DE102015114086B4 - Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements - Google Patents

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Abstract

Bauelement (100) aufweisend- eine erste Komponente (1),- eine zweite Komponente(2),- ein Verbindungselement (3), das direkt zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (3) zumindest ein erstes Metall (Me1) aufweist,- das als eine Haftschicht (4) ausgeformt ist, die direkt an der ersten Komponente (1) und/oder zweiten Komponente (2) angeordnet ist,- das als Diffusionsbarriere (5) ausgeformt ist,- das Bestandteil einer ersten Phase (31) und einer zweiten Phase (32) des Verbindungselements (3) ist, wobei die erste und/oder zweite Phase (31, 32) jeweils neben dem ersten Metall (Me1) noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle umfasst,wobei die Konzentration (c11) des ersten Metalls (Me1) in der ersten Phase (31) größer ist als die Konzentration (c25) des ersten Metalls (Me1) in der zweiten Phase (32),wobei das Verbindungselement (3) eine Schicht aus einem Silizid des ersten Metalls (Me1) aufweist, die zwischen der Haftschicht (4) und der ersten und/oder zweiten Komponente (1, 2) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements.
  • Beim Verbinden von zwei Komponenten, beispielsweise von zwei Wafern, sind neben dem Verbindungselement meist zusätzlich eine Haftschicht und/oder Diffusionsbarriere vorhanden. Insbesondere unterscheidet sich das Material des Verbindungselements von dem Material der Haftschichten.
  • Aus der Druckschrift US 2014 / 0 137 989 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Ni/In/Sn/Cu Multischichtstruktur bekannt. Die Druckschrift US 2013 / 0 334 561 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bonden eines LED Wafers, ein Verfahren zur Herstellung eines LED Chips sowie eine Bondingstruktur. Die Druckschrift US 2014 / 0 077 377 A1 bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauelement bereitzustellen, das einen einfacheren strukturellen Aufbau aufweist. Insbesondere soll das Bauelement ein erstes Metall aufweisen, das als Haftschicht, Diffusionsbarriere und Bestandteil einer ersten und zweiten Phase des Verbindungselements, also als Lotmetall, ausgeformt ist. Insbesondere soll das Bauelement keine zusätzlichen Haftschichten und/oder keine zusätzlichen Diffusionsbarrieren aufweisen.
  • Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements bereitzustellen, das leicht und/oder kostengünstig durchführbar ist.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 16.
  • In zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine erste Komponente, eine zweite Komponente und ein Verbindungselement auf. Insbesondere besteht das Bauelement aus einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und einem Verbindungselement. Das Verbindungselement ist direkt, also in unmittelbarem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt, zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet. Das Verbindungselement weist zumindest ein erstes Metall auf. Das erste Metall ist als eine Haftschicht ausgeformt. Die Haftschicht ist direkt an der ersten Komponente und/oder zweiten Komponente angeordnet. Das erste Metall ist als Diffusionsbarriere ausgeformt. Das erste Metall ist Bestandteil einer ersten Phase und einer zweiten Phase des Verbindungselements. Die erste und/oder zweite Phase weisen jeweils neben dem ersten Metall noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle auf. Die Konzentration des ersten Metalls ist in der ersten Phase größer als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase, wenn zumindest die beiden Phasen vorhanden sind. Zusätzlich können auch mehr als zwei Phasen, beispielsweise drei, vier oder fünf Phasen vorhanden sein.
  • Das Bauelement weist eine erste Komponente und/oder eine zweite Komponente auf. Die erste Komponente und/oder die zweite Komponente können aus einer verschiedenen Anzahl von Materialien und Elementen gewählt sein. Die erste und/oder zweite Komponente können beispielsweise jeweils aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Saphir, Siliziumnitrid, ein Halbleitermaterial, ein keramisches Material, ein Metall und Glas umfasst.
  • Zum Beispiel kann einer der beiden Komponenten ein Halbleiter- oder Keramikwafer, zum Beispiel ein geformtes Material aus Saphir, Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, einer lumineszierenden Keramik, wie zum Beispiel YAG, sein. Ferner ist es möglich, dass zumindest eine Komponente als Printed Circuit Board (PCB), als metallischer Leiterrahmen oder als eine andere Art von Verbindungsträger ausgeformt ist. Ferner kann zumindest eine der Komponenten beispielsweise einen elektronischen Chip, einen optoelektronischen Chip, eine lichtemittierende Leuchtdiode, einen Laserchip, einen Fotodetektorchip oder einen Wafer umfassenden oder eine Mehrzahl von solchen Chips aufweisen. Insbesondere umfasst die erste Komponente und/oder die zweite Komponente eine lichtemittierende Leuchtdiode, kurz LED.
  • Die eine lichtemittierende Leuchtdiode umfassende Komponente ist bevorzugt dazu eingerichtet, blaues Licht oder weißes Licht zu emittieren. Alternativ kann die Komponente auch andere Farben, beispielsweise rot, orange, grün oder Strahlung aus dem IR-Bereich oder eines Lasers emittieren.
  • Die lichtemittierende Leuchtdiode umfasst zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip kann eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Es werden beispielsweise Verbindungen aus den Elementen verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silicium, Kohlenstoff und Kombination daraus gewählt sein können. Es können aber auch andere Elemente und Zusätze verwendet werden. Die Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basieren. „Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIn1-n-mN, aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
  • Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen. Im Betrieb der LED oder des Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 800 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm.
  • Das Bauelement weist ein Verbindungselement auf. Das Verbindungselement verbindet die erste und die zweite Komponente miteinander.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungselement eine Verbindungsschicht oder weist eine Mehrzahl von Verbindungsschichten auf.
  • Beispielsweise kann das Verbindungselement eine mechanische Verbindung der ersten Komponente und der zweiten Komponente sein. Ferner kann auch eine elektrische Verbindung der ersten Komponente mit der zweiten Komponente über das Verbindungselement erfolgen. Insbesondere ist das Verbindungselement in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt, also direkt, zur ersten Komponente als auch zur zweiten Komponente angeordnet. Das Verbindungselement umfasst zumindest ein erstes Metall.
  • Das erste Metall ist als Haftschicht ausgeformt oder die Haftschicht kann das erste Metall umfassen. Mit „Haftschicht“ ist hier und im Folgenden gemeint, dass das erste Metall zur Anbindung des Verbindungselements an zumindest die erste Komponente und/oder die zweite Komponente eingerichtet ist. Die Haftschicht ist insbesondere in direktem, also unmittelbarem, mechanischem und/oder elektrischem Kontakt an der ersten Komponente und/oder zweiten Komponente angeordnet. Mit anderen Worten sind dann keine weiteren Schichten, insbesondere keine weiteren Haftschichten außer die Haftschicht aus dem ersten Metall und/oder keine weiteren Diffusionsbarrieren außer die Diffusionsbarriere aus dem ersten Metall, zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet.
