WO2016087328A1 - Miniaturisiertes elektronisches bauelement mit verringerter bruchgefahr sowie verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Miniaturisiertes elektronisches bauelement mit verringerter bruchgefahr sowie verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention generally relates to the preparation
  • the invention relates to the use of special features, in particular those in which on a substrate constructions, for example of the form of a sequence of coatings, which may be applied in particular structured, are present, and substrates for producing such devices.
  • the invention relates to the use of special features, in particular those in which on a substrate constructions, for example of the form of a sequence of coatings, which may be applied in particular structured, are present, and substrates for producing such devices.
  • the invention relates to the use of special features, for example of the form of a sequence of coatings, which may be applied in particular structured, are present, and substrates for producing such devices.
  • the invention relates to the use of special features, for example of the form of a sequence of coatings, which may be applied in particular structured, are present, and substrates for producing such devices.
  • the invention relates to the use of special features, for example of the form of a sequence of coatings, which may be applied in particular structured, are present, and substrates for producing such devices.
  • the invention relates to
  • such miniaturized electronic components may be so-called
  • MEMS Microelectromechanical systems
  • thin-film batteries such as lithium-based thin-film batteries
  • the selection of suitable substrate materials is one
  • the substrates are said to have very small thicknesses of 300 ym or less, and at the same time be large in size of 6 inches or more, to enable economical processes.
  • the substrate material itself is of great importance. Furthermore, the substrate material should be as flexible as possible, a high chemical resistance and inertness to those in the manufacturing process for
  • glass substrates in particular thin glass with a thickness of 300 ⁇ m or less, thus appear to be the best choice for this purpose
  • Composition of the glass can be the required optical, mechanical, electrical and thermal
  • Thin glass can be improved by the cutting edges of the glass are treated so that a crack propagation is prevented by the cutting edge, so that a reduced probability of breakage results.
  • Carriers ie carriers, to which a thin glass is applied during manufacture, wherein the carrier increases the mechanical stability of the substrate during manufacture. After processing then the
  • Substrate material conceivable. Such a glass has better handleability, so that the risk of breakage before and during the coating processes for the production of the electronic components is reduced. However, that is such a tempered glass not or only with very high material loss due to break can be cut.
  • the object of the invention is to provide a method for producing a miniaturized electronic component. Another aspect of
  • the invention relates to a miniaturized electronic
  • the invention is easily achieved by a method for producing a miniaturized
  • Miniaturized electronic components comprises at least the following steps:
  • Coatings and processes for structuring of coatings are applied so that at least portions of the substrate carry structures while leaving other areas of the substrate free,
  • a time interval is understood as meaning a time interval which is greater than zero seconds and at least in the region of a process or process step which can typically last from a few seconds to several hours or days, so that the described inventive advantages can preferably be obtained.
  • structures on the substrate are understood as meaning regions in which at least one layer, but preferably several layers, on the substrate are arranged in a sequence successively and partially overlapping one another
  • the structures can be applied by coating processes, in particular by physical and / or chemical deposition processes. Furthermore, wet-chemical coating methods, for example printing, spraying, knife coating, spin coating or dip coating, can also be used.
  • the individual layers forming the respective structures are applied in a horizontal sequence, wherein the individual layers are superimposed, at least in partial areas. In order not to coat partial areas, all of them can do so
  • photolithographic processes combined with etching processes for the production of structured layers are used, for example in lift-off or strip processes.
  • Strength properties in particular the compressive stress a of the surface of the glass changeable, in particular adapted to the respective process steps adapted.
  • Hardened glass is easier to handle, often better coatable, and can therefore be simplified
  • disc-shaped tempered glass has a thickness t of 300 ym or less, preferably of 150 ym or less, more preferably less than 100 ym or less and whole
  • the glass which is used for the inventive method for producing miniaturized electronic components as a so-called ultra-thin glass
  • a glass is designated as disk-shaped, in which the lateral dimension in one spatial direction is smaller by at least half an order of magnitude than in the other two spatial directions.
  • the disc-shaped tempered glass of the present invention is in this case chemically tempered
  • the chemical bias has been obtained by an ion exchange in a transfer bath and is characterized at the beginning of the inventive method by a thickness of the ion-exchanged layer L DO L of at least 10 ym, preferably at least 15 ym and on
  • Compressive stress on the surface (oes) of the glass of preferably at most 480 MPa, preferably at most 300 MPa, more preferably at most 200 MPa or even below 100 MPa.
  • Singulation by cutting in particular mechanical cutting, thermal cutting, mechanical scribing, laser cutting, laser scribing or water jet cutting, or by drilling with an ultrasonic drill and or combinations thereof.
  • the thermal load is expediently preferably carried out during the thermal after-treatment of at least one of the functional layers of the electronic
  • the bias voltage and thus the compressive stress on the surface of the glass can be selectively changed, in particular reduced
  • a hardened by increased strength can be glass
  • the miniaturized electronic component may be a lithium-based one
  • Thin-film battery is generally formed by a cathodic Abieiter, which is applied to a substrate, if this substrate is not sufficient
  • anode itself usually only during the first charging of the thin-film battery
  • Lithium-based thin-film battery Lithium transition metal oxides, such as LiCoC> 2.
  • Cathode materials usually necessary to perform a thermal aftertreatment, which usually takes place in a range of 350 to 600, preferably in a range of 400 to 550 and often at 500 ° C.
  • a thermal aftertreatment which usually takes place in a range of 350 to 600, preferably in a range of 400 to 550 and often at 500 ° C.
  • the thermal stress on the disc-shaped chemically tempered glass during the thermal aftertreatment of the cathode layer can take place.
  • Thermal loads that cumulatively correspond to an annealing between a minimum of 350 and a maximum of 600 ° C. for a period of a minimum of one to a maximum of 15 h have proven to be preferred.
  • the method according to the invention enables the use of a prestressed disk-shaped glass in the normal production processes miniaturized
  • tempered glasses after performing a temperature-time load or generally after a thermal
  • the method according to the invention thus makes it possible in a simple manner to realize the advantages of a prestressed glass in conventional process steps during production
  • the method according to the invention in this case has the glass substrate used has an increased resistance to breakage compared to a non-tempered glass and thus increases the
  • the glass used is preferably a borosilicate and / or an aluminosilicate glass.
  • the thermal load carried out in the process according to the invention is carried out by technically customary methods of heating.
  • the thermal load by resistance heating and / or electromagnetic
  • the compressive stresses preferably at least at only 50% of the compressive stresses, but may be advantageous and each process-specific relaxed to 20%, 10% and also to 0% compressive stresses on the surface. However, at least over a period of time, the increased compressive stress on the surface of the glass was advantageous for handling or portions of the process.
  • cut miniaturized element for example, with respect to the cutting edges of interest.
  • Substrate used for the structures glass is present as at least partially chemically tempered glass, wherein the at least partial chemical bias is obtained by an ion exchange in a transfer bath and a subsequent thermal load and is characterized by a thickness of the ion-exchanged layer (L DOL ) of at least 10th ym, preferably at least 15 ym and most preferably at least 25 ym and a Compressive stress at the surface (o C s) of the glass of at most 480 MPa, preferably at most 300 MPa, more preferably at most 200 MPa or even below 100 MPa, wherein the thickness of the ion-exchanged layer before thermal stress is less than the thickness of the ion-exchanged layer after thermal Stress and the compressive stress on the surface of the glass before thermal stress is greater than the compressive stress on the glass surface after
  • the compressive stress during a final portion of the process is completely degraded to allow for easier and more precise separation.
  • the glass used as the substrate for the structures of the miniaturized electronic component preferably has a thickness t of 300 ym or less
  • the glass used is preferably a borosilicate and / or aluminosilicate glass.
  • miniaturized electronic component designed as a thin-film battery, preferably as lithium-based
  • the invention thus also includes in particular the
  • the chemical bias of the glass is obtained by an ion exchange in a transfer bath.
