロメカニカルＭＥＭＳ素子（ＭＯＥＭＳ）の場合、上述の保護が必要であり、付加的に、高い光学品質を有し、必要に応じて特殊な光学コーティングも有する透明な窓が必要である。電気接続のための貫通孔もキャップ内に個別に実現される。

光線が透光性の窓を通過する場合に境界面で反射が生じる。マイクロメカニカルなマイクロミラー走査装置の固定端反射がマイクロミラーの走査領域であった場合、その反射強度は投影画像の強度を超えるので、破壊的に作用する。これらの破壊的な反射強度は、光学窓の反射防止層によってのみ低減可能である。マイクロミラーは、通常、その静位置周辺で対称的に揺動または偏心させられるので、光学窓がミラー面の当該静位置に平行であり、かつミラー平面と光学窓との間の間隔が小さい場合（ＭＥＭＳ素子の場合、これは常に当てはまる）、その反射は常に走査領域内で生ずる。

上記反射による干渉を防止する唯一の方法は、無偏心状態で光学窓およびミラー面とを非平行とすることによって、反射を走査領域から外側に向けることである。これには、１つには光学窓の傾斜、他にはミラーの静位置の傾斜という２つの可能性がある。どちらの可能性も、従来技術において知られている。

個々のチップ用の傾斜窓は、例えば欧州特許出願公開第１６８８７７６号明細書に開示されている。欧州特許出願公開第１７４８０２９号明細書には、反射を防止することができる傾斜窓または他の窓形状がウェハレベルパッケージングに関して記載されている。

欧州特許出願公開第１７４８０２９号明細書によれば、ウェハ複合体において３次元表面構造（例えば傾斜窓）が透光性材料（ガラスまたはプラスチック）から製造される。

３次元構造を製造する方法は、極めて高価であるか、または必要とされる光学的品質を提供しないかのいずれかである。対応する３次元構造を有するウーハは、構造が容易に損傷される場合があるので、処理時、例えばウェハボンディング時に問題となる。

傾斜光学窓を有する保護キャップを製造するためのさらなる方法が、例えば、ドイツ特許出願公開第１０２００８０４０５２８号明細書、ドイツ特許出願公開第１０２０１００６２１１８号明細書およびドイツ特許出願公開第１０２０１２２０６８５８Ａ１により知られている。

本発明は、請求項１に記載の傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル置の製造方法および請求項１０に記載の対応するマイクロメカニカル装置を提供する。

好ましい構成が、それぞれの従属請求項の対象である。

発明の利点
本発明の基礎をなす概念は、第１の基板内に互いに離間した複数の貫通孔を形成することであり、貫通孔は、互いに離間した複数の列に沿って第１の基板に配列される。当該複数の列の各々に沿って連続する傾斜した溝が形成されて、傾斜光学窓用の支持部を定める。

したがって、本発明は、例えば、マイクロメカニカルなマイクロミラー走査装置のための保護ウェハとして使用可能な、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置のための費用対効果の高い製造方法を可能にするものである。傾斜した透光性の光学窓は、高い光学的品質をもって製造できる。本発明による製造方法は、ロバストであり、大量生産に適しており、公知の方法よりも安価である。ＭＥＭＳ基板を用いる別の既知の処理プロセスをわずかに変更するだけでよい。

傾斜光学窓は、ＭＥＭＳおよび半導体技術において一般的なプロセスを用いて製造できる。処理の際には傾斜光学窓における擦り傷、粒子、および損傷は、容易に防止できる。

本発明による概念によれば、オプションとして、段差形状のない矩形状の光学窓を使用することができる。これにより、光学ガラスのウェハ１枚当たりの有用性を２倍にし、分離プロセスを簡易化することができるので、さらなるコスト上の利点がある。

好ましい構成によれば、隣接する溝は互いに逆方向に傾斜させられる。これにより、安定した基板構造およびチップの近接配置が可能となるので、隣接するチップの電気的なボンディングパッドに対して１つの共通の開口部のみを設ければよい。

さらなる好ましい構成によれば、光学窓は、全周に亘って密閉接合され、例えば接着材を用いて接合される。これにより、密閉された窓を形成することが可能となる。

さらなる好ましい構成によれば、溝は、機械的研磨プロセスで形成される。これは、溝を形成するうえで効率的な方法である。

さらなる好ましい構成によれば、溝が形成された後に、第２の基板がおもて面に接合され、第２の基板には、光学窓を組み込むための組込開口部が形成される。これにより、それら窓のために付加的な保護を与えることおよびアライメントを助けること、ならびに基板のさらなる処理、および、例えばエッジ吸引による自動的な処理が可能となる。