  • Mit anderen Worten werden hier auf weitere Haftschichten und/oder Barriereschichten verzichtet. Damit kann die Herstellung von dem Bauelement vereinfacht werden und die Komplexität des Bauelements reduziert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungselement frei von den folgenden Elementen in freier oder gebundener Form: Titan, Tantal, Wolfram und/oder Stickstoff. Beispielsweise weist das Verbindungselement kein Titan auf. Insbesondere weist das Verbindungselement keine Haftschicht auf, welche aus Gold und/oder Titan besteht oder diese Materialien umfasst.
  • Insbesondere weist das Verbindungselement keine zusätzliche Diffusionsbarriere auf, die Tantal und/oder Titan umfasst oder daraus besteht.
  • Insbesondere sind keine Diffusionsbarriereschichten und/oder Haftschichten aus Titanverbindungen, wie Titannitrid, Titanwolfram, Titanwolframnitrid, Tantalverbindungen, wie Tantalnitrid und/oder Goldverbindungen in dem Bauelement vorhanden.
  • Das Verbindungselement weist eine Schicht aus einem Silizid des ersten Metalls auf, die zwischen der Haftschicht und der ersten und/oder zweiten Komponente angeordnet ist. Beispielsweise kann beim Bonden auf Silizium das erste Metall Nickel sein, so dass die Haftschicht aus Nickelsilizid (NixSiy) besteht oder dieses umfasst.
  • Das erste Metall des Verbindungselements ist als Diffusionsbarriere ausgeformt. Dadurch verhindert das erste Metall die Wanderung oder Diffusion anderer Spezies in räumlicher und zeitlicher Richtung. Insbesondere verhindert das erste Metall als Diffusionsbarriere beispielsweise, dass funktionelle Schichten in einem Bauelement, beispielsweise einem optoelektronischen Bauelement, ihre spezifischen Eigenschaften im Betrieb verlieren. Der Verlust solcher spezifischen Eigenschaften kann beispielsweise durch Diffusion anderer Bestandteile in funktionelle Schichten führen. Dies führt meist zur Degradation und unter Umständen sogar zum Versagen des Bauelements.
  • Das erste Metall wirkt hier also als Barriere und verhindert oder vermindert somit die Diffusion von ungewünschten Spezies, beispielsweise Zinn, Indium oder Silber, zwischen der ersten und der zweiten Komponente.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Diffusionsbarriere als Schicht ausgeformt und der Haftschicht direkt nachgeordnet. Alternativ kann die Haftschicht die Funktion der Diffusionsbarriere übernehmen. Mit anderen Worten ist die Haftschicht dann auch die Diffusionsbarriere.
  • Das erste Metall des Verbindungselements ist Bestandteil einer ersten und einer zweiten Phase des Verbindungselements. Mit anderen Worten umfasst die erste Phase und gegebenenfalls die zweite Phase zumindest das erste Metall.
  • Die erste und/oder zweite Phase weist jeweils neben dem ersten Metall noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle auf. Beispielsweise weist die erste und/oder zweite Phase jeweils ein zweites Metall, ein drittes Metall und/oder ein viertes Metall auf oder besteht daraus.
  • Das Verbindungselement kann aber auch mehr als zwei Phasen, beispielsweise drei, vier oder fünf Phasen, aufweisen. Das Verbindungselement kann auch mehrere erste Phasen und/oder mehrere zweite Phasen aufweisen. Insbesondere sind mehrere erste Phasen voneinander räumlich getrennt. Beispielsweise können zwei erste Phasen durch eine zweite Phase räumlich voneinander getrennt sein. Die zumindest eine erste Phase und/oder die zumindest eine zweite Phase unterscheiden sich zumindest in ihrer Zusammensetzung. Besteht beispielsweise das Verbindungselement aus drei Phasen, so können zwei identische erste Phasen und die zweite Phase vorhanden sein.
  • Mit „Phase“ ist hier ein Bereich des Verbindungselements gemeint, in dem das Material eine ähnlich oder gleiche Zusammensetzung aufweist und damit ähnliche oder gleiche physikalische Eigenschaften, beispielsweise eine ähnliche oder gleiche Schmelztemperatur, vorhanden sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die jeweiligen Phasen des Verbindungselements eine unterschiedliche Art von Metallen auf. Insbesondere unterscheiden sich die Metalle innerhalb der entsprechenden Phasen voneinander. Beispielweise weist das Verbindungselement in der ersten Phase zumindest drei oder vier unterschiedliche Metalle in unterschiedlichen Konzentrationen auf. Insbesondere weist die erste Phase ein erstes Metall Me1 mit einer Konzentration c11, ein zweites Metall Me2 mit einer Konzentration c12, ein drittes Metall Me3 mit einer Konzentration c13 und gegebenenfalls ein viertes Metall Me4 mit einer Konzentration c14. Insbesondere besteht die erste Phase aus diesen drei oder vier genannten Metallen. Die zweite Phase kann ebenfalls eine unterschiedliche Art von Metallen aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann die zweite Phase das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende erste Metall Me1 mit einer Konzentration c25, das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende zweite Metall Me2 mit einer Konzentration c26 und das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende dritte Metall Me3 mit einer Konzentration c27 umfassen oder daraus bestehen. Alternativ oder zusätzlich können auch noch weitere Metalle, beispielsweise ein viertes Metall Me4 mit einer Konzentration c28, in der zweiten Phase vorhanden sein. Insbesondere unterscheidet sich das erste Metall Me1 der ersten Phase von dem ersten Metall Me1 der zweiten Phase durch seine Konzentration innerhalb der entsprechenden Phasen. Die Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der ersten Phase ist größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls Me1 in der zweiten Phase.
  • Insbesondere bilden die entsprechenden Metalle in den entsprechenden Phasen eine Legierung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall aus einer Gruppe ausgewählt, die Nickel, Platin und Palladium umfasst. Vorzugsweise ist das erste Metall Nickel, das kostengünstig zur Verfügung gestellt werden kann. Insbesondere ist alternativ oder zusätzlich die Konzentration des ersten Metalls Me1 in der Diffusionsbarriere größer als die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine Schichtenfolge auf: erste Komponente, Haftschicht, erste Phase, zweite Phase, zweite Komponente. Insbesondere ist die Konzentration des ersten Metalls in der Haftschicht größer als die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase und größer als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase. Mit anderen Worten nimmt damit die Konzentration des ersten Metalls von der Haftschicht in Richtung zweite Phase ab.
