WO2017032771A1 - Bauelement und verfahren zur herstellung eines bauelements - Google Patents

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Barbara Behr
Mathias Wendt
Marcus Zenger
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01L2933/0066—Processes relating to semiconductor body packages relating to arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body

Definitions

  • the invention relates to a component. Furthermore, the invention relates to a method for producing a component.
  • an adhesive layer and / or diffusion barrier are usually present in addition to the connecting element.
  • An object of the invention is a component
  • the device should have a first metal, as an adhesive layer, diffusion barrier and
  • Connecting element that is as a solder metal, is formed.
  • the device should not be additional
  • Adhesive layers and / or have no additional diffusion barriers Adhesive layers and / or have no additional diffusion barriers.
  • the device includes a first component, a second component, and a
  • the component consists of a first component, a second component and a connecting element.
  • the connecting element is directly, ie in direct mechanical and / or electrical contact, between the first component and the second
  • Adhesive layer formed.
  • the adhesive layer is disposed on the first component and / or the second component.
  • the adhesive layer is directly on the first
  • the first metal is formed as a diffusion barrier.
  • Metal is part of a first phase and / or a second phase of the connecting element.
  • the first and / or second phase each have, in addition to the first metal, further metals other than the first metal.
  • the concentration of the first metal in the first phase is greater than the concentration of the first metal in the second phase when at least the two phases are present.
  • more than two phases for example, three, four or five phases may be present.
  • the connecting element may comprise a layer of a silicide of the first metal, which is between the
  • Adhesive layer and the first and / or second component is arranged.
  • the component has a first component and / or a second component.
  • the first component and / or the second component may be selected from a different number of materials and elements.
  • the first and / or second components may each be selected from a group including sapphire, silicon nitride, a semiconductor material
  • ceramic material comprising a metal and glass.
  • one of the two components can be one
  • Semiconductor or ceramic wafers for example, a shaped material of sapphire, silicon, germanium, silicon nitride, alumina, a luminescent ceramic, such as
  • Connecting carrier is formed. Furthermore, at least one of the components may, for example, be an electronic chip, an optoelectronic chip, a light-emitting
  • Light emitting diode a laser chip, a photodetector chip or a wafer comprising or a plurality of such chips.
  • the first component and / or the second component comprises a light-emitting light-emitting diode, in short LED.
  • the component comprising a light emitting LED is preferably adapted to emit blue light or white light.
  • the component also other colors, such as red, orange, green or
  • the light-emitting light-emitting diode comprises at least one optoelectronic semiconductor chip.
  • the optoelectronic semiconductor chip may have a semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence of the semiconductor chip is preferably based on a III-V compound semiconductor material. There are, for example, compounds from the elements
  • An active region semiconductor layer sequence may be based, for example, on nitride compound semiconductor materials. "On nitride compound semiconductor material
  • the semiconductor layer sequence or at least a part thereof comprises or consists of a nitride compound semiconductor material, preferably Al n Ga m Ini_ r m N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, O ⁇ m ⁇ 1 and n + m ⁇ 1.
  • this material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula, but it may for example contain one or more dopants and additional constituents
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, Ga , In, N), although these may be partially replaced and / or supplemented by small amounts of other substances.
  • the semiconductor layer sequence includes an active layer with at least one pn junction and / or with one or more quantum well structures. In the operation of the LED or the semiconductor chip becomes in the active layer a
  • a wavelength or a wavelength maximum of the radiation is preferably in the ultraviolet and / or visible and / or infrared
  • the component has a connection element.
  • the connecting element connects the first and the second component with each other.
  • Connecting element has a connection layer or has a plurality of connection layers.
  • the connecting element may be a mechanical connection of the first component and the second component.
  • Connecting element comprises at least a first metal.
  • the first metal may be formed as an adhesive layer or the adhesive layer may comprise the first metal.
  • adhesive layer is meant here and below that the first metal is adapted to connect the connecting element to at least the first component and / or the second component.
  • the adhesive layer is especially in direct, ie
  • additional adhesive layers and / or barrier layers are dispensed with here. This can be the
  • Manufacture of the device can be simplified and the complexity of the device can be reduced.
  • the connecting element has no titanium.
  • the connecting element has no adhesive layer which consists of gold and / or titanium or comprises these materials.
  • the connecting element has no additional diffusion barrier comprising or consisting of tantalum and / or titanium.
  • Titanium tungsten, titanium tungsten nitride, tantalum compounds such as tantalum nitride and / or gold compounds are present in the device. According to at least one embodiment, the
  • the layer of the silicide of the first metal is arranged between the adhesive layer and the first and / or second component.
  • the first metal when bonding to silicon, the first metal may be nickel, so that the adhesion layer consists of or comprises nickel nitride (Ni x Si y ).
  • the first metal of the connecting element can be formed as a diffusion barrier.
  • the first metal prevents the migration or diffusion of other species in spatial and temporal direction.
  • the first metal as a diffusion barrier prevents, for example, functional layers in a component, for example an optoelectronic component, from being specific
  • Lose properties during operation The loss of such specific properties can, for example, by
  • the first metal acts as a barrier and thus prevents or reduces the diffusion of unwanted
  • Species for example, tin, indium or silver, between the first and the second component.
  • Diffusion barrier formed as a layer and downstream of the adhesive layer.
  • the adhesive layer can take over the function of the diffusion barrier.
  • the adhesive layer is then also the diffusion barrier.
  • the first metal of the connecting element is part of a first and
  • the second phase at least the first metal. According to at least one embodiment, the first
  • the first and / or second phase respectively a second metal, a third metal and / or a fourth metal or consists thereof.
  • the connecting element can also have more than two phases, for example three, four or five phases.
  • the connecting element may also have a plurality of first phases and / or a plurality of second phases.
  • a plurality of first phases are spatially separated from one another.
  • two first phases may be spatially separated by a second phase.
  • the at least one first phase and / or the at least one second phase differ at least in their composition.
  • the connecting element consists of three phases, then two identical first phases and the second phase may be present.
  • phase is meant here an area of the connecting element in which the material is a similar or the same
  • the respective phases of the connecting element have a different type of metals.
  • the metals differ from each other within the respective phases.
  • the connecting element has at least three or four different metals in different concentrations.
  • the first phase has a first metal Mel with a concentration eil, a second metal Me2 with a concentration cl2, a third metal Me3 with a concentration cl3 and
  • the first phase consists of these three or four metals mentioned.
  • the second phase may also comprise or consist of a different type of metals.
  • the second phase may contain the same first metal Mel having a concentration c25 as that contained in the first phase, the second metal Me2 having a concentration c26 containing the same as the first phase, and the third metal Me3 containing the same as the first phase Include concentration c27 or from it
  • a fourth metal Me4 with a concentration c28 may also be present in the second phase.
  • the first metal Mel of the first phase differs from the first metal Mel of the second phase by its concentration within the corresponding one
  • the concentration is eil of the first
  • Metal Mel in the first phase greater than the concentration c25 of the first metal Mel in the second phase.
  • the first metal is selected from a group comprising nickel, platinum and palladium.
  • the first metal is nickel, which can be provided inexpensively.
  • the concentration of the first metal Mel in the diffusion barrier is greater than the concentration of the first metal in the first phase.
  • the component has a layer sequence: first component, adhesion layer, first phase, second phase, second component.
  • the concentration of the first metal in the adhesive layer is larger as the concentration of the first metal in the first phase and greater than the concentration of the first metal in the second phase. In other words, that takes away
  • the component has a layer sequence:
  • first component adhesive layer, diffusion barrier, first phase, second phase, first phase, adhesive layer,
  • Diffusion barrier second component.
  • Adhesive layer fulfill the function of the diffusion barrier, so that no separate diffusion barrier is present.
  • the concentration of the first metal in the adhesive layers is greater than the concentration of the first metal in the first phases and greater than the concentration of the first metal in the second phase. In other words, the concentration of the first metal thus decreases from the first and / or the second component in the direction of the second phase.
  • the first and / or second phase are each formed as a layer.
  • the adhesive layer and the layers are of the first
  • Adhesive layer has a layer thickness d2.
  • the layer thickness d2 of the adhesive layer is at least a factor of 2 smaller than the sum of the layer thicknesses of the first and second phases.
  • the adhesive layer may have a layer thickness of 5 nm to 50 nm.
  • the first and / or second phase can each have a layer thickness of 50 nm to 100 nm.
  • the second metal is indium and / or the third metal is tin.
  • the further metals comprise at least a fourth metal Me4.
  • the fourth metal is gold.
  • the first and / or second phase have a
  • the concentration of the first metal in the first phase is in between
  • the concentration c25 of the first metal in the second phase is between 20 atom% inclusive and 40 atom% inclusive, in particular between 25 atom% inclusive and 35 atom% inclusive, for example 30 atom%. In accordance with at least one embodiment, the concentration of the first metal in the first phase is in between
  • the concentration c25 of the first metal in the second phase is 0 atom%.
  • the second phase does not include or comprise the first metal.
  • the concentration of the second metal cl2 in the first phase is between
  • the concentration c26 of the second metal in the second phase is between 15 and 20 atom% inclusive and 40 atomic% inclusive, in particular between
  • the concentration of the second metal in the first phase is between 0 and 10 atom%, in particular between 0 and 7 atom%, for example 3 atom%.
  • the concentration c1 of the second metal in the first phase may be 0 atom%, that is, no second metal may be present in the first phase.
  • the second phase concentration c26 of the second metal is between 8 at% and
  • the concentration of the third metal cl3 in the first phase is between
  • the concentration c27 of the third metal in the second phase is between 25 and 30 at% inclusive and 50 at% inclusive, in particular between
  • the concentration of the third metal cl3 in the first phase is between
  • the concentration c27 of the third metal in the second phase is between 0 and 15 atom%, in particular between 0 and 10 atom%, for example 5 atom%.
  • Concentration of the third metal in the second phase may be 0 atom%, that is, the third metal in the second phase of the connecting element does not exist.
  • the concentration of the fourth metal in the first phase and / or second phase is between 0 and 5 atom%, for example 3 atom%.
  • the fourth metal can not be present in the first and / or second phase of the connecting element, ie 0 atom%.
