DE102015114088A1 - Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement (100) aufweisend eine erste Komponente (1), eine zweite Komponente(2), ein Verbindungselement (3), das zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (3) zumindest eine erste Phase (31) und eine zweite Phase (32) aufweist, wobei die erste Phase (31) ein erstes Metall (Me1) mit einer Konzentration (c11), ein zweites Metall (Me2) mit einer Konzentration (c12) und ein drittes Metall (Me3) mit einer Konzentration (c13) umfasst, wobei die zweite Phase (32) das erste Metall (Me1) mit einer Konzentration (c25), das zweite Metall (Me2) und das dritte Metall (Me3) umfasst, wobei das erste Metall (Me1), das zweite Metall (Me2) und das dritte Metall (Me3) voneinander verschieden sind und geeignet sind, bei einer Verarbeitungstemperatur von kleiner 200 °C zu reagieren, wobei gilt: c11 ≥ c25 und c11 ≥ c13 ≥ c12.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements.
  • Das Verbinden oder Anbinden von zumindest zwei Komponenten stellt eine Herausforderung dar, insbesondere, wenn beide Komponenten einen stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Komponenten mit stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten erzeugen im Verbund eine starke Durchbiegung, insbesondere bei Einsatz von höheren Temperaturen, was zu Problemen in der Herstellung, zum Bruch als auch zum Verlust der Funktionsfähigkeit der Komponenten führen kann. Um dieses Problem zu lösen, wurden bisher in der Regel zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wurden zwei Komponenten, beispielsweise Substrate, mit ähnlichem thermischem Ausdehnungsverhalten genutzt, damit sich während der Herstellung beide Komponenten oder Substrate bei einer hohen Fixiertemperatur nur geringfügig krümmen. Zum anderen versucht man, die Fixiertemperatur durch Verwendung von niederschmelzenden Metallen, zum Beispiel Indium, und deren isothermen Erstarrungsreaktionen bei milden Temperaturen abzusenken. Allerdings reicht die Verminderung der Durchbiegung in vielen praktischen Fällen in der Regel nicht aus. Daher kann dies auch zur Brüchigkeit oder Verlust der Funktionsfähigkeit der Komponenten führen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauelement bereitzustellen, das stabil und/oder leicht herstellbar ist. Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements bereitzustellen, das leicht und/oder kostengünstig durchführbar ist.
  • Die 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 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. Das Verbindungselement ist zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet. Das Verbindungselement weist zumindest eine erste Phase und eine zweite Phase auf. Die erste Phase weist ein erstes Metall mit einer Konzentration c11, ein zweites Metall mit einer Konzentration c12 und ein drittes Metall mit einer Konzentration c13 auf oder besteht daraus. Die zweite Phase weist das erste Metall mit einer Konzentration c25, das zweite Metall und das dritte Metall auf oder besteht daraus. Das erste Metall, das zweite Metall und das dritte Metall sind voneinander verschieden und geeignet, sich bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C zu mischen und/oder zu reagieren. Dabei gilt: c11 ≥ c25 und c11 ≥ c13 ≥ c12. Insbesondere gilt: c11 ≥ c25 und c11 ≥ c13 > c12. „Reagieren“ meint insbesondere, dass die Metalle chemisch reagieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement 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 eine 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 umfassen oder eine Mehrzahl von solchen Chips aufweisen. Insbesondere umfasst die zweite Komponente und/oder erste Komponente eine lichtemittierende Leuchtdiode, kurz LED. Insbesondere umfasst die zweite Komponente die lichtemittierende Leuchtdiode und die erste Komponente zumindest eines der oben genannten Materialien.
  • 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 oder Strahlung aus dem IR-Bereich 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 und 800 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 und 480 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform unterscheidet sich die erste Komponente von der zweiten Komponente in Bezug auf ihre Zusammensetzung. Beispielsweise weist die erste und die zweite Komponente einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Mit anderen Worten weist das Bauelement zwei Komponenten auf, die sich zumindest in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizient voneinander unterscheiden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste Komponente einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α1 auf. Die zweite Komponente weist einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten α2 auf. Insbesondere ist der erste thermische Ausdehnungskoeffizient α1 von dem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizient α2 verschieden. Insbesondere unterscheiden sich beide thermischen Ausdehnungskoeffizienten um mindestens den Faktor 3, 2, 1 oder 1,5. Alternativ kann α1 = α2 sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein Verbindungselement auf. Das Verbindungselement ist zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet. Mit anderen Worten verbindet das Verbindungselement die erste und die zweite Komponente miteinander. 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 zur ersten Komponente als auch zur zweiten Komponente angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Verbindungselement eine Verbindungsschicht oder weist eine Mehrzahl von Verbindungsschichten auf.
  • Das Verbindungselement umfasst zumindest zwei Phasen, eine erste Phase und eine zweite Phase. Insbesondere besteht das Verbindungselement aus der ersten Phase und der zweiten Phase. 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 die mehreren ersten Phasen voneinander räumlich getrennt. Beispielsweise können zwei erste Phasen durch eine zweite Phase räumlich voneinander getrennt sein. Die zumindest erste Phase und/oder die zumindest 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.
  • Die jeweiligen Phasen können auch Unterphasen bilden. Insbesondere bilden die Unterphasen keine einheitliche Schicht aus. Insbesondere besteht jede Phase aus verschiedenen Körnern, deren Zusammensetzung sich in dem angegebenen Bereich befindet. Allerdings kann die Zusammensetzung von Korn zu Korn verschieden sein. Es bildet sich damit eine Unterphase innerhalb der ersten und/oder zweiten Phase aus, die keine Schicht mit einer homogenen Schichtdicke aufweist.
