Patentanmeldung:

Gehäuse für in mobilen Anwendungen eingesetzte mikromechanische und mikrooptische Bauelemente

Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Technisches Gebiet

Fertig prozessierte mikromechanische (MEMS) und mikrooptische Systeme (MOEMS) beziehungsweise Bauelemente - wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Mikrospiegel - bestehen in der Regel aus sehr empfindlichen, zum Teil frei beweglichen Mikrostrukturen (zum Beispiel Balken, Gittern, Platten)

Wahrend der meisten zur Herstellung benotigten Fertigungsschritte (zum Beispiel Schichtabscheidung, Photo-Lithographie, Atzverfahren) sind auch die beweglichen Mikrostrukturen noch fest und dadurch unbeweglich mit dem Substrat (Tragersubstrat), üblicherweise einem Wafer (Tragerwafer), verbunden Erst durch einen sogenannten " Release "-Prozess werden diese Mikrostrukturen frei beweglich. Ab diesem Zeitpunkt sind die beweglichen Mikrostrukturen besonders empfindlich, so dass Verunreinigungen oder mechanische Uberbeanspruchungen zur Zerstörung oder Funktionseinschrankung dieser Mikrostrukturen und damit zur Dysfunktion des Bauelements fuhren können So kommt beispielsweise bei der Vereinzelung eines Wafers, also dem Zersägen eines Wafers in einzelne Chips, die Waferoberflache und damit die Mikrostrukturen der MEMS/MOEMS mit Partikeln und Wasser in Berührung. Des Weiteren können die Mikrostrukturen wahrend eines Sageprozesses relativ starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sein

Um dennoch M E MS/MOE M S mit hoher Ausbeute kostengünstig fertigen zu können, ist man bestrebt, sowohl den " Release "-Prozess als auch Maßnahmen insbesondere zum Schutz der beweglichen Mikrostrukturen bereits durchzufuhren, bevor das Substrat vereinzelt beziehungsweise zerteilt wird Die Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Verkapselung mikromechanischer und mikrooptischer Bauelemente, welche insbesondere in mobilen Geraten zum Einsatz kommen, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gehäuses, wobei sich das Verfahren auch für die Verkapselung der MEMS/MOEMS auf Substrat-Ebene insbesondere auf Wafer-Ebene, d h vor dem Vereinzelungsprozess und damit vor der Zerteilung des Substrats, eignet

Stand der Technik

Gehäuse zur Verkapselung von MEMS/MOEMS sowie Verfahren zu Herstellung solcher Gehäuse insbesondere auf Wafer-Ebene, sogenannte Wafer-Level-Packaging-Verfahren, sind aus der Halbleiteπndustrie bekannt Wie beispielsweise in der US 6,743,656 beschrieben, wird der Wafer (Tragerwafer) mit den MEMS/MOEMS mit einem weiteren Wafer (Deckelwafer), der über Vertiefungen definierter Abmaße verfugt, verbunden In der Regel handelt es sich bei den Wafern um Siliziumwafer, so dass auch die Vertiefungen im Deckelwafer mit den bewahrten Verfahren der Sihziumtechnologie einfach und präzise hergestellt werden können Im anschließenden Vereinzelungsprozess, uberlicherweise einem Sageprozess, werden dann separate gekapselte Chips erzeugt, ohne dass Kontaminationsgefahr für die MEMS/MOEMS besteht

Sollen die MEMS/MOEMS eine optische Funktion ausüben oder sollen bestimmte

Parameter oder physikalische Großen der MEMS/MOEMS optisch gemessen werden - beispielsweise Bestimmung der Auslenkung mittels Interferometer oder durch Auswertung von Videosequenzen - dann bedarf es in der Regel eines optisch transparenten Deckelsubstrats

In der WO 2004/1068665 wird ein Wafer-Level-Packaging-Verfahren für MOEMS beschrieben, welches ein Deckelsubstrat aus Glas vorsieht Vor dem Verkapselungsprozess wird der Wafer mit den MOEMS allerdings vereinzelt Die daraus resultierenden separaten ungekapselten Chips (DIEs) werden auf einem neuen Substrat platziert, montiert, kontaktiert und erst anschließend gekapselt

In der US6146917 wird ein Wafer-Level-Packaging-Verfahren für MEMS/MOEMS beschrieben, bei dem ein mit Vertiefungen versehener Deckelwafer aus Silizium oder Glas durch Fusions-Bonden oder Anodisches Bonden mit dem Tragerwafer verbunden wird, woraus ein hermetisch dichtes Gehäuse resultiert Die Herstellung der erforderlichen 50 bis 1 50 μm tiefen Vertiefungen im Deckelwafer aus Silizium kann durch naßchemisches Atzen mittels KOH-Losung erfolgen und sei auch auf Glaswafer übertragbar

In der US2005/0184304 wird ein Wafer-Level-Packaging-Verfahren zur Verkapselung von oberflachenmikromechanisch gefertigten Mikrospiegel-Arrays vorgestellt Ein Deckelwafer aus Glas besitzt Vertiefungen, die als optische Fenster dienen und auch über entsprechende Vergutungsschichten verfugen können Die Vertiefungen im Deckelwafer können Tiefen von über 100 μm aufweisen