  • the fourth phase concentration cl4 of the fourth metal may be between 25 atom% and 25% inclusive
  • the concentration c28 of the fourth metal in the second phase may be between
  • Fault tolerance of a maximum of 5%, in particular a maximum of 2% may have.
  • the concentrations of the first metal in the first phase may be correlated with the concentrations of the second metal in the first phase and with the concentration of the third metal in the first phase and optionally with the second metal
  • Concentration of the fourth metal in the first phase be combined with each other as desired.
  • the concentration of the first metal in the second phase may be arbitrarily combined with the concentration of the second metal in the second phase and with the concentration of the third metal in the second phase and optionally with the concentration of the fourth metal in the second phase.
  • first metal of nickel, palladium or platinum Connecting element in the first and / or second phase, a first metal of nickel, palladium or platinum, a second metal of indium, a third metal of tin and a fourth metal of gold.
  • first metal, the second metal and the third metal are suitable for mixing at a processing temperature of ⁇ 200 ° C, in particular less than 180 ° C. This can be done, for example, that the second metal and the third
  • the inventors have recognized that the first metal has several functions, such as adhesion, diffusion barrier and component the first and second phases of a pilot system.
  • Layer thickness of the adhesive layer must be chosen so that after the complete Abresure of the first and second phase, ie the solder, in the joining process, a closed sufficiently thick layer of a first metal,
  • the adhesive layer has a sufficient residual thickness in order to maintain its function as an adhesive layer and / or diffusion barrier.
  • the layer of the first metal can be applied so that it is a favorable state of tension for the respective application
  • the adhesive layer of the first metal may be a sacrificial layer or compound-forming barrier, which is part of the solder system here.
  • the surface of the first phase layer and / or the second phase layer is and / or the adhesive layer formed wavy.
  • Adhesive layer undulating In other words, that is
  • the wave-shaped configuration can be produced in particular by grains of different sizes.
  • the method of manufacturing the device preferably manufactures the device. That is, all features disclosed for the method are also disclosed for the device and vice versa.
  • the method comprises the steps of: A) providing a first component and a second component,
  • a layer of a fourth metal may also be applied.
  • the layer of the fourth metal may in particular be between the layer of the first metal and the layer of the second metal
  • step B) heating the assembly produced under step B) to a first temperature between 130 ° C and 200 ° C to form a first phase and a second phase, wherein the first and second phases of the first metal of the adhesive layer, the second metal and the third metal and optionally the fourth metal is formed.
  • step D) heating the arrangement produced under C) to a second temperature between 230 ° C and 400 ° C to form a thermodynamically and mechanically stable first and second phase, wherein at least before step D) the first and second components are joined together Component after step D) an adhesive layer with a first
  • step B Components brought together so that the applied layers lie directly on top of each other.
  • the adhesive layer of the first metal applied in step B) is already diffusion-tight.
  • step D) is not necessary to make the layer diffusion-proof.
  • thermodynamically and mechanically stable is meant here and below that the first metal has completely reacted with the second metal and the third metal and / or is completely mixed, so that the first and / or second phase has a solid state of aggregation.
  • the first and / or the second phase have a melting temperature which is different from the melting temperature of the first and / or second phase before step D), for example in the first and second phase in step C), from one another.
  • the re-melting temperature of the first and / or second phase after step D) is greater than that
  • a layer of a fourth metal is additionally applied in step B), which is at least in step C) part of the first and / or second phase, wherein after step D) of the first and / or second component of the device, the adhesive layer with the layer thickness d2 and then the first phase and then the second phase is arranged downstream.
  • the method enables the connection of a first component with a second component
  • the connecting element has both the function of adhesion, the diffusion barrier and a solder system.
  • Lotsystem is understood here and below that in particular the second and the third Metal at a low processing temperature of ⁇ 200 ° C mix and react with the first metal. They form a solid compound of a first phase and a second phase, wherein the concentration of the first and second phases of the corresponding metals are different from each other. Subsequently, the phases in a second
  • the first and / or second component is up to a first
  • the first metal and the second metal and the third metal form a ternary first and / or second phase.
  • the second and third metals melt and react with the first metal to form a ternary first and / or second phase.
  • the ternary first or second phase comprises or consists of the first, second and third metal.
  • the ternary phase can be a multiphase intermetallic layer. In the device then connect these ternary phases, the first and second components together. In particular, the components have a different coefficient of thermal expansion.
  • FIG. 1A a schematic side view of a
  • Figure 1B is a detailed view of Figure 1A
  • Figures 2A to 2B are each a schematic side view of a device according to an embodiment
  • Figures 3A and 3B are each a schematic side view of a device according to an embodiment
  • Figures 4A and 4B each a schematic side view of a device according to an embodiment
  • Figures 5A and 5B a method for producing a
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale. Rather, individual elements such as layers, components, components and areas for exaggerated representability and / or for better understanding can be displayed exaggeratedly large.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a component according to an embodiment.
  • the component 100 has a first component 1 and a second component 2. Between the first component 1 and the second
  • the Connecting element 3 comprises or consists of a layer of a first metal Mel, a first phase 31 and a second phase 32, a further first phase 31 and a further layer of the first metal Mel.
  • the layer of the first metal Mel forms the adhesion layer 4 and / or the further layer of the first metal Mel the further adhesive layer 4.
  • the layer of the first metal Mel forms the adhesive layer 4 and the
  • the layer of the first metal Mel, in particular the adhesive layer 4 both directly to the first component 1 and to the second Component 2 arranged.
  • the first component 1 and the second component 2 are, for example, selected from a group comprising sapphire, a ceramic material
  • Component 1 and the second component 2 are selected such that they have a different thermal
  • the thermal expansion coefficient differs at least by a factor of 1.5, for example by a factor of 3 or higher.
  • the connecting element 3 is in particular in direct between the first component 1 and the second component 2
  • the connecting element 3 has at least the layer Mel as the adhesive layer 4, which may additionally be a diffusion barrier 5.
  • the device 100 has two
  • the adhesive layers 4 are each directly at the respective interface to the first and second
  • the first phase 31 may consist of or comprise the following metals and the following concentrations: First metal Mel: 45 to 60 atom%,
  • the second phase 32 may consist of or include the following metals and their concentrations:
  • the further first phase 31 may then consist of or comprise the following metals and their concentrations:
  • the first phase 31 may consist of or comprise the following metals and the following concentrations: First metal Mel: 11 to 24 atom%,
  • the second phase 32 may alternatively consist of the following
  • Metals and their concentrations are or include:
  • the further first phase 31 may alternatively consist of or comprise the following metals and their concentrations: First metal Mel: 11 to 24 atomic%,
  • the fourth metal Me4 29 to 40 atom%.
  • the first metal Mel may be nickel, platinum or palladium.
  • the second metal Me2 can be indium.
  • the third metal Me3 can be tin.
  • the fourth metal Me4 can be gold.
  • the connecting element 3 has two first phases 31 and one between the two first phases
  • phase 32 is arranged second phase 32.
  • the phases are arranged between two adhesive layers 4, which at the same time
  • the Diffusion barrier 5 can be.
  • the first and second phases 31, 32 comprise at least three metals and optionally a further metal or consist thereof.
  • the concentration of the first metal Mel in the respective adhesive layer 4 is greater than the concentration eil of the first metal Mel in the first phase 31 and greater than that Concentration c25 of the first metal Mel in the second phase 32.
  • the concentration of the first metal Mel decreases from the first and / or second component 1, 2 in the direction of the second phase 32.
  • the concentration of the first metal Mel is greatest at the interface with the first and / or second component 1, 2.
  • the respective adhesive layer 4 can have good adhesion to the first and / or second component 1, 2.
  • the adhesive layers 4, the first phase 31 and / or the second phase 32 are each formed as a layer.
  • these layers are stacked on top of each other.
  • the interfaces between adjacent layers may be planar.
  • the interfaces 312 between the first phase 31 and the second phase 32 may not be planar, but may have a wave-like shape.
  • the first phase 31 can be interlocked with the second phase 32. This leads to good adhesion between the two phases 31, 32.
  • first phase 31 may be wavy.
  • first phase 31 can also be interlocked with the respective adhesive layer 4.
  • a connecting element 3 can be provided, which provides a strong connection between the first component 1 and the second component 2
  • FIGS. 2A and 2B each show a component 100 according to one embodiment and its manufacture.
  • the component of FIG. 2A shows a component 100 that is subject to the influence of Temperature, ie before the process steps C) and D), could be constructed.
  • FIG. 2B shows the finished one
  • Component 100 according to at least method step C) and / or D).
  • FIG. 2A shows a first component 1, which consists of a layer sequence 52 to 54.
  • the first component 1 has a substrate 54, for example, a
  • Sapphire substrate of a light-emitting diode can be.
  • sapphire substrate 54 On the sapphire substrate 54, a
  • Semiconductor layer sequence 5 comprises an n-type semiconductor layer 51, an active layer 52 and a p-type semiconductor layer 53.
  • the n-type semiconductor layer 51 and the p-type semiconductor layer 53 may be interchanged.
  • the active layer 52 is configured in operation to emit radiation, in particular from the visible wavelength range.
  • Semiconductor layer sequence can be grown, for example, with MOCVD processes.
  • the second component 2 can, for example, be a wafer made of an insulating ceramic material, for example a wafer made of silicon nitride. Alternatively, the second component may be a quartz glass.
  • the connecting element 3 of FIG. 2A shows a layer sequence which comprises a layer of a first metal Mel, a layer of a fourth
  • Metal Me4 a layer of a second metal Me2 and a layer of a third metal Me3.
  • this layer sequence is applied on both sides, ie on the first and second components 1, 2.
  • the individual layers of the individual metals are converted into first and second phases 31, 32.
  • first and second phases 31, 32 a plurality of first phases 31 and a plurality of second phases 32, in particular a plurality of first phases, which are spatially separated by a second phase 32, arise.
  • the layers change out of the
  • the first and / or second phase 31, 32 comprises at least the four metals Mel, Me2, Me3 and Me4.
