CN109987567A - 激光键合方法和具有激光键合连接部的微机械设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械设备，具有带着MEMS键合框的MEMS构件和带着罩键合框的罩构件，其中，MEMS构件和罩构件形成至少一个共同的空腔，其中，MEMS键合框和罩键合框在键合面上彼此贴靠。本发明的核心在于，MEMS键合框和/或罩键合框具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部并且两个键合框借助于由键合框的材料和/或罩键合框的材料形成的熔化部相互连接，其中，凹槽至少部分地填充以熔化部。本发明也涉及一种微机械构件，具有带着键合面的键合框，其中，键合框具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部，该键合框结构化部延伸至键合面。本发明也涉及一种用于借助激光键合制造微机械设备的方法。

Description

激光键合方法和具有激光键合连接部的微机械设备
技术领域
本发明涉及一种具有带着MEMS键合框的MEMS构件和带着罩键合框的罩构件的微机械设备，其中，MEMS构件和罩构件形成至少一个共同的空腔，其中，MEMS键合框和罩键合框在键合面上彼此贴靠。
背景技术
在MEMS元件中，例如在转速传感器、加速度传感器、组合元件中，用于按照规定的功能的MEMS元件针对环境影响受保护。这还包括湿气、压力、颗粒。因此，根据现有技术，使罩与MEMS元件连接。罩与MEMS元件的连接借助于键合方法进行。典型的技术是共晶键合、密封玻璃键合、热压缩键合。
对于当前产品，除了密封玻璃键合之外使用共晶键合方法。因为密封玻璃键合具有大的面积需求，所以对于尤其在消费品领域中的新产品经常使用借助于铝锗的共晶键合方法。
发明内容
本发明示出一种可行性方案，借助于新型键合方法减少在键合方法和其他过程步骤之间的上面提到的相互作用。
本发明涉及一种具有带着MEMS键合框的MEMS构件和带着罩键合框的罩构件的微机械设备，其中，MEMS构件和罩构件形成至少一个共同的空腔，其中，MEMS键合框和罩键合框在键合面上彼此贴靠。
本发明的核心在于，MEMS键合框或罩键合框具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部并且两个键合框借助于由MEMS键合框的或罩键合框的材料形成的熔化部相互连接，其中，凹槽至少部分地以熔化部填充。
根据本发明的微机械设备的有利构型设置为，MEMS键合框或罩键合框由硅组成。有利地，由硅制成的部件能够特别容易地借助于激光熔化相互连接。特别有利地，MEMS键合框或罩键合框由掺杂的硅组成并且两个键合框借助于熔化部导电地相互连接。
本发明也涉及一种具有带着键合面的键合框的微机械构件。本发明的核心在于，键合框具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部，该键合框结构化部延伸至键合面。
根据本发明的微机械构件的有利构型设置为，键合框结构化部具有呈至少一个凹槽的形式的进入结构化部，该进入结构化部从微机械构件的外表面延伸至键合面。这样激光束可以有利地达到键合面。根据本发明的微机械构件的有利构型设置为，键合框结构化部具有呈至少一个凹槽的形式的连接结构化部，该连接结构化部沿着键合面延伸。这样熔化部可以有利地沿着键合面扩散并且建立两个键合框的贯通连接。
本发明也描述了使罩与MEMS构件、尤其是MEMS传感器连接的键合过程。所述连接直接通过在MEMS传感器侧上的硅与在罩侧上的硅的连接实现，其中，两个硅侧的连接通过硅借助于激光的熔化实现。因为硅的熔化和凝固的时间尺度在μs的范围内进行，所以加热局限在键合框的区域上和可能的围绕键合框的几μm的间距上。为了产生成功的连接，必须在罩侧上或者也在MEMS传感器侧上进行硅在激光键合之前的结构化。本发明允许使用硅键合方法用于在减少与其他过程步骤的相互作用的同时使罩和MEMS元件连接。此外，在本发明中在键合过程期间仅加热键合框，从而使热效应例如减小到抗粘附涂层(anti stictioncoating，ASC)上。附加地，由于在键合界面中的局部高温，涂层的存在明显不如例如在铝锗键合方法中那么重要。
总结而言，硅键合连接部提供下列优点：
-因为用于键合的温度被局限到键合框上，在这种情况下不出现ASC的损伤，因此减小加速度传感器的粘接。
-因为结构化例如可以与硅分离一起进行，因此在传感器侧上的硅键合框的制造不需要附加的过程步骤。另一优点在于，不必沉积附加层并且因此(对于键合框)可以取消铝沉积和铝的结构化。
-在罩侧上制造键合框时可以取消迄今所需要的锗层。
