Mikrostrukturierung von nanobeschichteten Leiterplatten mittels Ultrakurzpulslaser

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1 Mikrostrukturierung von nanobeschichteten Leiterplatten mittels Ultrakurzpulslaser Einleitung Paul Oldorf, Rigo Peters, Sebastian Bonk, Jan Gimsa Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Mecklenburg-Vorpommern GmbH, Alter Hafen Süd 4, Rostock, Germany. Eines der am stärksten wachsenden Felder innerhalb der Optischen Technologien ist die Femtonik, welche sich mit den Einsatzmöglichkeiten ultrakurzer Laserpulse beschäftigt [1]. Ultrakurze Laserpulse im Bereich von Femto- bis zu wenigen Pikosekunden erlauben aufgrund ihrer extrem kurzen Wechselwirkungsdauer eine nahezu athermische, also kalte Materialbearbeitung, bei der kaum Wärme ins umliegende Material eingebracht wird [2]. Damit können beispielsweise Metalle [3] oder Keramiken [4], aber auch transparente oder thermisch sensible Materialien wie beispielsweise Kunststoffe effizient und ohne Rückstände bearbeitet werden [5]. Diese Eigenschaften machen den Einsatz ultrakurzer Laserpulse in Kombination mit Hochpräzisions-Bearbeitungsanlagen für die Strukturierung von Nanoschichten äußerst interessant [6]. Um mit Nano-Schichten beschichtete Glaswafer in mikroskopischen Dimensionen zu strukturieren, finden bisher herkömmliche Verfahren wie Fotolithografie Verwendung. Dabei liegt ein hoher Anspruch an die Genauigkeit der zum Teil nur wenige Mikrometer breiten Leiterbahnen vor, was in einer zeitintensiven Handhabung und dadurch bedingt hohen Kosten resultiert. Die Verwendung ultrakurzer Laserpulse für die Mikrostrukturierung dünner Schichten ermöglicht mittels Hochgeschwindigkeits-Scannersystemen und Präzisionsbearbeitungs-anlagen eine sehr schnelle und aufgrund der athermischen Bearbeitung qualitativ hochwertige Bearbeitung, welche die herkömmlichen Verfahren in vielen Belangen übertrifft. Aufgabenstellung Auf Basis von standardisierten Objektträgern aus Glas sollten mittels ultrakurzer Laserpulse Multisensorchips für Zellkulturen, sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme, entwickelt werden. Die hierfür eingesetzten Chip-Geometrien verfügen über Sensoren zur Registrierung von drei zellphysiologischen Parametern: der Sauerstoffkonzentration, der Ansäuerung (ph-wert) sowie der Zellbewuchsdichte. Das hierbei angewandte Sensorkonzept basiert auf Strukturen, welche ursprünglich mit photolithografischen Techniken aus Platin auf Glas gefertigt wurden [7]. 1

