Glas in der Mikrotechnik

Transcrição

Autor/-in/-en:
Ulrike Brokmann, Dagmar Hülsenberg
TU Ilmenau, Fachgebiet Glas- und Keramiktechnologie
Mike Stubenrauch, Martin Hoffmann
TU Ilmenau, Fachgebiet Mikromechanische Systeme
Layout: Ilona Hirt
TU Ilmenau, Fachgebiet Mikromechanische Systeme
Juni 2006
©
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Erarbeitet im Rahmen des Projektes „Microteaching – Modulare Lehr- und Lernangebote für eine zeitnahe,
bedarfsgerechte und gezielte Weiterbildung“ im Rahmen des EU-Programms LEONARDO DA VINCI,
Laufzeit 2004 - 2007
Gefördert aus Mitteln der EU
Koordinator des Teilprojektes in Thüringen:
BWAW Bildungswerk für berufsbezogene Aus- und Weiterbildung Thüringen gGmbH
Peter-Cornelius-Straße 12, 99096 Erfurt; Tel: 0361 601460; Fax: 0361 6014612; E-Mail: [email protected]
Inhalt
Werkstoffliche Grundlagen
•Charakteristik des Glaszustandes
•Struktur der Gläser
•Herstellung
•Ausgewählte Formgebungsverfahren
•Spezifikationen
Ausgewählte Oberflächenmodifizierungen
•Reinigung
•Beschichtung
•Ionenaustausch
Mikrostrukturierung
•Nasschemisches Ätzen
•Trockenätzverfahren
•Mechanische Verfahren
•Laserbearbeitung
•Fotostrukturierung
Fügen
•Thermisches Bonden
•Mikrogalvanik
Inhalt
Grundlagen
Oberflächenmodifizierungen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Werkstoffliche Grundlagen
Charakteristik des Glaszustandes
Struktur der Gläser
Herstellung
Ausgewählte Formgebungsverfahren
Spezifikationen
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Glas ist ein nichtkristalliner Festkörper obwohl seine Struktur der einer Flüssigkeit ähnelt. In einer
vereinfachten Vorstellung bilden die Glasbildner (meist SiO2) ein regellos zusammenhängendes
Netzwerk, in dessen Lücken die anderen Inhaltsstoffe (Netzwerkwandler) eingebaut sind.
Die Glasherstellung ist dadurch gekennzeichnet, dass die kristalline Struktur eines Rohstoffs durch
Eintrag von Energie zerstört wird. Unter der Glasbildung versteht man einen kinetisch kontrollierten
Prozess, bei dem eine Schmelze, verbunden mit einer Zunahme der Viskosität, schnell abkühlt,
ohne zu kristallisieren.
Im Gegensatz zu kristallinen Stoffen, bei denen eine sprunghafte Änderung der Viskosität und auch
aller anderen Eigenschaften bei der Schmelztemperatur eintritt, ist bei Gläsern der Übergang vom
festen in den flüssigen Zustand (und umgekehrt) allmählich. Im Transformationsbereich liegen
viskoses Fließen und spröd-elastisches Verhalten gleichberechtigt nebeneinander vor. Im
Transformationsbereich ändern sich die Eigenschaften schneller als bei Temperaturen außerhalb
dieses Bereiches.
Die Herstellungsstufen von Glas lassen sich eindeutig Viskositätsbereichen zuordnen. Diese sind
glasunabhängig. Jedoch die zugehörigen Temperaturen und Intervallbreiten ändern sich in
Abhängigkeit von der Glaszusammensetzung.
Temperaturabhängigkeit des spezifischen Volumens beim Übergang einer
Schmelze zu einem Festkörper
Viskositäts-Temperatur-Verlauf
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beispiel:
Temperaturabhängigkeit des spezifischen Volumens beim Übergang einer Schmelze zu einem
Festkörper
Amorphe Erstarrung einer Schmelze:
Mit Abnahme der Temperatur erfolgt bei TS
(Schmelztemperatur) keine Kristallisation. Bei weiterer
Temperaturverringerung „unterkühlt“ die Schmelze.
Der gestrichelte Bereich kennzeichnet metastabile
thermodynamische Gleichgewichtszustände bis zu
einer Temperatur Tg (Transformationstemperatur), ab
der die Kurve parallel zu der des chemisch gleich
zusammengesetzten Kristalls verläuft. Die Schmelze
geht in den mechanisch festen Glaszustand über.
Ursache ist die steigende Viskosität beim Abkühlen.
Dadurch erfolgt die Einstellung der zu jeder
Temperatur gehörenden Flüssigkeitsstruktur mit dem
Ziel der Gleichgewichtseinstellung immer langsamer.
Ab Tg ist dies bei kontinuierlicher Abkühlung nicht
mehr möglich. Die unterkühlte Schmelze geht in den
Glaszustand über.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Die Viskosität oder innere Reibung
stellt eine Stoffeigenschaft dar. Sie
kennzeichnet das Verhalten eines
Stoffes im stationären Zustand, bei
Glas bei Raumtemperatur
Einwirkung einer konstanten Kraft
lg η = 18 bis 19
eine
konstante
Verformungsgeschwindigkeit aufzuweisen. Die
Transformationsbereich (Kühlbereich)
bevorzugt verwendete Einheit der
Lg η = 14,7 Unterer Kühlpunkt
dynamischen Viskosität ist nach
Lg η = 13,3 Transformationspunkt
DIN ISO 7884 dPa*s.
Lg η = 13,2 Oberer Kühlpunkt
Die Viskosität der Gläser ist von
deren
chemischer
ZusammenVerarbeitungsbereich (Pressen, Ziehen, Blasen...)
setzung abhängig. Einen starken
lg η = 7,6 Erweichungspunkt (Littletonpunkt)
Einfluss auf die Viskosität übt die
lg η = 4 Verarbeitungspunkt
Temperatur aus. Die entsprechenden Viskositäts-Temperatur-Kurven
Schmelz- und Läuterbereich
lg η = 1 – 2 Verarbeitung durch Gießen der Gläser besitzen einen grundsätzlich gleichen und charakteristiT [°C]
schen Verlauf .
Beispiel: Viskositäts-Temperatur-Verlauf
lg η
(η in dPas)
16
12
8
4
0
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Chemische Stoffe mit der Fähigkeit zur Netzwerkbildung heißen Glasbildner. In anorganischen
Verbindungen sind dies hauptsächlich die Oxide des Si, B, P, Ge und As.