  • the component 100 of FIG. 2B additionally shows that the layer of the first metal Mel, that is to say in particular the adhesion layer 4 and / or diffusion barrier 5, does not completely fit into the first and / or second phase 31, 32
  • the adhesive layer 4 remains after the influence of process steps C) and D) as a layer
  • the layer thickness of the adhesion layer 4 of the component 100 of FIG. 2B has a value which corresponds to one third of the layer thickness of the metal layer Mel of the component 100 of FIG. 2A. In other words, after completing the
  • Adhesive layer for example nickel silicide, of the adhesive layer 4 at least a third of their
  • the required residual layer thickness of the multifunctional layer is highly dependent on the solder system used, its thickness and on the type of multifunctional layer used, ie used material and its intrinsic properties, such as grain structure and stress.
  • the result is a device 100 of Figure 2B at least after the process step C) or D).
  • the component 100 of FIG. 2B has a layer sequence of the first component 1,
  • FIGS. 3A and 3B each show a schematic
  • FIG. 3A shows a first and a second component 1, 2, between which a layer sequence of a layer of a first metal Mel, a layer of a second metal Me2 and a layer of a third metal Me3 are applied.
  • the connecting element 3 has an adhesive layer 4 and two phases, a first phase 31 and a second phase 32.
  • the concentration of the first metal in the adhesive layer 4 is greater than the concentration eil of the first metal in the first phase 31 and greater than the concentration c25 of the first metal in the second phase 32.
  • the connecting element 3 differs from the component of Figure 2B in that the connecting element 3 has only two phases, a first phase 31 and a second phase 32, in addition to the adhesive layer 4.
  • the structure of the connecting element 3 of FIG. 3B is asymmetrical in comparison to the device 100 of FIG. 2B.
  • the unreacted layer of mel between Adhesive layer 4 and first phase 31 serves as a diffusion barrier 5.
  • FIGS. 4A and 4B each show a schematic
  • FIG. 4A shows a component 100 with a first or second component 1, 2.
  • a layer of a first metal Mel can be applied to the first or second component 1, 2.
  • the layer Mel may be followed by a layer of a second metal Me2.
  • the layer of a second metal Me2 may be followed by a layer of a third metal Me3.
  • a component 100 of FIG. 4B is formed.
  • a component 100 that has an adhesive layer 4 is formed.
  • the adhesive layer 4 is arranged directly on the first or second component 1, 2.
  • Adhesive layer 4 is a first phase 31 and a second phase 32 downstream.
  • FIGS. 5A and 5B show a method for producing a component according to an embodiment.
  • FIG. 5A shows the provision of a first component 1 and a second component 2.
  • a layer sequence of a substrate 54, a p-type semiconductor layer 53, an n-type semiconductor layer 51 and an active layer 52 is a layer of a first metal Mel with a layer thickness dl
  • the n-type semiconductor layer 51 and a p-type semiconductor layer 53 may be used
  • the layers were produced in particular by the thin-film method.
  • the layer of a first metal Mel are followed by further layers of a second metal Me2 and a third metal Me3.
  • Second component 2 On the side of Second component 2 may on its surface a layer of a first metal Mel with a layer thickness dl, followed by a layer of a second metal Me2 and subsequently a layer of a third metal Me3
  • a device 100 which has a first phase 31, a second phase 32 and a first phase 31 as a layer sequence of
  • adhesive layers 4 of the first metal Mel are on both sides of the first
  • Component 1 and the second component 2 is arranged.
  • FIG. 5B shows that the first layer mel after
  • the system can react and form a thermodynamically and mechanically stable first and second phases 31, 32. It arises
  • step D which has an adhesive layer 4 with a layer thickness d2 ⁇ dl, wherein the adhesive layer 4 produced after step D) is adhesive and diffusion-tight with respect to other species.
  • the adhesive layer 4 a layer thickness of one third of the layer thickness of the original layer of the first metal Mel des
  • a layer of a first metal Mel with a layer thickness of 425 nm
  • a layer of a second metal Me2 for example indium with a layer thickness of 150 nm
  • a layer of a third metal Me3 for example tin with a layer thickness of 225 nm, can be applied to this layer Mel.
  • a layer of a second metal Me2 for example indium with a layer thickness of 150 nm
  • a layer of a third metal Me3 for example tin with a layer thickness of 225 nm
  • connection of the two components can be done at 142 ° C.
  • a uniaxial pressure of, for example, 1 MPa can be used.
  • the components 1, 2 can be heated, in particular, a heating rate of 10 K / min
  • the pressure can be applied, in particular, the pressure can be maintained for 120 s. Cooling down
  • Room temperature can also be at a rate of 10 K / min. Subsequently, the device or the arrangement can be exposed to a second temperature, so that the first and second phases 31, 32 in the corresponding
  • the arrangement is at a second temperature between 230 ° C and 400 ° C to form a thermodynamically and mechanically stable first and second phases 31, 32 heated.
  • the annealing takes place for 120 min. This results in a first and a second phase 31, 32 and a sufficiently thick adhesive layer 4 of the first metal Mel, which can take over the function of adhesion and barrier.
  • the first metal Mel may be part of the first and / or second phase 31, 32.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements Die Erfindung betrifft ein Bauelement. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements.
Beim Verbinden von zwei Komponenten, beispielsweise von zwei Wafern, sind neben dem Verbindungselement meist zusätzlich eine Haftschicht und/oder Diffusionsbarriere vorhanden.
Insbesondere unterscheidet sich das Material des
Verbindungselements von dem Material der Haftschichten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bauelement
bereitzustellen, das einen einfacheren strukturellen Aufbau aufweist. Insbesondere soll das Bauelement ein erstes Metall aufweisen, das als Haftschicht, Diffusionsbarriere und
Bestandteil einer ersten und zweiten Phase des
Verbindungselements, also als Lotmetall, ausgeformt ist.
Insbesondere soll das Bauelement keine zusätzlichen
Haftschichten und/oder keine zusätzlichen Diffusionsbarrieren aufweisen .
Ferner ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung eines Bauelements bereitzustellen, das leicht und/oder kostengünstig durchführbar ist.
Diese Aufgaben werden durch ein Bauelement gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Ferner werden diese Aufgaben durch ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des
Verfahrens sind Gegenstand des abhängigen Anspruchs 17.
In zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine erste Komponente, eine zweite Komponente und ein
Verbindungselement auf. Insbesondere besteht das Bauelement aus einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und einem Verbindungselement. Das Verbindungselement ist direkt, also in unmittelbarem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt, zwischen der ersten Komponente und der zweiten
Komponente angeordnet. Das Verbindungselement weist zumindest ein erstes Metall auf. Das erste Metall ist als eine
Haftschicht ausgeformt. Die Haftschicht ist an der ersten Komponente und/oder zweiten Komponente angeordnet.
Insbesondere ist die Haftschicht direkt an der ersten
Komponente und/oder zweiten Komponente angeordnet. Das erste Metall ist als Diffusionsbarriere ausgeformt. Das erste
Metall ist Bestandteil einer ersten Phase und/oder einer zweiten Phase des Verbindungselements. Die erste und/oder zweite Phase weisen jeweils neben dem ersten Metall noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle auf.
Insbesondere ist die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase größer als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase, wenn zumindest die beiden Phasen vorhanden sind. Zusätzlich können auch mehr als zwei Phasen, beispielsweise drei, vier oder fünf Phasen vorhanden sein.
Zusätzlich kann das Verbindungselement eine Schicht aus einem Silizid des ersten Metalls aufweisen, die zwischen der
Haftschicht und der ersten und/oder zweiten Komponente angeordnet ist. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine erste Komponente und/oder eine zweite Komponente auf. Die erste Komponente und/oder die zweite Komponente können aus einer verschiedenen Anzahl von Materialien und Elementen gewählt sein. Die erste und/oder zweite Komponente können beispielsweise jeweils aus einer Gruppe ausgewählt sein, die Saphir, Siliziumnitrid, ein Halbleitermaterial, ein
keramisches Material, ein Metall und Glas umfasst. Zum Beispiel kann einer der beiden Komponenten ein
Halbleiter- oder Keramikwafer, zum Beispiel ein geformtes Material aus Saphir, Silizium, Germanium, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, einer lumineszierenden Keramik, wie zum
Beispiel YAG, sein. Ferner ist es möglich, dass zumindest eine Komponente als Printed Circuit Board (PCB) , als
metallischer Leiterrahmen oder als eine andere Art von
Verbindungsträger ausgeformt ist. Ferner kann zumindest eine der Komponenten beispielsweise einen elektronischen Chip, einen optoelektronischen Chip, eine lichtemittierende
Leuchtdiode, einen Laserchip, einen Fotodetektorchip oder einen Wafer umfassenden oder eine Mehrzahl von solchen Chips aufweisen. Insbesondere umfasst die erste Komponente und/oder die zweite Komponente eine lichtemittierende Leuchtdiode, kurz LED.