  • Alternativ weist das Bauelement eine Schichtenfolge auf: erste Komponente, Haftschicht, Diffusionsbarriere, erste Phase, zweite Phase, erste Phase, Haftschicht, Diffusionsbarriere, zweite Komponente. Alternativ kann die Haftschicht die Funktion der Diffusionsbarriere erfüllen, so dass keine separate Diffusionsbarriere vorhanden ist. Insbesondere ist die Konzentration des ersten Metalls in den Haftschichten größer als die Konzentration des ersten Metalls in den ersten Phasen und größer als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase. Mit anderen Worten nimmt damit die Konzentration des ersten Metalls von der ersten und/oder der zweiten Komponente in Richtung zweite Phase ab.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Phase jeweils als Schicht ausgeformt. Insbesondere sind die Haftschicht und die Schichten aus der ersten und/oder der zweiten Phasen übereinandergestapelt. Die Haftschicht weist eine Schichtdicke d2 auf. Insbesondere ist die Schichtdicke d2 der Haftschicht mindestens um den Faktor 2 kleiner als die Summe der Schichtdicken der ersten und zweiten Phase.
  • Die Haftschicht kann eine Schichtdicke von 5 nm bis 50 nm aufweisen. Die erste und/oder zweite Phase können jeweils eine Schichtdicke von 50 nm bis 100 nm aufweisen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zweite Metall Indium und/oder das dritte Metall Zinn.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die weiteren Metalle zumindest ein viertes Metall Me4. Insbesondere ist das vierte Metall Gold.
  • Insbesondere weisen die erste und/oder zweite Phase ein System aus NiInSn, AuInSn, NiSn, NiIn und/oder PtSn auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c11 des ersten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 40 Atom% und einschließlich 65 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 45 Atom% und einschließlich 60 Atom%, beispielsweise 50 Atom%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c25 des ersten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 25 Atom% und einschließlich 35 Atom%, beispielsweise 30 Atom%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c11 des ersten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 8 Atom% und einschließlich 30 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 11 Atom% und einschließlich 25 Atom %, beispielsweise 20 Atom%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c25 des ersten Metalls in der zweiten Phase 0 Atom%. Mit anderen Worten umfasst oder weist die zweite Phase das erste Metall nicht auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c12 des zweiten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 5 Atom% und einschließlich 25 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 8 Atom% und einschließlich 20 Atom%, beispielsweise 15 Atom%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c26 des zweiten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 15 oder 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 20 Atom% und einschließlich 35 Atom%, beispielsweise 25 Atom%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c12 des zweiten Metalls in der ersten Phase zwischen 0 und 10 Atom%, insbesondere zwischen 0 und einschließlich 7 Atom%, beispielsweise 3 Atom%. Die Konzentration c12 des zweiten Metalls in der ersten Phase kann 0 Atom% sein, also kein zweites Metall in der ersten Phase vorliegen. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c26 des zweiten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 8 Atom% und einschließlich 35 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 13 Atom% und einschließlich 29 Atom%, beispielsweise 20 Atom%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c13 des dritten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 15 Atom% und einschließlich 45 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 15 oder 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, beispielsweise 30 Atom%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c27 des dritten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 25 oder 30 Atom% und einschließlich 50 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 30 Atom% und einschließlich 45 Atom%, beispielsweise 35 Atom%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c13 des dritten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 35 Atom% und einschließlich 55 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 41 Atom% und einschließlich 50 Atom%, beispielsweise 45 Atom%. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c27 des dritten Metalls in der zweiten Phase zwischen 0 und 15 Atom%, insbesondere zwischen 0 und 10 Atom%, beispielsweise 5 Atom%. Die Konzentration des dritten Metalls in der zweiten Phase kann 0 Atom% sein, also das dritte Metall in der zweiten Phase des Verbindungselements nicht vorhanden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c14 des vierten Metalls in der ersten Phase und/oder zweiten Phase zwischen 0 und 5 Atom%, beispielsweise 3 Atom%. Das vierte Metall kann in der ersten und/oder zweiten Phase des Verbindungselements nicht vorhanden, also 0 Atom%, sein. Alternativ kann die Konzentration c14 des vierten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 25 Atom% und einschließlich 45 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 28 Atom% und einschließlich 40 Atom% sein, beispielsweise 30 Atom% sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Konzentration c28 des vierten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 65 Atom% und einschließlich 88 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 71 Atom% und einschließlich 83 Atom%, beispielsweise 80 Atom% sein.
  • Die Konzentrationen wurden mittels EDX (engl. energy dispersive X-ray spectroscopy) bestimmt, die eine Fehlertoleranz von maximal 5 %, insbesondere maximal 2 % aufweisen kann.
  • Insbesondere können die Konzentrationen des ersten Metalls in der ersten Phase mit den Konzentrationen des zweiten Metalls in der ersten Phase und mit der Konzentration des dritten Metalls in der ersten Phase und gegebenenfalls mit der Konzentration des vierten Metalls in der ersten Phase beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase mit der Konzentration des zweiten Metalls in der zweiten Phase und mit der Konzentration des dritten Metalls in der zweiten Phase und gegebenenfalls mit der Konzentration des vierten Metalls in der zweiten Phase beliebig miteinander kombiniert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verbindungselement in der ersten und/oder zweiten Phase ein erstes Metall aus Nickel, Palladium oder Platin, ein zweites Metall aus Indium und ein drittes Metall aus Zinn auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verbindungselement in der ersten und/oder zweiten Phase ein erstes Metall aus Nickel, Palladium oder Platin, ein zweites Metall aus Indium, ein drittes Metall aus Zinn und ein viertes Metall aus Gold auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall, das zweite Metall und das dritte Metall dazu geeignet, sich bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C, insbesondere kleiner als 180 °C, zu mischen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das zweite Metall und das dritte Metall bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C oder < 120 °C in den flüssigen Aggregatszustand übergehen und mit einem festen ersten Metall reagieren. Es resultiert daraus eine erste Phase und/oder eine zweite Phase, die eine unterschiedliche Konzentrationszusammensetzung der entsprechenden Metalle aufweist.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass das erste Metall mehrere Funktionen, wie Haftung, Diffusionsbarriere und Bestandteil der ersten und zweiten Phase für ein Lotsystem, erfüllt. Weitere Haftschichten und/oder Diffusionsbarrieren aus anderen Materialien sind daher nicht erforderlich.
