DE102020104907A1

DE102020104907A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauelements durch atomares Diffusionsbonden

Info

Publication number: DE102020104907A1
Application number: DE102020104907.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Ingwersen; David Kieven
Original assignee: Berliner Glas GmbH
Current assignee: ASML Netherlands BV
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2021-08-26
Also published as: US20210260688A1; JP2021168377A; US11400541B2

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements aus zwei Platten, wobei beide Platten elektrisch isolierend sind, mindestens eine der Platten optisch transparent ist und zwischen den Platten mindestens ein planarer Leiterabschnitt und mindestens ein Isolatorabschnitt gebildet ist, umfasst ein Bonden der Platten an zueinander weisenden Bondflächen, wobei zwischen den Platten eine Metallschicht angeordnet ist, und eine Bearbeitung der Metallschicht durch eine lokale Erhitzung der Metallschicht mittels Laserstrahlung derart, dass die Metallschicht in einem Teilbereich in den mindestens einen Isolatorabschnitt umgewandelt wird und an den mindestens einen Isolatorabschnitt angrenzend der mindestens eine Leiterabschnitt gebildet wird, wobei zur Bildung des mindestens einen Isolatorabschnitts der Lichtweg der Laserstrahlung und das Bauelement relativ zueinander bewegt werden, um die Metallschicht entlang einer Linie oder Fläche in den mindestens einen Isolatorabschnitt umzuwandeln, wobei die Platten auf Seiten der Bondflächen poliert sind und die Bondflächen durch metallische Bondschichten gebildet werden, und das Bonden der Platten ein atomares Diffusionsbonden umfasst, wobei die metallischen Bondschichten die Metallschicht zwischen den gebondeten Platten bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements aus zwei Platten, wobei beide Platten elektrisch isolierend sind, mindestens eine der Platten optisch transparent ist und zwischen den Platten mindestens ein planarer Leiterabschnitt und mindestens ein Isolatorabschnitt gebildet wird, insbesondere ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauelements mit einer Sandwich-Struktur, in die eine Metallschicht eingebettet ist, wie z. B. ein Verfahren zur Bearbeitung eines durch Bonden zusammengesetzten Bauelements mit einer metallischen Zwischenschicht. Anwendungen der Erfindung sind bei der Herstellung von Werkzeugen zur Halterung oder Bewegung von Werkstücken, wie z. B. Halbleiter-Wafern oder Glas-Wafern, unter der Wirkung elektrischer Felder oder bei der Herstellung von Leiter-Bauelementen, insbesondere Widerstandsheizelementen gegeben.
In der vorliegenden Beschreibung wird auf den folgenden Stand der Technik Bezug genommen, der den technischen Hintergrund der Erfindung darstellt:

[1] US 709 22 31 B1 ;
[2] US 6864 957 B2
[3] US 2012/0236458 A1 ;
[4] EP 1 637 271 B1 ;
[5] US 2011/0288648 A1 ;
[6] O. M. Akselsen in „J. of Material Science" 27 (1992), 569 - 579;
[7] Thomas J. Moore in „Material Science and Engineering" B 176, 60 - 64 (2011)
[8] Michael C. Halbig et al. „Diffusion Bonding of Silicon Carbide Ceramics Using Titanium Interlayer" NASA, 22.01.2006, http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060051742.pdf;
[9] EP 0 093 199 A2 ;
[10] EP 0 076 467 B1 ;
[11] DE 3 003 186 C1 ;
[12] DE 10 2019 101 657.6 (unveröffentlicht am Prioritätstag der vorliegenden Erfindung);
[13] EP 3 196 926 A1 ;
[14] E. Higurashi et al. in „IEICE TRANS. ELECTRON.", Bd. E100-C, Nr. 2, Februar 2017, „Room-Temperature Bonding of Wafers with Smooth Au Thin Films in Ambient Air Using a Surface-Activated Bonding Method‟;
[15] T. Suga et al. in „MRS Advanced Materials, Materials Research Society", 8, 257 (1989); und
[16] T. Suga et al. in „Acta Metall. Mater.", 40, 133 (1992).

Werkzeuge für die Handhabung von Werkstücken unter der Wirkung elektrischer Felder, insbesondere elektrostatische Haltevorrichtungen zur Halterung von Wafern (so genannter elektrostatischer Clamp, elektrostatischer Chuck), sind allgemein bekannt (siehe z. B. [1], [2]). Eine elektrostatische Haltevorrichtung umfasst ein ebenes Bauelement mit zwei Elektroden, die durch dünne Metallschichten gebildet sind. Bei Beaufschlagung der Elektroden mit einer Hochspannung wird in der Umgebung ein elektrisches Feld erzeugt, unter dessen Wirkung ein Wafer an die Haltevorrichtung angezogen wird. Für die Dauer des Anliegens der Hochspannung kann der Wafer mit der Haltevorrichtung z. B. in einer Beschichtungsanlage zwischen verschiedenen Arbeitsstationen bewegt werden.
Bei einer herkömmlichen elektrostatischen Haltevorrichtung werden die Elektroden durch die Abscheidung einer Metallschicht auf der Oberfläche eines Trägers, eine nachträgliche Strukturierung der Metallschicht und eine Abdeckung der strukturierten Metallschicht durch eine isolierende Deckschicht gebildet. Die Deckschicht wird als Dielektrikum und zum Schutz der Elektroden verwendet. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner Komplexität, insbesondere bei der Anwendung mit Trägern, die aus elektrochemisch gebondeten Glas-Platten bestehen, von Nachteil.
Darüber hinaus haben dünne Metallschichten zahlreiche weitere Anwendungen, z. B. als Elektroden, Leiter oder als Widerstandselemente. Um die Metallschichten auf einer Substratoberfläche eines Bauelements vor Umgebungseinflüssen zu schützen, kann auch bei den anderen Anwendungen eine Deckschicht auf der Metallschicht vorgesehen sein. Die Deckschicht hat jedoch Nachteile für die Herstellung des Bauelements, da die Abscheidung der Deckschicht einen zusätzlichen Verfahrensaufwand darstellt und erst nach einer Bearbeitung der Metallschicht, z. B. Strukturierung durch Ablation oder Ätzen, für deren Anpassung an die jeweilige Anwendung erfolgen kann. Des Weiteren kann die Metallschicht durch die Abscheidung der Deckschicht unbeabsichtigt verändert werden.
Es besteht daher Interesse an einem abgewandelten Verfahren, bei dem in einem ersten Schritt eine Metallschicht zwischen einem Substrat und einer Deckschicht oder allgemein zwischen zwei Platten eingebettet und anschließend die Metallschicht bearbeitet wird. Beispielsweise wird in [3] die Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung mit einem derartigen Verfahren beschrieben. Glas-Platten werden durch anodisches Bonden unter Verwendung einer metallischen Bondschicht gefügt. Anschließend wird die metallische Bondschicht durch eine lokal begrenzte Laserbearbeitung strukturiert, um mindestens zwei Elektroden zu bilden. Durch die Laserbearbeitung wird die metallische Bondschicht lokal in einen Isolationsabschnitt umgewandelt, der die Elektroden voneinander trennt.
Die in [3] beschriebene Technik hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der Anwendung des anodischen Bondens geeignete Platten-Materialien nur beschränkt verfügbar sind. Es können nur Gläser verwendet werden, deren elektrischer Widerstand während der erhöhten Temperatur beim anodischen Bonden stark abnimmt und die einen an den Fügepartner angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen (Prozesstemperatur rd. 250°C). Des Weiteren müssen diese Gläser bestimmte Ionen enthalten (z. B. Erdalkali-Ionen), damit beim anodischen Bonden durch Anlegen einer Spannung eine Raumladungszone bzw. eine Verarmungszone an der Bond-Grenzfläche entsteht. Gläser sind jedoch im Vergleich zu anderen Werkstoffen, wie z. B. Saphir, Diamant oder Keramik, relativ weich. Eine gemäß [3] hergestellte elektrostatische Haltevorrichtung kann daher eine begrenzte Beständigkeit gegen Abrieb durch die gehalterten Wafer und eine begrenzte Genauigkeit bei der Halterung von Wafern aufweisen. Des Weiteren können die dielektrischen Eigenschaften der für das anodische Bonden geeigneten Gläser nur beschränkt für die Anwendung in der elektrostatischen Haltevorrichtung angepasst sein.