Aus dem Patent US 5,591 ,679 ist ein Verfahren zur Herstellung eines hermetisch dichten

Gehäuses sowohl für oberflachenmikromechanisch als auch volumenmikromechanisch gefertigte MEMS/MOEMS bekannt Danach genügt im Fall oberflachenmikromechanischer MEMS/MOEMS ein mit Vertiefungen versehener Deckelwafer aus Glas, der auf den Tragerwafer aus Silizium anodisch gebondet wird Für volumenmikromechanisch hergestellte MEMS/MOEMS wird neben dem ersten Deckelwafer auf der ersten Seite des Tragerwafers ein zweiter Deckelwafer für die der ersten Seite des Tragerwafers gegenüberliegende zweite Seite des Tragerwafers vorgesehen Durch die Einstellung eines definierten Abstands zwischen Tragerwafer und zweitem Deckelwafer kann der zweite Deckelwafer als mechanischer Anschlag gegen mechanische überlast dienen

Beschreibung

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Gehäuse zur Verfugung zu stellen, das insbesondere für optische Anwendungen geeignet ist, einen mechanischen Uberlastschutz aufweist und auf Substrat- beziehungsweise Wafer-Ebene hergestellt werden kann

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Gehäuse gemäß Anspruch 1 gelost Anspruch 24 gibt ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemaßen Gehäuses an

Die Unteranspruche lehren vorteilhafte Weiterbildungen, die Ansprüche 32 und 33 geben vorteilhafte Verwendungen an

Das erfindungsgemaße Gehäuse dient der Verkapselung von einem oder mehreren mikromechanischen und/oder mikrooptischen Bauelement/en und weist ein

Tragersubstrat, mit mindestens einem mikromechanischen und/oder mikrooptischen

Bauelement, und mindestens ein Deckelsubstrat auf Das Tragersubstrat und das Deckelsubstrat stehen miteinander in Verbindung, bevorzugt stoffschlussig in Verbindung, und bilden einen oder mehrere Hohlräume, der/die das mindestens eine mikromechanische und/oder mikrooptische Bauelement zumindest teilweise einschließt Die dem mindestens einen mikromechanischen und/oder mikrooptischen Bauelement zugewandte Seite des Deckelsubstrats weist mindestens ein optisches Fenster und mindestens einen mechanischen Anschlag auf

Ein Gehäuse zur Verkapselung von MEMS/MOEMS, insbesondere beweglichen MEMS/MOEMS, soll in der Regel mindestens einen Schutz gegen Verunreinigungen bieten und gleichzeitig die mechanische und/oder optische Funktionalität der MEMS/MOEMS nicht beeinträchtigen Als Gehäuse kann beispielsweise ein Deckelsubstrat fungieren, das mit dem Tragersubstrat in Verbindung steht Sollte die Funktionalität der MEMS/MOEMS nicht nur auf Bewegungen in der beziehungsweise parallel zur Tragersubstratebene beschrankt sein, sondern auch Bewegungen senkrecht zur Tragersubstratebene vorsehen, muss das Gehäuse den MEMS/MOEMS entsprechende Bewegungsfreiheit gewährleisten

So kann das Deckelsubstrat beispielsweise Vertiefungen aufweisen, die in Verbindung mit dem Tragersubstrat Hohlräume um die MEMS/MOEMS bilden, so dass die Funktionalität der MEMS/MOEMS nicht eingeschränkt wird

Um auch sehr vibrations- und schockempfindliche MEMS/MOEMS mit weichen Aufhangungen und niedrigen Resonanzfrequenzen mit hoher Ausbeute fertigen zu können, bedarf es Anschlagen, die die MEMS/MOEMS vor mechanischer überlast (zum

Beispiel Schock, Vibrationen, usw ), wie sie beispielsweise bei mobilen Anwendungen

(zum Beispiel in Mobiltelefonen) auftreten kann, schützen

Wahrend laterale Kräfte, die in der Substratebene wirken, durch laterale Anschlage im MEMS/MOEMS-Design vorgesehen und entsprechend realisiert werden können, bedarf es für senkrecht aus der Substratebene wirkende Kräfte zusätzlicher vertikaler Anschlage

Das erfindungsgemaße Gehäuse weist einen oder mehrere integrierte mechanische Anschlage auf, der/die bevorzugt an einer beliebigen Stelle aus dem Deckelsubstrat in Richtung der MEMS/MOEMS ragt/ragen Durch ein Herausragen der Anschlage insbesondere aus der den MEMS/MOEMS zugewandten Flache der optischen Fenster kann verhindert werden, dass Bereiche der MEMS/MOEMS mit den größten Auslenkungsamplituden - und damit zum Beispiel bei Rotationsbewegungen mit der höchsten Geschwindigkeit - am Deckelsubstrat anstoßen In Verbindung mit der freien Wahl der Position der Anschlage besteht die Möglichkeit, dass man Bereiche der MEMS/MOEMS für den Kontakt mit den Anschlagen vorsieht, die am besten dafür geeignet sind, zum Beispiel weil deren maximale vertikale

