DE102018209589B4

DE102018209589B4 - Verbund aus einem Bauteil, insbesondere einem elektronischen Bauteil, und einem Glas- oder Glaskeramikmaterial sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102018209589B4
Application number: DE102018209589.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Jotz; Marten Walther; Florian Resch; Thomas Wiegel
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: CN109111130B; JP2019006671A; DE102018209589A1; US20180370193A1; JP7166802B2; US10836140B2; CN109111130A

Abstract

Verbund aus einem Bauteil, insbesondere einem elektronischen Bauteil, bevorzugt einem Substrat, insbesondere einem elektronischen Substrat, ganz bevorzugt einem Wafer und einem Glas- oder Glaskeramikmaterial, wobei- das Bauteil einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α1;- das Glas- oder das Glaskeramikmaterial einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten α2;- das Glas- oder das Glaskeramikmaterial eine Oberfläche mit einer Dicke und Dickenunterschieden (TTV) innerhalb der Oberfläche sowie Dickenschwankungen (LTV) und einen WARP aufweist;- der Verbund aus Bauteil und dem Glas- oder Glaskeramikmaterial eine residuale Spannung im Glas- oder Glaskeramikmaterial hat; dadurch gekennzeichnet, dass- der Verbund durch einen geometrischen und materialphysikalischen KompatibilitätsgradKG=10⋅(α1/α2)⋅((1−(LTV/1,5 μm))+(1−(TTV/7 μm))+(1−(WARP/200 μm)))charakterisiert und stetsKG≥4, insbesondere ≥ 15, bevorzugt ≥ 30 ist,wobeidas Glas- oder Glaskeramikmaterial in Form einer Glas- oder Glaskeramikscheibe als Dünnstglas mit einer Dicke ≤ 300 µm, bevorzugt ≤ 150 µm, insbesondere bevorzugt ≤ 100 µm, ganz bevorzugt ≤ 70 µm, insbesondere ≤ 50 µm, insbesondere bevorzugt ≤ 30 µm, vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dassder erste Ausdehnungskoeffizient α1des Bauteils größer dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten α2des Glas- oder Glaskeramikmaterials ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbund aus einem Bauteil, insbesondere einem elektronischen Bauteil, bevorzugt einem Substrat, insbesondere einem elektronischen Substrat, ganz bevorzugt einem Wafer und einem Glas- oder Glaskeram ikmaterial.
Derartige Verbünde werden insbesondere in der Elektronikindustrie eingesetzt. In diesem Industriebereich ist es üblich, ein Bauteil, insbesondere einen Wafer, beispielsweise aus Silizium oder Lithiumtantalat oder anderen Grundmaterialien mit einem Glas- bzw. Glaskeramikmaterial zu einem Verbund zu verbinden. Die Verbindung des Wafermaterials mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial, das auch als Capping-Wafer eingesetzt werden kann, erfolgt mittels eines Klebers. Ein Capping-Wafer dient als Abdeckung der darunter befindlichen Funktionsschicht eines Verbundes. Die Funktionsschicht kann dabei auch in Waferform vorliegen. Anschließend an das Verbinden wird der Verbund in zahlreiche einzelne Bauteile vereinzelt. Um das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial mit dem Grundmaterial zu verbinden, wird das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial, insbesondere der Glaswafer, mit einer entsprechenden Vorrichtung angesaugt und glattgezogen. Daran anschließend werden die Glas- bzw. Glaskeramikmaterialien bzw. die CAPPING-Wafer aus diesen Materialien mit einer dünnen Klebstoffschicht benetzt und auf die Grundmaterialien, insbesondere die Bauteilwafer, gepresst. Es ist auch möglich, dass das Grundmaterial mit einem Kleber versehen und der Capping-Wafer auf das Grundmaterial gepresst wird. Bei diesem Vorgang des Verbindens entstehen Spannungen im Glas, welche durch den Klebevorgang dauerhaft im Glas bleiben können. Ein weiteres Problem ist, dass die Bauteile sich durch Temperaturunterschiede biegen, insbesondere durchbiegen können. Nachdem das Bauteil mit dem Glas- oder Glaskeramikmaterial verbunden wurde, wird der Verbund vereinzelt. Die Vereinzelung wird auch als DICING-Verfahren bezeichnet. Mit einem DICING-Verfahren werden Wafer auf Devicegröße vereinzelt. So können beispielsweise aus einem 8" (20,32 cm) großen Wafer 2000 Bauteile und mehr gewonnen werden. Das Vereinzeln kann mit unterschiedlichen Trennverfahren erfolgen. Eine Möglichkeit ist ein Trennen mit Hilfe einer Art Trennschleifmaschine, in der sich eine sehr schnell rotierende Scheibe befindet und durch entsprechenden Abtrag zu einer Separierung der einzelnen Werkstücke führt. Alternativ ist es auch möglich eine Durchtrennung mit Hilfe eines Lasers zu realisieren. Beim Vereinzeln entstehen Mikrorisse im Glas, die zum Versagen des Bauteils führen können.
