Die Herstellung von Mikrostrukturen mittels selektiver Laserablation mit ultrakurzen Laserpulsen und deep-uv Strahlquellen

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1 Die Herstellung von Mikrostrukturen mittels selektiver Laserablation mit ultrakurzen Laserpulsen und deep-uv Strahlquellen Dr. Sandra Stroj DOMIT 8/6/2010

2 Laserquellen am FZMT Excimerlaser Ultrakurzpulslaser CO 2 Laser Wellenlänge 193 nm Pulsdauer 25 ns Pulswiederholrate 200 Hz Leistung 45 W Wellenlänge 1035 nm, SH Pulsdauer 400 fs Pulswiederholrate 100 khz Leistung 1,6 W Wellenlänge 10.6 µm Pulsdauer cw Pulswiederholrate. Leistung 40 W 2

3 Laser am FZMT - Arbeiten Schneiden Bohren 3D Strukturieren Belichten DUV Strukturieren Selektive Ablation 3

4 Selektive Ablation Bulk Ablation Selektive Ablation Selektivität der Ablation durch.. Genau definierte Abtragsschwellen bei Ablation mit ultrakurzen Laserpulsen Vorteile der selektiven Ablation konstante Abtragstiefe durch Ätz-stop kein Einfluß durch variierende Puls-Overlaps Hohe Oberflächengüte 4

5 Prozessfenster Ultrakurzpulslaser Liu-plot zur Bestimmung der Ablationsschwellen Prozessfenster zur selektiven Ablation Multipuls Schwellfluenz λ = 520 nm τ = 300 fs Substrat 1.04 J/cm² Schicht 0.21 J/cm² Laser system: Yb:glass Regen. Amp. (HighQLaser) λ = 1040, 520 nm τ p = 330 fs f = 10 khz P = 130 mw Methode nach J.M. Liu: Opt.Lett. Vol.7, No.5 (1982) 5

6 Selektive Ablation Anwendung: Strukturierung von dünnen Schichten TCO auf Glas Au/Ag auf Keramik Ti auf Glas Mo auf Glas 6

7 Selektive Ablation Anwendung: Herstellung eines metallischen Stempels Glassubstrat mit strukturgebender Fotolackschicht und dünner Opferlackschicht Fotolacke: Negativ + AZ6612 (pos) Selektive Laserstrukturierung des Fotolackes Reinigung der Strukturen durch Entfernen der Opferschicht Mikrogalvanik fertige Metallische Struktur Keine Ablagerungen der Ablationsprodukte durch Opferlackschicht Positiver Lack: z.b. AZ6612 Dicke: 1.4 µm wird nach Ablation entfernt 7

8 Teststrukturen nach dem Ablationsschritt Anwendung: Herstellung eines metallischen Stempels Laser: λ = 520 nm τ = 330 fs Lackdicke 11 µm 3x Scanwiederholungen 10 µm pitch 1 5 khz Laser: λ = 520 nm τ = 330 fs Ablagerungen Lackdicke 45 µm 4x Scanwiederholungen 1 5 khz 8

9 Entfernung von Debris Ablösen der Ablagerungen durch Entfernung der Opferlackschicht Probe nach der Laserstrukturierung Probe nach der Entfernung der AZ6612-Schicht 9

10 Herstellung Metallstruktur Strukturierter Fotolack Nickelstempel mittels Mikrogalvanik 10

11 Selektive Ablation Anwendung: Prototypen im Bereich Mikrofluidik Mikrofluidischer Sensorchip mit hydrodynamischer Fokussierung Messung der Fluoreszenz sowie Absorption mittels Glasfaser Lackdicke ~200 µm M. Rosenauer, M. Spitzbart, S. Zoppel, M. Vellekoop: Ultra Rapid High Quality Prototyping for Optical Microfuidic Analysis Devices"; "Proceedings EUROSENSORS XXII", (2008), ISBN:

12 DUV Laserablation Prozessschritt Herstellung eines RFID - Transponders Interreg IV Projekt: Entwicklung, Evaluierung und Umsetzung eines miniaturisierten Hybridsystems für telemetrische Datenübertragung (FHV + HSG-IMIT) RFID Transponder Prototyp 12

13 DUV Laserablation Prozesskette Spule Herstellung der Startschicht Lithographie Ätzen und Strippen SU8 Lithographie Galvanik SU8-Schicht als isolierender Schutz Öffnen der Kontakte mittels DUV-Laserablation 13

14 Antennenwafer nach Galvanikschritt Entfernung der Fotolack- Schutzschicht für die anschließende Kontaktierung von Kondensator und Chip 14

15 DUV Laserablation Öffnung der Kontaktpads Laserquelle ArF Excimer laser: LPF220 (Coherent) Wellenlänge: 193 nm Leistung: 45 W Pulsdauer: 25 ns Pulsenergie: 250 mj Optischer Aufbau Rohstrahl wird homogenisiert Objektiv Ebene mit homogener Intensitätsverteilung wird auf wafer abgebildet Open stencil Maske: Nasschemisches Ätzen von Öffnungen Freigelegte Kontaktpads 15

16 Ablationsrate: Nickel, Fotolack Rate Nickel Ablationsrate Nickel Fluenz Rate Nickel Rate Fotolack Ablationsrate Nickel / Fotolack vs. Fluenz 0.35 Ablationsrate pro Puls [µm] Ablationsrate pro Puls [µm] Fluenz [J/cm²] Fluenz [J/cm²] Abtragsschwelle Nickel F th ~2,5 J/cm² Selektive Bearbeitung von SU8 bei < 2,5 J/cm² 16

17 DUV Laserablation Öffnung der Kontaktpads Prozessparameter ArF Excimer laser Fluenz: F = 0,78 J/cm² Anzahl Pulse pro Position: N =

18 Danksagung Projektpartner Dr. Mani Alavi et al Projekt Minitel gefördert durch: 18

19 Die Herstellung von Mikrostrukturen mittels selektiver Laserablation mit ultrakurzen Laserpulsen und deep-uv Strahlquellen Dr. Sandra Stroj DOMIT 8/6/2010