Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration und/oder Bearbeitung wenigstens eines Substrats, wobei ein zu bearbeitendes Prozesssubstrat mit einem Trägersubstrat verbunden und das Prozesssubstrat nach dem Verbinden bearbeitet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Substratstapel, wobei der Substratstapel ein Trägersubstrat und ein mit dem Trägersubstrat verbundenes und bearbeitetes Prozesssubstrat aufweist.The invention relates to a method for integrating and/or processing at least one substrate, wherein a process substrate to be processed is bonded to a carrier substrate, and the process substrate is processed after bonding. Furthermore, the invention relates to a substrate stack, wherein the substrate stack comprises a carrier substrate and a process substrate bonded to the carrier substrate and processed.
Glas spielt eine herausragende Rolle in weiten Bereichen der Technik, hierbei sowohl in der Makro- und der Mikrotechnik als auch an deren Schnittstellen. Insbesondere an den Schnittstellen zwischen den Bereichen sowie im Bereich der Mikrotechnik hat sich die Verwendung von Glas in zunehmendem Maße als essenziell herausgestellt. Die einzigartige Kombination seiner optischen, elektrischen sowie chemischen und mechanischen Eigenschaften ist von entscheidender Bedeutung für die Umsetzung hochpräziser und miniaturisierter Bauteile sowie Systeme. Hierbei ermöglicht z. B. die Transparenz von Glas nicht nur optische Inspektionen und Messungen, sondern auch die Integration von optischen Komponenten in Mikrosysteme. Darüber hinaus zeichnet sich Glas durch seine chemische Beständigkeit, Biokompatibilität und elektrische Isolierfähigkeit aus.Glass plays a key role in a wide range of fields of technology, both in macro- and microtechnology, and at their interfaces. The use of glass has increasingly proven essential, particularly at the interfaces between these fields and in the field of microtechnology. The unique combination of its optical, electrical, chemical, and mechanical properties is crucial for the implementation of high-precision and miniaturized components and systems. The transparency of glass, for example, enables not only optical inspections and measurements, but also the integration of optical components into microsystems. Furthermore, glass is characterized by its chemical resistance, biocompatibility, and electrical insulation properties.
Aufgrund dieser Eigenschaften bietet Glas eine hervorragende Eignung, beispielsweise Silizium nicht nur als Trägermaterial, sondern auch als unmittelbar strukturiertes Volumenmaterial kosteneffizient zu ersetzen. Dadurch eröffnet sich eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten, die von der Mikro- und Nanoelektronik über mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bis hin zur Mikrofluidik und der Verwendung im Packaging von Systemen reichen. Eine wesentliche Voraussetzung für diese vielfältigen Anwendungen stellt jedoch die Verfügbarkeit eines Glasbearbeitungsverfahrens dar, mittels welchem eine Erzeugung präziser Strukturen sehr geringer Abmessungen im Glas und somit eine Mikrobearbeitung des Glases bei bevorzugt hoher Formfreiheit der Strukturen in Verbindung mit geringen Bearbeitungszeiten ermöglicht wird.Due to these properties, glass is ideally suited to replace silicon, for example, not only as a carrier material but also as a directly structured bulk material in a cost-effective manner. This opens up a wide range of possible applications, ranging from micro- and nanoelectronics to microelectromechanical systems (MEMS) and microfluidics and use in system packaging. A key prerequisite for these diverse applications, however, is the availability of a glass processing method that enables the creation of precise structures of very small dimensions in the glass and thus enables micromachining of the glass, preferably with a high degree of freedom of form and in conjunction with short processing times.
Ein solches Verfahren besteht im laserinduzierten Tiefenätzen (engl. Light Induced Deep Etching, LIDE) und ist beispielsweise aus der
Die Handhabung vor allem dünner Glassubstrate stellt hierbei, insbesondere während oder nach deren Bearbeitung jedoch eine bedeutende Herausforderung dar. Aufgrund ihrer geringen Dicke können solche Glassubstrate leicht brechen, was die Herstellung, Inspektion und Integration in komplexe Systeme erschwert.However, handling especially thin glass substrates, especially during or after processing, presents a significant challenge. Due to their small thickness, such glass substrates can easily break, which complicates their manufacturing, inspection, and integration into complex systems.
Bezüglich der Handhabung von Substraten vor und/oder während einer Bearbeitung sind bereits Lösungsansätze aus dem Stand der Technik bekannt.Regarding the handling of substrates before and/or during processing, solutions from the state of the art are already known.