  • Mit "Phase" ist hier ein Bereich des Verbindungselements gemeint, in dem ähnliche oder gleiche physikalische Eigenschaften, beispielsweise der Schmelzpunkt, 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. Beispielsweise weist das Verbindungselement in der ersten Phase zumindest drei oder vier unterschiedliche Metalle auf, 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 eben 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, das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende zweite Metall Me2 und das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende dritte Metall Me3 umfassen oder daraus bestehen. Alternativ oder zusätzlich können auch noch weitere Metalle, beispielsweise ein viertes Metall Me4 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. So ist insbesondere die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase größer oder gleich als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase (c11 ≥ c25). Insbesondere unterscheiden sich auch die Konzentrationen der Metalle innerhalb der Phase, beispielsweise ist die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase größer oder gleich als die Konzentration des dritten Metalls in der ersten Phase (c11 ≥ c13) und größer als die Konzentration des zweiten Metalls in der ersten Phase (c11 > c12). Die Konzentration des dritten Metalls in der ersten Phase ist größer als die Konzentration des zweiten Metalls in der ersten Phase, es gilt also: c13 > c12.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Phase ein ternäres System. Mit anderen Worten besteht dann die erste und/oder zweite Phase aus den drei Metallen, dem ersten Metall, dem zweiten Metall und dem dritten Metall. Insbesondere weist die erste und/oder zweite Phase niederschmelzende Metalle auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht die erste und/oder zweite Phase jeweils aus dem ersten Metall, dem zweiten Metall, dem dritten Metall und einem vierten Metall. Insbesondere weisen die Metalle in den entsprechenden Phasen eine unterschiedliche Konzentration auf, sodass die erste und/oder zweite Phase eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweist.
  • Insbesondere bilden die entsprechenden Metalle in den entsprechenden Phasen eine Legierung.
  • 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 oder zu reagieren. 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.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das zweite Metall in der ersten Phase eine Konzentration c12 und das dritte Metall in der ersten Phase eine Konzentration c13 auf. Insbesondere weist das zweite Metall in der zweiten Phase eine Konzentration c26 und das dritte Metall in der zweiten Phase eine Konzentration c27 auf. Es gilt: c11 > c25 und c11 > c13 > c12 und c12 < c26 oder c11 > c25 und c11 > c13 > c12 und c25 = c27 > c26. Insbesondere gilt: c11 > c25 und c11 > c13 > c12 und c12 < c26 oder c11 > c25 und c11 > c13 > c12 und c25 ≈ c27 > c26. ≈ mein hier, dass die Werte um maximal 10 %, insbesondere 2 oder 5 % voneinander abweichen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall aus einer Gruppe ausgewählt, die Nickel, Platin und Palladium umfasst. Vorzugsweise ist das erste Metall Nickel, da es kostengünstiger zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zweite Metall Indium.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das dritte Metall Zinn.
  • 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 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 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 20 Atom% und einschließlich 35 Atom%, beispielsweise 30 Atom%.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration c13 des dritten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 15 Atom% und einschließlich 40 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 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 30 Atom% und einschließlich 50 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 30 Atom% und einschließlich 45 Atom%, beispielsweise 35 Atom%.
  • 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 beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Konzentrationen des ersten Metalls in der zweiten Phase mit der Konzentration des zweiten Metalls in der zweiten Phase mit der Konzentration des dritten Metalls in der zweiten Phase beliebig miteinander kombiniert werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das erste Metall einen Schmelzpunkt > 1400 °C auf. Das zweite Metall weist einen Schmelzpunkt von kleiner als 180 °C auf. Das dritte Metall weist einen Schmelzpunkt < 250 °C auf. Beispielsweise kann Nickel mit einer Schmelztemperatur von 1455 °C, Platin mit einer Schmelztemperatur von 1768 °C und/oder Palladium mit einer Schmelztemperatur von 1555 °C als erstes Metall verwendet werden. Beispielsweise kann Indium mit einer Schmelztemperatur von 156 °C als zweites Metall verwendet werden. Beispielsweise kann Zinn mit einer Schmelztemperatur von 231 °C als drittes Metall verwendet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das zweite und das dritte Metall ein eutektisches Gemisch bei einem Schmelzpunkt kleiner oder gleich 120 °C, insbesondere ≤ 118 °C, bilden. Insbesondere bilden das zweite und das dritte Metall ein eutektisches Gemisch mit einer Schmelztemperatur zwischen 115 °C und 118 °C. Ist beispielsweise als zweites und drittes Metall Indium und Zinn gewählt, so weist Indium mit einem Anteil von 52 Atom% und Zinn mit einem Anteil von 48 Atom% ein Eutektikum bei einer Schmelztemperatur von 117,5 +/– 0,5 °C auf. Die Kombination des zweiten Metalls mit dem dritten Metall mit einem geringen Schmelzpunkt zeigt den Vorteil, dass das Verbindungselement bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen erzeugt wird und damit ein Verbund von zumindest zwei Komponenten mit unterschiedlich großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen erzeugbar ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste und/oder die zweite Phase ein weiteres Metall, insbesondere ein viertes Metall Me4, auf. Das vierte Metall weist in der ersten Phase eine Konzentration c14 auf. Alternativ oder zusätzlich weist das vierte Metall in der zweiten Phase eine Konzentration c28 auf. Das vierte Metall weist insbesondere einen Schmelzpunkt von kleiner als 1200 °C auf. Die Konzentration des vierten Metalls in der ersten und/oder zweiten Phase ist bevorzugt die kleinste Konzentration von allen Metallen, insbesondere kleiner als die Konzentration des ersten, zweiten und dritten Metalls.