Ein weiterer Nachteil eines derartigen Verbundes gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass der Ausdehnungskoeffizient α₁ des Materials für das Bauteil geringer als der Ausdehnungskoeffizient α₂ für das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial gewählt ist. Im Stand der Technik ist der Ausdehnungskoeffizient des Bauteilmaterials oft nur knapp unter oder gleich dem Ausdehnungskoeffizienten des Glas- bzw. Glaskeramikmaterials. Dies hat aber den Nachteil, dass an der Unterseite des Glas- bzw. Glaskeramikmaterials eine Zugspannung entsteht, die zu einem Versagen des Verbundes führt.
Ein weiterer Nachteil eines derartigen Verbundes gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass aufgrund von Oberflächenunebenheiten an der kleberseitigen Oberfläche des Glas- bzw. Glaskeramikmaterials eine relativ dünne Kleberschicht nicht vollflächig aufgetragen werden kann und an den nicht mit Kleber benetzten Oberflächen des Glases eine Zugspannung entsteht, die zu Spannungsrisskorrosion und langfristigem Versagen des Verbundes führt.
Aus der EP 2912681 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines SiC Halbleiter Wafers bekannt geworden, wobei der Wafer eine lokale Dickenvariation (LTV) von 0,1 bis 1,5 µm und einen SFQR-Wert (Site Front-Side Least Squares Focal Plane Range) von 0,01 bis 0,3 µm aufweist. Die Verbindung des aus der EP 2912681 B1 bekannten SiC Halbleiterwafers mit einem Substrat und der Aufbau eines Verbundes ist aus der EP 2912681 B1 nicht beschrieben.
Die DE 3931213A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur geometrischen Messung der Ebenheit von beidseitigen Oberflächen geringer Rauheit aufweisenden Halbleitern.
Des Weiteren ist die Verwendung von ultradünnem Glas für elektronische Anwendungen aus „SCHOTT: Ultra-Thin Glass for Electronics Application. Version November 2015. Firmenschrift.
www.schott.com/advanced-optics/english/download/index.html“
und
SCHOTT: AF 32 Thin Glass. Mai 2013. Firmenschrift. www.schott.com/advanced_optics/english/download/index.html/"
bekannt geworden.
Die US 2012/0 302 063 A1 offenbart einen Verbund mit der Schichtenfolge Glaswafer, Klebstoffschicht und einem Siliziumwafer. Gemäß der US 2012/0 302 063 A1 ist der Glaswafer 0,7 mm bis 1,1 mm dick und der Siliziumwafer mit 50 µm bis 60 µm so dünn, dass er flexibel ist.
Die WO 2016/136 348 A1 offenbart einen Verbund 27 mit einem Glaswafer, einer optionalen Trennschicht, einer optionalen Klebstoffschicht und einem elektronischen Bauteil.
Die JP 2007 324 612 A offenbart einen Verbund bestehend aus einem Glassubstrat, einer Haftklebstoffschicht und einem elektronischen Bauteil.
Auch die JP 2003 275 953 A offenbart einen Verbund mit einem zu polierenden Substrat, einer Wachsschicht und einer Basisplatte. Hierbei weist das Substrat 1 eine TTV von 1,4 bis 7 µm und eine LTV von 0,5 bis 1,9 µm auf.
Nachteilig bei der Verwendung des aus den oben genannten Schriften bekannten Dünnglases in Verbunden war, dass der Kleber nicht ausreichend für das Halten der Bauteile im Verbund war. Des Weiteren haben sich Zugspannungen im Verbund ausgebildet, die zum Bruch des im Verbund eingesetzten Glases führen können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Verbund zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und sich insbesondere durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verbund aus einem Bauteil und einem Glas- oder Glaskeramikmaterial zur Verfügung gestellt wird, wobei der Verbund durch einen Kompatibilitätsgrad KG gekennzeichnet ist, für den gilt $\begin{array}{l} KG = 10 \cdot (α_{1} / α_{2}) \cdot ((1 - (LTV/1,5 μ m)) + (1 - (TTV/7 μ m)) + \\ (1 - (WARP/200 μ m))) \end{array}$
wobei stets gilt $KG \geq 4, insbesondere \geq 15, bevorzugt \geq 30 .$
Beim Glas- oder Glaskeramikmaterial in Form einer Glas- oder Glaskeramikscheibe handelt es sich bei der Erfindung um eine Dünnglasscheibe mit einer Dicke < 100 µm, bevorzugt ≤ 70 µm, insbesondere ≤ 50 µm, insbesondere bevorzugt ≤ 30 µm.