So geht aus der
Der
Die
Regelmäßig werden neben dünnen Gassubstraten zur Prozessierung jedoch auch dickere Glassubstrate mit Trägersubstraten verbunden, um eine defektfreie Prozessierung zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang zeigt die
Die vorgenannten Lösungsansätze sind jedoch dahingehend nachteilig, dass beim Prozessieren der Glassubstrate eine geringe Prozesskontrolle vorliegt, dies gerade bei Prozessen, welche auch die mit dem Trägersubstrat verbundene Seite des Glassubstrats betreffen. Darüber hinaus kann das Lösen der Substrate zu Defekten im Glassubstrat führen. Diese Defekte können dabei z. B. durch die mechanischen Einwirkungen beim Lösen selbst und/oder durch das Prozessieren in das Glassubstrat eingebrachter Spannungen verursacht werden. Darüber hinaus müssen die Trägersubstrate wieder vom Glassubstrat entfernt werden, um die angedachte Funktion der prozessierten Glassubstrate erfüllen zu können.However, the aforementioned approaches are disadvantageous in that they offer little process control during the processing of the glass substrates, especially in processes that also affect the side of the glass substrate connected to the carrier substrate. Furthermore, detaching the substrates can lead to defects in the glass substrate. These defects can be caused, for example, by the mechanical effects during the detachment process itself and/or by stresses introduced into the glass substrate during processing. Furthermore, the carrier substrates must be removed from the glass substrate again in order for the processed glass substrates to fulfill their intended function.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem eine verbesserte Prozesskontrolle vorliegt und das Auftreten von Defekten im Prozesssubstrat verringert ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Substratstapel bereitzustellen, sodass eine angedachte Funktion des Prozesssubstrats auch ohne ein Lösen des Trägersubstrats erfüllt werden kann.Against this background, the invention is based on the object of providing a method of the type mentioned above, which provides improved process control and reduces the occurrence of defects in the process substrate. Furthermore, the invention is based on the object of providing a substrate stack so that an intended function of the process substrate can be fulfilled even without detaching the carrier substrate.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Substratstapel gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention with a method according to the features of claim 1 and a substrate stack according to the features of claim 10. The further embodiment of the invention can be found in the respective subclaims.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Integration und/oder Bearbeitung wenigstens eines Substrats vorgesehen, bei welchem ein zu bearbeitendes Prozesssubstrat mit einem Trägersubstrat verbunden und das Prozesssubstrat bearbeitet wird, wobei zumindest ein Teil des Bearbeitens stets nach dem Verbinden durchgeführt wird. Erfindungsgemäß wird im Rahmen des Verfahrens neben dem Bearbeiten des Prozesssubstrats auch das Trägersubstrat - vor und/oder nach dem Verbinden - durch ein Strukturieren bearbeitet und dadurch eine Trägerstruktur ausgeformt.According to the invention, a method for integrating and/or processing at least one substrate is provided, in which a process substrate to be processed is connected to a carrier substrate and the process substrate is processed, wherein at least part of the processing always takes place after the connection According to the invention, in addition to processing the process substrate, the carrier substrate is also processed by structuring—before and/or after bonding—and a carrier structure is thereby formed.
Grundsätzlich bietet das Verbinden des Prozesssubstrats mit dem Trägersubstrat die Vorteile, dass insbesondere während des Bearbeitens eine höhere mechanische Belastbarkeit des Trägersubstrats respektive Substratstapels aus Trägersubstrat und Prozesssubstrat und eine dadurch bedingte höhere Bruchfestigkeit gegeben ist. Dies gerade dann, wenn das Prozesssubstrat eine, insbesondere in Relation zum Trägersubstrat, geringe bis äußerst geringe Dicke aufweist und somit ein dünnes bis sehr dünnes Prozesssubstrat vorliegt. Die Transporteigenschaften lassen sich zudem ebenfalls verbessern.In principle, bonding the process substrate to the carrier substrate offers the advantage of greater mechanical resilience of the carrier substrate or the substrate stack consisting of carrier substrate and process substrate, particularly during processing, and thus greater fracture strength. This is especially true when the process substrate has a small to extremely small thickness, especially in relation to the carrier substrate, and thus a thin to very thin process substrate. The transport properties can also be improved.
Die Strukturierung des Trägersubstrats hat zusätzlich den Vorteil, dass eine gesteigerte Prozesskontrolle gegeben ist, da das Strukturieren einen unmittelbaren Zugang zu der mit dem Trägersubstrat verbundenen Seite des Prozesssubstrats ermöglichen kann. Hierfür sowie auch allgemein wird das Trägersubstrat in bevorzugter Weise über dessen gesamte Dicke strukturiert, sodass durch einen Abtrag von Material in strukturierten Bereichen des Trägersubstrats Öffnungen und/oder Durchbrechungen ausgeformt sind. Ferner besteht somit auch die Möglichkeit, dass das Trägersubstrat am Prozesssubstrat verbleiben kann, da die Funktion des Prozesssubstrats in den mit den Strukturierungen des Trägersubstrats zusammenfallenden Abschnitten des Prozesssubstrats nicht beeinflusst wird. Dies birgt den weiteren Vorteil, dass ein Lösen des Trägersubstrats nicht vonnöten ist und somit das Auftreten von insbesondere durch das Lösen bedingten Defekten des Prozesssubstrats verringert wird.Structuring the carrier substrate has the additional advantage of providing increased process control, as structuring can enable direct access to the side of the process substrate connected to the carrier substrate. For this purpose, as well as in general, the carrier substrate is preferably structured across its entire thickness, so that openings and/or perforations are formed by removing material in structured areas of the carrier substrate. Furthermore, it is also possible for the carrier substrate to remain on the process substrate, since the function of the process substrate is not affected in the sections of the process substrate that coincide with the structures of the carrier substrate. This has the further advantage that detaching the carrier substrate is not necessary, thus reducing the occurrence of defects in the process substrate, particularly those caused by detachment.
