用于以激光熔化封闭微机械装置的方法和微机械装置与流程

本发明涉及一种用于借助激光熔化来封闭微机械装置的方法和一种具有激光熔化封闭部的微机械装置。

背景技术：

mems元件通常包括传感器元件，该传感器元件通过罩保护，以便免受周围环境影响。这出于多种原因是必须的。传感器元件的功能常常仅在确定的压力范围内提供。借助罩来调设、关封传感器元件的周围环境压力并且在结构元件的寿命期间确保压力在规范限制内(小的)变化。为了在传感器元件的传感器腔室内调设所需的压力，多种方法是可能的。例如可在传感器晶片和罩晶片之间的键合过程期间调设压力。替代地，也可在每个传感器腔室中实现通到周围环境的进入孔，该进入孔在限定的压力的情况下借助激光方法封闭。该方法具有多种优点，尤其是在晶片上的压力分布和压力调设的精度方面。由德国专利申请de102014202801.9已知这种方法。

在真正的激光封闭之后或期间，可能在封闭部的区域中形成裂缝。如果由此腔室变得不密封，则构成对mems元件的功能性的风险。

技术实现要素：

本发明的任务是提供具有机械稳健的封闭部的微机械装置。

发明优点

本发明涉及一种用于借助激光熔化来封闭微机械装置的方法，该方法具有以下步骤：

(a)提供具有进入通道的微机械装置，该进入通道在外开口处具有凸缘。

(b)借助对凸缘进行激光辐射将进入通道的外开口封闭，其中，将凸缘至少部分熔化并且将外开口通过由凸缘的材料构成的熔化物封闭。

根据本发明的方法的有利构型设置，在步骤(a)中提供具有外主表面的微机械装置，其中，凸缘布置在外主表面中的槽口中，尤其以下述方式，凸缘与进入通道的外开口相对于外主表面沉入地布置。

根据本发明的方法的有利构型设置，在步骤(a)中提供微机械装置，其中，凸缘具有通过至少一个沟槽构成的子结构化部，沟槽环形地绕着外开口布置并且平行于进入通道延伸。

根据本发明的方法的有利构型设置，在步骤(a)中提供微机械装置，其中，凸缘具有通过盲孔构成的子结构化部，所述盲孔平行于进入通道延伸并且尤其具有方形横截面。

根据本发明的方法的有利构型设置，在步骤(a)之前，进入通道或槽口或凸缘至少部分地通过激光钻孔制造。

根据本发明的方法的有利构型设置，在步骤(a)之前，槽口或凸缘或子结构化部至少部分地通过干刻蚀制造。

本发明也涉及一种具有激光熔化封闭部的微机械装置，尤其以根据本发明的方法制造该微机械装置，其中，该微机械装置具有进入通道，该进入通道在外开口上具有凸缘，其中，进入通道的外开口通过由凸缘材料构成的熔化封闭部来封闭。

根据本发明的微机械装置的有利构型设置，该微机械装置在外主表面中具有槽口并且凸缘布置在该槽口中，尤其以下述方式，凸缘与进入通道的外开口相对于外主表面沉入地布置。

本发明的核心在于用于激光封闭的封闭区域的几何结构的改型设计，其方式是，在进入通道的外开口处布置有凸缘。在此可能的是：取代迄今为止容易出现裂缝的几何结构并且开发新的应用。尤其地，激光封闭部移位到主表面下方的槽口中、如尤其激光腔室(德语是laser-kaverne)，使得能在进一步处理mems晶片时将由于激光封闭部的损坏造成的失灵率最小化。附加地，该移位可在极深的槽口中、尤其是激光腔室中进行，使得在激光封闭之后还可应用去料方法如cmp来减小晶片厚度。

有利地，本发明可用于各种不同的mems，尤其是传感器。这尤其包括芯片上的加速度传感器、转速传感器、具有加速度传感器和转速传感器的组合元件以及需要限定地调设腔室压力的其他新型传感器和其他mems。

附加地，本发明也可用于封闭进入孔，该进入孔用于将材料引入到腔室中。这例如可以是用于涂层或刻蚀的材料。

附图说明

图1示出现有技术中的具有激光熔化封闭部的第一微机械装置。

图2示出现有技术中的具有较深的激光熔化封闭部的第二微机械装置。

图3a和b在封闭之前示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的第一实施例。

图4示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的、已借助激光熔化封闭的微机械装置。

图5a和b示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，直接围绕的材料的壁厚是薄的。

图5c和d示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，直接围绕的材料的壁厚是厚的。

图6a和b示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，孔直径与直接围绕的材料的壁厚的比例大。

图6c和d示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，孔直径与直接围绕的材料的壁厚的比例小。

图7a和b示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，其具有直接围绕的材料的环形子结构化部。

图7c和d示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，其具有直接围绕的材料的环形子结构化部，这些环形子结构化部具有不同的深度。