-因为熔化区可以选择得大于键合框的结构化部的结构尺寸，因此通过键合框的合适结构化可以实现罩和传感器之间的完全连接。
-键合连接部的电阻可以通过硅的掺杂来调节。因此，既能够制造绝缘的键合连接部也能够制造借助于掺杂的硅的导电键合连接部。
-因为硅键合连接部相对于已知的密封玻璃和共晶键合连接部的更高的机械连接强度，键合框可以明显更细长地构型。
附图说明
图1a和1b示意性示出具有传感器衬底、键合框、MEMS元件和空腔的MEMS构件的结构。
图2a和2b示意性示出具有罩衬底、键合框、键合框结构化部和空腔的罩构件的结构。
图3以横截面示意性示出接合在一起的MEMS构件和罩构件的微机械设备。
图4以横截面示意性示出MEMS构件和罩构件借助于激光的键合。
图5以横截面示意性示出MEMS构件和罩构件在借助于激光加工之后连接的键合框。
图6a和6b示出在低激光能量(a)和高激光能量(b)的情况下借助激光加工之后借助激光封闭盲孔的测试结构。
图7a和7b示出以罩上侧和罩下侧的俯视图示出具有键合框结构化部的罩构件。
图8a和8b以沿着切线AA‘和BB‘的横截面示出图7a和7b中的具有键合框结构化部的罩构件。
图9a和9b以罩上侧和罩下侧的俯视图示出具有键合框结构化部的其他实施方式的罩构件。
图10a和10b以沿着切线AA‘和BB‘的横截面示出图9a和9b的具有键合框结构化部的罩构件。
图11以横截面示意性示出具有MEMS构件、罩构件和在现有技术中用于电势接合的键合线的微机械设备。
图12以横截面示意性示出具有MEMS构件、罩构件和带有用于电势接合的激光键合连接部的键合框结构化部的微机械设备。
图13示意性示出根据本发明的用于通过激光键合方法制造微机械设备的方法。
具体实施方式
为了实施用于使传感器和罩连接的激光键合过程，有利的是，在传感器侧上和在罩侧上的键合框由硅制造。然而通过这里所提出的方法也可以使不同的材料彼此键合。但在大多数应用中，既在传感器晶片上也在罩晶片上使用由硅制成的键合框。在使用硅键合框的情况下，通过硅对硅键合实现最大键合强度。因此，可以使用尽可能小的键合框几何结构。
图1a和1b示意性示出具有MEMS衬底130、MEMS键合框120、MEMS元件140和MEMS空腔110的MEMS构件100的结构。在此，图1a示出MEMS构件上侧的俯视图。图1b示出MEMS构件的横截面。MEMS键合框120相比于在现有技术中的传统的铝键合框可以非常简单地制造，因为除了硅结构化部之外不需要其他层。
图2a和2b示意性示出具有罩衬底230、罩键合框220、键合框结构化部350和罩空腔210的罩构件200的结构。在此，图2a示出罩构件下侧的俯视图。图2b示出罩构件200的横截面。罩构件具有罩空腔210和由硅制成的罩键合框220。该键合框的特别之处是键合框结构化部350，该键合框结构化部对于随后的键合过程而言是必需的。相对于传统的由锗制成的罩键合框，在该实施例中，罩键合框220不需要其他层。
在图2a和2b中示例性地示出键合框结构化部350。另外的结构化可行性方案在下面在键合框结构化部的其他实施方式中阐释。尤其替代于罩键合框220的结构化，也能够替代地或附加地实现MEMS键合框120的结构化。比照适用下面的阐释。
为了使罩200与MEMS构件100连接、即实施键合过程，需要多个分步骤。
在第一步骤中，使罩构件200与MEMS构件100接合在一起。在这里，罩构件200朝着MEMS构件100定向，由此罩键合框220和MEMS键合框120准确得在键合面310上彼此贴靠。对此，图3以横截面示意性示出具有接合在一起的MEMS构件和罩构件的微机械设备。
在第二步骤中，实施键合过程。键合过程通过借助于激光的照射10实施。在此，激光能量或激光能量的部分由硅吸收并且加热所述硅直至其熔化。当从罩侧照射并且激光也射入到键合框结构化部350中时，熔化过程不仅在表面上发生，而且直至MEMS键合框120的深处，或者熔化过程也仅在深处发生。图4以横截面示意性示出MEMS构件100和罩构件200借助于激光的键合。
在关断激光束之后，熔化的硅凝固并且由此使罩键合框220与MEMS键合框120连接。图5以横截面示意性示出MEMS构件100和罩构件200的在借助于激光加工之后所连接的键合框。
为了得到在罩和MEMS构件之间的完全键合连接，结构化的键合框的周边必须完全与该键合框的对应件连接。这成功的方式是，激光沿着经结构化的键合框受引导。在此，既可以使用处于持续运行中的激光也可以使用处于脉冲运行中的激光。通过键合框在激光照射之前的合适结构化，既可以沿横向方向也可以沿垂直方向限定熔化区。
根据实验，在罗伯特博世有限公司中已经证实基于现有的EVG公司的激光器设施的在测试结构上的超过100μm的深度的封闭深度。图6a和6b示出用于在低激光能量(a)和高激光能量(b)的情况下借助激光加工之后借助激光封闭盲孔的测试结构。
