Verfahren zum Laser-gestützten Bonden, derart gebon- dete Substrate und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laser- gestützten Bonden von Substraten, bei dem diese zunächst durch Anpressen kraftschlüssig miteinander verbunden werden und im Anschluss durch Laserstrahlung induzierte bereichsweise Aktivierung eine Verfestigung der Verbindung zwischen den Substraten er- folgt. Ebenso betrifft die Erfindung hiernach hergestellte Substrate.

Das aus dem Stand der Technik bekannte Direkt-Bonden oder Wafer-Bonden beruht auf dem Prinzip, dass Ober- flächen mit einer ausreichenden Planarität aufgrund von Adhäsionskräften miteinander verbunden werden können. Dieses Direkt-Bonding erfolgt bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis zum T _G - Punkt bzw. zum Schmelzpunkt. Derartige Verfahren sind bei-

spielsweise aus der DE 197 52 412 Al und der DE 100 48 374 Al bekannt.

Allerdings liefert das Direkt-Bonding bei Raumtempe- ratur nur eine schwache Verbindung zwischen Substraten und muss üblicherweise durch nachträgliches Tempern bei erhöhten Temperaturen ergänzt werden, um ausreichende Haftfestigkeiten der gefügten Teile zu erzielen. So kann normalerweise erst bei Temperaturen von oberhalb 300 ⁰ C eine deutliche Zunahme der Haftkräfte und damit eine Verfestigung der Verbindung erzielt werden. Ein wesentlicher Nachteil der Temperaturbehandlung betrifft jedoch Substrate, die ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten auf- weisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es dabei, ein Verfahren zur Verbindung planarer Substrate bereitzustellen, das auch für thermisch wenig belastbare Ma- terialien und Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten einsetzbar ist und dennoch eine hohe Haftfestigkeit zwischen den Substraten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merk- malen des Anspruchs 1 und die gebondeten Substrate mit den Merkmalen des Anspruchs 24 gelöst. In den Ansprüchen 26 und 27 werden erfindungsgemäße Verwendungen angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Laser-gestütz- teh Bonden von Substraten bereitgestellt, bei dem zwei Substrate in einem ersten Schritt durch unmittelbares Inkontaktbringen und gegebenenfalls Anpres- sen kraftschlüssig miteinander verbunden werden und im Anschluss eine Verfestigung der Verbindung zwi-

sehen den Substraten durch eine mit Laserstrahlung induzierte bereichsweise Aktivierung an der Grenzfläche zwischen den Substraten erfolgt. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Substrate gemäß diesem Verfahren miteinander verbunden werden.

Erfindungswesentlich bei dem genannten Verfahren ist die Verfestigung der Verbindung im zweiten Schritt, die durch Laserstrahlung induziert wird, wobei jedoch die Laserenergie so gewählt wird, dass die Schmelzbzw. Transformationstemperatur der Substrate bei der Aktivierung nicht erreicht wird. Dadurch dass die Schmelztemperatur nicht erreicht wird, bleibt die Form der Oberfläche der Substrate unverändert erhal- ten.

Es tritt kein übergang von der festen in die flüssige Phase ein, sondern die zugeführte Energie wird in elektronische Anregung der Oberflächen-Atome/Moleküle umgesetzt. Dabei tritt eine Anregung von Elektronen aus den besetzten Orbitalen im Grundzustand in unbesetzte Orbitale im angeregten Zustand ein. Hiermit verbunden ist eine hohe chemische Reaktivität, die zur Ausbildung von neuen chemischen Bindungen an den Berührungsstellen der beiden Substrate führen kann.

Durch Relaxation der elektronischen Anregungszustände wird auch Energie in das Festkörpergitter transferiert, das über Schwingungsanregung der Oberflächen zur weiteren Annäherung der benachbarten Substrate und Ausbildung von neuen chemischen Bindungen (Reaktionen) zwischen den Oberflächen-Atomen/Molekülen der beiden Substrate führen kann.

Vorzugsweise wird durch die Laserstrahlung eine che- mische und/oder eine thermische Anregung von Molekülen und/oder Atomen in mindestens einem der Substrate

im Bereich der Grenzfläche ermöglicht und/oder in mindestens einem der Substrate im Bereich der Grenzfläche Diffusionsprozesse ausgelöst.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Laserstrahlung gepulst ist, um einen definierten Energieeintrag in die Substrate zu ermöglichen.