LTV, TTV und WARP sind spezifische Größen des Glassubstrates. Dabei bezeichnet TTV den Dickenunterschied innerhalb des Glassubstrates, LTV die lokale Dickenschwankung, die charakteristisch für die Oberflächengüte auf einer Fläche ist und WARP die Verbiegung des Glassubstrates. Ursache für den WARP sind herstellungsbedingte residuale Spannungen im Glas. Der Kompatibilitätsgrad wird somit wesentlich durch Glaseigenschaften bestimmt.
Verbünde, die sich durch einen derartigen Kompatibilitätsgrad auszeichnen, weisen überraschender Weise gegenüber herkömmlichen Verbünden eine längere Lebensdauer auf sowie eine hohe Kompatibilität der Materialien. Des Weiteren verfügen sie über geringe residuale Spannungen im Glas und eine hohe Oberflächengüte. Des Weiteren zeichnen sich diese Verbünde durch eine optimierte Haftung des Bauteils mittels des Klebers auf dem Glassubstrat aus, wobei der Kleber oft nur 10 µm dick ist. Durch die erfinderische Auswahl wird eine möglichst gleichförmige Dicke des Klebers und ein vollflächiger Auftrag des Klebers sichergestellt, wodurch eine sichere Haftung auch bei sehr geringen Kleberdicken ermöglicht wird. Aufgrund der weitestgehend gleichförmigen Dicke sowie einem vollflächigem Auftrag des Klebers wird eine ungleiche Schrumpfung des Klebers im Herstellungsprozess vermieden. Hierdurch kommt es zu keiner unzulässigen inhomogenen Übertragung von Zugspannungen auf das Glas, welche eine Ablösung der Klebeverbindung verursachen können.
Verbünde, die den angegebenen Kompatibilitätsgrad verwirklichen sind eine erfinderische Auswahl aus einer Vielzahl von Glasqualitäten in Bezug auf WARP, TTV, LTV und dem Ausdehnungskoeffizienten.
Erfinderisch ist das überraschend aufgefundene Zusammenspiel aus den beiden Ausdehnungskoeffizienten für Bauteil (Bauteilwafer) und Glassubstrat (Glaswafer), dem LTV, TTV und dem WARP des Glassubstrats, das zu den nicht vorhersehbaren Ergebnissen führt. Diese Verbünde zeichnen sich durch eine geringe Spannung bei hoher Oberflächengüte und guter Haftung von Bauteilen auf dem Glassubstrat aus
Um einen Bruch im Glas aufgrund der beim Bonding bzw. Verbindungsprozess entstehenden Spannungen zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass, im Gegensatz zum Stand der Technik, der Ausdehnungskoeffizient α₁ des Bauteils (Bauteilwafer) immer größer als der Ausdehnungskoeffizient α₂ des Glas- oder Glaskeramikmaterials (Glaswafer) ist. Ist α₁ größer als α₂ wird eine Zugspannung auf der Kleberseite des Glas- bzw. Glaskeramikmaterials festgelegt, wobei die vollflächige Verklebung mit homogener Kleberdicke einer Rissentstehung bzw. Rissausbreitung im Glas- bzw. Glaskeramikmaterial entgegenwirkt. Durch die Verschiebung der Spannungsnulllinie im Verbund sind die Zugspannungen deutlich verringert und damit die Glaslebensdauer verlängert. Bei einer derartigen Wahl wirkt die auf der der Kleberseite des Glases gegenüberliegende Seite befindliche Druckspannung nicht lebensdauermindernd. Allerdings gibt es bei dieser Wahl eine Obergrenze. So ist darauf zu achten, dass der Ausdehnungskoeffizient α₁ des Bauteils nicht den dreifachen Ausdehnungskoeffizient α₂ des Glas- oder Glaskeramikmaterials übersteigt. Der Grund hierfür ist, dass bei einem größeren Ausdehnungskoeffizienten α₁ sich bei einer Temperaturänderung die Größe des Bauteils sehr viel stärker ändert als die des Glas- bzw. Glaskeramikmaterials. Hierdurch entstehen dann zu hohe Zugspannungen an der geklebten Seite des Glas- bzw. Glaskeramikmaterials, welche dann trotz des verstärkenden Klebers zu einem Versagen der Klebeverbindung führen. Der erste Ausdehnungskoeffizient α₁ des Bauteils ist maximal das Dreifache des zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ des Glas- oder Glaskeramikmaterials.