  • Insbesondere werden die in dem Lotsystem enthaltenen Schichten in Bezug auf ihre Dicke und Eigenschaft so optimiert, dass die außenliegenden Schichten des Lotmetallstapels dieser Aufgabe bereits gerecht werden. Somit wird es ermöglicht, auf dezidierte Haftschichten und Diffusionsbarrieren zu verzichten, was die notwendigen Prozessschritte zur Herstellung von Komponenten, insbesondere Dünnfilm-LEDs verringert und somit die Komplexibilität des Bauteils reduziert.
  • Die Dicken der individuellen Schichten, insbesondere die Schichtdicke der Haftschicht, müssen so gewählt sein, dass nach der vollständigen Abreaktion der ersten und zweiten Phase, also des Lotes, beim Fügeprozess eine geschlossene ausreichend dicke Schicht aus einem ersten Metall, insbesondere die Haftschicht, bestehen bleibt. Die entstandenen Phasen müssen ausreichend thermodynamisch und mechanisch stabil sein. Insbesondere weist die Haftschicht nach Bildung der ersten und zweiten Phase eine ausreichende Restdicke auf, um ihre Funktion als Haftschicht und/oder Diffusionsbarriere aufrechtzuerhalten. Zudem kann die Schicht aus dem ersten Metall so aufgebracht werden, dass sie ein für die jeweilige Anwendung günstigen Verspannungszustand aufweist. Die Haftschicht aus dem ersten Metall kann eine Opferschicht oder verbindungsbildende Barriere sein, welche hier Bestandteil des Lotsystems ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberfläche der ersten Phasenschicht und/oder der zweiten Phasenschicht und/oder der Haftschicht wellenförmig ausgeformt. Insbesondere sind die aneinandergrenzenden Oberflächen der ersten und/oder zweiten Phasenschicht und/oder der Haftschicht wellenförmig. Mit anderen Worten ist die Oberfläche der jeweiligen Schicht nicht planar, sondern die Schichten verzahnen sich ineinander aufgrund ihrer wellenförmigen Ausformung. Die wellenförmige Ausgestaltung kann insbesondere durch Körner unterschiedlicher Größe erzeugt werden.
  • Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements angegeben. Das Verfahren zur Herstellung des Bauelements stellt vorzugsweise das Bauelement her. Das heißt, sämtliche für das Verfahren offenbarten Merkmale sind auch für das Bauelement offenbart und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:
    1. A) Bereitstellen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente,
    2. B) Aufbringen zumindest einer Haftschicht aus einem ersten Metall mit einer Schichtdicke d1 auf die erste und/oder zweite Komponente. Zusätzliches Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem zweiten Metall und zumindest einer Schicht aus einem dritten Metall auf die Haftschicht, wobei das erste und/oder zweite und/oder dritte Metall voneinander verschieden sind. Alternativ kann auch eine Schicht aus einem vierten Metall aufgebracht werden. Die Schicht aus dem vierten Metall kann insbesondere zwischen der Schicht aus dem ersten Metall und der Schicht aus dem zweiten Metall angeordnet sein.
    3. C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf eine erste Temperatur zwischen 130 °C und 200 °C zur Ausbildung einer ersten Phase und einer zweiten Phase, wobei die erste und zweite Phase aus dem ersten Metall der Haftschicht, dem zweiten Metall und dem dritten Metall und gegebenenfalls dem vierten Metall gebildet wird.
    4. D) Heizen der unter C) erzeugten Anordnung auf eine zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C zur Ausbildung einer thermodynamisch und mechanisch stabilen ersten und zweiten Phase, wobei zumindest vor Schritt D) die erste und zweite Komponente miteinander verbunden werden, wobei das Bauelement nach Schritt D) eine Haftschicht mit einer ersten Schichtdicke d2 < d1 aufweist, wobei die nach Schritt D) erzeugte Haftschicht haftend und diffusionsdicht ist, und wobei die Haftschicht zwischen der ersten Phase und der ersten Komponente und/oder der ersten Phase und der zweiten Komponente angeordnet ist. Insbesondere werden die Komponenten aufeinander gebracht, so dass die aufgebrachten Schichten direkt aufeinanderliegen. Insbesondere ist die im Schritt B) aufgebrachte Haftschicht aus dem ersten Metall bereits diffusionsdicht. Mit anderen Worten ist der Schritt D) nicht notwendig, um die Schicht diffusionsdicht zu machen.
  • Mit „thermodynamisch und mechanisch stabil“ wird hier und im Folgenden verstanden, dass das erste Metall mit dem zweiten Metall und dem dritten Metall vollständig reagiert hat und/oder vollständig vermischt ist, sodass die erste und/oder zweite Phase einen festen Aggregatszustand aufweist. Insbesondere weisen dann nach Schritt D) die erste und/oder die zweite Phase eine Aufschmelztemperatur auf, die sich von der Aufschmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase vor Schritt D), beispielsweise in der ersten und zweiten Phase im Schritt C), voneinander unterscheidet. Insbesondere ist die Wiederaufschmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase nach Schritt D) größer als die Wiederaufschmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase vor Schritt D), beispielsweise in Schritt C).
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet das Verbindungselement zumindest im Schritt C) eine feste Verbindung zu der ersten Komponente und der zweiten Komponente aus.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt zwischen Schritt C) und D) ein weiterer Schritt C1):
    1. C1) Abkühlen der unter Schritt C) erzeugten Anordnung auf Raumtemperatur. Mit Raumtemperatur wird hier insbesondere eine Temperatur von 25 °C verstanden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) zusätzlich eine Schicht aus einem vierten Metall aufgebracht, das zumindest im Schritt C) Bestandteil der ersten und/oder zweiten Phase ist, wobei nach Schritt D) der ersten und/oder zweiten Komponente des Bauelements die Haftschicht mit der Schichtdicke d2 und dann die erste Phase und dann die zweite Phase nachgeordnet ist.