2 Neben der grundliegenden Strukturierung dieser Nano-Platinschichten wurde zudem untersucht, inwiefern ph-sensitive Beschichtungen aus Siliziumnitrid, welche zusätzlich auf die Platinschichten gebracht wurden um aufgrund ihrer Härte die Widerstandsfähigkeit der sensiblen Leiterschichten zu erhöhen, gezielt abgetragen werden können, ohne die darunterliegende Leiterschicht zu beschädigen. Versuchsaufbau Für die Versuche zur Bearbeitung der Nano-Platinschichten diente ein Ultrakurzpulslaser vom Typ TruMicro 5X50 (TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen). Das Lasersystem weist eine mittlere Ausgangsleistung von 50 W bei einer Grundwellenlänge von 1030 nm und eine maximalen Pulsfrequenz von 400 khz bei Pulsdauern von 6 ps auf. Des Weiteren kann die zweite und dritte Harmonische generiert werden, um eine Materialbearbeitung im grünen sowie ultravioletten Spektralbereich zu ermöglichen. Dabei ergeben sich bei Wellenlängen von 515 nm bzw. 343 nm maximal mittlere Leistungen von 25 W bzw. 15 W. Hieraus resultieren maximale Pulsenergien von 125 µj im infraroten, 62,5 µj im grünen sowie 37,5 µj im ultravioletten Spektralbereich. Das Lasersystem ist in eine hochpräzise 4-Achs-Mikrobearbeitungsanlage vom Typ GL.3 (GFH GmbH, Deggendorf) integriert. Die Strahlablenkung erfolgte mit einem 2- Achs-Galvoscanner vom Typ hurryscan II-14 (Scanlab AG, Puchheim). Bei einer Brennweite von f = 100 mm ergab sich ein Fokusdurchmesser von etwa 10 µm. Ein in der Anlage integriertes hochauflösendes Kamerasystem ermöglichte zudem eine exakte Bauteilvermessung sowie eine mikrometergenaue Positionierung des Laserfokus. Mikrostrukturierung der Platinschichten Für eine möglichst feine Bearbeitung der dünnen Platinschichten auf den Glasobjektträgern wurden die Versuche mit einer Wellenlänge von 343 nm durchgeführt. Aufgrund der einstellbaren Pulsenergie konnte die Materialbearbeitung knapp oberhalb der Ablationsschwelle erfolgen, um die Sublimation des Materials so exakt und athermisch wie möglich zu gewährleisten. Die Glasobjektträger wiesen eine etwa 110 nm dicke Platinschicht auf, unter welcher sich zusätzlich eine etwa 15 nm dicke Titanschicht befand. Dabei wurden die Laserpulse direkt auf die zu bearbeitenden Platinoberfläche fokussiert. 2

3 Anhand einer Parameterstudie wurde die Ablationsschwelle ermittelt, welche den Grenzwert an nötiger Pulsenergie beschreibt, ab der das Material sublimierend abgetragen wird. Des Weiteren konnte bestimmt werden, ab welchem Wert der Pulsenergie ein vollständiger Abtrag des Platins und Titans mittels einzelner Pulse möglich war. Somit konnte eine prozesszeiteffiziente Bearbeitung erzielt werden, da keine Mehrfachüberfahrten zum vollständigen Abtrag der Nanoschichten erforderlich waren. Die optimale Pulsenergie lag dabei bei 1,25 µj. Als Bearbeitungsstrategie zum gezielten Abtrag der Schichten wurde in einem ersten Schritt die zwischen den Mikrostrukturen befindliche Fläche mittels horizontaler Schraffurlinien abgetragen. Hierbei wurde ein Linienabstand der zueinander parallelen Pfade von 8 µm eingestellt, wobei eine Scannergeschwindigkeit von 1000 mm/s verwendet wurde. Bei einer Pulsfrequenz von 400 khz resultiert daraus ein Pulsüberlapp von etwa 84 %. Die Schraffurlinien wurden dabei mit einem Offset von 2 µm zur Chipstruktur platziert. Nachdem die Konturen mittels Schraffur grob strukturiert wurden, galt es im zweiten Schritt der Bearbeitung diese umrandend für eine abschließende Qualitätsoptimierung nachzuschneiden. Hierfür wurde dieselbe Pulsenergie von 1,25 µj bei einer etwas geringeren Scannergeschwindigkeit von 100 mm/s und einer Pulsfrequenz von 40 khz angewandt. Dier Pulsüberlapp blieb dabei bezogen auf den ersten Bearbeitungsschritt mit etwa 84 % konstant. Die niedrigere Scannergeschwindigkeit ermöglichte eine präzisere Strahlführung, welche die Strukturierung der Chipkonturen mit hoher Genauigkeit abschloss. Abbildung 1 zeigt Ausschnitte der auf die beschriebene Weise strukturierten Chipkonturen auf den Glasobjektträgern. Abbildung 1: Mikrostrukturierte Platin-Schicht auf Glasobjektträger (links); Detailausschnitt eines Sauerstoff-Sensors auf der strukturierten Platin-Schicht (rechts) 3

