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WO2015197126A1 - Verfahren zum bonden von substraten mit verteilen eines verbindungsmaterials durch annähern der substrate - Google Patents

Verfahren zum bonden von substraten mit verteilen eines verbindungsmaterials durch annähern der substrate Download PDF

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Publication number
WO2015197126A1
WO2015197126A1 PCT/EP2014/063603 EP2014063603W WO2015197126A1 WO 2015197126 A1 WO2015197126 A1 WO 2015197126A1 EP 2014063603 W EP2014063603 W EP 2014063603W WO 2015197126 A1 WO2015197126 A1 WO 2015197126A1
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WO
WIPO (PCT)
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substrates
substrate
liquid
bonding
connecting material
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2014/063603
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Burggraf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EV Group E Thallner GmbH
Original Assignee
EV Group E Thallner GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EV Group E Thallner GmbH filed Critical EV Group E Thallner GmbH
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Priority to PCT/EP2014/063603 priority patent/WO2015197126A1/de
Priority to ATA9524/2014A priority patent/AT523072B1/de
Priority to DE112014006648.6T priority patent/DE112014006648B4/de
Priority to JP2016573584A priority patent/JP6495947B2/ja
Priority to SG11201610458WA priority patent/SG11201610458WA/en
Priority to CN201480079975.6A priority patent/CN106459676B/zh
Priority to KR1020217003860A priority patent/KR102311945B1/ko
Priority to TW104113422A priority patent/TWI651771B/zh
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    • H10W90/732—
    • H10W90/734—

Definitions

  • the present invention relates to a method for bonding a first substrate to a second substrate according to claim 1.
  • Adhesives are increasingly being used in the semiconductor industry to bond substrates together. Here one differentiates between the temporary adhesives and the permanent adhesives.
  • a temporary adhesive is usually a thermoplastic that softens above a characteristic temperature, the so-called glass transition temperature. Substrates which have been bonded by means of a thermoplastic, can be heated by heating the thermoplastic over the
  • thermoplastics can be thermally cycled, so theoretically they can be heated and cooled several times without their physical and / or lose chemical properties.
  • the reason lies in the fact that thermoplastics, in contrast to duromers, do not crosslink. As a result, the polymer chains can shift to each other at a correspondingly high temperature and the temporary adhesive remains malleable.
  • Permanent adhesives are polymers whose polymer chains permanently crosslink with each other under chemical, thermal or electromagnetic influence.
  • the networking process is irreversible.
  • Such polymers are regularly used to bond substrates, especially substrates of different materials.
  • connection of two substrates can be carried out by a variety of methods.
  • substrates with metallic surfaces are bonded together via a metal diffusion bond.
  • the connection between silicon and / or silicon oxide surfaces is effected by a so-called direct or fusion bonding.
  • Glass substrates can in particular also be connected to one another by anodic bonding, as long as a required ion transport is possible.
  • the said bonding processes have the significant disadvantage that they are limited to specific surface properties of the substrates. Thus, mostly only metal to metal surfaces can be connected by means of a metal diffusion bond. Furthermore, the Designarch. Fusion bond technology only between silicon and / or
  • Silicon oxide surfaces or at least surfaces similar
  • the thickness t of the permanent adhesive layer should be large enough to securely and permanently connect the two substrates together, and preferably surface irregularities should be compensated.
  • the thickness t should be as small as possible in order not to impair the properties (for example transparency, hardness, strength, rigidity, thermal conductivity) of the products produced.
  • spin coating a quantity of permanent adhesive is applied centrically to a substrate (English: dispensed). The substrate is fixed on a sample holder. After application of the permanent adhesive, the sample holder is set in rapid rotation. Due to the centrifugal force of the substrate
  • the thickness t of the permanent adhesive can by the deposition amount
  • Rotation speed and the rotational acceleration can be adjusted.
  • Another coating technique is spray coating or
  • Sprühbelacken This is a technique in which a nozzle atomizes a liquid to be applied while performing a relative movement to a substrate.
  • the relative movement between nozzle and substrates may be a simple rotation, a translation or more complicated movements.
  • the spin finish produces a relatively homogeneous and bubble-free layer on a substrate.
  • the second substrate must be contacted with this already existing permanent adhesive layer. If the permanent adhesive layer has a large inhomogeneity (roughness), gas bubbles often get trapped.
  • all types of liquids which are applied by spin coating at the edge of the substrates edge beading (English: edge bead).
  • the permanent adhesive therefore has a greater thickness in the region of the edge curvature than in the center. This often leads to gas inclusions.
  • Most spin-coated liquids have such high viscosity that they must be diluted with a solvent. This solvent must be removed after spin coating by a heat treatment process.
  • Roughness is a direct result of the individual agglomerating droplets on the surface of the substrate.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method by which the Bondmate is improved and is universally applicable.
  • the basic idea of the present invention is to use a compound material as a liquid, in particular a polymer, more preferably a polymer
  • Liquid at least partially, preferably predominantly, automatically, in particular exclusively by linear movement of one or both
  • a central aspect of the invention is, in particular, the
  • a system according to the invention left alone strives for the state with a maximum homogeneous layer thickness, a minimum wedge error and / or an optimal liquid distribution, in particular by gravitational effect on the upper substrate and / or by capillary action between the two substrates.
  • Connecting material is sufficient to form the complete bonding layer with a predetermined thickness t, in particular without that
  • the ratio of the area B to A is less than 1/2, more preferably less than 1/3, even more preferably less than 1/4, even more preferably less than 1/5.
  • the liquid is distributed automatically in particular by the weight force of one of the two substrates (in particular the upper one) and / or by
  • Connecting material and forming a connecting layer of the Connecting material between two substrates The liquid is distributed so that an average thickness t of the hardened bonding layer is defined and the homogenous, bubble-free distribution the total thickness of the stack of first substrate, second substrate and the
  • Bonding layer is constant over the area. In particular, the formation of an edge beads is prevented.
  • Liquids in particular permanent adhesives, the liquid can be directly cured by irradiation, in particular by means of UV light.
  • At least two substrates are used for the distribution of the bonding material, wherein the bonding material is to remain between the two substrates for a certain time.
  • Temporary and permanent bonding methods are preferred according to the invention.
  • the connecting material is in particular a
  • a defect formation in particular blistering, is prevented, even in connection materials with high to very high viscosity. Furthermore, a liquid distribution having a very homogeneous layer thickness t is achieved by the embodiment according to the invention.
  • the substrates may have any shape, but are preferably circular.
  • the substrates do not have any protrusions or edges which project beyond the contact surfaces.
  • the contact surface is formed in particular as completely flat.
  • the diameter of the Substrates is particularly industrially standardized. For wafers (preferred as substrates) diameters of 1 inch, 2 inches, 3 inches, 4 inches, 5 inches, 6 inches, 8 inches, 12 inches and 1 8 inches are particularly preferred.
  • the embodiment according to the invention can basically handle any substrate, regardless of its diameter.
  • the embodiment according to the invention is particularly suitable for the coating and the bonding of
  • a defined amount of liquid of the bonding material is deposited or applied to the first and / or the second substrate.
  • the liquid is preferably deposited / deposited centrally and forms a puddle
  • the application is in particular such that a smooth and clean liquid surface is formed, wherein
  • Irregularity in the liquid surface can become unwanted
  • the liquid is applied not as drops, but as a geometric pattern on the substrate surface.
  • Expansion according to the invention has particular advantages for the uniform distribution of the liquid on non-circular, in particular rectangular, for example, square, substrates. Rectangular substrates have no radial symmetry. The way to the corner of such a rectangular
  • Substrate is therefore longer from the geometric center of the substrate than the path to some of the edges.
  • the paths are therefore dependent on the direction in which the liquid is distributed. To the liquid therefore evenly, especially at the same time on the Distribute substrate surface, according to the invention in the direction of longer paths, in particular more liquid can be deposited.
  • an initial situation can be created which, in the distribution of the liquid according to the invention, causes the liquid to be any point of the rectangular substrate approximately, preferably exactly, reached at the same time. Similar considerations apply to arbitrarily shaped substrates, whereby the pattern of the liquid is individually calculated for each substrate form or determined experimentally. In most
  • the pattern will be composed of lines and / or point combinations.
  • the line thicknesses of the lines of the pattern are varied during deposition.
  • Contact shaft of the process according to the invention begins to run from the correct contact point.
  • the amount of deposited / applied liquid with respect to the desired thickness t at the end of the process, ie in particular after the curing of the liquid determined, in particular calculated. Assuming a homogeneous distribution of the liquid between the substrates, a 1 00% incompressible liquid with a constant density and a corresponding predetermined substrate area, the
  • the amount of liquid to be separated is calculated in particular as follows.
  • the volume V of the connecting layer with the thickness t over the base area A. (Connecting surface of the first and / or second substrate) after completion of the process according to the invention is:
  • V t * A
  • the area A is equal to the square of the
  • Circle radius (or half the diameter) times the number ⁇ , ie
  • the volume is independent of the pressure.
  • the amount of liquid of the bonding material is deposited / deposited by a volume control, wherein at
  • set layer thickness t the amount of volume to be deposited are delivered, in particular adjusted by a hardening due
  • the shrinkage at. in particular it is a
  • Polymerization shrinkage is given by the shrinkage parameter s.
  • a polymerization shrinkage is understood to mean the decrease in the volume or the compacting of a polymer as a result of the progressing crosslinking of the polymer chains with one another. This irreversible process takes place mainly in permanent bonding adhesives.
  • Another reason for the decrease in volume would be the outgassing of liquid components.
  • outgassing of a liquid would be difficult or impossible at all because the distributed liquid is between two generally gas-tight substrates. The outgassing would be possible only over the relatively narrow area between the peripheral contours of the two substrates. In the further course is therefore not closer to this
  • the shrinkage parameter s is defined as the difference of 1 and the ratio of the volume V after the
  • the shrinkage is less than 0.2, preferably less than 0.1, more preferably less than 0.01, most preferably less than 0.001, most preferably 0.
  • the amount of liquid is in particular by a
  • Mass control deposited / applied wherein the calculated volume is multiplied by the (in particular constant) density of the bonding material.
  • the density of the liquid is a function of the temperature.