O-
Der vierfach negativ geladene SiO4-Tetraeder ist der grundlegende
netzwerkbildende Baustein aller wirtschaftlich bedeutenden Silikatgläser
Si
Die amorphe Struktur eines Silikatglases ist durch ein ausschließlich
nahgeordnetes Netzwerk bestehend aus SiO4-Tetraedern
gekennzeichnet, zwischen denen die Fernordnung fehlt.
Beispiel: Kieselglas (SiO2)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Der Einbau von Metalloxiden, z.B. in Form von Alkali- und Erdalkalioxiden, in ein SiO2 Netzwerk führt zu
unterschiedlichen Bindungszuständen der Sauerstoffionen. Die Silizium-Sauerstoff-Tetraeder sind über
Sauerstoffbrücken miteinander verbunden und bilden das Netzwerk. Der Einbau von Netzwerkwandlerionen führt zur Ausbildung von Trennstellensauerstoffionen.
Netzwerkwandlerion
Wirkung der Netzwerkwandler:
Trennstellensauerstoff
- Auflockerung des Netzwerkes
- Verminderung der Härte, Festigkeit und
Erweichungstemperatur
- Erhöhung der thermischen Dehnung
- Zweiwertig positiv geladene Netzwerkwandler
beeinflussen Grundstruktur weniger stark als einwertig
positive geladene
- Große Kationen weiten die Struktur stärker auf,
sind aber selbst nicht so beweglich.
Brückensauerstoff
Netzwerkbildnerion
Bsp.: Natriumsilikatglas
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
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Literatur
Glasarten:
Die Einteilung der Gläser erfolgt u.a. nach dem chemischen Grundcharakter.
Oxidische Ein- und Mehrkomponentengläser (Kieselglas, Boratglas, Phosphatglas)
Nichtoxidische und nichtsilikatische Gläser (Fluoridglas, Chalkogenidglas)
Silikatgläser (Alkali-Erdalkali-Silikatglas, Borosilikatglas, Bleisilikatglas)
Inhalt
reines Silikatglas
SiO2
Zweikomponenten-Glas:
SiO2 + Alkali- oder Erdalkalioxid
Alkalioxide: Li2O, Na2O, K2O,...
Erdalkalioxide: MgO, CaO, BaO,...
Mehrkomponentenglas:
Alkali-Erdalkali-Silikatglas
Alkali- und Erdalkalioxide wie bei Zweikomponentenglas
zusätzlich können noch enthalten sein: Al2O3, B2O3,
PbO, ZnO, As2O3, TiO2, Sb2O3, ZrO2, FeO, La2O3,
CeO2, CdO, u.s.w.
Grundlagen
Mikrostrukturierung
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Literatur
Herstellung
Glasrohstoffe
Scherben
Gemengeaufbereitung
Eigenscherben,
Fremdscherben aus Recycling
Sand, Soda, Pottasche,
Kalk, Dolomit, ...
Glasschmelze
Ziehen
Blasen
Pressen
Floaten
Gießen
Walzen
Schleudern
Kühlen
Schneiden, Bedrucken, Schleifen, Gravieren, Polieren, Ätzen, Verschmelzen,
Bohren, Biegen, Verspiegeln, Beschichten, Facettieren
•Rohre
•Stäbe
•Flachglas
•Fasern
Inhalt
•Flaschen
•Kristallglas
•Gläser
•Wirtschaftsglas
•Laborglas
•Brillenglas
•Lampenglas
•Kristallglas
•Wirtschaftsglas
Grundlagen
•Flachglas
•opt. Gläser
•Fensterscheiben •Teleskop•Autoscheiben
Spiegel
•Spiegel
•Möbelglas
Mikrostrukturierung
•Profilglas
•Bildschirme
•Ornamentglas •Glaswolle
•Drahtglas
•Glasfasern
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Literatur
Float-Verfahren
Das Float-Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Flachglas und stellt eine Kombination
aus Ziehen und Fließen dar.
Es kann zur Herstellung von Substraten für Anwendungen in der Mikrotechnik eingesetzt werden.
Beim „Floaten“ fließt das Glas aus der Schmelzwanne über einen Lippenstein bei ca. 1000°C auf ein
Bad aus flüssigem Zinn auf, breitet sich auf diesem aus und erhält die gewünschte Feuerpolitur. Das
Glasband kühlt sich kontinuierlich auf 600°C ab, wird vom Zinnbad abgehoben und dem Kühlofen
zugeführt.
Typische Dicken liegen im Bereich 3-5mm.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
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Literatur
Top-Rolling
Das Top-Rolling ist eine Erweiterung des Float-Verfahrens mit einer größeren Variationsbreite an
herstellbaren Glasdicken (0,7-18mm).
Die Einstellung der Glasdicke erfolgt über die Stauchung oder den Verzug des Glasbandes auf dem
Zinnbad durch die definierte Winkelstellung der Top-Roller.
Die hohe Qualität der Oberflächen und die geringen erzielbaren Dicken ermöglichen oft einen direkten
Einsatz der Glasplatten für die Mikrotechnik (z.B. Borosilikatglas: Borofloat von Schott Jena)
Problematisch im mikrotechnischen Sinne sind die hohen Schmelzleistungen der Anlagen (bis zu 800
Tonnen pro Tag), so dass ein Einsatz für Spezialgläser ausscheidet.
Darüber hinaus muss das Zinnbad unter stark reduzierender Atmosphäre gefahren werden, wodurch
Gläser mit Reduktionsempfindlichkeit nicht hergestellt werden können.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Down-Draw Verfahren
Schmelzaggregat
Arbeitswanne
Das Down-Draw Verfahren ist ein sehr modernes
Verfahren, das zur direkten Herstellung von Dünnglas
angewendet wird.
Bei diesem Verfahren wird das Glas aus der Arbeitswanne
nach unten über eine Auslaufdüse abgezogen.
Entsprechend dieser Vorgehensweise resultieren höchste
Anforderungen an die Homogenität der Schmelze und der
Temperatur insbesondere im Bereich der Ziehdüse.
Ziehdüse
Die herstellbaren Glasdicken liegen im Bereich
0,03 – 3,5mm.
Glasabzug
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Fusion-Down-Draw Verfahren
Das Fusion-Down-Draw Verfahren ist ebenfalls ein
Verfahren zur Herstellung extrem dünner Glasplatten.
Es ist dadurch gekennzeichnet, dass das Glas aus der
Arbeitswanne in eine Überlaufrinne fließt, die beidseitig
vom Glas umflossen wird. Das Glasband wird dann nach
unten abgezogen.