  • Mit anderen Worten ermöglicht das Verfahren die Verbindung einer ersten mit einer zweiten Komponente durch ein Verbindungselement. Dabei weist das Verbindungselement sowohl die Funktion der Haftung, der Diffusionsbarriere und eines Lotsystems auf. Mit Lotsystem wird hier und im Folgenden verstanden, dass insbesondere das zweite und das dritte Metall bei einer niedrigen Verarbeitungstemperatur von < 200 °C sich vermischen und mit dem ersten Metall reagieren. Dabei bilden sie eine feste Verbindung einer ersten Phase und einer zweiten Phase, wobei die Konzentration der ersten und zweiten Phasen der entsprechenden Metalle voneinander verschieden ist. Anschließend können die Phasen in einem zweiten Temperaturschritt erhitzt werden, damit diese thermomechanisch stabil werden. Insbesondere weist das Bauelement an der Grenzfläche zwischen Diffusionsbarriere und Komponente die Haftschicht auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste und/oder zweite Komponente bis zu einer ersten Temperatur aufgeheizt, beispielsweise bis zu einer ersten Temperatur von maximal 200 °C oder maximal 180 °C. Dabei bilden das erste Metall und das zweite Metall und das dritte Metall eine ternäre erste und/oder zweite Phase. Insbesondere schmelzen das zweite und das dritte Metall aufgrund ihrer Eignung zur Bildung eines Eutektikums auf und reagieren mit dem ersten Metall zu einer ternären ersten und/oder zweiten Phase. Die ternäre erste oder zweite Phase umfasst oder besteht aus dem ersten, zweiten und dritten Metall. Die ternäre Phase kann eine mehrphasige intermetallische Schicht sein. Im Bauelement verbinden dann diese ternären Phasen die erste und zweite Komponente miteinander. Insbesondere weisen die Komponenten einen unterschiedlich starken thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Die Figuren zeigen:
    • die 1A eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
    • die 1B eine detaillierte Ansicht der 1A,
    • die 2A bis 2B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
    • die 3A und 3B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
    • die 4A und 4B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einem Beispiel,
    • die 5A und 5B ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
  • Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 weist eine erste Komponente 1 und eine zweite Komponente 2 auf. Zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 ist ein Verbindungselement 3 angeordnet. Das Verbindungselement 3 umfasst oder besteht aus einer Schicht eines ersten Metalls Me1, aus einer ersten Phase 31 und einer zweiten Phase 32, einer weiteren ersten Phase 31 und einer weiteren Schicht aus dem ersten Metall Me1. Insbesondere bildet die Schicht aus dem ersten Metall Me1 die Haftschicht 4 und/oder die weitere Schicht aus dem ersten Metall Me1 die weitere Haftschicht 4. Alternativ bildet die Schicht aus dem ersten Metall Me1 die Haftschicht 4 und die Diffusionsbarriere 5 und/oder die weitere Schicht aus dem ersten Metall Me1 die weitere Haftschicht 4 und eine weitere Diffusionsbarriere 5. Insbesondere ist die Schicht aus dem ersten Metall Me1, insbesondere die Haftschicht 4, sowohl direkt an der ersten Komponente 1 als auch an der zweiten Komponente 2 angeordnet. Die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 sind zum Beispiel ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Saphir, ein keramisches Material, ein Halbleitermaterial und ein Metall. Dabei kann die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 derart ausgewählt werden, dass sie einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient mindestens um den Faktor 1,5, zum Beispiel um den Faktor 3 oder höher.
  • Das Verbindungselement 3 ist zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 insbesondere in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt angeordnet. Das Verbindungselement 3 weist zumindest die Schicht Me1 als Haftschicht 4, welche zusätzlich eine Diffusionsbarriere 5 sein kann, auf. Insbesondere weist das Bauelement 100 zwei Haftschichten 4 auf. Die Haftschichten 4 sind jeweils direkt an der jeweiligen Grenzfläche zur ersten und zweiten Komponente 1, 2 angeordnet.
  • Die erste Phase 31 kann aus den folgenden Metallen und den folgenden Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
    • Erstes Metall Me1: 45 bis 60 Atom%,
    • zweites Metall Me2: 8 bis 20 Atom%,
    • drittes Metall Me3: 20 bis 40 Atom%,
    • viertes Metall Me4: 0 bis 5 Atom%.
  • Die zweite Phase 32 kann aus den folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
    • Erstes Metall Me1: 25 bis 35 Atom%,
    • zweites Metall Me2: 20 bis 35 Atom%,
    • drittes Metall Me3: 30 bis 45 Atom%,
    • viertes Metall Me4: 0 bis 5 Atom%.
  • Die weitere erste Phase 31 kann dann aus folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
    • Erstes Metall Me1: 45 bis 60 Atom%,
    • zweites Metall Me2: 8 bis 20 Atom%,
    • drittes Metall Me3: 20 bis 40 Atom%,
    • viertes Metall Me4: 0 bis 5 Atom%.
  • Alternativ kann beispielsweise die erste Phase 31 aus den folgenden Metallen und den folgenden Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
    • Erstes Metall Me1: 11 bis 24 Atom%,
    • zweites Metall Me2: 0 bis 7 Atom%,
    • drittes Metall Me3: 42 bis 50 Atom%,
    • viertes Metall Me4: 29 bis 40 Atom%.
  • Die zweite Phase 32 kann alternativ aus den folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
    • Erstes Metall Me1: 0 Atom%,
    • zweites Metall Me2: 13 bis 22 Atom%,
    • drittes Metall Me3: 3 bis 10 Atom%,
    • viertes Metall Me4: 71 bis 83 Atom%.
  • Die weitere erste Phase 31 kann alternativ aus folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
    • Erstes Metall Me1: 11 bis 24 Atom%,
    • zweites Metall Me2: 0 bis 7 Atom%,
    • drittes Metall Me3: 42 bis 50 Atom%,
    • viertes Metall Me4: 29 bis 40 Atom%.
  • Das erste Metall Me1 kann Nickel, Platin oder Palladium sein. Das zweite Metall Me2 kann Indium sein. Das dritte Metall Me3 kann Zinn sein. Das vierte Metall Me4 kann Gold sein.