Würden Zugspannungen aufgrund eines kleineren Ausdehnungskoeffizienten des Bauteilwafers gegenüber dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten des Glasmaterials auf der der Kleberseite des Glases gegenüberliegenden Seite auftreten, so käme es sehr früh zu einem Versagen des Glasmaterials.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kleber die Oberfläche vollständig benetzt. Bei vollständiger Benetzung nimmt die Zugspannung im Verbund ab, so dass eine Spannungsrisskorrosion vermieden wird. Des Weiteren wird durch den Kleber Wasser von der Rissspitze ferngehalten, was die Spannungsrisskorrosion verlangsamt bzw. sogar vollständig vermeidet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird sichergestellt, dass der Dickenunterschied (TTV) des Glas- oder Glaskeramikmaterials innerhalb der Oberfläche < 10 µm, bevorzugt < 7 µm, ist. Ein derartiger Wert stellt eine hohe Kompatibilität zwischen Bauteil und Glas- bzw. Glaskeramikmaterial zur Verfügung. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Dicke der Klebeschicht zum Verbinden von Bauteil und Glaskeramikmaterial in der Regel < 10 µm ist. Die Klebeschicht ist mit einer Dicke < 10 µm derart dünn, dass es nicht möglich ist, größere Unebenheiten zwischen zwei Lagen auszugleichen.
Die TTV (Total Thickness Variation) beschreibt, dass das Glassubstrat unterhalb eines Bauteils eine ungleiche Dicke hat, z. B. könnte eine kleine Welle oder ein Buckel an der Verbindungsstelle auftreten. Diesen Unterschied müsste der Kleber ausgleichen und entsprechend ungleich dick ausfallen. Wegen der sehr dünnen Klebeschichten mit Dicken <10 µm ist ein möglichst kleiner TTV des Glassubstrates vorteilhaft und führt zu einer hohen Kompatibilität zwischen Bauteil (Bauteilwafer) und Glas (Glaswafer). Die TTV ist in der Regel kleiner 10 µm, 8 µm, 7 µm, 6 µm, 5 µm, 4 µm, 3 µm, 2 µm.
In einer weitergebildeten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die durch die lokale Dickenschwankung (LTV) des Glas- oder Glaskeramikmaterials charakterisierte Oberflächengüte auf einer Fläche von 25 mm² oder weniger < 5 µm, bevorzugt < 2 µm, ist. Grund hierfür ist, dass eine derartige Oberflächengüte eine besonders gute Haftung des Verbindungsmaterials, insbesondere Klebers, zum Verbinden von Glas- oder Glaskeramikmaterial zur Verfügung stellt. Ist die LTV zu groß, so führt die Rauheit der Oberfläche zu einer schlechten Haftung des Verbindungsmaterials, insbesondere des Klebers, da der Kleber Änderungen in der Schichtdicke nicht ausgleichen kann. Die LTV charakterisiert die „Flankensteilheit“ der Oberflächenrauheit, welche bei ungünstigen Winkelverhältnissen zu einer schlechten Haftung des Klebers führt. Die LTV ist in der Regel ≤ 5 µm, ≤ 2 µm, ≤ 1,0 µm, ≤ 0,8 µm, ≤ 0,6 µm, ≤ 0,5 µm, ≤ 0,4 µm, ≤ 0,3 µm, ≤ 0,2 µm, ≤ 0,1µm.
In einer weitergebildeten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der WARP des Glas- oder Glaskeramikmaterials < 300 µm, bevorzugt < 200 µm für ein Verbundbauteil mit einem Durchmesser von beispielsweise 6" (15,24 cm), wie z.B. einen Capping-Wafer, ist. Der WARP bezeichnet eine Verbiegung des Glas-/Glaskeramikwafers aufgrund von residualen Spannungen aus dem Herstellprozess im Glassubstrat. Da das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial bei jedem Bondingprozess glattgezogen wird, bilden sich bei dem Vorgang des Glattziehens, abhängig vom WARP, zusätzliche Spannungen im Material aus und verbleiben dort, so dass der Verbund aus Bauteil und dem Glas- oder Glaskeramikmaterial eine residuale Spannung im Glas- oder Glaskeramikmaterial (WARP) aufweist. Um derartige Spannungen an der Kleberfläche im Verbund so gering wie möglich zu halten, ist es erforderlich, dass der WARP im des Glas- oder Glaskeramikmaterial einen Wert von ≤ 300 µm, bevorzugt ≤ 200 µm, insbesondere ≤ 150 µm, ≤ 120 µm, ≤ 100 µm, ≤ 80 µm, ≤ 60 µm, ≤ 40 µm, ≤ 20 µm nicht überschreitet. Überraschenderweise wird bei kleinem WARP eine Ablösung der Kleberschicht von der Glassubstratoberfläche und/oder zu hohe resultierende Spannungen aufgrund der Verklebung mit dem Glassubstrat vermieden, wenn die erfindungsgemäßen Bedingungen des Kompatibilitätsgrades eingehalten werden.
Als Material für das Bauteil, insbesondere das elektronische Bauteil, bevorzugt den Wafer, finden Silizium oder Lithiumtantalat Verwendung. Weitere Materialien sind Lithiumniobat, Lithiumtetraborat, Glas, Keramik, Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Saphir, Quarz.
Als Glasmaterial wird bevorzugt ein Kalk-Natron-Glas oder ein Borosilikatglas, oder auch ein alkalifreies Glas, ein alkalifreies Alumino-Borosilikatglas oder ein Alumosilikatglas, ein B270-Glas, D263-Glas, AS87-Glas, MEMpax-Glas oder AF32-Glas der Firma Schott AG, Mainz verwandt.
Nachfolgend sollen die Glaszusammensetzungsbereiche für die vorgenannten Gläser angegeben werden.
Die Zusammensetzung des mit MEMpax bezeichneten Glases ist beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

