Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik - lzh.de · 4 Anwendungsgebiete der Mikrotechnik • Mikrotechnik beschäftigt sich mit der Bearbeitung von Materialien in kleinen Massstäben

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Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik

Bodo Wojakowski

14.01.2010

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Inhalt

• Einleitung– Mikrotechnik allgemein

–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik

– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik

• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen

– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser

µ-Zahnrad ausSilizium

Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip

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Inhalt

• Einleitung– Mikrotechnik







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Anwendungsgebiete der Mikrotechnik

• Mikrotechnik beschäftigt sich mit der Bearbeitung von Materialien in kleinen Massstäben– Die Strukturgrössen befinden sich im Bereich 0,1-1000µm

• Anwendungsgebiete– Automotive– Medizin– Werkzeugtechnik– Aerospace– Elektronik– Optische Technologien– …

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Methoden der Mikrotechnik

• Galvanik (elektrochemisches Abscheiden)‏• Fotolithographie (mittels Belichtung und Maskentechnik) ‏• herkömmliche Fertigungsverfahren ( Schleifen, Fräsen,

Spanen..) ‏• Ätzen (mit Lösungsmitteln) ‏• Funkenerosion (Entladungsvorgänge zwischen Elektrode

und Werkstück)‏• Liga (Litographie + Galvanik)‏• Lasertechnik

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Inhalt





– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– Ti:Sa Femtosekundenlaser– Excimer Laser



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Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik

• Automotive– Mikrosensorik

• Medizin– LASIK (Hornhautkorrektur)‏– Implantate– Chirurgie

• Werkzeugtechnik– Schneidkantenverrundung– Selektive Materialhärtung– Spanleitstufen

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Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik

• Aerospace– Strukturierung von Turbinenschaufeln– Beschriftung von Kabeln– Mikrobohrungen für Sonnenwindsensoren

• Elektronik– Dünnschichtelektronik– Fügen– Dicing

• Optische Technologien– Strukturierung von Faserendflächen– Gezieltes Abtragen von Glasfasermänteln (Biegesensor)– Schreiben von Wellenleitern (integrierte Optik)

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Inhalt








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Wirkungsprinzip des Lasers

1. Erwärmung der Elektronen im Material

2. Wärmeaustausch Elektronen→Atome

3. Schmelzung4. Verdampfung

Vorteile: berührungslospräzise material-unabhängig

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Voraussetzungen für Mikrobearbeitung

• Kleine Wellenlängen (Abbesches Beugungslimit)– Problem: UV-Licht optisch schwerer handhabbar

• Kurze Pulse (Weniger Wärmeeintrag)• Arbeit nahe der Abtragsschwelle (Verkleinerung der

Abtragszone)– Problem: Pulsstabilität

E

t

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Kurze Pulse

Licht legt die Strecke von• 149.000.000 km (Entfernung Sonne→Erde) in 8,3 min• 384000 km (Entfernung Mond → Erde) in 1 s• 30 cm (Entfernung Buch→Auge) in 1 ns• 0,3 mm (Dicke eines Fingernagels) in 1 ps• 60 µm (Dicke eines Menschenhaars) in 200 fszurück.

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Kurze Pulse

Pulsenergie Q:Q=P/fRP: DauerleistungfR: Repetitionsrate

Pulsspitzenleistung Pp:Pp=Q/TT: Pulslänge

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Kurze Pulse

Beispiel:P=100 mWfR=10 kHzT=10 ps

Q=10 µJPp=10 MW

Nichtlineare Effekte!

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Wirkungsprinzip des Lasers

1. Erwärmung der Elektronen im Material

2. Wärmeaustausch Elektronen→Atome

3. Schmelzung4. Verdampfung

Vorteile: berührungslospräzise material-unabhängig

UltraKurzPuls (UKP)- Lasers

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Photons

Ablation

Energycoupling

Diffusion

Electrons

?