Eine Dicke des Trägersubstrats und/oder des Prozesssubstrats wird hierbei derart anwendungsspezifisch, insbesondere auf eine Art des Bearbeitens und/oder Strukturierens, abgestimmt gewählt, dass eine optimale Stabilität und strukturelle Integrität des Prozesssubstrats und/oder des Substratstapels gewährleistet werden. Bevorzugt ist die Dicke des Trägersubstrats jedoch höher, besonders bevorzugt deutlich höher, als die Dicke des Prozesssubstrats. Eine gegenüber der Dicke des Prozesssubstrats geringere Dicke des Trägersubstrats ist je nach spezifischer Anwendung jedoch ebenfalls denkbar.The thickness of the carrier substrate and/or the process substrate is selected in such a way that it is application-specific, particularly tailored to a type of processing and/or structuring, that optimal stability and structural integrity of the process substrate and/or the substrate stack are ensured. However, the thickness of the carrier substrate is preferably greater, particularly preferably significantly greater, than the thickness of the process substrate. However, a thickness of the carrier substrate that is less than the thickness of the process substrate is also conceivable depending on the specific application.
Im Allgemeinen können sowohl das Trägersubstrat als auch das Prozesssubstrat aus einem beliebigen Material bestehen, insbesondere jedoch aus einem Material, das regelmäßig in der Mikrotechnik verwendet wird, wie z. B. Silizium oder Keramik. Dabei besteht zudem die Möglichkeit, dass sich die Materialien von Trägersubstrat und Prozesssubstrat unterscheiden. Bevorzugt bestehen Trägersubstrat und Prozesssubstrat jedoch aus demselben Material, hierbei bevorzugt aus Glas.In general, both the carrier substrate and the process substrate can be made of any material, but in particular of a material regularly used in microtechnology, such as silicon or ceramic. It is also possible for the materials of the carrier substrate and the process substrate to differ. Preferably, however, the carrier substrate and the process substrate are made of the same material, preferably glass.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Bearbeiten und/oder Strukturieren des Prozesssubstrats und/oder das Bearbeiten und/oder ein Strukturieren des Trägersubstrats ein Modifizieren zumindest von Bereichen des Materials des Prozesssubstrats und/oder des Trägersubstrats. Das Modifizieren der Bereiche des Materials des Prozesssubstrats und/oder des Trägersubstrats kann hierbei vor und/oder nach dem Verbinden von Prozesssubstrat und Trägersubstrats erfolgen. Das Prozesssubstrat kann darüber hinaus auch über seine gesamte Fläche oder eine wesentliche Fläche modifiziert werden, wobei das Modifizieren in bevorzugter Art und Weise jedoch lediglich in Bereichen des Prozesssubstrats durchgeführt wird. Das Modifizieren an sich findet hierbei infolge eines Eintrags von Energie in das Material statt. Die Energie ist dabei insbesondere Strahlungsenergie und bevorzugt Laserenergie eines Laserstrahls. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass bei dem Modifizieren - im Wesentlichen - kein Abtrag des Materials stattfindet. Dadurch, dass aufgrund des Energieeintrags kein Abtrag des Materials stattfindet, können etwaig in das Prozesssubstrat eingebrachte Spannungen gewinnbringend minimiert oder gar vermieden werden, was wiederum das Auftreten von Defekten verringert.In an advantageous development of the invention, the processing and/or structuring of the process substrate and/or the processing and/or structuring of the carrier substrate comprises modifying at least regions of the material of the process substrate and/or the carrier substrate. The modification of the regions of the material of the process substrate and/or the carrier substrate can take place before and/or after the bonding of the process substrate and the carrier substrate. Furthermore, the process substrate can also be modified over its entire surface or a substantial surface, although the modification is preferably carried out only in regions of the process substrate. The modification itself takes place as a result of the introduction of energy into the material. The energy is in particular radiant energy and preferably laser energy from a laser beam. In this context, however, it should be noted that during the modification, essentially no material is removed. Because no material is removed due to the energy input, any stresses introduced into the process substrate can be profitably minimized or even avoided, which in turn reduces the occurrence of defects.