  • the glass is characterized in that it has a chemical prestress which is characterized by a thickness of the ion-exchanged layer L DoL of at least 10 ⁇ m, preferably at least 15 ⁇ m and most preferably at least 25 ⁇ m and a compressive stress on the surface (cos) of the glass of preferably at most 480 MPa, preferably at most 300 MPa, more preferably at most 200 MPa, or even below 100 MPa.
  • L DoL characterized by a thickness of the ion-exchanged layer L DoL of at least 10 ⁇ m, preferably at least 15 ⁇ m and most preferably at least 25 ⁇ m and a compressive stress on the surface (cos) of the glass of preferably at most 480 MPa, preferably at most 300 MPa, more preferably at most 200 MPa, or even below 100 MPa.
  • Glass is not set to zero, but rather a residual stress is maintained in the glass, so that
  • miniaturized electronic component used glass is increased over a conventional, non-tempered glass.
  • a glass miniaturized electronic component as a substrate is characterized in that it is present as at least partially chemically toughened glass, wherein the at least partially chemical
  • Preload is obtained by an ion exchange in a transfer bath and a subsequent thermal
  • L DoL ion-exchanged layer
  • the chemical bias of the glass is obtained in a swath containing lithium ions.
  • a swath containing lithium ions for example, an exchange bath with various alkali ions, eg potassium and small to very small amounts of lithium.
  • a step-shaped process, eg exchange with potassium and a quick further exchange with lithium-containing bath can be carried out.
  • Lithium-containing glass which contains lithium in volume, at the surface and / or in a surface region, can reduce or at least greatly reduce diffusion of lithium or lithium ions, in particular from an electrode, and is improved
  • Corrosion resistance provided for the electrode.
  • ultra-thin glasses are previously known, for example, from the applicant's own international patent application with the file number PCT / CN2013 / 072695.
  • the skilled worker is aware that different values of the chemical Bias voltage can be obtained by the parameters of the exchange are varied accordingly.
  • the disc-shaped chemically tempered glass is applied to a carrier or carrier and fixed locally before further process steps for the preparation of the
  • the glass may further comprise minor constituents and / or traces, for example in the form of
  • Composition in wt .-% comprising:
  • Disc-shaped, chemically tempered glass for use as a substrate in a manufacturing process for
  • miniaturized electronic components is exemplified by the following composition in wt .-%: Si0 2 50 to 65th
  • the glass may further comprise minor constituents and / or traces, for example in the form of
  • the sum of these further constituents is less than 2% by weight.
  • Composition in wt .-% comprising:
  • An example of a particularly preferred glass is a glass which has the following composition in% by weight before the chemical pretensioning:
  • An example of a particularly preferred glass is a glass which has the following composition in% by weight before the chemical pretensioning:
  • An example of a particularly preferred glass is a glass which has the following composition in% by weight before the chemical pretensioning: Si0 2 61,1
  • An example of a particularly preferred glass is a glass which has the following composition in% by weight before the chemical pretensioning:
  • linear thermal expansion coefficient is, unless stated otherwise, in the range of 20-300 ° C indicated.
  • the designations and 0 (20-300 are in the
  • Embodiment 2 with a size of 140 * 140 mm 2 and a thickness of 70 ym were chemically prestressed.
  • the bias was in a KNÜ 3 bath at 430 ° C for 4 hours.
  • the discs were singulated by means of a CNC machine into 25 * 25 mm 2 samples.
  • the samples thus obtained were characterized in terms of fracture probability according to Weibull distribution. It shows that the previously chemically cured samples could be cut without any significant differences analogous to the previously uncured samples.
  • Fracture probabilities are therefore identical within the scope of the usual measurement accuracy.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a
  • Figs. 3 to 5 show the fracture probabilities
  • FIG. 1 schematically shows an electrical storage system 1 according to the present invention. It comprises a disc-shaped glass 2, which is used as a substrate. Applied to the substrate is a sequence
  • the cathode is formed from a lithium transition metal compound, preferably an oxide, for example, LiCoC> 2 LiMnC> 2 or LiFePC ⁇ . Furthermore, on the substrate and at least partially overlapping with the
  • Cathode layer 5 of the electrolyte 6 is applied, wherein this electrolyte in the case of the presence of a lithium-based thin-film battery is usually LiPON, a compound as lithium with oxygen, phosphorus and nitrogen. Furthermore, the electrical includes
  • an anode 7 which may for example be lithium-titanium oxide or even order
  • the anode layer 7 overlaps
  • the battery 1 comprises an encapsulation layer eighth As encapsulation or sealing of the electrical
  • Storage system 1 is understood in the context of the present invention, a material which prevents the attack of fluids or other corrosive materials on the electrical storage system 1 or strong
  • Fig. 2 shows the schematic illustration of a
  • disc-shaped shaped body 10 As disk-shaped or disc a shaped body in the context of the present invention is then designated, if its extent in a spatial direction is at most half as large as in the other two spatial directions.
  • a tape in the present invention is referred to as tape when the following relationship exists between its length, its width and its thickness: its length is at least ten times greater than its width and this in turn is at least twice as large as its thickness.
  • Fig. 3 shows the fracture probability for a
  • Embodiment 10 The samples examined here were not chemically preloaded.
  • Fig. 4 shows the fracture probability for a

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung miniaturisierter elektronischer Bauelemente, wobei die miniaturisierten elektronischen Bauelemente erhalten werden als vereinzelte Teile eines scheibenförmigen Glases, auf das Aufbauten, insbesondere mindestens eine Schicht, aufgebracht sind, umfassend mindestens die folgenden Schritte: − Vorlegen eines scheibenförmigen, zumindest während eines Zeitraums vorgespannten Glases als Substratmaterial, − Aufbringen von Aufbauten auf das Substrat, insbesondere in Form einer Abfolge von Beschichtungen sowie Prozessen zur Strukturierung von Beschichtungen, so dass zumindest Teilbereiche des Substrats Aufbauten tragen, während andere Bereiche des Substrats frei bleiben, − eine thermische Belastung des Aufbauten tragenden Substrats, sowie − eine Vereinzelung dergestalt, dass die Teilbereiche des Substrats, die Aufbauten tragen, vereinzelt erhalten werden, sowie ein solcherart hergestelltes miniaturisiertes elektronisches Bauelement.

Description

Miniaturisiertes elektronisches Bauelement mit verringerter Bruchgefahr sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung
elektronischer Bauelemente, insbesondere solcher, bei denen auf einem Substrat Aufbauten, beispielsweise von Form einer Abfolge von Beschichtungen, welche insbesondere auch strukturiert aufgebracht sein können, vorliegen, sowie Substrate zur Herstellung solcher Bauelemente. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung spezieller
Substratmaterialien zur Herstellung elektronischer
Bauelemente, die eine verringerte Bruchgefahr aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Allgemein besteht eine große Nachfrage an miniaturisierten elektronischen Bauelementen, insbesondere solchen, bei denen auf einem Substrat Aufbauten, beispielsweise von Form einer Abfolge von Beschichtungen, welche insbesondere auch strukturiert aufgebracht sein können, vorliegen.
Beispielhaft kann es sich bei solchen miniaturisierten elektronischen Bauelementen um sogenannte
„microelectromechanical Systems" (abgekürzt MEMS) handeln, aber auch um Dünnfilmbatterien, beispielsweise Lithiumbasierte Dünnfilmbatterien.
Für solche miniaturisierten elektronischen Bauelemente stellt die Auswahl geeigneter Substratmaterialien eine Schlüsselforderung dar. So sollen die Substrate sehr geringe Dicken von 300 ym oder weniger aufweisen und gleichzeitig in großen Abmessungen von 6 inch oder mehr vorliegen, um wirtschaftliche Prozesse zu ermöglichen.
