WO2022096551A1 - Verfahren zur überprüfung und herstellung eines verbunds eines substratstapels sowie verfahrensgemäss hergestellte hermetisch verschlossene umhäusung - Google Patents

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substrates
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hermetically sealed
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Jens Ulrich Thomas
Antti Määttänen
Petri Rokka
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Schott Ag
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Definitions

  • the present invention relates to a preparation and manufacturing method for substrate stacks, in particular hermetically sealed packages, a substrate arrangement and a hermetically sealed package.
  • Hermetically sealed housings are intended, for example, to protect a component or components inside the housing from adverse environmental conditions.
  • Sensitive electronics, circuits or sensors for example, can be protected in a hermetically sealed housing.
  • sensors or, for example, medical implants for example in the area of the heart, in the retina, or for bioprocessors can be constructed and used. These can also be used, for example, as MEMS (micro electromechanical systems), barometers, blood gas sensors, glucose sensors, etc.
  • Bioprocessors are known which are made and used from titanium.
  • Further fields for the use of a housing can also be found in electronics applications, such as wearables, smartphone components or housings, in the field of virtual reality glasses and similar devices.
  • a housing according to the invention can also be used for the production of flow cells, for example in the context of electromobility. Other fields of application can be found in the aerospace industry, in high-temperature applications and in the field of micro-optics.
  • EP 3 012 059 B1 shows a method for producing a transparent part for protecting an optical component. A new type of laser process is used.
  • a hermetic seal of the housing is typically advantageous. In the context of the production of housings, the question arises as to the grade or quality of the housings produced and according to which criteria the completed housings can be used or must be rejected.
  • the present invention has therefore set itself the task of improving known housings in such a way that the achievable quality of the housing, in particular with regard to a hermetic composite to be produced, can be assessed in order to be able to draw conclusions about the quality requirements.
  • the invention has also set itself the task of evaluating boundary conditions or parameters by means of which a sufficient quality of the housings can be determined in order to provide a decisive criterion within the framework of quality assurance as to whether completed housings meet the quality requirements or whether production parameters may be more appropriate are to be checked. Another aim of the present invention is thus to provide more reliable and durable housings.
  • the method according to the invention for producing and/or checking a composite of a substrate stack comprises the step of arranging at least one first substrate on a second substrate over a surface area, with the at least two substrates being arranged directly next to one another or on top of one another, so that there is a physical contact area between the at least two substrates is formed, on which the first substrate is in direct surface contact with the second substrate and wherein the first substrate comprises a transparent material.
  • a contact surface is the cut surface of the inclined surfaces of the two substrates to be brought into contact.
  • the touch contact area means a partial area of the contact area in which the distance between the two substrates to one another is such is small that it is no longer optically measurable.
  • a good surface is defined in which the distance between the substrates is sufficiently small, as will be described in detail below, or in which the two substrates actually come into contact.
  • the contact surface is larger than or equal to the good surface and the good surface is in turn larger than or equal to the physical contact surface.
  • two substrates are initially arranged next to one another, that is to say stacked on top of one another, for example, with gravity pressing the typically first substrate lying on top against the second substrate.
  • the orientation above or below is only intended to be descriptive, since the substrates can, of course, assume any orientation in space and even an arrangement next to one another should not leave the scope of protection.
  • the two substrates are typically placed abutting one another on a major side of their extent.
  • both substrates are absolutely flat, ie have no indentations, elevations or curvatures at all, which can only be achieved theoretically, the first and second substrates would be in full-surface contact with one another. The two substrates would therefore touch at all points on the mutually aligned surfaces. This is not achievable in general and in structural reality. Rather, substrates are, even if only to a very small extent, arched, inclined, curved, provided with indentations or elevations, so that complete physical contact is only achieved at all in absolutely exceptional cases.
  • the good surface is introduced within the meaning of this invention, which is that part of the Contact surface represents, in which the distance between the two substrates falls below a certain value.
  • the good area can be defined such that that area or portion of the contact area is described in which the distance between the substrates is less than 2 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m and more preferably less than 0.3 ⁇ m.
  • the first substrate is a transparent substrate or comprises transparent material, i.e. it is made transparent at least in some areas, and this at least for a specific wavelength range, in order to introduce the subsequent laser bonding line through the first substrate to complete the housing and on the other hand to evaluate the quality of the substrate contact optically.
  • the substrate stack or the housing is typically provided by means of a laser bonding method or with a laser bonding line, by means of which the first substrate is hermetically joined directly to the second substrate arranged adjacent to the first substrate.
  • a laser bond line typically has a height HL perpendicular to its bond plane.
  • the laser bonding line preferably reaches into the material of the substrate arranged above the laser bonding line with a height of HL or less, or also with HL/2 or less.
  • the laser bonding line extends into the material of the substrate lying under the laser bonding line, for example with a height of HL/2 or more.
  • the first substrate is directly bonded to the second substrate and the package has a laser bonding line, for example.
  • the housing then also has a connection level or a joining area in which substrates are joined to one another.
  • the housing can be constructed from three or more stacked substrates, the first substrate being joined directly to the second substrate and the second substrate being joined to a base substrate which likewise forms a bottom of the housing.
  • the housing has two contact zones or two joining areas in which the housing is joined.
  • the housing can have two or more connection levels.
  • the first substrate is melted and joined directly to the second substrate, without having to use intermediaries or adhesives, for example.
  • the laser bonding line can also be set physically in one of the two substrates to be joined, ie the target point of the laser can be in one of the two substrates, with the laser bonding line always extending jointly into the two substrates to be joined.
  • the melting material of the a substrate with material of the other substrate to produce the fixed and non-detachable hermetic bond between the one substrate and the other substrate.
  • the substrates are to be arranged directly next to one another or on top of one another, this means that the at least two substrates are arranged or attached to one another in such a way that they lie flat against one another, in particular without other materials or layers being present or inserted between the at least two substrates are.
  • the slightest gas inclusions or impurities such as dust particles between the substrate layers may be unavoidable. This can also result from any unevenness, even in the micro range, between the substrate layers or on the surfaces of the substrate layers.
  • the joining zone or laser bonding line produced by the laser preferably provides a height HL of between 10-50 m, for example, a hermetic seal can be ensured using the laser bonding line, since the distance that may occur between the two substrates can be bridged.
  • One of the laser bonding lines can enclose the functional area circumferentially at a distance DF.
  • the distance DF surrounding the functional area can be constant, so that the laser bonding line is arranged at approximately the same distance around the functional area on all sides.
  • the distance DF can also vary depending on the application, which may be more favorable in terms of production technology, for example if a plurality of housings are joined in a common work step, or if the functional area has a round or any shape and the laser bonding line is drawn in a straight line. Even if the cavity has optical properties, for example in the form of a lens, such as a converging lens, the laser bonding line can be formed around the cavity and optionally have different distances from the cavity.
  • a housing can also include several cavities.
  • a return radiation is detected, which arises as a result of the irradiation of the substrate stack with radiation on at least one contact surface of the substrate stack.
  • the substrate stack is irradiated or illuminated, so that reflection from the irradiation is generated on the surfaces of the substrates.
  • the return radiation can be the reflected radiation, which is reflected to a certain extent on one of the surfaces. In the case of two substrates, four surfaces can be considered for this, on which such a reflection already occurs can occur. These are the outside of the first substrate, the inside of the first substrate, the inside of the second substrate and the outside of the second substrate.
  • the first substrate has an outside or outer flat side which is oriented towards the environment and which is of essentially planar or flat design. Adjacent to the outer flat side and typically oriented at a right angle to the outer flat side, for example designed to run around the edge of the outer flat side, is a peripheral narrow side.
  • the first substrate can be written on as a plate or cuboid, having two large sides (i.e. the outside and the inside) and four smaller sides arranged between the large sides, which are in particular perpendicular to the two large sides and adjoin the large sides . Then the four smaller sides together form the circumferential narrow side and the upper side forms the outer flat side of the first substrate.
  • the upper side typically has a larger surface than the smaller sides of the peripheral narrow side together.
  • the substrate or substrates arranged below can be made non-transparent in such a way that no radiation penetrates there or is extinguished there. Then, even with a plurality of substrates, only four surfaces, for example, or fewer surfaces than twice the number of substrates, can then be taken into account.
  • a first bond quality index Qi of the contact surface of the substrate stack is determined from the reflection that falls from the substrate stack into a measuring or observation device.
  • the reflection particularly preferably occurs directly on the at least one contact surface of the substrate stack.
  • This is preferably backscattering at an optical interface, namely a surface of the first or second substrate. If there is a gap between the contact surfaces of the first or second substrate, which are in contact with one another - i.e. there is only a small distance between the two contact surfaces - then there can be a path difference in the radiation between the backscatter on the first contact surface and the backscatter on the second contact surface develop. The path difference can be caused by a different distance covered by the optical radiation.
  • a superimposition in the form of an interference pattern for example, can thus be detected.
  • the distance between the first contact surface and the adjacent second contact surface can be determined at the respective location of the contact surface.
  • the incident radiation can be reflected at the contact surface, so that backscatter always occurs, regardless of whether the contact surfaces have a residual distance from one another or whether they are in complete contact (touching contact) with one another.
  • the resulting interference pattern it is then easier to infer a potentially remaining distance.
  • the shape of the interference pattern can depend on the distance between the first and second contact surfaces, so that the distance can be inferred from the shape of the interference pattern. For this purpose, it can be advantageous that even if there is no distance, back radiation enters the detector.
  • the two contact surfaces are arranged close to one another. It is therefore also preferred if no further components, adhesion promoters or adhesives are arranged between the contact surfaces, but rather the two substrates are joined directly by fusing with one another. If there were another component, such as a glass frit or an adhesive layer between the first and second contact surfaces, then the two contact surfaces would potentially not be in full-surface physical contact. This can make it difficult to determine the Bond Quality Index.
  • the objective of substrates that are joined flat to one another may not even be met if other materials, such as an adhesive layer, are arranged between the contact surfaces.
  • the finished product in which the substrates are joined together, could be described as one-piece, since the substrates typically form an inseparable bond with one another. Nevertheless, the housing is not made from a one-piece pre-product. If an intermediate layer such as an adhesive or frit or the like has been used in the manufacture of a housing, this can also be verified later in the joined product and can thus be distinguished.
  • the direct laser joining of two substrates together thus represents a distinguishable product improvement, which in turn can lead to the emergence of new difficulties that were not even a problem with conventional products connected with adhesive or frit or other additional layers.
  • This can also include the present measurement method and the product tested using the measurement method, in which the direct contact of two substrates with each other and their bond is hardly comparable with conventional products.
  • the bond quality index Qi can be determined when applies
  • A is the area that represents the contact area of the substrates.
  • the bond quality index Qi is preferably greater than or equal to 0.8, more preferably greater than or equal to 0.9 and even more preferably greater than or equal to 0.95.
  • the irradiation is preferably generated by means of a monochromatic radiation source.
  • the irradiation can also be generated by means of a spectrally adapted radiation source.
  • the irradiation can be a low-energy irradiation, the irradiation having in particular a radiant power that does not lead to a partial or partial melting of the substrate or substrates.
  • a non-monochromatic radiation source can be used, for example if a narrow-band bandpass filter is implemented by the detector either by means of a corresponding component, a component group, and/or by means of software.
  • the detector is set up to allow the return radiation to be detected preferably monochromatically or at least narrow-band chromatically.
  • the reflection can be monochromatic or narrow-band chromatic, or it can be extracted from a reflection.
  • a software-based separation of one or more color channels from an image file is possible.
  • the color channels of the detector can be read out separately when the image is recorded.
  • a narrow-band filter e.g. a band-pass filter, can be used in front of the detector.
  • the monochromatic or quasi-monochromatic radiation source in particular a gas vapor lamp or a laser—can be used in an otherwise darkened exposure booth.
  • a monochromatic or quasi-monochromatic area can thus be selected from the reflection, for example by selecting a color channel, for example a digitized image file.
  • the reflection preferably generates a pattern, in particular an interference pattern; more particularly, this pattern is generated from the superimposition of the irradiation with the backscatter on the at least one contact surface of the housing. It is then possible to design the measuring or observation device in such a way that it Detects or detects interference patterns and can use this to calculate or derive the distance between the two substrates.
  • the pattern from the retroreflection may have an arrangement in which the pattern extends around one or more defects.
  • the pattern can be arranged particularly around such locations where the at least two substrates are not in physical contact. It is then particularly easy to use the measuring or observation device to localize the points at which the at least two substrates are not in physical contact.
  • a defect can be characterized in that the distance between the substrates at these defects is greater than 5 ⁇ m, preferably greater than 2 ⁇ m and more preferably greater than 1 ⁇ m, or also preferably greater than 0.3 ⁇ m.
  • a defect is particularly preferably present exactly where the criteria for a good surface G are not met.
  • the contact area between the at least two substrates can be completely divided into a good area G and a defect F.
  • At least one functional area can be accommodated by the substrate stack, the functional area being designed, for example, as an accommodation cavity for accommodating at least one accommodation object.
  • the substrate stack forms a housing which has a region or an object to be protected.
  • the cover substrate which is typically the first substrate, can have an outer flat side, also referred to as the upper side or outside, and a peripheral narrow side.
  • the substrate stack can also have a usable area N.
  • the area of the substrate stack in which a functional area is located can be defined as the useful area N.
  • a substrate or a substrate stack can also have a plurality of functional areas, with the sum of the functional areas adding up to the usable area N added. This can be the case, for example, when the substrates are first prepared and joined and later a plurality of housings are isolated from the substrate stack.
  • the usable area N is therefore always smaller than the contact area A.
  • the qualitatively assessed substrate stack can be joined, for example by means of a laser process. It has been found within the scope of the present invention that the information can be of essential importance to already have the information available before the joining step as to how the bond quality index Qi is dimensioned before joining. It is true that the laser joining process and the correct adjustment of the laser can also be used to join areas in which there is a distance between the two substrates, even if the distance between the two substrates is greater than 1 ⁇ m or greater is than 2 pm, or even greater than 5 pm.
  • the laser bonding line can be adjusted in such a way that it has a height of up to 50 ⁇ m, or even up to 75 ⁇ m, or even up to 100 ⁇ m. Smaller distances between the substrates can thus be bridged with the laser bonding line.
  • stresses may occur in the substrate stack, which can adversely affect the properties of the later housing. Under certain circumstances, these substrate stresses can no longer be measured in the finished product or can only be measured with increased effort, so that premature failure can occur without this being foreseeable.
  • a housing according to the present description can also have different materials, for example a glass/metal composite can be advantageous, with the glass being joined directly and directly to the metal in a laser joining process on the contact surface.