Es wird hierbei bevorzugt, dass jeder modifizierte Bereich durch mindestens einen Laserpuls erzeugt wird. Um mehrere, beispielsweise voneinander unterscheidbare Positionen auf den Substraten, sei es dem Prozesssubstrat und/oder dem Trägersubstrat, mit modifizierten Bereichen zu erzeugen, wird der Laserstrahl bzw. der Fokusbereich des Laserstrahls zwischen den Laserpulsen durch Ablenken über die Substrate bewegt. Auf diese Weise können modifizierte Bereiche in den Substraten erzeugt werden, die entweder nicht miteinander verbunden sind oder zusammenhängend sowie auch überlappend sein können. Durch das Erzeugen mehrerer zusammenhängender modifizierter Bereiche können somit, ausgehend von einer Vielzahl dieser Bereiche, Strukturen mit hoher Formfreiheit in den Substraten geformt werden.It is preferred that each modified region be generated by at least one laser pulse. In order to generate multiple, for example, distinguishable positions on the substrates, be it the process substrate and/or the carrier substrate, with modified regions, the laser beam or the focus region of the laser beam is moved across the substrates between the laser pulses by deflection. In this way, modified regions can be generated in the substrates that are either unconnected to one another or can be connected or overlapping. By generating multiple connected modified regions, structures with a high degree of freedom of form can be formed in the substrates, starting from a plurality of these regions.
Generell, jedoch insbesondere im Kontext der zuvor genannten Weiterbildung, ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn das Bearbeiten und/oder Strukturieren ein selektives Abtragen, insbesondere hauptsächlich des modifizierten Materials des Prozesssubstrats und/oder des Trägersubstrats umfasst. Das Abtragen erfolgt dabei entsprechend nach dem Modifizieren von Bereichen des Materials, bevorzugt durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums auf das Material. Der Abtrag des Materials in den modifizierten Bereichen entsteht daher ausschließlich infolge der Ätzwirkung des ätzenden Mediums und, wie bereits vorstehend erläutert, nicht in direkter Folge des Eintrags von Energie, insbesondere der Laserenergie des Laserstrahls, was wiederum dazu beiträgt, ein Einbringen von Spannungen in das Material zu minimieren oder gar zu vermeiden. Obwohl die Ätzrate des modifizierten Materials der Bereiche um mehrere Zehnerpotenzen höher liegt als die eines unmodifizierten Materials, können die Substrate zusätzlich mit einer Maskierung, insbesondere einer Ätzmaske, bevorzugt aus einem strukturierten Fotoresist, versehen sein, in welcher die zu ätzenden, modifizierten Bereiche freigelegt sind.In general, but especially in the context of the aforementioned training, it is considered advantageous if the processing and/or structuring involves selective removal, especially mainly of the modified material of the process substrate and/or the carrier substrate. The removal takes place accordingly after the modification of regions of the material, preferably by the action of an etching medium on the material. The removal of the material in the modified regions therefore occurs exclusively as a result of the etching effect of the etching medium and, as already explained above, not as a direct consequence of the introduction of energy, in particular the laser energy of the laser beam, which in turn contributes to minimizing or even avoiding the introduction of stresses into the material. Although the etching rate of the modified material of the regions is several orders of magnitude higher than that of an unmodified material, the substrates can additionally be provided with a mask, in particular an etching mask, preferably made of a structured photoresist, in which the modified regions to be etched are exposed.
In einer vielversprechenden Ausführungsform der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass das Prozesssubstrat und das Trägersubstrat nacheinander bearbeitet, hierbei insbesondere strukturiert werden. Das nacheinander erfolgende Bearbeiten und hierbei bevorzugte Strukturieren des Prozesssubstrats und des Trägersubstrats ermöglicht es vorteilhaft, das genutzte Bearbeitungs- und/oder Strukturierungsverfahren für das jeweilige Substrat, also das Prozesssubstrat und/oder das Trägersubstrat, auszuwählen und/oder an das jeweilige Substrat anzupassen und so gegebenenfalls vorliegende, spezifische Anforderungen zu erfüllen. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang z. B. eine Strukturierung des Trägersubstrats über einen mechanischen Prozess, wie dem Trennschleifen. Der Prozesswafer könnte hingegen derart bearbeitet werden, dass mittels eines Abscheideprozesses eine Funktionsschicht aufgebracht wird. Gleichartige Bearbeitungs- und/oder Strukturierungsverfahren für das jeweilige Substrat sind ebenso denkbar, wobei jedoch z. B. angepasste Verfahrensparameter angewendet werden.In a promising embodiment of the invention, it is also provided that the process substrate and the carrier substrate are processed sequentially, in particular structured. The sequential processing and, in this case, preferred structuring of the process substrate and the carrier substrate advantageously makes it possible to select the processing and/or structuring method used for the respective substrate, i.e., the process substrate and/or the carrier substrate, and/or to adapt it to the respective substrate and thus to meet any specific requirements that may exist. In this context, structuring of the carrier substrate using a mechanical process, such as grinding, would be conceivable, for example. The process wafer, on the other hand, could be processed such that a functional layer is applied by means of a deposition process. Similar processing and/or structuring methods for the respective substrate are also conceivable, although, for example, adapted process parameters are applied.