Miniaturisiert im Sinne der Erfindung ist nicht auf
Strukturen mit Nanometer-Abmessungen beschränkt, obwohl diese mit umfasst sind. Miniaturisiert bedeutet, dass
Techniken der Halbleiterindustrie verwendbar sind,
beispielsweise typische Substrat- oder Wafergrößen
verwendbar sind, welche beispielsweise auch 12 inch und mehr betragen können, und dass die erfindungsgemäßen
Strukturen mittels dieser Substrate herstellbar und in ihren Dimensionen oft oder sogar in der Regel kleiner als die Dimensionen diese Substrate selbst sind. Hierbei werden zunächst auf einem großen Substrat oder auch Wafer
Schichten dergestalt abgeschieden, dass in einzelnen
Bereichen des Substrats Aufbauten in Form von strukturiert abgeschiedenen Schichten entstehen. Anschließend erfolgt ein Prozess zur Vereinzelung des Substrats dergestalt, dass die Teilbereiche des Substrats, die Aufbauten tragen, vereinzelt erhalten werden. Auch die kostengünstige
Herstellung des Substratmaterials selbst ist dabei von großer Bedeutung. Weiterhin sollte das Substratmaterial möglichst flexibel sein, eine hohe chemische Resistenz und Inertheit gegenüber den im Herstellverfahren für
elektronische Bauelemente verwendeten Verfahren und
Substanzen haben sowie eine geringe Dichte aufweisen. Aus den genannten Gründen sind Keramiken und
Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium für viele Massenanwendungen daher oftmals nicht mehr geeignet. Hinsichtlich der Flexibilität des Substratmaterials sowie der mechanischen Beständigkeit lassen vielfach Polymere als geeignet erscheinen. Allerdings stoßen Polymere dort an ihre Grenzen, wo der Herstellungsprozess des elektronischen Bauelements einen Temperschritt umfasst, beispielsweise zur Nachbehandlung einer Beschichtung, um eine besonders bevorzugte Form eines Materials zu erzeugen. Liegen die Temperaturen einer solchen thermischen Nachbehandlung oberhalb von 150 °C, können herkömmliche Polymere allerdings nicht mehr eingesetzt werden. Vielmehr muss dann auf teuere Spezialwerkstoffe wie beispielsweise Polyimide
zurückgegriffen werden. Erfordert die Prozessierung darüber hinaus noch die Transparenz und/oder Kratzfestigkeit des Substratmaterials, scheiden Polymere dann grundsätzlich als Substrat aus.
Hinsichtlich der genannten Eigenschaften erscheinen somit Substrate aus Glas, insbesondere aus Dünnglas mit einer Dicke von 300 ym oder weniger, als beste Wahl für das
Substratmaterial. Über die Variation der chemischen
Zusammensetzung des Glases lassen sich die erforderlichen optischen, mechanischen, elektrischen und thermischen
Eigenschaften gezielt einstellen; weiterhin ist auch die Massenproduktion solcher Gläser in geringen Dicken von 300 ym oder weniger industriell beherrscht.
Allerdings sind diese dünnen Gläser trotz ihrer theoretisch sehr hohen Festigkeit in der Regel anfällig für Glasbruch, so dass spezielle Vorkehrungen zu ihrer Handhabung und/oder spezielle Verfahren zur Verbesserung der mechanischen
Beständigkeit von Dünnglas notwendig sind. Beispielsweise kann die mechanische Stabilität eines
Dünnglases verbessert werden, indem die Schnittkanten des Glases so behandelt werden, dass eine Rissausbreitung von der Schnittkante unterbunden wird, so dass eine verringerte Bruchwahrscheinlichkeit resultiert. Beispielsweise ist es möglich, die Schnittkanten zu beschichten oder eine
geeignete Form der Schnittkanten einzustellen,
beispielsweise in Form von abgerundeten Kanten. Solche Maßnahmen sind allerdings lediglich dann ausreichend, wenn nur besonders dünne Substrate gefordert sind und die
Flexibilität, d.h. insbesondere auch das mögliche
Durchbiegen eines Substrates lediglich eine untergeordnete Rolle spielt. Eine weitere Möglichkeit stellt die Verwendung von
Carriern, also von Trägern, dar, auf die ein Dünnglas während der Herstellung aufgebracht wird, wobei der Carrier während der Herstellung die mechanische Stabilität des Substrats erhöht. Nach dem Prozessieren muss dann die
Ablösung des Dünnglassubstrats vom Träger erfolgen, womit sich hierbei also weitere Verfahrensschritte ergeben, so dass solche Carrier-basierten Verfahren kostenaufwendig und somit in der Regel auf hochpreisige und/oder hochvolumige Spezialanwendungen beschränkt sind.
Ebenfalls ist die Verwendung von gehärtetem, also thermisch und/oder chemisch vorgespanntem Dünnglas als
Substratmaterial denkbar. Ein solches Glas weist eine bessere Handhabbarkeit auf, so dass die Bruchgefahr vor und während der Beschichtungsprozesse zur Herstellung der elektronischen Bauelemente verringert ist. Allerdings ist ein solches vorgespanntes Glas nicht bzw. nur mit sehr hohem Materialverlust infolge von Bruch schneidbar.
Somit besteht ein Bedarf an hinsichtlich ihrer
Bruchstabilität verbesserten, flexiblen dünnen
Substratmaterialien mit hoher chemischer, mechanischer und thermischer Beständigkeit für die Herstellung von
elektronischen Bauelementen, die gleichzeitig eine einfache Vereinzelung von einer Vielzahl auf einer großen
Substratfläche abgeschiedenen elektronischen Bauelementen ermöglichen .
Aufgabe der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines miniaturisierten elektronischen Bauelements. Ein weiterer Aspekt der
Erfindung betrifft ein miniaturiertes elektronisches
Bauelement, welches auf ein Substratmaterial mit
verringerter Bruchgefahr aufgebracht worden ist, sowie die Verwendung eines vorgespannten Glases als Substratmaterial für die Herstellung miniaturisierter elektronischer
Bauelemente . Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wird auf einfache Weise gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines miniaturisierten
elektronischen Bauelements nach Anspruch 1, einem
miniaturisierten elektronischen Bauelement nach Anspruch 9 sowie durch die Verwendung eines zumindest während eines Zeitraums vorgespannten Glases nach Anspruch 13. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den jeweiligen
Unteransprüchen .
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
miniaturisierter elektronischer Bauelemente umfasst dabei wenigstens die folgenden Schritte:
- Vorlegen eines scheibenförmigen, zumindest während eines Zeitraums vorgespannten Glases als
Substratmaterial ,
- Aufbringen von Aufbauten auf das Substrat, wobei diese
Aufbauten insbesondere in Form einer Abfolge von
Beschichtungen sowie Prozessen zur Strukturierung von Beschichtungen aufgebracht werden, so dass zumindest Teilbereiche des Substrats Aufbauten tragen, während andere Bereiche des Substrats frei bleiben,
- eine thermische Belastung des Aufbauten tragenden
Substrats, sowie
- eine Vereinzelung dergestalt, dass die Teilbereiche des Substrats, welche Aufbauten tragen, vereinzelt erhalten werden.
Als Zeitraum wird hierbei ein Zeitintervall verstanden, welches größer als Null Sekunden ist und mindestens im Bereich eines Verfahrens- oder Prozessschritts liegt, welcher typischerweise von einigen Sekunden bis zu mehreren Stunden oder Tagen dauern kann, sodass sich vorzugsweise die beschriebenen erfindungsgemäßen Vorteile erhalten lassen . Hierbei werden unter Aufbauten auf dem Substrat Bereiche verstanden, bei denen auf dem Substrat mindestens eine Schicht, bevorzugt aber mehrere Schichten, in einer Abfolge nacheinander und zum Teil überlappend aufeinander
aufgebracht sind, so dass sich die Bereiche des Substrats, die Aufbauten tragen, hinsichtlich ihrer Höhe von dem umgebenden Substrat unterscheiden.
