TWI772507B - 藉由雷射熔融以密封微機械裝置的方法和具有雷射熔融密封的微機械裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種藉由雷射熔融以密封一微機械裝置的方法，該方法具有以下步驟：(A)提供具有一接取通道(20)之一微機械裝置，該接取通道在一外部開口(30)上具有一軸環(40)，(B)藉由該軸環(40)之雷射輻射來密封該接取通道(20)之該外部開口(30)，至少部分地熔融該軸環(40)且藉由來自該軸環之一材料的熔融來密封該外部開口(30)。
本發明亦係關於一種微機械裝置，其具有一雷射熔融密封，特別是藉由根據本發明之該方法產生的一雷射熔融密封，該微機械裝置具有一接取通道(20)，該接取通道在一外部開口(30)上具有一軸環(40)，藉由來自該軸環之一材料的一熔融密封(90)來密封該接取通道(20)之該外部開口(30)。

Description

藉由雷射熔融以密封微機械裝置的方法和具有雷射熔融密封的微機械裝置
本發明係關於一種藉由雷射熔融以密封微機械裝置之方法及一種具有雷射熔融密封之微機械裝置。
MEMS元件常常由感測器元件組成，感測器元件受頂蓋保護免於環境影響。此出於若干原因而係有必要的。感測器元件通常可僅在某一壓力範圍內起作用。藉助於頂蓋，以容納方式設定且維持感測器元件之環境壓力，且在規格之限度內保持確保組件之使用壽命內之壓力的(小)變化。
用於設定感測器元件之感測器空腔內之所需壓力的各種方法係可能的。因此，舉例而言，可在感測器晶圓與蓋晶圓之間的接合程序期間設定壓力。替代地，在各感測器空腔中亦可能存在至周圍區域之接取孔，藉由雷射方法在經定義壓力下密封該接取孔。此方法具有許多優點，詳言之關於遍及晶圓之壓力分佈及壓力設定之準確性具有許多優點。此方法自德國專利申請案DE 102014202801.9已知。
在實際雷射密封之後或期間，會在密封件之區域中發生裂紋。若 結果空腔不再緊密地密封，則此表示MEMS元件之功能性的風險。
本發明之目標
本發明之目標係提供一種具有一機械堅固之密封件的微機械裝置。
本發明之優點
本發明係關於一種用於藉由雷射熔融密封一微機械裝置之方法，該方法具有以下步驟： (A)提供具有一接取通道之一微機械裝置，該接取通道在一外部開口上具有一軸環， (B)藉由該軸環之雷射輻射密封該接取通道之該外部開口，至少部分地熔融該軸環且藉由來自該軸環之一材料的熔融密封該外部開口。
根據本發明之方法的一有利改進指出：在步驟(A)中，提供具有一外部主要表面之一微機械裝置，該軸環在該外部主要表面中配置於一凹槽中，詳言之其方式為使得該接取通道之該軸環與該外部開口相對於該外部主要表面埋頭地配置。
根據本發明之方法的一有利改進指出：在步驟(A)中，提供一微機械裝置，該軸環具有呈至少一個溝槽之形式的子構造，該子構造以一環形方式圍繞該外部開口配置且平行於該接取通道延伸。
根據本發明之方法的一有利改進指出：在步驟(A)中，提供一微機械裝置，該軸環具有呈盲孔之形式的子構造，該子構造平行於該接取通道延伸且詳言之具有一正方形橫截面。
根據本發明之方法的一有利改進指出：在步驟(A)之前，藉由雷 射鑽孔至少部分地產生該接取通道及/或該凹槽及/或該軸環。
根據本發明之方法的一有利改進指出：在步驟(A)之前，藉由乾式蝕刻至少部分地產生該凹槽及/或該軸環及/或該子構造。
本發明亦係關於一種微機械裝置，其具有一雷射熔融密封，詳言之藉由根據本發明之方法產生的雷射熔融密封，該微機械裝置具有一接取通道，該接取通道在一外部開口上具有一軸環，藉由來自該軸環之一材料的一熔融密封來密封該接取通道之該外部開口。
根據本發明之微機械裝置的一有利改進指出：該微機械裝置具有一外部主要表面中之一凹槽且該軸環配置於該凹槽中，詳言之其方式為使得該接取通道之該軸環與該外部開口相對於該外部主要表面埋頭地配置。