Die Beschränkung auf bestimmte Gläser wird beim Diffusionsbonden vermieden, bei dem anders als beim anodischen Bonden ebene Platten in einer uniaxialen Heißpresse unter der Wirkung von Druck und Wärme miteinander verbunden werden. Beispielsweise können Keramik-Platten verbunden werden (siehe [4] bis [11]). In der Heißpresse erfolgt das Diffusionsbonden z. B. bei Temperaturen oberhalb von 1600 °C und Drücken oberhalb von 100 bar (siehe [4]). Beim Diffusionsbonden können metallische Schichten als Bondschichten verwendet werden.
Die Anwendung des Diffusionsbondens beim Fügen der Platten einer elektrostatischen Haltevorrichtung wird in [12] beschrieben. Dabei können die metallischen Bondschichten als Elektroden verwendet werden. Die Strukturierung der Elektroden muss jedoch anders als beim Verfahren gemäß [3] vor dem Bonden erfolgen. Des Weiteren gibt es Nachteile aufgrund einer beschränkten Genauigkeit bei der Einstellung der Elektrodenform und aufgrund der hohen Prozesstemperatur. Da das Diffusionsbonden bei einer viel höheren Temperatur erfolgt als die Anwendung der elektrostatischen Haltevorrichtung, können nur gleiche Materialen oder Materialen mit gleichen thermischen oder ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten gefügt werden.
In [13] wird die Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung beschrieben, wobei plattenförmige Teile durch atomares Diffusionsbonden (ADB) bei Raumtemperatur gefügt werden. Atomares Diffusionsbonden erfordert im Unterschied zum Diffusionsbonden keine erhöhten Temperaturen oder Drücke. Die Anwendung des atomaren Diffusionsbondens ist in [13] jedoch im Plattenverbund der Haltevorrichtung auf eine Grenzfläche beschränkt, an der Kühlmittel-Kanäle gebildet werden und die daher in eine Vielzahl von Bondabschnitten mit jeweils relativ geringer Ausdehnung unterteilt ist. Bei diesem Verfahren werden die Elektroden durch zusätzliche metallische Schichten im Plattenverbund gebildet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauelements durch Fügen von zwei Platten und eine Strukturierung einer zwischen den Platten eingebetteten Metallschicht bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Erfindung soll insbesondere die Herstellung des Bauelements vereinfachen, eine Strukturierung der zwischen den Platten eingebetteten Metallschicht erlauben, Beschränkungen in Bezug auf die Materialien der Platten überwinden, insbesondere die Verwendung von Materialien mit verschiedenen thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften erlauben, und/oder das Fügen entlang größerer Bondflächen erlauben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements aus zwei Platten gelöst, wobei beide Platten aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet sind und mindestens eine der Platten optisch transparent ist. Zwischen den Platten werden mit den folgenden Schritten mindestens ein planarer Leiterabschnitt (auch als Elektrodenabschnitt oder Widerstandsabschnitt bezeichnet) und mindestens ein Isolatorabschnitt gebildet.
Die Platten werden jeweils mit mindestens einer ebenen Oberfläche bereitgestellt, die eine Bondschicht trägt. Die Plattenoberfläche mit der Bondschicht wird als Bondfläche bezeichnet. Die Platten werden entlang ihrer Bondflächen durch Bonden gefügt. Durch das Bonden wird eine durchgehende, ununterbrochene Fügeverbindung zwischen beiden Platten gebildet, die sich vorzugsweise über die gesamte Plattenfläche erstreckt und auch als Bond bezeichnet wird. Im Ergebnis des Bondens ist zwischen den Platten eine Metallschicht angeordnet. Die Metallschicht ist zwischen den Platten eingebettet.
Mit dem Begriff „Metallschicht“ wird eine Schicht aus mindestens einer elektrisch leitfähigen Substanz bezeichnet, die aus einem Metall besteht oder ein Metall enthält. Die Metallschicht weist bevorzugt eine Dicke auf, die gleich oder geringer als 1 µm, besonders bevorzugt gleich oder geringer als 0,1 µm, insbesondere gleich oder geringer als 50 nm, z. B. 30 nm oder kleiner ist. Um die Funktion der Metallschicht im Träger, z. B. als Elektrode oder als Heizwiderstand, zu gewährleisten, besitzt die Metallschicht vorzugsweise eine Dicke, die mindestens 20 nm, bevorzugt mindestens 50 nm, insbesondere mindestens 0,1 µm, z. B. 1 µm ist, kann aber auch größer sein. Die Metallschicht ist in das Bauelement eingebettet, d. h. im Bauelement so angeordnet, dass die Metallschicht entlang ihrer flächenhaften Ausdehnung beidseitig von den Platten begrenzt wird.
Die gebondeten Platten erstrecken sich in einer Ebene, die hier als Hauptebene bezeichnet wird. Die Richtung parallel zur Hauptebene wird auch als Lateralrichtung und die dazu senkrechte Richtung als Dickenrichtung bezeichnet. Die Platten können auch als Scheiben, Lagen, Blätter oder Schichten bezeichnet werden. Sie können jeweils einstückig aus einem einzigen Material oder aus mehreren Materialien hergestellt sein. Die Platten haben in Lateralrichtung vorzugsweise die gleiche Form und Größe. An den voneinander wegweisenden Seiten können die Platten ebenfalls ebene Oberflächen oder alternativ strukturierte Oberflächen aufweisen. Strukturierte Oberflächen umfassen z. B. in Dickenrichtung vorstehende Noppen, deren Stirnflächen in Lateralrichtung eine ebene Noppenauflage-Ebene aufspannen, oder Vertiefungen zur Bildung von Temperierungsmittelleitungen, z. B. Kühlkanälen.
Nach dem Bonden erfolgt eine Bearbeitung der Metallschicht durch eine lokal begrenzte Erhitzung der Metallschicht mittels Laserstrahlung. Die Laserstrahlung bewirkt, dass die Metallschicht in einem Teilbereich in den mindestens einen Isolatorabschnitt umgewandelt wird und an den mindestens einen Isolatorabschnitt angrenzend der mindestens eine Leiterabschnitt geformt wird. Der mindestens eine Isolatorabschnitt ist ein Bereich, in dem das Material der Platten und des Bonds elektrisch isolierend ist. Der mindestens eine Leiterabschnitt ist der Bereich, in dem die Metallschicht erhalten bleibt. Vorzugsweise bleibt der mindestens eine Leiterabschnitt bei der Bearbeitung der Metallschicht unbestrahlt. In dem mindestens einen Leiterabschnitt ist das Material des Bonds elektrisch leitfähig. Die Platten bestehen aus mindestens einem Material, das unempfindlich gegenüber einer lokalen Temperaturerhöhung zur Umwandlung der Metallschicht in den mindestens einen Isolatorabschnitt ist.