Eine solche Anpassung von Verfahrensparametern lässt sich auch dann realisieren, wenn, wie in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung angedacht, das Prozesssubstrat und das Trägersubstrat jeweils nacheinander modifiziert werden und/oder modifiziertes Material des Prozesssubstrats und des Trägersubstrats jeweils nacheinander abgetragen wird. Derart lässt sich die Prozesskontrolle weiter steigern.Such an adjustment of process parameters can also be achieved if, as envisaged in another embodiment of the invention, the process substrate and the carrier substrate are each modified one after the other and/or modified material from the process substrate and the carrier substrate is removed one after the other. In this way, process control can be further increased.
Ein nacheinander erfolgendes Bearbeiten und/oder Strukturieren respektive ein nacheinander erfolgendes Modifizieren und/oder Abtragen bietet darüber hinaus den Vorteil, dass dies über eine Vorrichtung erfolgen kann, welche lediglich zum einseitigen Bearbeiten eingerichtet ist. Dies senkt die Komplexität und die Kosten einer solchen Vorrichtung.Sequential machining and/or structuring, or sequential modification and/or removal, offers the additional advantage of being able to be performed using a device configured for single-sided machining. This reduces the complexity and cost of such a device.
In einer anderweitigen Ausgestaltung der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass das Prozesssubstrat und das Trägersubstrat jeweils zugleich modifiziert werden und/oder modifiziertes Material des Prozesssubstrats und des Trägersubstrats jeweils zugleich abgetragen wird.In another embodiment of the invention, it is also provided that the process substrate and the carrier substrate are each modified simultaneously and/or modified material of the process substrate and the carrier substrate is each removed simultaneously.
Dies senkt hierbei in vorteilhafter Weise die zum Modifizieren und/oder für das Abtragen notwendige Prozesszeit.This advantageously reduces the process time required for modification and/or removal.
Im Rahmen der vorstehend genannten Ausführungsformen der Erfindung ist auch eine Mischbearbeitung möglich. Beispielsweise können das Prozesssubstrat und das Trägersubstrat jeweils nacheinander modifiziert werden, wobei das modifizierte Material des Prozesssubstrats und des Trägersubstrats hingegen jeweils zugleich abgetragen wird. In entsprechend anderweitiger Weise können das Prozesssubstrat und das Trägersubstrat jeweils zugleich modifiziert werden, wobei modifiziertes Material des Prozesssubstrats und des Trägersubstrats jeweils nacheinander abgetragen wird.Within the scope of the aforementioned embodiments of the invention, mixed processing is also possible. For example, the process substrate and the carrier substrate can each be modified sequentially, with the modified material of the process substrate and the carrier substrate being removed simultaneously. In a correspondingly different manner, the process substrate and the carrier substrate can each be modified simultaneously, with modified material of the process substrate and the carrier substrate being removed sequentially.
Darüber hinaus sei erläutert, dass das Bearbeiten und/oder Strukturieren respektive das Modifizieren und/oder Abtragen einerseits erst dann durchgeführt wird, wenn das Prozesssubstrat und das Trägersubtrat bereits miteinander verbunden sind.Furthermore, it should be explained that the processing and/or structuring or the modification and/or removal is only carried out when the process substrate and the carrier substrate are already connected to each other.
In einer hiervon abweichenden Weiterbildung der Erfindung ist hingegen angedacht, dass das Trägersubstrat vor dem Verbinden mit dem Prozesssubstrat - lediglich - modifiziert und/oder - vollständig - strukturiert wird. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass das Prozesssubstrat den Verfahren und den dabei verwendeten Mitteln ausgesetzt wird, die zur Bearbeitung des Trägersubstrats verwendet werden. Darüber hinaus wird auch die Exposition gegenüber den während der Bearbeitung entstehenden Verfahrensprodukten verhindert.In a further development of the invention deviating from this, however, it is contemplated that the carrier substrate is merely modified and/or completely structured before being bonded to the process substrate. This prevents the process substrate from being exposed to the processes and the agents used to process the carrier substrate. Furthermore, exposure to the process products created during processing is also prevented.