Die eine lichtemittierende Leuchtdiode umfassende Komponente ist bevorzugt dazu eingerichtet, blaues Licht oder weißes Licht zu emittieren. Alternativ kann die Komponente auch andere Farben, beispielsweise rot, orange, grün oder
Strahlung aus dem IR-Bereich oder eines Lasers emittieren. Die lichtemittierende Leuchtdiode umfasst zumindest einen optoelektronischen Halbleiterchip. Der optoelektronische Halbleiterchip kann eine Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterchips basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial . Es werden beispielsweise Verbindungen aus den Elementen
verwendet, die aus Indium, Gallium, Aluminium, Stickstoff, Phosphor, Arsen, Sauerstoff, Silicium, Kohlenstoff und
Kombination daraus gewählt sein können. Es können aber auch andere Elemente und Zusätze verwendet werden. Die
Halbleiterschichtenfolge mit einem aktiven Bereich kann beispielsweise auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basieren. "Auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial
basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest ein Teil davon ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlnGamIni_r mN, aufweist oder aus diesem besteht, wobei 0 ^ n < 1, O ^ m ^ 1 und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet eine aktive Schicht mit mindestens einem pn-Übergang und/oder mit einer oder mit mehreren Quantentopfstrukturen . Im Betrieb der LED oder des Halbleiterchips wird in der aktiven Schicht eine
elektromagnetische Strahlung erzeugt. Eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenmaximum der Strahlung liegt bevorzugt im ultravioletten und/oder sichtbaren und/oder infraroten
Spektralbereich, insbesondere bei Wellenlängen zwischen einschließlich 420 nm und 800 nm, zum Beispiel zwischen einschließlich 440 nm und 480 nm. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement ein Verbindungselement auf. Das Verbindungselement verbindet die erste und die zweite Komponente miteinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Verbindungselement eine Verbindungsschicht oder weist eine Mehrzahl von Verbindungsschichten auf. Beispielsweise kann das Verbindungselement eine mechanische Verbindung der ersten Komponente und der zweiten Komponente sein. Ferner kann auch eine elektrische Verbindung der ersten Komponente mit der zweiten Komponente über das
Verbindungselement erfolgen. Insbesondere ist das
Verbindungselement in direktem mechanischem und/oder
elektrischem Kontakt, also direkt, zur ersten Komponente als auch zur zweiten Komponente angeordnet. Das
Verbindungselement umfasst zumindest ein erstes Metall. Das erste Metall kann als Haftschicht ausgeformt sein oder die Haftschicht das erste Metall umfassen. Mit "Haftschicht" ist hier und im Folgenden gemeint, dass das erste Metall zur Anbindung des Verbindungselements an zumindest die erste Komponente und/oder die zweite Komponente eingerichtet ist. Die Haftschicht ist insbesondere in direktem, also
unmittelbarem, mechanischem und/oder elektrischem Kontakt an der ersten Komponente und/oder zweiten Komponente angeordnet. Mit anderen Worten sind dann keine weiteren Schichten, insbesondere keine weiteren Haftschichten außer die
Haftschicht aus dem ersten Metall und/oder keine weiteren Diffusionsbarrieren außer die Diffusionsbarriere aus dem ersten Metall, zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente angeordnet. Mit anderen Worten werden hier auf weitere Haftschichten und/oder Barriereschichten verzichtet. Damit kann die
Herstellung von dem Bauelement vereinfacht werden und die Komplexität des Bauelements reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das
Verbindungselement frei von den folgenden Elementen in freier oder gebundener Form: Titan, Tantal, Wolfram und/oder
Stickstoff. Beispielsweise weist das Verbindungselement kein Titan auf. Insbesondere weist das Verbindungselement keine Haftschicht auf, welche aus Gold und/oder Titan besteht oder diese Materialien umfasst. Insbesondere weist das Verbindungselement keine zusätzliche Diffusionsbarriere auf, die Tantal und/oder Titan umfasst oder daraus besteht.
Insbesondere sind keine Diffusionsbarriereschichten und/oder Haftschichten aus Titanverbindungen, wie Titannitrid,
Titanwolfram, Titanwolframnitrid, Tantalverbindungen, wie Tantalnitrid und/oder Goldverbindungen in dem Bauelement vorhanden . Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Verbindungselement eine Schicht aus einem Silizid des ersten Metalls auf. Insbesondere ist zwischen der Haftschicht und der ersten und/oder zweiten Komponente die Schicht aus dem Silizid des ersten Metalls angeordnet. Beispielsweise kann beim Bonden auf Silizium das erste Metall Nickel sein, so dass die Haftschicht aus Nicke1si1i zid (NixSiy) besteht oder dieses umfasst. Das erste Metall des Verbindungselements kann als Diffusionsbarriere ausgeformt sein. Dadurch verhindert das erste Metall die Wanderung oder Diffusion anderer Spezies in räumlicher und zeitlicher Richtung. Insbesondere verhindert das erste Metall als Diffusionsbarriere beispielsweise, dass funktionelle Schichten in einem Bauelement, beispielsweise einem optoelektronischen Bauelement, ihre spezifischen
Eigenschaften im Betrieb verlieren. Der Verlust solcher spezifischen Eigenschaften kann beispielsweise durch
Diffusion anderer Bestandteile in funktionelle Schichten führen. Dies führt meist zur Degradation und unter Umständen sogar zum Versagen des Bauelements.
Das erste Metall wirkt hier also als Barriere und verhindert oder vermindert somit die Diffusion von ungewünschten
Spezies, beispielsweise Zinn, Indium oder Silber, zwischen der ersten und der zweiten Komponente.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Diffusionsbarriere als Schicht ausgeformt und der Haftschicht direkt nachgeordnet. Alternativ kann die Haftschicht die Funktion der Diffusionsbarriere übernehmen. Mit anderen
Worten ist die Haftschicht dann auch die Diffusionsbarriere.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall des Verbindungselements Bestandteil einer ersten und
gegebenenfalls einer zweiten Phase des Verbindungselements. Mit anderen Worten umfasst die erste Phase und
gegebenenfalls die zweite Phase zumindest das erste Metall. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die erste
und/oder zweite Phase jeweils neben dem ersten Metall noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle auf.
Beispielsweise weist die erste und/oder zweite Phase jeweils ein zweites Metall, ein drittes Metall und/oder ein viertes Metall auf oder besteht daraus.
Das Verbindungselement kann aber auch mehr als zwei Phasen, beispielsweise drei, vier oder fünf Phasen, aufweisen. Das Verbindungselement kann auch mehrere erste Phasen und/oder mehrere zweite Phasen aufweisen. Insbesondere sind mehrere erste Phasen voneinander räumlich getrennt. Beispielsweise können zwei erste Phasen durch eine zweite Phase räumlich voneinander getrennt sein. Die zumindest eine erste Phase und/oder die zumindest eine zweite Phase unterscheiden sich zumindest in ihrer Zusammensetzung. Besteht beispielsweise das Verbindungselement aus drei Phasen, so können zwei identische erste Phasen und die zweite Phase vorhanden sein.
Mit "Phase" ist hier ein Bereich des Verbindungselements gemeint, in dem das Material eine ähnliche oder gleiche
Zusammensetzung aufweist und damit ähnliche oder gleiche physikalische Eigenschaften, beispielsweise eine ähnliche oder gleiche Schmelztemperatur, vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die jeweiligen Phasen des Verbindungselements eine unterschiedliche Art von Metallen auf. Insbesondere unterscheiden sich die Metalle innerhalb der entsprechenden Phasen voneinander.
Beispielweise weist das Verbindungselement in der ersten Phase zumindest drei oder vier unterschiedliche Metalle in unterschiedlichen Konzentrationen auf. Insbesondere weist die erste Phase ein erstes Metall Mel mit einer Konzentration eil, ein zweites Metall Me2 mit einer Konzentration cl2, ein drittes Metall Me3 mit einer Konzentration cl3 und
gegebenenfalls ein viertes Metall Me4 mit einer Konzentration cl4. Insbesondere besteht die erste Phase aus diesen drei oder vier genannten Metallen. Die zweite Phase kann ebenfalls eine unterschiedliche Art von Metallen aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann die zweite Phase das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende erste Metall Mel mit einer Konzentration c25, das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende zweite Metall Me2 mit einer Konzentration c26 und das gleiche wie in der ersten Phase enthaltende dritte Metall Me3 mit einer Konzentration c27 umfassen oder daraus
bestehen. Alternativ oder zusätzlich können auch noch weitere Metalle, beispielsweise ein viertes Metall Me4 mit einer Konzentration c28, in der zweiten Phase vorhanden sein.
Insbesondere unterscheidet sich das erste Metall Mel der ersten Phase von dem ersten Metall Mel der zweiten Phase durch seine Konzentration innerhalb der entsprechenden
Phasen. Insbesondere ist die Konzentration eil des ersten
Metalls Mel in der ersten Phase größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls Mel in der zweiten Phase.
Insbesondere bilden die entsprechenden Metalle in den
entsprechenden Phasen eine Legierung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall aus einer Gruppe ausgewählt, die Nickel, Platin und Palladium umfasst. Vorzugsweise ist das erste Metall Nickel, das kostengünstig zur Verfügung gestellt werden kann.
Insbesondere ist alternativ oder zusätzlich die Konzentration des ersten Metalls Mel in der Diffusionsbarriere größer als die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Bauelement eine Schichtenfolge auf: erste Komponente, Haftschicht, erste Phase, zweite Phase, zweite Komponente. Insbesondere ist die Konzentration des ersten Metalls in der Haftschicht größer als die Konzentration des ersten Metalls in der ersten Phase und größer als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase. Mit anderen Worten nimmt damit die
Konzentration des ersten Metalls von der Haftschicht in
Richtung zweite Phase ab.
Alternativ weist das Bauelement eine Schichtenfolge auf:
erste Komponente, Haftschicht, Diffusionsbarriere, erste Phase, zweite Phase, erste Phase, Haftschicht,
Diffusionsbarriere, zweite Komponente. Alternativ kann die
Haftschicht die Funktion der Diffusionsbarriere erfüllen, so dass keine separate Diffusionsbarriere vorhanden ist.
Insbesondere ist die Konzentration des ersten Metalls in den Haftschichten größer als die Konzentration des ersten Metalls in den ersten Phasen und größer als die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase. Mit anderen Worten nimmt damit die Konzentration des ersten Metalls von der ersten und/oder der zweiten Komponente in Richtung zweite Phase ab. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste und/oder zweite Phase jeweils als Schicht ausgeformt. Insbesondere sind die Haftschicht und die Schichten aus der ersten
und/oder der zweiten Phasen übereinandergestapelt . Die
Haftschicht weist eine Schichtdicke d2 auf. Insbesondere ist die Schichtdicke d2 der Haftschicht mindestens um den Faktor 2 kleiner als die Summe der Schichtdicken der ersten und zweiten Phase.
Die Haftschicht kann eine Schichtdicke von 5 nm bis 50 nm aufweisen. Die erste und/oder zweite Phase können jeweils eine Schichtdicke von 50 nm bis 100 nm aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das zweite Metall Indium und/oder das dritte Metall Zinn. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfassen die weiteren Metalle zumindest ein viertes Metall Me4. Insbesondere ist das vierte Metall Gold.
