Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik

Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
Bodo Wojakowski
14.01.2010
1
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik allgemein
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
2
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
3
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
– …
4
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
5
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–Methoden der Mikrotechnik
Industrieller Einsatz des Lasers in
der Mikrotechnik
Lasersysteme, Prinzipien und
Anwendungen
–
–
–
–
Nd:YAG Nanosekunden Laser
Nd:YVO4 Picosekundenlaser
Ti:Sa Femtosekundenlaser
Excimer Laser
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
6
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)
8
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
9
Wirkungsprinzip des Lasers
1. Erwärmung der Elektronen im
Material
2. Wärmeaustausch
Elektronen→Atome
3. Schmelzung
4. Verdampfung
Vorteile:
berührungslos
präzise
material-unabhängig
10
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
11
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 fs
zurück.
12
Kurze Pulse
Pulsenergie Q:
Q=P/fR
P: Dauerleistung
fR: Repetitionsrate
Pulsspitzenleistung Pp:
Pp=Q/T
T: Pulslänge
13
Kurze Pulse
Beispiel:
P=100 mW
fR=10 kHz
T=10 ps
Q=10 µJ
Pp=10 MW
Nichtlineare Effekte!
14
Wirkungsprinzip des Lasers
UltraKurzPuls (UKP)- Lasers
1. Erwärmung der Elektronen im
Material
2. Wärmeaustausch
Elektronen→Atome
3. Schmelzung
4. Verdampfung
Vorteile:
berührungslos
präzise
material-unabhängig
15
Pulslänge und Abtragsmechanismen
Bohren von Silizium
ns
ps
fs
•Einzel-Photon Absorption
•Optische Eindringtiefe:< 1 µm
(UV, Dielektrika)‫‏‬
•Thermische Diffusion bei tP > 10
ps (Metalle)‫‏‬
•Schädigung des Gitters
ns
fs
•Multi-Photon Absorption
•Optische Eindringtiefe:
~ 10 - 30 nm
• Keine thermische Diffusion
•"Kalter Abtrag"
Diffusion
Photons
Ablation
Electrons
Energy
coupling
Lattice
Photons
Ablation
Diffusion
?
Electrons
EquiliEnergy
brium
coupling
Lattice
Diffusion
Photons
Ablation
Electrons
Equilibrium
Lattice
16
Vorteil der Ultrakurzpuls-Laserstrahlung
τ H = 3,3 ns
τ H = 200 fs
! Minimale Wärmeeinflußzonen
! Hohe Reproduzierbarkeit
! Riß- und schmelzfreier Abtrag
! Reduzierte Abtragsschwelle
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Femtosekunden-Laser: ‚kalter Abtrag‘
Exponate
Puzzle
Streichholzkopf
18
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
19
Lasersysteme, Prinzipien und
Anwendungen
Bohren
Strukturieren
Nanosekundenlaser
Schneiden
Ultrakurzpulslaser (ps, fs)
Fügen
Excimerlaser
20
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
21
Nd:YAG Nanosekunden Laser
Pulserzeugung durch Güteschaltung
Kennwerte & Daten
Wellenlänge
Pulsfolgefrequenz
Pulsenergie
Pulsdauer
Strahlqualität
Spiegel
: = 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm
: f p= 1000 Hz
: Q = 8 mJ (1), 5 (2) ,
3 (3), 1 (4)‫‏‬
: τ=H10 ns
: TEM 00
Polarisator
Strahlfalle
Laserdioden
Spiegel
λ/4 Scheibe
Q switch
Kristall
λ = 532 nm
Teleskop