Lattice

Equili-brium

Lattice

Photons

Ablation

Equili-brium

Diffusion

Electrons

ns•Einzel-Photon Absorption•Optische Eindringtiefe:< 1 µm

(UV, Dielektrika)‏•Thermische Diffusion bei tP > 10

ps (Metalle)‏•Schädigung des Gitters

Lattice

Photons

Ablation

Energycoupling

Diffusion

Electrons

fs•Multi-Photon Absorption•Optische Eindringtiefe:

~ 10 - 30 nm• Keine thermische Diffusion•"Kalter Abtrag"

fs ps ns

Bohren von Silizium

Pulslänge und Abtragsmechanismen

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Vorteil der Ultrakurzpuls-Laserstrahlung

τH = 3,3 ns τH = 200 fs

!!

Riß- und schmelzfreier Abtrag Reduzierte Abtragsschwelle

!!

Minimale Wärmeeinflußzonen Hohe Reproduzierbarkeit

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Femtosekunden-Laser: ‚kalter Abtrag‘Exponate

Streichholzkopf

Puzzle

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Inhalt








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Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen

Bohren Strukturieren Schneiden Fügen

ExcimerlaserUltrakurzpulslaser (ps, fs)Nanosekundenlaser

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Inhalt








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Nd:YAG Nanosekunden Laser

Polarisator Laserdioden

λ /4 Scheibe

Teleskop

Strahlteiler Strahlfalle

Strahl-falle

SHG Modul

= 532 nmλ

= 1064 nmλ

Q switch Kristall

SpiegelSpiegel

Wellenlänge Pulsfolgefrequenz Pulsenergie

Pulsdauer Strahlqualität

: = 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm: f = 1000 Hz: Q = 8 mJ (1), 5 (2) ,

‏(4) 1 ,(3) 3: = 10 ns: TEM

τ

p

H

00

Kennwerte & Daten

Pulserzeugung durch Güteschaltung

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Strahlprofil des Festkörperlasers

Gaußförmiges Strahlprofil => Gaußförmiger Abtrag => schiefe Kanten

Nicht geeignet für einen scharfkantigen Abtrag in der Mikrobearbeitung

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Scannerbasierte Bearbeitung

Einzellinse

f-theta Linse

Quelle: LIN

OS

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Faszination LichtWanderausstellung für Schüler

Kugelschreiber

BohneReiskorn

Bleistift

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10µm

Funktionelle Oberflächen

Lotus-Blüte Laserstrukturierte Oberfläche

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Projekt „Laser in der Photovoltaik“

Arbeitspaket:Laserstrukturieren und Bohren von Silicium für neue Hocheffizienzkonzepte

Arbeitspaket:Lasertextur für die Verbesserung der Lichteinkopplung inmultikristalline Silicium-Solarzellen

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Chirurgisches Werkzeug:Anlassbeschriftung mittels Nd:YAG-Laser

Funktionsspezifische KennzeichnungOberflächenbeschaffenheit bleibt erhalten,

Keime können nicht in Beschriftungskerben anhaften

Halogenlampe:Beschriftung von Metall mittels Nd:YAG-Laserim montiertem Zustand durch Glas hindurch

Meßschieber:Gravur von Metall mittels Nd:YAG-Laser20 s BearbeitungszeitHohe Genauigkeitsanforderungen (5 µm auf 150 mm Länge) ‏

Beschriftung: industrielle Applikationen

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Medizin:• Orthopädische Instrumente• Diagnostische Instrumente• Herzschrittmacher• Implantate

Kommerzielle Produkte:• Kugelschreiber• ID / Scheck - Karten• ID-Tags für Nutztiere• Brillengläser

Beschriftung

Beispiel: ROFIN-SINAR Laser GmbH

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[ROFIN]

FestplatteKameraFPC

SchaltgerätArbeitspeicherFFC

[ROFIN]

[FUJIKURA] [FUJIKURA][FUJIKURA]

[TAYCOENG]

Forschung und Entwicklung 2

Mikrofügen mit 1064 nm

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Nun zu den Pulseigenschaften:- Laserhersteller bieten seit den letzten Jahren die Möglichkeit zur Pulsformung. Dies kann

ausgenutzt werden um die Schweißqualität zu verbessern oder auch einige Problematik zu lösen wie z.B. Schweißen durch Fügespaltbildung.

