EP2588285A1 - Erzeugung von mikrolöchern - Google Patents

Erzeugung von mikrolöchern

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Publication number
EP2588285A1
EP2588285A1 EP11730580.5A EP11730580A EP2588285A1 EP 2588285 A1 EP2588285 A1 EP 2588285A1 EP 11730580 A EP11730580 A EP 11730580A EP 2588285 A1 EP2588285 A1 EP 2588285A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
dielectric
glass
points
holes
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11730580.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Nattermann
Ulrich Peuchert
Wolfgang MÖHL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP2588285A1 publication Critical patent/EP2588285A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/26—Perforating by non-mechanical means, e.g. by fluid jet
    • B26F1/28—Perforating by non-mechanical means, e.g. by fluid jet by electrical discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
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    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24273—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including aperture

Definitions

  • the invention relates to methods for producing a plurality of holes in thin, plate-shaped
  • Water bath serves to influence the dimension of the perforations.
  • Plastic film is known from US 6,348,675 Bl. There are pulse trains between pairs of electrodes under
  • Workpiece serves. When cutting the workpiece, it burns in a controlled manner, or the electrical conductivity increases with the temperature, as in the case of
  • Plastic, ceramic and semiconductor cut or it can be welded glass and plastic, rubber vulcanized and thermosetting resin.
  • the equipment, however, is too bulky in nature to allow fine holes to be applied to the workpiece.
  • WO 2005/097439 A2 discloses a method for forming a structure, preferably a hole, a cavity or a channel in a region of an electrically insulating substrate, in which energy is preferably in the form of heat, also by a laser beam, the substrate or the Region supplied and a voltage is applied to the region to generate a dielectric breakdown there. With a feedback mechanism, the process becomes
  • Fine, single holes can be created one after another, but not with multiple ones
  • WO 2009/059786 A1 discloses a method for forming a structure, in particular a hole, a cavity, a channel or a recess in a region of a
  • electrically insulating substrate in which charged electrical energy is discharged through the region and additional energy, preferably heat, the substrate or the region is supplied to increase the electrical conductivity of the substrate or the region, thereby triggering a current flow whose energy in the substrate is converted into heat, wherein the rate of heat conversion of the electrical energy by a current and power
  • AI is a method for introducing a change in the dielectric and / or optical
  • Energy is supplied by a voltage supply of the first region to significantly heat or partially or completely melt them, without ejecting material from the first region, and optionally optional additional energy is supplied to generate local heat and to define the location of the first region.
  • the heat conversion of the electrical energy manifests in the form of a current flow within the substrate.
  • the output of electrical energy is regulated by a current and power modulating element.
  • Processed changes in substrate surfaces also include holes made in borosilicate glass or
  • Silicon substrates have been produced with an insulating layer of paraffin or a
  • Hot melt adhesive had been provided. Holes are also produced in silicon, in zirconium, in sapphire, in indium phosphide or in gallium arsenide. Partially became the
  • Discharge process initiated by a laser irradiation at a wavelength of 10.6 pm (C0 2 laser). It also hole grid are shown, but with relatively wide
  • DE 2830326 AI discloses an arrangement for
  • Electrodes and counter electrode are arranged in staggered rows and sequentially controlled in groups, while the webs of material through a
  • Transport roller between the multi-row needle fields are passed. For each of the other in the
  • Heating the material at the points to be perforated reduces the dielectric strength, so that the applied field strength is sufficient to allow an electric current to flow through the material. If that
  • Material has a sufficiently strong increase in the electrical conductivity of the temperature, as in glasses, glass ceramics and semiconductors (also many
  • Interposers through which the leads pass, are installed by several hundred holes in the interposer and filled with conductive material.Typical hole sizes are in the range of 250 to 450 pm per hole
  • Interposer there should be no length changes.
  • the interposers should therefore be similar to a thermal expansion behavior have the chip semiconductor material, which is not true in the interposer used previously.
  • the holes are made by the technique of masking and etching, which is not very well suited to the production of cylindrical holes with smooth (fire polished) bore walls and high aspect ratios (plate thickness)
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for producing a plurality of holes in thin, plate-shaped workpieces of dielectric material and semiconductors, if the following requirements are to be met:
  • the hole position must be exact ( ⁇ 20 pm). Many small holes (10 to several 10,000) should be placed per workpiece with close tolerances of the holes to each other.
  • the hole spacing may also be narrow (30 pm to 1000 pm).
  • the hole production should be on an industrial scale
  • the glass interposer should have a large number of
  • Holes approximately between 1000 and 5000 have.
  • the hole diameter should be in the range of 20 m to 450 pm, with a range between 50 pm and 120 pm is preferred, with aspect ratios (glass thickness to hole diameter) of 1 to 10.
  • the center distance of the holes should be between 120 pm and 400 pm.
  • the hole shape should be formed at the hole entry and exit with rounded edges, as cylindrical as possible in the middle of the plate.
  • a bead around the edge of the hole can be allowed at a bead height of 5 pm maximum.
  • the hole walls should be smooth (fire polished). Further, solar cells are to be produced, which typically have a silicon wafer plate thickness of 0.12 to 0.3 mm and a plate edge length of 125 to 250 mm and which should be provided with a large number of holes (10 to several 10,000). The diameters of the holes should be in the range of 50 to 200 pm.