SHG Modul
λ = 1064 nm
Strahlteiler
Strahlfalle
22
Strahlprofil des Festkörperlasers
Gaußförmiges Strahlprofil => Gaußförmiger Abtrag => schiefe Kanten
Nicht geeignet für einen scharfkantigen Abtrag in der Mikrobearbeitung
23
Scannerbasierte Bearbeitung
Einzellinse
Quelle: LINOS
f-theta Linse
24
Faszination Licht
Wanderausstellung für Schüler
Kugelschreiber
Bleistift
Reiskorn
Bohne
25
Funktionelle Oberflächen
10µm
Lotus-Blüte
Laserstrukturierte Oberfläche
26
Projekt „Laser in der Photovoltaik“
Arbeitspaket:
Laserstrukturieren und Bohren
von Silicium für neue Hocheffizienzkonzepte
Arbeitspaket:
Lasertextur für die Verbesserung der Lichteinkopplung in
multikristalline Silicium-Solarzellen
27
Beschriftung: industrielle Applikationen
Halogenlampe:
Beschriftung von Metall mittels Nd:YAG-Laser
im montiertem Zustand durch Glas hindurch
Chirurgisches Werkzeug:
Anlassbeschriftung mittels Nd:YAG-Laser
Funktionsspezifische Kennzeichnung
Oberflächenbeschaffenheit bleibt erhalten,
Keime können nicht in Beschriftungskerben
anhaften
Meßschieber:
Gravur von Metall mittels Nd:YAG-Laser
20 s Bearbeitungszeit
Hohe Genauigkeitsanforderungen
(5 µm auf 150 mm Länge)‫‏‬
28
Beschriftung
Medizin:
• Orthopädische Instrumente
• Diagnostische Instrumente
• Herzschrittmacher
• Implantate
Beispiel: ROFIN-SINAR Laser GmbH
Kommerzielle Produkte:
• Kugelschreiber
• ID / Scheck - Karten
• ID-Tags für Nutztiere
• Brillengläser
29
Mikrofügen mit 1064 nm
FPC
Kamera
[FUJIKURA]
[FUJIKURA]
FFC
[TAYCOENG]
Arbeitspeicher
[ROFIN]
Festplatte
[FUJIKURA]
Schaltgerät
[ROFIN]
Forschung und Entwicklung
2
30
Einfluss der Pulsform auf die Schweißqualität
Unbearbeitet
Beschädigt
Gute Schweißung
3dmid02_002
Beschädigung
Pulsdauer (%)
Q = 1,8 J
Pulsdauer (%)
JZ 3-D MID 002-064
Q = 1,8 J
© LZH
Forschung und Entwicklung
4
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.
31
Methoden der Charakterisierung
11
SEM
Shear Force [ N ]
10
Polished cross section
9
8
7
6
5
4
3
500
550
600
650
700
750
800
850
Pulse Peak Power [ W ]
0,60 ms
0,80 ms
0,65 ms
0,85 ms
0,70 ms
0,90 ms
0,75 ms
Sheartest
32
Projekt „Laser in der Photovoltaik“
Arbeitspaket:
Laserfügen für eine kostengünstigere Modulherstellung
Zellverbinder
(Kupfer verzinnt/versilbert)‫‏‬
Sammelsteg der
Emitterelektroden
(Silber)‫‏‬
Laserstrahlung
Silicium
33
Schneiden und Bohren von Silizium
34
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
35
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
36
Pikosekundenlaser
Pulslänge < 15 ps
Pulslänge < 8.5 ps
1064 nm, f < 60 kHz, P: 8 Watt
532 nm, f < 60 kHz, P: 5 Watt
1064 nm, f 1000 kHz, P: 50 Watt
37
Riblets für Turbinenschaufeln mit
Pikosekundenpulsen
••Verringerung
Verringerungvon
vonReibungsverlusten
Reibungsverlusten
an
der
Schaufeloberfläche
an der Schaufeloberfläche(bis
(bis8%)‫‏‬
8%)‫‏‬
••Steigerung
Steigerungder
derEffizienz
Effizienz
••Geringere
Schaufelverschmutzung
Geringere Schaufelverschmutzung
••Verminderter
VerminderterWartungsaufwand
Wartungsaufwand
• Nd:VAN @ 12ps
• 10µJ @ 50kHz
• 12 min/cm2
Berechnete
BerechneteIdealgeometrie:
Idealgeometrie:
••Typ.