图7e和f示出根据本发明的具有激光熔化封闭部的微机械装置的实施例，其具有直接围绕的材料的局部子结构化部，该局部子结构化部具有横截面为方形的盲孔。

图8示意性地示出根据本发明的用于借助激光熔化封闭微机械装置的方法。

具体实施方式

图1示出现有技术中的第一微机械装置，其具有激光熔化封闭部。示出的是微机械装置，其具有腔室15，该腔室基本上被mems晶片100和罩25包围。在腔室15中布置有微机械功能元件10。微机械装置具有进入通道20，该进入通道形成从外部环境到腔室15的进入口。进入通道20为此在微机械装置的外主表面60中以外开口30终止。外开口30以熔化封闭部90封闭，该熔化封闭部通过将围绕的材料激光熔化而形成。

图2示出现有技术中的第二微机械装置，其具有较深的激光熔化封闭部。与图1不同，在这里，进入通道20的外开口30布置在微机械装置的外主表面60中的槽口50中。同样，熔化封闭部90由此也布置在槽口50中，从而沉入地布置在微机械装置的外主表面60的下方。

在激光封闭方法的迄今的实现方式中，通到传感器腔室的进入口要么直接在表面上封闭(图1)要么在该表面下方的宽的激光腔室中封闭(图2)。如果封闭直接在表面上进行，则传感器晶片的进一步处理仅是受限地可能的，因为封闭部是敏感的并且会容易受损。但在宽的激光腔室中的位于表面下方的封闭部的情况下存在更高的以下风险：形成应力裂缝，应力裂缝最终导致待封闭的传感器腔室的不密封性。这意味着，这种传感器元件不再能发挥功能。因而需要对激光封闭进行优化。

在表面上封闭时以及在较深的激光腔室的情况下封闭时都形成应力裂缝的原因在于激光封闭方法自身。在封闭区域中，通过激光将材料加热直至液态。该液体将预备的进入孔封闭。在接着的凝固过程中，之前为液态的材料膨胀。在此涉及已知的异常，类似于水和铁。附加地，已凝固的材料和周围的未熔化的材料之间的温度梯度导致拉应力，因为在冷却过程中(没有相变)体积改变。该拉应力显著地胜于由于从液态到固态的相变造成的压应力。通过形成的拉应力，在之前熔化的材料的区域中会形成裂缝(图2)。

根据本发明，微机械装置具有进入通道，该进入通道在外开口处具有凸缘。该凸缘超过mems的围绕(该凸缘)的外表面隆起。该凸缘可将进入开口环形地包围。该凸缘可在内侧与进入通道对齐地构造。该凸缘可由围绕进入通道的材料构成。

图3a和b在封闭之前示出根据本发明的mems装置的第一实施例，该装置具有激光熔化封闭部。在该布置中，借助激光产生槽口50。在激光腔室内存在通到微机械装置的腔室容积的进入通道。主要的是：进入通道的外开口自身被材料包围，该材料之后用于封闭并且具有形貌，该形貌示出比宽的激光腔室的底部高的高度。进入通道20为此在外开口30处具有凸缘40。凸缘40以凸缘高度44超过微机械装置的围绕的外表面隆起。在该示例中，凸缘40这样布置在外主表面60中的槽口50中，使得凸缘40以进入通道20的外开口30相对于外主表面60沉入地布置。凸缘40在此距离槽口50的边缘具有横向的凸缘间距42。

替代地，凸缘也可直接布置在微机械装置的外主表面上并且超过外主表面隆起。

在激光封闭方法期间，将激光传导到进入孔和直接围绕(进入孔)的封闭材料上，以将该封闭材料熔化。熔化的材料将进入孔封闭并且凝固。与迄今已知的几何结构的主要区别在于：在冷却过程期间出现的应力可放松，因为并不形成激光封闭部的横向耦合，从而不产生应力裂缝。这基于待封闭的材料与周围脱耦。以该新型几何结构进行的激光封闭方法的结果在图4中示出。