  • the hole walls should be smooth (fire polished). The process of the invention can be carried out in two stages. First, dielectric
  • Breakthroughs are widened.
  • Punched holes printed The coupling material is activated by e.g. is heated. Or the printed workpiece is spent between plate-shaped RF electrodes, and the delivery of RF energy provides for greater heating of the workpiece between the
  • the dielectric material is made of glass or glass-like material
  • glass paste having high dielectric loss upon RF exposure can be used as the coupling material.
  • Semiconductor material comes as coupling material and paste with conductive portions into consideration.
  • Such paste may contain metallic particles, or metallic particles may be precipitated when exposed to thermal and / or chemical processes.
  • Such conductive portions can be at the intended Lochungsstellen respective
  • Microantennas for the supplied high-frequency energy which is useful for the rapid development of dielectric breakthroughs.
  • Pulse shape can cause the completion of each hole to be produced.
  • Reactive gases for silicon depletion in the area of the dielectric breakthroughs which shifts the softening point of the glass to lower temperatures, whereby the material removal is faster.
  • the expansion of the holes can also be done using plasma chemistry, i. H. done by deep reactive ion etching.
  • etching and passivation For glass workpieces, CF4 gas or SF6 gas can be etched and passivated with C4F8 gas.
  • the hole widening may be performed in a combined apparatus along with the generation of the dielectric breakdowns, but it is also possible to use separate apparatuses for producing the dielectric breakdowns and the widening. In any case it is
  • the apparatus for carrying out the method comprises two mutually parallel plates, which the
  • parallel plates can simultaneously form an RF electrode and an RF counter electrode.
  • a workpiece holder holds the workpiece in the right place in the processing room.
  • An RF generator is provided to supply high frequency energy to the electrode-counter electrode pair and to heat the RF coupling material at the intended piercing locations. At these heated places the sinks
  • the apparatus includes the nozzle holes provided in the workpiece directed toward the nozzle holes, which are connected to gas supply lines. Furthermore, gas extraction devices are connected to the processing space to extract excess gas and removed hole material.
  • Fig. 1 shows an apparatus for generating dielectric
  • Fig. 2 shows an apparatus for expansion of dielectric
  • Fig. 1 shows schematically a plant for the production of dielectric breakthroughs 11 in a thin ( ⁇ 1 mm), plate-shaped workpiece 1 of dielectric material and semiconductors.
  • the workpiece 1 is at the
  • the system includes two mutually parallel electrodes 2, 3, which can be energized via an RF generator 9.
  • the space between the electrodes forms a
  • Electrodes 2, 3 can be provided tabular or annular electrode extensions 6, 7, which (in contrast to the drawing) are closely adjacent to the coupling points 10 or even abut them easily.
  • the workpiece holder 5 can precisely shift the workpiece 1 in terms of coordinates so that the electrode extensions 6, 7 are aligned with the RF coupling points 10.
  • Coupling points 10 a diameter in the range of 20 to 450 ⁇ , preferably between 50 pm and 120 ⁇ , with a thickness of the workpiece 1 below 1 mm.
  • the distance the centers of the coupling points 10 is in the range between 120 ⁇ and 400 pm.
  • the number of points can range between 10 and 10,000.
  • Radio frequency energy applied making it a
  • Coupling material points 10 comes. This leads to a reduction of the dielectric strength of the material most in the intermediate region of the coupling points 10. A correspondingly high voltage of the generator 9 then provides dielectric breakthroughs 11 between the
  • the material is in the range of
  • the removed hole material can be removed by purge gas, the on and
  • Front carries a SiN layer.
  • This front side is printed at the holes provided (10 to several 10,000 holes, hole diameter between 50 and 200 m) with a paste containing a content of PbO or BiO.
  • the (one-sided) printed semiconductor plate is heated, for example in an oven, whereby the PbO or BiO with the SiN Layer reacts and precipitates metallic Pb or Bi, which acts as a local antenna for the electrothermal
  • Perforation can serve and later than metallic
  • Fig. 2 shows schematically a system for expansion of dielectric breakthroughs 11 in workpieces 1 by chemical means.
  • the plant is similar in structure to the plant of Fig. 1.
  • the processing space 23 is bounded by two plates 26 and 37, which (in contrast u the
  • the workpiece holder 5 is provided, which is finely adjustable in terms of coordinates. Via a line and channel system 22, 33 reactive gases and purge gases can be directed to the holes 10 of the workpiece 1 out.
  • the workpiece 1 is glass with an alkali content ⁇ 700 ppm, which is suitable for the production of an interposer because of its coefficient of expansion.
  • Deep, reactive ion etching 11 micro holes 12 are made from the dielectric breakthroughs.
  • etching gases such as CF4 or SF6, and passivating gases, such as C4F8, are alternately directed by means of the nozzles 20, 30 to the perforation points or the already existing dielectric breakthroughs 11, while the removed hole material is in the form of gaseous Silicon halides is removed via the processing space 23.
  • etching gases such as CF4 or SF6, and passivating gases, such as C4F8
  • FIGS. 1 and 2 can be combined.
  • the nozzle plates 26 and 37 of Fig. 2 are formed as high-frequency electrodes 2 and 3, wherein the electrode extensions 6 and 7 are made annular to receive the respective outlets of the nozzles 20 and 30.
