WO2019149426A1 - VERFAHREN ZUM VERSCHLIEßEN VON ÖFFNUNGEN IN EINER FLEXIBLEN MEMBRAN EINES MEMS-ELEMENTS - Google Patents

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WO2019149426A1
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laser beam
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Christoph Hermes
Juergen Butz
Bernhard Gehl
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for closing openings in a flexible membrane of a MEMS element.
  • the invention further relates to a MEMS element with a flexible membrane having at least one opening.
  • the present invention is generally applicable to any MEMS elements having a flexible membrane, the present invention will be explained in terms of MEMS sensors in the form of MEMS microphones or MEMS pressure sensors having a defined internal pressure between upper and lower membranes.
  • MEMS sensors such as MEMS pressure sensors or MEMS microphones
  • at least one cavern is formed, which is covered by at least one flexible membrane.
  • a pressure-dependent, in particular sound pressure-dependent deflection change of the flexible membrane is detected by changes in capacitance which occur, for example, by electrodes between the flexible membrane and a fixed electrode surface and which can be read out.
  • etch accesses in the membrane are required, inter alia, for the release of the membrane in order to be able to free this membrane as a whole. These openings must be closed to provide the defined internal pressure again.
  • DE 10 2015 224 520 A1 has disclosed a method for producing a micromechanical component with a substrate and with a cap connected to the substrate and enclosing a first cavity with the substrate, wherein an access opening is formed by a cap in a process chamber.
  • an access opening connecting the first cavern to an environment of the micromechanical device is formed in the substrate or in the cap, wherein
  • the first pressure and / or the first chemical composition in the first cavity is adjusted, wherein in a third method step the access opening is closed by introducing energy or heat into an absorbent part of the substrate or the cap by means of a laser, wherein a getter introduced into the first cavity before the third process step is activated at least partially during the third process step by means of laser radiation generated by the laser.
  • the invention provides a method for closing openings in a flexible membrane of a MEMS element comprising the steps
  • the invention provides a MEMS element having a flexible membrane which has at least one opening which is closed by melting of an applied closure material in the region of the at least one opening and subsequent cooling of the molten sealing material.
  • One of the advantages achieved with this is that it allows the closure of a flexible membrane of a MEMS element with a defined internal pressure. Another advantage is that the opening is less restricted in terms of its geometric design and still allows a reliable closure. Another advantage is that, when closing the opening, fewer particles can pass into a cavity which may be defined by the flexible membrane. In addition, openings can be closed reliably and inexpensively in a flexible manner.
  • the application of the sealing material takes place by spin-coating and / or by means of an inkjet process and / or by means of bonding of a wafer, in particular in the region of the at least one opening.
  • One of the advantages achieved thereby is that it can be applied in a flexible manner, for example laser-sensitive material such as silicon dioxide, a metal, a polymer or the like in the form of a paste, emulsion, emulsion drops or the like.
  • the melting takes place by means of a laser beam.
  • the advantage of this is that it is simple and at the same time extreme Reliable way the melting can be limited locally and so the closure of at least one opening can be done reliably.
  • material of the flexible membrane in the region of the at least one opening is melted in addition to the melting of the applied closure material.
  • the closure material is moved by means of a laser beam into the region of the at least one opening.
  • the sealing material can also be arranged first outside the direct area of the openings and then be moved by means of the laser beam to the opening for closing the same. A complex and accurate arrangement of closure material directly in the region of the at least one opening is therefore not necessary.
  • the closure material is provided at least partially in the form of membrane material.
  • the advantage of this is that no other type of material must be applied as closure material. In this way, a particularly reliable closure with a single material is achieved.
  • the closure material is provided by ablation of membrane material of the flexible membrane.
  • the flexible membrane can already be dimensioned in advance of the ablation, in particular thicker, so that subsequently by the corresponding ablation a desired (target) layer thickness of the flexible membrane is achieved.
  • the sealing and the appropriate dimensioning of the flexible membrane can essentially take place in one step.
  • the laser beam is provided in the form of a hollow ring or a hollow ellipse by means of an optical device.
  • an optical device for shaping the laser beam, in particular its cross-sectional area, a particularly accurate and reliable melting of the Closing material and closing the at least one opening.
  • the transition region between the closure material and the opening can be selectively irradiated without a high energy input in the middle of the closure material or the opening.