Die Aufbauten können dabei durch Beschichtungsprozesse aufgebracht werden, insbesondere durch physikalische und/oder chemische Abscheideverfahren. Weiterhin können auch nasschemische Beschichtungsverfahren, beispielsweise Drucken, Sprühen, Rakeln, Spin-Coating oder Dip-Coating, zum Einsatz kommen. Die einzelnen die jeweiligen Aufbauten bildenden Schichten werden dabei in einer horizontalen Abfolge aufgebracht, wobei sich die einzelnen Schichten zumindest in Teilbereichen überlagern. Um Teilbereiche gezielt nicht zu beschichten, können dabei alle
herkömmlichen Maskierungsverfahren oder sonstige Verfahren zum strukturierten Schichtauftrag zum Einsatz kommen.
Insbesondere ist es dabei möglich, dass
photolithographische Verfahren kombiniert mit Ätzverfahren zur Herstellung strukturierter Schichten zum Einsatz kommen, beispielsweise in Lift-off- oder Strip-Verfahren.
Vorteilhaft kann es dabei sein, wenn die
Festigkeitseigenschaften, insbesondere die Druckspannung a der Oberfläche des Glases änderbar, insbesondere den jeweiligen Prozessschritten angepasst änderbar sind.
Gehärtetes Glas ist besser handhabbar, oft auch besser beschichtbar, und kann folglich zu vereinfachten
Handhabungsbedingungen und somit auch höheren Erträgen beitragen . Wird hierdurch der Yield in ersten Prozessschritten
verbessert und nachfolgend zugunsten besserer Schneid- und Vereinzelbarkeit Glas mit einer reduzierten oder
verminderten Druckspannung an der Oberfläche verwendet, kann dies insgesamt zu einer nochmals besseren
Verarbeitbarkeit führen und somit erhebliche
wirtschaftliche Vorteile bieten.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das
scheibenförmige vorgespannte Glas eine Dicke t von 300 ym oder weniger, bevorzugt von 150 ym oder weniger, besonders bevorzugt weniger von 100 ym oder weniger und ganz
besonders bevorzugt von 50 ym oder weniger auf. Somit ist das Glas, welches für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung miniaturisierter elektronischer Bauelemente Einsatz findet, als sogenanntes ultradünnes Glas
ausgebildet .
In der vorliegenden Erfindung wird dabei als scheibenförmig ein Glas bezeichnet, bei welchem die laterale Abmessung in einer Raumrichtung um mindestens eine halbe Größenordnung kleiner ist als in den anderen beiden Raumrichtungen.
Bevorzugt liegt das scheibenförmige vorgespannte Glas der vorliegenden Erfindung dabei als chemisch vorgespanntes
Glas vor. Hierbei ist die chemische Vorspannung durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad erhalten worden und ist zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens gekennzeichnet durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht L DOL von mindestens 10 ym, bevorzugt mindestens 15 ym und am
bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine
Druckspannung an der Oberfläche (Oes) des Glases von vorzugsweise höchstens 480 MPa, bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die
Vereinzelung durch Schneiden, insbesondere ein mechanisches Schneiden, ein thermisches Schneiden, mechanisches Ritzen, Laserschneiden, Laserritzen oder Wasserstrahlschneiden, oder durch Lochbohren mit einem Ultraschallbohrer und oder Kombinationen hiervon.
Die thermische Belastung erfolgt in zweckmäßiger Weise bevorzugt während der thermischen Nachbehandlung mindestens einer der Funktionsschichten des elektronischen
miniaturisierten Bauelements und/oder während eines
Verfahrensschrittes zur Aufbringung und/oder Strukturierung von Aufbauten auf das Substrat und/oder als eine
Kombination aus thermischer Nachbehandlung und thermischer Belastung während eines sonstigen Verfahrensschrittes.
Mittels der thermischen Belastung kann die Vorspannung und somit die Druckspannung an der Oberfläche des Glases gezielt verändert, insbesondere vermindert werden,
beispielsweise auch bei und gleichzeitig mit Prozessen, welche thermische Behandlungen von auf dem Substrat
angebrachten Funktionsschichten umfassen. Hierdurch können vorteilhaft die Schneidbarkeit des Glases sowie die beim Schneiden erzielbaren Toleranzen verbessert werden.
Durch eine anfänglich höhere Festigkeit, insbesondere eine durch Härtung erhöhte Festigkeit lassen sich Glas
umfassende Substrate einfacher und sicherer handhaben, während sich in nachfolgenden Prozessschritten,
beispielsweise für komplexere Anordnungen mit auf dem Substrat angeordneten Beschichtungen andere vorteilhafte Anforderungen ergeben können, wie beispielsweise eine verbesserte und präzisere Schneidbarkeit . Hierdurch kann der Yield bzw. Ertrag eines industriellen Fertigungsprozesses insgesamt erheblich verbessert werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem miniaturisierten elektronischen Bauelement um eine Lithium-basierte
Dünnfilm-Batterie handeln. Eine solche Lihtium-basierte
Dünnfilm-Batterie wird im Allgemeinen gebildet durch einen kathodischen Abieiter, welcher auf ein Substrat aufgebracht ist, sofern dieses Substrat über keine ausreichende
elektrische Leitfähigkeit verfügt, eine die Kathode
bildende Schicht, eine ionenleitfähige Schicht sowie einen anodischen Abieiter, wobei die Anode selbst in der Regel erst während des ersten Ladens der Dünnfilmbatterie
entsteht und sich zwischen Elektrolytschicht und anodischen Abieiter bildet. In der Regel umfassen geeignete
Materialien für eine solche Kathodenschicht für eine
Lithium-basierte Dünnfilm-Batterie Lithium- Übergangsmetalloxide, beispielsweise LiCoC>2. Um die
Effizienz der Batterie zu erhöhen, ist es für die
Kathodenmaterialien in der Regel notwendig, eine thermische Nachbehandlung durchzuführen, welche in der Regel in einem Bereich von 350 bis 600, bevorzugt in einem Bereich von 400 bis 550 und oft bei 500°C, stattfindet. In diesem Fall kann die thermische Belastung auf das scheibenförmige chemisch vorgespannte Glas während der thermischen Nachbehandlung der Kathodenschicht erfolgen. Thermische Belastungen, die kumuliert einer Temperung zwischen minimal 350 und maximal 600°C für eine Dauer von minimal einer bis maximal 15 h entsprechen, haben sich dabei als bevorzugt erwiesen.
So konnte beispielsweise bei einem der nachfolgend
detaillierter beschriebenen Gläser eine anfängliche
Druckspannung von etwa 930 MPa durch eine thermische
Belastung, bzw. ein Annealing, bei 400°C während acht Stunden auf etwa 450 MPa vermindert werden. Ferner konnte diese anfängliche Druckspannung von etwa 930 MPa durch eine thermische Belastung, bzw. ein Annealing, bei 500°C während acht Stunden auf etwa 120 MPa abgesenkt bzw. vermindert werden .
In einem der weiteren nachfolgend detaillierter
beschriebenen Gläser konnte eine anfängliche Druckspannung von etwa 370 MPa durch eine thermische Belastung, bzw. ein Annealing, bei 400°C während acht Stunden auf etwa 190 MPa vermindert werden. Ferner konnte diese anfängliche
Druckspannung von etwa 370 MPa durch eine thermische
Belastung, bzw. ein Annealing, bei 500°C während acht Stunden auf einen Zustand ohne Restspannung abgesenkt werden .
Durch Wahl der entsprechenden Temperatur- und Zeiträume können definiert verbleibende Druckspannungen an der
Oberfläche des Glases eingestellt werden, ja sogar
vollständig abgebaut werden, insbesondere falls letzteres fertigungstechnische Vorteile bietet. Überraschenderweise hat sich dabei gezeigt, dass durch eine solche thermische Belastung die Prozessierbarkeit eines vorgespannten, insbesondere eines chemisch vorgespannten, scheibenförmigen Glases, welches als Substratmaterial verwendet wird, allgemein und oft auch prozessspezifisch verbessert werden kann.