Aspektverhältnis:
Typ. Aspektverhältnis:0,5
0,5
Für
Luft
bei
Mach
0,8:
Für Luft bei Mach 0,8:
••Rippenhöhe:
Rippenhöhe:20µm
20µm
••Rippenabstand:
Rippenabstand:40µm
40µm
Hergestellte Ribletgeometrien zur Vermessung im Windkanal
Aktuelle Widerstandverminderung: 7%
38
Verrundung von Werkzeugschneidkanten
Kantenverrundung mittels
grüner ps-Laserstrahlung
Gespante Kante
Nachbearbeitete, Verrundete Kante
39
Bearbeitung von Polykritallinem Diamant
(PKD)
40
Laser-Feinstrukturierung von MetallDünnschichten
PVD-Vorbeschichtete
Folie
Feinstrukturierte Folie
Metallschicht ~1µm
41
Laser-Feinstrukturierung von MetallDünnschichten
42
µ-Stereolithographie
Bauplatte
Wischer
UV- Laserstrahlung
(Nd: YAG, 355 nm)‫‏‬
Polymeroberfläche
Bauplattform
43
µ-Stereolithographie: Rapid Prototyping
aktuelle Ergebnisse
CAD
44
µ-Stereolithographie
Struktur
CAD Modell
Mikro-CT Aufnahme
Soll-Ist-Vergleich
(grüner=besser)
CT-Bilder von phoenix|x-ray (GE S&I)
45
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–Methoden der Mikrotechnik
Industrieller Einsatz des Lasers in der
Mikrotechnik
Lasersysteme, Prinzipien und
Anwendungen
–
–
–
–
Nd:YAG Nanosekunden Laser
Nd:YVO4 Picosekundenlaser
Ti:Sa Femtosekundenlaser
Excimer Laser
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
46
Femtosekundenlaser
• Pulsenergie: 1mJ
• Rep.rate: 500kHz
• Pulslänge: <500fs
47
Trennen mit Femtosekuden
Ti:Saphir- Laserstrahlung
BK7
Wolfram
Tant al
SMA
Nickel
Silizium
48
Bohren mit Femtosekunden
Ti:Saphir- Laserstrahlung
Diamant
Zahn
Stahl
Silizium
Suprasil
49
Mikrobearbeitung mit fs-Pulsen
Stents schneiden
Bohren von Einspritzdüsen
Quelle: Renault
0.15 mm
50
Inhalt
•
Einleitung
–
–
•
µ-Zahnrad aus
Silizium
Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete der
Mikrotechnik
–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
Mit Laserstrahlung gefügter
Elektronikchip
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Excimer-Laser
• Excimer = Exited Dimer
• Gaslaser
• Dreierstoßkombination:
−
−
e + F2 → F + F
−
−
+
e + Kr → 2e + Kr
Kr + F + Ne → KrF* + Ne
XeF (351 nm)
XeCl (308 nm)
KrF (248 nm)
ArF (193 nm)
Strahlprofil
F2 (157 nm)
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
Photonenenergie der Excimerlaser
52
Strahlformung
- Festkörperlaser/Excimer -
Fokussierung
Bearbeitung
Fokussierlinse
Werkstück
Nd:YAG-Laser
- frequenzkonvertiert Wellenlänge: λ = 1064, 532, 355 und 266 nm
Pulsenergie: Q = 8, 5, 3 und 1 mJ
Pulsfrequenz : fp = 2000 Hz
Maskenprojektion
Abbildungslinse
Maske
Werkstück
Excimer-Laser
Wellenlänge: λ = 351, 308, 248 und 193 nm
Pulsenergie: Q = 400, 600, 800 und 500 mJ
Pulsfrequenz : fp = 250 HzX
53
Materialabtrag mit
Maskenprojektionsverfahren
54
Mit Excimerstrahlung beschriftetes Haar
55
Anwendungsbeispiele Excimerlaser
Keramik
Kerami k
15979
Kunststoff
100 µ m
Glas
300 µm
1000 µm
Keramik
20 µm
40 µm
Glas
300 µm
56
Glasbearbeitung mit dem Excimerlaser
BK7 (193 nm)‫‏‬
BK7 (193 nm)‫‏‬
Quarzglas (157 nm)‫‏‬
Mit dem Co2-Laser
nachbearbeitet (geglättet)‫‏‬
Saphirpyramide
57
Industrielle Applikationen II
- Kunststoffe -
Kabelbeschriftung mit
dem Excimer-Laser
58
59
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
60
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 Wechselwirkung
Laserstrahl / Materie. In die diesem Zusammenhang wurde der „Kalte
Abtrag“ definiert. Erklären Sie die Zusammenhänge und skizzieren Sie
ein Bearbeitzugsbeispiel.
61