Geschwindigkeit im Vergleich zu anderen Bereichen gering ist, sie keine aktive Funktion ausüben beziehungsweise keine aktiven Bereiche darstellen und/oder diese Bereiche mechanisch besonders stabil ausgelegt sind Damit lasst sich das Risiko einer Beschädigung der Mikrostrukturen und damit der MEMS/MOEMS bei mechanischen Uberbeanspruchungen reduzieren

Prinzipiell sollten die mechanischen Anschlage die Funktionalität beziehungsweise den gewünschten Arbeitsbereich der MEMS/MOEMS nicht einschränken, wobei der Abstand der mechanischen Anschlage zu den für den Kontakt mit den Anschlagen vorgesehenen Bereichen der MEMS/MOEMS bevorzugt möglichst gering sein sollte

Bei manchen Anwendungen hat das Gehäuse auch optische Funktionen zu erfüllen. Das erfindungsgemäße Gehäuse bietet durch die herausragenden Anschläge den Vorteil, dass es bei mechanischen überbeanspruchungen nur zum Kontakt der MEMS/MOEMS mit den Anschlägen kommt. Andere Bereiche des Deckelsubstrats kommen nicht mit den MEMS/MOEMS in Berührung. Dadurch werden die anderen Bereiche des

Deckelsubstrats, die beispielsweise als optische Fenster fungieren, nicht beschädigt oder in ihrer Funktionalität beeinträchtigt.

Unter einem optischen Fenster wird erfindungsgemäß ein Bereich des Gehäuses verstanden, der für beliebige Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung - insbesondere die durch das zu verkapselnde

MEMS/MOEMS zu verarbeitende Strahlung und damit die in der Anwendung eingesetzte Strahlung - aus dem infraroten, sichtbaren (Licht) und ultravioletten Frequenzbereich durchlässig, insbesondere transparent, ist und zudem üblicherweise hohe Qualitätsanforderungen insbesondere an die Oberflächenrauhigkeit, die Ebenheit und die Planparallelität erfüllt. Des Weiteren sollten diese Bereiche vorzugsweise eine homogene Materialstruktur aufweisen.

Ein typisches mikrooptisches Bauelement ist der Mikrospiegel, der zum Beispiel in der Video-Laser-Projektion als Scanspiegel eingesetzt werden kann, um einen einfallenden Laserstrahl abzulenken. Dabei soll der Laserstrahl durch das Gehäuse möglichst wenig gestreut und deformiert werden.

Zur Erzeugung der Hohlräume zwischen Trägersubstrat und Deckelsubstrat wird beispielsweise das Deckelsubstrat mit Vertiefungen versehen, so dass Trägersubstrat und Deckelsubstrat nach ihrer Verbindung die MEMS/MOEMS in der Regel komplett umschließen. Bei den meisten Anwendungen sind Tiefen zwischen etwa 50 μm und

900 μm für die Vertiefungen ausreichend Um auch größeren MEMS/MOEMS ausreichend Auslenkungsfreiheit gewahren zu können, sind Vertiefungen im Deckelsubstrat tiefer 900 μm von Vorteil

Solche Vertiefungen sind beispielsweise für relativ große beweglich aufgehängte Mikrospiegel zweckmäßig, die einen Durchmesser von 10 mm haben können Ein

Verkippen eines so dimensionierten Mikrospiegels um 10° um seine Mittelachse fuhrt zu einer maximalen aus der Substratebene gerichteten Auslenkung von fast 870 μm

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse die MEMS/MOEMS hermetisch dicht von der Umgebung abschließt, so dass im Gehäuse eine bestimmte Atmosphäre einstellbar ist Dadurch ist ein besonders guter Schutz gegen Verunreinigungen gegeben, wodurch die Gefahr einer Dysfunktion des verkapselten MEMS/MOEMS minimiert wird Zudem lasst sich in den Hohlräumen eine von der Umgebung unabhängige Atmosphäre einstellen Wahrend bei oberflachenmikromechanisch gefertigten MEMS/MOEMS eine hermetisch dichte Verkapselung bereits durch einen Verbund aus Tragersubstrat und einem

Deckelsubstrat erreicht werden kann, bedarf es bei volumenmikromechanisch gefertigten MEMS/MOEMS, welche zum Teil vollständig durch das Tragersubstrat hindurch geatzte Mikrostrukturen besitzen, mindestens eines zweiten Deckelsubstrats, das mit der der ersten Seite des Tragersubstrats, die mit dem ersten Deckelsubstrat in Verbindung steht, gegenüberliegenden zweiten Seite des Tragersubstrats verbunden wird, so dass das Tragersubstrat beidseitig mit Deckelsubstraten versehen ist

In vielen Anwendungsfallen wird ein Gehauseinnendruck unterhalb des atmosphärischen Luftdrucks bevorzugt Für MEMS/MOEMS besonders bevorzugt wird ein Gehauseinnendruck von etwa 10 ³ mbar bis etwa 1 mbar Dadurch lasst sich

beispielsweise die Dampfung insbesondere bei Systemen, die bei Resonanz betrieben werden, reduzieren und dadurch höhere Gutefaktoren und größere Auslenkungsamplituden erzielen