  • the smallest possible thickness t of the connecting layer is sought to the
  • Liquid amount for different layer thicknesses for a given diameter of a substrate shown in tabular form is chosen to be 1 g / cm, which is a realistic value for the density of polymers according to the invention.
  • the real density of a thermoplastic, especially a thermoplastic dissolved in a solvent, may vary.
  • Liquid quantities with volume V (or correspondingly converted mass m) for a 200 mm substrate and different thicknesses t Liquid quantities with volume V (or correspondingly converted mass m) for a 200 mm substrate and different thicknesses t.
  • the inventive thickness t of the connecting layer is in particular between ⁇ ⁇ and 0.001 ⁇ , preferably between 75 ⁇ and 0.01 ⁇ , more preferably between 50 ⁇ and 0. 1 ⁇ , most preferably between 25 ⁇ and 1 ⁇ , most preferably between 10 ⁇ and ⁇ ⁇ .
  • Substrates are performed.
  • the two substrates are rapidly approached to a first position to speed up the process flow.
  • the relative approach speed of the two substrates to each other is, in particular, greater than 0.01 mm / s, preferably greater than 0.1 mm / s, more preferably greater than 1 mm / s, most preferably greater than 10 mm / s.
  • the embodiment according to the invention has the advantage that the correction of the wedge error can usually be completely dispensed with.
  • the wedge error is completely compensated by the self-distributing liquid between the two substrates, or at least largely, automatically.
  • the first position preferably ends with the ontakttechnik of the liquids (when applied to both substrates) or the liquid with one of the two substrates.
  • the relative approaching speed is particularly reduced upon reaching the first position and is in particular less than 1 mm / s, preferably less than 0. 1 mm / s, more preferably less than 0.01 mm / s, most preferably less than 0.001 mm / s.
  • the process according to the invention is therefore carried out in a previously described two-stage process.
  • one of the substrates in particular the second substrate, is released from its fixation (receiving device).
  • fixation In the case of horizontal storage of the two substrates, the gravitational force and capillary force acting through the liquid between the two substrates draws the upper substrate toward the lower substrate. Due to the resulting pressure distribution within the liquid, this is distributed automatically along the interface. The spreading liquid wave pushes the air in front of him and removes all kinds of gases from the
  • Substrate interface The distribution of the liquid takes place in particular uniformly, more preferably radially symmetrically, preferably
  • the liquid reaches the edge of the two substrates and due to the given quantity and the lack of capillary action, the distribution is terminated automatically.
  • the liquid (connecting material) has
  • Viscosity is a physical property that is highly temperature dependent.
  • the viscosity of liquids, especially polymers generally decreases with increasing temperature.
  • the viscosity of the bonding material according to the invention is at room temperature in particular between 1 0 6 Pa * s and 1 Pa * s, preferably between 10 5 Pa * s and 1 Pa * s, more preferably between 1 0 4 Pa * s and 1 Pa * s, most preferably between 10 3 Pa * s and 1 Pa * s.
  • the processes according to the invention basically function at any hydrophilicity values of the substrate surfaces.
  • the hydrophilicity values of the substrate surfaces can, in particular by the use
  • Hydrophilic substrate surfaces are used according to the invention especially when a corresponding wetting and thus a higher contact area and a correspondingly higher adhesive strength between the liquid and the substrate surface to be produced.
  • substrates on the underside of liquids in the form of a drop should be deposited, have a correspondingly high hydrophilicity.
  • Hydrophobic surfaces are mainly used for producing a point contact between a deposited liquid and the substrate surface.
  • Such point contacts can be of particular use in those embodiments according to the invention in which the liquid is deposited only on the hydrophilic underside of the upper substrate, while the upper side of the hydrophobic lower substrate only makes a point contact with the convex drop upon contact. The weight of the upper substrate then spreads the drop between the two substrate surfaces starting from this punctiform one
  • the hydrophilicity is determined by means of the contact angle method.
  • the contact angle method By means of an optical system one misses the angle between the tangent to a drop of liquid and the wetted surface.
  • the method is known to the person skilled in the art.
  • the measured angle is acute with high hydrophilicity and dull with high hydrophobicity.
  • the preferred contact angle between the liquid bonding material and the bonding surfaces (contact surfaces) for hydrophilic substrate surfaces according to the invention is in particular less than 90 °, preferably less than 70 °, more preferably less than 50 °, most preferably less than 30 °.
  • Bonding surfaces (contact surfaces) for hydrophobic substrate surfaces according to the invention are in particular greater than 90 °, preferably greater than 125 °, more preferably greater than 150 °, most preferably greater than 1 75 °.
  • both substrate surfaces are assumed to be hydrophilic (preferred embodiment).
  • the surface of the substrates is preferably hydrophilic. Insofar as the deposition / application of a
  • Liquid and the substrate surface is preferably at least so large that the liquid is not pulled by the gravitational force from the substrate surface.
  • a hydrophilicity is selected in which the contact angle is at least greater than 0, in particular greater than 1 0 °, preferably greater than 20 °.
  • Another relevant physical parameter according to the invention is the adhesion between the bonding layer and the substrates.
  • Adhesion is preferably defined by the energy per unit area necessary to separate two interconnected surfaces. The energy is given in J / m 2 .
  • Bonding layer and the substrates are chosen in particular so that the energy per unit area is less than 2.5 J / m, preferably less than 0. 1 J / m " , more preferably less than 0.01 J / m, most preferably less than 0.001 J / m 2 , most preferably less than 0.0001 J / m 2 , most preferably less than 0.00001 J / m.
  • Area unit between one, in particular on at least one of Substrate applied, coating material and a polymer as a compound material is about 0. 1 J / m 2 .
  • a typical, empirically measured average of the energy per unit area, between pure silicon and the same polymer, is about 1 .2 J / m.
  • Corresponding values may vary depending on the coating material, substrate material and contamination, in this case a polymer. In the future, far more efficient coating materials can be expected.
  • the method performed so that the liquid does not leave the peripheral edge of the two substrates. This prevents that the plant in which the process according to the invention is carried out by the liquid
  • connection of the two substrates takes place via the combination of the bonding material applied on the lower / first substrate to the, in particular in the form of a droplet, on the upper / second substrate
  • the drop can, for example, by a plant for the separation of liquids against the
  • the liquid may have concave regions at the bonding surface of the first, lower substrate, especially if poorly deposited.
  • the concave areas are mainly, but not
  • the liquid was applied to the substrate surface of one, in particular the lower / first, substrate by a coating technique, in particular by
  • Substrate surface of the upper / second substrate becomes the
  • the pattern is chosen so that in the
  • distribution of the bonding material is an optimal, fast and above all simultaneous wetting of the substrate surfaces.
  • This type of distribution is particularly preferred for non-circular, in particular rectangular, substrates, since the length of the path that the connecting material travels from the center to the edge depends on the direction. Therefore, a deposition of the bonding material adapted to the geometry of the substrate, in particular on the lower / first substrate, is advantageous. In particular, a drop of the bonding material is deposited on the upper / second substrate in order to favor the ontaktmaschine invention.
  • the liquid has already been predistributed over a long distance (eg, line) or several longer distances (for example, cross).
  • the deposited geometric figures preferably accelerate through the
  • Liquid amount of the one drop at the connecting surface of the second, upper substrate preferably.
  • the gravitational force acts on the drop so that it has a perfect convex shape and has no concave areas.
  • Correspondingly accurate is the point-like contact of the drop with the connecting surface of the first, lower substrate. In this embodiment, it only needs to be dispensed once, which saves time and money.
  • the temperature of the first and / or second substrate according to the invention is the preferred embodiment of the invention.
  • the temperature of the first and / or second substrate according to the invention conceivable.
  • the first / upper and / or second / lower substrate is / are tempered depending on the desired viscosity of the liquid.
  • the temperature range of the invention is in particular between -100 ° C and 300 ° C, preferably between -50 ° C and 300 ° C, more preferably between 0 ° C and 300 ° C, most preferably between 50 ° C and 300 ° C, on yet
  • Temperature range of the temperature of the first and / or second substrate still no permanent crosslinking of the liquid instead.
  • the bonding material to be distributed between the two substrates according to the process of the invention is preferably hardened.
  • the electromagnetic radiation has in particular a wavelength in the range between l Onm and 2000nm, with preference between l Onm and
  • I SOOnm with greater preference between 1m and 1 000nm, most preferably between 1m and 750nm, most preferably between 1m and 500nm.
  • the liquid is at a temperature greater than 1 00 ° C ; preferably greater than 200 ° C, more preferably greater than 300 ° C, most preferably greater than 400 ° C, most preferably greater than 50 ° C.
  • the thermal conductivity of the substrates is preferably as high as possible in order to heat the heat quickly and efficiently
  • the thermal conductivity of at least one of the two substrates is preferably between 0.1 W / (mK) and 5000 W / (mK), preferably between 1 W / (mK) and 2500 W / (mK), more preferably between 10 W / (mK). and 1000 W / (mK), most preferably between 1 00 W / (mK) and 450 W / (m).
  • the deposition of the liquid against gravity is effected by the generation of a droplet, in particular held together by the surface tension, at the end of a deposition tube, in particular a needle, and the
  • Outlet opening can be set the drop size.
  • FIG. 1 a shows a schematic, not to scale, cross section of a first process step of a first embodiment according to the invention
  • FIG. 1 b shows a schematic, not to scale, cross section of a second process step of the first embodiment
  • FIG. 1 c shows a schematic, not to scale, cross section of a third process step of the first embodiment
  • FIG. 1 d shows a schematic, not to scale, cross section of a fourth process step of the first embodiment
  • FIG. 2a shows a schematic, not to scale true cross-section of a first process step of a second invention
  • FIG. 2b shows a schematic, not to scale, cross-section of a first process step of the second invention Embodiment with an optimally deposited
  • FIG. 2c shows a schematic, not to scale, cross section of a first process step of the second embodiment according to the invention with an optimally distributed amount of liquid
  • FIG. 2 d shows a schematic, not to scale, cross section, as well as a corresponding upper view, of a first process step of the second embodiment according to the invention with a
  • FIG. 3 shows a schematic, not to scale, cross-section of a first process step of a third inventive process
  • Figure 4 is a schematic, not to scale true cross-section of an embodiment of the invention for droplet deposition.
