Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik. Bodo Wojakowski

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1 Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Bodo Wojakowski

2 Inhalt Einleitung Mikrotechnik allgemein Anwendungsgebiete der Mikrotechnik Methoden der Mikrotechnik Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen Nd:YAG Nanosekunden Laser Nd:YVO 4 Picosekundenlaser TiSa Femtosekundenlaser Excimer Laser µ-zahnrad aus Silizium Mit Laserstrahlung gefügter Elektronikchip 2

3 Inhalt Einleitung Mikrotechnik Anwendungsgebiete der Mikrotechnik Methoden der Mikrotechnik Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen Nd:YAG Nanosekunden Laser Nd:YVO 4 Picosekundenlaser TiSa Femtosekundenlaser Excimer Laser µ-zahnrad aus Silizium Mit Laserstrahlung gefügter Elektronikchip 3

4 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

5 Methoden der Mikrotechnik ( Abscheiden Galvanik (elektrochemisches ( Maskentechnik Fotolithographie (mittels Belichtung und herkömmliche Fertigungsverfahren ( Schleifen, Fräsen, (.. Spanen ( Lösungsmitteln Ätzen (mit Funkenerosion (Entladungsvorgänge zwischen Elektrode ( Werkstück und ( Galvanik Liga (Litographie + Lasertechnik 5

6 Inhalt Einleitung Mikrotechnik Anwendungsgebiete der Mikrotechnik Methoden der Mikrotechnik Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen Nd:YAG Nanosekunden Laser Nd:YVO 4 Picosekundenlaser Ti:Sa Femtosekundenlaser Excimer Laser µ-zahnrad aus Silizium Mit Laserstrahlung gefügter Elektronikchip 6

7 Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Automotive Mikrosensorik Medizin ( Hornhautkorrektur ) LASIK Implantate Chirurgie Werkzeugtechnik Schneidkantenverrundung Selektive Materialhärtung Spanleitstufen 7

8 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

10 Wirkungsprinzip des Lasers 1. Erwärmung der Elektronen im Material 2. Wärmeaustausch Elektronen Atome 3. Schmelzung 4. Verdampfung Vorteile: berührungslos präzise material-unabhängig 10

11 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

12 Kurze Pulse Licht legt die Strecke von km (Entfernung Sonne Erde) in 8,3 min 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

13 Kurze Pulse Pulsenergie Q: Q=P/fR P: Dauerleistung fr: Repetitionsrate Pulsspitzenleistung Pp: Pp=Q/T T: Pulslänge 13

14 Kurze Pulse Beispiel: P=100 mw fr=10 khz T=10 ps Q=10 µj Pp=10 MW Nichtlineare Effekte! 14

15 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

16 Pulslänge und Abtragsmechanismen Bohren von Silizium fs ps ns ns Einzel-Photon Absorption Optische Eindringtiefe:< 1 µm ( Dielektrika (UV, Thermische Diffusion bei t P > 10 ( Metalle ) ps Schädigung des Gitters fs Multi-Photon Absorption Optische Eindringtiefe: ~ nm Keine thermische Diffusion "Kalter Abtrag" Photons Ablation Diffusion Electrons Energy coupling Lattice Photons Ablation Diffusion? Electrons Lattice Energy coupling Photons Ablation Diffusion Equilibrium Electrons Equilibrium Lattice 16

17 Vorteil der Ultrakurzpuls-Laserstrahlung!! τ H = 3,3 ns Minimale Wärmeeinflußzonen Hohe Reproduzierbarkeit!! τ H = 200 fs Riß- und schmelzfreier Abtrag Reduzierte Abtragsschwelle 17

18 Femtosekunden-Laser: kalter Abtrag Exponate Puzzle Streichholzkopf 18

20 Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen Bohren Strukturieren Schneiden Fügen Nanosekundenlaser Ultrakurzpulslaser (ps, fs) Excimerlaser 20

22 Nd:YAG Nanosekunden Laser Pulserzeugung durch Güteschaltung Kennwerte & Daten Wellenlänge Pulsfolgefrequenz Pulsenergie Pulsdauer Strahlqualität : = 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm : f p= 1000 Hz : Q = 8 mj (1), 5 (2), ( 4 ) (3), 1 3 : τ= H10 ns : TEM 00 Spiegel Polarisator Laserdioden Spiegel Strahlfalle Q switch Kristall λ/4 Scheibe λ = 532 nm Teleskop SHG Modul λ = 1064 nm Strahlteiler Strahlfalle 22

23 Strahlprofil des Festkörperlasers Gaußförmiges Strahlprofil => Gaußförmiger Abtrag => schiefe Kanten Nicht geeignet für einen scharfkantigen Abtrag in der Mikrobearbeitung 23

24 Scannerbasierte Bearbeitung Einzellinse Quelle: LINOS f-theta Linse 24

25 Faszination Licht Wanderausstellung für Schüler Kugelschreiber Bleistift Bohne Reiskorn 25

26 Funktionelle Oberflächen 10µm Lotus-Blüte Laserstrukturierte Oberfläche 26

27 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

28 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 ( Länge (5 µm auf 150 mm 28

29 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

30 Mikrofügen mit 1064 nm FPC Kamera Festplatte [FUJIKURA] [FUJIKURA] [FUJIKURA] FFC Arbeitspeicher Schaltgerät [TAYCOENG] [ROFIN] [ROFIN] Forschung und Entwicklung 2 30