Insbesondere weisen die erste und/oder zweite Phase ein
System aus NilnSn, AuInSn, NiSn, Niln und/oder PtSn auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration eil des ersten Metalls in der ersten Phase zwischen
einschließlich 40 Atom% und einschließlich 65 Atom%,
insbesondere zwischen einschließlich 45 Atom% und
einschließlich 60 Atom%, beispielsweise 50 Atom% . Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c25 des ersten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 25 Atom% und einschließlich 35 Atom%, beispielsweise 30 Atom% . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration eil des ersten Metalls in der ersten Phase zwischen
einschließlich 8 Atom% und einschließlich 30 Atom%,
insbesondere zwischen einschließlich 11 Atom% und
einschließlich 25 Atom %, beispielsweise 20 Atom% . Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c25 des ersten Metalls in der zweiten Phase 0 Atom% . Mit anderen Worten umfasst oder weist die zweite Phase das erste Metall nicht auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration cl2 des zweiten Metalls in der ersten Phase zwischen
einschließlich 5 Atom% und einschließlich 25 Atom%,
insbesondere zwischen einschließlich 8 Atom% und
einschließlich 20 Atom%, beispielsweise 15 Atom% . Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c26 des zweiten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 15 oder 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, insbesondere zwischen
einschließlich 20 Atom% und einschließlich 35 Atom%,
beispielsweise 25 Atom% .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration cl2 des zweiten Metalls in der ersten Phase zwischen 0 und 10 Atom%, insbesondere zwischen 0 und einschließlich 7 Atom%, beispielsweise 3 Atom% . Die Konzentration cl2 des zweiten Metalls in der ersten Phase kann 0 Atom% sein, also kein zweites Metall in der ersten Phase vorliegen. Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c26 des zweiten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 8 Atom% und
einschließlich 35 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 13 Atom% und einschließlich 29 Atom%, beispielsweise 20
Atom% .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration cl3 des dritten Metalls in der ersten Phase zwischen
einschließlich 15 Atom% und einschließlich 45 Atom%,
insbesondere zwischen einschließlich 15 oder 20 Atom% und einschließlich 40 Atom%, beispielsweise 30 Atom% . Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c27 des dritten Metalls in der zweiten Phase zwischen einschließlich 25 oder 30 Atom% und einschließlich 50 Atom%, insbesondere zwischen
einschließlich 30 Atom% und einschließlich 45 Atom%,
beispielsweise 35 Atom% . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration cl3 des dritten Metalls in der ersten Phase zwischen
einschließlich 35 Atom% und einschließlich 55 Atom%,
insbesondere zwischen einschließlich 41 Atom% und einschließlich 50 Atom%, beispielsweise 45 Atom% . Alternativ oder zusätzlich ist die Konzentration c27 des dritten Metalls in der zweiten Phase zwischen 0 und 15 Atom%, insbesondere zwischen 0 und 10 Atom%, beispielsweise 5 Atom% . Die
Konzentration des dritten Metalls in der zweiten Phase kann 0 Atom% sein, also das dritte Metall in der zweiten Phase des Verbindungselements nicht vorhanden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Konzentration cl4 des vierten Metalls in der ersten Phase und/oder zweiten Phase zwischen 0 und 5 Atom%, beispielsweise 3 Atom% . Das vierte Metall kann in der ersten und/oder zweiten Phase des Verbindungselements nicht vorhanden, also 0 Atom%, sein.
Alternativ kann die Konzentration cl4 des vierten Metalls in der ersten Phase zwischen einschließlich 25 Atom% und
einschließlich 45 Atom%, insbesondere zwischen einschließlich 28 Atom% und einschließlich 40 Atom% sein, beispielsweise 30 Atom% sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Konzentration c28 des vierten Metalls in der zweiten Phase zwischen
einschließlich 65 Atom% und einschließlich 88 Atom%,
insbesondere zwischen einschließlich 71 Atom% und
einschließlich 83 Atom%, beispielsweise 80 Atom% sein.
Die Konzentrationen wurden mittels EDX (engl, energy
dispersive X-ray spectroscopy) bestimmt, die eine
Fehlertoleranz von maximal 5 %, insbesondere maximal 2 % aufweisen kann.
Insbesondere können die Konzentrationen des ersten Metalls in der ersten Phase mit den Konzentrationen des zweiten Metalls in der ersten Phase und mit der Konzentration des dritten Metalls in der ersten Phase und gegebenenfalls mit der
Konzentration des vierten Metalls in der ersten Phase beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Konzentration des ersten Metalls in der zweiten Phase mit der Konzentration des zweiten Metalls in der zweiten Phase und mit der Konzentration des dritten Metalls in der zweiten Phase und gegebenenfalls mit der Konzentration des vierten Metalls in der zweiten Phase beliebig miteinander kombiniert werden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Verbindungselement in der ersten und/oder zweiten Phase ein erstes Metall aus Nickel, Palladium oder Platin, ein zweites Metall aus Indium und ein drittes Metall aus Zinn auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das
Verbindungselement in der ersten und/oder zweiten Phase ein erstes Metall aus Nickel, Palladium oder Platin, ein zweites Metall aus Indium, ein drittes Metall aus Zinn und ein viertes Metall aus Gold auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das erste Metall, das zweite Metall und das dritte Metall dazu geeignet, sich bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C, insbesondere kleiner als 180 °C, zu mischen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das zweite Metall und das dritte
Metall bei einer Verarbeitungstemperatur von < 200 °C oder < 120 °C in den flüssigen Aggregatszustand übergehen und mit einem festen ersten Metall reagieren. Es resultiert daraus eine erste Phase und/oder eine zweite Phase, die eine
unterschiedliche Konzentrationszusammensetzung der
entsprechenden Metalle aufweist.
Die Erfinder haben erkannt, dass das erste Metall mehrere Funktionen, wie Haftung, Diffusionsbarriere und Bestandteil der ersten und zweiten Phase für ein Lotsystem, erfüllt.
Weitere Haftschichten und/oder Diffusionsbarrieren aus anderen Materialien sind daher nicht erforderlich. Insbesondere werden die in dem Lotsystem enthaltenen
Schichten in Bezug auf ihre Dicke und Eigenschaft so
optimiert, dass die außenliegenden Schichten des
Lotmetallstapels dieser Aufgabe bereits gerecht werden. Somit wird es ermöglicht, auf dezidierte Haftschichten und
Diffusionsbarrieren zu verzichten, was die notwendigen
Prozessschritte zur Herstellung von Komponenten, insbesondere Dünnfilm-LEDs verringert und somit die Komplexibilität des Bauteils reduziert. Die Dicken der individuellen Schichten, insbesondere die
Schichtdicke der Haftschicht, müssen so gewählt sein, dass nach der vollständigen Abreaktion der ersten und zweiten Phase, also des Lotes, beim Fügeprozess eine geschlossene ausreichend dicke Schicht aus einem ersten Metall,
insbesondere die Haftschicht, bestehen bleibt. Die
entstandenen Phasen müssen ausreichend thermodynamisch und mechanisch stabil sein. Insbesondere weist die Haftschicht nach Bildung der ersten und zweiten Phase eine ausreichende Restdicke auf, um ihre Funktion als Haftschicht und/oder Diffusionsbarriere aufrechtzuerhalten. Zudem kann die Schicht aus dem ersten Metall so aufgebracht werden, dass sie ein für die jeweilige Anwendung günstigen Verspannungszustand
aufweist. Die Haftschicht aus dem ersten Metall kann eine Opferschicht oder verbindungsbildende Barriere sein, welche hier Bestandteil des Lotsystems ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Oberfläche der ersten Phasenschicht und/oder der zweiten Phasenschicht und/oder der Haftschicht wellenförmig ausgeformt.
Insbesondere sind die aneinandergrenzenden Oberflächen der ersten und/oder zweiten Phasenschicht und/oder der
Haftschicht wellenförmig. Mit anderen Worten ist die
Oberfläche der jeweiligen Schicht nicht planar, sondern die Schichten verzahnen sich ineinander aufgrund ihrer
wellenförmigen Ausformung. Die wellenförmige Ausgestaltung kann insbesondere durch Körner unterschiedlicher Größe erzeugt werden.
Es wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauelements angegeben. Das Verfahren zur Herstellung des Bauelements stellt vorzugsweise das Bauelement her. Das heißt, sämtliche für das Verfahren offenbarten Merkmale sind auch für das Bauelement offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf: A) Bereitstellen einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente,
B) Aufbringen zumindest einer Haftschicht aus einem ersten Metall mit einer Schichtdicke dl auf die erste und/oder zweite Komponente. Zusätzliches Aufbringen zumindest einer
Schicht aus einem zweiten Metall und zumindest einer Schicht aus einem dritten Metall auf die Haftschicht, wobei das erste und/oder zweite und/oder dritte Metall voneinander
verschieden sind. Alternativ kann auch eine Schicht aus einem vierten Metall aufgebracht werden. Die Schicht aus dem vierten Metall kann insbesondere zwischen der Schicht aus dem ersten Metall und der Schicht aus dem zweiten Metall
angeordnet sein. C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf eine erste Temperatur zwischen 130 °C und 200 °C zur Ausbildung einer ersten Phase und einer zweiten Phase, wobei die erste und zweite Phase aus dem ersten Metall der Haftschicht, dem zweiten Metall und dem dritten Metall und gegebenenfalls dem vierten Metall gebildet wird.
D) Heizen der unter C) erzeugten Anordnung auf eine zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C zur Ausbildung einer thermodynamisch und mechanisch stabilen ersten und zweiten Phase, wobei zumindest vor Schritt D) die erste und zweite Komponente miteinander verbunden werden, wobei das Bauelement nach Schritt D) eine Haftschicht mit einer ersten
Schichtdicke d2 < dl aufweist, wobei die nach Schritt D) erzeugte Haftschicht haftend und diffusionsdicht ist, und wobei die Haftschicht zwischen der ersten Phase und der ersten Komponente und/oder der ersten Phase und der zweiten Komponente angeordnet ist. Insbesondere werden die
Komponenten aufeinander gebracht, so dass die aufgebrachten Schichten direkt aufeinanderliegen . Insbesondere ist die im Schritt B) aufgebrachte Haftschicht aus dem ersten Metall bereits diffusionsdicht. Mit anderen Worten ist der Schritt D) nicht notwendig, um die Schicht diffusionsdicht zu machen.
Mit "thermodynamisch und mechanisch stabil" wird hier und im Folgenden verstanden, dass das erste Metall mit dem zweiten Metall und dem dritten Metall vollständig reagiert hat und/oder vollständig vermischt ist, sodass die erste und/oder zweite Phase einen festen Aggregatszustand aufweist.