Die Umwandlung der Metallschicht in den Isolatorabschnitt ist jeweils auf den Bestrahlungsort beschränkt, so dass die umgebenden Materialien der Platten und der angrenzenden Metallschicht unbeeinflusst bleibt. Unerwünschte Veränderungen des Trägers, wie z. B. thermisch induzierte Verbiegungen, können vermieden werden. Des Weiteren ermöglicht die lokal wirkende Laserstrahlung eine Bearbeitung der Metallschicht mit einer hohen Ortsauflösung. Dies ist insbesondere für die Strukturierung von Elektroden von Vorteil. Schließlich bietet die Laserstrahlung die Möglichkeit, den mindestens einen Bestrahlungsort auf der Metallschicht einfach einzustellen oder zu verändern. So ist zur Bildung eines flächenhaften Isolatorabschnitts vorgesehen, den Lichtweg der Laserstrahlung und den Träger mit der Metallschicht relativ zueinander zu bewegen (scannen), um die Metallschicht entlang einer Linie oder Fläche in den mindestens einen Isolatorabschnitt umzuwandeln. Vorteilhafterweise kann damit die Form und/oder Größe der Metallschicht im Inneren eines Trägers verändert werden, um die Metallschicht gezielt für eine vorbestimmte Funktion, z. B. als Elektrode oder Widerstandselement, anzupassen. Der Lichtweg der Laserstrahlung kann unter Verwendung einer beweglichen Umlenkoptik relativ zu den gebondeten Platten bewegt werden, oder die gebondeten Platten können durch einen mechanischen Antrieb relativ zu einer Umlenkoptik der Laserstrahlung bewegt werden.
Es können z. B. ein einziger Leiterabschnitt und ein einziger Isolatorabschnitt gebildet werden, der an den Leiterabschnitt angrenzt, z. B. am Rand der Platten umgibt. Alternativ können zwei oder mehr Leiterabschnitte als unbearbeitete Teile der Metallschicht im Bond erhalten bleiben, zwischen denen jeweils Isolatorabschnitte vorgesehen sind. Beispielsweise kann der mindestens eine Isolatorabschnitt die Metallschicht in mindestens zwei getrennte Metallschichtabschnitte unterteilen. Diese Variante der Erfindung ist insbesondere für die Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung von Vorteil, die zwei großflächige Elektroden enthält, die zur Beaufschlagung mit einer Hochspannung vorgesehen sind. Des Weiteren kann der mindestens eine Isolatorabschnitt im Träger eine vorbestimmte Anordnung von Elektroden mit frei wählbarer Geometrie bilden. Eine Elektrodenanordnung kann z. B. Elektrodenflächen und/oder Elektrodenstreifen, insbesondere gerade oder gekrümmte Elektrodenstreifen, umfassen. Beispielsweise kann eine Elektrodenanordnung zwei Elektroden mit kammförmigen, ineinandergreifenden Elektrodenstreifen umfassen. Eine derartige Elektrodenanordnung ist bei Beaufschlagung mit elektrischen Wechselfeldern als berührungsfreier elektrischer Antrieb (Linearantrieb) von Vorteil.
Gemäß der Erfindung werden die Platten auf Seiten der Bondflächen vor dem Bonden mit polierten Oberflächen bereitgestellt. Das Polieren umfasst ein Glätten der Platten mit an sich bekannten Poliermitteln und Verfahren (z. B. chemisch-mechanisches Polieren, CMP), wodurch das nachfolgende Bonden vorbereitet wird. Des Weiteren werden die Bondflächen beider Platten jeweils durch metallische Bondschichten gebildet. Vorzugsweise werden die Platten, insbesondere die Plattenkörper oder auf diesen vorgesehene Zwischenschichten, bei einem Vorbereitungsschritt poliert und, z. B. durch Dünnschichtabscheidung, jeweils mit der metallischen Bondschicht versehen. Die metallischen Bondschichten erstrecken sich vorzugsweise über die gesamten Bondflächen der Platten.
Des Weiteren umfasst das Bonden gemäß der Erfindung ein atomares Diffusionsbonden. Das atomare Diffusionsbonden umfasst das Fügen der Platten, die jeweils eine metallische Bondschicht tragen, durch die Ausbildung einer intermetallischen Bindung zwischen den Bondschichten. Die intermetallische Bindung wird entlang einer Bondfront gebildet, die selbstständig allseits entlang der Hauptebene über die zueinander weisenden Bondflächen wandert. Die intermetallische Bindung wird durch gegenseitige Diffusion von Atomen aus den Bondschichten in die jeweils andere Bondschicht unterstützt. Es wird vorzugsweise eine einzige Bondfront gebildet, die über die Bondflächen wandert. Die Bondfront wird vorzugsweise spontan gebildet oder durch einen zeitlich und lokal begrenzten Startdruck initiiert. Beim Bonden der Platten wird ein atomarer Diffusionsbond (durch atomares Diffusionsbonden erzeugter Bond) gebildet, wobei die metallischen Bondschichten die Metallschicht zwischen den gebondeten Platten bilden. Der atomare Diffusionsbond erstreckt sich an den zueinander weisenden Seiten der Platten vorzugsweise als ununterbrochene Fügeverbindung zwischen den beiden gefügten Platten. Das atomare Diffusionsbonden erfolgt z. B. in einer evakuierten Umgebung oder unter Atmosphärendruck. Das atomare Diffusionsbonden erfolgt bei einer Temperatur, die unterhalb der Erweichungstemperatur der Materialien der Platten, vorzugsweise kleiner oder gleich 300 °C, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 200 °C ist.
Die Anwendung des atomaren Diffusionsbondens hat den besonderen Vorteil, dass das Fügen der Platten im Vergleich zum anodischen Bonden gemäß [3] oder dem Diffusionsbonden gemäß [12] erheblich vereinfacht wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass das atomare Diffusionsbonden der vorher polierten Bondflächen eine feste Fügeverbindung bereitstellt, die auch bei mechanischer Beanspruchung bei der Anwendung des Bauelements ausreichend beständig ist. Abweichend von [3] wird das atomare Diffusionsbonden anstelle von anodischem Bonden zum Fügen der Platten verwendet, wodurch Beschränkungen auf wenige, zum Bonden geeignete Plattenmaterialien überwunden werden. Durch die Erfindung können Bauelemente aus gleichen oder verschiedenen Plattenmaterialen, z. B. mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, aufgebaut werden, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind und durch herkömmliche Verfahren nicht realisiert werden können. Ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauelement ist z. B. eine elektrostatische Haltevorrichtung mit strukturierten, hochspannungsfesten Elektroden in Gestalt einer Sandwich-Struktur aus Glas-Metallelektrode-Saphir oder Glas-Metallelektrode-Diamant.
Die Erfinder haben des Weiteren festgestellt, dass auch das atomare Diffusionsbonden die in [3] beschriebene lokale Umwandlung einer Metallschicht erlaubt, ohne dass die Festigkeit des Bonds beeinträchtigt wird und ohne dass beide Platten aus den beim anodischen Bonden vorgesehenen Gläsern bestehen sein müssen. Dieses Ergebnis ist überraschend, da beim atomaren Diffusionsbonden eine schwächere Fügeverbindung erwartet und eine wesentliche Beeinflussung der Umwandlung der Metallschicht durch die beim anodischen Bonden vorgesehenen Gläser angenommen wurde. Die Erfinder haben auch festgestellt, dass das atomare Diffusionsbonden erlaubt, die in [12] beschriebenen Nachteile des Diffusionsbondens bei extrem hohen Temperaturen und Drücken zu überwinden. Durch die Prozessführung des atomaren Diffusionsbondens bei relativ geringen Temperaturen, wie z. B. bei Raumtemperatur, werden Beschränkungen hinsichtlich der Plattenmaterialien und der Kombinierbarkeit verschiedener Plattenmaterialien überwunden.
Anders als in [13] beschrieben erfüllen die Bondschichten im erfindungsgemäß hergestellten Bauelement eine Doppelfunktion erstens beim Bonden und zweitens als Funktionsschichten, z. B. als Elektroden oder Widerstandsheizelemente, im fertigen Bauteil. Mit der Erfindung wird vorteilhafter ein Verfahren zur Bearbeitung einer Metallschicht bereitgestellt, die eine Bondschicht bildet und daher in einem mehrlagigen Bauelement in einer Sandwich-Struktur eingebettet ist, und gleichzeitig im fertigen Bauteil z. B. als elektrisch leitfähige Elektrode oder als elektrischer Leiter dient. Bei dem Verfahren werden die für den Bond notwendigen Bondschichten in einem Teilbereich in den mindestens einen Isolatorabschnitt umgewandelt.
