TWI825093B - 具有傾斜光學窗的微機械裝置的製造方法及對應的微機械裝置 - Google Patents

具有傾斜光學窗的微機械裝置的製造方法及對應的微機械裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種具有傾斜光學窗的微機械裝置的製造方法，且係關於一種對應的微機械裝置。該製造方法包含以下步驟：設置具有前側(VS)及背側(RS)之第一基板(S1)；在該第一基板(S1)中形成複數個隔開之通孔(F1，F2)，該等通孔在該第一基板(S1)中沿著複數個隔開之列(R1，R2)而配置；沿著該等列(R1，R2)中之每一者形成各別連續斜向凹槽(N1，N2)，其界定用於該等傾斜光學窗(G1，G2)之底座；及在該等通孔(F1，F2)上方將該等傾斜光學窗(G1，G2)插入至該等凹槽(N1，N2)中。

Description

具有傾斜光學窗的微機械裝置的製造方法及對應的微機械裝置
本發明係關於一種具有傾斜光學窗的微機械裝置的製造方法，且係關於一種對應的微機械裝置。
儘管亦適用於任何所要光學裝置及系統，但本發明及從而解決之問題係基於光學微機械微鏡掃描器裝置進行解釋。
微機械MEMS組件必須受到保護，以防止受到有害的外部環境影響(例如潮濕、侵蝕性介質等)。防止機械接觸/毀壞且允許藉由鋸切自晶圓組合單粒化成多個晶片同樣係必需的。
在許多狀況下，亦必須藉助於氣密囊封使特定氛圍(例如氣體類型及/或氣體壓力)之設定係可能的。
用晶圓組合中之具有空腔及通孔的頂蓋晶圓囊封MEMS組件已得以廣泛建立。出於此目的，使頂蓋晶圓與具有MEMS結構之晶圓對準且使該頂蓋晶圓與該晶圓接合在一起。該接合在一起可例如藉由陽極結合或直接結合(玻璃與矽之間以不含接合劑之方式連接)藉助於共晶接合層或藉助於玻璃焊 料或黏著劑來進行。MEMS組件處於頂蓋晶圓之空腔下方，其中用於使用細線連接MEMS組件之電結合襯墊經由頂蓋晶圓中之通孔可接取。
光學微機械MEMS組件(MOEMS)，諸如(例如)微鏡，需要以上所描述之保護且另外需要具有高光學品質且可能亦具有特定光學塗層之透明窗。偶爾，亦在頂蓋中實現用於電連接之通孔。
當光射線穿過透明窗時，在界面處產生反射。若微機械微鏡掃描器裝置之靜止反射處於微鏡之掃描區中，則其強度超過投影影像之強度且因此具有干擾效應。光學窗之抗反射塗層可僅減小此等干擾反射之強度。由於微鏡通常圍繞其靜止位置對稱地振盪或偏轉，故若光學窗平行於鏡面之靜止位置且若鏡平面與光學窗之間的距離小，則反射始終處於掃描區中(針對MEMS組件始終為此狀況)。
避免由反射引起的干擾之唯一可能性為藉由光學窗與鏡面在未偏轉狀態中不平行於彼此將該等反射自掃描區引導。為此存在兩種可能性，即：首先光學窗傾斜，或其次鏡面之靜止位置傾斜。兩種可能性在先前技術中係已知的。
舉例而言，歐洲專利第EP 1 688 776 A1號中揭示了用於單粒化晶片之傾斜窗。歐洲專利第EP 1 748 029 A2號中描述了用於晶圓級封裝之傾斜窗或可避免反射之其他形式之窗。
根據歐洲專利第EP 1 748 029 A2號，三維表面結構(例如，傾斜窗)係由晶圓組合中之透明材料(玻璃或塑膠)製造。製造三維結構之方法極昂貴或並不產生所需光學品質。此外，具有對應的三維結構之晶圓在處理期間，例如在晶圓結合期間係有問題的，此係由於結構可容易被損壞。
用於製造具有傾斜光學窗之保護性頂蓋之其他方法係例如自德國專利第DE 10 2008 040 528 A1號、德國專利第DE 10 2010 062 118 A1號及德 國專利第DE 10 2012 206 858 A1號而為已知的。
本發明提供一種如請求項1的具有傾斜光學窗之微機械裝置的製造方法，及一種如請求項10之對應的微機械裝置。
各別附屬請求項係關於較佳發展。
本發明之優勢