  • the first substrate can have a transparent material and the second substrate can have a metal material.
  • the transparent substrate can be used as a cover on the metal substrate.
  • the Q index can be determined using the method presented here. For example, the quality of the joint can thus be assessed, or the hermeticity of the housing. From the comparison of a first index Qi generated before the joining process with the index Q2 generated after the joining process, it can also be determined whether material stresses have been frozen in the housing or in the or one of the transparent substrate(s), which may reduce the service life of the enclosure.
  • a method for producing a hermetically sealed housing from at least two substrates is also within the scope of the invention.
  • this represents the completion of the method already described above, in which a substrate stack is measured.
  • the method comprises the planar arrangement of at least one first substrate on a second substrate, with the at least two substrates being arranged directly next to one another or on top of one another to form a substrate stack, so that a contact surface is formed between the at least two substrates, on which the first substrate with the second substrate is in direct surface contact at least at one point.
  • the complete contact surface also a touch contact surface, with the contact surface typically and in reality being divided into a part touch contact surface and a further part where the two substrates are not in touch contact.
  • the first substrate comprises a transparent material that is transparent at least in regions and at least for one wavelength range, so that the first substrate can be penetrated by a laser to form the laser joining line and/or so that the first substrate can be penetrated by the irradiation and/or the reflection .
  • the method also includes the detection of a return radiation, which arises as a result of the irradiation of the substrate stack with an irradiation at at least one contact surface of the substrate stack.
  • the first bond quality index Qi of the contact surface of the substrate stack is also determined from the reflection.
  • the first bond quality index Qi is thus preferably determined before the at least two substrates are joined to one another, but at least the measurement data necessary for calculating Qi is recorded.
  • the method also includes the step: hermetically sealed connection of the at least two substrates to one another by directly joining the at least two substrates to one another in the region of the at least one contact surface of the housing.
  • a joining zone is formed, which extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand and joins the at least two substrates directly to one another by melting.
  • locally limited material of both the first substrate and the second substrate is melted by means of the joining step in such a way that material of the first substrate is mixed with the material of the second substrate and a joining zone is formed, which consists of mixed material of the first and second substrate consists.
  • no further material or foreign material is required or present in the joining zone, ie material of the first substrate is joined or melted into one another immediately and directly with material of the second substrate.
  • the joining zone forms a kind of convection zone in which the material exchange between the two substrates takes place.
  • the step of joining the at least two substrates to one another is followed by the step of detecting a further reflection, which arises as a result of the renewed irradiation of the substrate stack with the irradiation at the at least one contact surface of the housing. Finally, a second bond quality index Q2 of the contact surface of the hermetically sealed housing can be determined from the further reflection.
  • A is the area of the first contact area
  • G is the good area
  • N is the area of a useful area.
  • the usable area can result from a plurality or a number of cavities or functional areas.
  • the bond quality index Q2 is preferably greater than or equal to 0.95, more preferably greater than or equal to 0.99 and even more preferably greater than or equal to 0.999. It is particularly preferred if Q2 is greater than Qi or at least Q2 is equal to Qi.
  • the hermetic connection of the at least two substrates can be checked by determining a distance profile between the at least two substrates. Such a check of the hermetic bond can also be carried out if Q2 satisfies minimum requirements to ensure the hermetic bond.
  • the step of hermetically tightly connecting the at least two substrates is preferably carried out using a laser joining method.
  • the laser creates a joining zone, which on the one hand in the first Substrate and on the other hand extends into the second substrate.
  • the laser is guided in particular around the substrate and/or around one or more cavities.
  • the laser can be guided around a plurality of cavities together or around each cavity individually in order to hermetically seal each cavity individually.
  • the substrate stack can be irradiated, for example, with a coaxial illumination device in order to achieve homogeneous illumination over the substrate stack or the housing.
  • a light surface comprising a large number of light sources such as LEDs, for example an LED screen, can be used and the irradiation can be directed onto the substrate stack or the housing.
  • the irradiation from the light surface can be directed onto the substrate stack or the housing, for example by a beam splitter or a semi-transparent optical element.
  • the substrate stack is round, for example, it is present as slices of a wafer, and has a diameter Ds;
  • the beam splitter or the semitransparent optical element can also be round and have a diameter DOE that corresponds to D 0E >2 ⁇ D s . This is particularly advantageous when the beam splitter or the semitransparent optical element is arranged at an angle of approximately 45° to the surface of the first substrate. A particularly homogeneous illumination of the substrate stack or the housing can then be achieved. The reflection can then be detected by means of a detector device.
  • the reflection can be further improved.
  • a background measurement without an object and without irradiation can first be logged with the detector in a step MB and a spatially resolved intensity IB can be recorded.
  • the irradiation without an object can then be logged in a step Mw by detecting the spatially resolved intensity Iw.
  • the object ie the substrate stack or the housing—can be detected with the detector device in a further step Mo or with the intensity Io.
  • the spatially resolved intensities IB, IW and Io can finally be superimposed to form the final intensity IF as follows:
  • gain is a possible amplification factor of the detector. Furthermore, the
  • Signal quality of the image obtained also by averaging over at least two images the same setting, since this can be used to achieve noise reduction of the image noise.
  • a maximum distance of the distance profile between the first substrate and in the second substrate can be defined. If the maximum distance is exceeded, i. H. if such an exceeding of the maximum distance is determined by means of either Qi or Q2, the housing can be removed in an automated process, cleaned, the joining process can be adapted or the housing can finally be sorted out so that it is not used.
  • the hermetic connection can be checked again by determining a second distance profile.
  • the second distance profile can then preferably be compared with the first distance profile in order to make the changes induced by the laser joining visible.
  • the first substrate is preferably a cover substrate
  • the second substrate can be a base substrate.
  • the covering substrate can then lie directly and directly against the base substrate and thus form the substrate stack or the housing.
  • an intermediate substrate can also be included, which is arranged between the cover substrate and the base substrate.
  • the covering substrate is arranged directly and directly on the intermediate substrate and the base substrate is arranged directly and directly on the intermediate substrate.
  • the intermediate substrate lies between the covering substrate and the base substrate.
  • hermetically sealed enclosure manufactured or inspected by the method described above.
  • a hermetically sealed housing comprises at least one extensive first substrate and a second substrate which is arranged adjacent to the first substrate and is in direct physical contact with the extensive first substrate.
  • a contact surface is formed between the first substrate and the second substrate and typically the touch contact surface forms only a subset of the contact surface, since typically due to production tolerances, which cannot be avoided, the first and the second substrate are only in touch contact in certain areas.
  • the hermetically sealed housing also includes at least one of the housing enclosed functional area, which in particular between the first Substrate and the second substrate is arranged.
  • the first substrate is joined directly and hermetically sealed to the second substrate arranged adjacent to the first substrate with at least one laser bonding line.
  • the laser bonding line extends into the first substrate on the one hand and into the second substrate on the other hand.
  • the laser bonding line directly melts the at least two substrates together.
  • the hermetically sealed package has a quality factor of Q2 greater than or equal to 0.95 as calculated from a clearance profile.
  • the laser bonding line of the housing is designed to be completely closed around the functional area, with any spacing that may occur between the first substrate and the second substrate in the laser bonding line being continuously less than 0.75 ⁇ m, preferably less than 0.5 ⁇ m and more preferably is less than 0.3 pm.
  • the checking of the housing can thus be adjusted in such a way that a resolution that can be achieved with the reflection does not have to be less than 250 nm or greater, ie for example visible light in the range of 500 nm wavelength can be used as irradiation. This allows the housing to be checked and verified in a particularly simple manner.
  • a spacing of 0.1 pm can also be resolved, so that any spacing that may occur between the first substrate and the second substrate in the laser bonding line can be assumed to be smaller or equal can be 0.1pm.
  • the first substrate is characterized, for example, in that it is flat.
  • the first substrate is of planar design, that is to say it has a homogeneous surface which is as planar as possible, in particular on its inside.
  • the mean roughness value Ra is preferably less than or equal to 20 nm on its inside.
  • the second substrate is of flat design, ie in particular planar. It preferably has an average roughness value Ra of less than or equal to 20 nm on its inside.
  • the respective inner side of the first or second substrate is the side that faces the adjacently arranged substrate.
  • the first substrate preferably forms a contact plane or a contact area with the second substrate, at which the first substrate is preferably in direct physical contact with the second substrate.
  • the contact plane is more preferably free of foreign materials, ie more particularly free of connecting materials such as adhesive or glass frit.
  • the second substrate can be designed as a base substrate.
  • the base substrate is hermetically joined to the first substrate with the same laser bonding line.
  • the housing can have an intermediate substrate which is arranged between the base substrate and the first substrate. The base substrate is then joined to the intermediate substrate in a first connection level and the first substrate is joined to the intermediate substrate in a second connection level.
  • the at least one laser bonding line has a thickness in a direction perpendicular to the planar extension direction of the first substrate.
  • the functional area of the housing has a hermetically sealed accommodation cavity for accommodating an accommodation object, such as an electronic circuit, a sensor or MEMS.
  • the first substrate is transparent at least partially and/or at least in regions for at least one wavelength range.
  • the first substrate can consist of or comprise glass, glass ceramic, silicon, sapphire or a combination of the aforementioned materials.
  • the first substrate can also consist of or include ceramic material, in particular oxide-ceramic material.
  • the housing is preferably designed in the area of the laser joining line in such a way that there is a residual stress zone there.
  • the residual stress zone can be characterized in that in the region of the residual stress zone Q2/Q1 is greater than or equal to 1, more preferably Q2/Q1 is greater than or equal to 1.1.
  • the laser joining line of the housing can have a fluctuating maximum width of the laser joining line. More preferably, the laser joining line of the housing can have a varying width of a region with changed optical properties of the laser joining line.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a plan view of a housing according to the invention
  • Fig. 4 exemplary flow chart of the method
  • FIG. 8 further photographic representation of a substrate stack after carrying out the
  • FIG. 11 shows a photographic representation of a further substrate stack with a metal-glass transition
  • Fig. 12 side sectional view of a housing with metal-glass transition
  • FIG. 13 detail of the contact surface from Fig. 12,
  • the substrate stack 9 has a plurality of three housings 1 shown here, which are to be separated at the separating lines 8 shown in a later work step.
  • a first substrate 3 is designed as a cover substrate and covers the housings 1 together. This is later divided into the individual housings during separation.
  • a second substrate 4 forms the underside of a cavity 2, each cavity 2 being hermetically sealed with a laser joining line 6 all around.
  • An accommodation object 5 is arranged in the cavity 2 .
  • the housings 1 shown are essentially identical to one another, apart from the fact that some housings lie on the outside, whereas other housings are cut on both sides along the Cutting lines 8.
  • the cavity 2 is introduced abrasively into the second substrate 4, i.e. hollowed out of the second substrate 4.
  • First substrate 3 and second substrate 4 form a contact surface 15, which is partially interrupted in this case, on which the inside 11 of the first Substrate 3 is in contact with the inside 12 of the second substrate 4, in particular in physical contact.
  • the laser joining line 6 is also introduced in the area of the contact surface.
  • FIG. 2 a top view of a housing 1 according to the invention is shown, which can be obtained, for example, as a separation from the substrate stack 9 shown in FIG.
  • the first substrate 3 rests on the second substrate 4 .
  • the laser joining line 6 is introduced all around the cavity 2, which hermetically seals the cavity to the outside.
  • the approximate width of the laser joining line 6 is marked with the reference symbol W and, for reasons of emphasis, with a circumferential line.
  • FIG. 3 shows a detailed section of a substrate stack 9, with the faulty area 17, touching contact area 18 and good area 19 being visible.
  • the double arrow 21 describes the point of greatest height of the defect 17.
  • the irradiation 22 is directed onto the substrate stack 9 , with the irradiation being reflected both on the inside 11 of the first substrate 3 and on the inside 12 of the second substrate 4 in the region of the fault location 17 .
  • the reflection 24, 24a can be detected with the detector 30.
  • the path difference between the reflection 24 and the reflection 24a leads to an interference pattern which is generated by the two reflections relative to one another.
  • the irradiation 22 comprises monochromatic light.
  • a first substrate is arranged flat on a second substrate.
  • a height profile of the gap within the substrate stack 9 is determined from the detection of a return radiation, which arises as a result of the irradiation of the substrate stack with radiation 22 at at least one contact surface of the substrate stack 9.
  • the bond quality index Qi is determined from the height profile.
  • a decision step 130 it is determined if the bond quality index Qi, which was determined in step 120, is greater than a specified permissible threshold value Qithr, that the substrate stack is then suitable for further processing, ie in particular the laser joining by means of laser joining lines 6 can be released.
  • Qi a specified permissible threshold value
  • step 135 the substrate stack 9 is, for example, reprocessed, ie it is detached from one another, possibly cleaned again or recycled in some other way.
  • step 140 the laser joining of the substrate stack 1 to the housing or housings then takes place.
  • a second height profile of the gap within the substrate stack of the attached substrate stack 1 is then determined in step 150 and Q2 is calculated therefrom in section 160 .
  • Step 170 preferably also determines or checks whether Q2 is in any case equal to or greater than Qi. If both conditions are met, the further processing of the joined housing 1 or housings 1 can take place in a step 180, for example the separation of the plurality of housings 1 from the wafer stack 9 at the dividing line 8.
  • step 170 an alternative further treatment of the substrate stack 9 can be introduced in a step 175; in this case, for example, defect areas F, 17 can be marked or the wafer stack 9 can be recycled.
  • FIG. 5 describes some steps that can be performed to calculate the bond quality index Qi and/or Q2.
  • image data of the detector 30 are first obtained, for example by means of a workstation designed for this purpose.
  • the image data obtained in step 121 is converted to a gray scale pattern in step 122 or the red channel is extracted from the image data.
  • This can be processed with an image processing functionality that runs, for example, on the same computer on which the image data are obtained with step 121 .
  • step 123 the physical edges of the substrate stack 3, 4, 9 are determined in the recorded image of the detector 30, for example in the form of corner detection.
  • the perspective can be corrected or rectified if this should be necessary.
  • a contrast improvement can be carried out, for example in the area of the substrate stack.
  • the darkest gray background value can simply be subtracted here and a grayscale image can be generated from a black and white image.
  • a height profile is calculated from the image data obtained with the detector 30, for example using detected Newton rings.
  • areas can then be marked and integrated in which critical heights or profiles have been determined. This applies in particular to areas which have been identified as error areas F, 17.
  • the respective Q factor Qi or Q2 is calculated from the improved or corrected image data as described above.
  • FIG. 6 shows a photographic representation of a substrate stack 9 before the bonding process.