In diesem Kontext sei erneut darauf hingewiesen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung das Bearbeiten des Prozesssubstrats stets erst nach der Verbindung mit dem Trägersubstrat erfolgt. Zum Verbinden von Prozesssubstrat und Trägersubstrat bestehen hierbei verschiedene Möglichkeiten, wobei das Verbinden permanent oder temporär ausgebildet sein kann.In this context, it should be noted again that according to the present invention, the processing of the process substrate always takes place after the connection to the carrier substrate. There are various possibilities for the connection of the process substrate and the carrier substrate, whereby the connection can be permanent or temporary.
So beinhaltet eine Ausführungsform der Erfindung, dass das Verbinden durch ein Einwirken von Energie auf eine Grenzfläche und/oder einen Grenzbereich von Trägersubstrat und Prozesssubstrat durchgeführt wird. Hierdurch wird insbesondere durch das Erzeugen einer Verbindungszone zwischen Trägersubstrat und Prozesssubstrat eine permanente Verbindung verwirklicht, die nicht zerstörungsfrei lösbar ist. Dies birgt grundsätzlich den Vorteil, dass keine zusätzlichen Mittel, insbesondere Zwischenschichten wie Klebstoffschichten zum Verbinden benötigt werden. Die Energie ist dabei insbesondere Strahlungsenergie und bevorzugt Laserenergie eines Laserstrahls. Der Energie kann dabei über eine selbe Energiequelle bereitgestellt werden, über welche auch die Energie zum Modifizieren des Materials von Trägersubstrat und/oder Prozesssubstrat bereitgestellt wird. Besonders bevorzugt erfolgt das Verbinden im Rahmen dieser Ausführungsform durch Laserschweißen. Folglich würde die Laserenergie, welche über einen Laserstrahl einer Laserquelle auf die Grenzschicht zwischen Trägersubstrat und Prozesssubstrat einwirkt, bevorzugt über dieselbe Laserquelle bereitgestellt, über welche auch die zum Modifizieren dienende Laserenergie in das Trägersubstrat und/oder das Prozesssubstrat eingebracht wird. Die zwischen Trägersubstrat und Prozesssubstrat erzeugte Verbindungszone ist regelmäßig transparent, sodass auch ein Substratstapel aus Trägersubstrat und Prozesssubstrat transparent ausgebildet ist.Thus, one embodiment of the invention includes the bonding being performed by applying energy to an interface and/or a boundary region between the carrier substrate and the process substrate. This creates a permanent bond that cannot be removed non-destructively, particularly by creating a bonding zone between the carrier substrate and the process substrate. This fundamentally offers the advantage that no additional means, particularly intermediate layers such as adhesive layers, are required for bonding. The energy is, in particular, radiant energy and preferably laser energy from a laser beam. The energy can be provided via the same energy source that also provides the energy for modifying the material of the carrier substrate and/or the process substrate. Particularly preferably, the bonding within the scope of this embodiment is performed by laser welding. Consequently, the laser energy that acts on the interface between the carrier substrate and the process substrate via a laser beam from a laser source would preferably be provided via the same laser source that also introduces the laser energy used for modification into the carrier substrate and/or the process substrate. The connection zone created between the carrier substrate and the process substrate is regularly transparent, so that a substrate stack consisting of the carrier substrate and the process substrate is also transparent.
In einer anderweitigen, jedoch nicht minder vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird vor dem Verbinden von Trägersubstrat und Prozesssubstrat auf wenigstens eine der zum Verbinden aneinander anliegenden Seiten von Trägersubstrat und Prozesssubstrat zumindest eine dem Verbinden dienende Zwischenschicht aufgebracht. Derart lassen sich Änderungen der Eigenschaften von Trägersubstrat und Prozesssubstrat vermeiden, wie sie beispielsweise bei einem Verbinden durch ein Einwirken von Energie auf die Substrate auftreten können. Im Allgemeinen, insbesondere jedoch im Zusammenhang mit der vorstehenden Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbinden über die Zwischenschicht oder Zwischenschichten durchgeführt wird. Eine Zwischenschicht kann einerseits z. B. eine Klebstoffschicht, insbesondere mit einer vom verwendeten Klebstoff abhängigen Dicke ausgeführt sein, wobei die Klebstoffschicht insbesondere über Siebdruck, Klebstoff-Dispensing, durch Zerstäubung, wie z. B. Sprühen, Spincoating oder schlicht manuell aufbringbar ist. Als Beispiele für verwendbare Klebstoffe seien an dieser Stelle Ein-Komponenten-Klebstoffe oder Zwei-Komponenten-Klebstoffe wie Epoxidharze genannt. Es kommen jedoch auch Fotoresiste