Insbesondere weisen dann nach Schritt D) die erste und/oder die zweite Phase eine AufSchmelztemperatur auf, die sich von der AufSchmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase vor Schritt D) , beispielsweise in der ersten und zweiten Phase im Schritt C) , voneinander unterscheidet. Insbesondere ist die WiederaufSchmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase nach Schritt D) größer als die
WiederaufSchmelztemperatur der ersten und/oder zweiten Phase vor Schritt D) , beispielsweise in Schritt C) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet das
Verbindungselement zumindest im Schritt C) eine feste
Verbindung zu der ersten Komponente und der zweiten
Komponente aus .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt zwischen
Schritt C) und D) ein weiterer Schritt Cl) :
Cl) Abkühlen der unter Schritt C) erzeugten Anordnung auf Raumtemperatur. Mit Raumtemperatur wird hier insbesondere eine Temperatur von 25 °C verstanden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) zusätzlich eine Schicht aus einem vierten Metall aufgebracht, das zumindest im Schritt C) Bestandteil der ersten und/oder zweiten Phase ist, wobei nach Schritt D) der ersten und/oder zweiten Komponente des Bauelements die Haftschicht mit der Schichtdicke d2 und dann die erste Phase und dann die zweite Phase nachgeordnet ist.
Mit anderen Worten ermöglicht das Verfahren die Verbindung einer ersten mit einer zweiten Komponente durch ein
Verbindungselement. Dabei weist das Verbindungselement sowohl die Funktion der Haftung, der Diffusionsbarriere und eines Lotsystems auf. Mit Lotsystem wird hier und im Folgenden verstanden, dass insbesondere das zweite und das dritte Metall bei einer niedrigen Verarbeitungstemperatur von < 200 °C sich vermischen und mit dem ersten Metall reagieren. Dabei bilden sie eine feste Verbindung einer ersten Phase und einer zweiten Phase, wobei die Konzentration der ersten und zweiten Phasen der entsprechenden Metalle voneinander verschieden ist. Anschließend können die Phasen in einem zweiten
Temperaturschritt erhitzt werden, damit diese
thermomechanisch stabil werden. Insbesondere weist das
Bauelement an der Grenzfläche zwischen Diffusionsbarriere und Komponente die Haftschicht auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die erste und/oder zweite Komponente bis zu einer ersten
Temperatur aufgeheizt, beispielsweise bis zu einer ersten Temperatur von maximal 200 °C oder maximal 180 °C. Dabei bilden das erste Metall und das zweite Metall und das dritte Metall eine ternäre erste und/oder zweite Phase. Insbesondere schmelzen das zweite und das dritte Metall aufgrund ihrer Eignung zur Bildung eines Eutektikums auf und reagieren mit dem ersten Metall zu einer ternären ersten und/oder zweiten Phase. Die ternäre erste oder zweite Phase umfasst oder besteht aus dem ersten, zweiten und dritten Metall. Die ternäre Phase kann eine mehrphasige intermetallische Schicht sein. Im Bauelement verbinden dann diese ternären Phasen die erste und zweite Komponente miteinander. Insbesondere weisen die Komponenten einen unterschiedlich starken thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen . Die Figuren zeigen: die Figur 1A eine schematische Seitenansicht eines
Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figur 1B eine detaillierte Ansicht der Figur 1A, die Figuren 2A bis 2B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figur 3A und 3B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figur 4A und 4B jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform, die Figuren 5A und 5B ein Verfahren zur Herstellung eines
Bauelements gemäß einer Ausführungsform.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt werden.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Das Bauelement 100 weist eine erste Komponente 1 und eine zweite Komponente 2 auf. Zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten
Komponente 2 ist ein Verbindungselement 3 angeordnet. Das Verbindungselement 3 umfasst oder besteht aus einer Schicht eines ersten Metalls Mel, aus einer ersten Phase 31 und einer zweiten Phase 32, einer weiteren ersten Phase 31 und einer weiteren Schicht aus dem ersten Metall Mel. Insbesondere bildet die Schicht aus dem ersten Metall Mel die Haftschicht 4 und/oder die weitere Schicht aus dem ersten Metall Mel die weitere Haftschicht 4. Alternativ bildet die Schicht aus dem ersten Metall Mel die Haftschicht 4 und die
Diffusionsbarriere 5 und/oder die weitere Schicht aus dem ersten Metall Mel die weitere Haftschicht 4 und eine weitere Diffusionsbarriere 5. Insbesondere ist die Schicht aus dem ersten Metall Mel, insbesondere die Haftschicht 4, sowohl direkt an der ersten Komponente 1 als auch an der zweiten Komponente 2 angeordnet. Die erste Komponente 1 und die zweite Komponente 2 sind zum Beispiel ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Saphir, ein keramisches Material, ein
Halbleitermaterial und ein Metall. Dabei kann die erste
Komponente 1 und die zweite Komponente 2 derart ausgewählt werden, dass sie einen unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere
unterscheidet sich der thermische Ausdehnungskoeffizient mindestens um den Faktor 1,5, zum Beispiel um den Faktor 3 oder höher. Das Verbindungselement 3 ist zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 insbesondere in direktem
mechanischem und/oder elektrischem Kontakt angeordnet. Das Verbindungselement 3 weist zumindest die Schicht Mel als Haftschicht 4, welche zusätzlich eine Diffusionsbarriere 5 sein kann, auf. Insbesondere weist das Bauelement 100 zwei
Haftschichten 4 auf. Die Haftschichten 4 sind jeweils direkt an der jeweiligen Grenzfläche zur ersten und zweiten
Komponente 1, 2 angeordnet. Die erste Phase 31 kann aus den folgenden Metallen und den folgenden Konzentrationen bestehen oder diese umfassen: Erstes Metall Mel: 45 bis 60 Atom%,
zweites Metall Me2 : 8 bis 20 Atom%,
drittes Metall Me3: 20 bis 40 Atom%,
viertes Metall Me4 : 0 bis 5 Atom% . Die zweite Phase 32 kann aus den folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
Erstes Metall Mel: 25 bis 35 Atom%,
zweites Metall Me2 : 20 bis 35 Atom%,
drittes Metall Me3: 30 bis 45 Atom%,
viertes Metall Me4 : 0 bis 5 Atom% .
Die weitere erste Phase 31 kann dann aus folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen:
Erstes Metall Mel: 45 bis 60 Atom%,
zweites Metall Me2 : 8 bis 20 Atom%,
drittes Metall Me3: 20 bis 40 Atom%,
viertes Metall Me4 : 0 bis 5 Atom% .
Alternativ kann beispielsweise die erste Phase 31 aus den folgenden Metallen und den folgenden Konzentrationen bestehen oder diese umfassen: Erstes Metall Mel: 11 bis 24 Atom%,
zweites Metall Me2 : 0 bis 7 Atom%,
drittes Metall Me3: 42 bis 50 Atom%,
viertes Metall Me4 : 29 bis 40 Atom% . Die zweite Phase 32 kann alternativ aus den folgenden
Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen :
Erstes Metall Mel: 0 Atom%,
zweites Metall Me2 : 13 bis 22 Atom%,
drittes Metall Me3: 3 bis 10 Atom%,
viertes Metall Me4 : 71 bis 83 Atom% .
Die weitere erste Phase 31 kann alternativ aus folgenden Metallen und deren Konzentrationen bestehen oder diese umfassen : Erstes Metall Mel: 11 bis 24 Atom%,
zweites Metall Me2 : 0 bis 7 Atom%,
drittes Metall Me3: 42 bis 50 Atom%,
viertes Metall Me4 : 29 bis 40 Atom% . Das erste Metall Mel kann Nickel, Platin oder Palladium sein. Das zweite Metall Me2 kann Indium sein. Das dritte Metall Me3 kann Zinn sein. Das vierte Metall Me4 kann Gold sein.
Mit anderen Worten weist das Verbindungselement 3 zwei erste Phasen 31 und eine zwischen den zwei ersten Phasen
angeordnete zweite Phase 32 auf. Die Phasen sind zwischen zwei Haftschichten 4 angeordnet, die gleichzeitig die
Diffusionsbarriere 5 sein können. Die erste und zweite Phase 31, 32 umfassen zumindest drei Metalle und gegebenenfalls ein weiteres Metall oder bestehen daraus. Dabei ist insbesondere die Konzentration des ersten Metalls Mel in der jeweiligen Haftschicht 4 größer als die Konzentration eil des ersten Metalls Mel in der ersten Phase 31 und größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls Mel in der zweiten Phase 32. Mit anderen Worten nimmt die Konzentration des ersten Metalls Mel von der ersten und/oder zweiten Komponente 1, 2 in Richtung zweite Phase 32 ab. Die Konzentration des ersten Metalls Mel ist an der Grenzfläche zur ersten und/oder zweiten Komponente 1, 2 am größten. Damit kann die jeweilige Haftschicht 4 eine gute Haftung gegenüber der ersten und/oder zweiten Komponente 1, 2 aufweisen. Das verbleibende
elementare Mel zwischen der Haftschicht 4 und der ersten Phase 31 dient als Diffusionsbarriere.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Haftschichten 4, die erste Phase 31 und/oder die zweite Phase 32 jeweils als Schicht ausgeformt. Insbesondere sind diese Schichten übereinandergestapelt . Die Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten können planar sein. Alternativ können wie in Figur 1B gezeigt die Grenzflächen 312 zwischen der ersten Phase 31 und der zweiten Phase 32 nicht planar sein, sondern eine wellenförmige Form aufweisen. Dadurch kann die erste Phase 31 mit der zweiten Phase 32 verzahnt werden. Dies führt zu einer guten Haftung zwischen den beiden Phasen 31, 32.
Zusätzlich kann die Grenzfläche zwischen der ersten Phase 31 und der jeweiligen Haftschicht 4 wellenförmig sein. Dadurch kann auch die erste Phase 31 mit der jeweiligen Haftschicht 4 verzahnt werden. Dadurch kann ein Verbindungselement 3 bereitgestellt werden, das eine starke Verbindung zwischen der ersten Komponente 1 und der zweiten Komponente 2
aufweist .