  • the substrate stack 9 has a plurality of housings 2, shown here in blue. Newton rings are visible around the housings 2, which result from the fact that the distance between the substrates there increases.
  • the red-framed areas shown in the photo in FIG. 6 are those where the bond quality index Qi is less than or worse than 0.5. These are error areas 17. In this area, the distance between the two substrates is greater than 1 ⁇ m, for example. Such defect areas 17 are also found along the edges of the substrate stack 9. At the points where no pattern can be seen, the distance between the substrates does not change or changes only insignificantly.
  • touch contact areas areas which do not show any patterns in the form of Newton rings. This also applies to the areas indicated by reference number 18 .
  • FIG. 7 shows a further top view of a substrate stack in which the bond quality index Qi was determined to be 0.973.
  • Error areas F, 17 are found where more than three Newton rings are found contiguous. This corresponds to a distance of more than 0.75 ⁇ m between the first substrate and the second substrate 3, 4. These areas are marked white in FIG. Ranges from more than one Newton ring to less than three Newton rings are defined as the acceptable range 19, G. It can thus be seen that only two cavities are directly affected by a defect area 17 in the bottom right-hand corner of FIG. 7, ie cavities 2a and 2b.
  • FIG. 8 shows another arrangement for determining the Q indices.
  • a light source 20 initially emits radiation 22 onto a beam splitter 34 and is deflected in the direction of the substrate stack 9, where the radiation 22 strikes the surface of the substrate stack 9 perpendicularly.
  • the return radiation 24 enters a lens 32 and through the beam splitter 34 (e.g. a partially transparent mirror) into the detector 30.
  • the advantage of the coaxial illumination of the substrate stack 9 used here is a more homogeneous distribution of the irradiation 22.
  • the light source 20 can be a condenser optic exhibit.
  • the 10 shows another arrangement for determining the Q indices, a planar light source 20 being used.
  • the light source 20 is placed outside the optical path of the retroreflector 24 .
  • the irradiation 22 of the planar light source 20 first impinges on the optical element 34, for example a beam splitter, which has at least the base area of the substrate stack 9. If the beam splitter is arranged at a 45° angle to the reflection 24, the beam splitter 34 can have, for example, at least 1.414 times the area of the dimensions of the substrate stack 9, i.e. e.g. have an area that corresponds to V2 times the area of the substrate stack 9 or more in order to achieve optimal illumination of the substrate stack 9.
  • the return radiation 24 passes through the optical element 34 and into the detector 31, which in this case has integrated entrance optics 32a.
  • the planar light source 20 can be an LED screen.
  • the optical element 34 can be a semi-transparent glass plate which is arranged at an angle of 45° to the surface of the substrate stack 9, for example. 10 also shows a coaxial illumination.
  • FIG. 11 shows the photographic representation of a housing 1 , with a glass plate 3 being arranged on a metal ring 4 .
  • the contact surface 15 between the glass plate 3 and the metal ring 4 is clearly visible, a usable surface 16 can be defined there with edges 16a, so that an evaluation of the contact surface 15 and finally the calculation of a Q index is possible.
  • FIG. 12 schematically shows a side sectional view, with the detailed section from FIG. 12 shown with FIGS. 11 and 13 being highlighted with a dotted circle.
  • the sapphire disc 3 lies on the metal ring 4 made of stainless steel.
  • FIG. 13 also makes it clear that the edges of the contact surface 15 of the metal ring 4 have fillets 14 that typically arise in the production of metal components. Despite the fillets 14 - as shown in Fig. 11 - a bond between the sapphire disc 3 and the metal ring 4 are made and the quality of the connection is determined using the Q index as described above.
  • Figures 14A to 14D show process steps for improving the signal quality over possible background noise as well as over the possibly imperfect homogeneity of the irradiation 22 over the surface of the substrate stack 9.
  • a first step with Fig. 14A only the background is recorded by the detector, ie it the radiation source 20 is switched off and no object (substrate stack 9 or housing 1) is arranged in the image area 26.
  • the background intensity IB is obtained.
  • the radiation source 20 is activated and the image area 26 is illuminated, so that the homogeneity of the light distribution over the image area 26 can be determined.
  • the intensity of the radiation distribution Iw is thus obtained with FIG. 14B.
  • the object (substrate stack 9 or housing 1) can be placed in the image area 26 and the intensity of the object against the background Io can be obtained.
  • FIGS. 14A, 14B and 14C can each be carried out twice, three times or more, and a mean value can be calculated from the spatially resolved image intensities obtained. This is illustrated in FIGS. 15A, 15B, 15C.
  • the dark background 42 can be recorded multiple times with the detector 30, in particular digitally recorded, and averaged over the image representations obtained in order to obtain an averaged background 42a.
  • each pixel of the image area 26 can be viewed individually for this purpose, the intensities assigned to the pixel can be added up and divided by the number of available images in order to obtain an average intensity.
  • This can also be done for the steps shown with Fig. 15B and Fig. 15C.
  • the irradiation 22 is recorded multiple times, for example three times, and an average intensity 44a of the image area 26 is obtained.
  • the object substrate stack 9 or housing 1
  • another background measurement can be carried out with the light source 20 switched off.
  • the final actual measurement to obtain the Q index shown in Fig. 14D

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung und/oder Überprüfung eines Verbunds eines Substratstapels gezeigt, umfassend die Schritte flächiges Anordnen zumindest eines ersten Substrats an einem zweiten Substrat, wobei die zumindest zwei Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Berührkontaktfläche gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat in unmittelbarem flächigen Berührkontakt steht, und wobei das erste Substrat ein transparentes Material umfasst, Erfassen einer Rückstrahlung, welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung an zumindest einer Kontaktfläche des Substratstapels entsteht, und Ermittlung eines ersten Bond-Quality-Index Q1 der Kontaktfläche des Substratstapels aus der Rückstrahlung, sowie eine verfahrensgemäß hergestellte und/oder überprüfte hermetisch verschlossene Umhäusung.

Description

VERFAHREN ZUR ÜBERPRÜFUNG UND HERSTELLUNG EINES VERBUNDS EINES SUBSTRATSTAPELS SOWIE VERFAHRENSGEMÄSS HERGESTELLTE HERMETISCH VERSCHLOSSENE UMHÄUSUNG
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorbereitungs- und Herstellungsverfahren für Substratstapel, insbesondere hermetisch verschlossene Umhäusungen, eine Substratanordnung und eine hermetisch verschlossene Umhäusung.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hermetisch verschlossene Umhäusungen sind beispielsweise dafür vorgesehen, ein Bauteil oder Bauteile im Inneren der Umhäusung vor widrigen Umweltbedingungen zu schützen. So können in einer hermetisch verschlossenen Umhäusung sensible Elektronik, Schaltkreise oder beispielsweise Sensoren geschützt werden. Auf diese Weise können Sensoren oder beispielsweise medizinische Implantate, beispielsweise im Bereich des Herzens, in der Retina oder für Bioprozessoren aufgebaut und eingesetzt werden. Diese können beispielsweise auch als MEMS (Mikro Elektro Mechanische Systeme), Barometer, Blutgassensor, Glycosesensor usw. eingesetzt sein. Es sind Bioprozessoren bekannt, welche aus Titan angefertigt und eingesetzt werden. Weitere Felder für den Einsatz einer Umhäusung können auch in Elektronikanwendungen gefunden werden, wie etwa Wearables, Smartphone-Bauteile oder Umhäusungen, im Bereich von Virtual Reality Brillen und ähnlichem Gerät. Eine erfindungsgemäße Umhäusung kann auch für die Herstellung von Flusszellen, beispielsweise im Rahmen der Elektromobilität, zum Einsatz kommen. Weitere Einsatzfelder sind in der Luft- und Raumfahrt, in Hochtemperaturanwendungen, wie auch im Bereich der Mikrooptik zu finden.
Neben den Bioprozessoren aus Titan ist es grundsätzlich bekannt, mehrere Teile zusammenzufügen und diese Teile so anzuordnen, dass in einem Zwischenraum ein Aufnahmebereich entsteht, in welchem Komponenten beherbergt werden können. Beispielsweise zeigt die europäische Patentschrift EP 3 012 059 B1 ein Verfahren zur Herstellung eines transparenten Teils zum Schützen eines optischen Bauteils. Es wird dabei ein neuartiges Laserverfahren eingesetzt. Um die Elektronik oder generell jegliche Funktionsanordnung bzw. Funktionsschicht zu schützen, ist typischerweise ein hermetischer Verschluss der Umhäusung vorteilhaft. Im Rahmen der Produktion von Umhäusungen stellt sich dabei regelmäßig die Frage, welche Güte bzw. Qualität die hergestellten Umhäusungen haben und nach welchen Kriterien die fertiggestellten Umhäusungen eingesetzt werden können oder dem Ausschuss zugeführt werden müssen. Je nach Anwendungsfall kann es sehr schwierig sein, festzustellen, ob der hermetische Verbund sichergestellt wurde oder ob während des Herstellungsprozesses möglicherweise Fehlertoleranzen aufgetreten sind. Beispielsweise im Falle von eingesetzter Elektronik, welche keine Drucksensoren oder dergleichen bereitstellt, kann ein fehlerhafter hermetischer Verbund der Umhäusung letztlich erst in Betrieb durch einen frühzeitigen Ausfall der Elektronik festgestellt werden. Dies kann entsprechend zu Reklamationsforderungen der Anwender bzw. der Käufer führen oder aber sensible Messungen systematisch verfälschen oder sogar vorzeitig beenden.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, bekannte Umhäusungen dahingehend zu verbessern, die erzielbare Qualität der Umhäusung, insbesondere hinsichtlich eines herzustellenden hermetischen Verbunds, einschätzen zu können, um daraus Rückschlüsse auf die Qualitätsanforderungen anstellen zu können. Die Erfindung hat sich ferner die Aufgabe gestellt, Randbedingungen bzw. Parameter zu evaluieren, anhand derer eine ausreichende Güte der Umhäusungen feststellbar ist, um im Rahmen einer Qualitätssicherung ein Ausschlagkriterium an die Hand zu geben, ob fertiggestellte Umhäusungen den Qualitätsanforderungen genügen oder ob vielmehr Herstellungsparameter gegebenenfalls zu überprüfen sind. Weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit, zuverlässigere und langlebigere Umhäusungen bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung und/oder Überprüfung eines Verbunds eines Substratstapels umfasst den Schritt des flächigen Anordnens, zumindest eines ersten Substrats an einem zweiten Substrat, wobei die zumindest zwei Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Berührkontaktfläche gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat in unmittelbarem flächigen Berührkontakt steht und wobei das erste Substrat ein transparentes Material umfasst.
Im Sinne dieser Anmeldung ist eine Kontaktfläche die Schnittfläche aus den sich zugeneigten Flächen der beiden in Kontakt zu bringenden Substrate. Die Berührkontaktfläche meint eine Teilfläche der Kontaktfläche, bei der der Abstand der beiden Substrate zueinander so gering ist, dass er optisch nicht mehr messbar ist. Schließlich wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Gutfläche definiert, bei welcher der Abstand der Substrate zueinander ausreichend klein ist, wie im Weiteren ausführlich beschrieben werden wird, oder aber eine tatsächliche Berührung zwischen den beiden Substraten stattfindet. Im Allgemeinen ist dabei die Kontaktfläche größer oder gleich der Gutfläche und die Gutfläche wiederum größer oder gleich der Berührkontaktfläche.
Mit anderen Worten werden zunächst zwei Substrate aneinander angeordnet, also zum Beispiel aufeinandergestapelt, wobei die Schwerkraft das obenliegende typischerweise erste Substrat an das zweite Substrat andrückt. Die Orientierung oberhalb bzw. unterhalb ist dabei lediglich beschreibend gemeint, da selbstverständlich die Substrate jede Orientierung im Raum annehmen können und auch eine Nebeneinanderanordnung nicht den Schutzbereich verlassen soll. Die beiden Substrate sind typischerweise mit einer größeren Seite ihrer Ausdehnung aneinander anliegend angeordnet.
Wenn beide Substrate absolut plan ausgebildet sind, also überhaupt keine Vertiefungen, Erhöhungen oder Krümmungen aufweisen, was in dieser Absolutheit nur theoretisch erreichbar ist, wären erstes und zweites Substrat zueinander in vollflächigem Berührkontakt. Die beiden Substrate würden sich also an allen Punkten der zueinander ausgerichteten Oberflächen berühren. Dies ist im Allgemeinen und der konstruktionellen Realität so nicht erreichbar. Vielmehr sind Substrate, wenn auch nur in sehr kleinem Maße, aber dennoch gewölbt, geneigt, gekrümmt, mit Vertiefungen oder Erhöhungen versehen, so dass ein vollständiger Berührkontakt nur in absoluten Ausnahmefällen überhaupt erzielt wird.
Um dennoch sinnvolle Ausgangswerte im Sinne einer Qualitätssicherung erhalten zu können, mit welchen Substraten bzw. mit welchen Substratpaaren, welche aus den zueinander benachbart anzuordnenden Substraten gebildet wird, später Umhäusungen hergestellt werden können, wird im Sinne dieser Erfindung die Gutfläche eingeführt, welche denjenigen Teil der Kontaktfläche darstellt, bei welchem der Abstand zwischen den beiden Substraten einen gewissen Wert unterschreitet. Beispielsweise kann die Gutfläche so definiert werden, dass diejenige Fläche bzw. der Anteil der Kontaktfläche beschrieben ist, bei der der Abstand zwischen den Substraten kleiner ist als 2 pm, bevorzugt kleiner ist als 1 pm und weiter bevorzugt kleiner ist als 0,3 pm. Diese Abstandswerte können in vorteilhafter Weise mittels eines Rückstrahlmusters identifiziert und der entsprechenden Fläche zugeordnet werden, wie später in der Beschreibung weiter erläutert werden wird. Gegebenenfalls kann der Abstand zwischen den Substraten sogar 5 m oder kleiner betragen und dennoch der entsprechende Bereich der Gutfläche zugeordnet werden, was zum Stand der Erfindungsbeschreibung noch Gegenstand weiterer Optimierung des vorgestellten Verfahrens ist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das erste Substrat ein transparentes Substrat ist bzw. transparentes Material umfasst, also jedenfalls bereichsweise transparent ausgebildet ist, und dies jedenfalls für einen bestimmten Wellenlängenbereich, um nämlich einerseits durch das erste Substrat hindurch die spätere Laserbondlinie zur Fertigstellung der Umhäusung einzubringen und andererseits auf optischem Wege die Güte des Substratkontakts zu evaluieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Substratstapel bzw. die Umhäusung typischerweise mittels Laserbondverfahrens bzw. mit einer Laserbondlinie versehen, mittels welcher das erste Substrat mit dem zu dem ersten Substrat benachbart angeordneten zweiten Substrat direkt hermetisch dicht gefügt ist. Eine Laserbondlinie weist typischerweise eine Höhe HL senkrecht zu seiner Verbindungsebene auf. In bevorzugter Weise reicht die Laserbondlinie mit der Höhe HL oder weniger, oder auch mit HL/2 oder weniger, in das Material des oberhalb der Laserbondlinie angeordneten Substrats hinein. Gegenüberliegend reicht die Laserbondlinie in das Material des unter der Laserbondlinie liegenden Substrats hinein, beispielsweise mit der Höhe HL/2 oder mehr.