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das vierte Metall Gold. Insbesondere weist Gold einen Schmelzpunkt von 1064 °C auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration des vierten Metalls in der ersten und/oder zweiten Phase maximal 5 Atom%. Insbesondere kann die erste Phase und/oder zweite Phase auch frei von Edelmetallen, insbesondere von Gold, sein. Daher kann die Konzentration des vierten Metalls in der ersten und/oder zweiten Phase zwischen 0 Atom% und 5 Atom% sein. Das Gold kann insbesondere sich in die Atomgitter der ersten und/oder zweiten Phase einbauen. Gold auf den Ausgangsschichten des ersten und/oder zweiten und/oder dritten Metalls verhindert die Oxidation dieser Metallschichten. Insbesondere sollte die Konzentration des vierten Metalls, beispielsweise Gold, nicht höher als 5 Atom% sein, um die Bildung einer unerwünschten Phase, beispielsweise einer AuIn2-Phase, zu verhindern.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Phase und/oder die zweite Phase jeweils als Schicht ausgeformt. Die Schicht kann insbesondere eine Schichtdicke von 30 nm bis 10000 nm, beispielsweise 100 nm bis 2000 nm, aufweisen. Die als Schichten ausgeformten ersten und/oder zweiten Phasen sind insbesondere in direktem Kontakt, also in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt, zueinander angeordnet. Insbesondere sind die Schichten der ersten und zweiten Phase in Seitenansicht auf das Bauelement aufeinandergestapelt, sodass die erste Phase der ersten Komponente und die zweite Phase der zweiten Komponente zugewandt sind. Alternativ oder zusätzlich sind die jeweiligen Schichten der ersten und zweiten Phasen aufeinandergestapelt, sodass die erste Phase der zweiten Komponente und die zweite Phase der ersten Komponente zugewandt sind. Insbesondere sind dann die erste Phase mit der zweiten Komponente in direktem mechanischem oder elektrischem Kontakt und die zweite Phase mit der ersten Komponente in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt zueinander angeordnet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberfläche der ersten Phasenschicht und/oder der zweiten Phasenschicht wellenförmig ausgeformt. Insbesondere sind die aneinandergrenzenden Oberflächen der ersten und zweiten Phasenschicht wellenförmig ausgeformt. Mit anderen Worten ist die Oberfläche der jeweiligen Phasenschicht nicht planar, sondern die Phasenschichten verzahnen sich ineinander aufgrund ihrer wellenförmigen Ausformung. Die wellenförmige Ausgestaltung kann insbesondere durch Körner unterschiedlicher Größe erzeugt werden.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen ersten Phase und/oder zweiten Phase des Verbindungselements ein Verbinden der ersten und zweiten Komponente, beispielsweise das Bonden von Wafern, mit stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bei milden Temperaturen ermöglicht werden kann, sodass diese Komponenten nach dem Verbinden, beispielsweise dem Bonden, eine geringe Durchbiegung aufweisen. Zudem zeigt das erfindungsgemäße Verbindungselement eine thermomechanische Stabilität, sodass das Bauelement auch für Folgeprozesse und für den Betrieb des Bauelements hervorragend geeignet ist.
  • Werden beispielsweise zwei Komponenten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei erhöhter Temperatur planar aufeinander fixiert und anschließend abgekühlt, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Kontraktion der beiden Komponenten, beispielsweise von Wafern, eine Verbiegung des Bauelements. Dieser Effekt ist mit dem eines Bimetallstreifens vergleichbar. Diese entstandene mechanische Verspannung resultiert aufgrund der unterschiedlichen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Komponente. Diese tragen ferner zu einer internen Verspannung in dem restlichen Bauelement bei. Die Durchbiegung (englisch: bow) des Bauelements kann sich sowohl bei der Herstellung als auch auf die Bauelementlebensdauer negativ auswirken. Beispielsweise können die Komponenten in dem Bauelement auch ihre Funktionalität verlieren oder während der Herstellung brechen. Damit entstehen hohe Ausbeuteverluste.
  • Durch das erfindungsgemäße Verbindungselement wird die Verwendung von kostengünstigen Komponenten, beispielsweise Substraten mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, durch die starke Herabsetzung der Verarbeitungstemperatur ermöglicht, ohne dass sich eine zu hohe Durchbiegung der Komponenten einstellt. Somit kann beispielsweise eine Komponente aus Silizium, Quarz-Glas oder Siliziumnitrid mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Si: 2,6·10–6 K–1, Quarz-Glas: 0,54·10–6 K–1, Si3N4: 1,2·10–6 K–1) mit einer Komponente aus Saphir (6,1·10–6 K–1) oder GaAs, welche einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, in dem Bauelement miteinander verbunden werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Durchbiegung kommt. Das Auftreten des Komponentenbruchs wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbindungselements vermieden oder verringert. Ferner kann durch die Verwendung von Nickel gänzlich auf die Verwendung von Edelmetallen, beispielsweise Gold, in dem Bauelement verzichtet werden. Dies führt zur Kostenersparnis.
  • Erfindungsgemäß wird hier insbesondere ein ternäres niederschmelzendes Metallsystem als erste und zweite Phase vorgeschlagen, welches in der Lage ist, bei niedrigen Temperaturen die Komponenten miteinander zu verbinden oder zu fixieren. In einem weiteren Temperaturschritt kann die vollständige Abreaktion des Verbindungselements erreicht werden und somit ein thermomechanisch stabiles Verbindungselement geformt werden.
  • Insbesondere kann das Eutektikum des zweiten und dritten Metalls, beispielsweise der Metalle Indium und Zinn, genutzt werden, um den Schmelzpunkt des Gemisches zu verringern und damit die Verarbeitungstemperatur herabzusenken. Damit kann das Bauelement bei geringeren Temperaturen erzeugt werden. Während des Verbindens der beiden Komponenten reagiert insbesondere die Schmelze aus dem zweiten und dritten Metall mit dem ersten Metall des ternären Systems, insbesondere Nickel, Palladium oder Platin, zu einer ternären intermetallischen Schicht, was die Verarbeitungstemperatur bereits fixiert. In einem weiteren Temperaturschritt kann die erste und/oder zweite Phase abreagiert werden. Hier reichern sich die aus den ternären Phasen bestehenden Schichten mit dem ersten Metall durch Festkörper-Diffusionsmechanismen an. Mit anderen Worten wird hier ein erneutes Wiederaufschmelzen des Verbindungselements verhindert und es entsteht ein temperaturstabiles und mechanisch stabiles Verbindungselement. Das Verbindungselement zeigt nach der Herstellung eine Zusammensetzung aus zumindest einer ersten und zumindest einer zweiten Phase, die eine unterschiedliche Konzentration der einzelnen Metalle aufweist. Die Phasen weisen im Vergleich zu den Schmelzpunkten der niedrigschmelzenden zweiten und dritten Metalle, beispielsweise Indium und Zinn, erhöhte Wiederaufschmelzungspunkte auf.