  • Mit anderen Worten weist das Verbindungselement 3 zwei erste Phasen 31 und eine zwischen den zwei ersten Phasen angeordnete zweite Phase 32 auf. Die Phasen sind zwischen zwei Haftschichten 4 angeordnet, die gleichzeitig die Diffusionsbarriere 5 sein können. Die erste und zweite Phase 31, 32 umfassen zumindest drei Metalle und gegebenenfalls ein weiteres Metall oder bestehen daraus. Dabei ist insbesondere die Konzentration des ersten Metalls Me1 in der jeweiligen Haftschicht 4 größer als die Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der ersten Phase 31 und größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls Me1 in der zweiten Phase 32. Mit anderen Worten nimmt die Konzentration des ersten Metalls Me1 von der ersten und/oder zweiten Komponente 1, 2 in Richtung zweite Phase 32 ab. Die Konzentration des ersten Metalls Me1 ist an der Grenzfläche zur ersten und/oder zweiten Komponente 1, 2 am größten. Damit kann die jeweilige Haftschicht 4 eine gute Haftung gegenüber der ersten und/oder zweiten Komponente 1, 2 aufweisen. Das verbleibende elementare Me1 zwischen der Haftschicht 4 und der ersten Phase 31 dient als Diffusionsbarriere.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Haftschichten 4, die erste Phase 31 und/oder die zweite Phase 32 jeweils als Schicht ausgeformt. Insbesondere sind diese Schichten übereinandergestapelt. Die Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten können planar sein. Alternativ können wie in 1B gezeigt die Grenzflächen 312 zwischen der ersten Phase 31 und der zweiten Phase 32 nicht planar sein, sondern eine wellenförmige Form aufweisen. Dadurch kann die erste Phase 31 mit der zweiten Phase 32 verzahnt werden. Dies führt zu einer guten Haftung zwischen den beiden Phasen 31, 32.
  • Zusätzlich kann die Grenzfläche zwischen der ersten Phase 31 und der jeweiligen Haftschicht 4 wellenförmig sein. Dadurch kann auch die erste Phase 31 mit der jeweiligen Haftschicht 4 verzahnt werden. Dadurch kann ein Verbindungselement 3 bereitgestellt werden, das eine starke Verbindung zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 aufweist.
  • Die 2A und 2B zeigen jeweils ein Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement der 2A zeigt ein Bauelement 100, das vor Einfluss der Temperatur, also vor den Verfahrensschritten C) und D), aufgebaut sein könnte. Die 2B zeigt das fertige Bauelement 100 nach zumindest Verfahrensschritt C) und/oder D) .
  • Die 2A zeigt eine erste Komponente 1, die aus einer Schichtenfolge 52 bis 54 besteht. Die erste Komponente 1 weist ein Substrat 54 auf, das beispielsweise ein Saphirsubstrat einer lichtemittierenden Leuchtdiode sein kann. Auf dem Saphirsubstrat 54 kann eine Halbleiterschichtenfolge 5 aufgebracht werden. Die Halbleiterschichtenfolge 5 umfasst eine n-Halbleiterschicht 51, eine aktive Schicht 52 und eine p-Halbleiterschicht 53. Alternativ können die n-Halbleiterschicht 51 und die p-Halbleiterschicht 53 vertauscht sein. Die aktive Schicht 52 ist im Betrieb dazu eingerichtet, Strahlung insbesondere aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich zu emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise mit MOCVD-Prozessen aufgewachsen werden.
  • Die zweite Komponente 2 kann beispielsweise ein Wafer aus einem isolierenden keramischen Material, beispielsweise ein Wafer aus Siliziumnitrid, sein. Alternativ kann die zweite Komponente ein Quarzglas sein. Das Verbindungselement 3 der 2A zeigt eine Schichtenfolge, welche eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, eine Schicht aus einem vierten Metall Me4, eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufweist. Insbesondere ist diese Schichtenfolge beidseitig, also auf der ersten und zweiten Komponente 1, 2, aufgebracht. Nach Einfluss von Temperatur, zumindest nach dem Verfahrensschritt C) und/oder D), wandeln sich die einzelnen Schichten der einzelnen Metalle in erste und zweite Phasen 31, 32 um.
  • Alternativ können auch mehrere erste Phasen 31 und mehrere zweite Phasen 32, insbesondere mehrere erste Phasen, welche räumlich durch eine zweite Phase 32 getrennt sind, entstehen. Mit anderen Worten wandeln sich die Schichten aus dem vierten, zweiten und dritten Metall und die Schicht des ersten Metalls zumindest teilweise oder vollständig in die erste und/oder zweite Phase 31, 32 um. Die erste und/oder zweite Phase 31, 32 umfasst zumindest die vier Metalle Me1, Me2, Me3 und Me4.
  • Das Bauelement 100 der 2B zeigt zusätzlich, dass sich die Schicht des ersten Metalls Me1, also insbesondere die Haftschicht 4 und/oder Diffusionsbarriere 5, sich nicht vollständig in die erste und/oder zweite Phase 31, 32 umwandelt. Mit anderen Worten bleibt die Haftschicht 4 nach Einfluss der Verfahrensschritte C) und D) als Schicht ausgeformt. Es wird lediglich die Schichtdicke der ersten Metallschicht Me1 im Bauelement 100 der 2B im Vergleich zum Bauelement 100 der 2A verkleinert. Insbesondere weist die Schichtdicke der Haftschicht 4 des Bauelements 100 der 2B einen Wert auf, der ein Drittel der Schichtdicke der Metallschicht Me1 des Bauelements 100 der 2A entspricht.
  • Mit anderen Worten sollte nach Abschluss der Erstarrungsreaktion des Lotes und nach Bildung einer haftenden Zwischenschicht, beispielsweise Nickelsilizid, von der Haftschicht 4 noch mindestens ein Drittel ihrer Ausgangsdicke vorhanden sein, um die Sperrwirkung aufrechtzuerhalten. Die benötigte Restschichtdicke der multifunktionalen Schicht ist allerdings stark abhängig vom verwendeten Lotsystem, dessen Dicke und von der Art der verwendeten multifunktionalen Schicht, das heißt vom verwendeten Material und dessen intrinsischen Eigenschaften, wie Kornstruktur und Verspannung.
  • Es resultiert ein Bauelement 100 der 2B zumindest nach dem Verfahrensschritt C) oder D). Das Bauelement 100 der 2B weist eine Schichtenfolge erste Komponente 1, Haftschicht 4, erste Phase 31, zweite Phase 32, erste Phase 31, weitere Haftschicht 4 und zweite Komponente 2 auf.
  • Die 3A und 3B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement der 3A zeigt eine erste und zweite Komponente 1, 2, zwischen denen eine Schichtenfolge aus einer Schicht aus einem ersten Metall Me1, einer Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und einer Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufgebracht sind. Nach Einfluss von Temperaturen resultiert ein Bauelement 100 der 3B, wobei das Verbindungselement 3 eine Haftschicht 4 aufweist sowie zwei Phasen, eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32. Die Konzentration des ersten Metalls in der Haftschicht 4 ist dabei größer als die Konzentration c11 des ersten Metalls in der ersten Phase 31 und größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls in der zweiten Phase 32. Mit anderen Worten nimmt in dem Bauelement 100 der 3B die Konzentration von der ersten Komponenten 1 in Richtung zweite Komponente 2 ab. Das Bauelement 100 der 3B unterscheidet sich von dem Bauelement der 2B dadurch, dass das Verbindungselement 3 nur zwei Phasen, eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32, neben der Haftschicht 4 aufweist. Insbesondere ist der Aufbau des Verbindungselements 3 der 3B unsymmetrisch im Vergleich zum Bauelement 100 der 2B. Die nicht abreagierte Schicht aus Me1 zwischen Haftschicht 4 und erste Phase 31 dient als Diffusionsbarriere 5.