31 Einfluss der Pulsform auf die Schweißqualität Unbearbeitet Beschädigt Gute Schweißung Beschädigung 3dmid02_002 Q = 1,8 J Q = 1,8 J Pulsdauer (%) Pulsdauer (%) JZ 3-D MID 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

32 Methoden der Charakterisierung SEM Polished cross section Shear Force [ N ] Pulse Peak Power [ W ] 0,60 ms 0,65 ms 0,70 ms 0,75 ms 0,80 ms 0,85 ms 0,90 ms Sheartest 32

33 Projekt Laser in der Photovoltaik Arbeitspaket: Laserfügen für eine kostengünstigere Modulherstellung Zellverbinder ( verzinnt/versilbert (Kupfer Laserstrahlung Sammelsteg der Emitterelektroden ( Silber ) Silicium 33

34 Schneiden und Bohren von Silizium 34

35 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

37 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

38 Riblets für Turbinenschaufeln mit Pikosekundenpulsen Verringerung Verringerung von von Reibungsverlusten Reibungsverlusten an an der der Schaufeloberfläche Schaufeloberfläche (bis (bis ( 8% ( 8% Steigerung Steigerung der der Effizienz Effizienz Geringere Geringere Schaufelverschmutzung Schaufelverschmutzung Verminderter Verminderter Wartungsaufwand Wartungsaufwand 12ps 50kHz 12 min/cm 2 Berechnete Berechnete Idealgeometrie: Idealgeometrie: Typ. Typ. Aspektverhältnis: Aspektverhältnis: 0,5 0,5 Für Für Luft Luft bei bei Mach Mach 0,8: 0,8: Rippenhöhe: Rippenhöhe: 20µm 20µm Rippenabstand: Rippenabstand: 40µm 40µm Hergestellte Ribletgeometrien zur Vermessung im Windkanal Aktuelle Widerstandverminderung: 7% 38

39 Verrundung von Werkzeugschneidkanten Kantenverrundung mittels grüner ps-laserstrahlung Gespante Kante Nachbearbeitete, Verrundete Kante 39

40 Bearbeitung von Polykritallinem Diamant (PKD) 40

41 Laser-Feinstrukturierung von Metall- Dünnschichten PVD-Vorbeschichtete Folie Feinstrukturierte Folie Metallschicht ~1µm 41

42 Laser-Feinstrukturierung von Metall- Dünnschichten 42

43 µ-stereolithographie Wischer Bauplatte UV- Laserstrahlung ( nm (Nd: YAG, 355 Polymeroberfläche Bauplattform 43

44 µ-stereolithographie: Rapid Prototyping aktuelle Ergebnisse CAD 44

45 µ-stereolithographie Struktur CAD Modell Mikro-CT Aufnahme Soll-Ist-Vergleich (grüner=besser) CT-Bilder von phoenix x-ray (GE S&I) 45

46 Inhalt Einleitung Mikrotechnik Anwendungsgebiete der Mikrotechnik Methoden der Mikrotechnik Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen Nd:YAG Nanosekunden Laser Nd:YVO 4 Picosekundenlaser Ti:Sa Femtosekundenlaser Excimer Laser µ-zahnrad aus Silizium Mit Laserstrahlung gefügter Elektronikchip 46

47 Femtosekundenlaser Pulsenergie: 1mJ Rep.rate: 500kHz Pulslänge: <500fs 47

48 Trennen mit Femtosekuden Ti:Saphir- Laserstrahlung BK7 Wolfram Tantal SMA Nickel Silizium 48

49 Bohren mit Femtosekunden Ti:Saphir- Laserstrahlung Diamant Stahl Zahn Silizium Suprasil 49

50 Mikrobearbeitung mit fs-pulsen Bohren von Einspritzdüsen Stents schneiden Quelle: Renault 0.15 mm 50

52 Excimer-Laser Excimer = Exited Dimer Gaslaser Dreierstoßkombination: e e + F 2 F + Kr 2e + F + Kr * Kr + F + Ne KrF + + Ne XeF (351 nm) XeCl (308 nm) KrF (248 nm) ArF (193 nm) F2 (157 nm) Strahlprofil 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 Photonenenergie der Excimerlaser 52

53 Strahlformung - Festkörperlaser/Excimer - Fokussierung Bearbeitung Nd:YAG-Laser - frequenzkonvertiert - Wellenlänge: λ = 1064, 532, 355 und 266 nm Pulsenergie: Q = 8, 5, 3 und 1 mj Pulsfrequenz : f p = 2000 Hz Fokussierlinse Werkstück Maskenprojektion Excimer-Laser Wellenlänge: λ = 351, 308, 248 und 193 nm Pulsenergie: Q = 400, 600, 800 und 500 mj Pulsfrequenz : f p = 250 HzX Maske Abbildungslinse Werkstück 53

54 Materialabtrag mit Maskenprojektionsverfahren 54

55 Mit Excimerstrahlung beschriftetes Haar 55

56 Anwendungsbeispiele Excimerlaser Kunststoff Keramik Keramik µm 1000 µm 40 µm Glas Keramik Glas 300 µm 20 µm 300 µm 56

57 Glasbearbeitung mit dem Excimerlaser ( nm Quarzglas (157 ( nm BK7 (193 ( nm BK7 (193 Mit dem Co2-Laser ( geglättet ) nachbearbeitet Saphirpyramide 57

58 Industrielle Applikationen II - Kunststoffe - Kabelbeschriftung mit dem Excimer-Laser 58

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60 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

61 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