Die Figuren 2A und 2B zeigen jeweils ein Bauelement 100 gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement der Figur 2A zeigt ein Bauelement 100, das vor Einfluss der Temperatur, also vor den Verfahrensschritten C) und D) , aufgebaut sein könnte. Die Figur 2B zeigt das fertige
Bauelement 100 nach zumindest Verfahrensschritt C) und/oder D) .
Die Figur 2A zeigt eine erste Komponente 1, die aus einer Schichtenfolge 52 bis 54 besteht. Die erste Komponente 1 weist ein Substrat 54 auf, das beispielsweise ein
Saphirsubstrat einer lichtemittierenden Leuchtdiode sein kann. Auf dem Saphirsubstrat 54 kann eine
Halbleiterschichtenfolge 5 aufgebracht werden. Die
Halbleiterschichtenfolge 5 umfasst eine n-Halbleiterschicht 51, eine aktive Schicht 52 und eine p-Halbleiterschicht 53. Alternativ können die n-Halbleiterschicht 51 und die p- Halbleiterschicht 53 vertauscht sein. Die aktive Schicht 52 ist im Betrieb dazu eingerichtet, Strahlung insbesondere aus dem sichtbaren Wellenlängenbereich zu emittieren. Die
Halbleiterschichtenfolge kann beispielsweise mit MOCVD- Prozessen aufgewachsen werden.
Die zweite Komponente 2 kann beispielsweise ein Wafer aus einem isolierenden keramischen Material, beispielsweise ein Wafer aus Siliziumnitrid, sein. Alternativ kann die zweite Komponente ein Quarzglas sein. Das Verbindungselement 3 der Figur 2A zeigt eine Schichtenfolge, welche eine Schicht aus einem ersten Metall Mel, eine Schicht aus einem vierten
Metall Me4, eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufweist.
Insbesondere ist diese Schichtenfolge beidseitig, also auf der ersten und zweiten Komponente 1, 2, aufgebracht. Nach
Einfluss von Temperatur, zumindest nach dem Verfahrensschritt C) und/oder D) , wandeln sich die einzelnen Schichten der einzelnen Metalle in erste und zweite Phasen 31, 32 um. Alternativ können auch mehrere erste Phasen 31 und mehrere zweite Phasen 32, insbesondere mehrere erste Phasen, welche räumlich durch eine zweite Phase 32 getrennt sind, entstehen. Mit anderen Worten wandeln sich die Schichten aus dem
vierten, zweiten und dritten Metall und die Schicht des ersten Metalls zumindest teilweise oder vollständig in die erste und/oder zweite Phase 31, 32 um. Die erste und/oder zweite Phase 31, 32 umfasst zumindest die vier Metalle Mel, Me2, Me3 und Me4.
Das Bauelement 100 der Figur 2B zeigt zusätzlich, dass sich die Schicht des ersten Metalls Mel, also insbesondere die Haftschicht 4 und/oder Diffusionsbarriere 5, sich nicht vollständig in die erste und/oder zweite Phase 31, 32
umwandelt. Mit anderen Worten bleibt die Haftschicht 4 nach Einfluss der Verfahrensschritte C) und D) als Schicht
ausgeformt. Es wird lediglich die Schichtdicke der ersten Metallschicht Mel im Bauelement 100 der Figur 2B im Vergleich zum Bauelement 100 der Figur 2A verkleinert. Insbesondere weist die Schichtdicke der Haftschicht 4 des Bauelements 100 der Figur 2B einen Wert auf, der ein Drittel der Schichtdicke der Metallschicht Mel des Bauelements 100 der Figur 2A entspricht . Mit anderen Worten sollte nach Abschluss der
Erstarrungsreaktion des Lotes und nach Bildung einer
haftenden Zwischenschicht, beispielsweise Nickelsilizid, von der Haftschicht 4 noch mindestens ein Drittel ihrer
Ausgangsdicke vorhanden sein, um die Sperrwirkung
aufrechtzuerhalten. Die benötigte Restschichtdicke der multifunktionalen Schicht ist allerdings stark abhängig vom verwendeten Lotsystem, dessen Dicke und von der Art der verwendeten multifunktionalen Schicht, das heißt vom verwendeten Material und dessen intrinsischen Eigenschaften, wie Kornstruktur und Verspannung.
Es resultiert ein Bauelement 100 der Figur 2B zumindest nach dem Verfahrensschritt C) oder D) . Das Bauelement 100 der Figur 2B weist eine Schichtenfolge erste Komponente 1,
Haftschicht 4, erste Phase 31, zweite Phase 32, erste Phase 31, weitere Haftschicht 4 und zweite Komponente 2 auf. Die Figuren 3A und 3B zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Das Bauelement der Figur 3A zeigt eine erste und zweite Komponente 1, 2, zwischen denen eine Schichtenfolge aus einer Schicht aus einem ersten Metall Mel, einer Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und einer Schicht aus einem dritten Metall Me3 aufgebracht sind. Nach Einfluss von Temperaturen resultiert ein Bauelement 100 der Figur 3B, wobei das Verbindungselement 3 eine Haftschicht 4 aufweist sowie zwei Phasen, eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32. Die Konzentration des ersten Metalls in der Haftschicht 4 ist dabei größer als die Konzentration eil des ersten Metalls in der ersten Phase 31 und größer als die Konzentration c25 des ersten Metalls in der zweiten Phase 32. Mit anderen
Worten nimmt in dem Bauelement 100 der Figur 3B die
Konzentration von der ersten Komponenten 1 in Richtung zweite Komponente 2 ab. Das Bauelement 100 der Figur 3B
unterscheidet sich von dem Bauelement der Figur 2B dadurch, dass das Verbindungselement 3 nur zwei Phasen, eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32, neben der Haftschicht 4 aufweist. Insbesondere ist der Aufbau des Verbindungselements 3 der Figur 3B unsymmetrisch im Vergleich zum Bauelement 100 der Figur 2B. Die nicht abreagierte Schicht aus Mel zwischen Haftschicht 4 und erste Phase 31 dient als Diffusionsbarriere 5.
Die Figuren 4A und 4B zeigen jeweils eine schematische
Seitenansicht eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform sowie deren Herstellung. Die Figur 4A zeigt ein Bauelement 100 mit einer ersten oder zweiten Komponente 1, 2. Auf der ersten oder zweiten Komponente 1, 2 kann eine Schicht aus einem ersten Metall Mel aufgebracht sein. Der Schicht Mel kann eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 nachgeordnet sein. Der Schicht aus einem zweiten Metall Me2 kann eine Schicht aus einem dritten Metall Me3 nachgeordnet sein. Nach Einfluss von Temperaturen bildet sich ein Bauelement 100 der Figur 4B. Insbesondere bildet sich ein Bauelement 100, das eine Haftschicht 4 aufweist. Die Haftschicht 4 ist direkt auf der ersten oder zweiten Komponente 1, 2 angeordnet. Der
Haftschicht 4 ist eine erste Phase 31 und eine zweite Phase 32 nachgeordnet. Die Figuren 5A und 5B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements gemäß einer Ausführungsform. Die Figur 5A zeigt das Bereitstellen einer ersten Komponente 1 und einer zweiten Komponente 2. Auf die erste Komponente 1, die
beispielsweise eine Schichtenfolge aus einem Substrat 54, einer p-Halbleiterschicht 53, einer n-Halbleiterschicht 51 und einer aktiven Schicht 52 aufweist, ist eine Schicht aus einem ersten Metall Mel mit einer Schichtdicke dl
aufgebracht. Alternativ können hier und im Folgenden die n- Halbleiterschicht 51 und eine p-Halbleiterschicht 53
vertauscht sein. Die Schichten wurden insbesondere mit dem Dünnfilmverfahren hergestellt. Der Schicht aus einem ersten Metall Mel sind weitere Schichten aus einem zweiten Metall Me2 und einem dritten Metall Me3 nachgeordnet. Auf Seite der zweiten Komponente 2 kann auf deren Oberfläche eine Schicht aus einem ersten Metall Mel mit einer Schichtdicke dl, nachfolgend eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2 und nachfolgend eine Schicht aus einem dritten Metall Me3
aufgebracht werden. Anschließend können beide verbunden werden und einer ersten Temperatur, insbesondere einer
Temperatur zwischen 130 und 200 °C zur Ausbildung einer ersten Phase 31 und einer zweiten Phase 32 ausgesetzt werden. Dabei können die Schichten der zweiten und dritten Metalle Me2, Me3 in den flüssigen Aggregatszustand übergehen und mit den Schichten des ersten Metalls Mel reagieren. Es entsteht ein Bauelement 100, das eine erste Phase 31, eine zweite Phase 32 und eine erste Phase 31 als Schichtenfolge des
Verbindungselements 3 aufweist. Zusätzlich sind Haftschichten 4 aus dem ersten Metall Mel beidseitig an der ersten
Komponente 1 und der zweiten Komponente 2 angeordnet.
Die Figur 5B zeigt, dass die erste Schicht Mel nach
Verfahrensschritt C) oder D) nicht vollständig mit dem zweiten Metall Me2 und/oder dritten Metall Me3 und
gegebenenfalls mit dem vierten Metall Me4 reagiert hat. Es bleibt eine "Restschicht" aus dem ersten Metall Mel über, die die Haftschicht 4 und gegebenenfalls die Diffusionsbarriere mit einer Schichtdicke d2 bildet.
Bei einer Erhöhung der Temperatur, beispielsweise auf die zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C, kann das System abreagieren und eine thermodynamisch und mechanisch stabile erste und zweite Phase 31, 32 bilden. Es entsteht ein
Bauelement nach Schritt D) , das eine Haftschicht 4 mit einer Schichtdicke d2 < dl aufweist, wobei die nach Schritt D) erzeugte Haftschicht 4 haftend und diffusionsdicht gegenüber anderen Spezies ist. Insbesondere weist die Haftschicht 4 eine Schichtdicke von ein Drittel der Schichtdicke der ursprünglichen Schicht aus dem ersten Metall Mel des
Bauelements 100 der Figur 5A auf. Insbesondere ist die
Schicht Mel nach dem Tempern noch vorhanden und dient als Diffusionsbarriere.
Sollen zwei Komponenten 1, 2, beispielsweise zwei Wafer, miteinander verbunden werden, wobei eine Komponente eine funktionale Schicht aufweist, kann dies wie folgt erfolgen.