  • Die 4A und 4B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einem Beispiel sowie deren Herstellung. Die 4A zeigt ein Bauelement 100 mit einer ersten oder zweiten Komponente 1, 2. Auf der ersten oder zweiten Komponente 1, 2 kann eine Schicht aus einem ersten Metall Me1 aufgebracht sein. Der Schicht Me1 kann eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 nachgeordnet sein. Der Schicht aus einem zweiten Metall Me2 kann eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 nachgeordnet sein. Nach Einfluss von Temperaturen bildet sich ein Bauelement 100 der 4B. Insbesondere bildet sich ein Bauelement 100, das eine Haftschicht 4 aufweist. Die Haftschicht 4 ist direkt auf der ersten oder zweiten Komponente 1, 2 angeordnet. Der Haftschicht 4 ist eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32 nachgeordnet.
  • Die 5A und 5B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die 5A zeigt das Bereitstellen einer ersten Komponente 1 und einer zweiten Komponente 2. Auf die erste Komponente 1, die beispielsweise eine Schichtenfolge aus einem Substrat 54, einer p-Halbleiterschicht 53, einer n-Halbleiterschicht 51 und einer aktiven Schicht 52 aufweist, ist eine Schicht aus einem ersten Metall Me1 mit einer Schichtdicke d1 aufgebracht. Alternativ können hier und im Folgenden die n-Halbleiterschicht 51 und eine p-Halbleiterschicht 53 vertauscht sein. Die Schichten wurden insbesondere mit dem Dünnfilmverfahren hergestellt. Der Schicht aus einem ersten Metall Me1 sind weitere Schichten aus einem zweiten Metall Me2 und einem dritten Metall Me3 nachgeordnet. Auf Seite der zweiten Komponente 2 kann auf deren Oberfläche eine Schicht aus einem ersten Metall Me1 mit einer Schichtdicke d1, nachfolgend eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und nachfolgend eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufgebracht werden. Anschließend können beide verbunden werden und einer ersten Temperatur, insbesondere einer Temperatur zwischen 130 und 200 °C zur Ausbildung einer ersten Phase 31 und einer zweiten Phase 32 ausgesetzt werden. Dabei können die Schichten der zweiten und dritten Metalle Me2, Me3 in den flüssigen Aggregatszustand übergehen und mit den Schichten des ersten Metalls Me1 reagieren. Es entsteht ein Bauelement 100, das eine erste Phase 31, eine zweite Phase 32 und eine erste Phase 31 als Schichtenfolge des Verbindungselements 3 aufweist. Zusätzlich sind Haftschichten 4 aus dem ersten Metall Me1 beidseitig an der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 angeordnet.
  • Die 5B zeigt, dass die erste Schicht Me1 nach Verfahrensschritt C) oder D) nicht vollständig mit dem zweiten Metall Me2 und/oder dritten Metall Me3 und gegebenenfalls mit dem vierten Metall Me4 reagiert hat. Es bleibt eine „Restschicht“ aus dem ersten Metall Me1 über, die die Haftschicht 4 und gegebenenfalls die Diffusionsbarriere mit einer Schichtdicke d2 bildet.
  • Bei einer Erhöhung der Temperatur, beispielsweise auf die zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C, kann das System abreagieren und eine thermodynamisch und mechanisch stabile erste und zweite Phase 31, 32 bilden. Es entsteht ein Bauelement nach Schritt D), das eine Haftschicht 4 mit einer Schichtdicke d2 < d1 aufweist, wobei die nach Schritt D) erzeugte Haftschicht 4 haftend und diffusionsdicht gegenüber anderen Spezies ist. Insbesondere weist die Haftschicht 4 eine Schichtdicke von ein Drittel der Schichtdicke der ursprünglichen Schicht aus dem ersten Metall Me1 des Bauelements 100 der 5A auf. Insbesondere ist die Schicht Me1 nach dem Tempern noch vorhanden und dient als Diffusionsbarriere.
  • Sollen zwei Komponenten 1, 2, beispielsweise zwei Wafer, miteinander verbunden werden, wobei eine Komponente eine funktionale Schicht aufweist, kann dies wie folgt erfolgen.
  • Als eine funktionale Schicht kann eine Schicht aus einem ersten Metall Me1 mit einer Schichtdicke von 425 nm abgeschieden werden. Anschließend kann auf dieser Schicht Me1 eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise Indium mit einer Schichtdicke von 150 nm, und eine Schicht aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise Zinn mit einer Schichtdicke von 225 nm, aufgebracht werden. Auf der anderen Komponente können die gleichen Materialien in gleicher Reihenfolge und Dicke aufgebracht werden. Das Verbinden der beiden Komponenten kann bei 142 °C erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein uniaxialer Druck von beispielsweise 1 MPa verwendet werden. Die Komponenten 1, 2 können aufgeheizt werden, insbesondere kann eine Heizrate von 10 K/min ausgehend von Raumtemperatur verwendet werden. Anschließend kann der Druck aufgebracht werden, insbesondere kann der Druck für 120 s gehalten werden. Das Abkühlen auf Raumtemperatur kann ebenfalls mit einer Rate von 10 K/min erfolgen. Anschließend kann das Bauelement oder die Anordnung einer zweiten Temperatur ausgesetzt werden, damit sich die erste und zweite Phase 31, 32 in den entsprechenden Konzentrationen bildet und damit mechanisch und thermisch stabil ist. Insbesondere wird die Anordnung auf eine zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C zur Ausbildung einer thermodynamisch und mechanisch stabilen ersten und zweiten Phase 31, 32 aufgeheizt. Insbesondere erfolgt das Tempern für 120 min. Hierbei entstehen eine erste und eine zweite Phase 31, 32 und eine ausreichend dicke Haftschicht 4 aus dem ersten Metall Me1, die die Funktion der Haftung und Barriere übernehmen kann. Zudem kann das erste Metall Me1 Bestandteil der ersten und/oder zweiten Phase 31, 32 sein.
  • Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.