  • 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:
    • A) Bereitstellen einer ersten Komponente und/oder einer zweiten Komponente,
    • B) Aufbringen einer Schicht aus einem ersten Metall Me1, einer Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und einer Schicht aus einem dritten Metall Me3 auf die erste und/oder zweite Komponente. Insbesondere weist die Schicht aus einem ersten Metall eine Schichtdicke von 10 nm bis 3000 nm auf. Die Schicht aus dem zweiten Metall weist eine Schichtdicke von 10 nm bis 3000 nm auf. Die Schicht des dritten Metalls weist eine Schichtdicke von 10 nm bis 4000 nm auf.
    • C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf eine erste Temperatur, beispielsweise maximal 200 °C oder 180 °C zur Ausbildung eines Verbindungselements. Das Verbindungselement weist eine erste Phase und eine zweite Phase auf. Die erste Phase und die zweite Phase umfassen jeweils zumindest das erste Metall, das zweite Metall und das dritte Metall oder bestehen daraus. Insbesondere weisen das erste Metall, das zweite Metall und/oder das dritte Metall in der ersten oder zweiten Phase eine unterschiedliche Konzentration auf, sodass die erste Phase und die zweite Phase eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen.
    • D) Heizen der unter Schritt C) erzeugten Anordnung auf eine zweite Temperatur, beispielweise auf eine zweite Temperatur zwischen 200 °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 die erste Phase zumindest nach Schritt D) das erste Metall Me1 mit einer Konzentration c11, das zweite Metall mit einer Konzentration c12 und das dritte Metall Me3 mit einer Konzentration c13 umfasst und die zweite Phase das erste Metall Me1 mit einer Konzentration c25, das zweite Metall Me2 mit einer Konzentration c26 und das dritte Metall Me3 mit einer Konzentration c27 umfasst oder daraus besteht. Es gilt: c11 ≥ c25 und c11 ≥ c13 > c12, insbesondere c11 > c25 und c11 > c13 > c12. Insbesondere werden die Komponenten aufeinander gebracht, so dass die aufgebrachten Schichten direkt aufeinanderliegen.
  • Bevorzugt müssen die Schritte A) bis D) nicht unmittelbar aufeinander folgen. Es sind zwischen den Schritten A) bis D) weitere Prozessschritte möglich.
  • Mit "thermodynamisch und mechanisch stabil" wird hier und im Folgenden verstanden, dass das erste Metall mit dem zweiten Metall und dem dritten Metall soweit vermischt ist, dass sich die erste und/oder zweite Phase nicht weiter mit dem ersten Metall anreichern und die erste und/oder zweite Phase einen festen Aggregatszustand aufweisen. 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):
    • 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 weisen die ersten und/oder zweiten Phasen eine Zusammensetzung auf, sodass die Durchbiegung der ersten und/oder zweiten Komponente minimiert ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden 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.
  • Das Verfahren ermöglicht die Verbindung einer ersten mit einer zweiten Komponente durch ein Verbindungselement, wobei die beiden Komponenten insbesondere einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Das erlaubt die Verwendung von billigeren Materialien für die erste und/oder zweite Komponente zur Bildung eines Bauelements. Damit können beispielsweise thermisch und elektrisch gut leitfähige und kostenersparende Materialien, wie Siliziumwafer, zur Anbindung an einem Saphirwafer benutzt werden.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1A eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
  • 1B eine detaillierte Ansicht der 1A,
  • 2A bis 5B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform,
  • 6A bis 6C, 7A bis 7C, 8A bis 8B und 9A bis 9B jeweils 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 100 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. 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 können die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 derart ausgewählt werden, dass sie einen unterschiedlich starken 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 angeordnet. Das Verbindungselement 3 ist in direktem Kontakt mit der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2. Das Verbindungselement 3 weist eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32 auf.
  • Beispielsweise besteht oder umfasst die erste Phase 31 die folgenden Metalle mit den Konzentrationen:
    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 dann 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%.
  • Mit anderen Worten weist das Verbindungselement 3 zwei Phasen 31, 32 auf, wobei jede Phase 31, 32 zumindest drei Metalle Me1, Me2, Me3 umfasst oder daraus besteht. Dabei ist die Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der ersten Phase größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls Me1 in der zweiten Phase und die Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der ersten Phase ist größer als die Konzentration c13 des dritten Metalls Me3 in der ersten Phase und ist größer als die Konzentration c12 des zweiten Metalls Me2 in der ersten Phase. Beispielsweise kann als erstes Metall Me1 Nickel, Platin und/oder Palladium verwendet werden. Als zweites Metall Me2 kann beispielsweise Indium verwendet werden. Als drittes Metall Me3 kann beispielsweise Zinn verwendet und gegebenenfalls als viertes Metall Me4 kann Gold verwendet werden. Insbesondere hat das vierte Metall Me4 die niedrigste Konzentration von allen Metallen in der entsprechenden Phase 31, 32.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste Phase 31 und/oder zweite Phase 32 jeweils als Schicht ausgeformt. Insbesondere sind die erste und/oder zweite Phase 31, 32 übereinandergestapelt. Die Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten der ersten und/oder zweiten Phase 31, 32 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 kann durch das individuelle Wachstum der Körner in der jeweiligen Schicht verursacht sein.