本發明所隱含之概念在於於第一基板中形成複數個隔開之通孔，該等通孔沿著該第一基板中之複數個隔開之列配置。一各別連續斜向凹槽係沿著該等列中之每一者而形成，其界定用於該等傾斜光學窗之一底座。
本發明因此啟用一種具有一傾斜光學窗之一微機械裝置之有成本效益的製造方法，該裝置可例如用作一微機械微鏡掃描器裝置之一保護性晶圓。傾斜光學透明窗可以高光學品質來製造。根據本發明之該製造方法係穩固的且適合於連續製造且亦比已知方法更具成本效益。運用本身已知的MEMS基板進行之進一步處理製程必須僅作稍微修改。
該等傾斜光學窗可藉由在MEMS及半導體技術中習用的製程來製造。可容易避免在處理期間傾斜光學窗上之刮痕、粒子及損壞。
可運用根據本發明之概念使用可能不具有階狀切面輪廓之矩形光學窗。因此，每光學玻璃晶圓之益處可加倍且可簡化單粒化製程，此為另一成本優勢。
根據一項較佳發展，鄰近凹槽在相對方向上斜切。此實現穩定的基板結構及晶片之封閉配置，使得僅需要向鄰近晶片之電結合襯墊提供一個共同開口。
根據另一較佳發展，該等光學窗以一氣密密封方式沿著其整個 圓周接合，例如黏結。此使得有可能形成氣密密封式窗。
根據另一較佳發展，該等凹槽在一機械研磨製程中形成。此為形成凹槽之高效方式。
根據另一較佳發展，在形成該等凹槽之後，將一第二基板結合至該前側上，其中用於插入該等光學窗之插入開口形成於該第二基板中。此實現對窗之額外保護及定向輔助，且亦實現基板之進一步處理以及自動處置，例如藉由邊緣吸力。
根據另一較佳發展，以該等光學窗完全沈降於該第二基板中之一方式來製作該等凹槽及該第二基板。此保護特別有效且藉由避免機械接觸而防止窗損壞。
根據另一較佳發展，該等插入開口經建構為用於該等光學窗之側向導引件。此使得能夠牢固地定向窗。
根據另一較佳發展，該等光學窗出於插入之目的在邊緣處周向地設置有一玻璃焊料，隨後藉由一取置製程而插入至該等凹槽中，且接著在該插入狀態中，以一氣密密封方式與經軟化之該玻璃焊料氣密接合，例如黏結。此實現適合於連續製造之穩固方法。
根據另一較佳發展，該第一基板及/或該第二基板係晶圓基板，詳言之玻璃晶圓基板、矽晶圓基板、陶瓷晶圓基板、金屬晶圓基板或塑膠晶圓基板。此類基板係穩定的且可良好地予以處理。
A-A':區段
B-B':區段
C-C':區段
D-D':區段
D1:插入開口
D2:插入開口
F1:通孔
F2:通孔
G1:光學窗/玻璃窗
G2:光學窗/玻璃窗
N1:連續斜向凹槽
N2:連續斜向凹槽
RS:背側
R1:列
R2:列
S1:第一晶圓基板
S2:第二晶圓基板
VS:前側
在下文參看諸圖基於實施方式來解釋本發明之其他特徵及優勢。
在該等圖中： 圖1a)至1e)展示用於闡明根據本發明之第一實施方式的具有傾斜光學窗之微機械裝置之製造方法及對應的微機械裝置的示意性橫截面說明；圖2展示根據本發明之第一實施方式之微機械裝置的示意性平面圖；圖3a)至3d)展示用於闡明根據本發明之第二實施方式的具有傾斜光學窗之微機械裝置之製造方法及對應的微機械裝置的示意性橫截面說明；及圖4展示根據本發明之第二實施方式之微機械裝置的示意性平面圖。
在諸圖中，相同參考符號指定相同或功能上相同之元件。
圖1a)至1e)為用於闡明根據本發明之第一實施方式的具有傾斜光學窗之微機械裝置之製造方法及對應的微機械裝置的示意性橫截面說明，且圖2為根據本發明之第一實施方式之微機械裝置的示意性平面圖。
根據第一實施方式的具有傾斜光學窗之微機械裝置可例如用作微機械微鏡掃描器裝置之保護性晶圓裝置。
微機械裝置之製造在晶圓級處進行描述，但其不限於此且亦可經實施於不同基板級處。為了簡化說明，此處僅展示兩個傾斜光學窗之製造，但當然可在晶圓級處製造大量傾斜光學窗。
在圖1a)中，參考符號S1表示第一晶圓基板，例如，矽晶圓基板或玻璃晶圓基板或塑膠基板或金屬晶圓基板或陶瓷晶圓基板等。圖1a)對應於圖2中之區段A-A'。
第一製造步驟涉及處理具有前側VS及背側RS之第一晶圓基板S1。