  • the electrode plates 2, 3 in the region of their extensions 6, 7 take an extremely small distance to the coupling material spots 10, as soon as the workpiece 1 has been correctly positioned relative to the electrodes 2, 3.
  • the mode of operation largely corresponds to the sequence of the method, as described with FIGS. 1 and 2.
  • the reactive gases can be supplied during the loading of the workpiece 1 with RF energy, especially since one can expect a rapid depletion of silicon at the more heated points 10, wherein from the region of the resulting
  • dielectric breakdown occurs more rapidly than when the dielectric breakdown and the dielectric are carried out separately

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Löchern (12) in dünnen, plattenförmigen Werkstücken (1) aus dielektrischem Material sowie aus Halbleitern. Die Lochungsstellen werden durch HF-Ankopplungspunkte (10) markiert und mittels HF-Energie zum Erweichen gebracht, um dort dielektrische Durchbrüche (11) zu erzielen. Die Durchbrüche (11) werden zu Löchern (12) aufgeweitet.

Description

Erzeugung von Mikrolöchern
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Löchern in dünnen, plattenförmigen
Werkstücken aus dielektrischem Material sowie aus
Halbleitern, ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und auf mit dem Verfahren hergestellte
Erzeugnisse . Hintergrund der Erfindung
Das Perforieren von Kunststofffilmen durch elektrisch erzeugte Funken ist durch US 4,777,338 bekannt. Es ist eine Vielzahl von Elektroden-Gegenelektroden-Paaren vorgesehen, zwischen denen der Kunststofffilm geführt wird und über die Hochspannungsenergie entladen wird. Der Film wird dabei durch ein Wasserbad geführt, und die Temperatur des
Wasserbades dient dazu, die Abmessung der Perforationen zu beeinflussen .
Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung von Poren in
Kunststofffilmen ist durch US 6,348,675 Bl bekannt. Es werden Impulsfolgen zwischen Elektrodenpaaren unter
Zwischenlage des Kunststofffilms erzeugt, wobei der erste Impuls zur Aufheizung des Kunststofffilms an der
Lochungsstelle und die weiteren Impulse zur Bildung der Lochung und deren Formung dienen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aus US 4,390,774 ist die Bearbeitung auf elektrischem Wege von nicht leitfähigen Werkstücken im Sinne von Schneiden des Werkstücks oder Schweißen des Werkstücks bekannt. Ein Laserstrahl wird auf das Werkstück gerichtet, das während der Einwirkung verschoben wird, und es wird mittels zweier Elektroden Hochspannung an die erhitzte Zone angelegt, um Funkenüberschlag zu bilden, der zur Bearbeitung des
Werkstücks dient. Beim Schneiden des Werkstücks brennt dieses in einer kontrollierten Weise, oder die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit der Temperatur zu, wie beim
Schneiden von Glas. Wenn Werkstücke geschweißt werden sollen, werden noch reaktive oder inerte Gasströme auf die erhitzte Zone gerichtet, die entweder mit dem Werkstück oder der Elektrode oder einem Flussmittel reagieren. Auf diese Weise kann Glas, Papier, Tuch, Karton, Leder,
Kunststoff, Keramik und Halbleiter geschnitten oder es kann Glas und Kunststoff geschweißt, Gummi vulkanisiert und Kunstharz thermisch ausgehärtet werden. Die Gerätschaft ist aber ihrer Art nach zu klobig, als dass feine Löcher in das Werkstück appliziert werden könnten.
Aus WO 2005/097439 A2 ist ein Verfahren zur Bildung einer Struktur, vorzugsweise eines Loches, eines Hohlraums oder eines Kanals in einer Region eines elektrisch isolierenden Substrats bekannt, bei dem Energie vorzugsweise in Form von Wärme, auch durch einen Laserstrahl, dem Substrat oder der Region zugeführt und eine Spannung an die Region angelegt wird, um dort einen dielektrischen Durchbruch zu erzeugen. Mit einem Rückkopplungsmechanismus wird der Vorgang
geregelt. Es können feine, einzelne Löcher nacheinander erzeugt werden, jedoch kann nicht mit mehreren
Elektrodenpaaren gleichzeitig gearbeitet werden. Dies deshalb, weil sich parallele Hochspannungselektroden gegenseitig beeinflussen und ein einzelner Durchbruch den gesamten Strom an sich zieht. Durch WO 2009/059786 AI ist ein Verfahren zur Bildung einer Struktur, insbesondere eines Loches, eines Hohlraums, eines Kanals oder einer Aussparung in einer Region eines
elektrisch isolierenden Substrats bekannt, bei der geladene elektrische Energie durch die Region entladen wird und zusätzliche Energie, vorzugsweise Wärme, dem Substrat oder der Region zugeführt wird, um die elektrische Leitfähigkeit des Substrats oder der Region zu vergrößern und dabei einen Stromfluss auszulösen, dessen Energie sich in dem Substrat in Wärme umwandelt, wobei die Rate der Wärmeumwandlung der elektrischen Energie durch ein Strom und Leistung