Ebenfalls bevorzugt ist eine starke Fokussierung der Laserstrahlung auf die Grenzfläche.

Hinsichtlich der Verfahrensführung sind die folgenden drei Varianten einsetzbar.

Nach einer ersten Variante wird die Wellenlänge der Laserstrahlung so abgestimmt und die Fokussierung der Laserstrahlung so gewählt, dass das erste Substrat durchstrahlt wird und anschließend eine Anregung von Bindungszuständen der Moleküle und/oder Atome von mindestens einem Substrat nur im Bereich der Grenzfläche erfolgt. Eine genaue Lokalisierung wird hierbei dadurch ermöglicht, dass die Laserstrahlung auf definierte Bereiche fokussiert wird. Die Aktivie- rungsenergie und damit auch der Grad der Verfestigung der Verbindung zwischen den Substraten kann über die Parameter Fokussierung, Pulsenergie, Pulswiederholrate und Anzahl der Pulse der Laserstrahlung eingestellt werden.

Eine zweite erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass Substrate, die bei einer Wellenlänge λ > λ _a im wesentlichen transparent sind, mit langwelliger, nicht linear absorbierender Laserstrahlung der Wellenlänge λ > λ _a bestrahlt werden. Durch eine entsprechend starke Fokussierung der Laserstrahlung auf die Grenz-

fläche kommt es zu Mehrphotonenprozessen, wenn eine genügend hohe Intensität der Laserstrahlung erreichat wird. Die Aktivierungsenergie und damit der Grad der Verfestigung dieser Form der Verbindung lässt sich über die Fokussierung, die Pulsdauer, die Pulsenergie, die Pulswiederholrate und die Anzahl der Pulse der Laserstrahlung einstellen.

Anstatt eines Lasers können auch mehrere Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen λ _LaS eri/ λ _Lase r2 , λ _Lase r3 usw. verwendet werden, die allesamt größer λ _a sind

Eine dritte erfindungsgemäße Variante des Verfahrens sieht vor, dass ein erstes Substrat, das für die ein- gestrahlte Laserstrahlung definierter Wellenlänge im Wesentlichen transparent ist, und ein zweites Substrat, das Laserstrahlung dieser Wellenlänge im Wesentlichen absorbiert, eingesetzt werden. Bei der Bestrahlung durchläuft dann die Laserstrahlung zunächst das transparente Substrat, ohne dass es zu einer Absorption kommt. Erst beim Auftreffen auf das zweite Substrat kommt es dann zu Absorptionsprozessen und der damit verbundenen thermischen Aktivierung.

Die Steuerung des resultierenden Wärmeeintrags erfolgt über die geeignete Wahl der Fokussierung, der Wellenlänge, der Pulsdauer, der Pulsenergie sowie der Pulswiederholrate und der Dauer der Bestrahlung, d.h. der Anzahl der Pulse. Der Wärmetransport und damit das erwärmte Volumen hingen dabei stark von der PuIs- dauer ab. Bei Verwendung ultrakurzer Pulse, d.h. im Piko- bis Femto-Sekundenbereich, kann eine große Wärmeausbreitung vermieden werden. Bei hoher Pulsfolgefrequenz kann es dennoch zu Wärmeakkumulation kommen. In diesem Fall wird die Temperatur sukzessive mit der Anzahl der Pulse erhöht. Allerdings kann das erwärmte

Gebiet dadurch auch größer als der Fokus werden.

Als Substrate können sowohl amorphe, teilkristalline oder kristalline Substrate eingesetzt werden. Aus der Gruppe der amorphen Substrate sind Gläser, insbesondere Siliziumdioxid, bevorzugt. Als teilkristalline Substrate werden vorzugsweise Glaskeramiken, z.B. Ze- rodur oder ULE , eingesetzt. Die kristallinen Substrate sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe be- stehend aus Halbleitern, Keramiken, Piezokeramiken, nicht- linearen optischen Kristallen. Als Halbleiter sind hier insbesondere Silizium, Indiumphosphid oder Galiumarsenid bevorzugt. Unter den Piezokeramiken sind Bariumtitanat oder Bleizirkonattitanat besonders bevorzugt. Als nichtlineare optische Kristalle kommen insbesondere Kaliumtitanylphosphat , Lithiumniobat , Bariumdiborat oder Lithiutntriborat zum Einsatz . Ebenso können als Substrate Kunststoffe eingesetzt werden. Aus der Gruppe der Kunststoffe sind hier insbe- sondere Polymethylmethacrylat, Polycarbonat oder Polymere und Copolymere von Cycloolefinen sowie deren Verbundwerkstoffe bevorzugt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbeson- dere für den Fall, dass zwei unterschiedliche Substrate eingesetzt werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Substrate mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten handeln. Es ist aber ebenso möglich, dass zwei Substrate aus dem gleichen Material eingesetzt werden. Hinsichtlich der Substrate sind solche mit möglichst planarer Oberfläche einzusetzen.