さらなる好ましい構成によれば、前記の溝および第２の基板は、光学窓が第２の基板内に完全に埋没するように構成される。このような保護は、特に効果的であり、機械的接触を回避することによって窓への損傷を防止する。

さらなる好ましい構成によれば、組込開口部は、光学窓のための側方ガイドとして形成される。これにより、窓を確実にアライメントすることが可能となる。

さらなる好ましい構成によれば、光学窓の縁部に全周に亘って接合用のガラスはんだが付され、次いで光学窓はピックアンドプレイスプロセスにより溝に組み込まれた後に、当該組み込まれた状態で、熱によりガラスはんだを軟化させて基板に密閉接合される。これにより、大量生産に適したロバストなプロセスが可能になる。

さらなる好ましい構成によれば、第１および／または第２の基板は、ウェハ基板、特にガラスウェハ基板、シリコンウェハ基板、セラミックウェハ基板、金属ウェハ基板またはプラスチックウェハ基板である。このような基板は安定的であり、良好に処理できる。

本発明のさらなる特徴および利点を、図面を参照して実施形態に基づいて以下に説明する。

図１ａ〜図１ｅは、本発明の第１の実施形態に係る、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置を説明するための概略的な断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るマイクロメカニカル装置を示す概略的な平面図である。 図３ａ〜図３ｄは、本発明の第２の実施形態に係る、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置を説明するための概略的な断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るマイクロメカニカル装置の概略的な上面図である。

図面において、同一の参照符号は、同一または機能的に同一の構成要素を示す。

図１ａ〜図１ｅは、本発明の第１の実施形態に係る、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置を説明するための概略断面図であり、図２は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロメカニカル装置の概略的な上面図である。

第１の実施形態に係る傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置は、例えば、マイクロメカニカルなマイクロミラー走査装置用の保護ウェハ装置として使用することができる。

マイクロメカニカル装置の製造は、ウェハレベルで説明されるが、これに限定されず、他の基板レベルで実行可能である。簡略化表示のために２つの傾斜光学窓の製造のみが示されるが、もちろん、多数の傾斜光学窓をウェハレベルで製造することができる。

図１ａにおいて、参照符号Ｓ１は、例えば、シリコンウェハ基板、ガラスウェハ基板、プラスチック基板、金属ウェハ基板、セラミックウェハ基板などの第１のウェハ基板を示す。図１ａは、図２のＡ−Ａ′線断面に対応する図である。

第１の製造工程では、おもて面ＶＳおよび裏面ＲＳを有する第１のウェハ基板Ｓ１の処理が行われる。

第１のウェハ基板Ｓ１には、例えば、ＫＯＨエッチングもしくはサンドブラスト、または任意の他の物質除去方法（機械的穿孔、研磨、侵食またはレーザ加工を含む）により貫通孔Ｆ１，Ｆ２が設けられる。貫通孔Ｆ１，Ｆ２およびさらなる貫通孔（図示しない）は、平行な列Ｒ１，Ｒ２で第１のウェハ基板Ｓ１にマトリクス状に形成される。

図１ｂは、図２のＢ−Ｂ′線断面に対応する図である。図１ｂに示すように、次の処理工程では、貫通孔Ｆ１，Ｆ２などを形成した後に、おもて面ＶＳに、列Ｒ１，Ｒ２に沿って連続する傾斜溝Ｎ１，Ｎ２が形成され、これらの溝は、後に組み込まれる光学窓のための支持部もしくはシール面を定めるものである。これらの溝Ｎ１，Ｎ２は、例えば、研磨によって対応する外形状を有するように加工され得る。本実施例では、第１のウェハ基板Ｓ１の法線に対する傾斜角は６０°であるが、原理的には、用途に応じて任意の傾斜角を選択することができる。溝Ｎ１，Ｎ２は、それぞれ、貫通孔Ｆ１，Ｆ２のそれぞれの列を延在する。隣接する溝Ｎ１，Ｎ２は、好ましくは、図１ｂに示すように、互いに逆方向に傾斜している。

図１ｃは、図２のＡ−Ａ′線断面に対応し、貫通孔Ｆ１，Ｆ２と共に溝Ｎ１，Ｎ２を示す図である。図１ｄは、図２のＡ−Ａ′線断面に対応する図である。

図１ｄに示すように、あらかじめ全周に亘ってガラスはんだが付された光学窓Ｇ１，Ｇ２をピックアンドプレイス実装法（チップオンウェハ実装）によって組み込み、密閉接合する。光学窓Ｇ１，Ｇ２を組み込んだ後に、光学窓Ｆ１，Ｆ２が完全に実装された第１のウェハ基板を加熱プレート（図示しない）上で加熱し、ガラスはんだの軟化温度に達したときに光学窓Ｇ１，Ｇ２はおもて面ＶＳと裏面ＲＳとの間の圧力差によりそれぞれの支持部に圧着される。光学窓Ｇ１，Ｇ２と第１のウェハ基板Ｓ１との間に位置するガラスはんだは軟化して溶融する。次の冷却の後、光学窓Ｇ１，Ｇ２と第１のウェハ基板との間に密閉結合が形成される。