Nach dem Bonden und der Bearbeitung der Metallschicht kann das erfindungsgemäß hergestellte Bauelement weiteren Nachbearbeitungsschritten unterzogen werden. Die Nachbearbeitungsschritte können z. B. eine Wärmebehandlung (Tempern) und/oder eine Anpassung des Bauelements für seine Anwendung, z. B. in einer elektrostatischen Haltereinrichtung, umfassen.
Eine Wärmebehandlung hat den Vorteil, dass die gegenseitige Diffusion von Atomen aus den Bondschichten verbessert und damit der atomare Diffusionsbond gefestigt wird. Als besonders vorteilhaft hat sich die Wärmebehandlung z. B. bei der Verwendung von Wolfram für die Bildung der Bondschichten erwiesen. Die Wärmebehandlung umfasst vorzugsweise eine Einstellung der Temperatur des Bauteils in einem Bereich von 100 °C bis 300 °C, wie z. B. 200 °C.
Die Anpassung des Bauelements für seine Anwendung kann z. B. eine Kontaktierung der Metallschicht(en), z. B. am Rand der Platten oder durch nachträglich erzeugte Löcher durch die Platten, und/oder eine weitere Oberflächenbeschichtung des Bauelements umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das atomare Diffusionsbonden bei Raumtemperatur (zum Beispiel in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 40 °C, insbesondere rund 15 °C bis 24 °C) ausgeführt. Die Temperatur der Platten beim Fügen ist die Raumtemperatur. Ein wichtiger Vorteil der Verfahrensführung bei Raumtemperatur besteht in der erheblichen Vereinfachung gegenüber den herkömmlichen, bei hohen Temperaturen ausgeführten Fügeverfahren. Des Weiteren ergeben sich Vorteile, da die Anwendung des erfindungsgemäß hergestellten Bauelements typischerweise ebenfalls bei Raumtemperatur erfolgt, so dass im Vergleich zur Temperatur bei der Herstellung des Bauelements keine oder vernachlässigbare Temperaturänderungen auftreten. Dies erlaubt die Verbindung von Plattenmaterialien mit verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ohne dass die Formhaltigkeit des Bauelements bei der Anwendung beeinträchtigt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druck zwischen den Bondflächen beim Bonden der Platten z. B. geringer als 100.000 Pa. Aufgrund dieses relativ geringen Drucks wird die Verfahrensführung im Vergleich zu den herkömmlichen, zum Beispiel in der Heißpresse ausgeführten Fügeverfahren vorteilhafterweise erheblich vereinfacht. Mögliche unerwünschte Einflüsse eines erhöhten Drucks auf die Formhaltigkeit des fertig gebondeten Bauelements werden vermieden. Vorzugsweise erfolgt das atomare Diffusionsbonden ohne die Ausübung eines äußeren Anpressdrucks, zum Beispiel durch eine Presse, auf die Platten.
Optional kann ein geringer Anpressdruck vorgesehen sein, der lediglich zur Vermeidung von Lufteinschlüssen im atomaren Diffusionsbond ausreichend ist. Falls der Anpressdruck vorgesehen ist, wird dieser vorzugsweise lokal begrenzt in einem mittleren Abschnitt der Platten ausgeübt.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, die Platten beim atomaren Diffusionsbonden anfangs an ihrem äußeren Rand auf Abstand zu halten. Es können beispielsweise äußere Klammern als Abstandhalter vorgesehen sein. Vorteilhafterweise wird damit unterstützt, dass die Bondfront von der Mitte der Bondflächen einschlussfrei nach außen läuft.
Beispielweise erfolgt das atomare Diffusionsbonden in einem Zustand, in dem die Platten bei Atmosphärendruck als Stapel übereinander liegen. Die obere Platte, die auf der unteren Platte aufliegt, übt auf die untere Platte eine Gewichtskraft aus. Abgesehen von einer Startphase, in der das Bonden durch einen temporären, lokal begrenzt ausgeübten Startdruck (Druckimpuls) initiiert wird, wird in der Stapelanordnung während des Bondens der äußere Druck zwischen den Bondflächen vorzugsweise ausschließlich durch die Gewichtskraft der oberen Platte gebildet. Der Startdruck kann zum Beispiel durch eine impulsförmige, manuelle Druckausübung, insbesondere in der Mitte der oberen Platte, erzeugt werden. Nach der Initiierung des Bondens erfolgt während der Wanderung einer Bondfront von der Mitte der Platten entlang der Bondflächen bis zum Rand der Platten keine weitere Druckausübung.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die Platten auf Seiten der Bondflächen auf eine Rauheit poliert, die geringer als 1 nm rms, vorzugsweise geringer als 0,8 nm, z. B. geringer als 0,5 nm rms ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass die mechanische Beständigkeit der Fügeverbindung, insbesondere durchgehend über die gesamte Plattenfläche, nach einem vorherigen Polieren der Bondflächen substantiell verbessert ist, wenn die Rauheit unterhalb der genannten Grenzen eingestellt wird.
Der mindestens eine Isolatorabschnitt kann durch eine Oxidation des Metalls der Metallschicht unter Verwendung von Sauerstoff aus dem angrenzenden Plattenmaterial gebildet werden. Dieser Mechanismus der Bildung des mindestens einen Isolatorabschnitts ist jedoch nicht zwingend vorgesehen. So wird gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung das in der Metallschicht enthaltene Metall unter der Wirkung der Laserstrahlung einer Änderung des Materialgefüges unterzogen. Das Materialgefüge wird derart geändert, insbesondere im Vergleich mit einem makroskopisch ununterbrochenen metallischen Material derart zerteilt, dass in dem durch die Laserstrahlung veränderten Bereich die elektrische Leitfähigkeit verloren geht und so der mindestens eine Isolatorabschnitt gebildet wird. Der nach dem Bonden zunächst ununterbrochene Verbund der Metallschicht entlang der Grenzfläche zwischen den Bondflächen wird durch die Laserstrahlung in ein nicht elektrisch leitfähiges Gefüge umgewandelt. Die Bildung des mindestens einen Isolatorabschnitts durch die Erzeugung des elektrisch isolierenden Gefüges hat die besonderen Vorteile, dass Beschränkungen in Bezug auf die Auswahl der Plattenmaterialien überwunden werden und die Bondschichten aus nicht oxidierenden Metallen, wie zum Beispiel Gold, gebildet sein können.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der großen Variabilität bei der Auswahl der Plattenmaterialien. Materialbeschränkungen wie bei den im Stand der Technik angewendeten Bondverfahren werden überwunden. Die Platten sind vorzugsweise aus Glas, insbesondere ionenarmes Glas, wie z. B. Borosilikatglas, insbesondere das Glas mit dem Handelsnamen Eagle XG (Hersteller Corning), Glaskeramik, einem kristallinen Werkstoff, insbesondere Saphir oder Diamant, Keramik, insbesondere Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, und/oder Kunststoff hergestellt.
Die Bondschichten zum atomaren Diffusionsbonden können jeweils eine Einzelschicht oder einen Schichtstapel aus zwei oder mehr metallischen Materialien umfassen. Die Bondschichten umfassen z. B. Gold (siehe [14]), Platin, Titan, Silber und/oder Wolfram (siehe [15], [16]). Wenn die Bondschichten aus Metallen bestehen, die mit der Umgebungsatmosphäre reagieren können, insbesondere z. B. Titan, Silber und/oder Wolfram, wird das atomare Diffusionsbonden vorzugsweise unter Vakuum oder unter Inertgas durchgeführt, um Reaktionen der Metalle mit der Umgebung zu vermeiden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die beiden durch atomares Diffusionsbonden gefügten Platten aus verschiedenen Materialien hergestellt sind. Vorteilhafterweise wird damit ermöglicht, dass die Platten in Abhängigkeit von der Anwendung des Bauelements verschiedene Eigenschaften, zum Beispiel verschiedene elektrische Parameter, aufweisen. Für die Anwendung als elektrostatische Haltevorrichtung ist besonders bevorzugt eine der Platten aus einem Material hergestellt, das sich durch eine Hochspannungs-Durchschlagsfestigkeit auszeichnet, die mindestens 1000 V/mm beträgt. Die Platte mit der erhöhten Hochspannung-Durchschlagfestigkeit kann vorteilhafterweise als Dielektrikum auf der (z. B. oberen) Seite der Haltevorrichtung vorgesehen sein, an der z. B. Halbleiter-Wafer gehaltert werden sollen. Alternativ können die miteinander gefügten Platten die gleichen Materialien aufweisen.