本發明之本質係用於雷射密封之密封區域之幾何佈置的一經修改設計，原因在於一軸環配置於該接取通道之該外部開口上。此使得有可能替換易受破裂影響之先前幾何佈置且打開新應用。詳言之，在該主要表面下雷射密封件重新定位至諸如詳言之一雷射空腔之一凹槽中使得有可能最小化在進一步處理該MEMS晶圓期間由對雷射密封件之損壞引起之故障率。另外，其可重新定位至極深之凹槽，詳言之雷射空腔中，以使得甚至在雷射密封之後，亦仍有可能執行涉及移除材料之製程，例如用於降低晶圓厚度之CMP。
本發明宜可用於許多不同MEMS，詳言之感測器。此等感測器包括加速度感測器、轉速感測器、具有一晶片上之一加速度感測器與一旋轉速率感測器的組合式元件以及需要空腔壓力之經定義設定的其他新穎感測器及其他MEMS。
另外，本發明亦可用於密封起將材料引入至該空腔中之作用的接取孔。舉例而言，此等材料可係用於塗佈或用於蝕刻之材料。
10‧‧‧微機械功能元件
15‧‧‧空腔
20‧‧‧接取通道
25‧‧‧頂蓋
30‧‧‧外部開口
40‧‧‧軸環
42‧‧‧橫向軸環距離
44‧‧‧軸環高度
48‧‧‧壁厚度
50‧‧‧凹槽
60‧‧‧外部主要表面
70‧‧‧環形溝槽
80‧‧‧盲孔
90‧‧‧熔融密封
100‧‧‧MEMS晶圓
圖1展示先前技術之具有雷射熔融密封的第一微機械裝置。
圖2展示先前技術之具有更深雷射熔融密封之第二微機械裝置。
圖3a及圖3b展示在密封之前的具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的第一具體實例。
圖4展示具有雷射熔融密封之藉由雷射熔融而密封的根據本發明之微機械裝置。
圖5a及圖5b展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封具有直接包圍材料之薄壁厚度。
圖5c及圖5d展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封具有直接包圍材料之厚壁厚度。
圖6a及圖6b展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封相對於直接包圍材料之壁厚度具有大的孔直徑。
圖6c及圖6d展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封相對於直接包圍材料之壁厚度具有小的孔直徑。
圖7a及圖7b展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封具有直接包圍材料之環形子構造。
圖7c及圖7d展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封具有具不同深度之直接包圍材料之環形子構造。
圖7e及圖7f展示具有雷射熔融密封之根據本發明之微機械裝置的例示性具體實例，該雷射熔融密封具有直接包圍材料之局部子構造，該局部子構造具有具有正方形橫截面之盲孔。
圖8示意性地展示根據本發明之用於藉由雷射熔融密封微機械裝置的方法。
圖1展示先前技術之具有雷射熔融密封的第一微機械裝置。表示具有空腔15之微機械裝置，其實質上由MEMS晶圓100及頂蓋25封閉。微機械功能元件10配置於空腔15中。微機械裝置具有接取通道20，該接取通道形成自外部周圍區域至空腔15之接取。
出於此目的，接取通道20在微機械裝置之外部主要表面60中以外部開口30結束。外部開口30以熔融密封90密封，藉由自包圍材料進行雷射熔融來形成該熔融密封。
圖2展示先前技術之具有更低雷射熔融密封之第二微機械裝置。作為與圖1之差異，在此處接取通道20之外部開口30在微機械裝置之外部主要表面60中配置於凹槽50中。類似地，結果，熔融密封90亦配置於凹槽50中，且因此在微機械裝置之外部主要表面60下埋頭。
在雷射密封方法之先前實施方案的狀況下，對感測器空腔之接取直接密封於表面處(圖1)或密封於表面下之寬雷射空腔中(圖2)。若在表面處直接發生密封，則感測器晶圓之進一步處理僅在受限制程度上有可能，此係因為密封件敏感且會易於損壞。然而，在寬雷射空腔中之表面下之密封的狀況下，形成應力裂紋之風險增大，此最終引起待密封之感測器空腔之密封緊密度的損失。此意謂此感測器元件不再起作用。因此，雷射密封之最佳化係必需的。