図１ｅは、図２のＢ−Ｂ′線断面に対応する図である。

後の処理工程によって保護ウェハの製造は完了する。アクチュエータまたはセンサウェハとの密閉結合を形成するために、第１のウェハ基板Ｓ１の裏面ＲＳに、例えばガラスはんだが同様に塗布される（図示しない）。

このようなＭＥＭＳウェハを有するウェハアセンブリの製造は、従来のウェハアセンブリプロセスおよびウェハアセンブリシステムを用いて行われる。この場合、従来技術で知られているように、第１のウェハ基板とアクチュエータまたはセンサウェハ（図示しない）との間のキャビティ内に、周辺に対する負圧または正圧を設けることができる。最終的なチップの分離も、例えば、ソーイングなどの標準的なプロセスによって行われる。

図３ａ〜図３ｄは、本発明の第２の実施形態に係る、傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法および対応するマイクロメカニカル装置を説明するための概略断面図であり、図４は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロメカニカル装置の概略上面図である。

図３ａ，図３ｂおよび図３ｃは、図４のＣ−Ｃ′線断面に対応する図である。図３ｃは、図４のＤ−Ｄ′線断面に対応する図である。

図３ａに示すプロセス状態は、図１ｃに示したプロセス状態に続くものである。第２のウェハ基板Ｓ２が第１のウェハ基板Ｓ１のおもて面ＶＳに接合される。第２のウェハ基板Ｓ２は、この時点で既に最終的な目標厚さまで薄肉化され得、光学窓Ｇ１，Ｇ２のための組込開口部Ｄ１，Ｄ２を有することもできる。ウェハ基板の薄肉化およびガラス窓Ｇ１，Ｇ２用の組込開口部Ｄ１，Ｄ２の組み込みは、プロセス制御に応じて、例えば、ＫＯＨエッチング、サンドブラスト、機械的研磨、トレンチエッチングなどで行われてもよいし、あるいは上述した構造化工程の組み合わせで行われてもよい。

ただし、本実施形態では、最初に第２のウェハ基板Ｓ２が第１のウェハ基板Ｓ１に接合され、次に、最終的な目標厚さまで薄肉化され、続いて、光学窓Ｇ１，Ｇ２を組み込むための組込開口部Ｄ１，Ｄ２が形成される。

溝Ｎ１，Ｎ２の深さおよび第２のウェハ基板Ｓ２の厚さは、光学窓Ｇ１，Ｇ２が第２のウェハ基板Ｓ２の露出したおもて面に対して完全に埋没するように選択されることが好ましい。これにより、光学窓Ｇ１，Ｇ２が組み込まれた後に損傷を受けないこと、すなわち、例えば機械的作用による引っ掻き傷の防止を保証することができる。好ましくは、組込開口部Ｄ１，Ｄ２は、光学窓Ｇ１，Ｇ２用の側方ガイドとして形成される。このような側方ガイドにより、光学窓Ｇ１，Ｇ２は、図３ｄに示すように、組込開口部Ｄ１，Ｄ２内で移動することはない。

図１ｄに関して既に説明したように、あらかじめ周方向にガラスはんだが付されている光学窓Ｇ１，Ｇ２の組み込みは、ピックアンドプレイス実装法によって行われ、その後、ガラス軟化温度工程が行われる。

第２のウェハ基板Ｓ２を使用することにより、第１のウェハ基板Ｓ１の構造化されない縁部と、チップ周辺の接合面とが実現可能となる。したがって、溝Ｎ１，Ｎ２は、ウェハ直径全体に亘って縁部まで延在することができ、これは、例えば、直径の大きい研削車を使用することができるので、製造技術的にも大きな利点である。これは、除去速度に関しても、溝Ｎ１，Ｎ２の外形精度に関しても大きな利点である。上述したように、隣接する溝Ｎ１，Ｎ２は、好ましくは、互いに逆方向に傾斜する。

このようにして製造された保護ウェハのさらなる処理は、第１の実施形態に関して既に説明したように実行され得る。

好ましい例示的な実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されない。特に、上述した材料および接続形態は、例示的なものにすぎず、説明した例に限定されない。