  • FIG. 1a shows the initial state of a first invention
  • a centrally deposited amount of liquid of a bonding material 3 having an ideal convex liquid surface 3o is deposited on the bonding surface 10 of a first, lower substrate 10.
  • a second, upper substrate 2 is connected with its connecting surface 2o opposite in the direction of
  • alignment means wedge error compensation and / or orientation with respect to
  • Sample holder remains fixed and the upper, second substrate 2 is approximated.
  • Weight G and one, in particular lower, capillary force K pulls the two substrates 1 and 2 together according to Figure 1 c.
  • An oblique or even vertical mounting of the two substrates 1 and 2 is less preferred, since this could distort the liquid. Due to the continuous approach of the two substrates 1 and 2, the liquid is also
  • Substrates may even come to an automatic alignment of the two substrates to each other.
  • FIG. 1d which takes place primarily when hardenable liquids are used as bonding material 3, the first substrate 1 and / or the second substrate 2, and thus in particular also the bonding material 3, are provided with electromagnetic radiation and / or Heat applied.
  • the application of the first substrate 1 and / or the second substrate 2 is symbolized in FIG. 1 d by the arrows acting on the two substrates 1 and 2.
  • FIG. 2 a shows a more preferred embodiment according to the invention, in which a drop of compound material 5 is applied to the bonding surface 2 o of the second substrate 2.
  • the drop 5 has a perfect convex drop surface 5o due to the gravitational force acting on it.
  • the additionally deposited on the lower interface l o liquid 3 ' was by a faulty or poorly calibrated
  • the liquid surface 3 o 'thus does not have a perfect, purely convex liquid surface 3 o * . This type of faulty separation is mainly due to incorrectly calibrated, obsolete or dirty nozzles on the separation system, not shown.
  • the second embodiment of the present invention can eliminate both problems by depositing a drop 5 on the bonding surface 2o of the upper substrate 2.
  • the deposition of a droplet according to the invention on the substrate surface 2o of the substrate 2 allows the, in particular direct, ontaktierung two liquids, the connecting material 3 "with the teardrop-shaped compound material 5. This can potentially resulting during the contact bubbles through fluid dynamic
  • the liquid 3 '" can be uniformly distributed over the surface by means of a coating process, in particular by spin coating or spray painting
  • Substrate surface l o of the substrate 1 are deposited.
  • FIG. 2 d shows a further cross-sectional view according to the invention, not to scale, of two rectangular substrates 1 ', 2' on which a bonding material 3 IV has been applied in the form of a pattern.
  • the pattern allows for the contacting of the connecting materials 3 iV and 5 a faster, more efficient, more homogeneous and above all simultaneous
  • a single drop 5 is deposited on the bonding surface 2o of the upper substrate 2.
  • the drop 5 in turn has due to the Gravitational force a purely convex shape.
  • Drop 5 is calculated so that it is sufficient to produce the bonding layer 7 according to the invention between the two substrates 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a particularly preferred embodiment for depositing the joining material 5 in the form of a drop at one
  • Substrate surface 2o The drop is generated by a deposition tube 8 at a Abscheiderohrö réelle 8o.
  • the surface tension of the bonding material holds the drop together.
  • a relative approach takes place between the droplet 5 and the deposition tube opening 8o and the substrate 2.
  • the droplet finally touches the substrate 2 and is separated from the droplet
  • a deposition tube diameter D according to the invention is in particular less than 5 mm, preferably less than 2 mm, more preferably less than 1 mm, most preferably less than 0.1 mm, most preferably less than 0.01 mm.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats (1) mit einem zweiten Substrat (2) mittels einer zwischen den Substraten (1, 2) angeordneten Verbindungsschicht (7) aus einem Verbindungsmaterial (3, 5), insbesondere einen Permanentbondkleber, mit folgenden Schritten, insbesondere mit folgendem Ablauf: - Aufbringen des Verbindungsmaterials (3, 5) auf das erste Substrat (1) und/oder das zweite Substrat (2) in flüssiger Form und - selbstregulierendes Verteilen des Verbindungsmaterials (3, 5) zwischen den Substraten (1, 2) durch Annähern der Substrate (1, 2) und dadurch Ausbilden der Form der Verbindungsschicht (7) mit einer Dicke t. Die Menge des aufgebrachten Verbindungsmaterials (3, 5) reicht aus, um die vollständige Verbindungsschicht (7) mit einer vorgegebenen Dicke t auszubilden, ohne dass das Verbindungsmaterial (3, 5) über einen Umfangsrand mindestens eines der Substrate (1, 2) übertritt. Durch den selbstregulierenden Verbindungsprozess wird ein Zustand mit einer maximal homogenen, gasblasenfreien Schichtdicke, einem minimalen Keilfehler und/oder einer optimalen Flüssigkeitsverteilung, insbesondere durch Gravitationswirkung auf das obere Substrat (2) und/oder durch Kapillarwirkung zwischen den beiden Substraten (1, 2), erreicht.

Description

VERFAHREN ZUM BONDEN VON SUBSTRATEN MIT VERTEILEN EINES VERBINDUNGSMATERIALS DURCH ANNÄHERN DER SUBSTRATE
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat gemäß Patentanspruch 1 .
Der Stand der Technik zeigt verschiedenste Prozesse, Technologien und Anlagen auf, mit deren Hilfe man unterschiedliche Oberflächen, insbesondere Verbindungsflächen, mit Flüssigkeiten, insbesondere Mischungen viskoser Polymere mit Lösungsmitteln, beschichten kann.
Eine wichtige Gruppe von Flüssigkeiten stellen die Klebstoffe dar.
Klebstoffe werden in der Halbleiterindustrie zunehmend angewandt, um Substrate miteinander zu verbinden. Dabei unterschiedet man zwischen den Temporärklebern und den Permanentklebern.
Ein Temporärkleber ist meistens ein Thermoplast, der oberhalb einer charakteristischen Temperatur, der sogenannten Glasübergangstemperatur, erweicht. Substrate die mit Hilfe eines Thermoplasts verklebt wurden, können durch ein Erhitzen des Thermoplasts über die
Glasübergangstemperatur wieder voneinander getrennt werden. Thermoplaste können thermisch zykliert werden, daher man kann sie theoretisch mehrmals erwärmen und wieder abkühlen, ohne dass sie ihre physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften verlieren. Der Grund Hegt darin, dass Thermoplaste im Gegensatz zu Duromeren, nicht vernetzen. Dadurch können sich die Polymerketten bei entsprechend hoher Temperatur zueinander verschieben und der Temporärkleber bleibt formbar.
Permanentkleber sind Polymere, deren Polymerketten unter chemischer, thermischer oder elektromagnetischer Einwirkung permanent miteinander vernetzen. Der Vernetzungsvorgang ist irreversibel. Derartige Polymere werden regelmäßig verwendet, um Substrate, insbesondere Substrate aus unterschiedlichen Materialien, miteinander zu verbinden.
Die Verbindung zweier Substrate kann durch verschiedenste Verfahren durchgeführt werden. So werden beispielsweise Substrate mit metallischen Oberflächen über einen Metalldiffusionsbond miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen Silizium- und/oder Siliziumoxidoberflächen erfolgt durch einen sogenannten Direkt- bzw. Fusionsbond. Glassubstrate können insbesondere auch durch anodisches Bonden miteinander verbunden werden, sofern ein dafür benötigter Ionentransport möglich ist.
Die genannten Verbindungsverfahren haben den entscheidenden Nachteil, dass sie auf spezifische Oberflächeneigenschaften der Substrate beschränkt sind. So können meistens nur Metall- zu Metalloberflächen mittels eines Metalldiffusionsbonds verbunden werden. Des Weiteren kann die Direktbzw. Fusionsbondtechnologie nur zwischen Silizium- und/oder
Siliziumoxidoberflächen, oder zumindest Oberflächen, die ähnliche
Eigenschaften aufweisen, angewandt werden. Beispielsweise ist die
Verbondung zwischen einer Metalloberfläche mit einer Siliziumoberfläche mittels eines Diffusionsbonds bzw. Direktbonds im Allgemeinen nicht möglich. Daher werden solche Verbindungen meist mittels Permanentklebern hergestellt. Es ist grundsätzlich erwünscht, die Dicke t der Permanentkleberschicht zu minimieren. Einerseits soll die Dicke t groß genug sein, um die beiden Substrate sicher und permanent miteinander zu verbinden und bevorzugt sollen Oberflächenunebenheiten ausgeglichen werden. Die Dicke t sollte auf der anderen Seite aber so gering wie möglich sein, um die Eigenschaften (bspw. Transparenz, Härte, Festigkeit, Steifigkeit, thermische Leitfähigkeit) der erzeugten Produkte nicht zu beeinträchtigen.
Die bedeutendste Technik zum Aufbringen von Klebern ist die
Schleuderbeschichtung oder Schleuderbelackung. Bei der Schleuderbelackung wird eine Menge an Permanentkleber zentrisch auf ein Substrat aufgebracht (engl. : dispensed). Das Substrat wird dabei auf einem Probenhalter fixiert. Nach der Aufbringung des Permanentklebers wird der Probenhalter in schnelle Drehung versetzt. Durch die Zentrifugalkraft wird der
Permanentkleber relativ gleichmäßig über das Substrat verteilt. Die Dicke t des Permanentklebers kann durch die Abscheidemenge, die
Rotationsgeschwindigkeit und die Rotationsbeschleunigung eingestellt werden.
Eine weitere Beschichtungstechnik ist das Sprühbeschichten oder
Sprühbelacken. Dabei handelt es sich um eine Technik, bei der eine Düse eine aufzutragende Flüssigkeit zerstäubt während sie eine relative Bewegung zu einem Substrat durchführt. Bei der Relativbewegung zwischen Düse und Substrate kann es sich um eine einfache Rotation, eine Translation oder kompliziertere Bewegungen handeln.