modulierendes Element gesteuert wird. Eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Löcher gleichzeitig wird nicht
offenbart . Aus WO 2009/074338 AI geht ein Verfahren zur Einführung einer Änderung der dielektrischen und/oder optischen
Eigenschaften in einer ersten Region eines elektrisch isolierenden oder elektrisch halbleitenden Substrats hervor, wobei auf das Substrat, dessen optische oder dielektrische Eigenschaften infolge zeitweiliger Zunahme der Substrattemperatur irreversibel verändert sind,
gegebenenfalls eine elektrisch leitende oder halbleitende oder isolierende Schicht aufweist, wobei elektrische
Energie durch eine Spannungszufuhr der ersten Region zugeführt wird, um diese signifikant aufzuheizen oder teilweise oder ganz zu schmelzen, ohne dass Material aus der ersten Region ausgeworfen wird, wobei ferner optional zusätzliche Energie zugeführt wird, um örtliche Wärme zu erzeugen und die Stelle der ersten Region zu definieren. Die Wärmeumwandlung der elektrischen Energie manifestiert sich in Form eines Stromflusses innerhalb des Substrats. Die Abgabe der elektrischen Energie wird durch ein Strom und Leistung modulierendes Element geregelt. Nach dem
Verfahren erzeugte Änderungen in Substratoberflächen umfassen auch Löcher, die in Borsilikatglas oder
Siliziumsubstraten erzeugt worden sind, die mit einer isolierenden Schicht aus Paraffin oder einem
Heizschmelzkleber versehen worden waren. Es werden auch Löcher in Silizium, in Zirkon, in Saphir, in Indiumphosphid oder in Galliumarsenid erzeugt. Teilweise wurde der
Entladungsprozess durch eine Laserbestrahlung bei einer Wellenlänge von 10,6 pm (C02~Laser) initiiert. Es werden auch Lochraster gezeigt, jedoch mit relativ weiten
Lochabständen. Eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Löcher gleichzeitig wird nicht offenbart. Die DE 2830326 AI offenbart eine Anordnung zum
Feinstperforieren folienartiger Materialbahnen mittels Hochspannungsimpulen . Es werden Nadelpaare als Elektrode und Gegenelektrode benutzt, die in versetzten Reihen angeordnet sind und nacheinander gruppenweise angesteuert werden, während die Materialbahnen durch eine
Transportwalze zwischen den mehrreihigen Nadelfeldern hindurchgeführt werden. Für jedes der einander in den
Nadelfeldern gegenüberstehenden Nadelpaare ist eine
Erregerschaltung vorgesehen. Aus dem Stand der Technik geht somit hervor, wie man Folien und dünne Platten aus dielektrischen Materialien mittels eines elektrischen Hochspannungsfeldes geeigneter Frequenz oder in Impulsform perforieren kann. Durch lokale
Aufheizung des Materials wird an den zu perforierenden Stellen die Durchschlagsfestigkeit herabgesetzt, so dass die angelegte Feldstärke ausreicht, einen elektrischen Strom durch das Material fließen zu lassen. Falls das
Material eine ausreichend starke Zunahme der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur aufweist, wie dies bei Gläsern, Glaskeramiken und Halbleitern (auch vielen
Kunststoffen) zutrifft, entsteht in dem Material eine „elektrothermische Selbstfokussierung" des
Durchschlagskanals. Das Lochmaterial wird immer heißer, die Stromdichte nimmt zu, bis das Material verdampft und die Perforation „freibläst". Da die Perforation auf einem dielektrischen Durchbruch beruht, ist es jedoch schwierig, die gewünschte Stelle des Durchschlags genau einzuhalten. Bekanntlich nehmen Blitze einen sehr unregelmäßigen
Verlauf.
Bei CPU-Chips gibt es mehrere Hundert Kontaktpunkte auf seiner Unterseite auf kleiner Fläche verteilt. Um
Zuleitungen zu den Kontaktpunkten zu schaffen, werden dünne (< 1 mm) Plättchen, mit Epoximaterial ummantelte
Glasfasermatten, sogenannte „Interposer", benutzt, durch die die Zuleitungen führen. Hierzu werden mehrere Hundert Löcher in dem Interposer angebracht und mit leitfähigem Material verfüllt. Typische Lochgrößen liegen im Bereich von 250 bis 450 pm je Loch. Zwischen CPU-Chips und
Interposer sollte es keine Längenänderungen geben. Die Interposer sollten deshalb ein Wärmedehnverhalten ähnlich dem Chip-Halbleitermaterial aufweisen, was jedoch bei den bisher verwendeten Interposern nicht zutrifft.
In der Solartechnik werden zur Herstellung von Solarzellen eine Vielzahl von Löchern (je nach der angewandten Technik 10 bis 100 oder in der Größenordnung von mehreren 10.000 Löchern) in Siliziumwafern gebohrt, um in späteren
Verfahrensschritten von Rückseiten-kontaktierungen aus dünne Finger nach der Vorderseite der betreffenden
Solarzelle sich erstrecken zu lassen. Die Löcher werden mit der Technik des Maskierens und Ätzens hergestellt, die sich nicht besonders gut für die Herstellung von zylindrischen Bohrungen mit glatten (feuerpolierten) Bohrungswänden und hohen Aspektverhältnissen (Plattendicke zu
Bohrungsdurchmesser) eignen. Auch durch Laserbohren werden Löcher in Solarplatten hergestellt, was jedoch
außerordentlich teuer ist.