在表面處之密封之狀況下且在更低雷射空腔之狀況下，發生應力裂紋之起因在於雷射密封方法自身，在密封之區域中，材料藉由雷射加熱直至其呈液體為止。液體密封所製備接取孔。在後續固化製程期間，之前已呈液體之材料膨脹。此係已知異常，類似於水及冰。另外，已固化材料及包圍非熔融材料之間的溫度梯度引起張應力，此係因為體積在冷卻製程期間減小(而不改 變相位)。該張應力顯著地優於由於相位自液體改變至固體之張應力。張應力發生可使得在先前熔融之材料的區域中形成裂紋(圖2)。
根據本發明，微機械裝置具有接取通道，接取通道在外部開口上具有軸環。軸環在MEMS之包圍外部表面上方上升。軸環可以環形方式封閉接取開口。在內側上，軸環可與接取通道齊平地形成。軸環可由亦包圍接取通道自身之相同材料形成。
圖3a及圖3b展示在密封之前具有雷射熔融密封之根據本發明之MEMS裝置的第一例示性具體實例。在此配置之狀況下，藉由雷射產生凹槽50。在此雷射空腔內，存在至微機械裝置之空腔體積的接取通道。此接取通道之外部開口自身由稍後起密封之作用的材料包圍且比寬雷射空腔之底部具有更大高度之構形係必不可少的。出於此目的，接取通道20在外部開口30上具有軸環40。軸環40在微機械裝置之包圍外部表面上方以軸環高度44上升。在此實例中，軸環40在外部主要表面60中配置於凹槽50中，其方式為使得具有接取通道20之外部開口30的軸環40相對於外部主要表面60埋頭地配置。軸環40在此狀況下離凹槽50之邊緣具有橫向軸環距離42。
替代地，軸環亦可配置於微機械裝置之外部主要表面正上方且在此外部主要表面上方上升。
在雷射熔融製程期間，將雷射導引至接取孔上且直接包圍密封材料，以便使密封材料熔融。熔融材料密封接取孔且固化。與先前已知之幾何佈置的本質差異因此係在冷卻製程期間發生之應力可鬆弛，此係因為不存在雷射密封之側向耦接，且因此不會產生應力裂紋。此情形之原因係密封材料自周圍區域解耦。在圖4中展示運用此新穎幾何佈置之雷射密封方法的結果。
圖4展示具有雷射熔融密封之藉由雷射熔融而密封的根據本發明的微機械裝置。作為與圖3a之差異，軸環40之上部部分現已藉由雷射熔融而熔 融且形成熔融密封90，該熔融密封對接取通道20之外部開口30進行密封。熔融密封90配置於軸環40之剩餘部分上方，且因此配置於凹槽50之底部上方。為了使足夠材料可用於熔融，軸環必須具有足夠之壁厚度48。
替代地，整個軸環40藉由雷射熔融安裝且藉由其材料形成密封接取通道之外部開口的熔融密封。
另外，可最佳化軸環之幾何佈置，原因在於熔融材料與待密封之孔的比發生變化。存在可特定地執行此操作之若干方式：
根據圖5a至圖5d之包圍孔材料之壁厚度的最佳化
藉由改變直接包圍材料之壁厚度來修改孔之表面面積與直接包圍材料之表面面積(以平面圖可見)之間的比。以此方式，熔融材料之量可經最佳化成孔直徑。圖5a及圖5b以橫截面且以平面圖展示具有相對薄壁厚度48之軸環的實例。圖5c及圖5d以橫截面且以平面圖展示具有相對厚壁厚度48之軸環的實例。
根據圖6a至圖6d之孔大小修改
使孔直徑與直接包圍材料之間的比變化之另一可能方式係修改孔直徑。此操作之實例可獲自圖6a至圖6d。
根據圖7a至圖7f之直接包圍材料的結構化
使熔融材料與外部開口之孔表面面積之間的比變化之另一可能方式係有意地子構造化直接包圍材料。此達成經熔融直接包圍材料之體積可變化的效應，此係因為在不同高度處存在直接包圍材料之不同表面面積。子構造可呈同心環、正方形、矩形或其他幾何形狀及其組合形式。另外，個別子構造可具有不同高度。在圖7a至圖7f中展示一些子構造可能性。完全封閉之環或否則部分封閉之環的變體就技術而言尤其有利，亦即，環形溝槽70(圖7a至圖7d)。圖7a及圖7b以橫截面且以平面圖展示軸環之環形子構造的實例。表示具有閉合 環形溝槽70之軸環40。圖7c及圖7d以橫截面且以平面圖展示軸環之具有不同深度之數個環形子構造的實例。表示具有兩個同心配置、不間斷地環形之溝槽70的軸環40。圖7e及圖7f以橫截面且以平面圖展示具有盲孔之軸環之子構造的實例。表示具有盲孔80之軸環40，該等盲孔具有具有不同大小之正方形橫截面。具有其他形狀及大小之橫截面係可能的。