Eine der größten Herausforderungen bei der Verbindung zweier Substrate, die in den meisten Fällen auch noch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, ist die Erzeugung einer defektfreien Grenzschicht. Bei der Direktverbindung zweier Substrate, insbesondere von Silizium-Silizium oder Siliziumoxid- Siliziumoxid, steht die Vermeidung von Einschlüssen und Kavitäten im Vordergrund. Beim Direktbonden werden die Verbindungsflächen der beiden Substrate, vorzugsweise zentrisch, miteinander in Kontakt gebracht. Wobei eine vom Zentrum fortschreitende Bondweile sich radial nach außen hin ausbreitet. Auf der Mikro- und/oder Nanoebene kann es zu einer Verzerrung einer der beiden Verbindungsflächen kommen. Die Verzerrung führt zu einer Ausbeulung mindestens einer der beiden Verbindungsflächen, die permanent im Interface erhalten bleibt.
Im Gegensatz zu den Direktbondverfahren ist der Einschluss von Gasen, insbesondere die Blasenbildung, das größte Problem bei den
Permanentkleber-Bondverfahren. Je hochviskoser eine Flüssigkeit ist, desto schwerer können Gaseinschlüsse aus der Flüssigkeit entweichen. Eine einmal eingeschlossene Gasmenge kann praktisch nicht mehr entweichen und verbleibt im Interface.
Durch die im Stand der Technik angewandten Beschichtungsmethoden ergeben sich folgende Probleme.
Die Schleuderbelackung erzeugt zwar eine relativ homogene und blasenfreie Schicht auf einem Substrat. Allerdings muss das zweite Substrat mit dieser bereits vorhandene Permanentkleberschicht kontaktiert werden. Sollte die Permanentkleberschicht eine große Inhomogenität (Rauigkeit) aufweisen, kommt es häufig zu einem Einschluss von Gasblasen. Des Weiteren bilden alle Arten von Flüssigkeiten, die über Schleuderbeschichtung aufgebracht werden, am Rand der Substrate eine Randwölbung (engl. : edge bead). Der Permanentkleber besitzt daher in der Region der Randwölbung eine größere Dicke als im Zentrum. Hierdurch kommt es oft zu Gaseinschlüssen. Die meisten durch Schleuderbelackung aufgebrachten Flüssigkeiten besitzen eine so hohe Viskosität, dass sie mit einem Lösungsmittel verdünnt werden müssen. Dieses Lösungsmittel muss nach der Schleuderbelackung durch einen Wärmebehandlungsprozess entfernet werden. Durch das Ausgasen des
Lösungsmittels erhöht sich die Oberfiächenrauigkeit, was wiederum zu einem schlechteren Bondergebnis führen kann. Auch bei der Sprühbeschichtung kommt es, beispielsweise auf Grund von Rauigkeit der Oberflächen, immer wieder zu Gaseinschlüssen. Diese
Rauigkeit ist ein direktes Resultat der einzelnen, sich agglomerierenden Tröpfchen an der Oberfläche des Substrats.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Bondergebnis verbessert wird und das universell einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen
Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungsmaterial als Flüssigkeit, insbesondere ein Polymer, noch bevorzugter einen
Permanentkleber, zwischen zwei Substraten so aufzubringen, dass die
Flüssigkeit zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, selbsttätig, insbesondere ausschließlich durch lineare Bewegung eines oder beider
Substrate aufeinander zu, zwischen den Substraten, insbesondere durch konzentrische oder radialsymmetrische Ausbreitung, verteilt wird. Ein zentraler erfindungsgemäßer Aspekt besteht insbesondere darin, das
Verbindungsmaterial in einer überschussfreien Menge aufzubringen. Die offenbarte erfindungsgemäße Ausführungsform ist insbesondere
selbstregulierend in Bezug auf
• eine Einstellung der Schichtdicke und/oder • einen Keilfehlerausgleich und/oder
• eine Flüssigkeitsverteilung.
Selbstregulierend bedeutet, dass es keiner Steuerung zur Optimierung der genannten Parameter, insbesondere von außen, bedarf. Ein erfindungsgemäß einmal sich selbst überlassenes System strebt den Zustand mit einer maximal homogenen Schichtdicke, einem minimalen Keilfehler und/oder einer optimalen Flüssigkeitsverteilung, insbesondere durch Gravitationswirkung auf das obere Substrat und/oder durch Kapillarwirkung zwischen den beiden Substraten, an.
Überschussfrei heißt, dass die Menge des aufgebrachten
Verbindungsmaterials ausreicht, um die vollständige Verbindungsschicht mit einer vorgegebenen Dicke t auszubilden, insbesondere ohne dass
Verbindungsmaterial über einen Umfangsrand mindestens eines der Substrate übertritt.
Bevorzugt wird die aufgebrachte Menge auf einer verglichen mit der
Verbindungsfläche A der Substrate kleinen Fläche B aufgebracht. Bevorzugt ist das Verhältnis der Fläche B zu A kleiner 1/2, noch bevorzugter kleiner 1/3 , noch bevorzugter kleiner 1 /4, noch bevorzugter kleiner 1 /5.
Selbsttätig verteilt wird die Flüssigkeit insbesondere durch die Gewichtskraft eines der beiden Substrate (insbesondere das obere) und/oder durch
Kapillarwirkung der Flüssigkeit zwischen den beiden Substraten. Eines der beiden Substrate wird, insbesondere nach einer Kontaktierung der
Flüssigkeiten (im Falle einer Aufbringung auf beide Substrate) oder der Flüssigkeit mit einem der Substrate, freigelassen.
Daraus ergibt sich mit minimalem Kraft- beziehungsweise Energieaufwand eine defektfreie, effiziente und materialsparende Verteilung des
Verbindungsmaterials und Ausbildung einer Verbindungsschicht aus dem Verbindungsmaterial zwischen zwei Substraten. Die Flüssigkeit wird so verteilt, dass eine mittlere Dicke t der ausgehärteten Verbindungsschicht definiert ist und durch die homogene, blasenfreie Verteilung die Gesamtdicke des Stapels aus erstem Substrat, zweitem Substrat und der
Verbindungsschicht konstant ist über die Fläche. Insbesondere wird auch die Ausbildung eines edge beads verhindert. Bei der Verwendung transparenter Substrate und durch elektromagnetische Strahlung aushärtbaren
Flüssigkeiten, insbesondere Permanentklebern, kann die Flüssigkeit mittels Durchstrahlung, insbesondere mittels UV-Licht, direkt ausgehärtet werden.
Zur Verteilung des Verbindungsmaterials werden mindestens zwei Substrate verwendet, wobei das Verbindungsmaterial für eine gewisse Zeit zwischen den beiden Substraten verbleiben soll. Erfindungsgemäß bevorzugt sind Temporär- und Permanentbondverfahren.
Bei dem Verbindungsmaterial handelt es sich insbesondere um einen
Permanentbondkleber. Erfindungsgemäß denkbar wäre allerdings die
Verwendung eines Temporärklebers, eines Photoresists, einer Flüssigkeit, welche in einem späteren Prozess in eine Isolierschicht umgewandelt wird oder eine Reinigungsflüssigkeit. Als Verbindungsmaterial sind insbesondere alle Arten von Mischungen zu verstehen, vorzugsweise Kleber, die in
Lösungsmitteln gelöst sind.
Erfindungsgemäß wird eine Defektbildung, insbesondere Blasenbildung, auch bei Verbindungsmaterialien mit hoher bis sehr hoher Viskosität verhindert. Des Weiteren wird durch die erfindungsgemäße Ausführungsform eine Flüssigkeitsverteilung mit sehr homogener Schichtdicke t erreicht.
Die Substrate können jede beliebige Form besitzen, sind aber bevorzugt kreisrund. Insbesondere weisen die Substrate erfindungsgemäß keine, die Kontaktflächen überragenden Vorsprünge oder Ränder auf. Die Kontaktfläche ist als insbesondere vollständig eben ausgebildet. Der Durchmesser der Substrate ist insbesondere industriell genormt. Für Wafer (als Substrate bevorzugt) sind insbesondere Durchmesser von I Zoll, 2 Zoll, 3 Zoll, 4 Zoll, 5 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll, 12 Zoll und 1 8 Zoll bevorzugt. Die erfindungsgemäße Ausführungsform kann aber grundsätzlich jedes Substrat, unabhängig von dessen Durchmesser handhaben. Die erfindungsgemäße Ausführungsform eignet sich insbesondere für die Beschichtung und das Bonden von
rechteckigen Substraten, vorzugsweise von Glassubstraten. In einem ersten erfindungsgemäßen Prozesschritt wird eine definierte Menge an Flüssigkeit des Verbindungsmaterials auf das erste und oder das zweite Substrat abgeschieden oder aufgebracht. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise zentrisch abgeschieden/aufgebracht und bildet eine Pfütze (engl . : puddle)
beziehungsweise einen Tropfen. Die Aufbringung erfolgt insbesondere derart, dass eine glatte und saubere Flüssigkeitsoberfläche entsteht, wobei
insbesondere die Materialwahl und/oder weitere Prozessbedingungen wie Temperatur und Druck erfindungsgemäß berücksichtigt werden. Eine
Unregelmäßigkeit in der Flüssigkeitsoberfläche kann zu ungewollten
Einschlüssen führen.