- In dem Bild sehen Sie hier die Ausgangsituation ohne Verbindung. In der Mitte wurde das Bauteil mit einer flachen Pulsform geschweißt. Die Verbindung mit der Bauteilanschlussfläche ist zwar hervorragend, die Metallisierung löst sich jedoch von der Folie.

- Durch Variation der Pulsform ist jedoch eine Verbesserung der Ergebnisse zu erzielen.

© LZH

Einfluss der Pulsform auf die Schweißqualität

Unbearbeitet Beschädigt Gute Schweißung

Forschung und Entwicklung 4

3 dm

id02

_002

JZ3-

DM

ID00

2-06

4

Pulsdauer (%)

Q = 1,8 J

Pulsdauer (%)

Q = 1,8 J

Beschädigung

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Methoden der Charakterisierung

SEM

Polished cross section

Sheartest

3

4

5

6

7

8

9

10

11

500 550 600 650 700 750 800 850

Pulse Peak Power [ W ]

Shea

r For

ce [

N ]

0,60 ms 0,65 ms 0,70 ms 0,75 ms0,80 ms 0,85 ms 0,90 ms

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Projekt „Laser in der Photovoltaik“

Arbeitspaket:Laserfügen für eine kostengünstigere Modulherstellung

Zellverbinder(Kupfer verzinnt/versilbert)‏

Sammelsteg der Emitterelektroden(Silber) ‏

Silicium

Laserstrahlung

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Schneiden und Bohren von Silizium

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Silizium-Wafer

• In der Halbleiterindustrie: elektronische Bauelemente vor allem integrierte Schaltkreise (“Chip“) durch unterschiedliche technische Verfahren hergestellt werden

• 200 µm dicke Silizium Wafer• Anritzen mit Laserstrahlung

Wafer von 2 Zoll bis 8 Zoll

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Inhalt








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Pikosekundenlaser

Pulslänge < 8.5 ps

1064 nm, f 1000 kHz, P: 50 Watt

Pulslänge < 15 ps

1064 nm, f < 60 kHz, P: 8 Watt532 nm, f < 60 kHz, P: 5 Watt

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Riblets für Turbinenschaufeln mit Pikosekundenpulsen

Hergestellte Ribletgeometrien zur Vermessung im WindkanalAktuelle Widerstandverminderung: 7%

Berechnete Idealgeometrie:• Typ. Aspektverhältnis: 0,5Für Luft bei Mach 0,8:• Rippenhöhe: 20µm• Rippenabstand: 40µm

Berechnete Idealgeometrie:• Typ. Aspektverhältnis: 0,5Für Luft bei Mach 0,8:• Rippenhöhe: 20µm• Rippenabstand: 40µm

• Verringerung von Reibungsverlustenan der Schaufeloberfläche (bis 8%) ‏

• Steigerung der Effizienz• Geringere Schaufelverschmutzung• Verminderter Wartungsaufwand

• Verringerung von Reibungsverlustenan der Schaufeloberfläche (bis 8%) ‏

• Steigerung der Effizienz• Geringere Schaufelverschmutzung• Verminderter Wartungsaufwand

• Nd:VAN @ 12ps• 10µJ @ 50kHz• 12 min/cm2

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Verrundung von Werkzeugschneidkanten

Nachbearbeitete, Verrundete KanteGespante Kante

Kantenverrundung mittelsgrüner ps-Laserstrahlung

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Bearbeitung von Polykritallinem Diamant (PKD)

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Laser-Feinstrukturierung von Metall-DünnschichtenPVD-VorbeschichteteFolie

Feinstrukturierte Folie

Metallschicht ~1µm

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Laser-Feinstrukturierung von Metall-Dünnschichten

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Wischer

Bauplattform

Bauplatte

UV- Laserstrahlung(Nd: YAG, 355 nm)‏

Polymeroberfläche

µ-Stereolithographie

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µ-Stereolithographie: Rapid Prototypingaktuelle Ergebnisse