图4示出根据本发明的借助激光熔化封闭的微机械装置，其具有激光熔化封闭部。与图3a不同，借助激光熔化仅将凸缘40的上部部分熔化并且形成熔化封闭部90，该熔化封闭部将进入通道20的外开口30封闭。熔化封闭部90布置在凸缘40的剩余部分的上方并从而布置在槽口50的底部的上方。为了为熔化提供足够的材料，凸缘必须具有足够的壁厚48。

替代地，将整个凸缘40借助激光熔化来熔化并且以其材料形成熔化封闭部，该熔化封闭部将进入通道的外开口封闭。

附加地，可优化凸缘的几何结构，其方式是，改变熔化的材料与待封闭的孔的比例。对于详细构型存在多种方案：

按照图5a-d优化围绕的孔材料的壁厚

通过改变直接围绕的材料的壁厚来调整孔的面积和直接围绕的材料的面积(在俯视图中看)之间的比例。由此可将熔化的材料的量针对孔直径进行优化。图5a和b在横截面和俯视图中示出凸缘的示例，该凸缘具有较薄的壁厚48。图5c和d在横截面和俯视图中示出凸缘的示例，该凸缘具有较厚的壁厚48。

按照图6a-d调整孔尺寸

孔直径和直接围绕的材料之间的比例的改变的另一可能性在于调整孔直径。对此的示例可从图6a-d中得到。

按照图7a-f将直接围绕的材料结构化

用于调整熔化的材料和外开口的孔面积之间的比例的另一可能性在于直接围绕的材料的适宜的子结构化。这以下述方式实现：可将熔化用的直接围绕的材料的体积改变，从而在不同的高度中存在直接围绕的材料的不同面积。子结构化部可通过同心环、方形、矩形或其他几何形状以及它们的组合进行。附加地，各子结构化部可具有不同的高度。子结构化部可能性的选择在图7a-f中示出。技术上特别有利的是，具有完全围绕的环或部分围绕的环、即环形沟槽70(图7a-d)的变型。图7a和b以横截面和俯视图示出凸缘的环形子结构化部的示例。示出的是具有闭合的环形沟槽70的凸缘40。图7c和d在横截面和俯视图中示出凸缘的具有不同的深度的多个环形子结构化部的示例。示出的是具有两个同心布置的闭合的环形沟槽70的凸缘40。图7e和f在横截面和俯视图中示出凸缘的具有盲孔的子结构化部的示例。示出的是具有盲孔80的凸缘40，这些盲孔具有不同大小的方形横截面。其他形状和大小的横截面也是可能的。

描述应力的有效放松的主要参数是凸缘40在封闭部90下方的厚度48(见图4)。壁结构的刚性在一阶近似中随壁厚的三次方增大。因而通过壁分成具有窄壁厚的多个壁区域，不仅可调整熔化的材料和孔表面之间的比例，而且也可通过减小壁结构的刚性来极有效地提高整个系统的放松能力。

子结构化部可能性的组合

为了优化熔化的材料的体积，也可将前述三个措施的方案组合。

为了制造根据本发明的新型几何结构，使用结构化部的借助平板印刷和接着的刻蚀实现的既定方法。通过合适的构造掩膜和利用arde效应，可在干刻蚀时将进入通道的刻蚀和直接围绕孔的材料的附加结构化、即凸缘在一个刻蚀步骤中进行。这既节约了过程时间也节约了过程成本。从而在根据本发明的几何结构中与迄今所用的几何结构相比不用考虑显著的附加成本，但同时优化了激光封闭的可能性且尤其在较深的激光腔室50中消除了裂缝形成。

替代地，槽口50取代作为激光腔室地也可借助刻蚀过程制造。

图8示意性地示出根据本发明的用于借助激光熔化封闭mems的方法。根据本发明的用于借助激光熔化封闭mems的方法包含至少以下步骤：

(a)提供具有进入通道20的微机械装置，该进入通道在外开口30处具有凸缘40。

(b)借助对凸缘40进行激光辐射将进入通道20的外开口30封闭，其中，凸缘40至少部分熔化并且外开口30通过由凸缘的材料构成的熔化物封闭。

附图标记列表

10微机械功能元件

15腔室

20进入通道

25罩

30外开口

40凸缘

42横向凸缘间距

44凸缘高度

48壁厚

50槽口

60外主表面

70环形沟槽

80盲孔

90熔化封闭部

100mems晶片