Wenn die Umhäusung nur das erste und zweite Substrat umfasst, um die Umhäusung zu bilden, so ist das erste Substrat mit dem zweiten Substrat direkt miteinander gefügt und die Umhäusung weist beispielsweise eine Laserbondlinie auf. Die Umhäusung weist dann ferner eine Verbindungsebene auf bzw. einen Fügebereich, in welchem Substrate miteinander gefügt sind. In einem weiteren Beispiel kann die Umhäusung aus drei oder mehr Substraten gestapelt aufgebaut sein, wobei das erste Substrat mit dem zweiten Substrat direkt gefügt ist und das zweite Substrat mit einem Basissubstrat, welches gleichermaßen einen Boden der Umhäusung bildet. In diesem Beispiel weist die Umhäusung zwei Kontaktzonen bzw. zwei Fügebereiche auf, in denen die Umhäusung gefügt ist. Die Umhäusung kann zwei oder mehr Verbindungsebenen aufweisen.
Beispielsweise wird das erste Substrat mit dem zweiten Substrat schmelzend und direkt miteinander gefügt, ohne dass beispielsweise Vermittler oder Kleber eingesetzt werden müssen. Die Laserbondlinie kann auch in physikalischer Hinsicht in eines der beiden zu fügenden Substrate gesetzt werden, also der Zielpunkt des Lasers in einem der beiden Substrate liegen, wobei sich die Laserbondlinie stets in die beiden zu fügenden Substrate gemeinsam hinein erstreckt. Bei dem Fügeschritt bzw. in der Laserbondlinie vermischt sich schmelzend Material des einen Substrats mit Material des anderen Substrats zur Herstellung des festen und nicht lösbaren hermetischen Verbunds zwischen dem einen Substrat und dem anderen Substrat.
Wenn die Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet werden sollen, bedeutet das, dass die zumindest zwei Substrate so aneinander angeordnet bzw. angebracht werden, dass sie flächig aneinander zu liegen kommen, insbesondere ohne dass andere Materialien oder Schichten zwischen den zumindest zwei Substraten vorhanden oder eingefügt sind. Möglicherweise sind aus technischen Gründen geringste Gaseinschlüsse oder Unreinheiten, wie Staubpartikel zwischen den Substratschichten, nicht zu vermeiden. Dies kann sich auch aus eventuellen Unebenheiten auch im Mikrobereich zwischen den Substratschichten oder an den Oberflächen der Substratschichten ergeben. Wenn die vom Laser erzeugte Fügezone bzw. Laserbondlinie in bevorzugter Weise beispielsweise eine Höhe HL zwischen 10 - 50 m bereitstellt, kann mittels der Laserbondlinie eine hermetische Versiegelung sichergestellt werden, da der möglicherweise auftretende Abstand zwischen den beiden Substraten überbrückt werden kann.
Eine der oder die Laserbondlinie kann den Funktionsbereich in einem Abstand DF umlaufend umschließen. Der Abstand DF umlaufend um den Funktionsbereich kann konstant sein, so dass die Laserbondlinie allseits im ungefähr gleichen Abstand um den Funktionsbereich herum angeordnet ist. Der Abstand DF kann je nach Anwendungsfall auch variieren, was gegebenenfalls produktionstechnisch günstiger sein kann, wenn beispielsweise eine Mehrzahl von Umhäusungen in einem gemeinsamen Arbeitsschritt gefügt wird, oder wenn der Funktionsbereich eine runde oder beliebige Form aufweist und die Laserbondlinie in gerader Linie gezogen wird. Auch in dem Fall, dass die Kavität optische Eigenschaften aufweist, beispielsweise in Form einer Linse, wie einer Sammellinse, ausgeformt ist, kann die Laserbondlinie um die Kavität herum ausgebildet sein und gegebenenfalls verschiedene Abstände zur Kavität aufweisen. Eine Umhäusung kann auch mehrere Kavitäten umfassen.
Im Rahmen des Verfahrens wird eine Rückstrahlung erfasst, welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung an zumindest einer Kontaktfläche des Substratstapels entsteht. Mit anderen Worten wird der Substratstapel bestrahlt bzw. beleuchtet, so dass an den Oberflächen der Substrate eine Rückstrahlung aus der Einstrahlung erzeugt wird. Hierbei kann es sich bei der Rückstrahlung um die reflektierte Einstrahlung handeln, welche zu einem gewissen Anteil an einer der Oberflächen reflektiert wird. Im Falle von zwei Substraten können hierzu vier Oberflächen infrage kommen, an welchen bereits eine solche Reflexion auftreten kann. Diese sind die Außenseite des ersten Substrats, die Innenseite des ersten Substrats, die Innenseite des zweiten Substrats sowie die Außenseite des zweiten Substrats.
Mit anderen Worten weist das erste Substrat eine Außenseite oder auch äußere Flachseite auf, die zur Umgebung hin ausgerichtet ist und welche im Wesentlichen flächig bzw. flach ausgebildet ist. An die äußere Flachseite angrenzend und typischerweise in einem rechten Winkel zu der äußeren Flachseite orientiert, beispielsweise um den Rand der äußeren Flachseite umlaufend ausgestaltet, ist eine umlaufende Schmalseite. In einem Beispiel ist das erste Substrat als Platte oder Quader beschreibbar, aufweisend zwei großflächige Seiten (also die Außenseite und die Innenseite) sowie vier zwischen den großflächigen Seiten angeordnete kleinere Seiten, die insbesondere senkrecht auf die beiden großflächigen Seiten stehen und an die großflächigen Seiten angrenzen. Dann bilden die vier kleineren Seiten gemeinsam die umlaufende Schmalseite und die Oberseite die äußere Flachseite des ersten Substrats. Die Oberseite weist dabei typischerweise eine größere Oberfläche auf als die kleineren Seiten der umlaufenden Schmalseite zusammen. Diese Ausführungen zu Größen und Größenverhältnissen können analog auch für das zweite Substrat gelten.
In einem Bereich, in dem die beiden Substrate in Berührkontakt stehen, findet an den Innenseiten beider Substrate keine oder keine nennenswerte Reflexion statt, so dass dieser Anteil vergleichsweise gering ist. Fallen beide Substrate jedoch auseinander, also ein Abstand zwischen den beiden Substraten vorliegt, die beiden Substrate in diesem Teilbereich also nicht in Berührkontakt stehen, wird die Einstrahlung an allen vier Oberflächen der zwei Substrate reflektiert jeweils zu einem gewissen Anteil.
Im Falle von mehr Substraten, wie beispielsweise drei Substraten, können entsprechend sechs und mehr Oberflächen zu berücksichtigen sein. Andererseits kann beispielsweise das oder die unten angeordneten Substrate intransparent ausgerüstet sein dergestalt, dass dort keine Strahlung eindringt bzw. dort verlöscht. Dann können auch bei einer Mehrzahl von Substraten lediglich beispielsweise vier Oberflächen bzw. weniger Oberflächen als die doppelte Zahl der Substrate zu berücksichtigen sein.
Aus der Rückstrahlung, die aus dem Substratstapel in eine Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung fällt, wird ein erster Bond-Quality-I ndex Qi der Kontaktfläche des Substratstapels ermittelt. Die Rückstrahlung entsteht dabei besonders bevorzugt direkt an der zumindest einen Kontaktfläche des Substratstapels. Es handelt sich dabei bevorzugt um Rückstreuung an einer optischen Grenzfläche, nämlich einer Oberfläche des ersten bzw. zweiten Substrats. Wenn zwischen den Kontaktflächen des ersten bzw. zweiten Substrats, die aneinanderliegen, ein Spalt verbleibt - also ein auch nur kleiner Abstand zwischen den beiden Kontaktflächen vorliegt - so kann zwischen der Rückstreuung an der ersten Kontaktfläche und der Rückstreuung an der zweiten Kontaktfläche ein Gangunterschied der Strahlung entstehen. Der Gangunterschied kann durch eine unterschiedlich große zurückgelegte Wegstrecke der optischen Strahlung entstehen. Bei Überlagerung der beiden Rückstreuungen beispielsweise in einem Detektor kann somit eine Überlagerung in Form beispielsweise eines Interferenzmusters festgestellt werden. Durch Auswertung des Interferenzmusters kann schließlich am jeweiligen Ort der Kontaktfläche der Abstand der ersten Kontaktfläche von der benachbarten zweiten Kontaktfläche bestimmt werden.
Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, dass an der Kontaktfläche die einfallende Strahlung grundsätzlich reflektiert wird, dass also stets Rückstreuung entsteht, unabhängig davon, ob die Kontaktflächen einen Restabstand zueinander aufweisen, oder ob diese in völligem Kontakt (Berührkontakt) zueinander sind. Aus der Form der Rückstreuung, insbesondere dem entstehenden Interferenzmuster, kann dann einfacher auf einen potentiell verbleibenden Abstand geschlossen werden. Beispielsweise kann die Form des Interferenzmusters von dem Abstand zwischen erster und zweiter Kontaktfläche abhängig sein, so dass aus der Form des Interferenzmusters auf den Abstand geschlossen werden kann. Hierfür kann es vorteilhaft sein, dass auch bei dem Fehlen eines Abstands Rückstrahlung in den Detektor tritt.
Ferner ist es für die hier vorgeschlagene Ermittlung des Bond-Quality-I ndex besonders vorteilhaft, wenn die beiden Kontaktflächen nah beieinander angeordnet sind. Daher ist es ferner bevorzugt, wenn zwischen den Kontaktflächen keine weiteren Bauteile, Haftvermittler oder Kleber angeordnet sind, sondern die beiden Substrate direkt miteinander verschmelzend gefügt werden. Wäre noch eine weitere Komponente, wie ein Glasfritt oder ein Klebauftrag zwischen erster und zweiter Kontaktfläche, dann wären potentiell die beiden Kontaktflächen nicht im flächigen Berührkontakt. Die Feststellung des Bond-Quality-I ndex kann dadurch erschwert sein. Auch die Zielsetzung der flächig aneinander gefügten Substrate dann möglicherweise gar nicht erst erfüllt, wenn zwischen den Kontaktflächen weitere Materialien wie ein Klebauftrag angeordnet ist.
Im Falle des direkt schmelzenden Fügens zweier Substrate miteinander kann es daher besondere Bedeutung erlangen, dass die Substrate der Umhäusung ohne den zusätzlichen Einsatz von Klebstoffen direkt miteinander gefügt werden, da jeglicher Klebstoff, Glasfritt oder anderer Stoff aus verschiedenen Gründen zu vermeiden sein kann. So kann durch den Einsatz weniger Komponenten der Herstellungsprozess vereinfacht werden. Dies kann überdies die erzielbare Reinheit erhöhen, da solche Fremdstoffe auch ausgasen können, ggf. sogar in die Kavität, sofern vorhanden. Schließlich können solche Zusatzstoffe wie Verbinder bzw. Klebschichten auch die Qualität oder Dauerhaftigkeit der Hermetizität eines Verbunds nachteilig beeinflussen. Wenn also beispielsweise mehrere Schichten, z.B. zwei oder mehr, benötigt werden, und dabei eine aufgetragene oder aufgeklebte Zwischenschicht auf einem der Substrate vorgesehen wäre, so kann dies nicht als „einstückige Bereitstellung eines Substrats“ aufgefasst werden, selbst wenn diese aus einem gleichartigen Material hergestellt oder aufgebaut ist. Hierbei kann nämlich ggf. keine hermetische Fügung sichergestellt werden in der Form, wie dies das in der vorliegenden Anmeldung weiterentwickelte direkte Laserfügen ermöglicht. Ggf können bei Einsatz getrennter Schichten bzw. Materialien zudem Spannungen im Substrat bei der Herstellung „eingefroren“ werden, welche zu einer Schädigung oder einem vorzeitigen Ausfall des Produkts führen können.
Zwar könnte das fertige Produkt, bei welchem die Substrate miteinander gefügt sind, als einstückig bezeichnet werden, da die Substrate typischerweise einen untrennbaren Verbund miteinander eingehen. Dennoch ist die Umhäusung nicht aus einerm einstückigen Vorprodukt hergestellt. Wenn eine Zwischenschicht wie ein Kleber oder Fritte oder dgl. bei der Herstellung einer Umhäusung zum Einsatz gekommen ist, so lässt sich dies später auch bei dem gefügten Produkt noch nachweisen und somit unterscheiden. Das direkte Laserfügen zweier Substrate miteinander stellt also eine unterscheidbare Produktverbesserung dar, bei welcher wiederum neue Schwierigkeiten auftauchen können, die bei herkömmlichen, mit Kleber bzw. Fritte oder anderen Zusatzschichten verbundenen Produkten gar nicht erst zu problematisieren waren. Hierzu kann auch die vorliegende Messmethode und das anhand der Messmethode überprüften Produkts gezählt werden, bei welchem das direkte Anliegen zweier Substrate aneinander und deren Verbund kaum mit herkömmlichen Produkten vergleichbar ist.
Beispielsweise kann der Bond-Quality-Index Qi ermittelt werden, wenn gilt
Qi = 1 - (A - G) / A. Dabei ist A die Fläche, welche die Kontaktfläche der Substrate darstellt. G ist dabei die Fläche der Gutfläche, wobei die Gutfläche G diejenige Fläche beschreibt, bei der der Abstand zwischen den Substraten kleiner ist als ein festgelegter Wert. Dieser festgelegte Wert, bei welchem die Gutfläche G angenommen ist, ist bevorzugt dann gegeben, wenn der Abstand zwischen den beiden Substraten kleiner ist als 5 pm, weiter bevorzugt kleiner ist als 2 pm und noch weiter bevorzugt kleiner ist als 1 pm. Wenn die Kontaktfläche keine Mängel aufweisen würde, dann entspricht die Gutfläche G der Kontaktfläche A, der Bond-Quality-I ndex wäre Qi = 1 . Wenn hingegen die gesamte Kontaktfläche mangelhaft wäre, dann ist die Gutfläche G = 0 und der Bond-Quality-Index Qi = 0. Der Bond-Quality-Index Qi entspricht also je nach Flächenanteil der Gutfläche einer Zahl zwischen 0 und 1.
