具有光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置与流程

本发明涉及一种用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和一种相应的微机械装置。

背景技术：

尽管也可以应用任意的光学装置和系统，但是参照光学微机械的微反射镜扫描装置阐述本发明和本发明基于的问题。

微机械的mems元件必须免受有害的外部环境影响(例如湿气、侵蚀性介质等)。同样需要针对机械接触/损坏的保护以及用于实现通过锯切由复合晶片分离成芯片的保护。在多种情况下也必须能够通过密闭封装实现确定氛围(例如气体类型和/或气体压力)的调节。

在复合晶片中通过具有空穴和通孔的罩晶片封装mems元件是广泛建立的。为此将罩晶片相对于具有mems结构的晶片调整并且与该晶片接合。所述接合例如可以通过阳极键合或者直接键合(在玻璃与硅之间的无接合剂连接)、通过共晶接合层或者通过玻璃焊剂或者粘接剂实现。mems构件位于罩晶片的空穴下面，其中，用于以细导线连接mems构件的电焊盘可以通过罩晶片中的通孔接触到。

对于光学微机械mems元件(moems)、例如对于微反射镜需要上述保护和附加地需要透明的、具有高光学品质并且可能也具有特殊光学涂层的窗。在罩中也分离地实现用于电连接的通孔。

在光射线穿过透明的窗时在界面上产生反射。当微机械的微反射镜扫描装置的位置固定的反射位于微反射镜的扫描范围中时，该反射的强度提高了投影图像的强度并因此起干扰作用。可以通过光学窗的防反射涂层只在该反射的强度方面降低这种干扰的反射。因为微反射镜通常在其静止位置中对称地摆动或者偏转，因此当光学窗平行于镜面的静止位置时并且当在镜平面与光学窗之间的距离小时(在mems构件中总是这种情况)，反射总是在扫描范围中。

通过反射避免干扰的唯一可能性在于，使所述反射从扫描范围偏转出，其方式是，使光学窗和镜面在未偏转的状态中不相互平行。对此存在两种可能性，即，一方面光学窗倾斜，或者另一方面反射镜的静止位置倾斜。在现有技术中已知这两种可能性。

例如在ep1688766a1中公开了用于分离芯片的倾斜窗。在ep1748029a2中针对晶片级包装说明倾斜窗或者其他窗形状，通过它们可避免反射。

根据ep1748029a2，在复合晶片中由透明材料(玻璃或塑料)制造三维的表面结构(例如倾斜窗)。制造三维结构的方法要么非常昂贵，要么不能得到所需的光学品质。此外，具有相应三维结构的晶片在加工时、例如在晶片键合期间是有问题的，因为可能轻易损坏所述结构。

例如由de102008040528a1、de102010062118a1和de102012206858a1已知其他用于制造具有倾斜的光学窗的保护罩的方法。

技术实现要素：

本发明的想法在于，通过衬底层的热变形建立光学窗的倾斜座。

因此，本发明能够实现一种用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的成本有利的制造方法，该微机械装置例如可以作为用于微机械的微反射镜扫描装置的保护晶片使用。能够以高光学品质制造倾斜的光学透明的窗。根据本发明的制造方法是可靠并且适合于批量生产的。

倾斜的光学窗可以通过在mems和半导体工艺中常见的工艺制造。在倾斜的光学窗上的划痕、颗粒和损伤可以在加工期间容易地避免。

根据优选的扩展方案，空隙构造为第二通孔。这能够实现空隙的简单制造。

根据另一优选的扩展方案，第二通孔具有梯级形和/或倾斜的壁轮廓，该壁轮廓在第二衬底热变形时形成用于罩区域在第二倾斜位置中的止挡。由此能够精确地限定光学窗的倾斜。

根据另一优选的扩展方案，空隙构造为第一空穴，该第一空穴从正面出发延伸至第一衬底背面上的第一膜片区域，其中，第一膜片区域形成用于罩区域在第二倾斜位置中的止挡，其中，第一膜片区域在第二衬底热变形之后被去除，使得由第一空穴形成第二通孔。由此能够通过第一膜片区域限定止挡。

根据另一优选的扩展方案，空隙构造为第二空穴，该第二空穴从背面出发延伸至第一衬底正面上的第二膜片区域，其中，罩区域通过第二膜片区域的结构化构造。由此能够取消第三晶片衬底。