Bei anderen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Hohlräume mit einem Gas gefüllt sind, um dadurch bestimmte Eigenschaften der M E M S/M O E M S gezielt zu beeinflussen Dabei kommen Gase in Frage, die trocken und nicht elektrisch leitfahig sind, mit den für das Gehäuse und die MEMS/MOEMS verwendeten Materialien chemisch nicht reagieren und die erforderliche Transparenz aufweisen, als Beispiele seien Inertgase wie Edelgase, Stickstoff oder SF ₆ genannt So wird beispielsweise bei Anwendungen, bei denen Warme möglichst schnell an das Gehäuse und die Umgebung abgeleitet werden soll, Argon als Gehauseatmospharengas eingesetzt, da Argon elektrisch nicht leitfahig ist, trotzdem aber eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit besitzt Zudem ist die Diffusionsneigung von Argon so gering, dass langzeitstabile Druckverhaltnisse im Gehäuse möglich sind

Als Tragersubstrat werden bevorzugt Siliziumwafer verwendet, da die Prozesse der Siliziumtechnologie ausgereift sind und gut beherrscht werden

Insbesondere für bewegliche MEMS/MOEMS, die bei optischen Anwendungen zum Einsatz kommen, ist ein Gehäuse notwendig, das zumindest in Teilbereichen den oben genannten Anforderungen an ein optisches Fenster entspricht sowie neben der mechanischen auch die optische Funktionalität des gekapselten MEMS/MOEMS möglichst nicht beziehungsweise wenig beeinträchtigt

Daher ist es von Vorteil, wenn sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Tragersubstrat und Deckelsubstrat möglichst gering unterscheiden oder zwischen den

beiden Substraten eine Schicht angeordnet ist, mit der die unterschiedlichen

Ausdehnungskoeffizienten ausgeglichen werden können Dadurch lassen sich thermisch induzierte mechanische Spannungen zwischen Tragersubstrat und Deckelsubstrat minimieren und die Gefahr von Schädigungen am Gehäuse und den gekapselten MEMS/MOEMS reduzieren

Das Deckelsubstrat enthalt oder besteht bevorzugt aus Glas und/oder einem glasahnhchen Material Unter glasahnlichen Materialien werden erfindungsgemaß Stoffe verstanden, die wegen ihrer thermodynamischen Eigenschaften (amorpher Aufbau, Glasubergangstemperatur) Glasern ahnein, obwohl sich ihre chemische Zusammensetzung von der der Silikatglaser unterscheidet Als Beispiele seien hier die in der Chemie bekannten Kunstglaser oder organischen Vitroide wie Polymethylmethacrylate (PMMA), Polycarbonat und Polystyrol genannt Besonders geeignete Glaser sind Silikatglaser, insbesondere Borsilikatglaser, da Borsilikatglaser sehr Chemikalien- und temperaturbeständig sind Die Temperaturbeständigkeit und Unempfindlichkeit der Borsilikatglaser gegen plötzliche Temperaturschwankungen sind eine Folge ihres geringen

Wärmeausdehnungskoeffizienten Zudem ist der Transmissionsgrad insbesondere im sichtbaren Bereich mit über 90% sehr hoch

Um optischen Qualitätsansprüchen gerecht zu werden, sollten die optischen Fenster des Gehäuses eine Ebenheits- und/oder Planparallelitatsabweichung kleiner einem Viertel der Wellenlange der bei der Anwendung eingesetzten elektromagnetischen Strahlung aufweisen, wobei üblicherweise Wellenlangen vom ultravioletten bis in den infraroten Wellenlangenbereich (zum Beispiel zwischen etwa 200 nm und etwa 15 μm) Anwendung finden Demzufolge sind bei langerwelligem Licht mit Wellenlangen unter

720 nm Werte für die Ebenheits- und/oder Planparallelitatsabweichung kleiner 180 nm von Vorteil Bei Verwendung von kurzerwelligem Licht mit Wellenlangen unter 440 nm steigen die Anforderungen an die optischen Fenster, so dass Werte für die Ebenheits- und/oder Planparallelitatsabweichung kleiner 1 10 nm bevorzugt werden Optische Fenster, die diese Anforderungen erfüllen, verursachen geringere

Abweichungen und eine geringere Strahlaufweitung des optischen Strahlenverlaufs, was zu einer geringeren Verfälschung der optischen Signale fuhrt

Zudem sollte die quadratische Oberflachenrauhigkeit der optischen Fenster möglichst gering sein, bevorzugt kleiner 15 nm, besonders bevorzugt kleiner 5 nm Dadurch lasst sich insbesondere die durch das Deckelsubstrat verursachte Streuung reduzieren

Die Werte für die Ebenheits- und Planparallelitatsabweichung sowie für die quadratische Oberflachenrauhigkeit wurden mittels interferometrischer Messmethode bestimmt Für die Messungen wurde das Weißhcht- und Phaseninterferometer MicroMap 512 der Firma Atos verwendet