Der Bond-Quality-Index Qi ist bevorzugt größer oder gleich 0,8, weiter bevorzugt größer oder gleich 0,9 und noch weiter bevorzugt größer oder gleich 0,95.
Die Einstrahlung wird bevorzugt mittels einer monochromatischen Strahlungsquelle erzeugt. Die Einstrahlung kann auch mittels einer spektral adaptierten Strahlungsquelle erzeugt werden. Die Einstrahlung kann eine niederenergetische Einstrahlung sein, wobei die Einstrahlung insbesondere eine Strahlungsleistung aufweist, die nicht zu einem An- oder Aufschmelzen des oder der Substrate führt. Alternativ dazu kann eine nicht-monochromatische Strahlungsquelle verwendet werden, beispielsweise wenn von dem Detektor ein schmalbandiger Bandpassfilter entweder durch ein entsprechendes Bauteil, einer Bauteilgruppe, und/oder mittels Software realisiert wird.
Mit anderen Worten ist der Detektor dazu eingerichtet, die Detektion der Rückstrahlung bevorzugt monochromatisch oder zumindest schmalbandig chromatisch erfolgen zu lassen. Die Rückstrahlung kann dabei monochromatisch bzw. schmalbandig chromatisch vorliegen oder aus einer Rückstrahlung extrahiert werden. Hierbei ist beispielsweise eine softwareseitige Separation eines oder mehrerer Farbkanäle aus einer Bilddatei möglich. Ein separates Auslesen der Farbkanäle des Detektors beim Aufnehmen des Bildes kann durchgeführt werden. Und/oder es kann ein schmalbandiger Filter, z.B. ein Bandpassfilter, vor den Detektor eingesetzt sein. Schließlich kann beispielsweise die monochromatische oder quasi-monochromatische Bestrahlungsquelle - insbesondere eine Gasdampflampe oder ein Laser - in einer ansonsten abgedunkelten Belichtungskabine eingesetzt sein. Es kann also ein monochromatischer oder quasi-monochromatischer Bereich aus der Rückstrahlung ausgewählt werden, beispielsweise durch Auswahl eines Farbkanals beispielsweise einer digitalisierten Bilddatei.
Die Rückstrahlung erzeugt bevorzugt ein Muster, insbesondere ein Interferenzmuster, weiter insbesondere wird dieses Muster aus der Überlagerung der Einstrahlung mit der Rückstreuung an der zumindest einen Kontaktfläche der Umhäusung erzeugt. Dann ist es möglich, die Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung so auszugestalten, dass diese das Interferenzmuster erkennt bzw. erfasst und daraus den Abstand zwischen den beiden Substraten berechnen bzw. herleiten kann.
Das Muster aus der Rückstrahlung kann eine Anordnung aufweisen, bei welcher sich das Muster um eine oder mehrere Fehlstellen herum erstreckt. Mit anderen Worten kann das Muster besonders um solche Stellen herum angeordnet sein, bei welchen die zumindest zwei Substrate nicht in Berührkontakt stehen. Dann ist es besonders einfach, mit der Mess- bzw. Beobachtungseinrichtung die Stellen zu lokalisieren, bei welcher die zumindest zwei Substrate nicht in Berührkontakt stehen. Eine Fehlstelle kann dabei dadurch gekennzeichnet sein, dass der Abstand zwischen den Substraten an diesen Fehlstellen größer ist als 5 pm, bevorzugt größer ist als 2 pm und weiter bevorzugt größer ist als 1 pm, oder auch bevorzugt größer als 0,3 pm. Mit anderen Worten liegt eine Fehlstelle besonders bevorzugt genau dort vor, wo gerade nicht die Kriterien einer Gutfläche G erfüllt sind. In diesem Fall kann die Kontaktfläche zwischen den zumindest zwei Substraten vollständig aufgeteilt werden in Gutfläche G und Fehlstelle F.
Die entsprechende Bereichszuordnung kann in einem Beispiel anhand eines Interferenzmusters in Form von Newtonschen Ringen identifizierbar werden. Wenn die Einstrahlung im Bereich des sichtbaren Lichts eingestellt ist, beispielsweise mit A = 500 nm zeigt jeder Newton-Ring einen Höhenunterschied von A/2 = 250 nm. Wenn beispielsweise das Auftreten von drei Newton-Ringen als Grenzkriterium für die Feststellung, ob ein Gutbereich vorliegt, eingestellt wird, so kann in einer optischen Bildanalyse einer Rückstrahlung aus der Umhäusung derjenige Bereich als Gutbereich definiert werden, bei welchem der Abstand zwischen den Substraten kleiner oder gleich 3* A 12 = 750 nm beträgt.
Von dem Substratstapel kann zumindest ein Funktionsbereich beherbergt werden, wobei der Funktionsbereich beispielsweise als Beherbergungskavität ausgebildet ist zur Aufnahme zumindest eines Beherbergungsobjekts. Mit anderen Worten wird von dem Substratstapel eine Umhäusung gebildet, welche einen zu schützenden Bereich bzw. ein zu schützendes Objekt aufweist. Das Abdecksubstrat, welches typischerweise das erste Substrat ist, kann eine äußere Flachseite, auch als Oberseite bzw. Außenseite bezeichnet, und eine umlaufende Schmalseite aufweisen.
Der Substratstapel kann ferner einen Nutzbereich N aufweisen. Beispielsweise kann der Bereich des Substratstapels, in welchem sich ein Funktionsbereich befindet, als Nutzbereich N definiert sein. Ein Substrat bzw. ein Substratstapel kann auch eine Mehrzahl von Funktionsbereichen aufweisen, wobei sich die Summe der Funktionsbereiche zum Nutzbereich N addiert. Dies kann beispielsweise gegeben sein, wenn zunächst die Substrate vorbereitet und gefügt werden und später aus dem Substratstapel eine Mehrzahl von Umhäusungen vereinzelt wird. Der Nutzbereich N ist daher immer kleiner als die Kontaktfläche A.
Zur Berechnung des ersten Bond-Quality-I ndex Qi kann nur der Nutzbereich N herangezogen werden, es kann beispielsweise Qi ermittelt werden zu Qi = 1 - (N - G) /N.
Der qualitativ begutachtete Substratstapel kann nach dem Schritt der Ermittlung des Bond-Quality-Index Qi beispielsweise mittels Laserverfahrens gefügt werden. Es hat sich dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass die Information von wesentlicher Bedeutung sein kann, bereits vor dem Schritt des Fügens über die Information zu verfügen, wie der Bond-Quality-Index Qi vor dem Fügen bemessen ist. Denn es ist zwar so, dass mittels des Laserfügeverfahrens und der korrekten Justierung des Lasers auch solche Bereiche miteinander gefügt werden können, bei welchem ein Abstand zwischen den beiden Substraten vorliegt, sogar wenn der Abstand zwischen den beiden Substraten größer ist als 1 pm, oder größer ist als 2 pm, oder sogar größer ist als 5 pm. So hat sich gezeigt, dass die Laserbondlinie so eingestellt werden kann, dass sie eine Höhe von bis zu 50 pm aufweist, oder sogar bis zu 75 pm, oder auch bis zu 100 pm Höhe aufweisen kann. Kleinere Abstände zwischen den Substraten können somit also mit der Laserbondlinie überbrückt werden. Allerdings hat sich gezeigt, dass wenn Abstandsbereiche, die vor dem Fügen vorlagen, wenn also die Laserbondlinie in einem Fehlerbereich F bzw. außerhalb einer Berührkontaktfläche in das Substrat eingebracht wird, gegebenenfalls Spannungen im Substratstapel auftreten, die die Eigenschaften der späteren Umhäusung nachteilig beeinflussen können. Unter Umständen sind diese Substratspannungen im fertigen Produkt nicht mehr messbar bzw. nur mit erhöhtem Aufwand messbar, so dass ein vorzeitiger Ausfall auftreten kann, ohne dass dieser vorhersehbar ist. Um dies beherrschbar machen zu können, ist es daher vorteilhaft, den vor dem Laserfügen ermittelten Bond-Quality- Index Qi mit einem nach dem Laserfügen ermittelten Bond-Quality-Index Q2 zu vergleichen. Aus dieser Relation lassen sich Rückschlüsse über die möglicherweise in den fertigen Umhäusungen vorzufindenden Spannungen bzw. Restspannungen ziehen.
Eine Umhäusung gemäß der vorliegenden Beschreibung kann auch unterschiedliche Materialien aufweisen, beispielsweise kann ein Glas/Metall-Verbund vorteilhaft sein, wobei das Glas direkt und unmittelbar mit dem Metall in einem Laserfügeverfahren an der Kontaktfläche gefügt ist. Beispielsweise kann das erste Substrat ein transparentes Material aufweisen und das zweite Substrat ein Metallmaterial. Das transparente Substrat kann als Deckel auf dem Metallsubstrat aufliegen. Sobald eine Berührkontaktfläche zwischen erstem und zweitem Substrat vorliegt, kann mit der hier vorgestellten Methode der Q-Index bestimmt werden. Beispielsweise kann somit die Qualität der Fügeverbindung eingeschätzt werden, oder aber die Hermetizität der Umhäusung. Aus dem Vergleich eines vor dem Fügevorgang erzeugten ersten Index Qi mit dem nach dem Fügevorgang erzeugten Index Q2 kann überdies auch festgestellt werden, ob in der Umhäusung bzw. in dem oder einem der transparenten Substrat(e) Materialspannungen eingefroren wurden, die ggf. die Lebensdauer der Umhäusung beeinflussen können.
Im Rahmen der Erfindung steht auch ein Verfahren zur Herstellung einer hermetisch verschlossenen Umhäusung aus zumindest zwei Substraten. Dies stellt insbesondere die Vollendung des bereits zuvor beschriebenen Verfahrens dar, bei welchem ein Substratstapel vermessen wird. Das Verfahren umfasst das flächige Anordnen zumindest eines ersten Substrats an einem zweiten Substrat, wobei die zumindest zwei Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, zum Bilden eines Substratstapels, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Kontaktfläche gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat zumindest an einer Stelle in unmittelbarem flächigen Berührkontakt steht. Wie zuvor beschrieben, ist nur in einem Idealfall die vollständige Kontaktfläche auch Berührkontaktfläche, wobei typischerweise und in der Realität die Kontaktfläche aufgeteilt wird in einen Teil Berührkontaktfläche und einen weiteren Teil, an dem die beiden Substrate nicht in Berührkontakt stehen. Dieser weitere Teil, an welchem die beiden Substrate nicht im Berührkontakt stehen, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiter aufgeteilt in Gutfläche G, bei welchem der Abstand zwischen den beiden Substraten tolerabel klein ist sowie den übrigen, als Fehlstelle F bezeichneten Bereich der Kontaktfläche. Das erste Substrat umfasst ein transparentes Material zumindest bereichsweise und zumindest für einen Wellenlängenbereich transparent, so dass das erste Substrat von einem Laser zum Bilden der Laserfügelinie durchdrungen werden kann und/oder so dass das erste Substrat von der Einstrahlung und/oder der Rückstrahlung durchdrungen werden kann.
Das Verfahren umfasst ferner das Erfassen einer Rückstrahlung, welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung an zumindest einer Kontaktfläche des Substratstapels entsteht. Aus der Rückstrahlung wird ferner der erste Bond-Quality-I ndex Qi der Kontaktfläche des Substratstapels ermittelt. Der erste Bond-Quality-Index Qi wird also bevorzugt vor dem Fügen der zumindest zwei Substrate miteinander ermittelt, zumindest aber die zur Berechnung von Qi notwendigen Messdaten erfasst. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt: hermetisch dichtes Verbinden der zumindest zwei Substrate miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate miteinander im Bereich der zumindest einen Kontaktfläche der Umhäusung. Durch das Fügen der zumindest zwei Substrate miteinander bildet sich eine Fügezone heraus, die einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt. Mit anderen Worten wird mittels des Fügeschritts lokal begrenzt Material sowohl des ersten Substrats als auch des zweiten Substrats geschmolzen dergestalt, dass Material des ersten Substrats mit dem Material des zweiten Substrats vermischt und eine Fügezone gebildet wird, welche aus vermischtem Material des ersten sowie des zweiten Substrats besteht. In der Fügezone ist besonders bevorzugt kein weiteres Material bzw. Fremdmaterial benötigt bzw. vorhanden, d. h. es wird unmittelbar und direkt Material des ersten Substrats mit Material des zweiten Substrats gefügt bzw. ineinander geschmolzen. Die Fügezone bildet im Moment des Fügens eine Art Konvektionszone aus, in welcher der Materialaustausch zwischen den beiden Substraten stattfindet.
Nach dem Schritt des Fügens der zumindest zwei Substrate miteinander folgt der Schritt: erfassen einer weiteren Rückstrahlung, welche durch das erneute Bestrahlen des Substratstapels mit der Einstrahlung an der zumindest einen Kontaktfläche der Umhäusung entsteht. Aus der weiteren Rückstrahlung kann schließlich ein zweiter Bond-Quality-Index Q2 der Kontaktfläche der hermetisch dicht gefügten Umhäusung ermittelt werden.
Dieser zweite Bond-Quality-Index Q2 wird beispielsweise ermittelt wie Q2 = 1 - (A - G) /A oder aber Q2 = 1 - (N - G) /N. A ist dabei die Fläche der ersten Kontaktfläche, G die Gutfläche und N die Fläche eines Nutzbereiches. Der Nutzbereich kann sich aus einer Mehrzahl oder Einzahl von Kavitäten bzw. Funktionsbereichen ergeben.
Der Bond-Quality-Index Q2 ist bevorzugt größer oder gleich 0,95, weiter bevorzugt größer oder gleich 0,99 und noch weiter bevorzugt größer oder gleich 0,999. Es ist insbesondere bevorzugt, wenn Q2 größer ist als Qi oder mindestens Q2 gleich Qi ist.
Der hermetische Verbund der zumindest zwei Substrate kann überprüft werden mittels Ermittlung eines Abstandsprofils zwischen den zumindest zwei Substraten. Eine solche Überprüfung des hermetischen Verbunds kann auch dadurch erfolgen, wenn Q2 Mindestanforderungen zur Gewährleistung des hermetischen Verbunds genügt.