Da die Formgebung der Oberfläche ohne Werkzeug
erfolgt, ist die Oberflächengüte der Glasplatten extrem
hoch.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Nachverziehen von Glasplatten
Glasplatte (2-4mm dick)
Elektrisch
beheizter Ofen
Verzogenes Glasband
Abzugseinrichtung
Inhalt
Grundlagen
Beim Nachverziehen von Flachglas zur Herstellung von
Dünnglas wird eine Glasscheibe von oben einem Ofen
zugeführt und in diesem bis zur Viskosität, die ein
Umformen gestattet, erwärmt.
Von unten
abgezogen.
wird
mit
größerer
Geschwindigkeit
Die Glasdicke stellt sich in Abhängigkeit von Vorschub
und Abziehgeschwindigkeit ein. Es sind Glasdicken
kleiner als 100µm möglich.
Das gleiche Verfahren kann zum Nachverziehen von
runden oder profilierten Glashalbzeugen eingesetzt
werden.
Mikrostrukturierung
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Literatur
Spezifikationen
Für die Mikrotechnik sind aus Sicht der Anpassung thermischer Ausdehnungskoeffizienten,
Temperaturstabilität von Eigenschaften und verfügbarer Mikrostrukturierungstechniken Kieselglas,
Borosilikatgläser und fotostrukturierbare Spezialgläser von Bedeutung.
Kieselglas ist ein Einkomponentenglas bestehend aus SiO2. Die technische Bedeutung beruht vor allem
auf der geringen thermischen Dehnung, der hohen Temperaturbelastbarkeit (bis 1000°C) und der extremen
UV-Durchlässigkeit.
Borosilikatgläser zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen gegenüber anderen Silikatgläsern erhöhten
Anteil SiO2 sowie bis zu 13 Masse% B2O3 besitzen. Charakteristisch ist eine hohe Beständigkeit gegen
chemische Einwirkungen und Temperaturunterschiede. Deshalb finden sie überwiegend Anwendung in
Bereichen der chemischen und pharmazeutischen Industrie oder als „feuerfestes“ Geschirr. Die
Variationsbreite der chemischen Zusammensetzung ist sehr groß. Maßgeblich eigenschaftsbestimmend ist,
wie die für die Glasschmelze geeigneten Borverbindungen mit den anderen Metalloxiden kombiniert sind.
Fotostrukturierbare Spezialgläser gehören zur Gruppe der dotierten Lithium-Aluminium-Silikatgläser. Sie
zeichnen sich dadurch aus, dass sie infolge einer maskierten UV-Bestrahlung und anschließenden
thermischen Behandlung basierend auf heterogener Keimbildung an den belichteten Bereichen partiell
kristallisieren. Die kristallisierten Bereiche besitzen in verdünnter Flusssäure eine erhöhte Löslichkeit,
sodass das Glas geometrisch mikrostrukturierbar ist. Kommerzielle einschlägige Gläser sind FOTURAN
(Fa. Schott, Deutschland), PEG3 (Fa. Hoya, Japan) und FOTOFORM (Fa. Corning, USA, Produktion 1997
eingestellt). Am Fachgebiet für Glas- und Keramiktechnologie der TU Ilmenau wird zu Forschungszwecken
mit einem eigens entwickelten fotostrukturierbaren Glas FS21 gearbeitet.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Spezifikationen
Typische Glaszusammensetzungen Borosilikatgläser
Komponente
Gew.%
SiO2
70 – 80
B2O3
7 – 13
Na2O, K2O
4–8
Al2O3
2–7
Weitere mögliche Oxide zur
Eigenschaftsanpassung
(chemische Stabilität,
thermische Ausdehnung etc.)
Inhalt
Grundlagen
ZnO, TiO2, Sb2O3
BaO, As2O3
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Spezifikationen
Typische Glaszusammensetzungen Fotostrukturierbare Gläser
Masse %
SiO2
Li2O
Na2O
K2 O
Al2O3
ZnO
Ag2O
SnO
Sb2O3
CeO2
Inhalt
Grundlagen
Foturan
79,1
9,6
1,7
3,69
4,16
1,01
0,06
< 0,01
0,51
0,03
PEG3
80,3
10,4
< 0,1
3,57
4,82
0,49
0,01
< 0,01
0,23
0,01
FS21
74,29
11,61
2,74
4,16
7,2
0
0,12
0,07
0,4
0,03
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Spezifikationen
Eigenschaftsvergleich
Eigenschaft
Kieselglas
Borosilikatgläser
Fotostrukturierbare Gläser
1100°C
430 ≤ Tg ≤ 745
450 ≤ Tg ≤ 465
Thermischer Ausdehnungskoeffizient α
[10-6 K- 1]
0,55
3,1 ≤ α ≤ 4,1
8,4 ≤ α ≤ 10,6
Dichte ζ [g/cm³]
(25°C)
2,2
2,12 ≤ ζ ≤ 2,57
2, 34 ≤ ζ ≤ 2,37
E-Modul [kN/mm2]
66
44 ≤ E ≤ 79
74 ≤ E ≤ 81
Wasserbeständigkeit
1
1 bis 3
5
Säurebeständigkeit
1
1 bis 4
2
Laugenbeständigkeit
1
1 bis 3
2
nd
1,458
1,466 ≤ nd ≤ 1,534
1,511 ≤ nd ≤ 1,522
Dielektrizitätszahl ε
(1MHz, 25°C)
3,78
4,3 ≤ ε ≤ 6,1
~ 6,5
Tκ100 [°C]
600
215 ≤ Tκ100 ≤ 585
~ 134
Transformationstemperatur Tg [°C]
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Ausgewählte Oberflächenmodifizierungen
Reinigung
Beschichtung
Ionenaustausch
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Reinigung
Ziele
Ursachen / Anwendung
Entfernung von lose anhaftenden Teilchen
Staub, Reste vom Polierprozess
Entfernung von fest anhaftenden Substanzen
als Folge des Polierprozesses
Kitte, Lacke, abgeschiedene chemische
Verbindungen, Korrosionsprodukte
Herstellung von Oberflächen mit gewünschter
optischer Qualität
gute Transparenz
Herstellung von Oberflächen mit guten
Hafteigenschaften
Korrosionsschutz, Verspiegelung, Reflexionsund Antireflexionsschichten, Verwendung als
Substratmaterial
Schutzfunktion zur Vermeidung einer
fortschreitenden Oberflächenkorrosion
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Reinigung
Problem:
In der Regel unbekannte Zusammensetzung der Oberflächenverunreinigung
Möglichkeiten:
1. Chemische Auflösung der Verunreinigung ohne Glasangriff
2. gleichmäßige Auflösung der Glasoberfläche, Verunreinigungen werden
mit weggeschwemmt
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Reinigung
Auswahl richtet sich nach:
Inhalt
Kriterium
Eingrenzung
Art der Verunreinigung
Lose Partikel, anorganische Substanzen, organische
Filme, Oberflächenwasser
Glaszusammensetzung
Silikatgläser
Zweck der Reinigung
Optische Transparenz,
Vorbereitung für Beschichtungs- und Fügeprozesse
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Reinigung
Flüssigphasen- und
Dampfphasenreinigung
Ziel:
Methode:
Entfernung von Staub
und organischen / anorganischen
Verunreinigungen
Lösungsmittel mit hohem
Dampfdruck umströmen die
zu reinigenden Proben
Bemerkung: Lediglich die Reinigung mit
organischen Lösungsmitteln
erfolgt ohne chemischen Glasangriff.