根据另一优选的扩展方案，在第一衬底中形成空隙并且在第二衬底中形成第一通孔之后，第一衬底和第二衬底是彼此叠置键合的晶片衬底。这能够实现大容量的批量加工。

根据另一优选的扩展方案，在第三衬底键合到第二衬底上之后，罩区域由第三衬底结构化。如此能够简单并且精确地制造罩区域。

根据另一优选的扩展方案，在热变形时将负压施加到背面上或者将过压施加到正面上。这促进热变形步骤。

根据另一优选的扩展方案，在第一空穴中围入真空，该真空促进热变形。由此在内部促进热变形。如果不足够，也可以附加地将过压施加到正面上。

根据另一优选的扩展方案，第二衬底是玻璃衬底。这种玻璃衬底在热变形时能够良好地控制。

附图说明

下面根据实施方式参照附图阐述本发明的其他特征和优点。

附图示出：

图1a)至f)用于阐述根据本发明第一实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置的示意性横截面示图；

图2a)至e)用于阐述根据本发明第一实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的第一衬底的制造方法的变型的示意性横截面示图；

图3a)至e)用于阐述根据本发明第二实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置的示意性横截面示图；

图4a)至e)用于阐述根据本发明第三实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置的示意性横截面示图；

在附图中相同的附图标记表明相同的或者说功能相同的元件。

具体实施方式

图1a)至f)示出示意性横截面示图，用于阐述根据本发明第一实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置。

根据第一实施方式的、具有倾斜的光学窗的微机械装置例如可以作为晶片保护装置应用于微机械的微反射镜扫描装置。

微机械装置的制造在晶片层面上来说明，尽管该制造不局限于晶片层面并且也可能在元件层面上进行。在此，为了简化示图，只示出一个唯一的倾斜光学窗的制造，尽管可能在晶片层面上生产多个倾斜的光学窗。

在图1a)中，附图标记w1表示第一晶片衬底、例如硅晶片衬底，w2表示第二晶片衬底、例如可热变形的玻璃晶片衬底或者塑料衬底，并且w3表示第三晶片衬底、例如同样是硅晶片衬底。

在第一制造步骤中进行第一晶片衬底的工艺，该第一晶片衬底具有正面v1和背面r1。

例如通过koh蚀刻或喷砂或者借助于其他任意的材料去除方法(也可以是机械的钻孔、磨削、腐蚀或激光加工)将通孔l11和l12引入到第一晶片衬底w1中，其中，通孔l12是可选的。

在相同的方法步骤中也可以在正面v1上引入(未示出的)单侧凹部(例如空穴或者校准标记等)。通孔l11设置用于所述倾斜的光学窗在以后的支承，该光学窗形成向着(未示出的)微反射镜的光学入口。该通孔的棱边作用为铰链并且能够使光学窗一定程度地沉入到通孔中。

可选的通孔l12例如可以通过键合区(bondlands)接收不倾斜的光学窗或者用于触点接通的电触点。可以适当地选择或者改变通孔l11、l12的几何形状。

在第二制造步骤中进行第二晶片衬底的工艺，该第二晶片衬底在本示例中是玻璃晶片衬底。第二晶片衬底w2这样结构化，使得该第二晶片衬底具有通孔l21，该通孔以后位于通孔l11上方，由此限定位置，在之后的工艺步骤中将光学窗定位在该位置上。通孔l21具有小于通孔l11的横向延展尺度。

然后将结构化的第二晶片衬底w2键合到第三晶片衬底w3上，例如通过阳极键合或者通过硅-玻璃直接键合。接着将第一晶片衬底w1的正面v1键合到第二晶片衬底w2的对置侧上。这导致根据图1a)的工艺状态。

替代地，第二晶片衬底w2的结构化也可以在具有晶片衬底w2和w3的双晶片堆叠中或者也可以在具有晶片衬底w1、w2和w3的三晶片堆叠中进行。如果在双晶片堆叠中进行结构化，则可以从以后的锯割线路区域中去除第二晶片衬底的玻璃。这对于分离过程是有利的，因为在这种情况下能够以高速度和低成本只锯割硅。

第三晶片衬底w3在另一侧上通过磨削和/或抛光减薄，然后进行结构化。在此，针对以后要装入的光学窗的适合的棱边几何形状可以适当选择沟轮廓，即选择直的侧面fl或者倾斜的侧面fl’或fl”，如在图1b)中示出的那样。这也适用于其他棱边。