  • the closure material is melted only in the edge region and prevents complete melting of the closure material.
  • the laser beam is provided pulsating in its power and / or in at least one diameter.
  • the flexibility is increased because it allows the laser beam to be adapted to different materials and different sized openings in a flexible manner.
  • the laser beam and the plane of the flexible membrane are arranged tilted to each other.
  • the advantage of this is that, for example, an increased spot size of the laser beam can be achieved with a smaller penetration depth into the flexible membrane, which optimizes the energy input by the laser beam into the desired flat material depth of the flexible membrane and at the same time enlarges the melting surface.
  • a cavern is at least partially formed by means of the flexible membrane and the at least one opening is formed as access to the cavern and by closing the at least one opening in the flexible membrane, a defined pressure is trapped in the cavern.
  • non-stick material is arranged below the flexible membrane, in particular on an inner surface of a cavern.
  • Figure 1 shows schematically in cross section a MEMS pressure sensor according to an embodiment of the present invention prior to closing of openings.
  • FIG. 1 shows schematically in cross section the MEMS pressure sensor according to FIG.
  • Figure 3 shows schematically in cross section steps of a method for
  • FIG. 4 shows steps of a method for closing openings of a
  • MEMS pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 5a-d show various shapes of the laser beam for closing
  • Openings of a MEMS pressure sensor according to embodiments of the present invention Openings of a MEMS pressure sensor according to embodiments of the present invention.
  • Figure 1 shows schematically in cross-section a MEMS pressure sensor according to a Embodiment of the present invention prior to closing openings.
  • FIG. 1 shows a MEMS pressure sensor 1.
  • the MEMS pressure sensor 1 comprises a substrate 4, wherein on the substrate 4, a lower membrane 3 is arranged, which is partially released from the substrate 4 on its underside or can be.
  • On top of the lower membrane 4 support structures 5 are arranged, which support an upper membrane 2 with respect to the lower membrane 3.
  • Upper diaphragm 2 and lower diaphragm 3 are arranged substantially horizontally and parallel to each other.
  • a plurality of caverns 10 are formed by lower and upper membrane 2, 3 and the support structure 5.
  • electrodes 7 are respectively arranged, which experience a change in the capacitance between them when the membranes 2, 3 move. This change in capacitance can then be read out accordingly by means of a readout method and determine, for example, a pressure on the membrane 2, 3.
  • etching accesses 6 in the form of openings are arranged in the upper membrane. These openings 6 must be closed again, for example, to allow a defined internal pressure in the caverns 10 between the two membranes 2, 3 of 1 to 10 mbar.
  • FIG 2 shows schematically in cross section the MEMS pressure sensor according to Figure 1 when closing openings.
  • FIG. 2 essentially shows the MEMS pressure sensor 1 according to FIG.
  • closure material 8 is now partially arranged in or on the openings 6.
  • the sealing material 8 is for example a suitably tuned laser-sensitive material, for example silicon dioxide, a metal, a polymer or the like in the form of a paste, emulsion, emulsion drops or the like. This can be applied, for example, by spin coating or specifically by inkjet method. Likewise, if appropriate, an additionally attached additional Wafers can be used as closure material 8.
  • FIG. 3 shows schematically in cross section steps of a method for closing openings of a MEMS pressure sensor of FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 essentially the MEMS pressure sensor 1 according to FIG. 1 is shown.
  • the closure material 8 is not arranged directly in or on the openings 6, but in each case on the right.
  • the closure material 8 is moved by the laser beam 9 to the opening 6 (reference numeral 20), so that ultimately the closure material 8 is arranged according to Figure 2 on or in the opening 6. Subsequently, this is again heated by means of the laser beam 9, so melted and thus closes the opening 6 after cooling.
  • Figure 4 shows steps of a method for closing openings of a MEMS microphone according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 essentially the MEMS pressure sensor 1 according to FIG. 1 is shown.
  • the upper membrane 2 is now made thicker.
  • the thickness of the upper membrane 2, measured perpendicular to the distance between the two membranes 2, 3, is dimensioned so as to be able to produce a material front of molten membrane material as closure material 8 by means of a laser beam 9, without, however, destroying the membrane 2 ,
  • the laser beam 9 is thereby guided on and over the upper membrane 2, so that the movement of the material front takes place in the direction 21, that is, the molten material is moved in the direction of an opening 6.