  • Die 2A und 2B zeigen jeweils ein Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement der 2A zeigt ein Bauelement 100, wie es vor Einfluss der Temperatur, also vor den Verfahrensschritten C) und D), aufgebaut sein kann. 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 besteht. Die erste Komponente 1 weist ein Substrat 54 auf, das beispielsweise ein Saphirsubstrat einer lichtemittierenden Leuchtdiode sein kann. Auf oder unter dem Saphirsubstrat kann eine Halbleiterschichtenfolge 5 aufgebracht sein. Die Halbleiterschichtenfolge 5 umfasst eine n-Halbleiterschicht 51, eine aktive Schicht 52 und eine p-Halbleiterschicht 53. Die aktive Schicht 52 ist im Betrieb dazu eingerichtet, Strahlung insbesondere aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich zu emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge 5 kann beispielsweise mit MOCVD-Prozessen aufgewachsen werden. Alternativ können hier und im Folgenden die n-Halbleiterschicht 51 und eine p-Halbleiterschicht 53 vertauscht sein.
  • Die zweite Komponente 2 kann beispielsweise ein Wafer aus einem isolierenden keramischen Material, beispielsweise ein Wafer aus Siliziumnitrid, sein. Alternativ kann die zweite Komponente 2 ein Quarzglas sein. Dabei ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Saphirsubstrates 54 ungefähr 6,1 µm/(mK) und der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der zweiten Komponente 2 des keramischen Materials ungefähr 1,2 µm/(mK). Damit weisen die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, die sich mindestens um den Faktor 5 voneinander unterscheiden. Dieser Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Saphir und dem keramischen Material ist zu groß und würde zu einer starken Durchbiegung des Verbundes während der Herstellung führen und damit das Bauelement unter Umständen zerstören. Dies würde auch erfolgen, wenn als Verbindungselement 3 beispielsweise eine Gold-Indium- oder Gold-Zinnlegierung verwendet werden würde. Eine Lösung des Problems ist, man verwendet das erfindungsgemäße Verbindungselement 3.
  • Insbesondere weist dann das Verbindungselement 3 eine erste und eine zweite Phase 31, 32 auf, wie in 2B gezeigt. 2B zeigt ein Verbindungselement 3, das drei Phasen 31, 32, 31 umfasst. Es umfasst zwei erste Phasen 31, die durch eine zweite Phase 32 voneinander räumlich beabstandet sind. Insbesondere sind die Zusammensetzungen der ersten Phase 31 gleich, wobei sich die Zusammensetzung der ersten Phasen 31 von der Zusammensetzung der zweiten Phase 32 unterscheidet. Die erste und zweite Phase 31, 32 umfassen zumindest ein erstes Metall, ein zweites Metall und ein drittes Metall, wobei die Metalle sich voneinander unterscheiden. Die Konzentration der einzelnen Metalle in den ersten und der zweiten Phasen 31, 32 sind unterschiedlich. Insbesondere ist die Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der ersten Phase 31 größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls Me1 in der zweiten Phase. Die Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der ersten Phase kann gleich der Konzentration c11 des ersten Metalls Me1 in der weiteren ersten Phase 31 sein.
  • Das Verbindungselement 3 ist zwischen den beiden Komponenten 1, 2 angeordnet. Zwischen dem Verbindungselement 3 und den Komponenten 1, 2 kann einseitig oder beidseitig noch eine Haftschicht 4 angeordnet sein. Die Haftschicht 4 kann beispielsweise Platin, Gold oder Titan umfassen oder daraus bestehen. Alternativ kann auch die Haftschicht 4 nicht in dem Bauelement 100 vorhanden sein.
  • Die 3A und 3B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Die 3A zeigt das Bauelement 100, bevor das Verbindungselement 3 ausgebildet ist.
  • Die 3B zeigt das endgültige Bauelement 100, das heißt das Bauelement zumindest nach Schritt D). 3A zeigt, dass zwischen den beiden Komponenten 1, 2 und zwischen zwei Haftschichten 4 drei metallische Schichten Me1, Me2 und Me3 angeordnet sind. Die Haftschichten 4 können auch fehlen. Die Schicht Me1 weist das erste Metall auf. Die Schicht Me2 weist das zweite Metall auf. Die Schicht Me3 weist das dritte Metall auf. Nach dem Einfluss der ersten Temperatur und/oder zweiten Temperatur in den Verfahrensschritten C) und D) resultiert ein Bauelement 100 gemäß der 3B. Mit anderen Worten werden die einzelnen metallischen Schichten zu einer ersten und/oder zweiten Phase 31, 32 umgewandelt. Die erste Phase 31 umfasst das erste Metall Me1, das zweite Metall Me2 und das dritte Metall Me3. Die zweite Phase 32 umfasst ebenfalls das erste Metall Me1, das zweite Metall Me2 und das dritte Metall Me3. Dabei unterscheiden sich die Phasen 31, 32 durch die Konzentrationen der einzelnen Metalle voneinander.
  • Die 4A und 4B zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die 4A zeigt das Bauelement 100 vor Ausbildung des Verbindungselements 3.
  • Die 4B zeigt das endgültige Bauelement 4B zumindest nach dem Verfahrensschritt D). Die 4A und 4B unterscheiden sich von den 3A und 3B voneinander, dass zwischen den metallischen Schichten Me1 und der ersten Komponente 1 sowie zwischen der metallischen Schicht Me3 und der zweiten Komponente 2 keine Haftschichten 4 vorhanden sind. Dadurch resultiert ein Bauelement 100, das die Schichtenfolge erste Komponente 1, erste Phase 31, zweite Phase 32 und zweite Komponente 2 aufweist (siehe 4B).
  • Die 5A zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bauelements 100 gemäß einer Ausführungsform. Die 5A unterscheidet sich von der 4B dadurch, dass die erste Phase 31 des Verbindungselements 3 der zweiten Komponente 2 zugewandt ist. Die zweite Phase 32 des Verbindungselements 3 ist der ersten Komponente 1 zugewandt. Im Vergleich dazu zeigt die 4B, dass die erste Phase 31 der ersten Komponente 1 und die zweite Phase 32 der zweiten Komponente 2 zugewandt ist.