Zusammensetzung (Gew.-%)

SiO2 63-85

Al2O3 0-10

B2O3 5-20

Li2O + Na2O + K2O 2-14

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 0-12

TiO2 + ZrO2 0-5

P2O5 0-2
Gegebenenfalls können färbende Oxide zugegeben werden, wie Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, 0 - 2 Gew.-% As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F und/oder CeO2 können als Läutermittel zugegeben werden, und die Gesamtmenge der Gesamtzusammensetzung beträgt 100 Gew.-%.
Die Zusammensetzung des mit D263 bezeichneten Glases ist beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

Zusammensetzung (Gew.-%)

SiO2 60-84

Al2O3 0-10

B2O3 3-18

Li2O + Na2O + K2O 5-20

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 0-15

TiO2 + ZrO2 0-4

P2O5 0-2
Gegebenenfalls können färbende Oxide zugegeben werden, wie Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, 0 - 2 Gew.-% As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F und/oder CeO2 können als Läutermittel zugegeben werden, und die Gesamtmenge der Gesamtzusammensetzung beträgt 100 Gew.-%.
Die Zusammensetzung des mit AF32 bezeichneten Glases ist beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

Zusammensetzung (Gew.-%)

SiO2 58-65

Al2O3 14-25

B2O3 6-10,5

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 8-18

ZnO 0-2
Gegebenenfalls können färbende Oxide zugegeben werden, wie Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, 0 - 2 Gew.-% As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F und/oder CeO2 können als Läutermittel zugegeben werden, und die Gesamtmenge der Gesamtzusammensetzung beträgt 100 Gew.-%.
Die Zusammensetzung des mit B270 bezeichneten Glases ist beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

Zusammensetzung (Gew.-%)

SiO2 50-81

Al2O3 0-5

B2O3 0-5

Li2O + Na2O + K2O 5-28

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 5-25

TiO2 + ZrO2 0-6

P2O5 0-2
Gegebenenfalls können färbende Oxide zugegeben werden, wie Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, MnO2, TiO2, CuO, CeO2, Cr2O3, 0 - 2 Gew.-% As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F und/oder CeO2 können als Läutermittel zugegeben werden, und die Gesamtmenge der Gesamtzusammensetzung beträgt 100 Gew.-%.
Die Zusammensetzung des mit AS87 bezeichneten Glases ist beispielhaft gegeben durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

SiO2 52 - 66

B2O3 0-8

Al2O3 15-25

MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 0-6

ZrO₂ 0-2.5

Li2O + Na2O + K2O 4-30

TiO2 + CeO2 0 - 2.5
Gegebenenfalls können färbende Oxide zugegeben werden, wie Nd2O3, Fe2O3, CoO, NiO, V2O5, MnO2, CuO, Cr2O3, 0 - 2 Gew.-% As2O3, Sb2O3, SnO2, SO3, Cl, F und/oder CeO2 können als Läutermittel zugegeben werden, und die Gesamtmenge der Gesamtzusammensetzung beträgt 100 Gew.-%.
Bei den Dünnglasscheiben handelt es sich um solche mit einer Dicke, die insbesondere im Bereich ≤ 300 µm, bevorzugt ≤ 150 µm, ≤ 100 µm, ≤ 70 µm, insbesondere ≤ 50 µm, ≤ 30 µm liegt.
Als Verbindungsmaterial, insbesondere als Klebermaterial, findet bei den erfindungsgemäßen Verbunden beispielsweise ein Kleber Verwendung, der mit UV-Strahlung aushärtbar ist. Die UV-Aushärtbarkeit ist nicht unbedingt notwendig. Es können auch Verbunde hergestellt werden durch anodisches Bonden, durch anderweitige aushärtende Kleber, etc.
Die Glas- oder die Glaskeramik und/oder das Bauteil selbst können Strukturen und Löcher umfassen. Durch eine derartige Ausgestaltung wird eine Durchkontaktierung durch das Glas möglich. Die Durchkontaktierung durch das Glas oder die Glaskeramik ermöglicht es, die Packungsdichte des Gesamtbauteiles zu verringern.
Neben dem Bauteil selbst stellt die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils zur Verfügung. Bei einem derartigen Verfahren wird zunächst das Bauteil mit einem ersten Ausdehnungskoeffizienten α₁ und das Glas- oder Glaskeramikmaterial mit einem zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ zur Verfügung gestellt. Sodann wird das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial glattgezogen, beispielsweise durch Ansaugen. Nachdem das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial glattgezogen ist, werden das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial und das Bauteil jeweils mit einer dünnen Schicht eines Verbindungsmaterials, insbesondere eines Klebstoffes, benetzt. Nach dem Aufbringen des Verbindungsmaterials, insbesondere Klebstoffs, wird das Glas- bzw. Glaskeramikmaterial dann auf das Bauteil, beispielsweise den Siliziumwafer, gepresst, ergebend einen erfindungsgemäßen Verbund. Besonders bevorzugt ist es, wenn die dünne Klebeschicht vollflächig und mit homogener Auftragsdicke sowohl auf der Glassubstratfläche wie auch der Bauteilfläche anliegt und/oder diese benetzt. Erfindungsgemäß ist dies dann gewährleistet, wenn der angegebene Kompatibilitätsgrad KG, der im wesentlichen durch Glas- oder Glaskeramikeigenschaften bestimmt wird, eingehalten wird. Nach Herstellen des Verbundes kann dieser vereinzelt werden, beispielsweise in einem DICING-Verfahren.
Der erfindungsgemäße Verbund findet insbesondere Verwendung bei passiven oder aktiven Bauelementen wie integrierte Optiken, optische parametrische Oszillatoren, elektrooptische Güteschalter, Sensoren, Frequenzkonverter, Frequenzfilter und Anwendungen mit akustischen Oberflächenwellen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Es zeigen:

1 einen Verbund gemäß dem Stand der Technik, der zur Spannungsrisskorrosion führt;
2a-2b einen Verbund gemäß der Erfindung.

Verwendet man als Glasmaterial für einen Verbund ein Dünnstglas bzw. einen Glaswafer gemäß dem Stand der Technik, so ergibt sich bei den auf dem Markt erhältlichen Gläsern ein

- WARP von 200 µm
- TTV von 15 µm
- LTV von 0,6 µm

Betreffend die Definition der Begriffe WARP, TTV und LTV wird auf die gängigen Definitionen, wie Sie beispielsweise auf der Website http://global-sei.com/sc/products_e/inp/flat.html der Sumitomo Electric niedergelegt sind, verwiesen.
Als TTV (Total Thickness Variation) wird dort die Differenz zwischen der höchsten und der niedrigsten Erhebung auf der Oberfläche eines Substrates bezogen auf seine Seiten verstanden.
Die LTV ist die Differenz zwischen dem höchsten Punkt und dem niedrigsten Punkt innerhalb einer Seite der Oberfläche eines Substrates.
Der WARP ist dort die Differenz zwischen dem höchsten Punkt oberhalb und dem niedrigsten Punkt unterhalb einer referenzierten fokalen Ebene eines Substrates.
Mit einem α₁ von 12*10^-6 1/Kfür ein Piezosubstrat aus Lithiumniobat und α₂ von 3,2*10^-6 1/K für ein alkalifreies Alumino-Borosilikatglas AF32 folgt für den Kompatibilitätsgrad KG $KG = - 20,25$
Der Kompatibilitätsgrad ist deutlich geringer als 4. Die Gläser nach dem Stand der Technik sind daher für die Ausbildung eines stabilen Verbundes nicht geeignet.
Selbst entsprechende Gläser mit einem WARP von 160 µm und einer TTV von 12 µm führen noch zu einem KG von 3,4 und scheiden für einen stabilen Verbund aus.
Nachfolgend sollen erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele betrachtet werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird wiederrumals Material für das Bauteil in einer beispielhaften Ausführungsform Lithiumniobat mit einem α₁ von ungefähr 12·10^-6 1/K verwandt. Als Glasmaterial wird beispielsweise ein speziellesGlas B270 der SCHOTT AG, Hattenbergstraße 10, 55120 Mainz mit entsprechend ausgewählten Eigenschaften für LTV, TTV und WARP verwandt. Beim Glasmaterial B270 handelt es sich um ein hochtransparentes modifiziertes Kalk-Natron-Glas. Der Ausdehnungskoeffizient von B270 ist α₂ = 9,4·10^-6 1/K. Das Glas B270 weist einenDickenunterschied TTV beim gewählten Ausführungsbeispiel TTV = 5 µm auf. Die Dickenschwankung LTV des Glases beträgt LTV = 0,6 µm. Der WARP des verwandten Glases des gewählten Ausführungsbeispiels beträgt 130 µm. Das Ausführungsbeispiel aus Lithiumniobat in Kombination mit B270 Glas hat dann einen $KG = 10 \cdot (\frac{12 \cdot 10 E - 61/K}{9,4 \cdot 10 E - 61/K}) \cdot (1 - \frac{0,6 μ m}{1,5 μ m}) + (1 - \frac{5 μ m .}{7 μ m .}) + (1 - \frac{130 μ m .}{200 μ m .}) = 15,7$
und damit ein KG ≥ 4, insbesondere ≥ 15.
Für ein Glas B270 mit derartigen Spezifikationen ergibt sich dann überraschend ein stabiler Verbund.
Alternativ zum Glasmaterial B270 können auch andere Glasmaterialien verwandt werden, beispielsweise das Glas AF32, der Schott AG, Hattenbergstraße 10, 55120 Mainz.
Der Ausdehnungskoeffizient α₂ von AF32 beträgt 3,2·10^-6 1/K. Bei gleichen Werten für das Material Lithiumniobat und den Parametern TTV, LTV und WARP ergibt sich dann ein $KG = 10 \cdot (\frac{12 \cdot 10 E - 61/K}{3,2 \cdot 10 E - 61/K}) \cdot (1 - \frac{0,6 μ m}{1,5 μ m}) + (1 - \frac{5 μ m .}{7 μ m .}) + (1 - \frac{130 μ m .}{200 μ m .}) = 46,12$
und damit ein KG ≥ 15, bevorzugt ≥ 30.