Was im Stand der Technik weiterhin fehlt, ist die Erzeugung in industriellem Maßstab einer Vielzahl von feinen Löchern nebeneinander mit Lochabständen im Bereich von 120 μπ\ bis 400 μηα mittels des elektrothermischen
Perforierungsvorgangs . Allgemeine Erfindungsbeschreibung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von Löchern in dünnen, plattenförmigen Werkstücken aus dielektrischem Material sowie aus Halbleitern anzugeben, wenn folgende Forderungen erfüllt werden sollen:
Die Lochposition muss exakt sein (± 20 pm) . Viele kleine Löcher (10 bis mehrere 10.000) sollen pro Werkstück bei engen Toleranzen der Löcher zueinander unterbracht werden.
Der Lochabstand darf auch eng sein (30 pm bis 1000 pm) . Die Lochherstellung soll im industriellen Maßstab
erfolgen .
Das erfindungsgemäße Verfahren muss sich vor allem für die Herstellung von „Glas-Interposern" eignen, die folgende Eigenschaften besitzen:
- Die Glas-Interposer sollen eine große Anzahl von
Löchern, etwa zwischen 1000 und 5000 aufweisen.
- Die Lochdurchmesser sollen im Bereich von 20 m bis 450 pm liegen können, wobei ein Bereich zwischen 50 pm und 120 pm bevorzugt wird, bei Aspektverhältnissen (Glasdicke zu Lochdurchmesser) von 1 bis 10.
- Der Mittelpunktabstand der Löcher soll zwischen 120 pm und 400 pm liegen können.
- Die Lochform soll am Bohrungseintritt und -austritt mit abgerundeten Randkanten ausgebildet sein, in der Mitte der Platte möglichst zylindrisch.
- Gegebenenfalls kann auch ein Wulst um den Lochrand bei einer Wulsthöhe von maximal 5 pm zugelassen werden.
- Die Lochwände sollen glatt (feuerpoliert) sein. Ferner sollen Solarzellen hergestellt werden können, die typischerweise eine Siliziumwafer-Plattendicke von 0,12 bis 0,3 mm und eine Plattenkantenlänge von 125 bis 250 mm aufweisen und die mit einer großen Anzahl von Löchern (10 bis mehrere 10.000) versehen sein sollen. Die Durchmesser der Löcher sollen im Bereich von 50 bis 200 pm liegen. Die Lochwände sollen glatt (feuerpoliert) sein. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in zwei Etappen vorgegangen werden. Zunächst können dielektrische
Durchbrüche an den vorgesehenen Lochungsstellen erzeugt und in der zweiten Etappe können diese dielektrischen
Durchbrüche aufgeweitet werden.
Um die Stellen der dielektrischen Durchbrüche genau zu markieren, wird das jeweilige Werkstück mit
Ankopplungsmaterial punktförmig an den vorgesehenen
Lochungsstellen bedruckt. Das Ankopplungsmaterial wird aktiviert, indem es z.B. erwärmt wird. Oder das bedruckte Werkstück wird zwischen plattenförmigen HF-Elektroden verbracht, und die Abgabe von HF-Energie sorgt für stärkere Erwärmung des Werkstückes zwischen den
Ankopplungsmaterialflecken, bis dort Erweichung des
Werkstückmaterials mit Herabsetzung der
Widerstandsfestigkeit gegenüber elektrischem Durchschlag stattfindet. Wenn nunmehr eine hohe Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, entstehen dielektrische
Durchbrüche an den Ankopplungspunkten .
Wenn das dielektrische Material aus Glas oder glasähnlichem Material besteht, kann als Ankopplungsmaterial Glaspaste mit hohen dielektrischen Verlusten bei HF-Einwirkung verwendet werden. Bei Glas, glasähnlichem Material oder
Halbleitermaterial kommt als Ankopplungsmaterial auch Paste mit leitfähigen Anteilen in Betracht. Solche Paste kann metallische Partikel enthalten, oder es können metallische Partikel bei Einwirkung von thermischen und/oder chemischen Prozessen ausgeschieden werden. Solch leitfähigen Anteile können an den vorgesehenen Lochungsstellen jeweilige
Mikroantennen für die zugeführte Hochfrequenzenergie bilden, was der raschen Entwicklung von dielektrischen Durchbrüchen nützlich ist.
Im weiteren Prozessverlauf werden die erzeugten
dielektrischen Durchbrüche aufgeweitet. Man kann sich dabei des Verfahrens der elektrothermischen Selbstfokussierung des Durchschlagkanals bedienen, d. h. durch weiterhin angelegte hohe Spannung geeigneter Frequenz oder in
Impulsform kann man die Fertigstellung des jeweiligen herzustellenden Loches bewirken.