  • the thickness of the upper membrane 2 is so dimensioned so that after the material removal by means of the laser beam 9 and closing the openings 6 reaches the desired target thickness of the upper membrane 2 or provided is.
  • Figures 5a-d show various shapes of the laser beam for closing openings of a MEMS pressure sensor according to embodiments of the present invention.
  • FIGS. 5a-d variations of the shape of a laser beam 9 are shown, respectively.
  • the laser beam 9 has the form of a punctiform laser spot 9 or a circle.
  • the laser beam 9 is provided in its cross-sectional area in the form of a hollow ring 9b by means of a corresponding optics.
  • FIG. 5c essentially the hollow ring 9b according to FIG. 5b is provided.
  • the diameter 30 of the hollow ring 9b 'according to FIG. 5c varies in this case, for example periodically, randomly or the like, in particular around an average diameter.
  • the average diameter corresponds in particular substantially to the diameter of a round opening 6 of the upper membrane 2.
  • FIG. 5d shows a hollow ellipse 9c whose one diameter 30 pulsates or varies along an axis of the hollow ellipse. It is also possible to vary the diameter of the other axis alternatively or additionally accordingly.
  • the laser beam 9 can be irradiated thereon at a corresponding angle to the surface of the MEMS element, in particular the upper flexible membrane 2, by a larger spot size, in other words a larger area to be acted upon by the laser beam 9 with a smaller penetration depth to reach the membrane 2.
  • the energy input can be optimized in a desired flat depth of material and the melting surface can be increased.
  • the MEMS element may in particular be a MEMS pressure sensor, a MEMS inertial sensor, a combination of MEMS inertial and MEMS pressure sensor, MEMS microphone, MEMS loudspeaker and / or a MEMS gas sensor with a reference gas enclosed in a cavity,
  • a MEMS pressure sensor for example, in the form of a NOx, lambda sensor or the like may be used.
  • a sensor element having a flexible membrane has a thickness in the range of about several hundred nanometers to several micrometers.
  • As a closure material for example, silicon-rich nitride Si x N y or stoichiometric silicon nitride SHN 4 having a thickness in the range of about several 100 nm to several microns.
  • closure material furthermore, as already mentioned, silicon dioxide in spin-on glass or a metal paste with dissolved tungsten oxide can be used, the solvent then being evaporated and the silicon dioxide or metal being used as sealing material 8.
  • the closure material 8 can be applied by means of an inkjet process, for example aluminum or copper can be applied therewith.
  • the closure material 8 can likewise be applied to the membrane 2 by means of LIFT, laser induced forward transfer.
  • chromium, aluminum, copper, selenium dioxide or graphene can be used as sealing material.
  • At least one of the embodiments of the invention has at least one of the following advantages:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von Öffnungen in einer flexiblen Membran eines MEMS-Elements, umfassend die Schritte - Bereitstellen zumindest einer Öffnung in der flexiblen Membran, - Anordnen von Verschlussmaterial im Bereich der zumindest einen Öffnung, - Aufschmelzen zumindest des aufgebrachten Verschlussmaterials im Bereich der zumindest einen Öffnung und anschließendem Erkalten des aufgeschmolzenen Materials zum Verschließen der zumindest einen Öffnung.

Description

Verfahren zum Verschließen von Öffnungen in einer flexiblen Membran eines MEMS-Elements
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschließen von Öffnungen in einer flexiblen Membran eines MEMS-Elements.
Die Erfindung betrifft weiter ein MEMS-Element mit einer flexiblen Membran, die zumindest eine Öffnung aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige MEMS-Elemente mit einer flexiblen Membran anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf MEMS-Sensoren in Form von MEMS-Mikrofonen oder MEMS-Drucksensoren mit definiertem Innendruck zwischen einer oberen und einer unteren Membran erläutert.