Gemäß weiteren Varianten der Erfindung können die Platten gleiche oder verschiedene Dicken aufweisen. Insbesondere kann eine der Platten eine größere Dicke als die andere Platte aufweisen und z. B. die Trägerplatte bilden, während die andere Platte entsprechend eine geringere Dicke aufweisen und z. B. das Dielektrikum zur Einstellung von dielektrischen Eigenschaften der Haltevorrichtung bilden kann.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Oberflächen der Platten vor dem Auftragen der Bondschichten und dem atomaren Diffusionsbonden poliert sind. Die erfindungsgemäße Anwendung des atomaren Diffusionsbonden ist vorteilhafterweise auch für Materialien möglich, die nur beschränkt poliert werden können, wie zum Beispiel keramische Werkstoffe. Entsprechend kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass mindestens eine der Platten auf Seiten der Bondfläche eine Glättungsschicht aufweist, auf der die zugehörige metallische Bondschicht gebildet ist. Die Glättungsschicht ist aus einem Material gebildet, das eine ausreichende Haftung mit der jeweiligen Platte und mit der Bondschicht aufweist und poliert werden kann. Vorzugsweise besteht die Glättungsschicht aus Glas oder Metall mit einer Dicke im Bereich von 100 nm bis 100 µm.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Abwandlung der Erfindung kann mindestens eine der Platten auf Seiten der Bondfläche mindestens eine Haftvermittlerschicht aufweisen, auf der die zugehörige metallische Bondschicht gebildet ist. Die Haftvermittlerschicht ist ebenfalls aus einem Material gebildet, das eine ausreichende Haftung mit der angrenzenden Platte und mit der Bondschicht aufweist, und sie kann aus demselben Material wie die Glättungsschicht oder alternativ aus z. B. Titan oder Chrom bestehen. Die Haftvermittlerschicht kann eine einzelne Schicht oder einen Schichtstapel aus mehreren Schichten umfassen. Die Dicke der Haftvermittlerschicht ist vorzugsweise im Bereich von 5 nm bis 100 nm gewählt.
Die folgenden Merkmale der Laserstrahlung, die zur Umwandlung der Metallschicht in den mindestens einen Isolatorabschnitt vorgesehen ist, können gemäß weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung einzeln oder in Kombination vorgesehen sein. Vorzugsweise hat die Laserstrahlung eine Wellenlänge, bei der die mindestens eine der Platten transparent ist. Des Weiteren wird vorzugsweise Laserstrahlung mit einer Wellenlänge verwendet, die von der Metallschicht absorbiert wird. Typischerweise ist die Wellenlänge der Laserstrahlung im Bereich zwischen ultravioletter (UV) und infraroter (IR)-Strahlung gewählt, während die Platte, durch welche die Laserstrahlung auf die Metallschicht gerichtet wird, im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich transparent ist. Des Weiteren kann die Laserstrahlung auf die Metallschicht fokussiert oder defokussiert eingestrahlt werden. Des Weiteren wird die Laserstrahlung zur lokalen Erhitzung der Metallschicht vorzugsweise mit einem gepulsten Laser (Pulslaser) erzeugt. Der gepulste Laser generiert die Laserstrahlung als Folge von Laserpulsen mit einer Pulsdauer im Bereich von fs, ps oder ns.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Anwendungen des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauelements. Gemäß einer ersten vorteilhaften Anwendung ist das Bauelement ein Träger einer elektrostatischen Haltevorrichtung, die aus den gebondeten Platten zusammengesetzt ist und mindestens eine flächige Elektrode enthält, die durch den mindestens einen Leiterabschnitt gebildet und zur Beaufschlagung mit einer Hochspannung angeordnet ist, wobei an die mindestens eine Elektrode angrenzend der mindestens eine Isolatorabschnitt angeordnet ist. Besonders bevorzugt enthält die elektrostatische Haltevorrichtung mindestens zwei flächige Elektroden, die zur Beaufschlagung mit einer Hochspannung angeordnet und durch den mindestens einen Isolatorabschnitt entlang des atomaren Diffusionsbonds voneinander getrennt sind. Vorzugsweise wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Bearbeitung der Metallschicht zusätzlich zu der mindestens einen Elektrode auch mindestens eine Leiterbahn hergestellt, die mit der mindestens einen Elektrode verbunden ist. Wenn mehrere Elektroden vorgesehen sind, ist vorzugsweise jede Elektrode mit einer Leiterbahn ausgestattet, die zu einem Kontaktabschnitt führt. Über die Kontaktabschnitte sind die Elektroden mit einer schaltbaren Hochspannungsquellen-Einrichtung verbunden.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Anwendung ist das Bauelement ein Leiter-Bauelement, das aus den gebondeten Platten zusammengesetzt ist und mindestens eine Leiterbahn enthält, die durch den mindestens einen Leiterabschnitt gebildet und zur Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom angeordnet ist, wobei an die mindestens eine Leiterbahn angrenzend der mindestens eine Isolatorabschnitt angeordnet ist. Das Leiter-Bauelement kann gemäß einer vorteilhaften Variante mindestens zwei Leiterbahnen enthalten, die jeweils durch einen Leiterabschnitt gebildet und durch den mindestens einen Isolatorabschnitt voneinander getrennt sind. Das erfindungsgemäß hergestellte Bauelement kann z. B. eine Antriebseinrichtung sein, die zur Bewegung eines Werkstücks unter der Wirkung elektrischer Wechselfelder (Wanderfelder, Linearantrieb) eingerichtet ist. Besonders bevorzugt wird auch in diesem Fall das Bauelement durch zwei durch atomares Diffusionsbonden gebondete Platten gebildet, wobei die zum atomaren Diffusionsbonden vorgesehene Metallschicht erfindungsgemäß in eine Elektrodenanordnung aus mindestens zwei Elektroden mit einer Vielzahl von Elektrodenflächen und/oder Elektrodenstreifen umgewandelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Leiterbahn als Widerstandsheizelement konfiguriert sein. Das erfindungsgemäß hergestellte Bauelement bildet bei dieser Anwendung vorzugsweise mindestens einen elektrischen Widerstand, insbesondere mindestens einen elektrischen Heizwiderstand. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Größe der Metallschicht und damit deren elektrischen Flächenwiderstand einzustellen. In diesem Fall sind die Platten vorzugsweise aus Materialien mit gleichen oder angenäherten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt.