In einer speziellen erfindungsgemäßen Erweiterung wird die Flüssigkeit nicht als Tropfen, sondern als geometrisches Muster auf die Substratoberfläche aufgebracht. Durch die gezielte Abscheidung eines Flüssigkeitsmusters kann auf die Verteilung der Flüssigkeit während des erfindungsgemäßen
Verteilungsvorgangs Einfluss genommen werden. Diese spezielle
erfindungsgemäße Erweiterung hat besondere Vorteile für die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit auf nicht kreisrunden, insbesondere rechteckigen, beispielsweise quadratischen, Substraten. Rechteckige Substrate besitzen keine Radialsymmetrie. Der Weg zur Ecke eines solchen rechteckigen
Substrats ist daher vom geometrischen Mittelpunkt des Substrats aus länger, als der Weg zu einigen der Kanten. Im Allgemeinen sind die Wege daher abhängig von der Richtung, in der die Flüssigkeit verteilt wird. Um die Flüssigkeit daher gleichmäßig, insbesondere auch zeitgleich, über die Substratoberfläche zu verteilen, wird erfindungsgemäß in Richtung längerer Wege insbesondere mehr Flüssigkeit abgeschieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann insbesondere durch das Abscheiden der Flüssigkeit in Kreuzform, wobei die Kreuzecken in die Ecken des rechteckigen Substrats zeigen, eine Ausgangssituation erzeugt werden, die bei der erfindungsgemäßen Verteilung der Flüssigkeit dazu führt, dass die Flüssigkeit j eden Punkt des rechteckigen Substrats annähernd, vorzugsweise exakt, zeitgleich erreicht. Analoge Überlegungen gelten für beliebig geformte Substrate, wobei das Muster der Flüssigkeit dabei für j ede Substratform einzeln berechnet oder experimentell ermittelt wird. In den meisten
speziellen erfindungsgemäßen Erweiterungen wird sich das Muster aus Linien und/oder Punktekombinationen zusammensetzen. In einer besonderen speziellen erfindungsgemäßen Erweiterung werden die Liniendicken der Linien des Musters während des Abscheidens variiert. Durch das Erzeugen eines derartigen Musters kann auch sichergestellt werden, dass ieine
Kontaktwelle des erfindungsgemäßen Prozesses vom korrekten Kontaktpunkt aus zu laufen beginnt. Durch die Erzeugung derartiger Muster ist eine schnellere und vor allem homogenere Beschichtung durch den
erfindungsgemäßen Prozess möglich. Auf der Substratoberfläche des zweiten Substrats kann sich wiederum ein abgeschiedener Tropfen befinden, der mit dem Muster auf der Substratoberfläche des ersten Substrats kontaktiert. insbesondere wird die Menge an abgeschiedener/aufgebrachter Flüssigkeit in Bezug auf die erwünschte Dicke t am Ende des Verfahrens, also insbesondere nach dem Aushärten der Flüssigkeit, bestimmt, insbesondere berechnet. Unter der Annahme einer homogenen Verteilung der Flüssigkeit zwischen den Substraten, einer 1 00% inkompressiblen Flüssigkeit mit konstanter Dichte und einer entsprechend vorgegebenen Substratfläche, wird die
abzuscheidende Flüssigkeitsmenge insbesondere wie folgt berechnet. Das Volumen V der Verbindungsschicht mit der Dicke t über der Grundfläche A (Verbindungsfläche des ersten und/oder zweiten Substrats) nach Abschluss des erfindungsgemäßen Vorganges ist:
V = t * A
Im Fall kreisrunder Substrate ist die Fläche A gleich dem Quadrat des
Kreisradius (bzw. dem halben Durchmesser) mal der Zahl π, also
Figure imgf000012_0001
Im Falle einer inkompressiblen Flüssigkeit ist das Volumen unabhängig vom Druck. Insbesondere wird die Flüssigkeitsmenge des Verbindungsmaterials durch eine Volumensteuerung abgeschieden/aufgebracht, wobei bei
vorgegebener Substratfläche A und gewünschter beziehungsweise
eingestellter Schichtdicke t die abzuscheidende Volumenmenge abgegeben werden, insbesondere bereinigt um eine durch das Aushärten bedingte
Schrumpfung. Die Schrumpfung, bei. der es sich insbesondere um eine
Polymerisationsschrumpfung handelt, wird durch den Schrumpfungsparameter s angegeben. Unter einer Polymerisationsschrumpfung versteht man die Abnahme des Volumens bzw. die Kompaktierung eines Polymers durch die voranschreitende Vernetzung der Polymerketten untereinander. Dieser irreversible Vorgang findet vor allem in Permanentbondklebern statt. Ein weiterer Grund für die Abnahme des Volumens wäre die Ausgasung von Flüssigkeitskomponenten. In den erfindungsgemäßen Ausführungsformen wäre eine Ausgasung einer Flüssigkeit schwer oder überhaupt nicht möglich, da sich die verteilte Flüssigkeit zwischen zwei, im Allgemeinen gasdichten, Substraten befindet. Das Ausgasen wäre ausschließlich über den relativ schmalen Bereich zwischen den Umfangskonturen der beiden Substrate möglich. Im weiteren Verlauf wird daher nicht näher auf diese
Schrumpfungsart eingegangen. Der Schrumpfungsparameter s ist definiert als die Differenz von 1 und dem Verhältnis des Volumens V nach der
Schrumpfung zum Volumen V0 vor der Schrumpfung, daher:
Figure imgf000013_0001
Die Schrumpfung ist kleiner als 0.2, vorzugsweise kleiner als 0.1 , noch bevorzugter kleiner als 0.01 , am bevorzugtesten kleiner als 0.001 , am allerbevorzugtesten 0.
Alternativ wird die Flüssigkeitsmenge insbesondere durch eine
Massensteuerung abgeschieden/aufgebracht, wobei das berechnete Volumen mit der (insbesondere konstanten) Dichte des Verbindungsmaterials multipliziert wird.
Figure imgf000013_0002
Dabei ist erfindungsgemäß insbesondere darauf zu achten, dass die Dichte der Flüssigkeit eine Funktion der Temperatur ist. Bevorzugt wird eine möglichst geringe Dicke t der Verbindungsschicht angestrebt, um die
Transmission elektromagnetischer Strahlung durch die Verbindungsschicht zu optimieren, also die Absorption zu vermindern.
Beispielhaft, aber nicht einschränkend, wird die abzuscheidende
Flüssigkeitsmenge für unterschiedliche Schichtdicken für einen festgelegten Durchmesser eines Substrats in Tabellenform dargestellt. Die Dichte wird dabei als 1 g/cm gewählt, wobei dies ein realistischer Wert für die Dichte erfindungsgemäßer Polymere ist. Die reale Dichte eines Thermoplasts, insbesondere eines in einem Lösungsmittel gelösten Thermoplasts, kann davon abweichen. Tabellarische Darstellung einer Serie von abzuscheidenden
Flüssigkeitsmengen mit Volumen V (bzw. entsprechend umgerechneter Masse m) für ein 200mm-Substrat und unterschiedliche Dicken t.
Radius r Fläche A Dichte p Dicke t Volumen V Masse m
m m" g/crn3 μπι m3 kg
0, 1 0,03 14 1 6 1 1 3 , 14159E-08 3J 41 59E-05
0, 1 0,03 1416 1 2 6,283 19E-08 6,283 19E-05
0, 1 0,03 14 1 6 1 5 1.5708E-07 0,00015708
0, 1 0,03 1416 1 10 3.141 59E-07 0,0003 141 59
0, 1 0,03 14 16 1 50 1 .5708E-06 0,001570796
0, 1 0,03 1416 1 100 3 , 141 59E-06 0,003 141593
Die erfindungsgemäße Dicke t der Verbindungsschicht liegt insbesondere zwischen Ι ΟΟμτη und 0.001 μπι, vorzugsweise zwischen 75 μηι und 0.01 μηι, noch bevorzugter zwischen 50 μηι und 0. 1 μπι, am bevorzugtesten zwischen 25 μηι und 1 μιη, am aller bevorzugtesten zwischen 10 μιη und Ι μηι.
In einem weiteren, insbesondere zweiten, Prozessschritt erfolgt die
Annäherung der beiden Substrate zueinander. Vor und/oder während der Annäherung kann insbesondere ein Keilfehlerausgleich zwischen den
Substraten durchgeführt werden. Bevorzugt werden die beiden Substrate bis zu einer ersten Position schnell angenähert, um den Prozessablauf zu beschleunigen. In diesem Annäherungsprozess bis zur ersten Position ist die relative Annäherungsgeschwindigkeit der beiden Substrate zueinander insbesondere größer als 0.01 mm/s, vorzugsweise größer als 0.1 mm/s, noch bevorzugter größer als 1 mm/s, am bevorzugtesten größer als 10 mm/s. Die erfindungsgemäße Ausführungsform hat allerdings den Vorteil, dass auf die Korrektur des Keilfehlers meist vollständig verzichtet werden kann. Der Keilfehler wird durch die sich selbst verteilende Flüssigkeit zwischen den beiden Substraten vollständig, bzw. zumindest weitestgehend, selbsttätig ausgeglichen. Die erste Position endet vorzugsweise mit der ontaktierung der Flüssigkeiten (bei Aufbringung auf beide Substrate) oder der Flüssigkeit mit einem der beiden Substrate.
Die relative Annäherungsgeschwindigkeit wird bei Erreichen der ersten Position insbesondere reduziert und ist insbesondere kleiner als 1 mm/s, vorzugsweise kleiner als 0. 1 mm/s, noch bevorzugter kleiner als 0.01 mm/s, am bevorzugtesten kleiner als 0.001 mm/s. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Prozess demnach in einem vorbeschriebenen Zweistufenprozess durchgeführt.
In einem erfindungsgemäßen weiteren, insbesondere dritten, Prozessschritt wird eines der Substrate, insbesondere das zweite Substrat, von seiner Fixierung (Aufnahmeeinrichtung) gelöst. Im Fall einer horizontalen Lagerung der beiden Substrate, zieht die Gravitationskraft und die Kapillarkraft, die durch die Flüssigkeit zwischen den beiden Substraten wirkt, das obere Substrat in Richtung des unteren Substrats. Durch die dadurch entstehende Druckverteilung innerhalb der Flüssigkeit, wird diese selbsttätig entlang der Grenzfläche verteilt. Die sich ausbreitende Flüssigkeitswelle schiebt dabei die Luft vor sich her und entfernt alle Arten von Gasen aus der
Substratgrenzfläche. Die Verteilung der Flüssigkeit erfolgt insbesondere gleichmäßig, noch bevorzugter radialsymmetrisch, vorzugsweise
konzentrisch. Bei entsprechender Lagerung und Wahl einer Viskosität der Flüssigkeit, die hoch genug ist, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit bei Quer- bzw. Vertikalstellung der Substrate vom Substrat läuft, ist auch eine Quer- bzw. Vertikalstellung der Substrate denkbar. In einer solchen
speziellen, erfindungsgemäßen Ausführungsform würde ausschließlich die Kapillarwirkung für die selbsttätige Annäherung der Substrate zueinander sowie die Flüssigkeitsverteilung zwischen den Substraten sorgen.