4 Selektiver Abtrag von Passivschichten Ein weiterer Teil der Untersuchung galt dem selektiven Abtrag von zusätzlich mit Siliziumnitrid beschichteten Glasobjektträgern. Diese zusätzliche dünne Schicht dient im Wesentlichen als resistente Passivierung der darunter befindlichen Platin-Schicht. Es galt zu untersuchen, inwiefern diese mittels ultrakurzer Laserpulse gezielt abgetragen werden kann, um das Platin an bestimmten Stellen unter der Passivschicht freizulegen. Bei den Versuchen fand ebenfalls eine ultraviolette Wellenlänge von 343 nm Verwendung. Bei einer Parameterstudie stellte sich heraus, dass ein gleichmäßigerer Abtrag der Siliziumnitrid-Schicht ohne Mehrfachüberfahrten bei verringerter Fluenz möglich war. Als Testfelder dienten 5x5 mm² große Quadrate, welche mit schrittweise steigenden Pulsenergien und mittels paralleler Schraffurlinien mit einem Abstand von 6 µm zueinander schraffiert wurden. Dabei wurde eine Scannergeschwindigkeit von 1000 mm/s bei einer Pulsfrequenz von 200 khz angewandt, woraus sich ein Pulsüberlapp von etwa 68 % ergab. Die schraffierten Quadrate wurden zudem schneidend mit einer Pulsenergie von etwa 1,4 µj umrandet, um sie auswertend besser erkennbar zu machen. Anhand der schrittweisen Erhöhung der Pulsenergien ergaben sich verschiedene Abtrags-Eigenschaften bei der Schraffur. Abbildung 2 zeigt Ausschnitte von mittels verschiedener Pulsenergien schraffierten Quadraten. Abbildung 2: Schraffur mit Pulsenergie unterhalb der Ablationsschwelle (links); Schraffur mit Pulsenergie zum selektiven Abtrag der SiN-Schicht ohne Abtrag der Pt-Schicht (mittig); Schraffur mit Pulsenergie zum Abtrag der SiN- sowie Pt-Schicht (rechts) 4

5 Diskussion der Ergebnisse Die Mikrostrukturierung von metallischen Nanoschichten mittels ultrakurzer Laserpulse erwies sich als sehr gut geeignet. Durch die Verwendung hochpräziser Mikrobearbeitungsanlagen mit schnellen Scannersystemen konnten präzise Schnitte mit hoher Qualität sowie kurzen Prozesszeiten erreicht werden. Für die komplette Strukturierung einer hier beschriebenen objektträgergroßen Leiterplatte konnten Prozesszeiten von etwa 3 Minuten erzielt werden, welche die Prozesszeiten von konventionellen Herstellungsverfahren deutlich unterschreiten. Zudem ist es möglich, durch eine feinstufige Regelung der Pulsenergie selektiv verschiedene Schichten klar differenziert abzutragen. Aufgrund der nahezu athermischen Bearbeitung mittels ultrakurzer Laserpulse ist dieses Verfahren zudem auf eine große Anzahl von Materialien erweiterbar. Literatur [1] Breitling, D. et al.; Proc. SPIE: Fundamental aspects in machining of metals with short and ultrashort laser pulses; 2004, Vol. 5339, S [2] Dausinger, F. et al.; Proc. SPIE: Micro-machining with ultrashort laser pulses: From basic understanding to technical applications; 2003, Vol. 5147, S [3] Neuenschwander, B. et al.; Proc. SPIE: Optimization of the volume ablation rate for metals at different laser pulse-durations from ps to fs; 2012 Vol. 8243, S [4] Neuenschwander, B. et al.; From ps to fs: dependence of the Material Removal Rate and the Surface Quality on the Pulse duration for metals, Semiconductors and oxides; 2012, Vortrag, International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, Miami, USA. [5] Weiler, S. et al.; Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing; 2007, S [6] Peters, R. et al.; Optik und Photonik: Novel Applications of Ultra-short Pulsed Lasers. Picosecond lasers come of age enabling a broad field of applications in biomedical technology; 2012, No. 4; S [7] Koester, P. J. et al.; Lab Chip, Bd. 10: Modular glass chip system measuring the electric activity and adhesion of neuronal cells - application and drug testing with sodium valproic acid; 2010, Nr. 12, S