在低激光能量(图6a)的情况下借助激光加工之后可看出大约35μm的封闭深度。而在适用高激光能量的情况下在加工之后盲孔完全封闭，并且由此实际的熔化区的深度超过100μm。在此出现的特性可对比于金属连接的深焊。激光的能量可以选择得如此高，使得不仅局部地熔化，而且也可以通过蒸发产生气泡。一方面，由于气泡通过多重反射产生激光束的提升的吸收，并且因此将附加的能量耦入到熔化部中。另一方面，气泡施加压力到熔化的材料上。由此熔化的材料被压到深处。想法在于，附加地通过在熔化区域下面的通道的形状和几何结构有针对性地将材料引导到键合框中。尤其是以下想法，可以通过使用通道来控制已熔化的材料的导入，并且可以通过使用非常细长的缝隙来阻挡所述材料的导入。如果容积相对于表面积的比例大，液态材料可以在材料在通道中凝固之前非常容易地填满通道。通过细长的缝隙可以非常容易地阻挡液态材料。因为细长缝隙的表面积相对于容积的比例非常大，可以出现材料的极快的冷却和凝固。由于缝隙的细长宽度，仅实现小的凝固深度，并且因此可以阻止液态材料在细长缝隙中的扩散。另外，在细长缝隙的端部上，液态材料的表面应力防止材料的进一步扩散并且直接抵抗气泡的压力。
键合框结构化部的实施方式
为了实现MEMS构件和罩构件之间的完全键合连接，既可以调整键合框的结构化部也可以调整激光源的能量、脉冲持续时间、脉冲频率等。
用于键合框的结构化部的合适示例在下面示出。示例性地示出罩侧，但是也可以替代地将MEMS构件的键合框结构化。
图7a和7b以罩上侧和罩下侧的俯视图示出具有键合框结构化部350的罩构件200。键合框结构化部350可以分成进入结构化部352和连接结构化部354。进入结构化部352包含表明罩上侧、即外表面320与罩下侧、即键合框220和键合面310的连接的元素(Elemente)。连接结构化部354在罩下侧上、即沿着键合面310使进入结构化部352相互连接。在图7b中，进入结构352是柱体(在俯视图中是圆)并且连接结构354是矩形通道。连接结构化部有助于将在激光加工期间熔化的硅有针对性地导入到限定区域中并且由此确保，发生在罩200和MEMS构件100之间的键合框120、220的环绕连接。
图8a和8b以沿着切线AA‘和BB‘的横截面示出图7a和7b的具有罩衬底230和具有键合框结构化部350的罩键合框220的罩构件200。进入结构化部352和连接结构化部354都可以在尺寸和几何形状方面具有不同的实施方式。
图9a和9b以罩上侧和罩下侧的俯视图示例性地示出具键合框结构化部350的其他实施方式的罩构件200。在图9a中，进入结构352在俯视图中在几何结构方面显示为圆、正方形和三角形。也可能是其他形状，如椭圆、矩形。在键合框中也可以使用不同的几何结构的组合，如在图9a中同样阐明的那样。附加地，在图9b中存在连接结构化部354的不同实施方式。连接结构化部354在俯视图中既可以包含圆形、椭圆形、三角形、矩形、四边形的结构，或者可以包含由上述结构组成的组合。通过适配连接结构354的形状、尺寸和间距，可以确保在MEMS构件100和罩构件200之间的环绕连接。连接结构化部354的深度h同样可以适配于几何结构、形状和尺寸。
图10a和10b以沿着切线AA‘和BB‘的横截面示出图9a和9b的具有键合框结构化部的罩构件。
在图7至图10中示出的结构化部示例性地用于罩构件。类似地，MEMS构件的结构化可以替代于罩构件地进行。同样可能的是在罩构件和MEMS构件上的键合框结构化部的组合。这样例如可以实现罩构件的进入结构化部和MEMS构件的连接结构化部，反之亦然。
根据本发明的激光键合方法的其他应用方式
所提出的激光键合方法也可以与另外的键合方法组合。例如在附加地存在借助于密封玻璃的(例如仅点状的)绝缘键合连接部的情况下要建立导电连接部时，这是有意义的。具体的应用是使罩接合到衬底电势上。根据现有技术，罩借助于键合线触点接通。
图11以横截面示意性示出具有MEMS构件、罩构件和在现有技术中的用于电势接合的键合线的微机械设备。由罩200、键合连接部440(在该示例中是密封玻璃)和MEMS构件100组成的所述设备(在该示例中是传感器元件)借助于连接层410粘附在衬底420或ASIC上。罩的电势接合通过在衬底420和罩200之间的键合线400进行。缺点是键合线需要沿横向方向的和沿垂直方向的位置。附加地，必须在罩上保持用于键合线的键合垫430。
