Lasermikrostrukturierung

Die Mikrostrukturierung von Materialien mit großer Härte und chemischer Beständigkeit ist mit konventionellen fotolithografischen Prozessen sehr schwierig und nur mit großem Aufwand realisierbar. Hier bietet die direkte Materialstrukturierung mittels hochintensiver Laserstrahlung eine interessante wirtschaftliche Alternative. Das FBH untersucht, wie die Technik der Laserablation sinnvoll in die bestehende Prozesstechnologie integriert werden kann. Im Zusammenhang mit der Herstellung von elektronischen Bauelementen auf Basis von Galliumnitrid ist die Strukturierung der Substratmaterialien Siliciumcarbid und Saphir von besonderem Interesse. Im Mittelpunkt stehen hierbei die Herstellung von Mikro-Bohrungen (Via Holes) in Siliciumcarbid und das Ritzen von Saphir und Siliciumcarbid für das nachträgliche Vereinzeln der Bauelemente.

Für die Untersuchungen steht ein industrielles Laser-Materialbearbeitungssystem zur Verfügung. Die Laserworkstation ILS 500S-Air (InnoLas GmbH) ist ein kundenspezifisch modifiziertes Lasersystem zur Mikrobearbeitung von Materialien in der Elektronik und Halbleiterprozesstechnik. In ihrer Grundausstattung ist sie ausgerüstet mit einem gütegeschalteten UV-Festkörperlaser (Coherent AVIA 355-4500). Bei einer Wellenlänge von 355 nm liefert dieser diodengepumpte 4,5 W-Laser Nanosekunden-Impulse mit Pulsfrequenzen von bis zu 100 kHz.

Die Bewegung des Laserstrahls, der einen Durchmesser von 10-20 µm hat, erfolgt durch Kombination der CNC-gesteuerten Bewegung des Probentisches (Verfahrweg 200x200 mm²) und der Strahlablenkung mit einem Galvo-Scanner (Feldgröße 10x10 mm²). Mit Hilfe einer Bildverarbeitung und eines hochpräzisen luftgelagerten XY-Kreuztisches kann der Laserstrahl mit einer Genauigkeit von ±1 µm in bezug auf vorhandene Strukturen auf dem Werkstück positioniert werden (Poster, Abstract 1). Diese Präzision wird auch erreicht, wenn die Laserstrukturierung auf der Rückseite erfolgt und sich die Justagemarken auf der (unten liegenden) Vorderseite befinden. Hierfür findet ein ringförmiger Vakuumchuck (Hohlchuck) Anwendung (Bild), mit dem es möglich ist, die Justagemarken mit einem Kamerasystem auch von unten zu erfassen.

Die Laserworkstation verfügt über ein schnelles Endpunktdetektorsystem (LTB Lasertechnik Berlin GmbH) zur Unterbrechung der Laserbearbeitung wenn eine Zielschicht erreicht wird. Das System detektiert die optische Emission des laser-induzierten Mikroplasmas und unterbricht die Laserbearbeitung, sobald die Emissionslinie der Zielkomponente im Plasmaspektrum erscheint (Abstract 2). So gelingt es beispielsweise, das Laserbohren von Siliciumcarbid anzuhalten, sobald die Grenzfläche zum Galliumnitrid erreicht wird. Mit dem Plasmadetektor kann der Bohrprozess bei Laser-Impulsfrequenzen von bis zu 20 kHz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserimpulsen abgeschaltet werden.

Die Grundausstattung der Laserworkstation wurde durch einen zweiten Laser, einen Excimerlaser (GSI Lumonics IPEX-800) erweitert. Dieser Laser kann je nach Gasbefüllung bei einer Wellenlänge von 193 nm (ArF) oder 248 nm (KrF) betrieben werden. Die Pulsfrequenz der Nanosekundenimpulse liegt bei maximal 200 Hz. Durch die beiden zusätzlichen Wellenlängen im UV-Bereich und die Technik des Maskenabbildungsverfahrens werden die Variabilität und Einsatzmöglichkeiten der Laserworkstation erheblich vergrößert. Der Maskentisch kann 5"-Cr/Quarz-Masken aufnehmen und das optische System ist insbesondere für die direkte Bearbeitung von Polymeren geeignet.

Fachbeitrag: "Mehr Flexibilität mit Laser-Direktstrukturierung"
Mikroproduktion 2/07