In bekannten MEMS Sensoren wie beispielsweise MEMS-Drucksensoren oder MEMS Mikrofonen wird mindestens eine Kaverne ausgebildet, die durch mindestens eine flexible Membran bedeckt wird. Eine druckabhängige, insbesondere schalldruck- abhängige Auslenkungsänderung der flexiblen Membran wird durch Kapazitäts- änderungen detektiert, welche beispielsweise durch Elektroden zwischen flexibler Membran und einer fixierten Elektrodenfläche auftreten und die ausgelesen werden können. Während der Herstellung des MEMS-Drucksensors werden unter anderem zur Freistellung der Membran Ätzzugänge in der Membran benötigt, um diese Membran insgesamt freisteilen zu können. Diese Öffnungen müssen, um den definierten Innendruck bereitzustellen, wieder verschlossen werden.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2015 224 520 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikromecha- nischen Bauelements mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe, bekannt geworden, wobei eine Zugangsöffnung durch einen in einem Verfahrens- schritt in einen flüssigen Aggregatzustand übergehenden Materialbereich des Substrats oder der Kappe zwischen einer im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufenden und auf einer der ersten Kaverne abgewandten Seite eines im Wesentlichen senkrecht zu der Haupterstre- ckungsebene ausgebildeten Bereichs der Zugangsöffnung angeordneten ersten Ebene und einer im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene des Substrats verlaufenden und auf einer der ersten Kaverne zugewandten Seite des im Wesentlichen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene ausgebildeten Bereichs der Zugangsöffnung angeordneten zweiten Ebene im Wesentlichen vollständig gefüllt wird.
Aus der DE 10 2015 224 506 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements mit einem Substrat und mit einer mit dem Substrat verbundenen und mit dem Substrat eine erste Kaverne umschließenden Kappe bekannt geworden, wobei in der ersten Kaverne ein erster Druck herrscht und ein erstes Gasgemisch mit einer ersten chemischen Zusammensetzung eingeschlossen ist, wobei
in einem ersten Verfahrensschritt eine die erste Kaverne mit einer Umgebung des mikromechanischen Bauelements verbindende Zugangsöffnung in dem Substrat oder in der Kappe ausgebildet wird, wobei
in einem zweiten Verfahrensschritt der erste Druck und/oder die erste chemische Zusammensetzung in der ersten Kaverne eingestellt wird, wobei in einem dritten Verfahrensschritt die Zugangsöffnung durch Einbringen von Energie oder Wärme in einen absorbierenden T eil des Substrats oder der Kappe mithilfe eines Lasers verschlossen wird, wobei ein vor dem dritten Verfahrensschritt in die erste Kaverne eingebrachter Getter mithilfe von durch den Laser erzeugte Laserstrahlung zumindest teilweise während des dritten Verfahrensschritts aktiviert wird.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Verschließen von Öffnungen in einer flexiblen Membran eines MEMS-Elements, umfassend die Schritte bereit
Bereitstellen zumindest einer Öffnung in der flexiblen Membran, Anordnen von Verschlussmaterial im Bereich der zumindest einen Öffnung,
Aufschmelzen zumindest des aufgebrachten Verschlussmaterials im Bereich der zumindest einen Öffnung und anschließendem Erkalten des aufgeschmolzenen Materials zum Verschließen der zumindest einen Öffnung.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein MEMS-Element bereit, mit einer flexiblen Membran, die zumindest eine Öffnung aufweist, welche durch Aufschmelzen eines aufgebrachten Verschlussmaterials im Bereich der zumindest einen Öffnung und anschließendem Erkalten des aufgeschmolzenen Verschluss- materials verschlossen ist.