Um die Eigenschaften der optischen Fenster zusätzlich zu optimieren, ist es von Vorteil, diese Bereiche zumindest teilweise mit Veredlungsschichten zu versehen Besonders häufig eingesetzte Veredlungsschichten sind beispielsweise Entspiegelungsschichten, die Reflexionen an den optischen Fenstern und damit Strahlungsverluste verringern Solche Entspiegelungsschichten lassen sich zum Beispiel durch Schichtsysteme aus Magnesiumfluoπd und Titanoxid oder Sihziumdioxid und Titandioxid realisieren

Des Weiteren finden Antistatik-Schichten, die ein elektrisches Aufladen des Deckelsubstrats minimieren, häufig Verwendung Ein für Antistatik-Schichten in

optischen Anwendungen besonders geeignetes Material ist ITO (Indiumzinnoxid), da es dotiert eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und über einen breiten Frequenzbereich eine hohe Transparenz aufweist

Weiterhin können Reflexionsschichten, zum Beispiel Metallschichten, aufgebracht werden, die nach Strukturierung lokal reflektierende Bereiche bilden, zum Beispiel um einen einfallenden Lichtstrahl räumlich zu begrenzen (Blendenfunktion) oder um in Nachbarschaft zu den optischen Fenstern einen statischen Umlenkspiegel zu bilden Bevorzugt eingesetzte Veredlungsschichten sind des Weiteren Absorberschichten, die elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlangen oder ganzer Wellenlangenbereiche absorbieren

Das erfindungsgemaße Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses zur Verkapselung mikromechanischer und/oder mikrooptischer Bauelemente weist die folgenden Schritte auf - Bereitstellen eines Tragersubstrats mit mindestens einem mikromechanischen und/oder mikrooptischen Bauelement - Bereitstellen mindestens eines Deckelsubstrats, das mindestens ein optisches

Fenster und mindestens einen mechanischen Anschlag aufweist -Verbinden des Tragersubstrats mit dem mindestens einen Deckelsubstrat derart, dass das Tragersubstrat und das mindestens eine Deckelsubstrat mindestens einen Hohlraum bilden, der das mindestens eine mikromechanische und/oder mikrooptische Bauelement zumindest teilweise einschließt

Das erfindungsgemaße Verfahren dient der Verkapselung von MEMS/MOEMS, die üblicherweise auf einem Tragersubstrat aufgebracht oder angeordnet sind üblicherweise findet als Tragersubstrat ein Sihziumwafer Anwendung, auf dem durch oberflachenmikromechanische oder volumenmikromechanische Prozesse die zu verkapselnden MEMS/MOEMS erzeugt werden

Für die Verkapselung ist des Weiteren ein Deckelsubstrat erforderlich, welches üblicherweise bereits vor der Erzeugung der optischen Fenster und der mechanischen Anschlage zumindest in Teilbereichen, im Regelfall in seiner Gesamtheit, für die in der Anwendung eingesetzte elektromagnetische Strahlung durchlassig ist Bei den meisten optischen Anwendungen wird allerdings eine möglichst hohe Transparenz dieser für die in der Anwendung eingesetzte elektromagnetische Strahlung durchlassigen Bereiche gefordert, damit beispielsweise ein Laserstrahl möglichst unbeemflusst das MEMS/MOEMS erreicht Auch um diesen Ansprüchen gerecht zu werden, wird das Deckelsubstrat üblicherweise strukturiert Hierbei werden Vertiefungen für die Hohlräume, die optischen Fenster und die mechanischen Anschlage erzeugt

Als Deckelsubstrat eignen sich - wie vorstehend erläutert - verschiedene Glaser sowie bestimmte glasahnhche Kunststoffe Verschiedene in der Siliziumtechnologie verwendete Struktunerungsverfahren lassen sich auch für Glassubstrate nutzen So konnten beispielsweise die Vertiefungen mit HF-Losung geatzt werden Allerdings fuhrt naßchemisches strukturiertes Atzen von Glassubstraten in der Regel zu beträchtlichen Inhomogenitäten bezüglich der Atztiefe innerhalb der geatzten Flachen (ungenügende Planparallehtat der Flachen) und darüber hinaus zu stark angerauten Oberflachen, und

zwar umso stärker je tiefer geätzt wird. In der Regel ist ein so strukturiertes

Deckelsubstrat für optische Einsatzzwecke ungeeignet. Um qualitativ hochwertige optische Oberflächen zu erhalten, eignet sich zur Strukturierung des Deckelsubstrats beispielsweise ein Glasfließ-Verfahren, bei dem die Strukturen eines Formsubstrats beispielsweise auf ein Glassubstrat abgeformt werden. Dabei wird die Oberflächenqualität des Glassubstrats hauptsächlich durch die Oberflächenqualität des Formsubstrats bestimmt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden nach dem Strukturieren des Deckelsubstrats insbesondere die optischen Fenster zumindest teilweise mit einer Entspiegelungsschicht und/oder einer Antistatik-Schicht und/oder einer Reflexionsschicht und/oder einer Absorberschicht versehen, wodurch sich die optische Funktionalität des Gehäuses verbessern lässt.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden das Trägersubstrat und das mindestens eine

Deckelsubstrat miteinander verbunden, so dass das Trägersubstrat und das mindestens eine Deckelsubstrat mindestens einen Hohlraum bilden, der das M E M S/M O E M S zumindest teilweise einschließt.