描述應力之有效率鬆弛的基本參數係軸環40之壁厚度48及密封件90(見圖4)。壁結構之剛度在第一近似中隨壁厚度之三次冪提高。將壁分段成具有窄壁厚度之數個壁區因此不僅允許修改熔融材料與孔表面面積之間的比，而且允許藉由降低之剛度極有效率地提高整個系統鬆弛之能力。
子構造可能性之組合
為了最佳化熔融材料之體積，亦可組合包含三個前述措施之方式。
為了產生根據本發明之此新穎幾何佈置，使用藉由微影及後續蝕刻進行結構化之已建立方法。藉由適合之遮罩形成且利用ARDE效應，在乾式蝕刻期間有可能在一個蝕刻步驟中執行接取通道之蝕刻之直接包圍孔之材料的額外結構化，該材料亦即軸環。此節約製程時間及因此製程成本兩者。因此可預期相比於先前使用之幾何佈置，根據本發明之此幾何佈置中不存在大量的額外成本，而且同時其允許最佳化雷射密封且消除裂紋形成之可能性，在更低雷射空腔50中尤其如此。
替代地，亦可藉由蝕刻製程而非雷射空腔產生凹槽50。
圖8示意性地展示根據本發明之用於藉由雷射熔融密封MEMS的方法。根據本發明之用於藉由雷射熔融密封MEMS的方法至少包含以下步驟：(A)提供具有接取通道20之微機械裝置，該接取通道在外部開口30上具有軸環40， (B)藉由軸環40之雷射輻射密封接取通道20之外部開口30，至少部分地熔融軸環40且藉由來自軸環之材料的熔融密封外部開口30。
10‧‧‧微機械功能元件
15‧‧‧空腔
20‧‧‧接取通道
25‧‧‧頂蓋
48‧‧‧壁厚度
50‧‧‧凹槽
60‧‧‧外部主要表面
90‧‧‧熔融密封
100‧‧‧MEMS晶圓

Claims (9)

  1. 一種藉由雷射熔融以密封一微機械裝置之方法，其具有以下步驟：(A)提供具有一接取通道(20)之一微機械裝置，該接取通道在一外部開口(30)上具有一軸環(40)，(B)藉由該軸環(40)之雷射輻射來密封該接取通道(20)之該外部開口(30)，至少部分地熔融該軸環(40)且藉由來自該軸環之一材料的熔融來密封該外部開口(30)。
  2. 如請求項1所述之密封一微機械裝置之方法，其中，在步驟(A)中，提供具有一外部主要表面(60)之一微機械裝置，該軸環(40)配置於該外部主要表面(60)中之一凹槽(50)中，特別是其方式為使得該接取通道(20)之該軸環(40)與該外部開口(30)相對於該外部主要表面(60)埋頭地配置。
  3. 如請求項1所述之密封一微機械裝置之方法，其中，在步驟(A)中，提供一微機械裝置，該軸環(40)具有呈至少一個溝槽(70)之形式的一子構造，該子構造以一環形方式圍繞該外部開口(30)配置且平行於該接取通道(20)延伸。
  4. 如請求項1所述之密封一微機械裝置之方法，其中，在步驟(A)中，提供一微機械裝置，該軸環(40)具有呈盲孔(80)之形式的一子構造，該子構造平行於該接取通道(20)延伸且特別是具有一正方形橫截面。
  5. 如請求項2所述之密封一微機械裝置之方法，其中，在步驟(A)之前，藉由雷射鑽孔至少部分地產生該接取通道(20)及/或該凹槽(50)及/或該軸環(40)。
  6. 如請求項2所述之密封一微機械裝置之方法，其中，在步驟(A)之前，藉由乾式蝕刻至少部分地產生該凹槽(50)及/或該軸環(40)。
  7. 如請求項3或4所述之密封一微機械裝置之方法，其中，在步驟(A)之前，藉由乾式蝕刻至少部分地產生該子構造。
  8. 一種微機械裝置，其具有一雷射熔融密封，特別是藉由如請求項1至7中任一項之方法產生的一雷射熔融密封，該微機械裝置具有一接取通道(20)，該接取通道在一外部開口(30)上具有一軸環(40)，藉由來自該軸環之一材料的一熔融密封(90)來密封該接取通道(20)之該外部開口(30)。
  9. 如請求項8所述之微機械裝置，其中，該微機械裝置具有一外部主要表面(60)中之一凹槽(50)，且該軸環(40)配置於該凹槽(50)中，特別是其方式為使得該接取通道(20)之該軸環(40)與該外部開口(30)相對於該外部主要表面(60)埋頭地配置。
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