Development of conductive waferbond processes for microfabricated 3D-glass-ion-traps

Abstract

Optische Ionenuhren zählen zu den präzisesten heute verfügbaren Frequenzstandards und spielen eine Schlüsselrolle in Anwendungen wie hochpräziser Metrologie und zukünftigen Navigationssystemen. Mikrostrukturierte dreidimensionale (3D) Glas-Ionenfallen stellen einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung kompakter, skalierbarer und präziser Ionenuhrysteme dar. Eine zentrale technologische Herausfoderung bei ihrer Herstellung ist die Realisierung elektrisch leitfähiger Waferbondprozesse, die sowohl eine hohe mechanischeStabilität als auch einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand gewährleistenund gleichzeitig mit der Waferprozessierung von Glasssubstraten kompatibel sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei leitfähige Waferbondverfahren für die Herstellung mikrostrukturierter 3D-Glas-Ionenfallen untersucht: ein AuSi eutektischer Bond, ein AuAu Thermokompressionsbond, sowie ein hybrider Glass-Al-Bondprozess, der anodisches Bonden von Borosilikatglas auf Al mit gleichzeitigem AlAl Thermokompressionsbonden kombiniert. Zur Untersuchung des Einflusses von Prozessparametern wie Bondtemperatur, Bonddruck,Bonddauer und Schichtaufbau auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Bondflächen wurden spezielle Teststrukturen entwickelt und gefertigt. Die Charakterisierung der Bondverbindungen erfolgte mittels optischer Mikroskopie, Raster-Ultraschallmikroskopie, Querschnitts-Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie(EDS), Die-Shear-Tests sowie elektrischer Vierpunktmessungen. Der optimierte AuSi-Eutektikbondprozess erzielte mit durchschnittlichen Die-Shear-Festigkeiten von bis zu 67.1MPa die höchste mechanische Festigkeit. Querschnitts-REM und EDS-Analysen bestätigten die Bildung einer eutektischen Phase an der Bondfläche. Darüber hinaus zeigte sich, dass ein Ti/Au-Schichtsystem auf aSi einen zuverlässigen Bond ohne zusätzliche Oberflächenvorbehandlungen ermöglicht. Das AuAu-Thermokompressionsbonden führte zu homogenen Bondflächen mit durchschnittlichen Die-Shear-Festigkeiten von bis zu 50MPa sowie spezifischen Kontaktwiderständen in der Größenordnung von 10−7 Ωcm2. Mit dem hybriden Glass-Al-Bondprozess konnte die gleichzeitige Realisierung eines anodischen Bonds zwischen Borosilikatglas und Aluminium sowie eines leitfähigen AlAl-Thermokompressionbond erfolgreich demonstriert werden. Obwohl die elektrische Charakterisierung der gebondeten Aluminumschnittstelle aufgrund der Bildung einer nativen Oxidschicht sowie der verwendeten Teststrukturen beschränkt war, deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der intrinsische Kontaktwiderstand deutlich unter der experimentell bestimmten oberen Grenzevon 10−5 Ωcm2 liegt. Insgesamt wurden in dieser Arbeit drei leitfähige Waferbondtechnologien für die Herstellung mikrostrukturierter 3D-Glas-Ionenfallen entwickelt und miteinander verglichen. Alle untersuchten Bondverfahren weisen mechanische und elektrische Eigenschaften auf, die ihre Integration in zukünftige mikrostrukturierte 3D-Glas-Ionenfallen für optische Ionenuhren ermöglichen. Die entwickelten Bondprozesse bilden damit eine technologische Grundlage für die Realisierung mikrostrukturierter, Glas-3D-Ionenfallen und leisten einen Beitrag zur skalierbaren Herstellung zukünftiger Quantensensoren und optischer Frequenzstandards.

Optical ion clocks represent one of the most precise frequency standards available today and play a key role in applications such as ultra-precise metrology and next-generation navigation systems. Microfabricated three-dimensional (3D) glass ion traps offer a promising route towards compact, scalable and precise ion clock systems. A key technological challenge in their fabrication is the realization of electrically conductive wafer bonds that provide high mechanical stability, low electrical contact resistance and compatibility with wafer-level processing of glass substrates. This thesis investigates three conductive wafer bonding approaches for the fabrication of microfabricated 3D glass ion traps: AuSi eutectic bonding, AuAu thermocompression bonding and a hybrid Glass-Al bonding process combining anodic borosilicate glass to Al bonding with simultaneous AlAl thermocompression bonding. Dedicated test structures were designed and fabricated to evaluate the influence of process parameters, including bonding temperature, pressure, duration and layer stack, on the mechanical and electrical performance of the bonded interfaces. The resulting bonds were characterized by optical microscopy, scanning acoustic microscopy (SAM), cross-sectional scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), die-shear testing and electrical four-point probe measurements. The optimized AuSi eutectic bonding process achieved the highest mechanical bond strength, with average die-shear strengths of up to 67.1MPa. Cross-sectional SEM and EDS analysis confirmed the formation of the eutectic phase, while the investigated metallization schemes demonstrated that a Ti/Au stack on aSi enables reliable eutectic bond formation without additional surface pretreatment. AuAu thermocompression bonding produced homogeneousbond interfaces with average die-shear strengths of up to 50MPa and specific contact resistances on the order of 10−7 Ωcm2. The hybrid Glass-Al bonding process successfully demonstrated the simultaneous realization of anodic bonding between borosilicate glass and aluminum and conductive AlAl thermocompression bonding. Although the electrical characterization of the bonded Al interface was limited by native oxide formation and the employed test structures, the obtained results indicate that the intrinsic contact resistance is significantly lower than the experimentally determined upper limit of 10−5 Ωcm2. Overall, this work establishes and compares three conductive wafer bonding techniques for the fabrication of microfabricated 3D glass ion traps. All investigated bonding approaches demonstrated characteristics suitable for future device integration, while AuSi eutectic bonding, AuAu thermocompression bonding and the hybrid Glass-Al bonding process each offer distinct advantages depending on the requirements of the intended device architecture. The developed bonding processes provide a technological foundation for the realization of electrically interconnected glass-based ion traps and contribute towards scalable fabrication of future quantum sensing and optical frequency metrology systems.