In 1 ist ein Verbund gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Verbund 1 gemäß dem Stand der Technik besteht aus einem Bauteil 3, das über einen Kleber 5 mit einem Glas- oder Glaskeramikmaterial 7 verbunden ist. Der Kleber 5 ist als Zwischenschicht 9 zwischen Bauteil 3 und Glas 7 eingebracht. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Bauteiles 3 beträgt α₁, der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glas- oder Glaskeramiksubstrates α₂. Wie aus 1 hervorgeht, führt ein Ausdehnungskoeffizient α₁ des Materials des Bauteiles, der geringer als der Ausdehnungskoeffizient α₂ des Glassubstrates ist dazu, dass an den nicht mit Kleber benetzten Oberflächen des Glases eine Zugspannung entsteht, die zu Spannungsrisskorrosion und langfristigem Versagen des Verbundes führt. Das Beispiel in 1 zeigt deutlich, dass der Kleber 5 nicht vollflächig an der Oberfläche des Glas- oder Glaskeramikmaterials anliegt, ebensowenig wie an der Oberfläche des Bauteils. Dementsprechend ist ein derartiger Verbund nicht stabil.
Die 2a und 2b zeigen einen erfindungsgemäßen Verbund 10 aus einem Bauteil 12, insbesondere einem elektronischen Substrat und einem Glassubstrat 14. Das Bauteil 12 ist in dem dargestellten Beispiel ein Piezosubstrat, das eine Eingangsstruktur 20, die auch als Ausgangsstruktur dienen kann, umfasst. Als Material für das Piezosubstrat wird vorliegend Lithiumniobat mit einem therm ischen Ausdehnungskoeffizient α₁ = 12 · 10^-6 1/K verwandt. Neben der Eingangs-/Ausgangsstruktur 20 weist das Piezosubstrat auch noch einen Absorber 22 auf. Das Piezosubstrat dient dazu, elektronische GHz-Signale in der Eingangsstruktur 20 in Oberflächenwellen zu konvertieren, die ein kompaktes Filter-Design ermöglichen. Während 2a eine Seitenansicht des Verbundes zeigt, ist 2b eine Ansicht von oben. Die sich auf dem Substrat ausbreitende Oberflächenwelle ist mit 24 bezeichnet. Als Glassubstrat kann ein AF32-Glas mit einer Dicke von 0,3 mm eingesetzt werden. Beim AF32-Glas handelt es sich um ein alkalifreies Alumino-Borosilikat-Dünnglas der Schott AG, Mainz. Das alkalifreie Alumino-Borosilikatglas AF32 zeichnet sich durch exzellente dielektrische Eigenschaften und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₂ von 3,2·10^-6 1/K aus. Die Oberflächenrauheit ist < 1 nm RMS, die dielektrische Konstante ε bei 1 MHz 5,1, der Brechungsindex n_D 1,5099 und die Dichte nach Annealen bei 40° C/h bei 2,43 g/cm³.
Der geometrische und materialphysikalische Kompatibilitätsgrad $\begin{array}{l} KG = 10 \cdot (α_{1} / α_{2}) \cdot ((1 - (LTV/1,5 μ m)) + (1 - (TTV/7 μ m)) + (1 - \\ (WARP/200 μ m))) \end{array}$
des Ausführungsbeispiels gemäß den 2a bis 2b ist bei einem Wert für den Dickenunterschied TTV von 5 µm, für die Dickenschwankung LTV von 0,6 µm und einem WARP von 130 µm sowie den angegebenen Werten von α₁ für das elektronische Substrat und α₂ für das Glasmaterial $KG = 46,12 .$
was oberhalb von KG = 15 und 30 liegt.
Anstelle der Verwendung des Alumino-Borosilikatglases AF 32 kann auch ein modifiziertes Kalk-Natron Glas, beispielsweise das Glas B270 verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 2a und 2b liegt die Kleberschicht, die zwischen Bauteiloberfläche und Glas- oder Glaskeramikoberfläche eingebracht wird, gleichmäßig und mit homogener Dicke an den Oberflächen aufgrund des Kompatibilitätsgrades KG >4 an, im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Kleberschicht, die aufgrund der Zugspannungen und ungünstiger Oberflächengeometrie keine vollständig mit Kleber benetzte Oberfläche zeigt.
Mit der Erfindung wird erstmals ein Verbund angegeben, der sich gegenüber Verbunden aus dem Stand der Technik durch eine längere Lebensdauer des Verbundes sowie hoher Kompatibilität der Materialien auszeichnet. Des Weiteren zeichnen sich die erfindungsgemäßen Verbunde durch geringe residuale Spannungen im Glas und eine hohe Oberflächengüte aus.
Des Weiteren wird eine gute Haftung des Klebers im Verbund sowohl an der Glasoberfläche wie auch an der Bauteiloberfläche zur Verfügung gestellt.