Inhalt
Grundlagen
Reinigungsmedium
Einsatzbedingung
Deionisiertes Wasser
Flüssigphase, 25 – 100°C, in
Kombination mit Ultraschall
Konzentrierte Säuren:
HNO3, H2SO4, HCl,
HClO4, H3PO4,
HCl+H2O2,
H2SO4+K2Cr2O7 HF,
NH4, HF2, NH4F
Flüssigphase, 25-90°C
Organische Säuren:
Citronen-, Oxal-, Wein-,
Adipin-, Essigsäure
Wässrige Lösung, 25-100°C
Alkalilaugen:
KOH, NaOH, NH4OH
Wässrige Lösung, 25-100°C
Neutralsalzlösungen,
Pufferlösungen
Wässrige Phase, 25-100°C,
verschiedene pH-Werte
Seifenlösungen,
Detergentien
Wässrige Phase, 25-100°C,
mit Ultraschall
Organische
Lösungsmittel
Dampf- und Flüssigphase, mit
Ultraschall
Verdünnte Lösung, 25°C
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Reinigung
Physikalisch-chemische Methoden
Grundtypen
Methoden
Stoßdesorption von Oberflächenatomen /molekülen
Oberflächenpräparation durch Ionenbeschuß
(Sputterverfahren)
Chemische Reaktionen in Form der
Oxidation von Kohlenwassererstoffen und
Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte
anhaftender Festkörper
Bestrahlung von Oberflächen
(UV-, Röntgen, γ-Strahlung, Einsatz an
Modellgläsern, bisher nur zu Forschungszwecken)
Thermodesorption
Erwärmung der Oberfläche durch
auftreffende Ionen
Reaktive Verfahren
(Reaktives Plasmaätzen, Sauerstoffspezies zur
Oxidation von Kohlenwasserstoffen, F-, Cl-haltige
Radikale zum Abtragen von SiO2, Si, Si3N etc.
Oberflächenreaktionen infolge
Rekonstruktion der Oberfläche unter
Einfluss der Umgebung
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beschichtung
Ziel: Auftrag von Funktionsschichten (einige nm – einige µm Dicke)
Physikalische Methoden
Sputtern:
Zerstäubung von Metallen, Legierungen oder Verbindungen durch
Beschuss mit Argon-Ionen im Vakuum
Aufdampfen:
Thermische Verdampfung von Reinstoffen im Hochvakuum
Ionenunterstützte
Verfahren:
Aufdampfen in Kombination mit Energieeintrag durch ionisiertes
Argon
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beschichtung
Bedampfen
Prinzip
- Verdampfen von Metallen und Metalloxiden im Hochvakuum
Verdampfungsquellen:
- widerstands- oder induktionsbeheizte Tiegel
- Elektronenstrahl-Verdampfer
- Kondensation auf der Glasoberfläche
Einsatzgebiete
- optische Verspiegelungen
- dichroitische Schichtsysteme
Limitierungen
- Dampfdrücke der Reinstoffe (Elemente) variieren sehr stark
- nicht geeignet für Legierungen (stark unterschiedliche Dampfdrücke!)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beschichtung
Sputtern
Prinzip
- Zerstäubung von Metallen, Legierungen oder Verbindungen durch
Beschuss mit Argon-Ionen im Vakuum;
- Niederschlag des zerstäubten Materials auf dem Substrat
Einsatzgebiete
- geeignet für die Beschichtung mit Oxiden, Nitriden u.a. Verbindungen
- hohe Abscheidraten durch Einsatz von Magnetron-Quellen möglich
- hohe Argonionen-Dichte durch zusätzliche Magnetfelder
- Durchlauf-Beschichtung von plattenförmigen Substraten möglich
- Multi-Target-Anlagen erlauben die Abscheidung von viellagigen Schichten
in Vakuumfolge, z. B. für schmalbandige optische Filter
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beschichtung
Hochrate-Magnetron-Sputtern
Target
Argon-Atom
Argon-Ion
B-Feld
Elektron
E-Feld
Target-Atom
Substrat
Magnetron-Sputterprozess:
- hohe Ar-Ionisationsrate durch Anreicherung von Elektronen im Magnetfeld
(„Magnetron-Effekt“: jedes Elektron kann mehrere Ar-Ionen generieren)
- Target: wird durch Ionenbeschuss abgetragen
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beschichtung
Chemische Verfahren
Gasphasen-Abscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD)
Prinzip
- Abscheidung von Schichten aus gasförmigen Edukten
- Reaktion durch thermische oder Plasma-Aktivierung nahe der Glasoberfläche
- Vorzugsweise für funktionale Oberflächenschichten
Plasma-Impuls-CVD (PI-CVD, Schott-Patent, speziell für komplexe Geometrien)
- 1) Einbringen einer definierten Menge gasförmiger Ausgangsstoffe in den Reaktor
- 2) kurzzeitige Zünden eines Plasmas Æ Abscheidung einer definierten Schicht
- 3) Absaugen der Reaktionsprodukte
- 4ff) ggf. Wiederholung für weitere Schichten / größere Schichtdicken
- besonders geeignet für Hohlkörper
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Ionenaustausch
Das Ziel von Ionenaustauschprozessen ist die
Modifizierung von Glasoberflächen gegenüber dem
Glasvolumen z.B. zur Oberflächenverfestigung oder
zur Brechzahländerung in mikrostrukturierten
Glasbauteilen für die Gradientenoptik oder
Lichtwellenleiterintegration.
Ionenaustauschprozesse resultieren aus der
Reaktion eines Elektrolyten (Schmelzen, Pasten,
Gase, wässrige Lösungen) mit einer oxidischen
Glasoberfläche auf Basis von Diffusionsprozessen.
Prozessbestimmend sind: Art, Konzentration und
Beweglichkeit der am Diffusionsprozess beteiligten
Ionen, Temperatur-/Zeitregime, Kontaktverhältnisse
zwischen den Medien, den Diffusionsprozess
unterstützende Maßnahmen (z.B. elektrische
Feldunterstützung)
sowie
die
Glasstruktur.