So ist es im Allgemeinen nicht bzw. nur sehr schwer
möglich, übliche Verfahren zum Trennen bzw. Vereinzeln von Glas mit einem vorgespannten Glas durchzuführen. Durch die Spannung des Glases kommt es nämlich bei einer mechanischen Verletzung des Glases, wie sie beispielsweise in üblichen Schneideverfahren für Glas wie mechanischem Ritzen und Brechen vorkommt, zu einer meist vollständigen mechanischen Zerstörung des Glases. Sofern durch spezielle Verfahren doch eine Vereinzelung vorgespannten Glases ermöglicht werden sollte, weisen dann allerdings die so erhaltenen Kanten eine nicht innerhalb der üblicherweise geforderten Toleranzen liegende Qualität auf, sondern sind durch
Ausmuschelungen und nicht saubere Verläufe von
Schnittkanten gekennzeichnet, die die Weiterverarbeitung miniaturisierter elektronischer Bauelemente erschweren würden. Somit ist durch das Vorspannen des Glases zwar allgemein die Handhabbarkeit des Glases, auch besonders dünnen Glases verbessert, so dass bei normaler Verarbeitung des Glases weniger Bruch erfolgt, aber die Vereinzelung des Glases durch ein Schneiden erschwert oder nicht möglich, in jedem Fall aber mit einem erhöhten Materialverlust
verbunden, so dass eine kostengünstige Fertigung von vielen elektronischen Bauelementen auf einem Wafer mit möglichst großer Materialausnutzung unter Verwendung eines vorgespannten scheibenförmigen Glases als Substrat bislang nicht möglich erschien.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht demgegenüber die Verwendung eines vorgespannten scheibenförmigen Glases in den normalen Fertigungsprozessen miniaturisierter
elektronischer Bauelemente, so dass die Vorteile eines vorgespannten Glases, insbesondere die verringerte
Bruchgefahr zum Tragen kommen, kombiniert mit einer
ausreichend guten Schneidbarkeit , so dass eine Vereinzelung der einzelnen miniaturisierten Bauelemente ohne hohen
Materialverlust möglich ist.
So hat sich überraschend gezeigt, dass chemisch
vorgespannte Gläser nach der Durchführung einer Temperatur- Zeit-Belastung oder allgemein nach einer thermischen
Belastung erheblich besser vereinzelbar sind.
Zwar ist bekannt, dass sich beispielsweise im Falle
thermisch vorgespannter Gläser der Spannungszustand durch eine thermische Belastung die Vorspannung beseitigen lässt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dieser Effekt jedoch nur in eingeschränkter Weise bei chemisch
vorgespannten Gläsern greift. So kommt es bei chemisch vorgespannten Gläsern durch eine thermische Behandlung zu einer vergleichmäßigenden Diffusion der Ionen über den Querschnitt des Glases hinweg. Allerdings kann dabei die thermische Belastung so gesteuert werden, dass kein
vollständiger Verlust der Vorspannung eintritt, so dass auch nach thermischer Belastung insgesamt ein Glas
vorliegt, welches im Vergleich zu einem nicht vorgespannten Glas eine verringerte Bruchgefahr aufweist. Mithin ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren somit auf einfache Weise, die Vorteile eines vorgespannten Glases in üblichen Prozessschritten bei der Herstellung
miniaturisierter elektronischer Bauelement zu nutzen bei gleichzeitiger hoher Flächenausbeute des verwendeten
Substratmaterials. Auch nach Abschluss des
erfindungsgemäßen Verfahrens weist dabei das verwendete Glassubstrat eine gegenüber einem nicht vorgespannten Glas erhöhte Bruchfestigkeit auf und erhöht somit die
mechanische Stabilität der auf diese Art erhaltenen
miniaturisierten elektronischen Bauelemente.
Bevorzugt handelt es sich bei dem verwendeten Glas um ein Borsilikat- und/oder ein Aluminosilikatglas .
Die im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte thermische Belastung erfolgt durch technisch übliche Methoden der Beheizung. Beispielsweise kann die thermische Belastung durch Widerstandheizung und/oder elektromagnetische
Strahlung und/oder Induktion und/oder Kombinationen hiervon erfolgen .
Durch die thermische Belastung während des
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
miniaturisierter elektronischer Bauelemente verändert sich der ursprüngliche Spannungszustand des chemisch
vorgespannten Glases, ohne dass das Glas wieder in den ursprünglichen spannungsfreien Zustand versetzt würde.
Selbst das vollständige Entspannen des Glases kann für den Gesamtprozess vorteilhaft und liefert ebenfalls insbesondere wie vorstehend beschrieben hochinteressante und vorteilhafte Ausführungsformen.
Ein ursprünglich bei 100 % Druckspannungen an der
Oberfläche befindliches Glas ist nach dem Annealing
bevorzugt mindestens bei nur noch 50 % der Druckspannungen, kann aber vorteilhaft und jeweils prozessspezifisch auch auf 20 %, 10 % und auch auf 0 % Druckspannungen an der Oberfläche relaxiert sein. Dabei war jedoch zumindest während eines Zeitraums die an der Oberfläche des Glases erhöhte Druckspannung für die Handhabung oder Abschnitte des Verfahrens vorteilhaft.
In Einzelfällen ist auch das vollständige Entspannen der Druckspannungen an der Oberfläche des Glases auf 0 % sinnvoll, insbesondere, wenn die Zuverlässigkeit,
Flexibilität des Substrats oder die verbesserte
Schneidbarkeit und höchste Toleranzeinhaltung des
geschnittenen miniaturisierten Elements, beispielsweise in Bezug auf dessen Schneidkanten von Interesse sind.
Das miniaturisierte elektronische Bauelement, wie es nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird, ist somit dadurch gekennzeichnet, dass das als
Substrat für die Aufbauten verwendete Glas als zumindest teilweise chemisch vorgespanntes Glas vorliegt, wobei die zumindest teilweise chemische Vorspannung dabei erhalten wird durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad sowie eine nachfolgende thermische Belastung und gekennzeichnet ist durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht (LDOL) von mindestens 10 ym, bevorzugt mindestens 15 ym und am bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine Druckspannung an der Oberfläche (oCs) des Glases von höchstens 480 MPa, bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa, wobei die Dicke der ionenausgetauschten Schicht vor thermischer Belastung geringer ist als die Dicke der ionenausgetauschten Schicht nach thermischer Belastung und die Druckspannung an der Oberfläche des Glases vor thermischer Belastung größer ist als die Druckspannung an der Glasoberfläche nach
thermischer Belastung.
Die vorstehend angegebenen Druckspannungen können dabei vorteilhaft während eines anfänglichen Abschnitts der
Verfahrensführung wie angegeben höher und während späterer Abschnitte des Verfahrens niedriger, ja sogar dem Wert Null entsprechend sein, insbesondere, um hierdurch möglichst vorteilhaft den jeweiligen Anforderungen verschiedener Verfahrens- oder Prozessabschnitte gerecht zu werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen
Ausführungsform ist die Druckspannung während eines finalen Abschnitt des Verfahrens vollständig abgebaut, um eine einfachere und präzisere Vereinzelung zu ermöglichen. Für diese Ausführungsformen genügt es, wenn zumindest während eines Zeitraums vorgespanntes Glas als Substratmaterial vorliegt, insbesondere in vorteilhafter Weise während eines Zeitraums zu Begin des Verfahrens.
Dabei weist das als Substrat für die Aufbauten des das miniaturisierte elektronische Bauelement verwendete Glas vorzugsweise eine Dicke t von 300 ym oder weniger,
bevorzugt von 150 ym oder weniger, besonders bevorzugt von 100 ym oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 50 ym oder weniger auf.
Bevorzugt ist das verwendete Glas ein Borsilikat- und/oder Aluminosilikatglas .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das
miniaturisierte elektronische Bauelement als Dünnfilm- Batterie ausgebildet, bevorzugt als Lithium-basierte
Dünnfilm-Batterie.
