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, Gallium nitrid und Siliciumcarbid für das nachträgliche Vereinzeln der Bauelemente.

Lasermikrostrukturierung
Lasermikrostrukturierung im FBH-Reinraum

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.

Zur Ausstattung der Laserworkstation gehört auch ein Excimerlaser (GSI Lumonics IPEX-800). 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. Mit dem Excimerlaser kann die Technik des Maskenabbildungsverfahrens eingesetzt werden. Der Maskentisch kann 5"-Cr/Quarz-Masken aufnehmen und das optische System ist insbesonders für die direkte Bearbeitung von Polymeren geeignet.

Fachbeitrag: "UV Laser Processing for Semiconductor Devices", Laser Technik Journal, vol. 5, pp. 26-30 (2013)