Die Anforderungen an die Ebenheit und Rauhigkeit hän- gen vom Substratmaterial und seiner Flexibilität ab. Grundsätzlich steigen die Ebenheitsanforderungen mit

zunehmender Biegesteifigkeit des Substrats, insbesondere mit zunehmender Substrathöhe, merklich an.

Für das Bonden von zwei Glassubstraten mit jeweils einer Höhe von ca. 1 mm sollte die lokale Ebenheit über einen Flächenausschnitt von etwa 20 mm * 20 mm, vorzugsweise etwa 10 nm (PV= Peak To Valley) oder besser sein. Dieser Wert stellt aber lediglich einen groben Anhaltspunkt dar. Abweichungen von etwa einer Größenordnung nach unten oder oben sind je nach Material, Substrathöhe und Prozessführung (Anpressdruck etc.) möglich. Grundsätzlich kann bei geringeren Substrathöhen eine höhere Unebenheit toleriert werden.

Die Rauhigkeit der Oberfläche sollte vorzugsweise

≤ 1 nm betragen (RMS= Root Mean Square) , wenigstens aber < 5 nm (RMS) .

Derartige Voraussetzungen an die Planarität der Ober- fläche können, wenn nicht von Anfang an gegeben, z.B. durch vorgelagerte Bearbeitungs- und Reinigungs- schritte zur Entfernung von Partikeln und Schmutz erreicht werden. Als weitere Vorbehandlungsschritte kommen auch eine Plasmaaktivierung der Oberflächen, z.B. eine Nieder- oder Hochdruckplasma-Behandlung mit Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff oder Argon sowie die Adsorption funktioneller Gruppen, z.B. SO ₂ , NH ₃ , an der Oberfläche in Frage. Alle hier genannten Vorbehandlungsschritte, d.h. die Reinigung, die Plas- maaktivierung und die Adsorption funktioneller Gruppen können in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden.

Ebenso ist es möglich, dass das erfindungsgemäße Ver- fahren in einem integrierten Aufbau abläuft, in dem das Bonden und die anschließende Laser-Aktivierung

zur Ausschaltung von zwischenzeitlichen Umwelteinflüssen in derselben Anlage, besonders bevorzugt im Vakuum, oder auch unter Schutzgas, durchgeführt werden.

Weiterhin ist es bevorzugt, durch die Laser- Aktivierung benachbarter Bereiche linien- oder flä- chenförmige Verfestigung der Verbindung zwischen den Substraten zu realisieren.

Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Bonden durch das bekannte Direkt-Bonding mit den Prozessschritten der Reinigung des Substrats, der Plasma-Aktivierung der Substrat- Oberfläche und des Aufeinanderpressens der Substrate durchgeführt wird.

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zwei glatte, ebene Substrate unmittelbar aufeinander gelegt werden, so dass die Abstände zwischen den beiden Substraten zum Teil atomare Dimensionen annehmen, d.h. bis zu 1 nm. Vorzugsweise kann dies über Direct-Bonding erfolgen, es besteht aber ebenso die Möglichkeit bei hinreichend kleinen, ebe- nen und sauberen Flächen durch bloßes Aufeinanderlegen und Anpressen bzw. Ansprengen, wie es in der Optik praktiziert wird, hinreichend kleine Abstände zu erzielen.

In einem zweiten Schritt wird dann Laserstrahlung auf die Grenzfläche fokussiert, wodurch diese möglichst genau an der Grenzfläche ihre höchste Intensität erreicht .