CAD

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µ-Stereolithographie

Struktur CAD Modell Mikro-CT Aufnahme Soll-Ist-Vergleich(grüner=besser)

CT-Bilder von phoenix|x-ray (GE S&I)

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Inhalt





– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– Ti:Sa Femtosekundenlaser– Excimer Laser



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Femtosekundenlaser

• Pulsenergie: 1mJ• Rep.rate: 500kHz• Pulslänge: <500fs

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BK7 Wolfram Tantal

NickelSMA Silizium

Trennen mit FemtosekudenTi:Saphir- Laserstrahlung

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Bohren mit FemtosekundenTi:Saphir- Laserstrahlung

Stahl ZahnDiamant

SuprasilSil izium

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Quelle: Renault

Mikrobearbeitung mit fs-Pulsen

0.15 mm

Bohren von Einspritzdüsen Stents schneiden

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Inhalt








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0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

F2 (157 nm)

ArF (193 nm)

KrF (248 nm)

XeCl (308 nm)

XeF (351 nm)

• Excimer = Exited Dimer• Gaslaser• Dreierstoßkombination:

Photonenenergie der Excimerlaser

Strahlprofil

NeKrFNeFKrKreKre

FFFe

+→++

+→+

+→++−−

−−

*

2

2

Excimer-Laser

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Strahlformung- Festkörperlaser/Excimer -

Bearbeitung

WerkstückFokussierlinse

Abbildungslinse

WerkstückMaske

Fokussierung

Maskenprojektion

Excimer-LaserWellenlänge: λ = 351, 308, 248 und 193 nmPulsenergie: Q = 400, 600, 800 und 500 mJ

Pulsfrequenz : fp = 250 HzX

Nd:YAG-Laser- frequenzkonvertiert -

Wellenlänge: λ = 1064, 532, 355 und 266 nmPulsenergie: Q = 8, 5, 3 und 1 mJ

Pulsfrequenz : fp = 2000 Hz

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Materialabtrag mit Maskenprojektionsverfahren

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Mit Excimerstrahlung beschriftetes Haar

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Anwendungsbeispiele Excimerlaser

Keramik Keramik

Keramik Glas

40 µm

1597

9

100 µm

Glas

300 µm

Kunststoff

20 µm 300 µm

1000 µm

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BK7 (193 nm)‏ BK7 (193 nm)‏ Quarzglas (157 nm) ‏

Glasbearbeitung mit dem Excimerlaser

Mit dem Co2-Laser nachbearbeitet (geglättet)‏

Saphirpyramide

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Industrielle Applikationen II- Kunststoffe -

Kabelbeschriftung mit dem Excimer-Laser

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Zusammenfassung

• Mikrobearbeitung mit Laserstrahlung:• Kurze oder ultrakurze Laserpulse• Niedrige Wellenlängen• Arbeit nahe der Abtragsschwelle

• Excimer: aufwändige Wartung, Maskenabbildung• Festkörperlaser: Gauß Profil, Scannersysteme• Nanosekunden: kompakte Systeme, starker Wärmeeintrag,

hohes Abtragsvolumen• Femtosekunden: kaum Wärmeeinfluß, geringes

Abtragsvolumen• Pikosekundenlaser als Mittelweg

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Aufgaben zur Mikrobearbeitung

• Erläutern Sie das Grundprinzip der Mikrobearbeitung

• Welche Laser sind für die Mikrobearbeitung geeignet (Begründung).

• Erläutern Sie den Einfluss des Strahlprofils auf das Erarbeitungsergebnis.

• Die Mikrobearbeitung mit Excimer-Laserstrahlung erfordert eine besondere Strahlformung. Skizzieren Sie den typischen optischen Aufbau und benennen Sie die einzelnen Bauteile.

• Die Pulsdauer hat entscheidenden Einfluss auf die WechselwirkungLaserstrahl / Materie. In die diesem Zusammenhang wurde der „Kalte Abtrag“ definiert. Erklären Sie die Zusammenhänge und skizzieren Sie ein Bearbeitzugsbeispiel.

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