  • Die 5B zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 der 5B unterscheidet sich von dem Bauelement der 5A dadurch, dass das Bauelement 100 der 5B eine zusätzliche erste Phase 31 aufweist. Damit kann ein Bauelement 100 erzeugt werden, das einen symmetrischen Aufbau hat. Insbesondere weisen die jeweiligen ersten Phasen 31 eine höhere Konzentration c11 an dem ersten Metall Me1 auf als die zweite Phase 32.
  • Die 6A zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die 6A zeigt, dass beispielsweise auf der Seite der ersten Komponente 1 eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, nachfolgend eine Schicht aus einem vierten Metall Me4, nachfolgend eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und nachfolgend eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufgebracht wird. Auf der Seite der zweiten Komponente 2 kann auf deren Oberfläche 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 aufgebracht werden.
  • Anschließend können beide verbunden werden und einer ersten Temperatur, insbesondere maximal 180 °C oder 200 °C, ausgesetzt werden. Dabei können die Schichten der zweiten und dritten Metalle Me2, Me3 in den flüssigen Aggregatszustand übergehen und mit den Schichten des vierten Metalls Me1 und 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.
  • 6B zeigt, dass die erste Schicht Me1, beispielsweise nach Verfahrensschritt C), nicht vollständig mit dem zweiten Metall Me2 und/oder dritten Metall Me3 und/oder vierten Metall Me4 reagiert hat. Bei einer Erhöhung der Temperatur, beispielsweise auf die zweite Temperatur, kann das System abreagieren und die erste Metallschicht Me1 beidseitig verschwinden lassen. Es resultiert ein Bauelement 100 analog dem Bauelement 100 der 2B mit Ausnahme, dass in der 6C keine Haftschichten 4 zwischen dem Verbindungselement 3 und den jeweiligen Komponenten 1, 2 vorhanden sind.
  • Die 7A bis 7C zeigen eine schematische Seitenansicht eines Bauelements sowie dessen Herstellung. In dieser Ausführungsform wird die erste Komponente 1 durch einen Trägerwafer 1 geformt. Der Trägerwafer 1 ist mit einer Schicht aus einem ersten Metall Me1 bedeckt. Das erste Metall Me1 ist insbesondere Platin, Nickel oder Palladium und weist eine Schichtdicke von 65 nm auf. Die Schicht aus Me1 kann mittels Kathodensputtering aufgebracht werden. Auf der Schicht aus Me1 sind zumindest zwei zweite Komponenten 2 nachgeordnet. Zwischen den zumindest zwei nachgeordneten Komponenten 2 sind jeweils eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 angeordnet (7A). Mit anderen Worten weist das in 7A dargestellte Bauelement 100 eine erste gemeinsame Komponente 1 und zwei zweite Komponenten 2 auf.
  • Anschließend erfolgt die Behandlung der Anordnung der 7A mit einer ersten Temperatur auf maximal 180 °C oder 200 °C gemäß dem Verfahrensschritt C). Dabei bildet sich ein Verbindungselement 3 aus, das eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32 aufweist. Die erste Phase 31 und die zweite Phase 32 weisen jeweils das erste Metall Me1, das zweite Metall Me2 und das dritte Metall Me3 auf oder bestehen daraus (7B). In einem anschließenden Aufheizschritt bei einer zweiten Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C kann eine vollständige Abreaktion des Verbindungselements 3 erzeugt werden, sodass die Schicht aus dem ersten Metall Me1 vollständig verschwindet (7C). Es resultiert eine Anordnung, die eine erste Komponente 1 und zwei zweite Komponenten 2 aufweist, wobei jeweils zwischen den zwei zweiten Komponenten 2 und der ersten Komponente 1 eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32 angeordnet ist, die thermodynamisch und mechanisch stabil sind.
  • Die 8A und 8B zeigen die Herstellung eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. 8A zeigt, dass eine erste Komponente, welche eine Halbleiterschichtenfolge 5 und eine Saphirschicht 54 aufweist, bereitgestellt werden kann. Ferner kann die zweite Komponente 2 bereitgestellt werden. Anschließend kann auf der ersten Komponente 1 beziehungsweise der zweiten Komponente 2 jeweils zumindest eine Schicht aufgebracht werden. Dabei ist in der 8A gezeigt, dass eine Schicht aus dem ersten Metall Me1 auf die erste Komponente 1 und nachfolgend eine Schicht aus dem zweiten Metall Me2 aufgebracht wird. Auf der zweiten Komponente 2 wird eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufgebracht. Anschließend erfolgt das Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf maximal 180 °C, dabei können die erste Komponente und die zweite Komponente 1 und 2 miteinander verbunden werden. Es bildet sich ein Verbindungselement 3, das eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32 aufweist. Jede der Phasen 31, 32 umfasst das erste Metall Me1, das zweite Metall Me2 und das dritte Metall Me3 in unterschiedlichen Konzentrationen.
  • Es können zwei Komponenten 1, 2 aus beispielsweise Saphir (6,1 µm/mK) und Siliziumnitrid (1,2 µm/mK) wie folgt miteinander verbunden werden.