Als unabhängiger Gegenstand der Erfindung wird ein Bauelement betrachtet, das zwei Platten umfasst, wobei beide Platten elektrisch isolierend sind und mindestens eine der Platten optisch transparent ist und wobei zwischen den Platten mindestens ein planarer Leiterabschnitt und mindestens ein Isolatorabschnitt gebildet ist. Die Platten sind mittels eines atomaren Diffusionsbonds miteinander verbunden. Der atomare Diffusionsbond zeichnet sich durch eine Metallschicht zwischen den Platten aus, deren Metallatome eine intermetallische Bindung zwischen den Metallschichten beider Platten ausbilden. Der mindestens eine planarer Leiterabschnitt und der mindestens eine Isolatorabschnitt sind aus der im atomaren Diffusionsbond enthaltenen Metallschicht gebildet. Der mindestens eine Isolatorabschnitt umfasst ein elektrisch isolierendes Gefüge ohne metallische Leitfähigkeit.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1: eine schematische Illustration einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauelements aus zwei Platten;
2: eine schematische Illustration der erfindungsgemäß vorgesehenen Bearbeitung einer zwischen zwei Platten eingebetteten Metallschicht;
3: eine schematische Draufsicht auf eine elektrostatische Haltevorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist;
4: eine schematische Draufsicht auf eine Elektrodenanordnung für einen berührungslosen Antrieb, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist; und
5: eine schematische Draufsicht auf einen elektrischen Heizwiderstand, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Bevorzugte Merkmale von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des mit dem Verfahren hergestellten Bauelements werden im Folgenden im Wesentlichen unter Bezug auf die Vorbereitung der Platten, die Herstellung des Bauelements durch atomares Diffusionsbonden und die Bearbeitung der Metallschicht im atomaren Diffusionsbond beschrieben. Einzelheiten der Bearbeitung der Metallschicht können realisiert werden, wie in [3] beschrieben ist. Entsprechend wird [3] in Bezug auf die Merkmale der Bearbeitung der Metallschicht durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung einbezogen. Einzelheiten des kompletten Aufbaus und der Anwendungen des erfindungsgemäß hergestellten Bauelements, zum Beispiel als elektrostatische Haltevorrichtung, werden nicht beschrieben, soweit diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Vor der Herstellung des Bauelements durch atomares Diffusionsbonden erfolgt gemäß 1 zunächst ein Vorbereitungsschritt S1, bei dem die Platten mit den präparierten Bondflächen bereitgestellt werden. In einzelnen umfasst der Vorbereitungsschritt S1 eine Einstellung der Ebenheit und Rauheit der für die Bondflächen vorgesehenen Seiten der Platten durch Polieren der Plattenkörper und eine Reinigung der polierten Oberflächen. Optional können zunächst Glättungsschichten auf den zum Bonden vorgesehenen Oberflächen der Platten aufgebracht und die Glättungsschichten dem Polieren unterzogen werden. Vor dem Polieren kann ein Läppen der Oberflächen vorgesehen sein. Die Rauheit der Schicht auf den Substraten beträgt RMS < 1 nm, vorzugsweise < 0,8 nm, z. B. im Bereich 0,5 nm bis 0,8 nm oder sogar < 0,5 nm. Anschließend folgt die Beschichtung der polierten Oberflächen mit Bondschichten. Als Bondschichten werden zum Beispiel jeweils Einzelschichten oder Schichtstapel, z. B. aus einer Titan-Schicht (Dicke z. B. 5 nm) und einer Gold-Schicht (Dicke z. B. 30 nm), gebildet. Die Bildung der Bondschichten erfolgt zum Beispiel durch eine Abscheidung aus der Dampfphase. Optional können vor der Abscheidung der Bondschichten Haftvermittlerschichten auf den polierten Oberflächen der Platten aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann vor und/oder nach der Abscheidung der Bondschichten eine Plasmabehandlung vorgesehen sein. Die Plasmabehandlung, zum Beispiel mit einem Argon-Plasma, ist vorzugsweise vorgesehen, wenn die Bondschichten nicht aus Gold hergestellt sind.
Anschließend folgt mit dem Fügeschritt S2 das atomare Diffusionsbonden der vorbereiteten Platten. Die beschichteten Seiten der Platten bilden jeweils die Bondflächen. Die freiliegende Oberfläche der Bondfläche der einen Platte, zum Beispiel aus Gold, berührt die freiliegende Oberfläche der anderen Platte, zum Beispiel ebenfalls aus Gold. Für das atomare Diffusionsbonden werden die Platten als Stapel übereinandergelegt, so dass sie in ihrer Form zueinander ausgerichtet sind. Falls das atomare Diffusionsbonden nicht schon spontan durch den gegenseitigen Kontakt initiiert wird, kann manuell oder durch ein geeignetes Werkzeug temporär ein Startdruck lokal auf die Platten ausgeübt werden, um das atomare Diffusionsbonden zu starten. Ausgehend von mindestens einer Position, an der das Fügen der Platten beginnt, wandert mindestens eine Bondfront entlang der Grenzfläche zwischen den Bondflächen, bis beide Platten miteinander gefügt sind. Im Ergebnis des Fügeschritts S2 sind die Platten fest miteinander verbunden, wobei die Bondschichten eine zwischen den Platten eingebetteten Metallschicht bilden.
Im weiteren Verfahren ist gemäß 1 der Strukturierungsschritt S3 vorgesehen, bei dem eine Strukturierung der eingebetteten Metallschicht erfolgt. Die Strukturierung der Metallschicht ist in der schematischen Schnittansicht der 2 illustriert, welche die Metallschicht 1 zeigt, die in ein Bauelement 2 eingebettet und unter der Wirkung von fokussierter Laserstrahlung 4 in einen Isolatorabschnitt 3 umgewandelt wird. Das Bauelement 2 umfasst zwei Platten 5, 6, von denen die untere Platte 5 ein isolierendes Material, z. B. Glas oder Saphir, umfasst und eine Dicke z. B. zwischen 0,1 und 5 mm aufweist. Die obere Platte 6 besteht z. B. aus Glas mit vorzugsweise hoher Dielektrizitätskonstante, wie z. B. Eagle XG-Glas (Hersteller Corning) mit einer Dicke von z. B. 0,1 mm. Die Metallschicht 1 besteht z. B. aus Gold mit einer Dicke von 30 nm.
Zur Umwandlung der Metallschicht 1 in den Isolatorabschnitt 3 wird die Laserstrahlung 4 auf die Metallschicht 1 gerichtet. Die Laserstrahlung 4 kann auf die Metallschicht 1 fokussiert werden. Die fokussierte Bestrahlung kann Vorteile in Bezug auf die Einstellung einer besonders hohen Umwandlungstemperatur und die Bildung des Isolatorabschnitts mit einer hohen Ortsauflösung haben. Alternativ kann eine unfokussierte Bestrahlung vorgesehen sein. Wenn die Intensität der Laserstrahlung 4 zur Erzielung der gewünschten Umwandlungstemperatur ausreichend hoch ist, kann in diesem Fall ein im Vergleich zur fokussierten Bestrahlung größerer Isolatorabschnitt gebildet werden. Um einen streifenförmigen Isolatorabschnitt 3 mit einer bestimmten Streifenbreite zu bilden, kann durch die Defokussierung ein Bestrahlungsfeld mit einem Durchmesser gleich der gewünschten Bestrahlungsbreite erzeugt werden. Durch eine Bewegung der Laserstrahlung 4 relativ zum Träger 2 wird die Metallschicht 1 entlang dem gewünschten Streifenverlauf in den Isolatorabschnitt 3 umgewandelt. Wenn die Intensität der Laserstrahlung 4 nicht ausreicht, um im Strahlungsfeld auf der Metallschicht 1 eine ausreichend hohe Umwandlungstemperatur einzustellen, kann die gewünschte Fläche der Metallschicht 1 durch eine mehrfache Bestrahlung in den Isolatorabschnitt 3 umgewandelt werden.
Die Leistung der Laserstrahlung und optional eine Defokussierung auf der Metallschicht 1 werden so gewählt, dass in der Metallschicht 1 eine gewünschte Umwandlungstemperatur erzielt wird. Die Umwandlungstemperatur hängt von dem Metall in der Metallschicht 1 und der Dicke der Metallschicht 1 und liegt z. B. im Bereich von 1000 °C bis 15.000 °C. Es ist nicht zwingend erforderlich, die Umwandlungstemperatur zu kennen. Vielmehr ist es zur Ausführung der Erfindung ausreichend, die Laserstrahlung 4 (Intensität und/oder Strahldurchmesser auf der Metallschicht 1) so einzustellen, dass die gewünschte Umwandlung der Metallschicht 1 erfolgt. Diese Einstellung kann vom Fachmann durch einfache Versuche oder aus einer Abschätzung der Temperatur einer die Laserstrahlung absorbierenden Metallschicht auf einer Oberfläche eines Trägers realisiert werden.