Claims (16)

  1. Bauelement (100) aufweisend - eine erste Komponente (1), - eine zweite Komponente(2), - ein Verbindungselement (3), das direkt zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (3) zumindest ein erstes Metall (Me1) aufweist, - das als eine Haftschicht (4) ausgeformt ist, die direkt an der ersten Komponente (1) und/oder zweiten Komponente (2) angeordnet ist, - das als Diffusionsbarriere (5) ausgeformt ist, - das Bestandteil einer ersten Phase (31) und einer zweiten Phase (32) des Verbindungselements (3) ist, wobei die erste und/oder zweite Phase (31, 32) jeweils neben dem ersten Metall (Me1) noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle umfasst, wobei die Konzentration (c11) des ersten Metalls (Me1) in der ersten Phase (31) größer ist als die Konzentration (c25) des ersten Metalls (Me1) in der zweiten Phase (32), wobei das Verbindungselement (3) eine Schicht aus einem Silizid des ersten Metalls (Me1) aufweist, die zwischen der Haftschicht (4) und der ersten und/oder zweiten Komponente (1, 2) angeordnet ist.
  2. Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei das erste Metall (Me1) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Nickel, Platin und Palladium umfasst und/oder wobei die Konzentration des ersten Metalls (Me1) in der Diffusionsbarriere (5) größer ist als die Konzentration des ersten Metalls (Me1) in der ersten Phase (31).
  3. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder zweite Phase (31, 32) jeweils als Schichten ausgeformt sind, wobei die Haftschicht (4) eine Schichtdicke d2 aufweist, die mindestens um den Faktor 2 kleiner ist als die Summe der Schichtdicken der ersten und zweiten Phase (31, 32).
  4. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten und zweiten Komponente (1, 2) keine weiteren Haftschichten außer die Haftschicht (4) aus dem ersten Metall (Me1) und/oder keine weiteren Diffusionsbarrieren außer die Diffusionsbarriere (5) aus dem ersten Metall (Me1) angeordnet sind.
  5. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (3) frei von den folgenden Elementen in freier oder gebundener Form ist: Titan, Tantal, Wolfram und/oder Stickstoff.
  6. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weiteren Metalle zumindest ein zweites Metall (Me2) und/oder ein drittes Metall (Me3) umfassen, wobei das zweite Metall (Me2) Indium und das dritte Metall (Me3) Zinn ist.
  7. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weiteren Metalle zumindest ein viertes Metall (Me4) umfassen, wobei das vierte Metall (Me4) Gold ist.
  8. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c11) des ersten Metalls (Me1) in der ersten Phase (31) zwischen 40 und 65 Atom% und/oder die Konzentration (c25) des ersten Metalls (Me1) in der zweiten Phase (32) zwischen 20 und 40 Atom% ist.
  9. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Konzentration (c11) des ersten Metalls (Me1) in der ersten Phase (31) zwischen 11 und 25 Atom% und/oder die Konzentration (c25) des ersten Metalls (Me1) in der zweiten Phase (32) 0 Atom% ist.
  10. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c12) des zweiten Metalls (Me2) in der ersten Phase (31) zwischen 5 und 25 Atom% und/oder die Konzentration (c26) des zweiten Metalls (Me2) in der zweiten Phase (32) zwischen 20 und 40 Atom% ist.
  11. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei die Konzentration (c12) des zweiten Metalls (Me2) in der ersten Phase (31) zwischen 0 und 7 Atom% und/oder die Konzentration (c26) des zweiten Metalls (Me2) in der zweiten Phase (32) zwischen 13 und 29 Atom% ist.
  12. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c13) des dritten Metalls (Me3) in der ersten Phase (31) zwischen 15 und 40 Atom% und/oder die Konzentration (c27) des dritten Metalls (Me3) in der zweiten Phase (32) zwischen 30 und 50 Atom% ist.
  13. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei die Konzentration (c13) des dritten Metalls (Me3) in der ersten Phase (31) zwischen 41 und 50 Atom% und/oder die Konzentration (c27) des dritten Metalls (Me3) in der zweiten Phase (32) zwischen 0 und 10 Atom% ist.
  14. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Konzentration (c14) des vierten Metalls (Me4) in der ersten Phase (31) und/oder zweiten Phase (32) zwischen 0 und 5 Atom% oder wobei die Konzentration (c14) des vierten Metalls (Me4) in der ersten Phase (31) zwischen 28 und 40 Atom% und/oder die Konzentration (c28) des vierten Metalls (Me4) in der zweiten Phase (32) zwischen 71 und 83 Atom% ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit den Schritten: A) Bereitstellen einer ersten Komponente (1) und einer zweiten Komponente (2), B) Aufbringen zumindest einer Haftschicht (4) aus einem ersten Metall (Me1) mit einer Schichtdicke d1 auf die erste und/oder zweite Komponente (1, 2), und Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem zweiten Metall (Me2) und zumindest einer Schicht aus einem dritten Metall (Me3) auf die Haftschicht (4), wobei das erste, zweite und dritte Metall (Me1, Me2, Me3) voneinander verschieden sind, C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf eine erste Temperatur zwischen 130 °C und 260 °C zur Ausbildung einer ersten Phase (31) und einer zweiten Phase (32), wobei die erste und zweite Phase (31, 32) aus dem ersten Metall (Me1) der Haftschicht (4), dem zweiten Metall (Me2) und dem dritte Metall (Me3) gebildet wird, D) Heizen der unter Schritt C) erzeugten Anordnung auf eine zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C zur Ausbildung einer thermodynamisch und mechanisch stabilen ersten und zweiten Phase (31, 32), wobei zumindest vor Schritt D) die erste und zweite Komponente (1, 2) miteinander verbunden werden, wobei das Bauelement nach Schritt D) eine Haftschicht (4) mit einer Schichtdicke d2 < d1 aufweist, wobei die nach Schritt D) erzeugte Haftschicht (4) haftend und diffusionsdicht ist, und wobei die Haftschicht (4) zwischen der ersten Phase (31) und der ersten und/oder der zweiten Komponente (1, 2) angeordnet ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei im Schritt B) zusätzlich eine Schicht aus einem vierten Metall (Me4) aufgebracht wird, das zumindest im Schritt C) Bestandteil der ersten und/oder zweiten Phase (31, 32) ist, wobei nach Schritt D) der ersten und/oder zweiten Komponente (1, 2) des Bauelements (100) die Haftschicht (4) mit der Schichtdicke d2, dann die erste Phase (31) und dann die zweite Phase (32) nachgeordnet ist.
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