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit der Verschluss einer flexiblen Membran eines MEMS-Elements mit einem definierten Innendruck ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Öffnung hinsichtlich ihrer geometrischen Ausgestaltung weniger eingeschränkt ist und trotzdem ein zuverlässiger Verschluss ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass beim Verschließen der Öffnung weniger Partikel in eine durch die flexible Membran gegebenenfalls definierte Kaverne gelangen können. Darüber hinaus können Öffnungen auf flexible Weise zuverlässig und kostengünstig verschlossen werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Aufbringen des Verschluss- materials mittels Aufschleudern und/oder mittels eines Inkjetverfahrens und/oder mittels Aufbonden eines Wafers, insbesondere im Bereich der zumindest einen Öffnung. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass damit auf flexible Weise, beispielsweise lasersensitives Material wie beispielsweise Siliziumdioxid, ein Metall, ein Polymer oder Ähnliches in Form einer Paste, Emulsion, Emulsionstropfen oder Ähnlichem aufgebracht werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Aufschmelzen mittels eines Laserstrahls. Vorteil hiervon ist, dass auf einfache und gleichzeitig äußerst zuverlässige Weise das Aufschmelzen lokal begrenzt werden kann und so der Verschluss der zumindest einen Öffnung zuverlässig erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zusätzlich zum Aufschmelzen des aufgebrachten Verschlussmaterials Material der flexiblen Membran im Bereich der zumindest einen Öffnung aufgeschmolzen. Vorteil hiervon ist, dass damit eine besonders zuverlässige Verbindung von Verschlussmaterial und Membranmaterial im Bereich der zumindest einen Öffnung erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Verschlussmaterial mittels eines Laserstrahls in den Bereich der zumindest einen Öffnung bewegt. Damit kann das Verschlussmaterial auch außerhalb des direkten Bereichs der Öffnungen zunächst angeordnet werden und dann mittels des Laserstrahls zu der Öffnung zum Verschließen derselben bewegt werden. Eine aufwändige und genaue Anordnung von Verschlussmaterial direkt im Bereich der zumindest eine Öffnung ist damit nicht notwendig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Verschlussmaterial zumindest teilweise in Form von Membranmaterial bereitgestellt. Vorteil hiervon ist, dass keine weitere Materialart als Verschlussmaterial aufgebracht werden muss. Auf diese Weise wird ein besonders zuverlässiger Verschluss mit einem einzigen Material erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Verschlussmaterial durch Abtragung von Membranmaterial der flexiblen Membran bereitgestellt. Die flexible Membran kann dabei im Vorfeld der Abtragung bereits so dimensioniert werden, insbesondere dicker, sodass anschließend durch die entsprechende Abtragung eine gewünschte (Ziel)Schichtdicke der flexiblen Membran erreicht wird. Somit kann das Verschließen und das geeignete Dimensionieren der flexiblen Membran im Wesentlichen in einem Schritt erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Laserstrahl in Form eines Hohlrings oder einer Hohlellipse mittels einer optischen Einrichtung bereitgestellt. Auf diese Weise kann durch Formgebung des Laserstrahls, insbesondere dessen Querschnittsfläche, ein besonders genaues und zuverlässiges Aufschmelzen des Verschlussmaterials und Verschließen der zumindest einen Öffnung erfolgen. Mittels eines Hohlrings kann beispielsweise gezielt der Übergangsbereich zwischen Verschlussmaterial und Öffnung bestrahlt werden ohne einen hohen Energieeintrag in der Mitte des Verschlussmaterials beziehungsweise der Öffnung. Dadurch wird das Verschlussmaterial lediglich im Randbereich aufgeschmolzen und ein vollständiges Schmelzen des Verschlussmaterials vermieden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird der Laserstrahl pulsierend in seiner Leistung und/oder in zumindest einem Durchmesser bereitgestellt. Damit wird die Flexibilität erhöht, da damit der Laserstrahl auf unterschiedlichen Materialien und unterschiedlich große Öffnungen im flexibler Weise angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung werden der Laserstrahl und die Ebene der flexiblen Membran zueinander gekippt angeordnet. Vorteil hiervon ist, dass beispielsweise eine erhöhte Spotgröße des Laserstrahls bei geringerer Eindringtiefe in die flexible Membran erreicht werden kann, was den Energieeintrag durch den Laserstrahl in die gewünschte flache Materialtiefe der flexiblen Membran optimiert und gleichzeitig die Aufschmelzfläche vergrößert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird zumindest teilweise mittels der flexiblen Membran eine Kaverne gebildet und die zumindest eine Öffnung wird als Zugang zur Kaverne ausgebildet und durch das Verschließen der zumindest einen Öffnung in der flexiblen Membran wird ein definierter Druck in der Kaverne eingeschlossen. Vorteil hiervon ist, dass ein genaues und zuverlässiges MEMS- Element für Druckanwendungen bereitgestellt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des MEMS-Element ist unterhalb der flexiblen Membran Antihaftmaterial angeordnet, insbesondere auf einer inneren Oberfläche einer Kaverne. Vorteil hiervon ist, dass ein permanentes Anhaften von Teilen innerhalb der Kaverne reduziert wird.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter- ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er- läuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich- nungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen MEMS Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Verschließen von Öffnungen.
Figur 2 zeigt schematisch im Querschnitt den MEMS-Drucksensor gemäß Figur
1 beim Verschließen von Öffnungen.