Man kann aber auch die Lochaufweitung auf chemischem Wege betreiben. Bei Werkstücken aus Glas oder glasähnlichen Materialien führt die Zufuhr von halogenartigen
Reaktivgasen zur Siliziumabreicherung im Bereich der dielektrischen Durchbrüche, was den Erweichungspunkt des Glases zu tieferen Temperaturen verschiebt, wodurch der Materialabtrag schneller wird. Die Ausweitung der Löcher kann auch unter Nutzung der Plasmachemie, d. h. durch tiefes reaktives Ionen-Ätzen erfolgen. Man kann
alternierende Zyklen des Ätzens und des Passivierens einlegen. Bei gläsernen Werkstücken kann mit CF4-Gas oder SF6-Gas geätzt und mit C4F8-Gas passiviert werden. Die Lochaufweitung kann in einer kombinierten Apparatur zusammen mit der Erzeugung der dielektrischen Durchbrüche durchgeführt werden, es ist aber auch möglich, getrennte Apparaturen zur Erzeugung der dielektrischen Durchbrüche und der Aufweitung anzuwenden. In jedem Fall ist es
günstig, die reaktiven Gase als Düsenströme auf die
Lochbildungsstellen zu richten. Nach Bildung der Löcher werden Spülgase eingesetzt, um das abgetragene Lochmaterial zu beseitigen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält zwei zueinander parallele Platten, welche den
Bearbeitungsraum des Werkstückes begrenzen. Diese
parallelen Platten können gleichzeitig eine HF-Elektrode und eine HF-Gegenelektrode bilden. Ein Werkstückhalter hält das Werkstück an richtiger Stelle im Bearbeitungsraum. Ein HF-Generator ist vorgesehen, um dem Elektroden- Gegenelektroden-Paar Hochfrequenzenergie zuzuführen und das HF-Ankopplungsmaterial an den vorgesehenen Lochungsstellen aufzuheizen. An diesen aufgeheizten Stellen sinkt die
Durchschlagsfestigkeit des Materials, so dass, wenn dem Elektroden-Gegenelektroden-Paar Hochspannung zugeführt wird, an den vorgesehenen Lochungsstellen dielektrische Durchbrüche ausgelöst werden.
Wenn mit chemischer Aufweitung der dielektrischen
Durchbrüche gearbeitet werden soll, enthält die Apparatur zu den im Werkstück vorgesehenen Lochungsstellen hin gerichtete Düsenbohrungen, die mit Gaszufuhrleitungen verbunden sind. Ferner sind an den Bearbeitungsraum Gas- Absaugeinrichtungen angeschlossen, um überschüssiges Gas und abgetragenes Lochmaterial abzusaugen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 eine Apparatur zur Erzeugung von dielektrischen
Durchbrüchen in dünnen, plattenförmigen Werkstücken und
Fig. 2 eine Apparatur zur Aufweitung von dielektrischen
Durchbrüchen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Anlage zur Erzeugung von dielektrischen Durchbrüchen 11 in einem dünnen (< 1 mm) , plattenförmigen Werkstück 1 aus dielektrischem Material sowie aus Halbleitern. Das Werkstück 1 ist an den
vorgesehenen Lochungsstellen mit Ankopplungsmaterial 10 punktförmig bedruckt worden, was durch Druckverfahren hochpräzise gemäß den Ortskomponenten der zu erstellenden Löcher geschehen kann.
Die Anlage enthält zwei zueinander parallele Elektroden 2, 3, die über einen HF-Generator 9 erregt werden können. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden bildet einen
Bearbeitungsraum 23, in welchem das Werkstück 1 mittels eines Werkstückhalters 5 gehalten wird. An den Elektroden 2, 3 können tafel- oder ringförmige Elektrodenfortsätze 6, 7 vorgesehen sein, die (im Gegensatz zu der zeichnerischen Darstellung) den Ankopplungspunkten 10 eng benachbart sind oder sogar an diesen leicht anliegen. Damit dies der Fall ist, kann der Werkstückhalter 5 das Werkstück 1 präzise koordinatenmäßig verschieben, damit die Elektrodenfortsätze 6, 7 zu den HF-Ankopplungspunkten 10 ausgerichtet sind.
Bei einem Glas-Interposer als Werkstück 1 haben die
Ankopplungspunkte 10 einen Durchmesser im Bereich von 20 bis 450 μπ, vorzugsweise zwischen 50 pm und 120 μπι, bei einer Dicke des Werkstückes 1 unterhalb 1 mm. Der Abstand der Mittelpunkte der Ankopplungspunkte 10 liegt im Bereich zwischen 120 μιη und 400 pm. Die Anzahl der Punkte kann im Bereich zwischen 10 und 10.000 liegen. Im Betrieb der Vorrichtung wird das Werkstück 1 mit
Hochfrequenzenergie beaufschlagt, wodurch es zu einer
Aufwärmung des Werkstückes 1 im Allgemeinen, aber besonders an und im Materialbereich zwischen den
Ankopplungsmaterialpunkten 10 kommt. Dies führt zu einer Herabsetzung der Durchschlagsfestigkeit des Materials am stärksten im Zwischenbereich der Ankopplungspunkte 10. Eine entsprechend hohe Spannung des Generators 9 sorgt dann für dielektrische Durchbrüche 11 zwischen den
Ankopplungspunkten 10.
Wenn das Verfahren mit mehreren Hochspannungsimpulsen betrieben wird, wird das Material im Bereich der
Durchbrüche 11 immer heißer, die Stromdichte nimmt zu, bis das Material verdampft und der dielektrische Durchbruch zum Loch 12 aufgeweitet wird. Das abgetragene Lochmaterial kann durch Spülgas entfernt werden, das über Zu- und
Abführkanäle 22, 33 zu- und abgeleitet wird.