  • Auf der ersten Komponente 1 umfassend das Saphir kann eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, beispielsweise Nickel, aufgebracht werden. Die Schichtdicke kann beispielsweise 450 nm sein. Anschließend wird auf dieser Schicht aus dem ersten Metall Me1 eine Schicht aus dem zweiten Metall Me2, beispielsweise Indium, aufgebracht, die eine Schichtdicke von 150 nm aufweisen kann. Auf der zweiten Komponente 2, welche Siliziumnitrid umfasst, kann eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, beispielsweise Nickel mit einer Schichtdicke von 100 nm, zusammen mit einer Schicht aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise Zinn mit einer Schichtdicke von 700 nm, und mit einer Schicht aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise Indium mit einer Schichtdicke von 300 nm, aufgebracht werden. Um der Verspannung bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten entgegenzuwirken, werden die erste und die zweite Komponente 1, 2, bevor sie in Kontakt kommen, auf unterschiedliche Temperaturen geheizt. Beispielsweise kann die zweite Komponente 2, welche das Siliziumnitrid umfasst, auf eine Temperatur von 220 °C geheizt werden. Die erste Komponente 1, welche das Saphir umfasst, kann auf eine Temperatur von nur 105 °C geheizt werden. Beim Kontaktieren der Komponenten 1, 2 erhitzt die wärmere zweite Komponente 2 zumindest die obere Schicht aus dem zweiten Metall Me2 der ersten Komponente 1, was zum Aufschmelzen führt und somit eine isotherme Erstarrungsreaktion auslöst. Die erste Komponente 1 bindet sich an die zweite Komponente 2 oder umgekehrt innerhalb von wenigen Sekunden. Somit wird der Temperaturunterschied der einzelnen Komponenten 1, 2 während der Herstellung eingefroren. Beim Abkühlen des Bauelements oder der Anordnung erzeugt dies in Kombination mit einer geringen Verarbeitungstemperatur eine als unbedenklich erachtete Durchbiegung. In einem nachfolgenden Schritt D) kann die Anordnung auf 240 °C geheizt werden und für 10 min getempert werden. Hierbei kann das Verbindungselement 3 vollständig ausreagieren, wobei sich die Durchbiegung bei Raumtemperatur nicht merklich verändert.
  • Beim Löten von einer ersten Komponente 1, die beispielsweise einen elektronischen Chip mit einer Fläche von 4 mm2 umfasst, auf eine zweite Komponente 2, die beispielsweise ein Leadframe umfasst, kann der Unterschied im thermischen Ausdehnungsverhalten zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente 1, 2 zu Haftungsproblemen führen. Um dies zu vermeiden, kann das Verbinden der beiden Komponenten 1, 2 bei möglichst niedrigen Temperaturen erfolgen. Die zweite Komponente 2, die den Leadframe umfasst, kann in diesem Fall mit einer Schicht aus einem ersten Metall Me1, beispielsweise Platin mit einer Schichtdicke von 350 nm, gefolgt von einer Schicht aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise Zinn mit einer Schichtdicke von 450 nm, und gefolgt von einer Schicht aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise Indium mit einer Schichtdicke von 200 nm, beschichtet werden. Die Rückseitenmetallisierung eines elektronischen Chips besteht in der Regel aus einem ersten Metall Me1, insbesondere Platin mit einer Schichtdicke von 150 nm, aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise Indium mit einer Schichtdicke von 300 nm, und aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise Zinn mit einer Schichtdicke von 150 nm. Beim Verbinden wird die zweite Komponente 2, die den Leadframe umfasst, auf eine Temperatur von 135 °C geheizt. Die Komponente 1, die beispielsweise den elektrischen Chip umfasst, wird auf eine Temperatur von 145 °C geheizt. Anschließend erfolgt das Platzieren der ersten und zweiten Komponente 1, 2. Das Platzieren kann mit einer Kraft von beispielsweise 6 N für eine Dauer von 1,2 s erfolgen. Damit entsteht eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Komponente 1, 2. Der nachfolgende Temperaturschritt kann bei einer Temperatur von über 200 °C, beispielsweise mindestens 260 °C, für 180 min erfolgen.
  • Die 9A und 9B zeigen eine schematische Seitenansicht eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die 9A zeigt eine erste Komponente 1, welche eine Halbleiterschichtenfolge 5 und ein Substrat 54, beispielsweise aus Saphir, umfasst. Auf dieser ersten Komponente 1 werden eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, beispielsweise eine Nickelschicht mit einer Schichtdicke von 150 nm aufgebracht. Anschließend wird eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise eine Indiumschicht mit einer Schichtdicke von 170 nm aufgebracht. Anschließend wird eine Schicht aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise eine Zinnschicht mit einer Schichtdicke von 250 nm, aufgebracht. Zwischen der Schicht aus dem ersten Metall Me1 und der ersten Komponente 1 kann optional eine Haftschicht 4 angeordnet sein. Alternativ kann der Haftschicht 4 die Halbleiterschichtenfolge 5 umfassend die p-Halbleiterschicht 53, die aktive Schicht 52 und die n-Halbleiterschicht 51 und nachfolgend das Substrat 54 nachgeordnet sein.
  • Ferner wird eine zweite Komponente 2, beispielsweise aus Quarzglas, bereitgestellt.
  • Der zweiten Komponente 2 kann nachfolgend eine Schicht aus einem ersten Metall Me1, beispielsweise eine Nickelschicht mit einer Schichtdicke von 150 nm, aufgebracht werden. Anschließend kann eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise eine Indiumschicht mit einer Schichtdicke von 170 nm, aufgebracht werden. Anschließend kann eine Schicht aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise eine Zinnschicht mit einer Schichtdicke von 250 nm, aufgebracht werden. Zwischen der Schicht aus dem ersten Metall Me1 und der ersten Komponente 2 kann optional eine Haftschicht 4 angeordnet sein.
  • Anschließend erfolgt das Temperieren und/oder Verbinden der Komponenten 1, 2, beispielsweise bei einer Temperatur von 142 °C und/oder einem Druck von 1 MPa, sodass ein Bauelement 100 resultiert, das zwischen der ersten und zweiten Komponente 1, 2 eine Schichtenfolge aufweist: erste Komponente 1, (Haftschicht 4), erste Phase 31, zweite Phase 32, erste Phase 31, (Haftschicht 4), zweite Komponente 2.