Figur 3 zeigt schematisch im Querschnitt Schritte eines Verfahrens zum
Verschließen von Öffnungen des MEMS-Drucksensors der Figur 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Verschließen von Öffnungen eines
MEMS-Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Figur 5a-d zeigen verschiedene Formen des Laserstrahls zum Verschließen von
Öffnungen eines MEMS-Drucksensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt schematisch im Querschnitt einen MEMS-Drucksensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vor dem Verschließen von Öffnungen.
In Figur 1 ist ein MEMS-Drucksensor 1 gezeigt. Der MEMS-Drucksensor 1 umfasst ein Substrat 4, wobei auf dem Substrat 4 eine untere Membran 3 angeordnet ist, die auf ihrer Unterseite teilweise vom Substrat 4 freigestellt ist beziehungsweise werden kann. Auf der Oberseite der unteren Membran 4 sind Stützstrukturen 5 angeordnet, die eine obere Membran 2 gegenüber der unteren Membran 3 abstützen. Obere Membran 2 und untere Membran 3 sind im Wesentlichen horizontal und parallel zueinander angeordnet. Dabei werden durch untere und obere Membran 2, 3 sowie die Stützstruktur 5 mehrere Kavernen 10 gebildet. Auf der Oberseite der unteren Membran 3 und auf der Unterseite der oberen Membran 2 sind jeweils Elektroden 7 angeordnet, die bei Bewegung der Membranen 2,3 eine Änderung der Kapazität zwischen diesen erfahren. Diese Kapazitätsänderung kann dann entsprechend mittels eines Ausleseverfahrens ausgelesen werden und beispielsweise einen Druck auf die Membran 2, 3 ermitteln.
Zur Herstellung dieser MEMS-Schichtstruktur für den MEMS-Drucksensor 1 sind in der oberen Membran 2 Ätzzugänge 6 in Form von Öffnungen angeordnet. Diese Öffnungen 6 müssen wieder verschlossen werden, um beispielsweise einen definierten Innendruck in den Kavernen 10 zwischen den beiden Membranen 2, 3 von 1 bis 10 mbar zu ermöglichen.
Figur 2 zeigt schematisch im Querschnitt den MEMS-Drucksensor gemäß Figur 1 beim Verschließen von Öffnungen.
In Figur 2 ist im Wesentlichen der MEMS-Drucksensor 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Mikrofon 1 gemäß Figur 1 ist beim MEMS-Mikrofon 1 gemäß Figur 2 nun teilweise in beziehungsweise auf den Öffnungen 6 Verschlussmaterial 8 angeordnet. Mittels eines Laserstrahls 9 wird das Verschlussmaterial 8 gezielt auf bzw. in den Öffnungen aufgeschmolzen und diese damit nach Erkalten verschlossen. Das Verschlussmaterial 8 ist beispielsweise ein entsprechend abgestimmtes lasersensitives Material, beispielsweise Siliziumdioxid, ein Metall, ein Polymer oder Ähnliches in Form einer Paste, Emulsion, Emulsionstropfen oder Ähnlichem. Dieses kann bspw. mittels Aufschleudern oder gezielt per Inkjetverfahren aufgebracht werden. Ebenso kann gegebenenfalls ein zusätzlich aufgebondeter zusätzlicher Wafer als Verschlussmaterial 8 verwendet werden.
Figur 3 zeigt schematisch im Querschnitt Schritte eines Verfahrens zum Verschließen von Öffnungen eines MEMS-Drucksensors der Figur 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 3 ist im Wesentlichen der MEMS-Drucksensor 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zum MEMS-Drucksensor 1 gemäß Figur 1 ist bei MEMS-Drucksensor 1 gemäß Figur 3 das Verschlussmaterial 8 nicht direkt in beziehungsweise auf den Öffnungen 6 angeordnet, sondern jeweils rechts daneben. Mittels eines schräg einfallenden Laserstrahls 9 wird das Verschlussmaterial 8 durch den Laserstrahl 9 auf die Öffnung 6 zubewegt (Bezugszeichen 20), sodass letztendlich das Verschlussmaterial 8 gemäß Figur 2 auf beziehungsweise in der Öffnung 6 angeordnet wird. Anschließend wird dieses wieder mittels des Laserstrahls 9 erhitzt, damit aufgeschmolzen und verschließt so die Öffnung 6 nach dem Erkalten.