Aufgrund des einfachen apparativen Aufwandes
und der preiswerten Realisierbarkeit erfolgt der
Ionenaustausch häufig über Salzschmelzen als
Ionenaustausch
ca.
30K
unterhalb
der
Transformationstemperatur des Glases.
Inhalt
Grundlagen
Brechzahländerung
Änderung der Dichte in Abhängigkeit vom
Ionenradius und der Polarisierbarkeit der
interdiffundierenden Netzwerkwandlerionen.
Festigkeitserhöhung
Erzeugung einer Oberflächendruckverspannung
durch Eindiffusion von Alkaliionen mit großem
Ionenradius. Die kleineren Ionen diffundieren
entgegengesetzt
in
die
Schmelze.
Die
druckverspannte
Oberflächenschicht
sollte
etwas dicker als die Tiefe der zu schließenden
Mikrorisse sein, d.h. 10 ... 20µm.
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Ionenaustausch
Beispiel: Glasfeder mit integriertem
Lichtwellenleiter
Integrierter
Lichtwellenleiter
Behandlung der Glasbauteile in Salzschmelzen:
Æ Diffusion von Ionen (KNO3, NaNO3)
Empfänger
1,5240
1,523
refraction index
Sender
refraction index
Æ Brechzahländerung
1,522
1,521
1,520
1,519
1,518
1,517
0
5
10
15
20
25
30
depth [µm] (0 = surface)
Deformationssteg
1,5220
1,5200
refraction index of
bulk glass
1,5180
1,5160
1,5140
1,5120
1,5100
1,5080
1,5060
0
10
20
30
40
50
60
70
Brechzahlprofile in Glasbauteilen
(a: KNO3, 375 °C, 2 h; b: NaNO3, 380 °C, 2 h)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
80
depth [µm] (0 = surface)
Fügen
Literatur
90
100
Mikrostrukturierung
Nasschemisches Ätzen
Trockenätzverfahren
Mechanische Verfahren
Fotostrukturierung
Laserbearbeitung
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Mikrostrukturierung
Einteilung
Mikrobearbeitung von Glas,
Geometrische
Mikrostrukturierung
(Bauteilherstellung)
•
•
•
•
Schleifen, Fräsen, Bohren
Ultraschallbearbeitung
Partikelstrahlen
Wasserstrahlen
Kombinierte Verfahren
• Fotostrukturierung
Chemische Verfahren
• Nassätzen
• Trockenätzen
Inhalt
Grundlagen
Laserverfahren
• Direktes Abtragen
• Laseraktivierte Prozesse
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Beim nasschemischen Ätzen von Glas erfolgt der Ätzabtrag, beginnend von der Oberfläche, in alle
Richtungen gleichmäßig (isotrop), da es keine Kristallorientierungen mit unterschiedlichen
Ätzraten gibt.
Prozessschritte
Beispiel: geätzte Näpfchen in Borosilikatglas
Glasbauteil
Beschichtung mit Metallschicht
Beschichtung mit Fotolack
Maskierte Belichtung
Resiststrukturierung:
Entwickeln, Ätzen
Beispiel: geätzte Kanalkreuzung in Borosilikatglas
Strukturübertragung in Metallschicht
z.B. Reaktives Ionenätzen
Entfernen der Lackschicht
Strukturübertragung in Glas
Isotropes Glasätzen
Entfernen der Metallschicht
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Abtragsmechanismen von Glas in verschiedenen Medien
Laugenangriff
Säurenangriff
HF-Angriff
OH-Gruppen setzen sich im
Netzwerk an die Stellen der
Brückensauerstoffe.
SiO4-Tetraeder werden isoliert.
Das Netzwerk wird aufgelöst.
Die
Zeitkonstanten
sind
wesentlich höher als bei HFAngriff.
Wasserangriff
ist
analog zu verstehen. Er erfolgt
nur wesentlich langsamer.
Durch
einen
Austauschprozess
werden
vorwiegend
ein(und
zweiwertige) Kationen aus der Oberfläche herausgelöst. Die resultierende
SiO2 - reiche Schicht schützt das
darunter liegende Glas in zunehmendem Maße vor weiterem Angriff. Der
Prozess ist diffusionskontrolliert.
Fluorionen können die Brückensauerstoffe im Netzwerk ersetzen.
Entsprechend der Reaktionsgleichungen:
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
SiF4 + 2HF → H2SiF6
wird das Glasnetzwerk vollständig
gelöst.
Es entsteht Hexafluorkieselsäure als
Reaktionsprodukt.
Wasserlöslich: NaF,
Wasserunlöslich: KF
Δm ~ t
Δm ~ √t
Δm ~ t
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Trockenchemisches Ätzen
Reaktives Ionen-Ätzen (RIE)
Reaktionsgase (fluor- und/oder chlorhaltige Gase)
≈
+
-
Plasma
+ + +
- - - - - - - - - - - - - -
+
-
Vakuum,
Reaktionsprodukte
Voraussetzung: alle Reaktionsprodukte sind bei Raumtemperatur oder
geringfügig höherer Temperatur gasförmig!
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Abtragsmechanismen
mittels Plasma-unterstützten chemischen Verfahren
Voraussetzung
alle Glasbestandteile bilden flüchtige Reaktionsprodukte mit den eingesetzten Ätzgasen
unproblematische Glasbestandteile:
- Silicium, Bor, Phosphor (bilden flüchtige Reaktionsprodukte mit fluorhaltigen Ätzgasen)
problematische Bestandteile in Gläsern:
- Aluminium (erfordert chlorhaltige Ätzgase)
- Alkali- und Erdalkali-Metalle (können nur duch Argon-Zusatz entfernt werden)
FAZIT
Das chemisch unterstützte Trockenätzen von Glas ist fast ausschließlich für
Si-basierte Gläser ohne Aluminium- oder Erdalkali- bzw. Alkali-Metall-Zusatz anwendbar.