Der Schritt hermetisch dichtes Verbinden der zumindest zwei Substrate erfolgt bevorzugt mittels Laserfügeverfahrens. Der Laser erzeugt dabei eine Fügezone, die einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht. Der Laser wird im Rahmen des Laserfügeverfahrens insbesondere umlaufend um das Substrat geführt und/oder umlaufend um eine oder mehrere Kavitäten. Der Laser kann dabei um eine Mehrzahl von Kavitäten gemeinsam herumgeführt werden oder um jede Kavität einzeln, um jede Kavität einzeln hermetisch dicht zu fügen.
Das Bestrahlen des Substratstapels kann beispielsweise mit einer koaxialen Beleuchtungseinrichtung durchgeführt werden, um eine homogene Beleuchtung über den Substratstapel bzw. die Umhäusung zu erzielen. Hierbei kann eine Lichtfläche umfassend eine Vielzahl an Lichtquellen wie LEDs, also z.B. ein LED-Bildschirm, eingesetzt werden, und die Einstrahlung auf den Substratstapel bzw. die Umhäusung gerichtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Einstrahlung aus der Lichtfläche z.B. durch einen Strahlteiler bzw. ein halbdurchlässiges optisches Element auf den Substratstapel bzw. die Umhäusung gerichtet werden. Beispielsweise ist der Substratstapel rund ausgeführt, z.B. liegt dieser als Scheiben eines Wafers vor, und weist einen Durchmesser Ds auf; Ferner beispielsweise kann der Strahlteiler bzw. das halbdurchlässige optische Element ebenfalls rund ausgeführt sein und einen Durchmesser DOE aufweisen, der D0E > 2 x Ds entspricht. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Strahlteiler bzw. das halbdurchlässige optische Element mit einem Winkel von etwa 45° zur Oberfläche des ersten Substrats angeordnet ist. Dann kann eine besonders homogene Ausleuchtung des Substratstapels bzw. der Umhäusung erzielt werden. Die Rückstrahlung kann dann mittels einer Detektoreinrichtung erfasst werden.
Zur Verbesserung der mit der Detektoreinrichtung erhaltenen Signalqualität kann die Rückstrahlung weiter verbessert werden. Beispielsweise kann mit dem Detektor zunächst eine Hintergrundmessung ohne Objekt und ohne Einstrahlung in einem Schritt MB protokolliert werden und eine ortsaufgelöste Intensität IB erfasst werden. Anschließend kann die Einstrahlung ohne Objekt in einem Schritt Mw protokolliert werden, indem die ortsaufgelöste Intensität Iw erfasst wird. Schließlich kann das Objekt - d.h. der Substratstapel bzw. die Umhäusung - mit der Detektoreinrichtung in einem weiteren Schritt Mo bzw. mit der Intensität Io erfasst werden. Die ortsaufgelösten Intensitäten IB, IW bzw. Io können schließlich wie folgt zur finalen Intensität IF überlagert werden:
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Hierbei ist gain ein möglicher Verstärkungsfaktor des Detektors. Ferner kann die
Signalqualität des erhaltenen Bildes auch durch Mittelwertbildung über zumindest zwei Bilder derselben Einstellung erhöht werden, da hierdurch eine Rauschunterdrückung des Bildrauschens erreicht werden kann.
Es kann im Weiteren ein Maximalabstand des Abstandsprofils zwischen dem ersten Substrat und im zweiten Substrat festgelegt werden. Bei einem Überschreiten des Maximalabstands, d. h. wenn ein solches Überschreiten des Maximalabstands mittels entweder Qi oder Q2 festgestellt wird, kann in einem automatisierten Verfahren die Umhäusung aufgelöst werden, gesäubert werden, es kann das Fügeverfahren angepasst werden öder es kann schließlich die Umhäusung aussortiert werden, so dass diese nicht eingesetzt wird.
Nach dem hermetisch dichten Verbinden der zumindest zwei Substrate kann ein erneutes Überprüfen des hermetischen Verbunds erfolgen mittels Ermittlung eines zweiten Abstandsprofils. Das zweite Abstandsprofil kann dann in bevorzugter Weise mit dem ersten Abstandsprofil verglichen werden, um die durch das Laserfügen induzierten Änderungen sichtbar zu machen.
Das erste Substrat ist bevorzugt ein Abdecksubstrat, das zweite Substrat kann ein Basissubstrat sein. Das Abdecksubstrat kann dann unmittelbar und direkt an den Basissubstrat anliegen und somit den Substratstapel bzw. die Umhäusung bilden. Andererseits kann ferner ein Zwischensubstrat umfasst sein, welches zwischen dem Abdecksubstrat und dem Basissubstrat angeordnet ist. In diesem Fall ist das Abdecksubstrat direkt und unmittelbar an dem Zwischensubstrat angeordnet und das Basissubstrat direkt und unmittelbar an dem Zwischensubstrat. Mit anderen Worten liegt das Zwischensubstrat zwischen Abdecksubstrat und Basissubstrat.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine hermetisch verschlossene Umhäusung, welche hergestellt oder überprüft wurde nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren.
Eine hermetisch verschlossene Umhäusung gemäß der Erfindung umfasst zumindest ein flächig ausgedehntes erstes Substrat und ein zu dem ersten Substrat benachbart angeordnetes und mit dem flächig ausgedehnten ersten Substrat in direktem Berührkontakt stehendes zweites Substrat. Dabei wird zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat eine Kontaktfläche gebildet und typischerweise bildet die Berührkontaktfläche nur eine Untermenge der Kontaktfläche, da typischerweise aufgrund von Produktionstoleranzen, welche nicht zu verhindern sind, das erste und das zweite Substrat nur bereichsweise im Berührkontakt stehen.
Die hermetisch verschlossene Umhäusung umfasst ferner zumindest einen von der Umhäusung umschlossenen Funktionsbereich, welcher insbesondere zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist. Das erste Substrat ist mit dem zu dem ersten Substrat benachbart angeordneten zweiten Substrat mit zumindest einer Laserbondlinie direkt hermetisch dicht gefügt. Die Laserbondlinie reicht dabei einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hinein. Die Laserbondlinie fügt die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander.
Die hermetisch verschlossene Umhäusung weist einen anhand eines Abstandsprofils berechneten Qualitätsfaktor von Q2 größer oder gleich 0,95 auf. Alternativ oder kumulativ ist die Laserbondlinie der Umhäusung vollständig um den Funktionsbereich herum geschlossen ausgeführt, wobei eine möglicherweise auftretende Beabstandung des ersten Substrats von dem zweiten Substrat in der Laserbondlinie durchgehend kleiner ist als 0,75 pm, bevorzugt kleiner als 0,5 pm und weiter bevorzugt kleiner ist als 0,3 pm. Somit kann die Überprüfung der Umhäusung derart eingestellt werden, dass eine mit der Rückstrahlung erzielbare Auflösung nicht kleiner zu sein braucht als 250 nm oder größer, also beispielsweise sichtbares Licht im Bereich von 500 nm Wellenlänge als Einstrahlung eingesetzt werden kann. Damit kann die Überprüfung der Umhäusung auf besonders einfache Weise durchgeführt und verifiziert werden. Des Weiteren kann mit einer Einstrahlung angepasster Wellenlänge von beispielsweise um 200 nm auch noch eine Beabstandung von 0,1 pm aufgelöst werden, so dass auch eine möglicherweise auftretende Beabstandung des ersten Substrats von dem zweiten Substrat in der Laserbondlinie angenommen werden kann, welche kleiner oder gleich 0,1 pm sein kann.
Das erste Substrat ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass es flach ausgebildet ist. Insbesondere ist das erste Substrat planar ausgebildet, also weist eine homogene, möglichst plane Oberfläche, und zwar insbesondere auf seiner Innenseite auf. Der Mittenrauwert Ra ist dabei auf seiner Innenseite bevorzugt kleiner oder gleich 20 nm.
Alternativ oder kumulativ ist das zweite Substrat flach ausgebildet, also insbesondere planar. Es weist bevorzugt einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 20 nm an seiner Innenseite auf. Die jeweilige Innenseite des ersten bzw. zweiten Substrats ist dabei die Seite, die dem benachbart angeordneten Substrat zugewandt ist.
Das erste Substrat bildet bevorzugt mit dem zweiten Substrat eine Kontaktebene oder einen Kontaktbereich, an welchem das erste Substrat mit dem zweiten Substrat bevorzugt in direktem Berührkontakt steht. Die Kontaktebene ist weiter bevorzugt frei von Fremdwerkstoffen, also weiter insbesondere frei von Verbindungsmaterialien, wie Kleber oder Glasfritte. Das zweite Substrat kann als Basissubstrat ausgebildet sein. Das Basissubstrat mit dem ersten Substrat mit derselben Laserbondlinie miteinander hermetisch dicht gefügt. Alternativ kann die Umhäusung ein Zwischensubstrat aufweisen, welches zwischen dem Basissubstrat und dem ersten Substrat angeordnet ist. Dann ist das Basissubstrat mit dem Zwischensubstrat in einer ersten Verbindungsebene gefügt und das erste Substrat mit dem Zwischensubstrat in einer zweiten Verbindungsebene.
Die zumindest eine Laserbondlinie weist eine Dicke in eine Richtung senkrecht zur flächigen Erstreckungsrichtung des ersten Substrats auf.
Der Funktionsbereich der Umhäusung weist eine hermetisch verschlossene Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungsobjekts auf, wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS.
Das erste Substrat ist zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet.
Das erste Substrat kann aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien bestehen oder dieses umfassen. Das erste Substrat kann auch aus keramischem Material bestehen oder dieses umfassen, insbesondere oxidkeramischem Material.
Die Umhäusung ist bevorzugt im Bereich der Laserfügelinie so ausgebildet, dass dort eine Restspannungszone vorliegt. Die Restspannungszone kann dadurch gekennzeichnet sein, dass im Bereich der Restspannungszone Q2/Q1 größer oder gleich 1 ist, weiter bevorzugt Q2/Q1 größer oder gleich 1 ,1.
Die Laserfügelinie der Umhäusung kann in dem Falle, wenn Q2/Q1 größer/gleich 1 ist, weiter bevorzugt Q2/Q1 größer/gleich 1,1 , eine schwankende Maximalbreite der Laserfügelinie aufweisen. Weiter bevorzugt kann die Laserfügelinie der Umhäusung eine schwankende Breite eines Bereichs mit veränderten optischen Eigenschaften der Laserfügelinie aufweisen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Es zeigen: Fig. 1 eine Ausführungsform eines Substratstapels mit Kavitäten,
Fig. 2 eine Ausführungsform einer Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Umhäusung,
Fig. 3 Substratstapel mit Gutbereich und Fehlerbereich,
Fig. 4 beispielhaftes Ablaufdiagramm des Verfahrens,
Fig. 5 weitere Schritte eines Verfahrens,
Fig. 6 fotografische Darstellung von gemessenen Rückstrahlungen zur Ermittlung eines ersten Bond-Quality-I ndex Qi,
Fig. 7 weitere fotografische Darstellung eines Substratstapels als Draufsicht,
Fig. 8 weitere fotografische Darstellung eines Substratstapels nach Durchführung des
Laserbondingverfahrens,
Fig. 9 eine Beleuchtungs- und Detektoranordnung zur Ermittlung von Q-Indizes,
Fig. 10 eine weitere Beleuchtungs- und Detektoranordnung zur Ermittlung von Q-Indizes,
Fig. 11 eine fotografische Darstellung eines weiteren Substratstapels mit Metall-Glas- Übergang,
Fig. 12 Seiten-Sch nittansicht einer Umhäusung mit Metall-Glas-Übergang,
Fig. 13 Detail der Kontaktfläche aus Fig. 12,
Fig. 14A-D Schritte eines Verfahrens zur bildgebenden Rauschunterdrückung,
Fig. 15A, B, C Schritte eines weiteren Verfahrens zur bildgebenden Rauschunterdrückung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Substratstapels 9 in einer Seiten- Schnittansicht. Der Substratstapel 9 weist eine Mehrzahl von hier dargestellten drei Umhäusungen 1 auf, welche in einem späteren Arbeitsschritt noch an den dargestellten Trennlinien 8 zu trennen sind. Ein erstes Substrat 3 ist als Abdecksubstrat ausgebildet und deckt die Umhäusungen 1 gemeinsam ab. Dieses wird später bei der Vereinzelung in die einzelnen Umhäusungen aufgeteilt. Ein zweites Substrat 4 bildet die Unterseite einer Kavität 2, wobei jede Kavität 2 umlaufend mit einer Laserfügelinie 6 hermetisch verschlossen ist. In der Kavität 2 ist ein Beherbergungsobjekt 5 angeordnet. In diesem Fall sind die gezeigten Umhäusungen 1 zueinander im Wesentlichen baugleich, wenn man davon absieht, dass manche Umhäusungen außenseitig liegen, wohingegen andere Umhäusungen beidseits geschnitten werden entlang der Schnittlinien 8. Beispielsweise ist die Kavität 2 abrasiv in das zweite Substrat 4 eingebracht, also ausgehöhlt aus dem zweiten Substrat 4. Erstes Substrat 3 und zweites Substrat 4 bilden zueinander eine in diesem Fall teilweise unterbrochene Kontaktfläche 15 aus, an welcher die Innenseite 11 des ersten Substrats 3 mit der Innenseite 12 des zweiten Substrats 4 in Kontakt, insbesondere im Berührkontakt steht. Im Bereich der Kontaktfläche ist auch die Laserfügelinie 6 eingebracht.
Bezugnehmend auf Fig. 2 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Umhäusung 1 gezeigt, welche beispielsweise als Vereinzelung aus dem mit Fig. 1 gezeigten Substratstapel 9 erhalten werden kann. Das erste Substrat 3 liegt auf dem zweiten Substrat 4 auf. Umlaufend um die Kavität 2 ist die Laserfügelinie 6 eingebracht, welche die Kavität hermetisch dicht nach außen verschließt. Die ungefähre Breite der Laserfügelinie 6 ist mit dem Bezugszeichen W und aus Hervorhebungsgründen mit einer umlaufenden Linie kenntlich gemacht.
Fig. 3 zeigt ein Detailausschnitt eines Substratstapels 9, wobei Fehlerbereich 17, Berührkontaktbereich 18 und Gutbereich 19 ersichtlich sind. Der Doppelpfeil 21 beschreibt die Stelle der größten Höhe der Fehlstelle 17.