Zur Herstellung von mono- oder polykristallinen Solarzellen (Dicke etwa 0,2 mm, Kantenlänge etwa 150 mm) benutzt man eine Halbleiterwaferplatte aus Silizium, die an ihrer
Vorderseite eine SiN-Schicht trägt. Diese Vorderseite wird an den vorgesehenen Lochungsstellen (10 bis mehrere 10.000 Löcher, Lochdurchmesser zwischen 50 und 200 m) mit einer Paste bedruckt, die einen Gehalt an PbO oder BiO enthält. Die (einseitig) bedruckte Halbleiterplatte wird z.B. in einem Ofen erhitzt, wodurch das PbO oder BiO mit der SiN- Schicht reagiert und metallisches Pb oder Bi ausgeschieden wird, das als Lokalantenne für das elektrothermische
Perforieren dienen kann und später als metallische
Kontaktierung der Si-Zelle genutzt wird. Die Wirkung als Lokalantenne ist mit den Ankopplungspunkten 10 in Fig. 1 beschrieben worden.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anlage zur Aufweitung von dielektrischen Durchbrüchen 11 in Werkstücken 1 auf chemischem Wege. Die Anlage ist ähnlich aufgebaut wie die Anlage nach Fig. 1. Der Bearbeitungsraum 23 wird von zwei Platten 26 und 37 begrenzt, die (im Gegensatz u der
zeichnerischen Darstellung) im engen Abstand zu dem
Werkstück 1 angeordnet sind und zueinander fluchtende Düsen 20, 30 aufweisen, zu denen die Lochungsstellen 10
ausgerichtet werden müssen. Hierzu ist der Werkstückhalter 5 vorgesehen, der koordinatenmäßig fein verstellbar ist. Über ein Leitungs- und Kanalsystem 22, 33 können reaktive Gase und Spülgase auf die Lochungsstellen 10 des Werkstücks 1 hin gerichtet werden.
Der Betrieb der Vorrichtung nach Fig. 2 ist wie folgt:
Es sei angenommen, dass es sich bei dem Werkstück 1 um Glas mit einem Alkaligehalt < 700 ppm handelt, das sich wegen seines Ausdehnungskoeffizienten für die Herstellung eines Interposers eignet. Durch tiefes, reaktives Ionen-Ätzen werden aus den dielektrischen Durchbrüchen 11 Mikrolöcher 12 gemacht. Hierzu werden abwechselnd Ätzgase, wie CF4 oder SF6, und Passiviergase, wie C4F8, mittels der Düsen 20, 30 auf die Lochungsstellen bzw. die bereits vorhandenen dielektrischen Durchbrüche 11 gerichtet, während das abgetragene Lochmaterial in Form von gasförmigen Siliziumhalogeniden über den Bearbeitungsraum 23 abgeführt wird. Auf dem Werkstück 1 kann beidseitig eine Ätzmaske aufgeklemmt sein, um die Bereiche außerhalb der
vorgesehenen Lochungen abzudecken. Es ist möglich, die Gasströme durch die Düsen 20 abwechselnd zu den Gasströmen durch die Düsen 30 zu schalten, um die herzustellenden Löcher 12 in ihrem mittleren Abschnitt gleichmäßig
zylindrisch zu gestalten, während die Kanten am Ein- und Austritt zu den kanalförmigen Löchern 12 abgeschliffen werden. Auf diese Weise entstehen so geformte Löcher 12, wie sie für die Endherstellung von Interposern benötigt werden .
Der schnelle Gaswechsel zwischen ätzenden und
passivierenden Gasen zusammen mit einem hohen Gasdurchsatz führt zu einer erhöhten Ätzrate, die bis zu 20 m/min betragen kann. Die Plasmachemie eignet sich deshalb für die industrielle Herstellung von Löchern für ein industrielles Massenprodukt , wie es die Interposer darstellen.
Die Vorrichtungen nach Fig. 1 und 2 lassen sich miteinander kombinieren. Die Düsenplatten 26 und 37 der Fig. 2 werden als Hochfrequenzelektroden 2 und 3 ausgebildet, wobei die Elektrodenfortsätze 6 und 7 ringförmig gestaltet werden, um die jeweiligen Auslässe der Düsen 20 und 30 aufzunehmen.
Wie im Falle der Fig. 1 können die Elektrodenplatten 2, 3 im Bereich ihrer Fortsätze 6, 7 einen äußerst geringen Abstand zu den Ankopplungsmaterialflecken 10 einnehmen, sobald das Werkstück 1 korrekt relativ zu den Elektroden 2, 3 positioniert worden ist. Die Betriebsweise entspricht weitgehend dem Ablauf des Verfahrens, wie mit Fig. 1 und 2 beschrieben. Jedoch können die Reaktivgase während der Beaufschlagung des Werkstücks 1 mit HF-Energie zugeführt werden, zumal man an den stärker erhitzten Stellen 10 eine rasche Abreicherung von Silizium erwarten kann, wobei aus dem Bereich des entstehenden
Loches gasförmige Siliziumhalogenide entweichen, die prospektierten Lochstellen einen niedrigeren Schmelzpunkt annehmen (Eutektikum, Flussmittel für Glasschmelzen) und der Materialabtrag beschleunigt wird, auch weil der
dielektrische Durchbruch rascher erfolgt als bei getrennter Durchführung des dielektrischen Durchbruches und der
Aufweitung .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Lochungen (12) in dünnen, plattenförmigen Werkstücken (1) aus dielektrischem Material sowie aus Halbleitern,
mit folgenden Schritten:
a) Bedrucken des jeweiligen Werkstückes (1) mit
Ankopplungsmaterial (10) punktförmig an vorgesehenen
Lochungssteilen;
b) Verbringen des bedruckten Werkstückes (1) in einen Bearbeitungsraum (23) ;
c) Aktivieren des Ankopplungsmaterials (10), um
Perforationsansatzpunkte zu schaffen;
d) Erzeugen hoher Spannung zwischen Elektroden (2, 3), um dielektrische Durchbrüche (11) an den
Perforationsansatzpunkten zu erzeugen. 2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei im Schritt a) das Werkstück (1) beidseitig mit HF- Ankopplungsmaterial bedruckt wird,
wobei im Schritt b) der Bearbeitungsraum (23) von plattenförmigen HF-Elektroden (2, 3) flankiert wird, wobei in Schritt c) das Werkstück (1) mit HF-Energie beaufschlagt wird, die vorwiegend das punktförmig aufgebrachte HF-Ankopplungsmaterial (10) erwärmt, bis dort Erweichung des Werkstückmaterials stattfindet; und wobei der erweichte Bereich zwischen gegenüberliegenden Ankopplungsmaterialpunkten einen Perforationsansatzkanal bei Durchführung des Schrittes d) bildet. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Werkstück (1) aus Glas, glasähnlichem Material oder aus Halbleitermaterial besteht und das
Ankopplungsmaterial (10) Glaspaste mit hohem
dielektrischen Verlusten bei HF-Einwirkung enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Werkstück (1) aus Glas, glasähnlichem Material oder aus Halbleitermaterial besteht und das
Ankopplungsmaterial (10) aus Paste mit leitfähigen
Anteilen besteht.