Als eine funktionale Schicht kann eine Schicht aus einem ersten Metall Mel mit einer Schichtdicke von 425 nm
abgeschieden werden. Anschließend kann auf dieser Schicht Mel eine Schicht aus einem zweiten Metall Me2, beispielsweise Indium mit einer Schichtdicke von 150 nm, und eine Schicht aus einem dritten Metall Me3, beispielsweise Zinn mit einer Schichtdicke von 225 nm, aufgebracht werden. Auf der anderen Komponente können die gleichen Materialien in gleicher
Reihenfolge und Dicke aufgebracht werden. Das Verbinden der beiden Komponenten kann bei 142 °C erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann ein uniaxialer Druck von beispielsweise 1 MPa verwendet werden. Die Komponenten 1, 2 können aufgeheizt werden, insbesondere kann eine Heizrate von 10 K/min
ausgehend von Raumtemperatur verwendet werden. Anschließend kann der Druck aufgebracht werden, insbesondere kann der Druck für 120 s gehalten werden. Das Abkühlen auf
Raumtemperatur kann ebenfalls mit einer Rate von 10 K/min erfolgen. Anschließend kann das Bauelement oder die Anordnung einer zweiten Temperatur ausgesetzt werden, damit sich die erste und zweite Phase 31, 32 in den entsprechenden
Konzentrationen bildet und damit mechanisch und thermisch stabil ist. Insbesondere wird die Anordnung auf eine zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C zur Ausbildung einer thermodynamisch und mechanisch stabilen ersten und zweiten Phase 31, 32 aufgeheizt. Insbesondere erfolgt das Tempern für 120 min. Hierbei entstehen eine erste und eine zweite Phase 31, 32 und eine ausreichend dicke Haftschicht 4 aus dem ersten Metall Mel, die die Funktion der Haftung und Barriere übernehmen kann. Zudem kann das erste Metall Mel Bestandteil der ersten und/oder zweiten Phase 31, 32 sein.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispiele und deren Merkmale können gemäß weiterer Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden, auch wenn solche Kombinationen nicht explizit in den Figuren gezeigt sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele zusätzliche oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2015 114 086.1, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugs zeichenliste
100 Bauelement
1 erste Komponente
2 zweite Komponente
3 Verbindungselement
31 erste Phase
32 zweite Phase
erstes Metall (Mel) der ersten Phase mit einer Konzentration (eil),
zweites Metall (Me2) der ersten Phase mit einer Konzentration (cl2)
drittes Metall (Me3) der ersten Phase mit einer Konzentration (cl3)
viertes Metall (Me4) der ersten Phase mit einer Konzentration
(cl4)
erstes Metall (Mel) der zweiten Phase mit einer Konzentration
(c25) ,
zweites Metall (Me2) der zweiten Phase mit einer
Konzentration (c26)
drittes Metall (Me3) der zweiten Phase mit einer
Konzentration (c27)
viertes Metall (Me4) der zweiten Phase mit einer
Konzentration (c28)
od erster thermischer Ausdehnungskoeffizienten
2 zweiter thermischer Ausdehnungskoeffizienten
4 Haftschicht
5 Diffusionsbarriere
5 Halbleiterschichtenfolge
51 n-Halbleiterschicht
52 aktive Schicht
53 p-Halbleiterschicht
54 Substrat

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement (100) aufweisend
eine erste Komponente (1),
- eine zweite Komponente (2 ) ,
ein Verbindungselement (3) , das direkt zwischen der ersten Komponente (1) und der zweiten Komponente (2) angeordnet ist,
wobei das Verbindungselement (3) zumindest ein erstes Metall (Mel) aufweist,
das als eine Haftschicht (4) ausgeformt ist, die direkt an der ersten Komponente (1) und/oder zweiten Komponente (2) angeordnet ist,
das als Diffusionsbarriere (5) ausgeformt ist,
- das Bestandteil einer ersten Phase (31) und/oder einer
zweiten Phase (32) des Verbindungselements (3) ist, wobei die erste und/oder zweite Phase (31, 32) jeweils neben dem ersten Metall (Mel) noch weitere von dem ersten Metall verschiedene Metalle umfasst,
wobei die Konzentration (eil) des ersten Metalls (Mel) in der ersten Phase (31) größer ist als die Konzentration (c25) des ersten Metalls (Mel) in der zweiten Phase (32),
wobei das Verbindungselement (3) eine Schicht aus einem
Silizid des ersten Metalls (Mel) aufweist, die zwischen der Haftschicht (4) und der ersten und/oder zweiten Komponente (1, 2) angeordnet ist.
2. Bauelement (100) nach Anspruch 1,
wobei das erste Metall (Mel) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Nickel, Platin und Palladium umfasst und/oder wobei die Konzentration des ersten Metalls (Mel) in der
Diffusionsbarriere (5) größer ist als die Konzentration des ersten Metalls (Mel) in der ersten Phase (31) .
3. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste und/oder zweite Phase (31, 32) jeweils als Schichten ausgeformt sind, wobei die Haftschicht (4) eine Schichtdicke d2 aufweist, die mindestens um den Faktor 2 kleiner ist als die Summe der Schichtdicken der ersten und/oder zweiten Phase (31, 32) .
4. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zwischen der ersten und zweiten Komponente (1, 2) keine weiteren Haftschichten außer die Haftschicht (4) aus dem ersten Metall (Mel) und/oder keine weiteren
Diffusionsbarrieren außer die Diffusionsbarriere (5) aus dem ersten Metall (Mel) angeordnet sind.
5. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verbindungselement (3) frei von den folgenden
Elementen in freier oder gebundener Form ist: Titan, Tantal, Wolfram und/oder Stickstoff.
6. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die weiteren Metalle zumindest ein zweites Metall (Me2) und/oder ein drittes Metall (Me3) umfassen, wobei das zweite Metall (Me2) Indium und das dritte Metall (Me3) Zinn ist.
7. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die weiteren Metalle zumindest ein viertes Metall (Me4) umfassen, wobei das vierte Metall (Me4) Gold ist.
8. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (eil) des ersten Metalls (Mel) in der ersten Phase (31) zwischen 40 und 65 Atom% und/oder die
Konzentration (c25) des ersten Metalls (Mel) in der zweiten Phase (32) zwischen 20 und 40 Atom% ist.
9. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (eil) des ersten Metalls (Mel) in der ersten Phase (31) zwischen 11 und 25 Atom% und/oder die
Konzentration (c25) des ersten Metalls (Mel) in der zweiten Phase (32) 0 Atom% ist.
10. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (cl2) des zweiten Metalls (Me2) in der ersten Phase (31) zwischen 5 und 25 Atom% und/oder die Konzentration (c26) des zweiten Metalls (Me2) in der zweiten Phase (32) zwischen 20 und 40 Atom% ist.
11. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (cl2) des zweiten Metalls (Me2) in der ersten Phase (31) zwischen 0 und 7 Atom% und/oder die Konzentration (c26) des zweiten Metalls (Me2) in der zweiten Phase (32) zwischen 13 und 29 Atom% ist.
12. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (cl3) des dritten Metalls (Me3) in der ersten Phase (31) zwischen 15 und 40 Atom% und/oder die Konzentration (c27) des dritten Metalls (Me3) in der zweiten Phase (32) zwischen 30 und 50 Atom% ist.
13. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (cl3) des dritten Metalls (Me3) in der ersten Phase (31) zwischen 41 und 50 Atom% und/oder die Konzentration (c27) des dritten Metalls (Me3) in der zweiten Phase (32) zwischen 0 und 10 Atom% ist.
14. Bauelement (100) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Konzentration (cl4) des vierten Metalls (Me4) in der ersten Phase (31) und/oder zweiten Phase (32) zwischen 0 und 5 Atom% oder wobei die Konzentration (cl4) des vierten Metalls (Me4) in der ersten Phase (31) zwischen 28 und 40 Atom% und/oder die Konzentration (c28) des vierten Metalls (Me4) in der zweiten Phase (32) zwischen 71 und 83 Atom% ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 mit den Schritten:
A) Bereitstellen einer ersten Komponente (1) und einer zweiten Komponente (2),
B) Aufbringen zumindest einer Haftschicht (4) aus einem ersten Metall (Mel) mit einer Schichtdicke dl auf die erste und/oder zweite Komponente (1, 2), und Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem zweiten Metall (Me2) und zumindest einer Schicht aus einem dritten Metall (Me3) auf die
Haftschicht (4), wobei das erste, zweite und dritte Metall (Mel, Me2, Me3) voneinander verschieden sind,
C) Heizen der unter Schritt B) erzeugten Anordnung auf eine erste Temperatur zwischen 130 °C und 260 °C zur Ausbildung einer ersten Phase (31) und einer zweiten Phase (32), wobei die erste und zweite Phase (31, 32) aus dem ersten Metall (Mel) der Haftschicht (4), dem zweiten Metall (Me2) und dem dritte Metall (Me3) gebildet wird,
D) Heizen der unter Schritt C) erzeugten Anordnung auf eine zweite Temperatur zwischen 230 °C und 400 °C zur Ausbildung einer thermodynamisch und mechanisch stabilen ersten und zweiten Phase (31, 32),
wobei zumindest vor Schritt D) die erste und zweite
Komponente (1, 2) miteinander verbunden werden,
wobei das Bauelement nach Schritt D) eine Haftschicht (4) mit einer Schichtdicke d2 < dl aufweist, wobei die nach Schritt D) erzeugte Haftschicht (4) haftend und diffusionsdicht ist, und wobei die Haftschicht (4) zwischen der ersten Phase (31) und der ersten und/oder der zweiten Komponente (1, 2) angeordnet ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
wobei im Schritt B) zusätzlich eine Schicht aus einem vierten Metall (Me4) aufgebracht wird, das zumindest im Schritt C) Bestandteil der ersten und/oder zweiten Phase (31, 32) ist, wobei nach Schritt D) der ersten und/oder zweiten Komponente (1, 2) des Bauelements (100) die Haftschicht (4) mit der Schichtdicke d2, dann die erste Phase (31) und dann die zweite Phase (32) nachgeordnet ist.
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