In einem erfindungsgemäßen weiteren, insbesondere vierten, Schritt erreicht die Flüssigkeit den Rand der beiden Substrate und auf Grund der vorgegebenen Menge und der fehlenden Kapillarwirkung wird die Verteilung selbsttätig beendet. Die Flüssigkeit (Verbindungsmaterial) besitzt
insbesondere eine Viskosität, die gering genug ist, um sich zwischen den beiden Substraten verteilen zu können, aber groß genug ist, um die durch die am Rand vorliegende Oberflächenspannung zusammengehaltenen Substrate nicht verlassen zu können. Die Viskosität ist eine physikalische Eigenschaft, die stark temperaturabhängig ist. Die Viskosität von Flüssigkeiten, insbesondere von Polymeren, nimmt im Allgemeinen mit zunehmender Temperatur ab. Die Viskosität des erfindungsgemäßen Verbindungsmaterials liegt bei Raumtemperatur insbesondere zwischen 1 06 Pa*s und 1 Pa* s, vorzugsweise zwischen 105 Pa*s und 1 Pa* s, noch bevorzugter zwischen 1 04 Pa* s und 1 Pa* s, am bevorzugtesten zwischen 103 Pa* s und 1 Pa* s.
Die erfindungsgemäßen Prozesse funktionieren grundsätzlich bei beliebigen Hydrophilitätswerten der Substratoberflächen. Die Hydrophilitätswerte der Substratoberflächen können, insbesondere durch die Verwendung
unterschiedlicher Substratmaterialien und/oder unterschiedlicher
Oberflächenbehandlungsprozesse, auch unterschiedlich sein. Unterscheidet man also grob zwischen hydrophob und hydrophil, sind grundsätzlich folgende Kombinationen für das erste und zweite Substrat möglich
• hydrophob-hydrophob
• hydrophil-hydrophil
• hydrophob-hydrophil
• hydrophil-hydrophob
Hydrophile Substratoberflächen werden erfindungsgemäß vor allem dann eingesetzt, wenn eine entsprechende Benetzung und damit eine höhere Kontaktfläche und eine entsprechend höhere Haftfestigkeit zwischen der Flüssigkeit und der Substratoberfläche hergestellt werden soll. Insbesondere Substrate, an deren Unterseite Flüssigkeiten in Form eines Tropfens abgeschieden werden sollten, weisen eine entsprechend hohe Hydrophilität auf.
Hydrophobe Oberflächen hingegen werden erfindungsgemäß vor allem zur Erzeugung eines Punktkontakts zwischen einer abgeschiedenen Flüssigkeit und der Substratoberfläche eingesetzt. Derartige Punktkontakte können vor allem bei jenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen von Nutzen sein, bei denen die Flüssigkeit nur an der hydrophilen Unterseite des oberen Substrats abgeschieden wird, während die Oberseite des hydrophoben unteren Substrats bei Kontaktierung nur punktförmig mit dem konvexen Tropfen kontaktiert. Die Gewichtskraft des oberen Substrats verbreitet den Tropfen dann zwischen den beiden Substratoberflächen ausgehend von diesem punktförmigen
Kontakt.
Die Hydrophilität wird mit Hilfe der Kontaktwinkelmethode bestimmt. Dabei vermisst man mit Hilfe einer Optik den Winkel zwischen der Tangente an einen Flüssigkeitstropfen und der benetzten Oberfläche. Die Methode ist dem Fachmann bekannt. Der gemessene Winkel ist spitz bei hoher Hydrophilität und stumpf bei hoher Hydrophobizität. Der bevorzugte Kontaktwinkel zwischen dem flüssigen Verbindungsmaterial und den Verbindungsflächen (Kontaktflächen) ist für erfindungsgemäße hydrophile Substratoberflächen insbesondere kleiner 90°, vorzugsweise kleiner als 70°, noch bevorzugter kleiner als 50°, am bevorzugtesten kleiner als 30°. Der bevorzugte
Kontaktwinkel zwischen dem flüssigen Verbindungsmaterial und den
Verbindungsflächen (Kontaktflächen) ist für erfindungsgemäße hydrophobe Substratoberflächen insbesondere größer 90°, vorzugsweise größer als 125 °, noch bevorzugter größer als 150°, am bevorzugtesten größer als 1 75 °.
Sollte es notwendig sein, eine hydrophobe Substratoberfläche in eine hydrophile (oder eine hydrophile Substratoberfläche in eine hydrophobe Substratoberfläche) umzuwandeln, so kann das mit jeder bekannten Technik vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Prozesses durchgeführt werden. Denkbar wären Plasmabehandlungen, Oberflächenätzungen, chemische Behandlungen, Beschichtungen, Sputtern, Erhöhen der
Oberflächenrauigkeit etc.
Im weiteren Verlauf werden beide Substratoberflächen als hydrophil vorausgesetzt (bevorzugte Ausführungsform).
Um die Verteilung der Flüssigkeit und vor allem die optimale Benetzung der Verbindungsflächen zu gewährleisten, ist die Oberfläche der Substrate vorzugsweise hydrophil . Soweit die Abscheidung/Aufbringung eines
Tropfens, insbesondere auf das obere/zweite Substrat erfolgt, kann sich eine zu große Hydrophobizität (also eine zu kleine Hydrophilität) nachteilig auf das Adhäsionsverhalten zwischen Flüssigkeit und Substratoberfläche auswirken. Die Hydrophilität (also die Adhäsionskraft) zwischen der
Flüssigkeit und der Substratoberfläche ist bevorzugt zumindest so groß, dass die Flüssigkeit nicht durch die Gravitationskraft von der Substratoberfläche gezogen wird. In diesem Fall wird daher eine Hydrophilität gewählt, bei der der Kontaktwinkel zumindest größer 0, insbesondere größer 1 0°, bevorzugt größer 20°, ist.
Ein weiterer erfindungsgemäß relevanter physikalischer Parameter ist die Adhäsion zwischen der Verbindungsschicht und den Substraten. Die
Adhäsion wird vorzugsweise über die Energie pro Flächeneinheit definiert, die notwendig ist, um zwei miteinander verbundene Oberflächen voneinander zu trennen. Die Energie wird dabei in J/m2 angegeben. Die
Verbindungsschicht und die Substrate werden insbesondere so gewählt, dass die Energie pro Einheitsfläche geringer als 2.5 J/m , mit Vorzug kleiner als 0. 1 J/m", mit größerem Vorzug kleiner als 0.01 J/m , mit größtem Vorzug kleiner als 0.001 J/m2, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 0.0001 J/m2, am bevorzugtesten kleiner als 0.00001 J/m , beträgt. Ein bevorzugter,
insbesondere empirisch ermittelter, Mittelwert der Energie pro
Flächeneinheit zwischen einem, insbesondere auf mindestens eines der Substrate aufgebrachten, Beschichtungsmaterials und einem Polymer als Verbindungsmaterial, liegt bei ca. 0. 1 J/m2. Ein typischer, empirisch gemessener Mittelwert der Energie pro Flächeneinheit, zwischen reinem Silizium und demselben Polymer, liegt bei ca. 1 .2 J/m . Entsprechende Werte können j e nach Beschichtungsmaterial, Substratmaterial und Verunreinigung, in diesem Fall einem Polymer, schwanken. In Zukunft ist auch mit weit effizienteren Beschichtungsmaterialen zu rechnen.
In einer besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform können die
Verbindungsflächen, insbesondere vor einer erfindungsgemäßen
Beschichtung der Oberflächen, mit einem Plasma behandelt werden und/oder beschichtet werden, um die Oberflächeneigenschaften, insbesondere die Hydrophilität bzw. Hydrophobizität zu ändern beziehungsweise gezielt einzustellen.
Die verwendbaren Plasmaarten sind vorzugsweise
• Induktives Plasma
• Kapazitives Plasma
• Remoteplasma
Durch die Wahl der Parameter des Plasmas wird der Kontaktwinkel
beziehungsweise die gewünschte Adhäsion eingestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird durch die Abscheidung der exakten Flüssigkeitsmenge des Verbindungsmaterials und/oder durch die Kenntnis der Dichte, der Viskosität und/oder der
Oberflächeneigenschaften des Verbindungsmaterials das Verfahren so durchgeführt, dass die Flüssigkeit den Umfangsrand der beiden Substrate nicht verlässt. Dadurch wird verhindert, dass die Anlage, in welcher der erfindungsgemäße Prozess durchgeführt wird, durch die Flüssigkeit
verschmutzt wird. Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt die Verbindung beider Substrate über die Vereinigung des auf dem unteren/ersten Substrat aufgebrachten Verbindungsmaterials mit dem, insbesondere in Form eines Tropfens (engl. : droplet), auf dem oberen/zweiten Substrat
aufgebrachten Verbindungsmaterials. Der Tropfen kann dabei beispielsweise durch eine Anlage zur Abscheidung von Flüssigkeiten gegen die
Gravitationsrichtung, wie er in der Druckschrift DE1 02013 1 13241 .3 beschrieben wird, abgeschieden werden. Der Tropfen kann insbesondere auch manuell aufgebracht werden. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da der Tropfen an der Verbindungsfläche
(Kontaktfläche) des zweiten, oberen Substrats durch die auf den Tropfen wirkende Gravitation eine perfekte konvexe Form besitzt. Im Gegensatz dazu kann die Flüssigkeit an der Verbindungsfläche des ersten, unteren Substrats, insbesondere dann wenn sie schlecht abgeschieden wurde, konkave Bereiche aufweisen. Die konkaven Bereiche entstehen vor allem, aber nicht
ausschließlich, durch eine„Mehrfachabscheidung" von Flüssigkeit an unterschiedlichen, insbesondere nichtzentrischen, Positionen des ersten, unteren Substrats. Auf Grund der Tatsache, dass diese
„Mehrfachabscheidungen" durch entsprechend korrekt kalibrierte
Abscheideanlagen weitestgehend minimiert werden können, sind vor allem jene Ausbildungen konkaver Bereiche wichtig, die sich im Submillimeter- bzw. Submikrometerbereich abspielen. Es kommt vor, dass die
Flüssigkeitsoberfläche durch lokale Oberflächenspannungsänderungen
(beispielsweise durch Fettpartikel, Staubteilchen, Ionen, organische Moleküle etc.) lokale, sehr kleine (mit dem Auge kaum wahrnehmbare) konkave
Bereiche ausbildet, welche als Keimstellen für eine Defekt- bzw.