通孔F1及F2例如藉助於KOH蝕刻或噴砂或藉助於任何其他材料移除方法(包括機械鑽孔、研磨、侵蝕或雷射加工)而引入至第一晶圓基板S1 中。通孔F1、F2及其他通孔(未說明)在第一晶圓基板S1上以矩陣形式以平行列R1、R2形成。
圖1b)對應於圖2中之區段B-B'。如圖1b)中所展示，在後續製程步驟中，在於前側VS上形成通孔F1、F2等之後，連續斜向凹槽N1、N2沿著列R1、R2形成，該等連續斜向凹槽界定用於稍後待插入之光學窗之底座或密封表面。該等凹槽N1、N2可自基板進行工作，例如藉由用對應輪廓進行研磨。在本實例中，相對於第一晶圓基板S1之法線之斜邊為60°，但原則上取決於應用可選擇任意斜邊。在此狀況下，每一凹槽N1、N2延伸通過通孔F1、F2之各別列。鄰近凹槽N1、N2較佳在相對方向上斜切，如圖1b)中所說明。
圖1c)對應於圖2中之區段A-A'且說明凹槽N1、N2連同通孔F1、F2。圖1d)對應於圖2中之區段A-A'。
如圖1d)中所說明，預先沿著其整個圓周周向地設置有玻璃焊料的光學窗G1、G2藉助於取置配合方法(晶片至晶圓配合)以氣密密封方式被插入及接合。在插入光學窗G1、G2之後，在加熱板(未說明)上加熱完全配合有光學窗F1、F2之第一晶圓基板，且當達到玻璃焊料之軟化點時，光學窗G1、G2藉助於前側VS與背側RS之間的壓力差而壓入其各別底座中。結果，位於光學窗G1、G2與第一晶圓基板S1之間的玻璃焊料軟化及潮解。後續冷卻之後為在光學窗G1、G2與第一晶圓基板之間產生氣密連接。
圖1e)對應於圖2中之區段B-B'。
後一製程步驟結束保護性晶圓之製造。為了形成具有致動器或感測器晶圓之氣密複合總成，同樣將例如玻璃焊料施加(未說明)於第一晶圓基板S1之背側RS上。
使用習用的晶圓複合總成製程及晶圓複合總成安裝來進行具有MEMS晶圓之此晶圓複合總成之製造。在此狀況下，如在先前技術中已知，可 在第一晶圓基板與致動器或感測器晶圓(未說明)之間的空腔中設定相對於周圍環境之減壓或超壓。亦使用標準製程，諸如鋸切進行晶片之最終單粒化。
圖3a)至3d)為用於闡明根據本發明之第二實施方式的具有傾斜光學窗之微機械裝置之製造方法及對應的微機械裝置的示意性橫截面說明，且圖4為根據本發明之第二實施方式之微機械裝置的示意性平面圖。
圖3a)、圖3b)、圖3c)對應於圖4中之區段C-C'。圖3c)對應於圖4中之區段D-D'。
根據圖3a)之製程狀態遵循根據圖1c)之製程狀態。將第二晶圓基板S2結合至第一晶圓基板S1之前側VS上。在此時間點，第二晶圓基板S2可已經薄化至其最終目標厚度且亦具有用於光學窗G1、G2之插入開口D1、D2。可取決於製程實施，例如藉助於KOH蝕刻、噴砂、機械研磨、溝槽蝕刻等或藉助於所提及結構化方法之組合來進行用於玻璃窗G1、G2之插入開口D1、D2之薄化及引入。
然而，在本發明例示性實施方式中，第二晶圓基板S2首先結合至第一晶圓基板S1上且接著薄化至其最終目標厚度，且此後形成用於插入光學窗G1、G2之插入開口D1、D2。
較佳選擇凹槽N1、N2之深度且亦較佳選擇第二晶圓基板S2之厚度，其方式為使得光學窗G1、G2相對於第二晶圓基板S2之暴露表面完全沈降。此使得有可能確保光學窗G1、G2在插入之後並不被損壞，亦即，避免了例如由於機械影響之刮痕。較佳地，插入開口D1、D2經建構為用於光學窗G1、G2之側向導引件。由於此側向導引件，光學窗G1、G2無法在插入開口D1、D2內滑動，如圖3d)中所展示。
如上文已經與圖1d)相關聯地所描述，預先周向地設置有玻璃焊料之光學窗G1、G2藉助於取置配合方法被插入，之後進行玻璃軟化溫度步 驟。
第二晶圓基板S2之使用使第一晶圓基板S1之無結構邊緣以及晶片之圓周接合表面成為可能。
凹槽N1、N2因此可延伸遍及整個晶圓直徑直至邊緣，此在製造工程方面高度有利，此係由於例如具有大直徑之研磨輪係可用的。此對移除速率以及對凹槽N1、N2之輪廓準確度高度有利。如上文所描述，鄰近凹槽N1、N2較佳在相對方向上斜切。