Der Eintrag von konventionellen Gläsern in Anlagen für Halbleiterprozesse ist aus
Kontaminationsgründen nicht möglich.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Abtragsmechanismen
mittels Plasma-unterstützten physikalischen Verfahren
gemeinsames Prinzip
mechanischer Abtrag durch Ionenbeschuss, zumeist Argon- oder Gallium-Ionen
Inverses Sputtern
• Zerstäuben der Substratoberfläche statt des Targets
• abgetragenes Material bleibt in der Prozesskammer zurück
• geringe Selektivität zu Maskierungen (Fotolack, Metallen)
Ionenstrahl-Ätzen
• Abtrag durch einen beschleunigten, gerichteten Argon-Ionenstrahl
• ähnlich wie Inverses Sputtern, jedoch höhere Richtungsanisotropie
Fokussierte Ionenstrahlätzung (FIB – Focussed Ion Beam)
• Abtrag durch einen mittels elektromagnetischer Optik fokussierten Gallium-Ionenstrahl
mit wenigen Mikrometern Durchmesser
• nur für die lokal begrenzte Strukturierung (z.B. zu Analysezwecken)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Physikalische Verfahren
Ionen-Strahl-Ätzen (Ion Beam Etching)
Ar-Ionen
zu ätzendes Substrat
Ionenquelle
abgetragene
Substrat-Atome
- abgetragenes Material schlägt sich in der Ätzkammer nieder
- Selektivität ist gering
- Anisotropie ist hoch (Abtrag in Richtung der Ionenstrahl-Richtung)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
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Literatur
Drehen
Schleifen
Scheiben
Gräben, Säulen
Inhalt
Grundlagen
Drähte
Stifte
Komplexstrukturen
Einzeldiamanten
Flächen, Nuten
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Besonderheiten schleifender Verfahren
Drehzahl
Anpassung technologischer Prozesse mit dem Ziel, notwendige
Schnittgeschwindigkeiten bei Schleifstiften mit minimalen Durchmessern (< 100µm)
zu erreichen.
Präzisionsanforderungen
(Fertigung von 5µm
Strukturen)
Notwendige Positionsauflösung ~0,1µm,
Notwendige Wiederholungsgenauigkeiten ~1µm,
Entwicklung von Mikrowerkzeugmaschinen als Alternative zu konventionellen
Maschinen und Ultrapräzisionsmaschinen
Werkzeuge
Diamant als Schneidwerkstoff erforderlich
Schleifscheiben
Reduzierung der Schleifscheibendicke zieht drastische Reduzierung der
Diamantkorngrößen nach sich.
Anwendung: Dicing-Technologie, Schleifnuten von 15µm Breite und 500µm Tiefe
sind herstellbar
Schleifstifte
Durchmesser bis zu 30µm herstellbar,
Körnung >0,5µm
Ultraschallunterstützung
(optional möglich)
Normaler kinetischer Prozess des Schleifens ist durch eine Ultraschall-Vibration
überlagert (Frequenz: 20kHz, Amplitude µm-Bereich).
Stabilerer Abtragsprozess,
Geringere Substratbelastung (thermisch und mechanisch)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Mikrodrahtsägen
Eine Alternative zu den Prozessen mit
rotierenden
Werkzeugen
ist
das
Mikrodrahtsägen.
Bei diesem Verfahren wird ein Draht, der
mit dem Schneidmittel beschichtet ist,
von einer Rolle auf eine andere gewickelt
und befindet sich dabei im Eingriff mit
dem Werkstück. Auf diese Weise lassen
sich Nuten oder Form-körper mit
zweidimensional strukturierter Geometrie
erzeugen.
Quelle: well Drahtsägen GmbH
Drahtdurchmesser zwischen 700 µm und
130 µm mit Diamantkörnungen im
Bereich von 10 µm bis 60 µm kommen
standardmäßig zum Einsatz. Spezialdrähte reichen bis zu 60 µm Drahtdurchmessern.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Zur Glasbearbeitung oft
Ultraschallunterstützung
Werkstück
Werkzeug
vc
AUS
Beispiele für Glasspäne (Quelle: IPT Aachen)
Bedingungen
• Extreme Maschinenanforderungen (Drehzahlen)
• In der Regel nur Diamantwerkzeuge (monokristallin, polykristallin, CVD-Schicht)
• Sehr geringe Eingriffstiefen Æ Flächen mit geringer Rauheit
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
HF Generator
Schallwandler
Sonotrode
z-Achse
Werkzeug
Grundlagen
• Suspension mit losem Korn (5
bis 80 µm) im Spalt zwischen
WZ und WS
• WZ schwingt mit US-Frequenz
(20 kHz, 10 bis 40 µm,
longitudinal)
Probe
• Werkzeugbewegung Æ Stoß auf
Körner Æ Abtrag
Suspensionssystem
• Abtragsleistung stark abhängig
von Bruchzähigkeit
Anlagenschema
Inhalt
Prinzip:
• Systemabstimmung erforderlich,
Werkzeugverschleiß beachten
Mikrostrukturierung
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Literatur
Ultraschall amplitude
Werkzeug
Korn
Probe
Strukturierungsbeispiel (Quelle: IPT Aachen)
Direkter
Stoß
Indirekter
Stoß
Stoßprozesse im Arbeitsspalt
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
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Literatur
Partikelstrahlen
Strahlmittel
Abtragsprinzip
• meist Al2O3 ca. 30 µm
• auch SiC, Glaspulver, WC, SiO2
Impuls
Lateralrisse
Longitudinalrisse
• im Luftstrahl beschleunigt bis 200 m/s
• Stoßenergie als bestimmender Parameter
Deformationszone
Beispielgeometrien (Quellen: LTF-GmbH, micronit)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Technische Parameter
- Strahlmittel (Al2O3, SiC, Glas, Körnung 10 bis 80 µm,
Kornform),
- Luftdruck p (2 bis 8 bar),
- Düsendurchmesser d (0,1 bis 0,8mm),
- Düsenabstand a (0,25 bis 25 mm),
- Strahlwinkel ß zwischen Düse und
Substratoberfläche,
- Vorschubgeschwindigkeit der Düse (0,5 bis 10 mm/s).