Blasenbildung wirken können. Unabhängig von der Ursache für die
Ausbildung einer nicht perfekten konvexen Flüssigkeitsoberfläche kann durch diese Ausführungsform des Prozesses verhindert werden, dass sich
Fehlstellen ausbilden. Durch diese Ausführungsform kommt es nämlich zur Vereinigung des Tropfens an der Verbindungsfläche des zweiten, oberen Substrats mit der, insbesondere konkave Bereiche aufweisenden, Flüssigkeit an der Verbindungsfläche des ersten, unteren Substrats. Durch die
kontinuierliche, insbesondere langsame, Annäherung, bleibt genug Zeit, dass Defekte, insbesondere Gaseinschlüsse, nach außen gedrängt werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wurde auf der Substratoberfläche eines, insbesondere des unteren/ersten, Substrats die Flüssigkeit durch eine Beschichtungstechnik, insbesondere durch
Schleuderbelackung oder Sprühbelackung, abgeschieden. Auf der
Substratoberfläche des oberen/zweiten Substrats wird das
Verbindungsmaterial wiederum als Tropfen aufgebracht.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das
Verbindungsmaterial am unteren/ersten Substrat in Form eines Musters aufgebracht. Das Muster wird dabei so gewählt, dass bei der
erfindungsgemäßen Verteilung des Verbindungsmaterials eine optimale, schnelle und vor allem gleichzeitige Benetzung der Substratoberflächen erfolgt. Diese Art der Verteilung ist insbesondere für nicht kreisrunde, insbesondere rechteckige, Substrate bevorzugt, da die Länge des Weges, den das Verbindungsmaterial vom Zentrum zum Rand zurücklegt, abhängig von der Richtung ist. Daher ist eine der Geometrie des Substrats angepasste Abscheidung des Verbindungsmaterials, insbesondere am unteren/ersten Substrat, von Vorteil. Am oberen/zweiten Substrat wird dabei insbesondere ein Tropfen des Verbindungsmaterials abgeschieden werden um die erfindungsgemäße ontaktierung zu begünstigen.
In einer speziellen Ausführungsform ist es erfindungsgemäß denkbar, anstatt eines Tropfens und/oder einer Pfütze geometrische Figuren, insbesondere ein (oder mehrere, vorzugsweise gekreuzte) Rechteck,
abzuscheiden/aufzubringen. Hierdurch wird der erfindungsgemäße
Verteilungsvorgang der Flüssigkeit zwischen den beiden Substraten auf Grund der besseren Vorverteilung und die dadurch erhöhte Kapillarwirkung beschleunigt.
Durch die spezifisch abgeschiedenen geometrischen Figuren wurde die Flüssigkeit bereits über eine länge Wegstrecke (bspw. : Linie) bzw. mehrere längere Wegstrecken (bspw. Kreuz) vorverteilt. Die abgeschiedenen geometrischen Figuren beschleunigen vorzugsweise die durch die
Kapillarkräfte hervorgerufene und vorangetriebene Fiüssigkeitswelle, sodass der erfindungsgemäße Verteilungsvorgang der Flüssigkeit schneller beendet ist.
In einer weiteren, insbesondere bevorzugten, erfindungsgemäßen
Ausführungsform wird auf die Dispensierung der Flüssigkeit am
unteren/ersten Substrat verzichtet. Es erfolgt ausschließlich eine
Dispensierung eines, insbesondere einzelnen, Tropfens an der
Verbindungsfläche/Kontaktfläche des zweiten/oberen Substrats. Besonders für die Herstellung extrem dünner Flüssigkeitsschichten ist die
Flüssigkeitsmenge des einen Tropfens an der Verbindungsfläche des zweiten, oberen Substrats erfindungsgemäß bevorzugt. Durch die Dispensierung des Tropfens an der Verbindungsfläche des zweiten, oberen Substrats wirkt die Gravitation auf den Tropfen ein, dass dieser eine perfekte konvexe Form besitzt und über keine konkaven Bereiche verfügt. Entsprechend exakt ist der punktförmige Kontakt des Tropfens mit der Verbindungsfläche des ersten, unteren Substrats. Bei dieser Ausführungsform muss nur einmal dispensiert werden, wodurch Zeit und Kosten gespart werden.
Die erfindungsgemäße Verteilung des flüssigen Verbindungsmaterials
(Flüssigkeit) bei Raumtemperatur ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Alternativ ist die Temperierung des ersten und/oder zweiten Substrates erfindungsgemäß denkbar. Durch die Temperierung des ersten und/oder zweiten Substrates kann die Viskosität der Flüssigkeit gezielt eingestellt und damit das Fließverhalten reguliert werden. Das erste/obere und/oder zweite/untere Substrat wird/werden dabei abhängig von der gewünschten Viskosität der Flüssigkeit temperiert. Der erfindungsgemäße Temperaturbereich liegt dabei insbesondere zwischen - 100°C und 300°C, vorzugsweise zwischen -50°C und 300°C, noch bevorzugter zwischen 0°C und 300°C, am bevorzugtesten zwischen 50°C und 300°C, am noch
bevorzugter zwischen 1 00°C und 300°C . Insbesondere findet im
Temperaturbereich der Temperierung des ersten und/oder zweiten Substrats noch keine permanente Vernetzung der Flüssigkeit statt.
Das gemäß dem erfindungsgemäßen Prozess zwischen den beiden Substraten zu verteilende Verbindungsmaterial wird vorzugsweise gehärtet (engl. :
cured), insbesondere während und oder nach der Verteilung des
Verbindungsmaterials zwischen den Substraten. Die Härtung erfolgt entweder mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung und/oder mittels Wärme. Die elektromagnetische Strahlung besitzt dabei insbesondere eine Wellenlänge im Bereich zwischen l Onm und 2000nm, mit Vorzug zwischen l Onm und
I SOOnm, mit größerem Vorzug zwischen l Onm und l OOOnm, mit allergrößtem Vorzug zwischen l Onm und 750nm, mit allergrößtem Vorzug zwischen l Onm und 500nm.
Im Falle thermischer Härtung wird die Flüssigkeit auf eine Temperatur größer 1 00°C; vorzugsweise größer 200°C, noch bevorzugter größer 300°C, am bevorzugtesten größer 400°C, am aller bevorzugtesten größer 50Q°C erwärmt. In dieser Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit der Substrate vorzugsweise möglichst hoch, um die Wärme schnell und effizient zum
Verbindungsmaterial zu befördern. Die Wärmeleitfähigkeit mindestens eines der beiden Substrate liegt bevorzugt zwischen 0.1 W/(mK) und 5000 W/(mK), vorzugsweise zwischen 1 W/(mK) und 2500 W/(mK), noch bevorzugter zwischen 1 0 W/(mK) und 1000 W/(mK), am bevorzugtesten zwischen 1 00 W/(mK) und 450 W/(m ). In einer besonders bevorzugten Ausführungsforrn erfolgt die Abscheidung der Flüssigkeit gegen die Gravitation durch die Erzeugung eines, insbesondere von der Oberflächenspannung zusammengehaltenen, Tropfens am Ende eines Abscheidungsrohres, insbesondere einer Nadel, und der
Abnahme/Übertragung dieses Tropfens durch Kontaktierung mit einer
Substratoberfläche. Durch die genaue Wahl des Durchmessers der
Austrittsöffnung kann die Tropfengröße festgelegt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Figur l a einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines ersten Prozessschrittes einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur l b einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines zweiten Prozessschrittes der ersten Ausführungsform,
Figur 1 c einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines dritten Prozessschrittes der ersten Ausführungsform,
Figur l d einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines vierten Prozessschrittes der ersten Ausführungsform,
Figur 2a einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines ersten Prozessschrittes einer zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsform mit einer nicht optimal abgeschiedenen
Flüssigkeitsmenge,
Figur 2b einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines ersten Prozessschrittes der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer optimal abgeschiedenen
Flüssigkeitsmenge,
Figur 2c einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines ersten Prozessschrittes der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer optimal verteilten Flüssigkeitsmenge,
Figur 2d einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt, sowie eine entsprechende Oberansicht, eines ersten Prozessschrittes der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem
erzeugten Muster,
Figur 3 einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines ersten Prozessschrittes einer dritten erfindungsgemäßen
Ausführungsform und
Figur 4 einen schematischen, nicht maßstabsgetreuen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Tropfenabscheidung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur l a zeigt den Ausgangszustand eines ersten erfindungsgemäßen
Prozessschrittes unter idealen Bedingungen. Eine zentrisch abgeschiedene Flüssigkeitsmenge eines Verbindungsmaterials 3 mit einer idealen, konvexen Flüssigkeitsoberfläche 3o wird auf der Verbindungsfläche l o eines ersten, unteren Substrats l o abgeschieden. Ein zweites, oberes Substrat 2 wird mit seiner Verbindungsfläche 2o gegenüberliegend in Richtung des
Verbindungsmaterials 3 ausgerichtet. Unter Ausrichtung sind insbesondere ein Keilfehlerausgleich und/oder eine Ausrichtung bezüglich
Umfangskonturen l u/2u der Substrate 1 , 2 und/oder nicht dargestellten Ausrichtungsmarken der Substrate 1 , 2 zu verstehen. Die Ausrichtung der Substrate 1 , 2 erfolgt insbesondere durch eine entsprechende
Ausrichtungsanlage. Auf einen Keilfehlerausgleich kann allerdings bevorzugt verzichtet werden, da in den späteren Prozessschritten des
erfindungsgemäßen Prozesses ein automatischer Keilfehlerausgleich stattfindet.
In einem zweiten, erfindungsgemäßen Prozessschritt gemäße Figur l b erfolgt eine relative Annäherung der beiden Substrate 1 und 2 zueinander. In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, in der das zweite, obere
Substrat 2 durch einen Mechanismus (nicht eingezeichnet) an einer
entsprechenden zweiten Aufnahmeeinrichtung gehalten wird, ist eine
Annäherung des ersten, unteren Substrats 1 über eine Bewegung eines unteren Probenhalters (erste Aufnahmeeinrichtung) bevorzugt. Denkbar wäre allerdings auch, dass das erste, untere Substrat 1 auf einem unteren
Probenhalter fixiert bleibt und das obere, zweite Substrat 2 angenähert wird.