Die Erfindung umfasst somit insbesondere auch die
Verwendung eines chemisch vorgespannten Glases als Substrat für die Herstellung miniaturisierter elektronischer
Bauelemente.
Die chemische Vorspannung des Glases wird dabei durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad erhalten. Vor
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Glas dadurch gekennzeichnet, dass es eine chemische Vorspannung aufweist, die gekennzeichnet ist durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht LDoL von mindestens 10 ym, bevorzugt mindestens 15 ym und am bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine Druckspannung an der Oberfläche ( öcs ) des Glases von vorzugsweise höchstens 480 MPa, bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa.
Durch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt es prozessbedingt zu einer Änderung des
Spannungszustandes des als Substrat verwendeten Glases, so dass eine für die Vereinzelung ausreichende Reduktion des Spannungszustandes erzielt wird. Dabei hat sich
überraschenderweise gezeigt, dass die Vorspannung des
Glases dabei nicht auf Null gesetzt wird, sondern vielmehr eine Restspannung im Glas erhalten bleibt, so dass
insgesamt die Festigkeit des als Substrat für das
miniaturisierte elektronische Bauelement verwendeten Glases gegenüber einem herkömmlichen, nicht vorgespannten Glas erhöht ist. Somit ist insgesamt die mechanische Stabilität des erfindungsgemäß hergestellten miniaturisierten
elektronischen Bauelements ebenso verbessert wie auch dessen allgemeine Handhabbarkeit.
Das im fertigen, nach dem erfindungsgemäßen
miniaturisierten elektronischen Bauelement als Substrat vorliegende Glas ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass es als wenigstens teilweise chemisch vorgespanntes Glas vorliegt, wobei die zumindest teilweise chemische
Vorspannung dabei erhalten wird durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad sowie eine nachfolgende thermische
Belastung und gekennzeichnet ist durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht (LDoL) von mindestens 10 ym, bevorzugt mindestens 15 ym und am bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine Druckspannung an der Oberfläche (oCs) des Glases von höchstens 480 MPa, 480 MPa bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa, wobei die Dicke der ionenausgetauschten Schicht vor thermischer Belastung geringer ist als die Dicke der ionenausgetauschten Schicht nach thermischer Belastung und die Druckspannung an der Oberfläche des
Glases vor thermischer Belastung größer ist als die
Druckspannung an der Glasoberfläche nach thermischer
Belastung . In einer Ausführungsform der Erfindung wird die chemische Vorspannung des Glases in einem Tauschband erhalten, in dem Lithium-Ionen enthalten sind. So zum Beispiel auch ein Tauschbad mit verschiedenen Alkali- Ionen, z.B. Kalium und geringe bis geringste Anteile von Lithium. Auch kann ein stufenförmiger Prozess, z.B. Austausch mit Kalium und einem schnellen weiteren Austausch mit Lithiumhaltigem Bad durchgeführt werden.
Die Verwendung eines Glases, welches in einem Lithium-Ionen enthaltenden Tauschbad chemisch vorgespannt wurde, ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das darauf aufzubauende miniaturisierte elektronische Bauelement als Lithium- basierte Dünnfilm-Batterie ausgebildet ist. Durch ein
Lithium-haltiges Glas, welches Lithium im Volumen, an der Oberfläche und/oder in einem Oberflächenbereich enthält, kann eine Eindiffusion von Lithium oder Lithium-Ionen insbesondere aus einer Elektrode vermindert oder zumindest stark verringert werden und wird eine verbesserte
Korrosionsbeständigkeit für die Elektrode bereitgestellt.
Bevorzugt findet als Ausgangsglas für die chemische
Vorspannung ein Borsilikat- und/oder Aluminosilikatglas Einsatz.
Verfahren zur chemischen Härtung bzw. Vorspannung
ultradünner Gläser sind vorbekannt, beispielsweise aus der der Anmelderin eigenen internationalen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/CN2013/072695. Dem Fachmann ist bekannt, dass dabei unterschiedliche Werte der chemischen Vorspannung erhalten werden können, indem die Parameter des Austauschs entsprechend variiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das scheibenförmige chemisch vorgespannte Glas auf einen Träger oder Carrier aufgebracht und örtlich fixiert, bevor sich weitere Verfahrensschritte zur Herstellung der die
elektronischen Bauelemente bildenden Aufbauten anschließen. Die Ablösung des Glassubstrates vom Träger nach Abschluss aller für die Herstellung der Aufbauten notwendigen
Abscheide-, Beschichtungs- und Strukturierungsschritte kann dabei sowohl vor als auch nach der erfindungsgemäßen thermischen Belastung erfolgen. In der Regel können jedoch aufgrund der größeren
mechanischen Stabilität des erfindungsgemäß verwendeten scheibenförmigen, chemisch vorgespannten Glases die
aufwendigen Methoden zur Fixierung des Substrats auf einem Träger entfallen, sofern der einzige Zweck der Trägerung lediglich darin besteht, dem Substrat durch die Trägerung zu einer insgesamt verbesserten mechanischen Stabilität zu verhelfen, insbesondere, die Bruchgefahr zu minimieren.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1
Die Zusammensetzung eines möglichen scheibenförmigen, chemisch vorgespannten Glases zum Einsatz als Substrat in einem Herstellungsverfahren für miniaturisierte
elektronische Bauelemente ist beispielhaft gegeben durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%: Si02 30 bis 85
B203 3 bis 20
A1203 0 bis 15
Na20 3 bis 15
K20 3 bis 15
ZnO 0 bis 12
Ti02 0,5 bis 10
CaO 0 bis 0,1,
wobei das Glas weiterhin Nebenbestandteile und/oder Spuren aufweisen kann, beispielweise in Form von
verfahrenstechnisch notwendigen Zusätzen wie beispielsweise Läutermitteln sowie weitere Bestandteile, die sich
beispielsweise als Verunreinigungen aufgrund von in den Rohstoffen notwendigerweise enthaltenen Spuren ergeben. Die Summe dieser weiteren Bestandteile liegt dabei in der Regel bei unter 2 Gew.-%.
Ausführungsbeispiel 2
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei ein
welches vor dem chemischen Vorspannen die folgende
Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Si02 64
B203 8,3
AI2O3 4,0
Na20 6, 5
K20 7,0
ZnO 5,5
Ti02 4,0
Sb203 0, 6
Cl~ 0,1 Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des Substrats erhalten:
«20-300 7,2-10"VK
Tg 557°C
Dichte 2,5 g/cm3
Ausführungsbeispiel 3
Die Zusammensetzung eines weiteren möglichen
scheibenförmigen, chemisch vorgespannten Glases zum Einsat als Substrat in einem Herstellungsverfahren für
miniaturisierte elektronische Bauelemente ist beispielhaft gegeben durch die folgende Zusammensetzung in Gew.-%: Si02 50 bis 65
A1203 15 bis 20
B203 0 bis 6
Li20 0 bis 6
Na20 8 bis 15
K20 0 bis 5
MgO 0 bis 5
CaO 0 bis 7, bevorzugt 0 bis 1
ZnO 0 bis 4, bevorzugt 0 bis 1
Zr02 0 bis 4
Ti02 0 bis 1, bevorzugt im Wesentlichen Ti02- frei ,
wobei das Glas weiterhin Nebenbestandteile und/oder Spuren aufweisen kann, beispielweise in Form von
verfahrenstechnisch notwendigen Zusätzen wie beispielsweise Läutermitteln sowie weitere Bestandteile, die sich
beispielsweise als Verunreinigungen aufgrund von in den Rohstoffen notwendigerweise enthaltenen Spuren ergeben. Die Summe dieser weiteren Bestandteile liegt dabei in der Regel bei unter 2 Gew.-%.