Im weiteren Verfahren kann gemäß 1 der Funktionalisierungsschritt S4 folgen, bei dem eine Vervollständigung des Bauelements in Abhängigkeit von seiner konkreten Funktion vorgesehen ist. Beispielsweise können zur Herstellung einer elektrostatischen Haltevorrichtung eine Kontaktierung der Elektroden, eine Abscheidung weiterer Schichten und/oder eine Verbindung mit weiteren Platten ausgeführt werden.
Vorzugsweise stellen der Vorbereitungsschritt S1 und/oder der Funktionalisierungsschritt S4 Teilschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. In diesem Fall erfolgen das Fügen der Platten und die Bearbeitung der Metallschicht unmittelbar nach der Vorbereitung der Platten und/oder die Vervollständigung des Bauelements unmittelbar nach der Strukturierung der Metallschicht. Die Schritte S1 und S4 sind jedoch nicht zwingend Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Beispielsweise kann der Vorbereitungsschritt S1 unabhängig von den weiteren Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, das heißt das erfindungsgemäße Verfahren wird mit separat bereitgestellten, fertig präparierten Platten ausgeführt. Des Weiteren kann der Funktionalisierungsschritt S4 unabhängig von den vorhergehenden Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, das in diesem Fall das gefügte und strukturierte Bauelement als Halbzeug für eine weitere Bearbeitung bereitstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand des folgenden Beispiels testweise ausgeführt. Als Platten wurden zwei polierte kreisförmige Quarzglaswafer mit einem Durchmesser von 76,2 mm und einer Dicke von 0,5 mm ± 0,2 mm (Typ POT 721, 10218000, DSP TTV < 10 µm, Ra < 0,5 nm des Herstellers Nano Quarz Wafer GmbH) verwendet. Die Quarzglaswafer wurden in einer Ionenstrahlverdampfungsanlage einseitig zunächst mit 5 nm Ti und dann mit 30 nm Au beschichtet. Die Rauheit der Bondflächen wurde mit einem Atomkraftmikroskop (1 x 1 µm Messfeld) auf ca. rms= 0,5 nm bestimmt. Die Quarzglaswafer werden unmittelbar nach der Beschichtung aus der Beschichtungs-Anlage genommen und bei Raumtemperatur durch atomares Diffusionsbonden entlang der Bondflächen miteinander gebondet.
Zum Bonden wurden die Quarzglaswafer an den Bondflächen, d. h. an den Gold-Oberflächen, aneinander gelegt, und es wird ein initialer Startdruck ausgeübt. Es breitete sich ähnlich wie bei optischen Ansprengprozessen eine Bondfront aus. Im Gegensatz zum Fügen durch optisches Ansprengen ergab der Bond im beschriebenen Beispiel eine hohe mechanische Beständigkeit. Selbst durch eine wiederholte, energiereiche Behandlung im Ultraschallbad (Frequenz 40 kHz, Tensidbad) konnte die Verbindung zwischen den Quarzglaswafern nicht gelöst werden. Auch mithilfe einer seitlich an der Fügeverbindung applizierten Rasierklinge ließen sich die Fügepartner nicht mehr vollständig lösen. Dieses Ergebnis entspricht Untersuchungen des atomaren Diffusionsbondens, bei denen Druckscherfestigkeiten von bis zu 70 MPa festgestellt wurden (siehe [14]).
Zwischen den Quarzglaswafern bildeten die Bondschichten eine Metallschicht, die anschließend mittels Laserstrahlung strukturiert wurde. Es erfolgte eine Laserbestrahlung mit einem diodengepumpten Nd:YAG-ns-Pulslaser (z. B. 355 nm Wellenlänge, 50 mW, 7µm Spotbreite und > 95% Überlappung von Bestrahlungsfleck zu Bestrahlungsfleck, scannen der Metallschicht entlang von geraden Linien). Dabei wurde ein Isolatorabschnitt in Gestalt eines Streifens mit einer Breite von 0,7 mm erzeugt. Der Isolatorabschnitt wurde durch mehrere, sich zu 50% überlappende Linien gebildet, auf denen die Laser-Bestrahlung erfolgte. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung zeigte sich darin, dass die Bearbeitung der Metallschicht den Bond nicht negativ beeinflusste und lediglich der Isolatorabschnitt erzeugt wird. Der Isolatorabschnitt zeigte eine Hochspannungsfestigkeit bis zu eine Spannung oberhalb von 30 kV. Die mechanische Beständigkeit des Bonds blieb auch nach der Bearbeitung der Metallschicht erhalten.
3 illustriert schematisch eine Draufsicht auf ein Beispiel eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauelements in Gestalt einer elektrostatischen Haltevorrichtung 10. Die elektrostatische Haltevorrichtung 10 umfasst zwei Platten, die durch atomares Diffusionsbonden zusammengesetzt sind. Zwischen den Platten ist eine Metallschicht 1 eingebettet und strukturiert, wie in 2 dargestellt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist in der Metallschicht 1 ein Isolatorabschnitt 3 in Gestalt eines Kreisringes 3.1 mit einem im Kreisring 3.1 quer verlaufenden Streifen 3.2 gebildet. Dadurch wird die Metallschicht 1 in zwei Elektroden 1.1, 1.2 jeweils in Gestalt einer Halbkreisfläche und eine Ringelektrode 1.3 unterteilt. Der Durchmesser der Platten beträgt z. B. 30 cm. Die Breite des Isolatorabschnitts 3 entlang des Kreisrings 3.1 und entlang des Streifens 3.2 beträgt z. B. 150 µm. Die Breite der Ringelektrode 1.3 beträgt z. B. 10 mm.
Die Elektroden 1.1, 1.2 und 1.3 sind vollständig von der oberen Platte (z. B. Platte 6 in 2) bedeckt, so dass sie elektrisch von der Umgebung isoliert sind. Des Weiteren sind die Elektroden 1.1, 1.2 und 1.3 relativ zueinander durch den Isolatorabschnitt 3 isoliert. Zur Kontaktierung der Elektroden 1.1, 1.2 und 1.3 sind in der oberen Platte Kontaktlöcher 7.1, 7.2 und 7.3 gebildet, durch die eine elektrische Verbindung der Elektroden 1.1, 1.2 und 1.3 mit einer Spannungsversorgungseinrichtung 20 erfolgt. Die Kontaktlöcher 7.1, 7.2 und 7.3, die z. B. einen Durchmesser von 500 µm haben, werden z. B. durch Ätzen des oberen Glaselements mit Flusssäure (HF) gebildet. Das Ätzen der Kontaktlöcher 7.1, 7.2 und 7.3 erfolgt unter Verwendung einer Folienmaskierung. Die Metallschicht 1 dient beim Ätzen als Ätzstopp. Alternativ zum Ätzen können die Kontaktlöcher 7.1, 7.2 und 7.3 in der oberen Platte mechanisch durch Bohren oder Schleifen erzeugt werden.
Die Spannungsversorgungseinrichtung 20 umfasst eine Hochspannungsquelle, die eingerichtet ist, die Elektroden 1.1 und 1.2 mit einer positiven bzw. negativen Hochspannung zu beaufschlagen und die Ringelektrode 1.3 mit Massepotential zu verbinden.
Die elektrostatische Haltevorrichtung 10 umfasst für die Anwendung zum Transport von Werkstücken, z. B. Halbleiter-Wafern, des Weiteren eine Halteeinrichtung und/oder eine Antriebseinrichtung, die als solche wie bei herkömmlichen elektrostatischen Haltevorrichtungen gebildet und in 3 nicht dargestellt sind.