Durch Fokussierung der Laserstrahlung auf die Grenzfläche zwischen den Substraten wird die Intensität

dort so hoch, dass dort eine nicht- lineare Absorption eintritt. Diese ist auf Mehrphotonenprozesse, d.h. die Kombination von zwei oder mehr Photonen zurückzuführen. Eine nicht-lineare Absorption ist die Kombi- nation mehrerer Photonen gleicher Wellenlänge oder die Kombination mehrerer Photonen unterschiedlicher Wellenlänge, die zur überwindung einer Energielücke führt, die für jedes einzelne Photon unüberwindbar wäre. Derartige Absorptionsprozesse sind intensitäts- abhängig. So sind 2 -Photonenprozesse proportional zum Quadrat der Intensität, 3-Photonenprozesse proportional zur dritten Potenz der Intensität usw.. Die nicht-lineare Absorption ist somit von den Fokussie- rungsbedingungen bzw. der Intensität der Laserstrah- lung im Fokus abhängig. Zusätzlich gehen materialspezifische Einflussfaktoren, wie z.B. die lokale Kristallsymmetrie, ein. Bei hoher Intensität der Laser- Strahlung ist außer Mehrphotonenabsorption auch eine Beeinflussung der elektronischen Struktur der Sub- strate möglich, z.B. Bandverbiegung, energetische Verschiebung von Grenzflächenzuständen, welche die Absorption und damit den Energieeintrag in das Material u.U. begünstigen kann. Zu beachten ist darüber hinaus, dass einmal in das Leitungsband angeregte Elektronen sehr effizient weitere Laser-Strahlung absorbieren und über Stoßprozesse ihre Energie schnell an die Substrate abgeben können.

Welche Laser- Intensität für nichtlineare Absorption in Gläsern erforderlich ist und wie eine ausreichende Intensität erzielt werden kann, ist z.B. aus C. Schaffer et al . , „Laser- induced breakdown and damage in bulk transparent materials induced by tightly fo- cused femtosecond laser pulses", Meas . Sei. Technol . 12(2001), 1784-1794, bekannt. Bei einer Pulsdauer von ca. 100 fs und einer Wellenlänge von 800 nm liegt die

Intensitäts-Schwelle für den optischen Durchbruch (d.h. wenn so viele Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt wurden, dass das Glas nicht mehr transparent ist) in der Größenordnung von 10 ¹³ W/cm ² .

Das zitierte Beispiel soll aber nur einen ungefähren Anhaltspunkt liefern. Eine ausreichende Aktivierung kann durchaus bei weniger freigesetzten Elektronen stattfinden, d.h. bereits bei ein bis zwei Größenordnungen geringerer Intensität erfolgen. Zudem kann die Bandlücke durch Defekte, Oberflächenbindungen etc. geringer sein. Darüber hinaus muss man beachten, dass bei einigen speziellen Materialien, z.B. bei Farb- Stoffen, die ja in den Substraten enthalten sein können, bereits Intensitäten von kW/cm ² ausreichen können.

Somit ist der in der obigen Druckschrift beschriebene Weg nur einer zur experimentellen Realisierung der erforderlichen Intensität. Für den Sachkundigen der Lasertechnologie sind vielfältige Variationen der Einstellparameter unmittelbar selbstverständlich, die zu einer vergleichbaren Intensität, bzw. ähnlichem Energieeintrag durch Absorption führen.

Erfindungsgemäß werden ebenso gebondete Substrate bereitgestellt, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet unter anderem bei der Herstellung von Hochleistungskomponenten zur Strahlformung Anwendung. Hierunter ist sowohl die Ablenkung, die Streuung als auch die Fokussierung von Strahlung zu verstehen. Typische Anwendungen aus diesem Bereich sind das Fügen von Prismen oder das Ver-

schließen von Gittern. Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung betrifft die Herstellung von klebstofffreien Präzisionsverbindungen. Hierunter sind mechanisch stabile Verbindungen ohne anorganische bzw. or- ganische Zwischenschicht zu verstehen. Ebenso fallen hierunter elektrooptische Modulatoren.

Ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Verwendung betrifft die sog. hybride Integration. Unter hybrider Integration ist die Verbindung unterschiedlicher Materialien zu einer funktionalen Einheit zu verstehen. Dies betrifft z.B. die Verbindung von Si- licium (Mikroelektronik) und GaAs (Optik) zu optoelektronischen Bauelementen. Aber auch die Verbindung von opto-elektronischen Bauelementen mit strukturierten Elementen aus Glas oder transparentem Kunststoff (Mikrolinsenarrays) oder bereits die Verbindung von optischen Glas- und Kunststoffelementen ist unter dem Begriff hybrider Integration zu subsumieren. Ein we- sentliches Problem bei der hybriden Integration ist häufig die unterschiedliche thermische Ausdehnung der beteiligten Materialien, die eine entsprechend ange- passte konstruktive Gestaltung der Verbindung erfordert.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden, ohne dieses auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.