-
Abrasivstrahlen: Freistrahlen
1. Glassubstrat
Strahlgerät
Vorteile:
Geringe Investitionskosten (erträgliche
Maschinenkosten, kein Reinraum)
geringer Wartungsaufwand
für unterschiedlichste Materialien geeignet
kaum thermische Belastung des Werkstücks
höhere Abtragsraten verglichen mit Trockenätzverfahren
höhere Anisotropie verglichen mit isotropen Ätzverfahren
Inhalt
Grundlagen
y
x
2. Partikelstrahlen
Substratpositionierung
Partikelstrahl
Mikrostrukturierung
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Literatur
Besonderheiten:
• Maske auf Substrat
• Düsendurchmesser 6 bis 10 mm (Borkarbid, Hartmetalle)
• Substrat mit Maske wird abgerastert
• Zweiseitenbearbeitung möglich (justierte Zweitmaske)
• Strukturwinkel:
70 und 86 °
• Oberflächenrauheiten:
1 bis 5 µm
• Kleinste Strukturen:
50 µm ... 200 µm
• Toleranzen:
± 30 µm
• Aspektverhältnis:
1:3
Vorteile:
• Parallele Fertigung von mehreren Strukturen
• Komplexes Design möglich
• Hohe Abtragsraten (bis 1 mm/min, optimiert auf Abtrag)
Abrasivstrahlen:
Maskenverfahren
Glassubstrat
Substratmaskierung
Düse
y
x
Sandstrahlen
Partikelstrahl
Strahlmittel:
• SiC-, Al2O3-Körnung (180 ... 70 ... 30 ... 9 ... 3 µm)
• Bei sehr feinem Korn höhere Oberflächenqualität, aber
Problem der Impulsübertragung (Abtragsrate)
Inhalt
Grundlagen
Entfernung der Maske
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Wasserstrahlen
Technische Parameter:
Arbeitsdruck:
4000 bar
Düsendurchmesser: 0,1 – 0,4 mm
Geschwindigkeiten:
bis 900 m/s
Materialdicken:
je nach Materialart
0,5 mm bis 100 mm
Teilegrößen:
bis mehrere m²
Rauheiten:
Präzisionsbearbeitung
Rz 1
Winkelabweichungen: 0,5 – 1°
Toleranzen:
im 1/10 mm Bereich,
(Präzisionsbearbeitung 0,05 mm)
Mindest-Stegbreiten: je nach
Materialdicke
0,2 mm bis 1,0 mm
Mindest-Schlitzbreiten: je nach Materialdicke und - art
0,2 mm bis 1,0 mm
Inhalt
Grundlagen
Beim Wasserstrahlschneiden wird ein Wasserstrahl
(ggf. partikelhaltig) durch eine Düse auf eine Substratoberfläche gerichtet.
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Wasserstrahlen
Vorteile
Nachteile
¾Staubfreiheit, da die beim Schneiden
entstehenden
Abtragspartikel sofort vom Wasserstrahl gebunden und
abtransportiert werden
¾ hohe technologische Anforderungen
an die Hochdruckteile der Anlage
¾keine mechanische und thermische Schädigung der
Schneidkanten
¾ hohe Investitionskosten für die Anlage
¾ verfahrensbedingte Konizität der
Schnittkante
¾kein Werkzeugverschleiß, außer Düsenverschleiß
¾ Riefenbildung an der Schnittkante bei
höheren Vorschubgeschwindigkeiten
¾gute Materialausnutzung, kleiner Schneidspalt
¾es lassen sich beliebige Konturen schneiden (sehr
kleine Radien möglich), Schnitt kann an jeder
beliebigen Stelle beginnen und enden
¾ Korrosionsgefahr für die Bauteile
¾es kann sowohl in explosionsgefährdeter Umgebung
als auch unter Wasser geschnitten werden
¾das Werkzeug braucht nicht gereinigt zu werden,
daher auch zum Schneiden klebriger Stoffe geeignet
¾Es können auch Mehrlagensysteme und Verbundwerkstoffe getrennt werden (z.B. Verbundglasscheiben)
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Fotostrukturierung
1 Glassubstrat
Prozess
Schleifen und Polieren
Maskierung und Mask-AlignerBelichtung (UV-Strahlung)
2 Belichtung
Bildung von Ag-Atomen
Ce 3+
Æ Ce 4+ + eAg + + e- Æ Ag
3 Tempern
Keimbildung und partielle
Kristallisation der
belichteten Bereiche
Lösen der kristallisierten
Bereiche in Flusssäure
4 Ätzen
Beispiele
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Fotostrukturierung
Technische Parameter
Material:
fotostrukturierbares dotiertes Spezialglas, geschliffen und poliert
Substrate (üblich): ∅ 10cm (0,3 –2mm dick )
Masken:
lose Masken: mechanisch gefertigte Metallmasken für Maskenöffnungen >500µm,
strukturierte Chrom/Kieselglas-Masken für überwiegend geringe Maskenöffnungen
fest anhaftende Masken: fotolithographisch strukturierte Schichten (UVabsorbierend)
Belichtung:
paralleler Strahlengang, optimierte Belichtungsenergiedichte, abhängig von der
Belichtungsquelle,UV-Strahlung: breitbandig emittierende
Quecksilberdampfhöchstdrucklampe, XeCl-Excimerlampe, UV-Laserstrahlung
Temperung:
optimiertes Temperatur/Zeitregime einstufig oder zweistufig (450°C < T < 600°C)
Unterlagen: Edelstahlplatten, Keramikplatten
Nasschemisches
Ätzen:
Inhalt
Grundlagen
verdünnte Flusssäure (5% < cHF < 10%), Ultraschallunterstützung
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Fotostrukturierung
Ätzverhalten
partiell kristallisiertes
Bauteil
beidseitig geätzt
einseitig geätzt
Ätzratenverhältnis
ca. 20/1 (partiell kristallisierte Bereiche / Glasbereiche)
abhängig von werkstofflichen und technologischen Einflüssen
Wandneigungswinkel ca. 2,5 ° (zur Normalenrichtung der Waferoberfläche)
abhängig von werkstofflichen und technologischen Einflüssen
Beispiele
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Fotostrukturierung
Standardverfahren
+ einfache Prozessführung
+ hohe Prozessstabilität
- geringe Flexibilität
® Federn
® Lochplatten
® Sensorteile
Varianten
Ätzabbruchverfahren
+ einfache Prozessführung
+ sehr feine Stege
- geringe Flexibilität
® Fluidteile
® BIO-Chips
Mehrfachbelichtungsverfahren
® Spulen
® Fluidbauteile
+ sehr feine Stege
+ komplexere Strukturen
- hoher Prozessaufwand
- Justiervorgang
Modifizierte Maskentechnik
® Spulen
+ dreidimensionale Strukturen
® Fluidbauteile + geringer Prozessaufwand
® Komplexteile - hoher Maskenaufwand
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Fotostrukturierung
Anwenderbauteile
Mittelohrimplantat
Mikrogreifer mit
Spule
Spulenausschnitt
Messfeder
Mikrogreifer
Mikrokanal mit
Substrukturen
Ventilsitz
Fluidiksystem
Sauggreifer
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Federelement
Fügen
Literatur
Laserbearbeitung
Thermische Ablation
Besonderheiten der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Gläsern:
Festgebundene Elektronen in den Oxiden führen zu grundsätzlichen Unterschieden der Absorption
gegenüber den Metallen und Halbleitern. Es sind sehr hohe Photonenenergien notwendig, um die
Valenzelektronen ins Leitungsband anzuregen. Silikate zeigen daher praktisch keine Absorption im
spektralen Bereich zwischen 200 ... 2000 nm. Resonanzlinien (Asorptionskanten) befinden sich im
ultravioletten und im fernen infraroten Bereich. Eine Bearbeitung ist somit im UV-Bereich mittels
Excimerlaserstrahlung und im IR-Bereich mittels Nd:YAG- und CO2-Laserstrahlung möglich.