4 illustriert in schematischer Draufsicht eine Wanderwellen-Antriebseinrichtung 11 als weiteres Beispiel eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauelements. Die Wanderwellen-Antriebseinrichtung 11 ist zur Bewegung eines Werkstücks unter der Wirkung wandernder elektrischer Felder eingerichtet. In diesem Beispiel sind ebenfalls zwei Platten durch atomares Diffusionsbonden über zwischenliegende Bondschichten hergestellt. Die Bondschichten bilden die Metallschicht 1, die für die Ausführungsform gemäß 4 in eine Elektrodenanordnung mit zwei kammförmigen Elektroden 1.4, 1.5 strukturiert ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Isolatorabschnitt 3 gebildet, der sich aus einem mäanderförmigen Streifen 3.3 und einem rechteckigen Streifenrahmen 3.4 zusammensetzt. Jede der Elektroden 1.4, 1.5 wird über ein Kontaktloch 7.1, 7.2 in der oberen Platte kontaktiert und mit einer Spannungsversorgung (nicht dargestellt) verbunden. Die kammförmigen Elektroden 1.4, 1.5 sind mit ineinandergreifenden streifenförmigen Elektrodenfingern gebildet und können mit elektrischen Wechselspannungen jeweils entgegengesetzter Polarität beaufschlagt werden. Im Ergebnis können mit den Elektroden 1.4, 1.5 an die Wanderwellen-Antriebseinrichtung 11 angrenzend wandernde elektrische Felder erzeugt werden, unter deren Wirkung ein Werkstück, wie z. B. ein Halbleiter-Wafer, auf einem Gasbett bewegt werden kann.
Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf das illustrierte Layout der Elektrodenanordnung beschränkt, sondern in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung, z. B. in Abhängigkeit von der gewünschten Ausrichtung der Feldwirkung abwandelbar.
5 illustriert ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Bauelements, das einen elektrischen Heizwiderstand 12 bildet. Die zwischen Platten eingebettete Metallschicht 1 ist zur Bildung eines vorbestimmten elektrischen Widerstandes zum Widerstandsheizen strukturiert. Der Heizwiderstand 12 umfasst zwei Platten, die durch atomares Diffusionsbonden verbunden sind, wobei die Bondschichten die Metallschicht 1 bereitstellen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Isolatorabschnitt 3 so geformt, dass eine mäanderförmige Elektrode 1.6 gebildet wird. Durch die Breite des Isolatorabschnitts 3 kann der Flächenwiderstand der Elektrode 1.6 und damit z. B. eine Heizleistung eines Heizwiderstands eingestellt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauelements (2, 10, 11, 12) aus zwei Platten (5, 6), wobei beide Platten (5, 6) elektrisch isolierend sind, mindestens eine der Platten (5, 6) optisch transparent ist und zwischen den Platten (5, 6) mindestens ein planarer Leiterabschnitt und mindestens ein Isolatorabschnitt (3) gebildet ist, mit den Schritten: - Bonden der Platten (5, 6) an zueinander weisenden Bondflächen, wobei zwischen den Platten (5, 6) eine Metallschicht (1) angeordnet ist, und - Bearbeitung der Metallschicht (1) durch eine lokale Erhitzung der Metallschicht (1) mittels Laserstrahlung (4) derart, dass die Metallschicht (1) in einem Teilbereich in den mindestens einen Isolatorabschnitt (3) umgewandelt wird und an den mindestens einen Isolatorabschnitt (3) angrenzend der mindestens eine Leiterabschnitt gebildet wird, wobei zur Bildung des mindestens einen Isolatorabschnitts (3) der Lichtweg der Laserstrahlung (4) und das Bauelement (2, 10, 11, 12) relativ zueinander bewegt werden, um die Metallschicht (1) entlang einer Linie oder Fläche in den mindestens einen Isolatorabschnitt (3) umzuwandeln, dadurch gekennzeichnet, dass - die Platten (5, 6) auf Seiten der Bondflächen poliert sind und die Bondflächen durch metallische Bondschichten gebildet werden, und - das Bonden der Platten (5, 6) ein atomares Diffusionsbonden umfasst, wobei die metallischen Bondschichten die Metallschicht (1) zwischen den gebondeten Platten (5, 6) bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem - das atomare Diffusionsbonden bei Raumtemperatur durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - die Platten (5, 6) auf Seiten der Bondflächen auf eine Rauheit poliert sind, die geringer als 1 nm rms, insbesondere geringer als 0,8 nm rms ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - bei der Bearbeitung der Metallschicht (1) durch die lokale Erhitzung der Metallschicht (1) das in der Metallschicht (1) enthaltene Metall unter der Wirkung der Laserstrahlung (4) einer Änderung des Materialgefüges unterzogen wird, so dass der mindestens eine Isolatorabschnitt (3) gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - die Platten (5, 6) aus verschiedenen Materialien hergestellt sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - eine der Platten (5, 6) aus einem Material hergestellt ist, das sich durch eine Hochspannungs-Durchschlagsfestigkeit auszeichnet, die mindestens 1000 V/mm beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Platten (5, 6) aus mindestens einem der Materialien hergestellt sind, die Glas, Glaskeramik, kristallinen Werkstoff, insbesondere Saphir oder Diamant, Keramik und Kunststoff umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - mindestens eine der Platten (5, 6) auf Seiten der Bondfläche eine Glättungsschicht aufweist, auf der die zugehörige metallische Bondschicht gebildet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - mindestens eine der Platten (5, 6) auf Seiten der Bondfläche mindestens eine Haftvermittlerschicht aufweist, auf der die zugehörige metallische Bondschicht gebildet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem der Merkmale - die Metallschicht (1) wird durch die Laserstrahlung (4) mit einer Wellenlänge lokal erhitzt, bei welcher die mindestens eine der Platten (5, 6) transparent ist, - die Metallschicht (1) wird durch fokussierte oder defokussierte Laserstrahlung (4) lokal erhitzt, und - die Laserstrahlung (4) zur lokalen Erhitzung der Metallschicht (1) wird mit einem gepulsten Laser erzeugt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - das Bauelement ein Träger einer elektrostatischen Haltevorrichtung (10) ist, die aus den gebondeten Platten (5, 6) zusammengesetzt ist und mindestens eine flächige Elektrode enthält, die durch den mindestens einen Leiterabschnitt gebildet und zur Beaufschlagung mit einer Hochspannung angeordnet ist, wobei an die mindestens eine Elektrode angrenzend der mindestens eine Isolatorabschnitt (3) angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, mit mindestens einem der Merkmale - die elektrostatische Haltevorrichtung (10) enthält mindestens zwei Elektroden, die jeweils durch einen Leiterabschnitt gebildet und durch den mindestens einen Isolatorabschnitt (3) voneinander getrennt sind, und - die Bearbeitung der Metallschicht (1) mittels Laserstrahlung (4) umfasst eine Erzeugung von mindestens einer Leiterbahn, die mit der mindestens einen Elektrode verbunden ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem - das Bauelement ein Leiter-Bauelement (11, 12) ist, das aus den gebondeten Platten (5, 6) zusammengesetzt ist und mindestens eine Leiterbahn enthält, die durch den mindestens einen Leiterabschnitt gebildet und zur Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom angeordnet ist, wobei an die mindestens eine Leiterbahn angrenzend der mindestens eine Isolatorabschnitt (3) angeordnet ist
Verfahren gemäß Anspruch 13, mit mindestens einem der Merkmale - das Leiter-Bauelement (11, 12) enthält mindestens zwei Leiterbahnen, die jeweils durch einen Leiterabschnitt gebildet und durch den mindestens einen Isolatorabschnitt (3) voneinander getrennt sind, und - die mindestens eine Leiterbahn ist als Antriebseinrichtung (11) zur Bewegung eines Werkstücks unter der Wirkung elektrischer Wechselfelder oder als Heizwiderstand (12) konfiguriert.