Dafür sind generell alle zweckmäßigen Verbindungstechniken einsetzbar wie zum

Beispiel Kleben, Löten oder Bonden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden das Trägersubstrat und das mindestens eine Deckelsubstrat durch anodisches und/oder eutektisches Bonden und/oder Glasfritt-

Bonden miteinander verbunden. Vor allem in der Halbleiterindustrie sind diese

Bondverfahren häufig eingesetzte Verbindungstechniken insbesondere zur hermetisch dichten Verkapselung von Bauelementen.

Eutektisches Bonden wird besonders bevorzugt, wenn von den MEMS/MOEMS absorbierte Energie, zum Beispiel Strahlungsenergie, auf das Deckelsubstrat abgeführt werden soll

Je nachdem in welcher Umgebung der Bondprozess des Deckelsubstrats beziehungsweise der Deckelsubstrate durchgeführt wird, kann eine ganz bestimmte Atmosphäre - zum Beispiel ein Druck unterhalb des atmosphärischen Luftdrucks, besonders bevorzugt zwischen etwa 10 ³ mbar und etwa 1 mbar, und/oder eine Inertgas- Fullung, zum Beispiel mit Argon - in einem hermetisch dichten Gehäuse erzeugt werden Es werden daher bevorzugt Verbindungstechniken gewählt, die eine stabile Atmosphäre im Gehäuse gewährleisten können

Das erfindungsgemaße Verfahren ist besonders bevorzugt auf Wafer-Ebene als Wafer- Level-Packaging-Verfahren einsetzbar, wodurch sich mehrere MEMS/MOEMS gleichzeitig verkapseln lassen und damit ein zeitsparendes und effektives Verkapselungsverfahren gegeben ist

Bevorzugt wird das Verfahren zur Verkapselung von beweglichen Mikrospiegeln und/oder Mikrospiegel-Arrays eingesetzt

Beispiele

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen und eines Ausfuhrungsbeispiels nachfolgend naher beschrieben

Fig 1 zeigt ein mit zwei transparenten Deckelwafern 2, 3 verkapselten volumenmikromechanisch gefertigten Mikrospiegel 12, der an Torsionsfedern 1 1 aufgehängt ist

Fig 2 zeigt ein mit einem transparenten 2 und einem nicht transparenten ebenen

Deckelwafer 3 verkapselten volumenmikromechanisch gefertigten Mikrospiegel 12, der an Torsionsfedern 1 1 aufgehängt ist

Fig 3 zeigt ein mit einem transparenten 2 und einem nicht transparenten, mit einer Vertiefung versehenen Deckelwafer 3 verkapselten volumenmikromechanisch gefertigten Mikrospiegel 12, der an Torsionsfedern 1 1 aufgehängt ist

Fig 4 zeigt die Schrittfolge zur Herstellung eines Deckelwafers 2 mittels Glasfließ- Verfahren

In Fig 1 ist ein mit zwei transparenten Deckelwafern (Top-Deckelwafer 2 auf der Vorderseite des Tragerwafers und Bottom-Deckelwafer 3 auf der Ruckseite des

Tragerwafers) aus Borsihkatglas verkapselter volumenmikromechanisch gefertigter an Torsionsfedern 1 1 aufgehängter Mikrospiegel 12 aus Silizium im Querschnitt dargestellt, wobei Durchfuhrungen durch den Tragerwafer 1 aus Silizium fuhren Um ein hermetisch dichtes Gehäuse gewährleisten zu können, ist der Tragerwafer 1 beidseitig durch einen anodischen Bondprozess mit den Deckelwafern 2, 3 kontaktiert worden

Zudem weist der Tragerwafer 1 für die Kontaktierung mit den Deckelwafern 2, 3 einen rahmenformigen geschlossenen planaren Kontaktbereich 7 um den Mikrospiegel 12 herum auf Ein entsprechend dimensionierter rahmenformiger geschlossener planarer Kontaktbereich 7 ist bei den Deckelwafern als Gegenkontaktflache vorgesehen

Der Top-Deckelwafer 2 enthalt Vertiefungen 4, die in Verbindung mit dem Tragerwafer 1 die für die Bewegungen des Mikrospiegels notwendigen Hohlräume 5 bilden Der an Torsionsfedern 1 1 aufgehängte Mikrospiegel 12 kann zum Beispiel einen Durchmesser von 10 mm haben Bei einer maximalen Verkippung eines derartigen

Mikrospiegels 12 um 10° sind Vertiefungen 4 im Top-Deckelwafer 2 von über 870 μm notwendig, so dass die tiefsten Vertiefungen 4, gemessen von den Kontaktbereichen 7 bis zum Boden dieser Vertiefungen 4, etwa 900 μm betragen Die Boden der tiefsten Vertiefungen 4 bilden gleichzeitig die Bereiche, die als optische Fenster 13 fungieren Für die mechanischen Anschlage 8 ist die Tiefe der Vertiefungen 4 so dimensioniert, dass die Anschlage zu den nicht ausgelenkten Torsionsfedern 1 1 einen vertikalen Abstand zwischen 1 μm und 50 μm aufweisen Die Anschlage 8 haben keine optische Funktion Sie gewährleisten nur eine mechanisch protektive Funktionalität des Topdeckel-Wafers 2 In der Ausfuhrungsform nach Fig 1 weist der Top-Deckelwafer 2 somit drei unterschiedlich Strukturhohen zur Schaffung der optischen Fenster 13, der Anschlage 8 und der Kontaktbereiche 7 auf