Bei Kontaktierung der Verbindungsfläche 2o des oberen Substrats 2 mit der Flüssigkeitsoberfläche 3o im Kontaktpunkt 4 wird die Fixierung des oberen Substrats 2 aufgehoben und die auf das obere Substrat 2 wirkende
Gewichtskraft G sowie eine, insbesondere geringere, Kapillarkraft K, zieht die beiden Substrate 1 und 2 gemäß Figur 1 c zusammen. Eine schräge oder sogar vertikale Lagerung der beiden Substrate 1 und 2 ist weniger bevorzugt, da dadurch die Flüssigkeit verzerrt werden könnte. Durch die kontinuierliche Annäherung der beiden Substrate 1 und 2 wird auch die Flüssigkeit
gleichmäßig zwischen den Substraten 1 , 2 verteilt, insbesondere wird die Verteilung durch die Kapillarwirkung unterstützt bzw. verbessert. In diesem erfindungsgemäßen Prozesschritt findet durch das Zusammenwirken von Gewichtskraft und Kapillarkraft eine Homogenisierung des
Verbindungsmaterials 3 und damit automatisch auch ein Keilfehlerausgleich statt. Bei entsprechend präzise gefertigten, geometrisch äquivalenten,
Substraten kann es sogar zu einer automatischen Ausrichtung der beiden Substrate zueinander kommen. In einem erfindungsgemäß letzten Schritt gemäß Figur l d, der vor allem bei der Verwendung von aushärtbaren Flüssigkeiten als Verbindungsmaterial 3 erfolgt, wird das erste Substrat 1 und/oder das zweite Substrat 2, und damit insbesondere auch das Verbindungsmaterial 3 , mit elektromagnetischer Strahlung und/oder Wärme beaufschlagt. Die Beaufschlagung des ersten Substrats 1 und/oder des zweiten Substrats 2 wird in Figur l d durch die auf die beiden Substrate 1 und 2 einwirkenden Pfeile symbolisiert.
Figur 2a zeigt eine bevorzugtere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein Tropfen als Verbindungsmaterial 5 auf die Verbindungsfläche 2o des zweiten Substrats 2 aufgebracht wird. Der Tropfen 5 hat auf Grund der auf ihn wirkenden Gravitationskraft eine perfekte konvexe Tropfenoberfläche 5o. Die zusätzlich auf der unteren Verbindungsfläche l o abgeschiedene Flüssigkeit 3 ' wurde durch ein fehlerhaftes oder schlecht kalibriertes
Abscheidesystem abgeschieden. Die Flüssigkeitsoberfläche 3 o ' weist somit keine perfekte, rein konvexe Flüssigkeitsoberfläche 3o* auf. Diese Art der fehlerhaften Abscheidung kommt vor allem durch falsch kalibrierte, veraltete oder verschmutzte Düsen am nicht dargestellten Abscheidesystem zustande.
Erfindungsgemäß denkbar wäre auch eine Abscheidung mehrerer über die Substratoberflächen l o, 2o verteilter Pfützen/Tropfen, die sich dann zu der in Figur 2a gezeigten Flüssigkeit 3 ' vereinen.
Die extreme Situation der unvorteilhaft abgeschiedenen Flüssigkeit 3 ' auf der Verbindungsfläche l o des unteren Substrats 1 in Figur 2a kommt in korrekt kalibrierten und sauber arbeitenden Abscheidesystemen praktisch nicht vor. Sehr wohl denkbar wäre allerdings die Ausbildung mehrerer lokaler konvexer Bereiche 4, 4' zwischen denen sich entsprechende konkave Bereiche 6 befinden (Figur 2b). Diese Bereiche 4, 4 ' , 6 entstehen vor allem durch
Partikel im Millimeter-, Mikrometer- und Nanometer-Bereich, die zu einer Veränderung der Oberflächenspannung führen können. Würde eine derartige Flüssigkeitsoberfläche direkt mit einer extrem ebenen Substratoberfläche 2o kontaktieren, käme es zur Ausbildung von kleinen Bläschen im Millimeter-, Mikrometer- und Nanometer-Bereich.
Die erfindungsgemäße zweite Ausführungsform kann durch die Abscheidung eines Tropfens 5 an der Verbindungsfläche 2o des oberen Substrats 2 beide Probleme eliminieren. Die erfindungsgemäße Abscheidung eines Tropfens an der Substratoberfläche 2o des Substrats 2 erlaubt die, insbesondere direkte, ontaktierung zweier Flüssigkeiten, des Verbindungsmaterials 3 " mit dem tropfenförmigen Verbindungsmaterial 5. Dadurch können, potentiell während der Kontaktierung entstehende Blasen noch durch fluiddynamische
Relaxationsprozesse aus der Grenzfläche beider Verbindungsmaterialien 3 " und 5 austreten und das vereinigte, resultierende Verbindungsmaterial bleibt blasenfrei .
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Figur 2c kann die Flüssigkeit 3 ' " durch ein Beschichtungsverfahren, insbesondere durch Schleuderbelackung oder Sprühbelackung, gleichmäßig über die
Substratoberfläche l o des Substrats 1 abgeschieden werden.
Die Figur 2d zeigt eine weitere erfindungsgemäße, nicht maßstabsgetreue Quer- bzw. Oberansicht zweier rechteckiger Substrate 1 ' , 2' , auf denen ein Verbindungsmaterial 3 IV in Form eines Musters aufgetragen wurde. Das Muster erlaubt nach der Kontaktierung der Verbindungsmaterialien 3 iV und 5 eine schnellere, effizientere, homogenere und vor allem gleichzeitige
Verteilung des vereinten Verbindungsmaterials zwischen den beiden rechteckigen Substraten 1 ' und 2' .
Danach erfolgt eine gemäß den Figuren l c- l d analoge Vorgehensweise.
In einer ganz besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird nur ein einziger Tropfen 5 an der Verbindungsfläche 2o des oberen Substrats 2 abgeschieden. Der Tropfen 5 besitzt wiederum auf Grund der Gravitationskraft eine rein konvexe Form. Die Flüssigkeitsmenge des
Tropfens 5 wird so berechnet, dass sie ausreicht, die erfindungsgemäße Verbindungsschicht 7 zwischen den beiden Substraten 1 und 2 zu erzeugen .
Nach der Abscheidung des Tropfens 5 erfolgt wiederum eine gemäß den Figuren l c- l d analoge Vorgehensweise der Annäherung, Kontaktierung, Verteilung und Aushärtung.
Figur 4 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform zur Abscheidung des Verbindungsmaterials 5 in Form eines Tropfens an einer
Substratoberfläche 2o. Der Tropfen wird dabei durch ein Abscheidungsrohr 8 an einer Abscheiderohröffnung 8o erzeugt. Die Oberflächenspannung des Verbindungsmaterials hält den Tropfen zusammen. Nach der Ausbildung eines Tropfens am Ende eines solchen Abscheidungsrohrs 8, insbesondere einer Nadel oder einer Spritzenöffnung, erfolgt eine Relativannäherung zwischen dem Tropfen 5 bzw. der Abscheiderohröffnung 8o und dem Substrat 2. Der Tropfen berührt schließlich das Substrat 2 und wird von der
Abscheidungsrohröffnung 8o auf die Substratoberfläche 2o übertragen. Ein Abscheidungsrohrdurchmesser D ist erfindungsgemäß insbesondere kleiner als 5 mm, vorzugsweise kleiner als 2 mm, noch bevorzugter kleiner als 1 mm, am bevorzugtesten kleiner als 0. 1 mm, am allerbevorzugtesten kleiner als 0.01 mm.
Verfahren zum Bonden von Substraten
B e z u g s ze i c h e n l i s t e
Erstes Substrat
Erste Verbindungsfläche
Umfangskontur
Zweites Substrat
Zweite Verbindungsfläche
Umfangskontur
Verbindungsmaterial
Flüssigkeitsoberfläche
Konvexer Bereich
(tropfenförmiges) Verbindungsmaterial
Tropfenoberfläche
Konkaver Bereich
Verbindungsschicht
Abscheidungsrohr
Abscheiderohröffnung
Dicke
Gravitationskraft
Kapillarkraft
Abscheidungsrohrdurchmesser

Claims

Verfahren zum Bonden von Substraten P at ent an sp rü c h e
1. Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats (1) mit einem zweiten
Substrat (2) mittels einer zwischen den Substraten (1, 2) angeordneten Verbindungsschicht (7) aus einem Verbindungsmaterial (3, 5) mit folgenden Schritten, insbesondere mit folgendem Ablauf:
- Aufbringen des Verbindungsmaterials (3, 5) auf das erste Substrat (1) und/oder das zweite Substrat (2) in flüssiger Form und
- Verteilen des Verbindungsmaterials (3, 5) zwischen den Substraten (1, 2) durch Annähern der Substrate (1, 2) und dadurch Ausbilden der Form der Verbindungsschicht (7) mit einer Dicke t.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Verbindungsmaterial (3 , 5) in einer, insbesondere überschussfreien, Menge aufgebracht wird, die durch die Dicke t der Verbindungsschicht (7) und einen Durchmesser mindestens eines der Substrate ( 1 , 2) vorgegeben ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbindungsmaterial (3 , 5) auf beide Substrate aufgebracht wird, insbesondere in zueinander korrespondierenden Bereichen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verteilen und/oder Annähern zumindest teilweise ausschließlich durch eine Kapillarkraft des flüssigen Verbindungsmaterials (3 , 5) und/oder durch Gravitationskraft G eines der Substrate ( 1 , 2) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
Verbindungsflächen ( l o, 2o) der Substrate ( 1 , 2) vor dem Aufbringen des Verbindungsmaterials (3, 5) mit einer Beschichtung beschichtet und/oder mit einem Plasma behandelt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verbindungsmaterial (3 , 5) während und/oder nach dem Verteilen und Annähern der Substrate ( 1 , 2) ausgehärtet wird.
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