替代地，第三晶片衬底w3的结构化也可以在双晶片堆叠中在背面在减薄之前并且在与晶片衬底w2进行第一晶片键合之前进行，或者也可以在正面在与晶片衬底w2进行第一晶片键合之进行。无论如何应在减薄之前进行键合。

尤其在第三晶片衬底w3中在通孔l21上方形成罩区域k，其中，罩区域k起先平行于正面v1、即不倾斜地定位。罩区域k限定以下区域，在该区域中在之后的时间点引入光学窗。例如可以借助于drie(deepreactiveionetching，深反应离子蚀刻)蚀刻工艺进行该结构化。

罩区域k的面积优选小于第一晶片衬底w1中的通孔l11的面积并且大于第二晶片衬底w2中的通孔l21的面积。在罩区域k与在第一晶片衬底w1中的通孔l11之间的搭接区域形成以后的光学窗的密封和支承面。罩区域k的面用于在以后的热变形期间加固密封和支承面。这些面负责，使以后的光学窗的密封和支承面可以具有相对于正面v1的倾斜，但是确保保留该密封和支承面的平面度和光滑度。

接着将第二和第三晶片衬底w2、w3键合到第一晶片衬底w1上。这导致根据图1c)的工艺状态。

接着从第一晶片衬底w1的背面r1借助于抽吸装置(吸盘)面式地吸住具有彼此叠置键合的晶片衬底w1、w2和w3的三晶片堆叠，并且达到适合的高温，在该高温的情况下第二晶片衬底w2的玻璃可以塑性变形。由于通过抽吸而在第一晶片衬底w1的通孔l1(该通孔在正面v1上通过第二晶片衬底w2和罩区域k封闭)中产生的负压，位于罩区域k旁边的通孔l11上方区域中的玻璃被向下吸，如在图1d)中示出的那样。也可以选择从正面v1施加过压。

所期望的罩区域k的最终斜度和第二晶片衬底w2的通过该最终斜度稳定的玻璃区域的最终斜度可以通过过程持续时间限定，或者由此限定，即在通孔l11中设置适合的间隔部几何形状，如参照图2a)至e)所示的那样。根据图2b)至e)设有梯级形和/或倾斜的壁轮廓a’,a”.a’”,a””，所述壁轮廓在第二晶片衬底w2的玻璃热变形时形成用于罩区域在倾斜的最终位置中的止挡。这些几何形状有助于玻璃变形过程。在确定状况下也可以完全取消这种间隔部布置，如在图1a)或2a)中所示的那样。

根据图1e)，在热变形之后例如借助于koh蚀刻去除第三晶片衬底w3。通过该蚀刻应在通孔l11上不蚀刻或者只最小地蚀刻可选地设置的间隔部布置(参见图2b)至2e))。为了使用于第一晶片衬底w1的蚀刻时间最小，可以在第三晶片衬底的暴露表面上引入孔或缝隙。这些结构增大了蚀刻面积并且能够实现其他结晶面的侧面蚀刻作用，所述结晶面较快地被蚀刻。所述孔和缝隙在其形状和其尺寸方面适合地设计用于使蚀刻速度最大。这种用于促进蚀刻的结构的引入例如可以与罩区域k的构成一起在一个工艺步骤中进行。

最后，根据图1e)，只有具有通孔l22的、已变形的第二晶片衬底w2还保留在第一晶片衬底w1上，其中，第二晶片衬底w2的通孔l21限定现在要施加的倾斜的光学窗的位置。在几何意义上倾斜意味着，光学窗的法向相对于正面v1的法向是倾翻或倾斜的。

光学窗fe优选由具有适合的热膨胀系数的高光学品质的玻璃制造。原材料例如是具有适合的厚度和光学品质的玻璃晶片。在光学窗fe的一侧上例如在晶片平面上环绕地施加密封和粘附介质，例如通过丝网印刷施加玻璃焊料并且使之硬化(烧结)。

然后例如分离光学窗fe并且施加到胶带上，其中，例如通过标准化的玻璃锯切或者激光加工或者喷砂等实现分离。

然后可以借助于装配设备将具有玻璃焊料lo的光学窗引入到斜的通孔l21的窗座中。为此使用的方法和相应的装置由smd技术(surface-mount-device，表面安装器件)已知。在加热过程中实现光学窗fe与第二晶片衬底w2在通孔l21周边中的连接。