Verfahren nach Anspruch 4,
wobei die Paste metallische Partikel enthält. Verfahren nach Anspruch 4,
wobei die Paste durch thermische und/oder chemische Prozesse metallische Partikel ausscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei das Werkstück (1) Teil einer Solarzelle ist und auf einer Seite mit einer SiN-Beschichtung versehen ist, mit der das Ankopplungsmaterial bei Aktivierung chemisch reagiert und metallische Kontaktierungspunkte für die Solarzelle schafft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
wobei Ankopplungspunkte (10) als Mikroantennen für zugeführte Hochfrequenzenergie benutzt werden, um zu den dielektrischen Durchbrüchen (11) zu führen. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei durch Zufuhr von halogenhaltigen Reaktivgasen bei Glas als Werkstück eine Si-Abreicherung im Bereich von dielektrischen Durchbrüchen (11) erzielt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
wobei eine Aufweitung der dielektrischen Durchbrüche (11) zu Löchern (12) durch tiefes, reaktives Ionen- Ätzen erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
wobei die Lochaufweitung durch alternierende Zyklen des Ätzens mit CF4-Gas oder SF6-Gas und des Passivierens mit C4F4-Gas erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
wobei die reaktiven Gase und/oder Spülgase auf die Lochbildungsstellen gerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
wobei in einer ersten Etappe dielektrische Durchbrüche (11) in dem Werkstück (1) erzeugt und in einer zweiten Etappe die Durchbrüche (11) zu Löchern (12) aufgeweitet werden .
Vorrichtung zur gleichzeitigen Erzeugung einer
Vielzahl von Lochungen (12) in dünnen, plattenförmigen Werkstücken (1) aus dielektrischem Material sowie aus Halbleitern, die an vorgesehenen Lochungsstellen punktförmig mit Ankopplungsmaterial (10) versehen sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, mit folgenden Merkmalen: zwei zueinander parallele Elektrodenplatten (2, 3; 26, 37), welche einen Bearbeitungsraum (23) begrenzen und eine Elektrode (2) und eine Gegenelektrode (3) bilden;
ein Werkstückhalter (5) zur Positionierung des
Werkstückes (1) im Bearbeitungsraum (23) ;
ein Generator (9), um dem Elektroden-Gegenelektroden- Paar (2, 3) Hochspannungsenergie zuzuführen und dielektrische Durchbrüche (11) an den vorgesehenen Lochungsstellen zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 14,
wobei dem Elektroden-Gegenelektroden-Paar (2,
Hochfrequenzspannung zuführbar ist, um das
Ankopplungsmaterial (10) an den vorgesehenen
Lochungsstellen zu erhitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
wobei das Paar paralleler Elektroplatten (2, 3; 26, 37) zu den vorgesehenen Lochungsstellen hin gerichtete Düsenbohrungen (20, 30) aufweist, die mit
Gaszufuhrleitungen (22, 33) verbindbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
wobei an den Bearbeitungsraum (23) Spülkanäle für neutrales Gas und/oder Gasabsaugeinrichtungen
angeschlossen sind.
Glas-Interposer
mit einem Basissubstrat aus Glas, dessen Alkaligehalt kleiner als 700 ppm ist, und
mit Lochungen, die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt sind, dabei Lochdurchmesser im Bereich von 20 pm bis 450 pm
aufweisen und mit Lochwandungen von feuerpolierter Qualität versehen sind.
19. Solarzellenplatte
mit einem Basissubstrat aus Silizium, das mit SiN beschichtet ist, und
mit Lochungen, die gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt sind und dabei
Lochdurchmesser im Bereich von 50 bis 200 μηα aufweisen.
20. Solarzellenplatte nach Anspruch 19, wobei die
Beschichtung mit SiN auf einer Siliziumplatte einseitig ist, und wobei zu Beginn der Lochherstellung durch Reaktion mit der SiN-Schicht metallische
Kontaktierungsstellen an den Lochungen gebildet worden sind.
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