以此方式製造之保護性晶圓之進一步處理可以已經與第一實施方式相關聯所描述之方式來進行。
儘管已基於較佳例示性實施方式來描述本發明，但本發明不限於此。詳言之，所提及材料及拓樸結構係僅僅作為實例，且不限於所解釋實例。
詳言之，可選擇其他傾斜方向、角度、幾何形狀等。
若僅使用一個基板S1，則亦可將光學窗作為條帶連續引入至凹槽中且將其接合。
A-A':區段
F2:通孔
G1:光學窗/玻璃窗
G2:光學窗/玻璃窗
N1:連續斜向凹槽
N2:連續斜向凹槽
RS:背側
S1:第一晶圓基板
VS:前側

Claims (9)

  1. 一種具有傾斜光學窗之微機械裝置之製造方法，該製造方法包含以下步驟：設置具有前側(VS)及背側(RS)之第一基板(S1)；在該第一基板(S1)中形成複數個隔開之通孔(F1，F2)，該等通孔(F1，F2)在該第一基板(S1)中沿著複數個隔開之列(R1，R2)而配置；沿著該等列(R1，R2)中之每一者形成各別連續斜向凹槽(N1，N2)，其界定用於該等傾斜光學窗(G1，G2)之底座；及在該等通孔(F1，F2)上方將該等光學窗(G1，G2)插入至該等凹槽(N1，N2)中；其中鄰近凹槽(N1，N2)在相對方向上斜切；且其中在形成該等凹槽(N1，N2)之後，將第二基板(S2)結合至該前側(VS)上，且其中用於插入該等光學窗(G1，G2)之插入開口(D1，D2)形成於該第二基板(S2)中；其中以該等光學窗(G1，G2)完全沈降於該第二基板(S2)中之方式來製作該等凹槽(N1，N2)及該第二基板(S2)，且該等光學窗(G1，G2)的至少一部分鄰接該第二基板(S2)。
  2. 如請求項1所述之製造方法，其中該等光學窗(G1，G2)係以氣密密封方式而沿著其整個圓周接合。
  3. 如請求項1或2所述之製造方法，其中該等凹槽(N1，N2)在一機械研磨製程中形成。
  4. 如請求項1所述之製造方法，其中該等插入開口(D1，D2)經建構為用於該等光學窗(G1，G2)之側向導引件。
  5. 如請求項1或2所述之製造方法，其中該等光學窗(G1，G2)出 於插入之目的在邊緣處周向地設置有玻璃焊料，隨後藉由一取置製程而插入至該等凹槽(N1，N2)中，且接著在插入狀態中，以氣密密封方式與經軟化之該玻璃焊料熱接合。
  6. 如請求項1或2所述之製造方法，其中該第一基板及/或該第二基板(S1，S2)係玻璃晶圓基板、矽晶圓基板、陶瓷晶圓基板、金屬晶圓基板或塑膠晶圓基板。
  7. 一種具有傾斜光學窗之微機械裝置，其包含：具有前側(VS)及背側(RS)之第一基板(S1)；該第一基板(S1)中之複數個隔開之通孔(F1，F2)，該等通孔(F1，F2)在該第一基板(S1)中沿著複數個隔開之列(R1，R2)而配置；沿著該等列(R1，R2)中之每一者之各別連續斜向凹槽(N1，N2)，其界定用於該等傾斜光學窗(G1，G2)之底座；複數個光學窗(G1，G2)，其以氣密密封方式在該等通孔(F1，F2)上方接合至該等凹槽(N1，N2)中；其中鄰近凹槽(N1，N2)在相對方向上斜切；且其中第二基板(S2)結合至該前側(VS)上，且其中用於插入該等光學窗(G1，G2)之插入開口(D1，D2)形成於該第二基板(S2)中；其中該等凹槽(N1，N2)及該第二基板(S2)以該等光學窗(G1，G2)完全沈降於該第二基板(S2)中之方式來製作，且該等光學窗(G1，G2)的至少一部分鄰接該第二基板(S2)。
  8. 如請求項7所述之具有傾斜光學窗之微機械裝置，其中該等光學窗(G1，G2)以氣密密封方式沿著其整個圓周接合。
  9. 如請求項7所述之具有傾斜光學窗之微機械裝置，其中該等插入開口(D1，D2)經建構為用於該等光學窗(G1，G2)之側向導引件。
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