Figur 4 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Verschließen von Öffnungen eines MEMS-Mikrofons gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Figur 4 ist im Wesentlichen der MEMS-Drucksensor 1 gemäß Figur 1 gezeigt. Im Unterschied zu dem MEMS-Drucksensor 1 gemäß Figur 1 ist bei dem MEMS- Drucksensor 1 gemäß Figur 4 nun die obere Membran 2 dicker ausgeführt. Die Dicke der oberen Membran 2, gemessen senkrecht zum Abstand zwischen den beiden Membranen 2, 3, ist dabei so bemessen, um eine Materialfront aus aufgeschmolzenem Membranmaterial als Verschlussmaterial 8 mittels eines Laserstrahls 9 zu erzeugen zu können, ohne jedoch die Membran 2 dabei zu zerstören. Der Laserstrahl 9 wird dabei so auf und über die obere Membran 2 geführt, sodass die Bewegung der Materialfront in Richtung 21 erfolgt, also das aufgeschmolzene Material in Richtung einer Öffnung 6 bewegt wird. Dabei rastert der Laserstrahl 9 über die Membranoberfläche der oberen Membran 2. Mit anderen Worten ist die Dicke der oberen Membran 2 also so bemessen, dass nach dem Materialabtrag mittels des Laserstrahls 9 und Verschließen der Öffnungen 6 die gewünschte Zieldicke der oberen Membran 2 erreicht beziehungsweise bereitgestellt ist. Figur 5a-d zeigen verschiedene Formen des Laserstrahls zum Verschließen von Öffnungen eines MEMS-Drucksensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
In Figur 5a-d sind jeweils Variationen der Form eines Laserstrahls 9 gezeigt. In Figur 5a hat der Laserstrahl 9 die Form eines punktförmigen Laserspots 9, beziehungsweise eines Kreises. In Figur 5b wird mittels einer entsprechenden Optik der Laserstrahl 9 in seiner Querschnittsfläche in Form eines Hohlrings 9b bereitgestellt. In Figur 5c wird im Wesentlichen der Hohlring 9b gemäß Figur 5b bereitgestellt. Der Durchmesser 30 des Hohlrings 9b‘ gemäß Fig. 5c variiert jedoch dabei, beispielsweise periodisch, zufällig oder dergleichen, insbesondere um einen mittleren Durchmesser. Der mittlere Durchmesser entspricht dabei insbesondere im Wesentlichen dem Durchmesser einer runden Öffnung 6 der oberen Membran 2. In Figur 5d ist schließlich eine Hohlellipse 9c gezeigt, deren einer Durchmesser 30 entlang einer Achse der Hohlellipse pulsiert beziehungsweise variiert. Es ist ebenso möglich, den Durchmesser der anderen Achse alternativ oder zusätzlich ent- sprechend zu variieren.
Mittels der Ausführungsformen der Figuren 5b-d können beispielsweise lokale bessere Aufschmelzverteilungen des Verschlussmaterials 8 erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Laserstrahl 9 in einem entsprechenden Winkel zur Oberfläche des MEMS-Elements, insbesondere der oberen flexiblen Membran 2, auf diese eingestrahlt werden, um eine höhere Spotgröße, mit anderen Worten eine größere vom Laserstrahl 9 zu beaufschlagende Fläche bei geringerer Eindringtiefe in die Membran 2 zu erreichen. Damit kann der Energieeintrag in eine gewünschte flache Materialtiefe optimiert und die Aufschmelzfläche vergrößert werden.
Das MEMS-Element kann insbesondere als MEMS-Drucksensor, MEMS-Inertial- sensor, Kombination aus MEMS-Intertial- und MEMS-Drucksensor, MEMS-Mikrofon, MEMS-Lautsprecher und/oder als MEMS-Gassensor mit einem in einer Kavität eingeschlossenen Referenzgas, zum Beispiel in Form eines NOx-, Lambda-Sensors oder dergleichen, verwendet werden. Ein Sensorelement mit einer flexiblen Membran weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von circa einigen 100 nm bis einigen Mikrometern aus. Als Verschluss- material kann beispielsweise siliziumreiches Nitrid SixNy oder stöchiometrisches Siliziumnitrid ShN4 mit einer Dicke im Bereich von circa einigen 100 nm bis einigen Mikrometern verwendet werden. Als Verschlussmaterial kann weiterhin, wie bereits ausgeführt Siliziumdioxid in Spin-on-Glas oder eine Metallpaste mit gelöstem Wolframoxid verwendet werden, wobei anschließend das Lösungsmittel verdampft wird und das Siliziumdioxid bzw. Metall als Verschlussmaterial 8 verwendet wird. Wird das Verschlussmaterial 8 mittels eines Inkjet-Verfahrens aufgebracht können, kann beispielsweise Aluminium oder Kupfer damit aufgebracht werden. Das Verschluss- material 8 kann ebenfalls mittels LIFT, Laser induced forward transfer, auf die Membran 2 aufgebracht werden. Als Verschlussmaterial kann dann beispielsweise Chrom, Aluminium, Kupfer, Selendioxid oder Graphen verwendet werden.
Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
• Weniger Partikeleintrag in den Bereich der Unterseite der Membran beim Verschließen einer Öffnung in derselben.
• Freiere Geometriewahl bei den Öffnungen, insbesondere Ätzzugängen.
• Möglichkeit des nachträglichen Beschichtens mittels eines Antihaftmaterials, beispielsweise einer Kaverne unterhalb der Membran und anschließendem Verschluss mit einem definierten Innendruck.
• Einschließen mehrerer Innendrücke in verschiedenen durch die Membran gebildeten Kavernenbereichen.
• Hohe Flexibilität.
• Hohe Zuverlässigkeit.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele be- schrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modi- fizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Verschließen von Öffnungen (6) in einer flexiblen Membran (2) eines MEMS-Elements (1), umfassend die Schritte
Bereitstellen zumindest einer Öffnung (6) in der flexiblen Membran (2), Anordnen von Verschlussmaterial (8) im Bereich der zumindest einen Öffnung (6),
Aufschmelzen zumindest des aufgebrachten Verschlussmaterials (8) im Bereich der zumindest einen Öffnung (6) und anschließendem Erkalten des aufgeschmolzenen Materials (8) zum Verschließen der zumindest einen Öffnung (6).
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Aufbringen des Verschlussmaterials (8) mittels Aufschleudern und/oder mittels eines Inkjetverfahrens, insbesondere im Bereich der zumindest einen Öffnung (6), und/oder mittels Aufbonden eines Wafers erfolgt.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei das Aufschmelzen mittels eines Laserstrahls (9, 9a, 9b, 9b‘, 9c) erfolgt.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei zusätzlich zum Aufschmelzen des aufgebrachten Verschlussmaterials (8) Material der flexiblen Membran (2) im Bereich der zumindest einen Öffnung (6) aufgeschmolzen wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 -4, wobei das Verschlussmaterial (8) mittels eines Laserstrahls (9, 9a, 9b, 9b‘, 9c) in den Bereich der zumindest einen Öffnung (6) bewegt wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 -5, wobei das Verschlussmaterial (8) in Form von Membranmaterial zumindest teilweise bereitgestellt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Verschlussmaterial (8) durch Abtragung von Membranmaterial der flexiblen Membran bereitgestellt wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei der Laserstrahl (9, 9a, 9b, 9b‘, 9c) in Form eines Hohlrings (9b, 9b‘) oder einer Hohlellipse (9c) mittels einer optischen Einrichtung bereitgestellt wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei der Laserstrahl (9, 9a, 9b,
9b‘, 9c) pulsierend in seiner Leistung und/oder in zumindest einem Durchmesser (30) bereitgestellt wird.
10. Verfahren gemäß einer der Ansprüche 1-9, wobei der Laserstrahl (9, 9a, 9b, 9b‘, 9c) und die Ebene der flexiblen Membran (2) zueinander gekippt angeordnet werden.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei zumindest teilweise mittels der flexiblen Membran eine Kaverne gebildet wird und die zumindest eine Öffnung (6) als Zugang zu der Kaverne (10) ausgebildet wird und durch das Verschließen der zumindest einen Öffnung (6) ein definierter Druck in der Kaverne (10) eingeschlossen wird.
12. MEMS-Element (1) mit einer flexiblen Membran (2), die zumindest eine Öffnung (6) aufweist, welche durch Aufschmelzen eines aufgebrachten Verschluss- materials (8) im Bereich der zumindest einen Öffnung (6) und anschließendem Erkalten des aufgeschmolzenen Verschlussmaterials (8) verschlossen ist.
13. MEMS-Element gemäß Anspruch 12, wobei unterhalb der flexiblen Membran (2) Antihaftmaterial angeordnet ist, insbesondere auf einer inneren Oberfläche einer
Kaverne (10).
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