在此，晶片衬底w1、w2的装配有光学窗的复合晶片从被第一晶片衬底w1那侧面式地吸住并且达到适合的高温，在该高温的情况下玻璃焊料lo熔化。该温度应低于窗玻璃的软化温度。

由于压力差，玻璃焊料lo在密封面上被挤压并且使光学窗fe与第二晶片衬底w2在通孔l21周边中连接。在冷却之后完成具有倾斜的、气密地密封的光学窗fe的微机械装置，并且可以用于其他加工，例如用于与微反射镜扫描装置连接，如在图1f)中所示的那样。

尽管根据图1f)的光学窗fe在正面v1上突出，可以这样控制过程，使得光学窗fe这样沉降到通孔l11中，使该光学窗一方面倾斜并且另一方面不再突出，这对于许多应用是有利的。

具有倾斜的光学窗的微机械装置的这种进一步加工可以通过在微机构中使用的常见键合方法(以玻璃焊料或粘接剂键合、共晶键合、阳极键合等)实现，用于建立与mems或moems晶片的气密地密封的连接。

特别有利的是，在第一晶片衬底w1中的光学窗fe的倾斜表面基本上或者完全沉在通孔l11中并由此受保护。因此光学窗fe在进一步加工时不受到伤害，即基本上避免划伤、挤压和粘附颗粒。这尤其适用于玻璃焊料晶片键合，在玻璃焊料晶片键合时具有倾斜的光学窗fe的微机械装置以高机械压力键合到moems晶片上。

在第一实施方式中未示出的替代方案是，光学窗fe从第一晶片衬底w1的背面从下面放置到第二晶片衬底w2上并且连接。

图3a)至e)是示意性横截面示图，用于阐述根据本发明第二实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置。

在根据图3a)的第二实施方式中，起先在第一晶片衬底w1中不形成通孔，而是形成第一空穴k1，该第一空穴从正面v1延伸至第一晶片衬底w1的背面r1上的膜片区域m1。

膜片区域m1形成用于罩区域k在第二倾斜位置中的止挡。当通过晶片衬底w1、w2、w3形成三晶片堆叠时，在正面v1上通过第二晶片衬底w2和罩区域封闭空穴k1，在该空穴中围入真空，如在图3b)中所示的那样。第二晶片衬底w2在第一空穴k1的区域中的局部塑性变形通过该真空实现，而不需要面式地吸住第一晶片衬底w1。如果真空不足够，可以附加地在正面v1上施加过压。

热变形的结果在图3c)中示出，在热变形之后，去除膜片区域m1，使得由第一空穴k1产生第一晶片衬底w1的通孔ll11’。同时，完全去除第三晶片衬底w3，这导致在图3d)中所示的状态。因为在该实施方式中在热变形期间不应在外部产生压力差，因此能够在一个炉子中在更有利的单次批量工艺中同时加工多个晶片。

最后参照图3e)，类似图1f)地装入光学窗，并且与第二晶片衬底w2在通孔l21周边中借助于玻璃焊料热连接。

图4a)至e)是示意性横截面示图，用于阐述根据本发明第三实施方式的、用于具有倾斜的光学窗的微机械装置的制造方法和相应的微机械装置。

在根据图4a)的第三实施方式中，同样起先在第一晶片衬底w1中不形成通孔，而是形成空穴k2，该空穴从背面r1延伸至第一晶片衬底w1的正面v1上的膜片区域m2。

此外，第三实施方式完全取消第三晶片衬底w3。在该实施方式中，罩区域k’通过膜片区域m2的结构化构造，这通过第一晶片衬底w1的背面蚀刻实现。这在图4b)中示出。

接着如在上述的第一以及第二实施方式中那样进行罩区域k’的热熔化和斜置，如在图4c)中所示的那样。

根据图4d)，接着通过蚀刻去除罩区域k’，由此在第一晶片衬底w1中形成通孔ll11”。

同样类似于第一或第二实施方式地进行光学窗fe的安置，但是该光学窗在该实施方式中从背面r1装入。

因为在该实施方式中罩区域k’在通孔ll11”中设置在第二晶片衬底w2的下侧上，所以相比于第一实施方式更有利地防止第二晶片衬底w2的玻璃与抽吸装置(吸盘)熔合。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本发明不局限于此。尤其所述材料和布局只是示例性的并且不局限于所阐述的示例。

尤其可以选择其他的倾斜方向、角度、几何形状等。