Die optischen Fenster 13 sowie die planare dem Mikrospiegel 12 abgewandte Seite des Top-Deckelwafers 2 sind mit einer Entspiegelungsschicht 10 aus einem Schichtsystem aus Magnesiumfluoπd und Titandioxid versehen

Der Bottom-Deckelwafer 3 ist nicht strukturiert ausgeführt und schließt den Hohlraum 5 um den Mikrospiegel 12 hermetisch dicht ab Um auch diesseitig optische Funktionalität zu ermöglichen, wird auch der Bottom-Deckelwafer 3 beidseitig mit Entspiegelungsschichten 10 versehen Dies wurde beispielsweise die Möglichkeit bieten, auch die Ruckseite des Mikrospiegels 12 zu bestrahlen und den reflektierten Strahl zur Bestimmung der Spiegelposition zu verwenden

Mechanische Anschlage 8 sind im Bottom-Deckelwafer 3 nicht vorhanden, können aber in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen werden, um in beide Richtungen senkrecht zur Tragerwaferebene einen Uberlastschutz zu gewährleisten

Hat der Bottom-Deckelwafer 3 keine optische Funktionalität zu erfüllen, kann ein handelsüblicher Sihziumwafer verwendet werden, wie in Fig 2 und Fig 3 gezeigt wird

Wie Fig 3 ebenfalls zeigt, wird in einer weiteren Ausgestaltung der Bottom- Deckelwafer 3 mit einer Vertiefung 16 versehen, um den Hohlraum 5 um den Mikrospiegel 12 zu vergrößern Dies ist erforderlich, wenn der Mikrospiegel 12, wie in der hier dargestellten Ausgestaltung, Versteifungsstrukturen 1 5 zur Reduzierung statischer und dynamischer Deformationen und/oder Antriebsstrukturen 1 5, zum Beispiel für vertikale Antriebe und/oder in Waferdicke, besitzt Zusätzlich wird die Vertiefung 16 im Bottom-Deckelwafer 3 dazu verwendet, um ein Getter-Matenal 14 (zum Beispiel Zirkonlegierungen, Titan), welches zur langfristigen Aufrechterhaltung eines Vakuums innerhalb des Hohlraums 5 dient, dort zu deponieren

Eine weitere erfindungsgemaße Ausgestaltung sieht gemäß den Fig. 1 -3 weitere Vertiefungen 6 im Top-Deckelwafer 2 außerhalb des den Mikrospiegel 12 einschließenden Hohlraums 5 vor Diese Vertiefungen 6 umschließen nach der Verbindung von Tragerwafer 1 und Top-Deckelwafer 2 die Anschlussfelder (Pads) 9 eines jeden Chips Durch geeigneten Schichtaufbau des Tragerwafers 1 lassen sich vergrabene Leiterbahnen unter dem Kontaktbereich 7 zwischen Tragerwafer 1 und Top- Deckelwafer 2 aus dem den Mikrospiegel 12 umschließenden Hohlraum 5 lateral zu den Anschlussfeldern 9 herausfuhren Durch einen Sageschritt, der nicht den vollständigen Waferverbund aus Tragerwafer 1 und Deckelwafern 2, 3 sondern nur den Top- Deckelwafer 2 im Bereich der Anschlussfelder 9 aufsagt, kann man die Anschlussfelder 9 zuganglich machen, ohne die Atmosphäre in dem den Mikrospiegel 12 einschließenden Hohlraum 5 zu beeinträchtigen Das hat den Vorteil, dass noch vor dem

Vereinzelungsschπtt beispielsweise Funktionstests oder Messungen an dem fertig gekapselten Mikrospiegel 12 durchgeführt werden können

Nach Bereitstellung des Tragerwafers 1 aus Silizium mit dem zu verkapselnden Mikrospiegel 12 werden beispielsweise zwei Glaswafer aus Borsilikatglas bereitgestellt, die als Top- 2 und Bottom-Deckelwafer 3 dienen Die Glaswafer aus Borsilikatglas haben zum Beispiel eine Dicke zwischen 0,5 mm und 3 mm, unter anderem abhangig von der geforderten Stabilität

Fig 4 zeigt die Schrittfolge zur Strukturierung des Top-Deckelwafers 2 mittels Glasfließ- Verfahren Dabei werden die Strukturen eines Formwafers 21 auf den Top-Deckelwafer 2 abgeformt beziehungsweise übertragen