Claims

Verbund aus einem Bauteil, insbesondere einem elektronischen Bauteil, bevorzugt einem Substrat, insbesondere einem elektronischen Substrat, ganz bevorzugt einem Wafer und einem Glas- oder Glaskeramikmaterial, wobei - das Bauteil einen ersten Ausdehnungskoeffizienten α_1; - das Glas- oder das Glaskeramikmaterial einen zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂; - das Glas- oder das Glaskeramikmaterial eine Oberfläche mit einer Dicke und Dickenunterschieden (TTV) innerhalb der Oberfläche sowie Dickenschwankungen (LTV) und einen WARP aufweist; - der Verbund aus Bauteil und dem Glas- oder Glaskeramikmaterial eine residuale Spannung im Glas- oder Glaskeramikmaterial hat; dadurch gekennzeichnet, dass - der Verbund durch einen geometrischen und materialphysikalischen Kompatibilitätsgrad $\begin{array}{l} KG = 10 \cdot (α_{1} / α_{2}) \cdot ((1 - (LTV/1,5 μ m)) + (1 - (TTV/7 μ m)) + (1 - \\ (WARP/200 μ m))) \end{array}$
charakterisiert und stets $KG \geq 4, insbesondere \geq 15, bevorzugt \geq 30 ist,$
wobei das Glas- oder Glaskeramikmaterial in Form einer Glas- oder Glaskeramikscheibe als Dünnstglas mit einer Dicke ≤ 300 µm, bevorzugt ≤ 150 µm, insbesondere bevorzugt ≤ 100 µm, ganz bevorzugt ≤ 70 µm, insbesondere ≤ 50 µm, insbesondere bevorzugt ≤ 30 µm, vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausdehnungskoeffizient α₁ des Bauteils größer dem zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ des Glas- oder Glaskeramikmaterials ist.
Verbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausdehnungskoeffizient α₁ des Bauteils maximal das Dreifache des zweiten Ausdehnungskoeffizienten α₂ des Glas- oder Glaskeramikmaterials ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Dickenunterschied (TTV) des Glas- oder Glaskeramikmaterials innerhalb der Oberfläche < 10 µm bevorzugt < 7 µm ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Dickenschwankung (LTV) des Glas- oder Glaskeramikmaterials auf einer Fläche von 25 mm² oder weniger < 5 µm, bevorzugt < 2 µm ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der WARP im Glas- oder Glaskeramikmaterial < 300 µm, bevorzugt ≤ 200 µm für ein Verbundbauteil mit einem Durchmesser von 15,24 cm (6") ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein oder mehrere Materialien ausgewählt aus der Gruppe Silizium, Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Lithiumteraborat, Glas, Keramik, Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumarsenid, Indiumphosphid, Saphir und Quarz umfasst.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial - ein Kalk-Natron-Glas - ein Borosilikatglas - ein alkalifreies Alumino-Borosilikatglas ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial eine Dünnglasscheibe mit einer Dicke kleiner 300 µm ist.
Verbund nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dünnglasscheibe < 200 µm, bevorzugt < 50 µm ist.
Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund ein Verbindungsmaterial, insbesondere ein Klebermaterial, bevorzugt ein UV aushärtbares Klebematerial zum Verbinden des Glas- oder Glaskeramikmaterials mit dem Bauteil umfasst.
Verfahren bei dem ein Verbund gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 erhalten wird, umfassend folgende Schritte: - zur Verfügung stellen des Bauteils mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₁ und des Glas- oder Glaskeramikmaterials mit einem Ausdehnungskoeffizienten α₂; - Glattziehen des Glas- oder Glaskeramikmaterials, insbesondere durch Ansaugen; - Benetzen der Oberfläche des Bauteils und/oder des Glas- oder Glaskeramikmaterials mit einer dünnen Schicht eines Verbindungsmaterials; - Verpressen von Bauteil und Glas- oder Glaskeramikmaterial zu einem Verbund.