als Klebstoffe in Betracht. Die Aushärtung einer Klebstoffschicht kann zudem durch Einwirkung von UV-Strahlung, thermischer Energie und/oder eines Prozessgases wie Sauerstoff respektive chemisch, z. B. radikalisch erfolgen. Ferner besteht die Möglichkeit, dass eine Zwischenschicht eine zum anodischen Bonden ausgelegte Zwischenschicht ist. Mögliche Schichtmaterialien für eine solche zum anodischen Bonden ausgelegte Zwischenschicht sind hierbei Silizium oder Siliziumnitrid, wobei davon abweichende Schichtmaterialien ebenso denkbar sind. Eine weitere Zwischenschicht kann beispielsweise als eine Haftvermittlerschicht ausgebildet sein, welche auf zumindest eine der Seiten der zum Verbinden aneinander anliegenden Seiten von Trägersubstrat und Prozesssubstrat aufgebracht wird. So ist denkbar, dass auch auf beide Seiten zunächst eine Haftvermittlerschicht und anschließend auf zumindest eine dieser Haftvermittlerschichten zumindest eine weitere Zwischenschicht aufgebracht wird. Ferner sei ausgeführt, dass eine solche Zwischenschicht entsprechend über chemische oder physikalische Abscheideverfahren wie CVD, PVD, ALD oder vergleichbare Verfahren aufgebracht werden kann. Grundsätzlich sind je nach Abscheideverfahren Dicken einer Zwischenschicht zwischen 1 Nanometer und 3 Mikrometer realisierbar. Im Speziellen beträgt die Dicke einer einzelnen Zwischenschicht, z. B. einer zum anodischen Bonden ausgelegten Zwischenschicht oder einer Haftvermittlerschicht, dabei insbesondere weniger als 1 Mikrometer, bevorzugt höchstens 300 Nanometer und/oder weniger als 300 Nanometer. Besonders bevorzugt wird eine Zwischenschicht hierbei mit einer Dicke zwischen 150 Nanometern und 200 Nanometern ausgeführt. Je nach Ausführung der Zwischenschicht kann diese transparent oder opak ausgebildet sein, sodass auch ein Substratstapel aus Trägersubstrat und Prozesssubstrat eine transparente oder opake Gestaltung aufweist.In another, but no less advantageous, embodiment of the invention, at least one intermediate layer serving for bonding is applied to at least one of the sides of the carrier substrate and process substrate that abut each other for bonding before the carrier substrate and process substrate are bonded. In this way, changes in the properties of the carrier substrate and process substrate can be avoided, such as those that can occur, for example, during bonding due to the action of energy on the substrates. In general, but particularly in connection with the above embodiment of the invention, it is provided that the bonding is carried out via the intermediate layer or intermediate layers. An intermediate layer can, on the one hand, be an adhesive layer, for example, with a thickness dependent on the adhesive used, wherein the adhesive layer can be applied in particular via screen printing, adhesive dispensing, by atomization, such as spraying, spin coating, or simply manually. Examples of usable adhesives include one-component adhesives or two-component adhesives such as epoxy resins. However, photoresists can also be considered as adhesives. The curing of an adhesive layer can also occur through the action of UV radiation, thermal energy, and/or a process gas such as oxygen, or chemically, e.g., radically. Furthermore, it is possible for an intermediate layer to be an intermediate layer designed for anodic bonding. Possible layer materials for such an intermediate layer designed for anodic bonding are silicon or silicon nitride, although other layer materials are also conceivable. A further intermediate layer can, for example, be formed as an adhesion promoter layer, which is applied to at least one of the sides of the carrier substrate and process substrate that are adjacent to one another for bonding. It is thus conceivable that an adhesion promoter layer is first applied to both sides, and then at least one further intermediate layer is applied to at least one of these adhesion promoter layers. Furthermore, it should be noted that such an intermediate layer can be applied accordingly using chemical or physical deposition processes such as CVD, PVD, ALD, or comparable processes. In principle, depending on the deposition process, intermediate layer thicknesses between 1 nanometer and 3 micrometers are feasible. Specifically, the thickness of a single intermediate layer, e.g., an intermediate layer designed for anodic bonding or an adhesion promoter layer, is in particular less than 1 micrometer, preferably at most 300 nanometers and/or less than 300 nanometers. An intermediate layer is particularly preferably designed with a thickness between 150 nanometers and 200 nanometers. Depending on the design of the intermediate layer, it can be transparent or opaque, so that a substrate stack comprising the carrier substrate and the process substrate also has a transparent or opaque design.