特に、他の傾斜方向、角度、幾何学的形状などを選択することができる。

１つの基板Ｓ１のみが使用される場合には、光学窓は、まとめてストリップ状に溝に組み込まれて、接合され得る。

Claims (15)

1. 傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置の製造方法であって、
   おもて面（ＶＳ）および裏面（ＲＳ）を有する第１の基板（Ｓ１）を設ける工程と、
   前記第１の基板（Ｓ１）の互いに離間した複数の列（Ｒ１，Ｒ２）に沿って配列され、互いに離間した複数の貫通孔（Ｆ１，Ｆ２）を前記第１の基板（Ｓ１）に形成するステップ工程と、
   前記複数の列（Ｒ１，Ｒ２）の各々に沿って、連続する傾斜した溝（Ｎ１，Ｎ２）を形成して前記傾斜光学窓（Ｇ１，Ｇ２）のための支持部を定める工程と、
   前記貫通孔（Ｆ１，Ｆ２）上で前記溝（Ｎ１，Ｎ２）に前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）を組み込む工程と
   を含む製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法であって、隣接する前記溝（Ｎ１，Ｎ２）を互いに逆方向に傾斜させる、製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法であって、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）を全周に亘って密閉接合する製造方法。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記溝（Ｎ１，Ｎ２）を機械的研磨プロセスで形成する、製造方法。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記溝（Ｎ１，Ｎ２）を形成した後に、第２の基板（Ｓ２）を前記おもて面（ＶＳ）に接合し、前記第２の基板（Ｓ２）に、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）を組み込むための組込開口部（Ｄ１，Ｄ２）を形成する、製造方法。
6. 請求項５に記載の製造方法であって、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）が前記第２の基板（Ｓ２）内に完全に埋没するように前記溝（Ｎ１，Ｎ２）および前記第２の基板（Ｓ２）を構成する、製造方法。
7. 請求項５または６に記載の製造方法であって、前記組込開口部（Ｄ１，Ｄ２）を前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）のための側方ガイドとして形成する、製造方法。
8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）の縁部に全周に亘って接合用のガラスはんだを付し、次いでピックアンドプレイスプロセスにより前記光学窓を前記溝（Ｎ１，Ｎ２）に組み込んだ後に、当該組み込んだ状態で熱により前記ガラスはんだを軟化させて前記光学窓を密閉接合する、製造方法。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の製造方法であって、前記第１および／または第２の基板（Ｓ１、Ｓ２）が、ウェハ基板、特にガラスウェハ基板、シリコンウェハ基板、セラミックウェハ基板、金属ウェハ基板またはプラスチックウェハ基板である、製造方法。
10. 傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置であって、
    おもて面（ＶＳ）および裏面（ＲＳ）を有する第１の基板（Ｓ１）と、
    前記第１の基板（Ｓ１）内で、前記第１の基板（Ｓ１）の互いに離間した複数の列（Ｒ１，Ｒ２）に沿って配列され、互いに離間した複数の貫通孔（Ｆ１，Ｆ２）と、
    傾斜光学窓（Ｇ１，Ｇ２）のための支持部を定めるように、前記複数の列（Ｒ１，Ｒ２）の各々に沿って連続する傾斜した溝（Ｎ１，Ｎ２）と、
    前記貫通孔（Ｆ１，Ｆ２）上で前記複数の溝（Ｎ１，Ｎ２）に密閉接合された複数の光学窓（Ｇ１，Ｇ２）と
    を備えるマイクロメカニカル装置。
11. 請求項１０に記載の傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置であって、隣接する前記溝（Ｎ１，Ｎ２）が互いに逆方向に傾斜している、マイクロメカニカル装置。
12. 請求項１０または１１に記載の傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置であって、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）が、全周に亘って密閉接合されている、マイクロメカニカル装置。
13. 請求項１０から１２までのいずれか１項に記載の傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置であって、
    第２の基板（Ｓ２）が前記おもて面（ＶＳ）に接合され、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）を組み込むための組込開口部（Ｄ１，Ｄ２）が前記第２の基板（Ｓ２）に形成されている、マイクロメカニカル装置。
14. 請求項１０から１３までのいずれか1項に記載の傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置であって、前記溝（Ｎ１，Ｎ２）および前記第２の基板（Ｓ２）が、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）が前記第２の基板（Ｓ２）内に完全に埋没するように構成されている、マイクロメカニカル装置。
15. 請求項１０から１４までのいずれか1項に記載の傾斜光学窓を有するマイクロメカニカル装置であって、前記組込開口部（Ｄ１，Ｄ２）が、前記光学窓（Ｇ１，Ｇ２）のための側方ガイドとして形成されている、マイクロメカニカル装置。

Images