  • Um die Komponenten 1, 2 möglichst sanft zu verbinden oder zu bonden, werden diese zunächst aufeinander platziert und in diesem Zustand mit einer Heizrate von 10 K/min ausgehend von Raumtemperatur auf die zum Bonden verwendete Temperatur geheizt. Erst dann kann der Druck aufgebracht werden. Insbesondere wird der Druck bei 120 s gehalten. Anschließend können die Komponenten 1, 2 wieder mit einer Abkühlrampe von 10 K/min auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Um das Verbindungselement 3 vollständig zu erzeugen, also dass die Metalle des Verbindungselementes vollständig abreagieren, wird das Bauelement in einem anschließenden Schritt D) auf eine Temperatur von 230 °C geheizt. Insbesondere wird diese Temperatur für 120 min gehalten. Es entsteht damit ein Bauelement gemäß der 9B. Das Bauelement der 9B entspricht dem Bauelement der 2B. Das Bauelement 100 der 9A und 9B kann weitere Metalle, beispielsweise ein viertes Metall 4, aufweisen.
  • Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen 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.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede neue Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (16)

  1. Bauelement (100) aufweisend – eine erste Komponente (1), – eine zweite Komponente(2), – ein Verbindungselement (3), das zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (3) zumindest eine erste Phase (31) und eine zweite Phase (32) aufweist, wobei die erste Phase (31) ein erstes Metall (Me1) mit einer Konzentration (c11), ein zweites Metall (Me2) mit einer Konzentration (c12) und ein drittes Metall (Me3) mit einer Konzentration (c13) umfasst, wobei die zweite Phase (32) das erste Metall (Me1) mit einer Konzentration (c25), das zweite Metall (Me2) und das dritte Metall (Me3) umfasst, wobei das erste Metall (Me1), das zweite Metall (Me2) und das dritte Metall (Me3) voneinander verschieden sind und geeignet sind, bei einer Verarbeitungstemperatur von kleiner 200 °C zu reagieren, wobei gilt: c11 ≥ c25 und c11 ≥ c13 ≥ c12.
  2. Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei in der zweiten Phase (32) das zweite Metall (Me2) eine Konzentration (c26) und das dritte Metall (Me3) eine Konzentration (c27) aufweist, wobei gilt: c11 > c25 und c11 > c13 > c12 und c12 < c26 oder c11 > c25 und c11 > c13 > c12 und c25 = c27 > c26.
  3. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Metall (Me1) aus der Gruppe Nickel, Platin und Palladium ausgewählt ist.
  4. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Metall (Me2) Indium und das dritte Metall (Me3) Zinn ist.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Komponente (2) eine lichtemittierende Leuchtdiode umfasst, und wobei zumindest die erste Komponente (1) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Saphir, Siliziumnitrid, ein Halbleitermaterial, ein keramisches Material, ein Metall und Glas umfasst.
  9. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Metall (Me1) einen Schmelzunkt größer 1400 °C, das zweite Metall (Me2) einen Schmelzpunkt von kleiner als 180 °C und das dritte Metall (Me3) einen Schmelzunkt kleiner 250 °C aufweisen, wobei das zweite und das dritte Metall (Me2, Me3) ein eutektisches Gemisch bei einem Schmelzpunkt kleiner oder gleich 120 °C bilden.
  10. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, das in der ersten Phase (31) ein viertes Metall (Me4) mit einer Konzentration (c14) und/oder in der zweiten Phase (32) das vierte Metall (Me4) mit einer Konzentration (c28) aufweist, wobei das vierte Metall (Me4) einen Schmelzpunkt kleiner als 1200 °C aufweist und die Konzentration (c14, c28) des vierten Metalls (Me4) in der ersten und/oder zweiten Phase (31, 32) die kleinste Konzentration von allen Metallen (Me1, Me2, Me3) ist.
  11. Bauelement (100) nach Anspruch 10, wobei das vierte Metall (Me4) Gold ist.
  12. Bauelement nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Konzentration (c14, c28) des vierten Metalls (Me4) in der ersten Phase (31) und/oder zweiten Phase (32) maximal 5 Atom% ist.
  13. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Phase (31) und die zweite Phase (32) jeweils als Schicht ausgeformt sind und in direktem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei die Schichten der ersten und zweiten Phasen (31, 32) aufeinandergestapelt sind, so dass die erste Phase (31) der ersten Komponente (1) und die zweite Phase (32) der zweiten Komponente (2) zugewandt sind.
  14. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Komponente (1) aufweisend einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α1) von der zweiten Komponente (2) aufweisend einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α2) verschieden ist und sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten um mindestens den Faktor 1,5 voneinander unterscheiden.
  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 einer Schicht aus einem ersten Metall (Me1), einer Schicht aus einem zweiten Metall (Me2) und einer Schicht aus einem dritten Metall (Me3) auf die erste und/oder zweite Komponente (1, 2), C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf maximal 200 °C zur Ausbildung eines Verbindungselements (3) aufweisend eine erste Phase (31) und eine zweite Phase (32), wobei die erste Phase (31) und die zweite Phase (32) jeweils das erste Metall (Me1), das zweite Metall (Me2) und das dritte Metall (Me3) umfassen, D) Heizen der unter Schritt C) erzeugten Anordnung auf eine Temperatur zwischen 200 °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 die erste Phase (31) zumindest nach Schritt D) das erste Metall (Me1) mit einer Konzentration (c11), das zweite Metall (Me2) mit einer Konzentration (c12) und das dritte Metall (Me3) mit einer Konzentration (c13) umfasst, und die zweite Phase (32) das erste Metall (Me1) mit einer Konzentration (c25), das zweite Metall (Me2) mit einer Konzentration (C26) und das dritte Metall (Me3) mit einer Konzentration (C27) umfasst, wobei gilt: c11 ≥ c25 und c11 ≥ c13 ≥ c12.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verbindungselement zumindest im Schritt C) eine feste Verbindung zu der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) ausbildet.
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