由密封玻璃键合和这里所提出的激光键合方法的组合提供解决方案。为此，图12以横截面示意性示出具有MEMS构件100、罩构件200和带着用于电势接合的导电的激光键合连接部450的键合框结构化部350的微机械设备。通过使用上述激光键合方法，罩200直接与MEMS构件100的衬底连接。在使用掺杂的硅的情况下，可以使罩连接到衬底电势上。在图12中为了阐明分开地画出罩与传感器的衬底的连接。为了节省位置，该连接也可以在键合框120、220中或者直接在键合框处的连接部侧面进行。为了提高可靠性，也可以建立多个冗余的激光键合连接部。
在图12中示出的用于密封玻璃键合与激光键合方法的组合的示例也可以类似地概括用于另外的已知的键合方法，例如铝锗共晶键合连接。
用于已知的键合方法与激光键合方法的组合的其他应用例如是制造已知的在罩和传感器之间的环绕的键合连接部与随后的激光键合连接部以分隔开两个或多个空腔。
图13示意性示出根据本发明的用于通过激光键合方法制造微机械设备的方法。所述方法具有三个主要的步骤A、B和C。
在步骤A中，提供具有MEMS键合框的MEMS构件和具有罩键合框的罩构件，其中，MEMS键合框和/或罩键合框具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部。
在步骤B中，将罩构件与MEMS构件接合在一起，其中，罩键合框和MEMS键合框在键合面上彼此贴靠。
在步骤C中，通过由MEMS键合框的材料或也由罩键合框的材料形成的熔化部进行MEMS构件和罩构件的键合，其方式是，至少键合框结构化部暴露于激光照射。
附图标记列表
10 激光束
100 MEMS构件
110 MEMS空腔
120 MEMS键合框
130 MEMS衬底
140 MEMS元件
200 罩构件
210 罩空腔
220 罩键合框
230 罩衬底
300 MEMS设备
310 键合面
320 外表面
330 熔化部
350 键合框结构化部
352 进入结构化部
354 连接结构化部
h 连接结构化部的深度
400 键合线
410 连接层
420 衬底/ASIC
430 键合垫
440 键合连接部(密封玻璃)
450 导电激光键合连接部

Claims (7)

1.微机械设备，具有带着MEMS键合框(120)的MEMS构件(100)和带着罩键合框(220)的罩构件(200)，其中，所述MEMS构件(100)和所述罩构件(200)形成至少一个共同的空腔(110、210)，其中，所述MEMS键合框(120)和所述罩键合框(220)在键合面(310)上彼此贴靠，
其特征在于，
所述MEMS键合框(120)和/或所述罩键合框(220)具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部(350)，并且，两个键合框(120、220)借助于由所述键合框(120)的材料和/或所述罩键合框(220)的材料形成的熔化部(330)相互连接，其中，所述凹槽至少部分地被所述熔化部(330)填充。
2.根据权利要求1所述的微机械设备，其特征在于，所述MEMS键合框(120)和/或所述罩键合框(220)由硅组成。
3.根据权利要求2所述的微机械设备，其特征在于，第一键合框(120)和/或第二键合框(220)由掺杂的硅组成并且所述两个键合框(120、220)借助于所述熔化部(330)导电地相互连接。
4.微机械构件(100、200)，具有带着键合面(310)的键合框(120、220)，其特征在于，所述键合框(120、220)具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部(350)，该键合框结构化部延伸至所述键合面(310)。
5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的微机械设备，其特征在于，所述键合框结构化部(350)具有呈至少一个凹槽的形式的进入结构化部(352)，该进入结构化部从所述微机械构件的外表面(320)延伸至所述键合面(310)。
6.根据权利要求5所述的微机械设备，其特征在于，所述键合框结构化部(350)具有呈至少一个凹槽的形式的连接结构化部(354)，该连接结构化部沿着所述键合面(310)延伸。
7.用于借助激光键合制造微机械设备的方法，具有以下步骤：
(A)提供具有MEMS键合框的MEMS构件和具有罩键合框的罩构件，其中，所述MEMS键合框和/或所述罩键合框具有呈至少一个凹槽的形式的键合框结构化部；
(B)将所述罩构件与所述MEMS构件接合在一起，其中，所述罩键合框和所述MEMS键合框在键合面上彼此贴靠；
(C)通过由所述MEMS键合框的材料和/或所述罩键合框的材料形成的熔化部使所述MEMS构件和所述罩构件键合，其方式是，至少所述键合框结构化部暴露于激光照射。
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