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Laserbearbeitung
Laser
Abtragsraten
Bemerkung
VUV
F2-Excimerlaser (λ = 157nm)
150 nm/Puls
- Hoher Anteil an fotochemischem Materialabtrag
- geringer Anteil an Schmelzablagerungen
- großer Aufwand für Strahlformung/-führung
- kleine Pulsenergien, deshalb keine Maskenprojektion möglich
UV
ArF-Excimerlaser (λ = 193nm)
KrF-Excimerlaser (λ = 248nm)
XeCl-Excimerlaser (λ = 308nm)
>50nm/Puls
- Erzeugung strukturgenauer Mikrostrukturen im Bereich
einiger 10µm mit λ = 193nm in Borosilikatglas
- mit steigender Laserwellenlänge Verschlechterung der
Strukturgenauigkeit durch Mikrorisse und Muschelausbrüche
VIS
Kupferdampflaser
(λ = 511nm, λ = 578nm)
Farbstofflaser (λ = 625nm)
400nm/Puls
(Kalk-NatronSilikatglas)
- Materialabtrag durch große Pulsspitzenleistungen bei
ultrakurzen Laserpulsen oder durch große mittlere
Leistungen bei hohen Repetitionsraten erreicht
- hoher Anteil an fotochemischem Materialabtrag, deshalb
geringer Schmelzabtrag
- in Kieselglas und Borosilikatglas Strukturen mit
∅ > 200 µm und Aspektverhältnissen 1:50 möglich
- bisher nur zu Forschungszwecken eingesetzte Technik
NIR
Nd:YAG-Laserstrahlung
(λ = 1064nm)
CO2-Laserstrahlung (λ = 10,6µm)
2 –3µm/Puls
- fotothermischer Materialabtrag
- erhebliche Schmelzablagerungen und Mikrorisse
beeinflussen Strukturgenauigkeiten
Inhalt
Grundlagen
< 6µm/Puls
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur
Laserbearbeitung
Bearbeitungsstrategien
Punktförmig
fokussierter
Laserstrahl
Strichförmig
fokussierter
Laserstrahl
Laserstrahl
Bearbeitete Fläche
Maske
Objektiv
Substrat
Lokalisierte
Bearbeitung
Großflächige Maskenprojektion
Bearbeitung
Prozessbestimmende Laserparameter:
Wellenlänge der Laserstrahlung, Pulsenergie, Pulswiederholfrequenz,
Pulsdauer, Strahldurchmesser, Laserstrahlprofil, Fokuslage
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
500 µm
Beispielstrukturen:
Nd:YAG-Laser
Borosilikatglas
Fügen
Literatur
Mikrostrukturierung - Vergleich
Verfahren
Schleifen (Scheibe)
Minimale
Details
Aspektverhältnis
Strukturierungsart
20 µm
20
seriell
Bemerkungen
Dicing Prozess
Mittelohrimplantat
Mikrogreifer mit
Spule
20
seriell
ultraschallunterstützt
250 µm
10
seriell /
parallel
Systemabstimmung
Partikelstrahlen
100 µm
3
seriell /
parallel
Oberflächenqualität
Laserabtrag
10 µm
20
seriell /
parallel
Fotostrukturierung
10 µm
20
parallel
spezielles Glas
Nasschemisches Ätzen (HF)
1 µm
0,5
parallel
Maskierungsproblem
Schleifen (Stifte)
100 µm
US-Bearbeitung
Sauggreifer
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Ventilsitz
Federelement
Fügen
Literatur
Fügen
Mittelohrimplantat
Spulenausschnitt
Mikrogreifer mit
Spule
Thermisches Bonden
Mikrogalvanik
Mikrogreife
Ventilsitz
Sauggreifer
Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Federelement
Fügen
Literatur
Thermisches Bonden
Bei thermischen Bonden werden die Fügepartner
unter Druck und Temperatureinwirkung derart
behandelt, dass es zu einer Verbindungsbildung
kommt.
Wesentliche Prozessparameter sind Temperatur,
Druck und Fügezeit sowie Beschaffenheit
(Rauheit, Verwölbung) der Oberflächen.
Verbesserte Oberflächenqualität begünstigt die
Verbindungsbildung.
Mit steigender Temperatur, mit steigendem Druck
und mit längeren Fügezeiten ergeben sich bessere
(stabiler und dichter) Verbindungen. Gleichzeit
steigt aber auch der Verformungsgrad des
Gesamtbauteils.
Bei selektiver Druckbeaufschlagung ist ein
selektives Fügen möglich.
Der Fügevorgang ist ein Optimierungsproblem
bezüglich Zeit, Stabilität der Verbindung und
Verformung.
Inhalt
Grundlagen
Prinzip
Beispiel:
Frei bewegliche
Federstruktur
Technische Parameter:
Temperatur:
Druck:
Zeit:
Mikrostrukturierung
450°C < 525 < 550°C
0,005 < 0,05 < 0,2 MPa
30 < 120 < 1000min
Fügen
Literatur
Mikrogalvanik
Galvaniktechnologien können zum Ausfüllen
von strukturierten Substraten (Durchkontaktierungen, Leiterbahnen), zur Verstärkung von
Dünnschichten
(Leiterbahnen)
und
zur
Herstellung von Masken angewendet werden.
Zum Ausfüllen von strukturierten Substraten
müssen diese mit einer elektrisch leitfähigen
Schicht versehen werden. Das Ausfüllen
beginnt an dieser Schicht und wird im allgemeinen nach dem vollständigen Ausfüllen der
Struktur abgebrochen. Danach muss normalerweise mechanisch nachbearbeitet werden.
Besonders kritisch im Bereich der Mikrotechnik
ist die Ausfüllung der Strukturen. Es werden
Elektrolyte mit hohen Netzmittelkonzentrationen
und guter Makro- sowie Mikrostreufähigkeit
eingesetzt.
Die Abscheidebedingungen z. B. Stromdichte
werden an die Geometrien angepasst.
Inhalt
Grundlagen
Prinzip des Füllens von
durchgehenden
Strukturen
Tiefenstrukturen
Ausgangsbauteil
Kontaktierung
Galvanikprozess
Nachbearbeitung
Beispiel:
Leiterbahnen
Mikrostrukturierung
Beispiel:
Durchkontaktierungen
Fügen
Literatur
Literatur
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Inhalt
Grundlagen
Mikrostrukturierung
Fügen
Literatur

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