Die Einstrahlung 22 wird auf den Substratstapel 9 gerichtet, wobei im Bereich der Fehlerstelle 17 die Einstrahlung sowohl an der Innenseite 11 des ersten Substrats 3 wie auch an der Innenseite 12 des zweiten Substrats 4 reflektiert wird. Die Rückstrahlung 24, 24a kann mit dem Detektor 30 erfasst werden. Der Gangunterschied zwischen der Rückstrahlung 24 und der Rückstrahlung 24a führt dabei in diesem Fall zu einem Interferenzmuster, welches von den beiden Rückstrahlungen zueinander erzeugt wird. Dabei handelt es sich jeweils um Fresnel- Effekte, also beispielsweise Reflexionen, die bei Glas ohne Antireflexcoating jeweils etwa 4% pro Grenzfläche betragen. Die Einstrahlung 22 umfasst in diesem Fall monochromatisches Licht.
Fig. 4 zeigt Schritte des Verfahrens zur Herstellung oder Überprüfung des hermetischen Verbunds eines Substratstapels. In einem ersten Schritt 100 wird ein erstes Substrat an einem zweiten Substrat flächig angeordnet. In einem zweiten Schritt 110 wird aus der Erfassung einer Rückstrahlung, welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung 22 an zumindest einer Kontaktfläche des Substratstapels 9 entsteht, ein Höhenprofil der Lücke innerhalb des Substratstapels 9 ermittelt. In einem Schritt 120 wird von dem Höhenprofil der Bond-Quality-I ndex Qi ermittelt. In einem Entscheidungsschritt 130 wird bestimmt, sofern der Bond-Quality-Index Qi, der in Schritt 120 ermittelt wurde, größer ist als ein festgelegter erlaubter Schwellwert Qithr, dass der Substratstapel dann für die Weiterverarbeitung, also insbesondere das Laserfügen mittels Laserfügelinien 6, freigegeben werden kann. Sollte Qi jedoch kleiner sein als das erzielte bzw. gewünschte Qithr, so wird in Schritt 135 der Substratstapel 9 beispielsweise neu aufgearbeitet, d. h. er wird voneinander gelöst, gegebenenfalls erneut gesäubert oder einer anderweitigen Wiederverwertung zugeführt.
Im Schritt 140 findet sodann das Laserfügen des Substratstapels 1 zu der oder den Umhäusungen statt. Anschließend wird ein zweites Höhenprofil der Lücke innerhalb des Substratstapels des angefügten Substratstapels 1 im Schritt 150 ermittelt und daraus Q2 im Schnitt 160 berechnet. Es wird im Schritt 170 ermittelt, ob Q2 größer ist als ein für Q2 festgelegter Schwellwert Cbthr. Beispielsweise ist Cbthr kleiner oder gleich Qithr. Vorzugsweise wird in Schritt 170 ebenfalls ermittelt oder überprüft, ob Q2 jedenfalls gleich groß oder größer ist als Qi. Wenn beide Bedingungen erfüllt sind, kann in einem Schritt 180 die Weiterverarbeitung der gefügten Umhäusung 1 oder Umhäusungen 1 erfolgen, beispielsweise das Abtrennen der Mehrzahl von Umhäusungen 1 aus dem Waferstapel 9 an der Trennlinie 8. Sollte hingegen eine der beiden oder beide Bedingungen, die in Schritt 170 festgelegt sind, nicht erfüllt sein, so kann in einem Schritt 175 eine alternative Weiterbehandlung des Substratstapels 9 eingeführt werden; hierbei kann beispielsweise ein Markieren von Fehlerbereichen F, 17 stattfinden oder der Waferstapel 9 kann der Verwertung zugeführt werden.
Fig. 5 beschreibt einige Schritte, die durchgeführt werden können, um den Bond-Quality- Index Qi und/oder Q2 zu berechnen. In einem Schritt 121 werden zunächst Bilddaten des Detektors 30 erhalten, beispielsweise mittels eines dazu hergerichteten Arbeitsrechners. Die Bilddaten, die in Schritt 121 erhalten werden, werden in Schritt 122 in ein Grau-Skalenmuster konvertiert oder der Rotkanal aus den Bilddaten extrahiert. Dies kann mit einer Bildbearbeitungsfunktionalität bearbeitet werden, die beispielsweise auf demselben Computer abläuft, auf welchem auch die Bilddaten mit Schritt 121 erhalten werden. Mit Schritt 123 werden in dem aufgezeichneten Bild des Detektors 30 die physikalischen Ränder des Substratstapels 3, 4, 9 ermittelt, zum Beispiel in Form einer Eckenerkennung. In einem Schritt 124 kann eine Korrektur bzw. ein Entzerren der Perspektive erfolgen, wenn dies nötig sein sollte. In einem Schritt 125 kann eine Kontrastverbesserung durchgeführt werden, beispielsweise im Bereich des Substratstapels. Beispielsweise kann hierbei einfach der dunkelste graue Hintergrundwert abgezogen werden und ein Graustufenbild aus einem Schwarzweißbild erzeugt werden. In einem Schritt 126 erfolgt schließlich das Berechnen eines Höhenprofils aus dem mit dem Detektor 30 erhaltenen Bilddaten, beispielsweise anhand von festgestellten Newtonringen. In einem Schritt 127 kann daran anfolgend ein Markieren und Integrieren von Bereichen erfolgen, in welchen kritische Höhen oder Profile festgestellt wurden. Dies betrifft insbesondere Bereiche, welche als Fehlerbereich F, 17 festgestellt wurden. In einem Schritt 128 erfolgt schließlich das Berechnen des jeweiligen Q-Faktors Qi bzw. Q2 aus den wie zuvor beschriebenen verbesserten bzw. korrigierten Bilddaten.
Fig. 6 zeigt eine fotografische Darstellung eines Substratstapels 9 noch vor dem Bondingprozess. Der Substratstapel 9 weist eine Mehrzahl von Umhäusungen 2, hier blau dargestellt, auf. Rund um die Umhäusungen 2 sind Newtonringe sichtbar, die sich dadurch ergeben, dass dort der Abstand der Substrate zueinander wächst. Die in dem Foto der Fig. 6 gezeigten rot umrandeten Bereiche sind solche, an denen der Bond-Quality-I ndex Qi kleiner bzw. schlechter ist als 0,5. Dies sind Fehlerbereiche 17. In diesem Bereich ist der Abstand zwischen den beiden Substraten beispielsweise größer als 1 pm. Auch entlang der Ränder des Substratstapels 9 finden sich solche Fehlerbereiche 17. An den Stellen, wo kein Muster erkennbar ist, ändert sich der Abstand zwischen den Substraten nicht oder nur unwesentlich. Da davon auszugehen ist, dass die Substrate, wenn sie aufeinanderliegen, stets Bereiche aufweisen, die zueinander in Berührkontakt liegen, können Bereiche, die keine Muster in Form von Newtonringen zeigen, als Berührkontaktfläche definiert werden. So auch die mit dem Bezugszeichen 18 indizierten Bereiche.
Fig. 7 zeigt eine weitere Draufsicht auf einen Substratstapel, bei welchem der Bond- Quality-Index Qi zu 0,973 ermittelt wurde. Fehlerbereiche F, 17 sind dort zu finden, wo mehr als drei Newtonringe aneinandergrenzend aufzufinden sind. Dies entspricht einem Abstand von mehr als 0,75 pm zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat 3, 4. Diese Bereiche sind in der Fig. 7 weiß gekennzeichnet. Bereiche von mehr als einem Newtonring bis weniger als drei Newtonringe werden als Gutbereich 19, G festgelegt. So kann erkannt werden, dass lediglich in der rechten unteren Ecke der Fig. 7 zwei Kavitäten von einem Fehlerbereich 17 direkt betroffen sind, das sind die Kavitäten 2a und 2b.
Bezugnehmend auf Fig. 8 ist die Ausführungsform aus Fig. 7 jedoch nach Durchführung des Laserfügeverfahrens gezeigt. Umlaufend um alle gezeigten Kavitäten 2 sind also Laserbondlinien 6 eingebracht, welche in dieser Darstellung aber nicht optisch sichtbar sind. Im Randbereich des Wafers verbleiben Fehlerbereiche 17, F, welche für den Nutzbereich N, definiert durch die späteren Umhäusungen 1 , jedoch nicht betroffen sind. Fig. 9 zeigt eine weitere Anordnung zur Bestimmung der Q-Indizes. Eine Lichtquelle 20 wirft eine Einstrahlung 22 zunächst auf einen Strahlteiler 34 und wird in Richtung Substratstapel 9 abgelenkt, wo die Einstrahlung 22 senkrecht auf die Oberfläche des Substratstapels 9 eintrifft. Die Rückstrahlung 24 gelangt in ein Objektiv 32 und durch den Strahlteiler 34 (z.B. ein teildurchlässiger Spiegel) in den Detektor 30. Der Vorteil der hier verwendeten koaxialen Beleuchtung des Substratstapels 9 ist eine homogenere Verteilung der Einstrahlung 22. Die Lichtquelle 20 kann eine Kondensor-Optik aufweisen.
Fig. 10 zeigt noch eine Anordnung zur Bestimmung der Q-Indizes, wobei eine flächige Lichtquelle 20 eingesetzt ist. Aus praktischen Gründen ist die Lichtquelle 20 außerhalb des Strahlengangs der Rückstrahlung 24 angeordnet. Die Einstrahlung 22 der flächigen Lichtquelle 20 trifft zunächst auf das optische Element 34, beispielsweise ein Strahlteiler, der zumindest die Grundfläche des Substratstapels 9 aufweist. Wenn der Strahlteiler im 45°-Winkel zur Rückstrahlung 24 angeordnet wird, kann der Strahlteiler 34 beispielsweise mindestens die 1 ,414- fache Fläche der Abmessungen des Substratstapels 9 aufweisen, d.h. z.B. eine Fläche aufweisen, die V2-fach der Fläche des Substratstapels 9 entspricht oder mehr, um eine optimale Ausleuchtung des Substratstapels 9 zu erzielen. Die Rückstrahlung 24 gelangt durch das optische Element 34 und in den Detektor 31, der in diesem Fall eine integrierte Eingangsoptik 32a aufweist. Beispielsweise kann es sich bei der flächigen Lichtquelle 20 um einen LED- Bildschirm handeln. Das optische Element 34 kann eine halbdurchlässige Glasplatte sein, welche z.B. im Winkel von 45° zur Oberfläche des Substratstapels 9 angeordnet ist. Auch die Fig. 10 zeigt eine koaxiale Beleuchtung.
Fig. 11 zeigt die fotografische Wiedergabe einer Umhäusung 1 , wobei eine Glasplatte 3 auf einem Metallring 4 angeordnet ist. Die Kontaktfläche 15 zwischen Glasplatte 3 und Metallring 4 ist deutlich erkennbar, eine Nutzfläche 16 kann mit Rändern 16a dort festgelegt werden, so dass eine Bewertung der Kontaktfläche 15 und schließlich die Berechnung eines Q-Index möglich ist. Fig. 12 zeigt schematisch dazu eine Seiten-Schnittansicht, wobei der mit Fig. 11 und Fig. 13 gezeigte Detailausschnitt aus Fig. 12 mit einem gepunkteten Kreis hervorgehoben ist. Die Saphirscheibe 3 liegt auf dem Metallring 4 aus rostfreiem Stahl. Mit Fig. 13 ist ferner verdeutlicht, dass die Kanten der Kontaktfläche 15 des Metallrings 4 Ausrundungen 14 aufweist, die typischerweise bei der Herstellung von Metallbauteilen entstehen. Trotz der Ausrundungen 14 kann - wie mit Fig. 11 gezeigt - ein Verbund zwischen der Saphirscheibe 3 und dem Metallring 4 hergestellt werden und die Güte der Verbindung mittels Q-Index wie weiter oben beschrieben bestimmt werden.
Figuren 14A bis 14D zeigen Verfahrensschritte zur Verbesserung der Signalqualität über möglichem Hintergrundrauschen wie auch über der möglicherweise nicht perfekten Homogenität der Einstrahlung 22 über die Oberfläche des Substratstapels 9. Hierzu wird in einem ersten Schritt mit Fig. 14A lediglich der Hintergrund vom Detektor aufgezeichnet, d.h. es ist die Strahlungsquelle 20 ausgeschaltet und kein Objekt (Substratstapel 9 bzw. Umhäusung 1) im Bildbereich 26 angeordnet. Mit Schritt Fig. 14A wird die Hintergrundintensität IB erhalten. Mit Schritt Fig. 14B wird die Strahlungsquelle 20 aktiviert und der Bildbereich 26 ausgeleuchtet, so dass die Homogenität der Lichtverteilung über den Bildbereich 26 ermittelt werden kann. Es wird mit Fig. 14B also die Intensität der Strahlungsverteilung Iw erhalten. Schließlich kann das Objekt (Substratstapel 9 bzw. Umhäusung 1) im Bildbereich 26 platziert werden und die Intensität des Objekts vor dem Hintergrund Io erhalten werden. Das solchermaßen korrigierte Bild bzw. die heranzuziehenden Intensitäten ergeben sich somit zu IF =
Figure imgf000025_0001
x gain.
Figure imgf000025_0002
Um eine weitere Rauschunterdrückung zu erreichen, können auch mehrere Abbildungen desselben Bildbereichs 26, unter denselben Einstellungen aufgenommen werden und jeweils Mittelwerte gebildet werden. Beispielsweise können die Schritte, die mit Fig. 14A, 14B und 140 gezeigt sind, jeweils zweifach, dreifach oder öfter durchgeführt werden und jeweils ein Mittelwert aus den erhaltenen ortsaufgelösten Bildintensitäten errechnet werden. Dies ist in den Figuren 15A, 15B, 150 verdeutlicht. So kann mit Schritt Fig. 15A mehrfach der Dunkelhintergrund 42 mit dem Detektor 30 aufgezeichnet werden, insbesondere digital aufgezeichnet werden, und über die erhaltenen Bilddarstellungen gemittelt werden, um einen gemittelten Hintergrund 42a zu erhalten. Beispielsweise kann hierfür jeder Bildpunkt des Bildbereichs 26 einzeln betrachtet werden, die zu dem Bildpunkt zugeordneten Intensitäten aufaddiert und durch die Anzahl der verfügbaren Bilder geteilt werden, um eine gemittelte Intensität zu erhalten. Dies kann auch für die mit Fig. 15B und Fig. 150 gezeigten Schritte so durchgeführt werden. Somit wird mit dem in Fig. 15B gezeigten Schritt die Einstrahlung 22 mehrfach aufgezeichnet, beispielsweise dreifach, und eine gemittelte Intensität 44a des Bildbereichs 26 erhalten. Mit dem in Fig. 150 gezeigten Schritt kann schließlich das Objekt (Substratstapel 9 oder Umhäusung 1) im Bildbereich 26 platziert sein und bei ausgeschalteter Lichtquelle 20 eine weitere Hintergrundmessung durchgeführt werden. Auch die letztliche tatsächliche Messung zum Erhalt des Q-Index (gezeigt in Fig. 14D) kann in gleicher Weise mehrfach durchgeführt werden, um auch Einflüsse, die während der Messung auftreten könnten, durch Mittelwertbildung auszugleichen.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale, so dass Beschreibungen von Merkmalen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchen das Merkmal in der Beschreibung nicht beschrieben ist.