Ausführungsbeispiel 4
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei ein Glas, welches vor dem chemischen Vorspannen die folgende
Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Si02 62, 3
A1203 16, 7
Na20 11,8
K20 3, 8
MgO 3,7
Zr02 0,1
Ce02 0,1
Ti02 0,8
As203 0,7
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des Substrats erhalten:
«20-300 8,6·10"6/Κ
Tg 607°C
Dichte 2,4 g/cm3
Ausführungsbeispiel 5
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei weiterhin ein Glas, welches vor dem chemischen Vorspannen die
folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Si02 62,2
AI2O3 18,1 B203 0,2
P205 0,1
Li20 5,2
Na20 9,7
K20 0,1
CaO 0, 6
SrO 0,1
ZnO 0,1
Zr02 3, 6
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des Substrats erhalten:
«20-300 8,5-10~VK
Tg 505°C
Dichte 2,5 g/cm3
Ausführungsbeispiel 6
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei weiterhin ein Glas, welches vor dem chemischen Vorspannen die folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Si02 52
AI2O3 17
Na20 12
K20 4
MgO 4
CaO 6
ZnO 3,5
Zr02 1,5 Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des Substrats erhalten:
«20-300 9,7-10"VK
Tg 556°C
Dichte 2,6 g/cm3
Ausführungsbeispiel 7
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei weiterhin ein Glas, welches vor dem chemischen Vorspannen die folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Si02 62
A1203 17
Na20 13
K20 3,5
MgO 3,5
CaO 0,3
Sn02 0,1
TiO, 0, 6
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des Substrats erhalten:
«2o-3oo 8,3-10~VK
Tg 623°C
Dichte 2,4 g/cm3
Ausführungsbeispiel 8
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei weiterhin ein Glas, welches vor dem chemischen Vorspannen die folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist: Si02 61,1
AI2O3 19,6
B2O3 4,5
Na20 12,1
K20 0,9
MgO 1 , 2
CaO 0,1
Sn02 0,2
Ce02 0,3
Mit dieser Zusammensetzung werden folgende Eigenschaften des Substrats erhalten: a2o-3oo 8,9-10"VK
Tg 600°C
Dichte 2,4 g/cm3
Ausführungsbeispiel 9
Beispielhaft und besonders bevorzugt ist dabei weiterhin ein Glas, welches vor dem chemischen Vorspannen die folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
Si02 60, 7
A1203 16, 9
Na20 12,2
K20 4,1
MgO 3, 9
Zr02 1,5
Sn02 0,4
Ce02 0,3 Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die
Transformationstemperatur Tg dabei bestimmt durch den
Schnittpunkt der Tangenten an die beiden Äste der
Ausdehnungskurve beim Messung mit einer Heizrate von
5K/min. Dies entspricht einer Messung nach ISO 7884-8 bzw. DIN 52324.
Weiterhin ist der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient dabei, sofern nicht anders angegeben, im Bereich von 20- 300 °C angegeben. Die Bezeichnungen und 0(20-300 werden im
Rahmen dieser Erfindung synonym verwendet. Beim angegebenen Wert handelt es sich um den nominalen mittleren thermischen Längenausdehnungskoeffizienten gemäß ISO 7991, welcher in statischer Messung bestimmt ist.
Ausführungsbeispiel 10
Scheiben eines Glases der Zusammensetzung gemäß
Ausführungsbeispiel 2 mit einer Größe von 140 * 140 mm2 sowie einer Dicke von 70 ym wurden chemisch vorgespannt. Die Vorspannung erfolgte in einem KNÜ3-Bad bei 430°C für eine Dauer von 4 Stunden.
Anschließend wurden die Scheiben einer Temperaturbehandlung wie folgt unterworfen:
Es erfolgte ein Aufheizen von Raumtemperatur auf 500°C mit einer Heizrate von 10 K/min. Bei 500°C wurde die Temperatur gehalten . Anschließend wurden die Proben frei abgekühlt, d.h. das Abkühlen erfolgte durch Abschalten der Heizvorrichtung bei offener Ofenkammer entsprechend der Ofenkennlinie. Als Referenz diente eine nicht chemisch vorgespannte probe eines Glases mit einer Zusammensetzung entsprechend des Ausführungsbeispiels 2.
Nach Abschluss der Temperaturbehandlung wurden die Scheiben mittels einer CNC-Maschine in Proben der Größe 25 * 25 mm2 vereinzelt. Die so erhaltenen Proben wurden hinsichtlich der Bruchwahrscheinlichkeit gemäß einer Weibullverteilung charakterisiert . Dabei zeigt sich, dass die zuvor chemisch gehärteten Proben sich ohne signifikante Unterschiede analog den zuvor nicht gehärteten Proben zerschneiden ließen. Die
Bruchwahrscheinlichkeiten sind somit im Rahmen der üblichen Messgenauigkeit identisch.
Zeichnungen
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung nochmals auch anhand Zeichnungen erläutert
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
elektrischen Speicherelements.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines
scheibenförmigen Glases.
Fig. 3 bis 5 zeigen die Bruchwahrscheinlichkeiten
unterschiedlicher Gläser in Form einer
WeibullCharakteristik . In Fig. 1 ist schematisch ein elektrisches Speichersystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Es umfasst ein scheibenförmiges Glas 2, welches als Substrat verwendet wird. Auf das Substrat aufgebracht ist eine Abfolge
unterschiedlicher Schichten. Beispielhaft und ohne
Beschränkung auf das vorliegende Beispiel sind dabei auf das scheibenförmige Glas 2 zunächst die beiden
Ableiterschichten 3 für die Kathode und 4 für die Anode aufgebracht. Solche Ableiterschichten sind in der Regel wenige Mikrometer dick und bestehen aus einem Metall, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Titan. Auflagernd auf die Ableiterschicht 3 befindet sich die Kathodenschicht 5. Sofern es sich bei dem elektrischen Speichersystem 1 um eine Lithium-basierte Dünnfilmbatterie handelt, ist die Kathode aus einer Lithium-Übergangsmetallverbindung, bevorzugt einem -oxid, gebildet, beispielsweise aus LiCoC>2, aus LiMnC>2 oder auch aus LiFePC^. Weiterhin ist auf dem Substrat und zumindest teilweise überlappend mit der
Kathodenschicht 5 der Elektrolyt 6 aufgebracht, wobei es sich bei diesem Elektrolyten im Falle des Vorliegens einer Lithium-basierten Dünnfilmbatterie meist um LiPON handelt, eine Verbindung als Lithium mit Sauerstoff, Phosphor und Stickstoff. Weiterhin umfasst das elektrische
Speichersystem 1 eine Anode 7, wobei es sich beispielsweise um Lithium-Titan-Oxid handeln kann oder auch um
metallisches Lithium. Die Anodenschicht 7 überlappt
zumindest teilweise mit der mit der Elektrolytschicht 6 sowie der Ableiterschicht 4. Weiterhin umfasst die Batterie 1 eine Verkapselungsschicht 8. Als Verkapselung bzw. Versiegelung des elektrischen
Speichersystems 1 wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Material verstanden, welches den Angriff von Fluiden bzw. sonstigen korrosiven Materialien auf das elektrische Speichersystem 1 verhindert oder stark
vermindern kann.
Fig. 2 zeigt die schematische Abbildung eines
scheibenförmigen Glases einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hier ausgebildet als
scheibenförmiger Formkörper 10. Als scheibenförmig oder Scheibe wird ein Formkörper im Rahmen der vorliegenden Erfindung dann bezeichnet, wenn seine Ausdehnung in einer Raumrichtung höchstens halb so groß ist wie in den beiden anderen Raumrichtungen. Als Band wird ein Formkörper in der vorliegenden Erfindung dann bezeichnet, wenn zwischen seiner Länge, seiner Breite und seiner Dicke der folgende Zusammenhang besteht: Seine Länge ist mindestens zehnmal größer als seine Breite und diese ist wiederum mindestens doppelt so groß wie seine Dicke.