Basis für den Formwafer 21 stellt ein einseitig polierter Sihziumwafer dar Dieser Formwafer 21 bleibt in den Bereichen, durch die die optischen Fenster 13 geformt werden, unverändert, so dass die ursprüngliche Oberflachenqualitat des polierten Siliziumwafers 21 erhalten bleibt In den Bereichen, in denen die Kontaktbereiche 7 des Top-Deckelwafers 2 hergestellt werden, werden gleichmäßig tiefe Graben 23 in den Formwafer 21 geatzt Die Atztiefe dieser Graben 23 bestimmt in etwa die Tiefe des Hohlraums 5

Hierfür kommen verschiedene Atzverfahren in Frage Sehr homogen über den gesamten Formwafer 21 ist dies beispielsweise zeitkontrolhert mit naßchemischen Atzverfahren in Kaliumhydroxid (KOH) oder TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) zu erzielen Aber auch Plasma gestutzte Trockenatzverfahren können solche Graben 23 mit hoher Präzision erzeugen, in der Regel jedoch unter der Voraussetzung, dass die Breite der Graben 23 überall einheitlich ist

Um ein Maximum an Homogenitat der Grabentiefe und zugleich eine minimale

Rauhigkeit der Grabenboden (27) zu erzielen, kann für den Formwafer 21 anstelle des Standard Siliziumwafers ein SOI-Wafer (Silicon on insulator - Wafer) entsprechender Dicke verwendet werden, wobei die Graben 23 bis auf die verborgene Oxidschicht geatzt werden

Um innerhalb der optischen Fenster 13 mechanische Anschlage 8 zu erzeugen, bedarf es weiterer zu atzender Graben 24 von geringerer Atztiefe Den fertig strukturierten Formwafer 21 zeigt Fig 4a

Im nächsten Schritt wird auf den Formwafer 21 der Top-Deckelwafer 2 anodisch gebondet, wie Fig 4b zeigt Um die Strukturen des Formwafers 21 vollständig abformen zu können, ist es in der Regel erforderlich, diesen Bondprozess im Vakuum durchzufuhren

Anschließend wird der Verbund aus Formwafer 21 und Top-Deckelwafer 2 in einem Ofen auf 600-800 ⁰ C erhitzt Dabei beginnt der Top-Deckelwafer 2 zu schmelzen und wird in Folge des Druckunterschieds zwischen Vakuum in den Graben 23, 24 des Formwafers 21 und des höheren Umgebungsdrucks im Ofen in die Graben 23, 24 des Formwafers 21 hineingedruckt, bis die Graben 23, 24 des Formwafers 21 vollständig mit Borsihkatglas des Top-Deckelwafers 2 ausgefüllt sind Auf diese Weise werden die Strukturen des Formwafers 21 vollständig auf den Top-Deckelwafer 2 abgeformt Bedingt durch den Glasfluss ist die vom Formwafer 21 abgewandte Seite des Top- Deckelwafers 2 nach dem Abkühlen nicht mehr plan (Fig 4c) und muss daher in einem präzisen Schleif- und Polierprozess planansiert und geglättet werden, bis schließlich wieder optische Qualität erzielt ist Das Ergebnis dieses Schritts ist in Fig 4d dargestellt

Im nächsten Schritt wird der polierte Top-Deckelwafer 2 von dem Formwafer 21 befreit, indem der Formwafer 21 nasschemisch weggeatzt wird

Der Bottom-Deckelwafer 3 wird beidseitig plan oder mit einer Vertiefung 16 auf der dem Tragerwafer zugewandten Seite ausgeführt

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden auf die nach dem Bondprozess zur Tragerwaferebene parallelen Flachen der Deckelwafer 2, 3, die eine optische Funktion haben, Entspiegelungsschichten 10 aus einem Schichtsystem aus Magnesiumfluoπd und Titanoxid aufgedampft Diese Entspiegelungsschichten 10 müssen anschließend von den Kontaktbereichen 7 wieder entfernt werden (Fig 4e), da die Entspiegelungsschichten 10 den Bondprozess stören konnten Das Entfernen erfolgt durch eine Politur, die nur die Kontaktbereiche 7, nicht aber die Entspiegelungsschichten 10 in den Vertiefungen 4, 16 angreift

Die Deckelwafer 2, 3 werden abschließend auf den Tragerwafer 1 gebondet

27 Bezugszeichenliste

1 Tragerwafer

2 Top-Deckelwafer

3 Bottom-Deckelwafer 4 Vertiefungen im Top-Deckelwafer

5 Hohlraum

6 Vertiefungen für die Anschlussfelder (Pads)

7 Kontaktbereich zwischen Tragerwafer und Top-Deckelwafer

8 mechanischer Anschlag 9 Anschlussfelder (Pads)

10 Entspiegelungsschicht

1 1 Torsionsfeder

12 Mikrospiegel

13 Optische Fenster 14 Getter-Mateπal

15 Versteifungs- und/oder Antriebsstruktur

16 Vertiefung im Bottom-Deckelwafer

21 Formwafer

22 polierte Oberflache für die optischen Fenster 23 Graben für Kontaktbereich

24 Graben für Anschlag

25 Ruckseite des Top-Deckelwafers

26 Kontaktbereich des Top-Deckelwafers

27 Grabenboden für Kontaktbereich zwischen Tragerwafer und Top-Deckelwafer