Bezuqszeichenliste
1 Umhäusung
2 Funktionsbereich bzw. Kavität
2a, 2b Kavitäten im Bereich einer Fehlstelle 17
3 erstes Substrat bzw. Abdecksubstrat
4 zweites Substrat bzw. Basissubstrat
5 Beherbergungsobjekt
6 Fügezone bzw. Laserbondlinie
8 Trennlinie
9 Substratstapel bzw. Waferstapel
11 Innenseite des ersten Substrats
12 Innenseite des zweiten Substrats
14 Ausrundung
15 Kontaktfläche
16 Nutzfläche
16a Ungefähre Begrenzung der Nutzfläche
17 Fehlerbereich oder Fehlstelle F
18 Berührkontaktfläche B
19 Gutfläche G
20 Strahlungsquelle
20a Komponente der Strahlungsquelle, z.B. LED
21 maximaler Abstand zwischen den zwei Substraten
22 Einstrahlung
24, 24a Rückstrahlung
26 Bildbereich
30 Detektor
31 Detektor mit integrierter Strahlführung 32
32 Strahlführung, z.B. Objektiv
34 Strahlteiler bzw. halbdurchlässiges optisches Element
42 Hintergrundverteilung
42a gemittelte Hintergrundverteilung 44 Lichtverteilung der Einstrahlung 22
44a gemittelte Lichtverteilung
46 Bildaufnahme des Objekts (Substratstapel 9 oder Umhäusung 1)
46a gemittelte Bildaufnahme
48 Komposit-Darstellung als Zusammensetzung der Schritte 42, 44, 46
100 Anordnungsschritt
110 Ermittlungsschritt des Höhenprofils
120 Berechnungsschritt für den ersten Bond-Quality-Index Qi
121 Datenbereitstellung
122 Konvertierungsschritt
123 Erkennungsschritt
124 Korrekturschritt
125 Kontrastverbesserung
126 Berechnungsschritt für das Höhenprofil
127 Markierungsschritt
128 Berechnungsschritt für den Q-Faktor Qi bzw. Q2
130 Bewertungsschritt für Qi
135 Rückführungsschritt
140 Weiterbehandlungsschritt, insbesondere Laserfügen
150 Ermittlung des zweiten Höhenprofils
160 Berechnungsschritt für Q2
170 Bewertungsschritt für Q2
175 Markierungsschritt im Fehlerfall
180 abschließende Behandlung, insbesondere Vereinzelung der Umhäusungen 1
A Fläche der Kontaktfläche
G Gutfläche
N Nutzbereich
W Breite der Laserfügelinie 6

Claims

27 Patentansprüche:
1 . Verfahren zur Herstellung und/oder Überprüfung eines Verbunds eines Substratstapels (1 , 9), umfassend die Schritte: flächiges Anordnen zumindest eines ersten Substrats (3) an einem zweiten Substrat (4), wobei die zumindest zwei Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Kontaktfläche (15) gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat in unmittelbarem flächigen Kontakt steht, und wobei das erste Substrat ein transparentes Material umfasst,
Erfassen einer Rückstrahlung (24, 24a), welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung (22) an der zumindest einen Kontaktfläche des Substratstapels entsteht,
Ermittlung eines ersten Bond-Quality-Index Qi der Kontaktfläche des Substratstapels aus der Rückstrahlung.
2. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste Bond-Quality-Index Qi zu Qi = 1 - (A - G) / A ermittelt wird, wobei
A die Fläche der Kontaktfläche (15) und G eine Gutfläche darstellt, wobei die Gutfläche G diejenige Fläche beschreibt, bei der der Abstand zwischen den Substraten kleiner ist als 5 pm, bevorzugt kleiner als 2 pm, weiter bevorzugt kleiner als 1 pm, weiter bevorzugt kleiner als 0,3 pm ist, und/oder wobei der Bond-Quality-Index Qi größer oder gleich 0,8 ist, bevorzugt größer oder gleich 0,9, weiter bevorzugt größer oder gleich 0,95.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner
Erzeugen der Einstrahlung (22) mittels einer monochromatischen Strahlungsquelle (20), oder
Erzeugen der Einstrahlung (22) mittels einer spektral adaptierten Strahlungsquelle (20), und/oder wobei die Einstrahlung (22) eine niederenergetische Einstrahlung ist, wobei die Einstrahlung insbesondere eine Strahlungsleistung aufweist, die nicht zu einem an- oder aufschmelzen des oder der Substrate (3, 4) führt, und/oder
Auswahlen eines monochromatischen oder quasi-monochromatischen Bereichs aus der Rückstrahlung (24, 24a), beispielsweise eines Farbkanals.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt
Ablesen eines Musters aus der Rückstrahlung (24, 24a), insbesondere eines Interferenzmusters, insbesondere aus der Überlagerung der Einstrahlung mit der Rückstrahlung (24, 24a) an der zumindest einen Kontaktfläche (15) des Substratstapels (1 , 9).
5. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Muster eine Anordnung aufweist, bei welcher sich das Muster um eine oder mehrere Fehlstellen (17) herum erstreckt, und/oder wobei eine Fehlstelle (17) dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abstand zwischen den Substraten (3, 4) größer ist als 5 pm, bevorzugt größer als 2 pm, weiter bevorzugt größer als 1 pm, noch weiter bevorzugt 0,3 pm ist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei von dem Substratstapel (1 , 9) zumindest ein Funktionsbereich (2) beherbergt wird, wobei der Funktionsbereich insbesondere als Beherbergungs-Kavität ausgebildet ist zur Aufnahme zumindest eines Beherbergungsobjekts (5), und/oder wobei das erste Substrat (3) eine äußere Flachseite und eine umlaufende Schmalseite aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Substratstapel (1, 9) einen Nutzbereich N aufweist und zur Berechnung des ersten Bond-Quality-Index Qi nur der Nutzbereich N herangezogen wird, und/oder
Qi ermittelt wird zu Qi = 1 - (N - G) / N.
8. Verfahren zur Herstellung einer hermetisch verschlossenen Umhäusung (1) , insbesondere unter Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten: flächiges Anordnen zumindest eines ersten Substrats (3) an einem zweiten Substrat (4), wobei die zumindest zwei Substrate direkt aneinander oder aufeinander angeordnet sind, so dass zwischen den zumindest zwei Substraten eine Kontaktfläche (15) gebildet wird, an welcher das erste Substrat mit dem zweiten Substrat in unmittelbarem flächigen Kontakt steht, und wobei das erste Substrat ein transparentes Material umfasst,
Erfassen einer Rückstrahlung (24), welche durch das Bestrahlen des Substratstapels mit einer Einstrahlung (22) an der zumindest einen Kontaktfläche entsteht,
Ermittlung eines ersten Bond-Quality-Index Qi der Kontaktfläche aus der Rückstrahlung, hermetisch dichtes Verbinden der zumindest zwei Substrate miteinander durch direktes Fügen der zumindest zwei Substrate miteinander im Bereich der zumindest einen Kontaktfläche der Umhäusung, so dass sich eine Fügezone (6) herausbildet, die einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt,
Erfassen einer weiteren Rückstrahlung (24a), welche durch das erneute Bestrahlen des Substratstapels mit der Einstrahlung an der zumindest einen Kontaktfläche der Umhäusung entsteht, und
Ermittlung eines zweiten Bond-Quality-Index Q2 der Kontaktfläche der hermetisch dicht gefügten Umhäusung aus der weiteren Rückstrahlung.
9. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei Q2 ermittelt wird wie Q2 = 1 - (A - G) / A oder Q2 = 1 - (N - G) / N, wobei A die Fläche der ersten Kontaktfläche (15) ist, wobei G die Gutfläche ist, und wobei N die Fläche eines Nutzbereiches ist.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bond-Quality-Index Q2 größer oder gleich 0,95 ist, bevorzugt größer oder gleich 0,99, weiter bevorzugt größer oder gleich 0,999, und/oder wobei Q2 größer ist als Qi, insbesondere Q2/Q I ,001 .
11 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt Überprüfen des hermetischen Verbunds der zumindest zwei Substrate (3, 4) mittels Ermittlung eines Abstandsprofils (126, 150) zwischen den zumindest zwei Substraten und/oder mittels Überprüfung (170), dass Q2 Mindestanforderungen zur Gewährleistung des hermetischen Verbunds genügt.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt hermetisch dichtes Verbinden (140) der zumindest zwei Substrate (3, 4) mittels Laser-Fügeverfahrens durchgeführt wird, wobei der Laser eine Fügezone (6) erzeugt, die einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht, und wobei der Laser insbesondere umlaufend um das Substrat geführt wird und/oder umlaufend um eine oder mehrere Kavität(en) (2).
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit den Schritten Festlegen (130, 170) eines Maximalabstands des Abstandsprofils (126, 150) zwischen dem ersten Substrat (3) und dem zweiten Substrat (4), und bei Überschreiten des Maximalabstands Auflösen der Umhäusung (1), Säubern der Umhäusung, Durchführen eines angepassten erneuten Fügeschritts, und/oder Aussortieren der Umhäusung (175).
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt nach dem hermetisch dichten Verbinden (140) der zumindest zwei Substrate (3, 4) erneutes Überprüfen des hermetischen Verbunds der zumindest zwei Substrate mittels Ermittlung eines zweiten Abstandsprofils (150), und
Vergleich des zweiten Abstandsprofils mit dem ersten Abstandsprofil (170).
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) ein Abdecksubstrat ist und das zweite Substrat (4) ein Basissubstrat, und wobei das Abdecksubstrat direkt und unmittelbar an dem Basissubstrat anliegt, oder ferner umfassend ein Zwischensubstrat, welches zwischen dem Abdecksubstrat und dem Basissubstrat angeordnet ist, wobei das Abdecksubstrat direkt und unmittelbar an dem Zwischensubstrat angeordnet ist und wobei das Basissubstrat direkt und unmittelbar an dem Zwischensubstrat angeordnet ist. 31
16. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) hergestellt oder überprüft nach einem der vorstehenden Ansprüche.
17. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) umfassend: zumindest ein flächig ausgedehntes erstes Substrat (3), und ein zu dem ersten Substrat benachbart angeordnetes und mit dem flächig ausgedehnten ersten Substrat in direktem Kontakt stehendes zweites Substrat (4), zumindest einen von der Umhäusung umschlossenen Funktionsbereich (2), welcher insbesondere zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat angeordnet ist, wobei das erste Substrat mit dem zu dem ersten Substrat benachbart angeordneten zweiten Substrat mit zumindest einer Laserbondlinie (6) direkt hermetisch dicht gefügt ist, wobei die Laserbondlinie einerseits in das erste Substrat und andererseits in das zweite Substrat hineinreicht und die zumindest zwei Substrate direkt schmelzend miteinander fügt, wobei die Umhäusung einen anhand eines Abstandsprofils (140) berechneten Qualitätsfaktor von Q2 >= 0,95 aufweist, und/oder wobei die Laserbondlinie der Umhäusung vollständig um den Funktionsbereich herum geschlossen ausgeführt ist und eine Beabstandung des ersten Substrats von dem zweiten Substrat in der Laserbondlinie durchgehend kleiner ist als 0,75 pm, bevorzugt kleiner ist als 0,5 pm, weiter bevorzugt kleiner ist als 0,3 pm.
18. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das erste Substrat (3) dadurch gekennzeichnet ist, dass es flach ausgebildet ist, insbesondere planar, weiter insbesondere einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 20 nm an seiner Innenseite (11) aufweist und/oder wobei das zweite Substrat (4) dadurch gekennzeichnet ist, dass es flach ausgebildet ist, insbesondere planar, weiter insbesondere einen Mittenrauwert Ra von kleiner oder gleich 20 nm an seiner Innenseite (12) aufweist.
19. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (3) mit dem zweiten Substrat (4) eine Kontaktebene oder einen Kontaktbereich (15) bildet, an welcher/m das erste Substrat mit dem 32 zweiten Substrat in direktem Kontakt steht, wobei die Kontaktebene frei von Fremdwerkstoffen ist, insbesondere frei ist von Verbindungsmaterialien wie Kleber oder Glasfritte.
20. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Substrat (4) ein Basissubstrat ist, und wobei das Basissubstrat mit dem ersten Substrat mit derselben Laserbondlinie miteinander hermetisch dicht gefügt ist, oder ferner aufweisend ein Zwischensubstrat, welches zwischen dem zweiten Substrat (4) und dem ersten Substrat (3) angeordnet ist, und wobei das zweite Substrat mit dem Zwischensubstrat in einer ersten Verbindungsebene gefügt ist und das erste Substrat mit dem Zwischensubstrat in einer zweiten Verbindungsebene gefügt ist.
21 . Hermetisch verschlossene Umhäusung (1 ) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Laserbondlinie (6) eine Dicke in einer Richtung senkrecht zur flächigen Erstreckungsrichtung des ersten Substrats (3) aufweist.
22. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Funktionsbereich (2) eine hermetisch verschlossene Beherbergungskavität zur Aufnahme eines Beherbergungsobjekts (5), wie eines elektronischen Schaltkreises, eines Sensors oder MEMS, umfasst.
23. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise für zumindest einen Wellenlängenbereich transparent ausgebildet ist.
24. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (3) aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir oder einer Kombination der vorgenannten Materialien besteht oder dieses umfasst, und/oder 33 wobei das erste Substrat (3) aus keramischem Material besteht oder dieses umfasst, insbesondere oxidkeramisches Material.
25. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Umhäusung im Bereich der Laserfügelinie (6) zumindest eine Restspannungszone aufweist.
26. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Restspannungszone dadurch gekennzeichnet ist, dass im Bereich der Restspannungszone Q2/QI>=1 ist, bevorzugt Q2/QI>= 1 ,1.
27. Hermetisch verschlossene Umhäusung (1) nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserfügelinie (6) der Umhäusung dann, wenn Q2/QI>=1 ist, bevorzugt Q2/QI>=1 ,1 , eine schwankende Maximalbreite (W) der Laserfügelinie aufweist, insbesondere eine schwankende Breite eines Bereichs mit veränderten optischen Eigenschaften der Laserfügelinie.
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