Fig. 3 zeigt die Bruchwahrscheinlichkeit für eine
Probengesamtheit scheibenförmiger Gläser entsprechend einer Zusammensetzung des Ausführungsbeispiels 2 mit einer Dicke von 70 ym gemäß einer Temperung entsprechend des
Ausführungsbeispiels 10. Die hier untersuchten Proben waren dabei nicht chemisch vorgespannt.
Fig. 4 zeigt die Bruchwahrscheinlichkeit für eine
Probengesamtheit scheibenförmiger Gläser entsprechend der Zusammensetzung des Ausführungsbeispiels 2 mit einer Dicke von 70 ym gemäß einer Temperung entsprechend des Ausführungsbeispiels 10. Die hier untersuchten Proben waren dabei chemisch vorgespannt worden (vg. Ausführungsbeispiel 10) . In Fig. 5 sind die Weibullcharakteristiken aus Fig. 3 und 4 übereinander gelegt. Dabei betreffen die runden Symbole die erfindungsgemäßen scheibenförmigen Gläser, welche zunächst chemisch vorspannt wurden und anschließend einer Temperung gemäß des Ausführungsbeispiels 10 unterzogen (vgl. Fig. 4) . Die quadratischen Symbole betreffen die Werte, welche für nicht vorgespannte Referenzgläser erhalten wurden (vgl. Fig. 3) . Deutlich erkennbar ist, dass die für die
jeweiligen Probengesamtheiten erhaltenen
Weibullverteilungen im Wesentlichen identisch sind, d.h. keine signifikanten Abweichungen aufweisen. Somit ist die Schneidcharakteristik für die beiden scheibenförmigen
Gläser identisch.
Damit wird im erfindungsgemäßer Verfahren die Handhabung scheibenförmiger Gläser, welche zumindest teilweise
vorgespannt sind, deutlich verbessert, ohne dass es zu einer erhöhten Bruchwahrscheinlichkeit der scheibenförmigen Gläser im Vereinzelungsprozess kommt.
Bezugs zeichenliste
1 - elektrisches Speichersystem
2 - scheibenförmiges Glas in der Verwendung als Substrat
3 - Ableiterschicht für die Kathode
4 - Ableiterschicht für die Anode
5 - Kathode
6 - Elektrolyt
7 - Anode
8 - VerkapselungsSchicht
10 - - scheibenförmiges Glas

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente, wobei die miniaturisierten elektronischen Bauelemente erhalten werden als vereinzelte Teile eines scheibenförmigen Glases, auf das Aufbauten, insbesondere mindestens eine Schicht, aufgebracht sind, umfassend mindestens die folgenden Schritte :
- Vorlegen eines scheibenförmigen, zumindest während eines Zeitraums vorgespannten Glases als
Substratmaterial ,
- Aufbringen von Aufbauten auf das Substrat,
insbesondere in Form einer Abfolge von
Beschichtungen sowie Prozessen zur Strukturierung von Beschichtungen, so dass zumindest Teilbereiche des Substrats Aufbauten tragen, während andere Bereiche des Substrats frei bleiben,
- eine thermische Belastung des Aufbauten tragenden Substrats, sowie
- eine Vereinzelung dergestalt, dass die Teilbereiche des Substrats, die Aufbauten tragen, vereinzelt erhalten werden. 2. Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige vorgespannte Glas eine Dicke t von 300 ym oder weniger, bevorzugt von 150 ym oder weniger, besonders bevorzugt weniger von 100 ym oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 50 ym oder weniger aufweist. Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dadurch
gekennzeichnet, dass das Glas bei Beschichtung als chemisch vorgespanntes Glas vorliegt, wobei die chemische Vorspannung durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad erhalten wird und gekennzeichnet ist durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht L DOL von vorzugsweise mindestens 10 ym, bevorzugt
mindestens 15 ym und am bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine Druckspannung an der Oberfläche (Oes) des Glases von vorzugsweise höchstens 480 MPa, bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa.
Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinzelung durch Schneiden, insbesondere ein mechanisches
Schneiden, ein thermisches Schneiden, mechanisches Ritzen, Laserschneiden, Laserritzen oder
Wasserstrahlschneiden, oder durch Lochbohren mit einem Ultraschallbohrer oder Sandstrahlen und/oder
Kombinationen hiervon erfolgt.
Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastung während der thermischen Nachbehandlung mindestens einer der Funktionsschichten des
miniaturisierten elektronischen Bauelements und/oder während eines Verfahrensschrittes zur Aufbringung und/oder Strukturierung von Aufbauten auf das Substrat und/oder als eine Kombination aus thermischer
Nachbehandlung und thermischer Belastung während eines sonstigen Verfahrensschrittes erfolgt.
Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ein
Borosilikat- und/oder ein Aluminosilikatglas ist.
Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastung durch Widerstandsheizung und/oder
elektromagnetische Strahlung und/oder Induktion und/oder Kombinationen hiervon erfolgt.
Verfahren zur Herstellung miniaturisierter
elektronischer Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Belastung einer kumulierten Temperung zwischen minimal 350 und maximal 600°C zwischen 1 und 15 h entspricht.
9. Miniaturisiertes elektronisches Bauelement, umfassend ein scheibenförmiges Glas sowie darauf befindliche Aufbauten, insbesondere in Form von Schichten, wobei das Glas vorzugsweise als zumindest während eines Zeitraums teilweise chemisch vorgespanntes Glas vorliegt und vorzugsweise die zumindest teilweise chemische Vorspannung dabei erhalten wird durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad sowie eine
nachfolgende thermische Belastung und gekennzeichnet ist
durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht (L DOL ) von insbesondere mindestens 10 ym, bevorzugt
mindestens 15 ym und am bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine Druckspannung an der Oberfläche (Oes) des Glases von vorzugsweise höchstens 480 MPa,
bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa, wobei die Dicke der ionenausgetauschten Schicht vor thermischer Belastung geringer ist als die Dicke der ionenausgetauschten Schicht nach thermischer Belastung und die
Druckspannung an der Oberfläche des Glases vor
thermischer Belastung größer ist als die Druckspannung an der Glasoberfläche nach thermischer Belastung.
Miniaturisiertes elektronisches Bauelement nach
Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas eine Dicke t von 300 ym oder weniger, bevorzugt von 150 ym oder weniger, besonders bevorzugt weniger von 100 ym oder weniger und ganz besonders bevorzugt von 50 ym oder weniger aufweist.
Miniaturisiertes elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ein Borosilikat- und/oder Aluminosilikatglas ist .
Miniaturisiertes elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das elektronische
Bauelement eine Dünnfilmbatterie ist.
13. Verwendung eines scheibenförmigen Glases zur
Herstellung eines miniaturisierten elektronischen Bauelements, wobei das Glas als chemisch vorgespanntes Glas vorliegt und wobei die chemische Vorspannung durch einen Ionenaustausch in einem Tauschbad erhalten wird und gekennzeichnet ist durch eine Dicke der ionenausgetauschten Schicht L DOL von mindestens 10 ym, bevorzugt mindestens 15 ym und am bevorzugtesten von mindestens 25 ym sowie eine Druckspannung an der
Oberfläche (Oes) des Glases von vorzugsweise höchstens
480 MPa, bevorzugt höchstens 300 MPa, bevorzugter höchstens 200 MPa oder auch unter 100 MPa, .
14. Verwendung eines scheibenförmigen Glases zur
Herstellung eines miniaturisierten elektronischen
Bauelements nach Anspruch 13, wobei die chemische Vorspannung in einem Lithium-Ionen enthaltenden
Tauschbad erhalten wird. 15. Verwendung eines scheibenförmigen Glases zur
Herstellung eines miniaturisierten elektronischen Bauelements nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ein Borsilikat- und/oder ein Aluminosilikatglas ist.
16. Scheibenförmiges Glas, insbesondere zur Herstellung eines miniaturisierten elektronischen Bauelements, herstellbar oder hergestellt nach einem der Ansprüche von 13 bis 15.
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