Fig. 1 zeigt anhand einer schematischen Darstellung, wie Laserstrahlung auf die Grenzfläche der Substrate fokussiert wird.

Fig. 2 zeigen schematische Darstellungen der energetischen Verhältnisse außerhalb des Fokus bzw. bei

niedriger Laserintensität für eine eingestrahlte Laser-Wellenlänge (a) bzw. für zwei unterschiedliche Laser-Wellenlängen (b) .

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der energetischen Verhältnisse innerhalb des Fokus bzw. bei hoher Laserintensität für eine eingestrahlte Laser- Wellenlänge (a) bzw. für zwei unterschiedliche Laser- Wellenlängen (b) .

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine erste Oberflächenreaktion der mit dem Laser aktivierten Substrate.

Fig. 5 zeigt beispielhaft eine zweite Variante für eine Oberflächenreaktion der mit dem Laser aktivierten Substrate .

Die Fokussierung der Laserstrahlung ist schematisch in Fig. 1 dargestellt, wobei die Laserstrahlung 3 zu- nächst das Substrat 2 passiert und an der Grenzfläche zum Substrat 1 fokussiert wird.

Die Laserstrahlung durchdringt das erste Substrat, weil sie langwelliger, d.h. niederenergetischer ist, als für eine lineare Absorption nötig. Das bedeutet, dass die Photonenenergie nicht für die überwindung der Energielücke zwischen Valenzband und Leitungsband des Substratmaterials ausreicht. Somit ist das Substrat 2 transparent für die Laserstrahlung auf der eingestrahlten Wellenlänge.

In Fig. 2a) und 2b) ist schematisch dargestellt, dass die hier eingestrahlten Laserwellenlängen (skizziert durch Pfeile) nicht ausreichen, um die Lücke zwischen beiden Bändern, also den besetzten und den unbesetzten Zustand, zu überwinden.

In Fig. 3a) und 3b) sind die energetischen Verhältnisse innerhalb des Fokus bei einer einzigen eingestrahlten Laser-Wellenlänge (Fig. 3a)) und bei zwei unterschiedlichen Laser-Wellenlängen (Fig. 3b)) dargestellt. Die Kombination der Photonenenergien reicht aus um die Energielücke zwischen den besetzten und den unbesetzten Zuständen zu überwinden. Es findet eine nicht- lineare Absorption und Energieeintrag in der Grenzfläche statt.

Der angeregte Zustand führt zu einer chemischen Reaktion, welche die Bindungsverhältnisse zwischen den Substraten verändert und letztlich zu einer stärkeren Bindung/Haftung der Substrate aneinander führt .

In Fig. 4 sind mögliche Oberflächenreaktionen der mit dem Laser aktivierten Substrate dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 4a) die Oberfläche eines Glases vor der Aktivierung mit Laserstrahlung. So sind Silicium- Valenzen an der Oberfläche eines Glases häufig zunächst durch OH-Gruppen abgesättigt, d.h. das Glas besitzt hydrophilen Charakter. Durch die Laseraktivierung wird eine chemische Reaktion eingeleitet, die zu einer Sauerstoffbrückenbindung zwischen den SiIi- cium-Atomen in Form einer stabilen kovalenten Bindung und Kondensation von Wasser führt (Fig. 4b) ) . Das entstehende H ₂ 0-Molekül kann z.B. durch Diffusion zunächst aus der Grenzfläche wegtransportiert werden und nach außen gelangen bzw. an anderer Stelle weiter reagieren.

In Fig. 5 ist eine zweite beispielhafte Oberflächenreaktion dargestellt. Hierbei zeigt Fig. 5a) die Oberfläche eines Glases, das durch H-Atome abgesättigt ist vor der Aktivierung mit der Laserstrahlung.

Das Glas ist hier hydrophob. Durch die Laseraktivierung wird eine Abspaltung der H-Atome eingeleitet und zwei benachbarte Si-Atome reagieren direkt miteinander unter Ausbildung einer kovalenten Si-Si -Bindung (stabile kovalente Bindung) . Das entstehende H ₂ -MoIe- kül kann entsprechend durch Diffusion aus der Grenzfläche wegtransportiert werden und nach außen gelangen bzw. an anderer Stelle weiter reagieren.

Analoge Reaktionen sind nicht nur für OH oder H, sondern auch für andere Funktionalgruppen an der Oberfläche denkbar. Entsprechend sind auch andere Substrat-Materialien neben Silicium geeignet.