Direct bonding of wafers on non-planar optical substrates and bonding energy measurement via the novel κ-method
In this thesis, the novel concept of direct bonding of wafers on non-planar substrates – in particular, convex cylindrical and convex spherical substrates – is explored, challenging the paradigm that direct bonding requires both surfaces to be highly planar. The motivation stems from the desire to combine advanced diffractive optical elements (DOEs) – which can lithographically only be written into planar substrates – with optical lenses in order to obtain new optical functionalities. As part of this effort, mathematical models to predict complete area stable contacting success are developed and the mechanical stressed bonding interface is investigated through time-resolved contact front propagation experiments. Also, a novel, highly accurate method for measuring the bonding energy in non-planar interfaces is introduced. It was found that direct bonding success can be predicted for a large range of use cases as a function of the wafer’s and the substrate’s geometry. Also, it was discovered that the bonding energy of a mechanically stressed interface stabilizes at a consistent level regardless of the surface waviness. A reaction kinetics model for explaining this phenomenon has been proposed. A demonstrator combining an optical lens and a DOE is manufactured to showcase the potential of direct bonding of wafers on non-planar substrates for the field of advanced optics.
Diese Arbeit befasst sich mit dem neuartigen Konzept des direkten Fügens von Wafern auf nicht-planare – insbesondere konvexe zylindrische und konvexe sphärische – Substrate. Es wird das Paradigma in Frage gestellt, dass das direkte Fügen eine hohe Planarität beider Oberflächen erfordere. Motiviert wird diese Arbeit durch die Idee, fortschrittliche diffraktive optische Elemente (DOEs) – die lithografisch nur in planare Substrate eingeschrieben werden können – mit optischen Linsen zu kombinieren, um neue optische Funktionalitäten zu erhalten. Es wurden mathematische Modelle zur Vorhersage einer vollflächigen, stabilen Fügeverbindung entwickelt und mechanisch vorgespannte Grenzflächen durch zeitaufgelöste Kontaktfrontausbreitungsexperimente untersucht. Zudem wurde eine neuartige, sehr genaue Methode zur Messung der Fügeenergie nicht-planarer Grenzflächen eingeführt. Es wurde herausgefunden, dass für eine Vielzahl von Anwendungsfällen vorhergesagt werden kann, ob Fügen als Funktion von Wafer- und Substrat-Geometrie möglich ist. Außerdem, dass sich die Fügeenergie mechanisch vorgespannter Grenzflächen auf dem gleichen Niveau stabilisiert – unabhängig von der Oberflächenwelligkeit. Zur Erklärung dieses Phänomens wurde ein reaktionskinetisches Modell vorgestellt. Ein Demonstrator, der eine optische Linse mit einem DOE kombiniert, wurde hergestellt, um das Potential des direkten Fügens von Wafern auf nicht-planare Substrate für die moderne Optik aufzuzeigen.
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