Wie vorstehend erläutert, kann das Verbinden von Prozesssubstrat und Trägersubstrat durch anodisches Bonden unter Verwendung wenigstens einer Zwischenschicht erfolgen. Hierbei können zum anodischen Bonden folgende Prozessparameter angewendet werden:
Neben dem genannten anodischen Bonden besteht ebenso die Möglichkeit, das Verbinden von Prozesssubstrat und Trägersubstrat durch Fusion Bonding, auch als Direct Bonding bekannt, durchzuführen, wobei das Verbinden ohne eine Zwischenschicht erfolgt. Ein solches Fusion Bonding kann hierbei unter Anwendung folgender Prozessparameter durchgeführt werden:
In einer darüber hinaus als gewinnbringend anzusehenden Weiterbildung der Erfindung verbleibt das die Trägerstruktur ausformende Trägersubstrat nach dem Strukturieren dauerhaft am Prozesssubstrat. Indem vermieden wird, das Trägersubstrat nach der Bearbeitung des Prozesssubstrats wieder zu entfernen, kann das Auftreten von Defekten im Prozesssubstrat vorteilhaft reduziert werden. Die beabsichtigte Funktion des Prozesssubstrats lässt sich aufgrund der Strukturierung des Trägersubstrats jedoch auch ohne ein Lösen erzielen. Die aus dem Trägersubstrat geformte Trägerstruktur, beispielsweise ein Rahmen, verleiht dem Prozesssubstrat zudem eine höhere mechanische Belastbarkeit und Stabilität.In a further advantageous development of the invention, the carrier substrate forming the carrier structure remains permanently attached to the process substrate after structuring. By avoiding the need to remove the carrier substrate after processing the process substrate, the occurrence of defects in the process substrate can be advantageously reduced. However, due to the structuring of the carrier substrate, the intended function of the process substrate can also be achieved without detachment. The support structure formed from the carrier substrate, for example, a frame, also imparts greater mechanical resilience and stability to the process substrate.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Substratstapel vorgesehen, welcher insbesondere durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt ist. Der Substratstapel weist dabei ein Trägersubstrat und ein mit dem Trägersubstrat verbundenes und bearbeitetes, hierbei insbesondere strukturiertes Prozesssubstrat auf. Erfindungsgemäß ist aus dem Trägersubstrat durch ein Strukturieren eine Trägerstruktur ausgeformt. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert, resultiert aus dieser Ausgestaltung eine gesteigerte mechanische Belastbarkeit des Prozesssubstrats sowie des Substratstapels insgesamt, was zu einer erhöhten Bruchfestigkeit führt. Dadurch verbessern sich die Transporteigenschaften des Substratstapels. Des Weiteren wird das Auftreten von Defekten im Prozesssubstrat und dem Substratstapel vorteilhaft reduziert. Die vorgesehene Funktion des Prozesssubstrats kann aufgrund der Strukturierung des Trägersubstrats jedoch auch ohne ein erneutes Lösen erreicht werden. Das Trägersubstrat ist dabei in bevorzugter Weise über dessen gesamte Dicke strukturiert, sodass in den strukturierten Bereichen des Trägersubstrats Öffnungen und/oder Durchbrechungen ausgeformt sind.According to the invention, a substrate stack is also provided, which is produced in particular by the method described above. The substrate stack comprises a carrier substrate and a process substrate connected to the carrier substrate and processed, in particular structured, process substrate. According to the invention, a carrier structure is formed from the carrier substrate by structuring. As already explained in connection with the method, this configuration results in increased mechanical load-bearing capacity of the process substrate and the substrate stack as a whole, which leads to increased fracture strength. This improves the transport properties of the substrate stack. Furthermore, the occurrence of defects in the process substrate and the substrate stack is advantageously reduced. However, due to the structuring of the carrier substrate, the intended function of the process substrate can also be achieved without further detachment. The carrier substrate is preferably structured across its entire thickness, so that openings and/or perforations are formed in the structured regions of the carrier substrate.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Substratstapel zudem eine Verbindungszone auf, welche an der Grenzfläche respektive dem Grenzbereich zwischen Trägersubstrat und Prozesssubstrat ausgebildet ist. Dies weiterbildend besteht die Verbindungszone dabei zumindest aus den Materialien des Prozesssubstrats und des Trägersubstrats. Hierdurch wird eine äußerst zuverlässige und zerstörungsfrei nicht mehr lösbare Verbindung von Trägersubstrat und Prozesssubstrat gewährleistet. Aufgrund der Ausbildung der Verbindungszone aus den Materialien von Trägersubstrat, Prozesssubstrat und/oder einer etwaigen Zwischenschicht werden zudem die Eigenschaften dieser Substrate nicht oder lediglich in geringem Maße beeinflusst.In a further development of the invention, the substrate stack further comprises a connection zone formed at the interface or boundary region between the carrier substrate and the process substrate. Further developing this, the connection zone consists of at least the materials of the process substrate and the carrier substrate. This ensures an extremely reliable and non-destructively irreversible connection between the carrier substrate and the process substrate. Furthermore, due to the formation of the connection zone from the materials of the carrier substrate, process substrate, and/or any intermediate layer, the properties of these substrates are not affected or are only slightly affected.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind mehrere davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Aus den
Im Speziellen beschreibt die
In der
Aus der
Darüber hinaus wird das Trägersubstrat 2, wie in den Ausführungsformen der
So zeigen die
Die Ausbildungen der Verfahren der
Das selektive Abtragen des Materials der Bereiche 4 erfolgt dabei in den
Den weiteren
Die
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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