Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Bodo Wojakowski 14.01.2010 1
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
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
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 ( 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
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Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik Automotive Mikrosensorik Medizin ( Hornhautkorrektur ) LASIK Implantate Chirurgie Werkzeugtechnik Schneidkantenverrundung Selektive Materialhärtung Spanleitstufen 7
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
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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 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: ~ 10-30 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
Vorteil der Ultrakurzpuls-Laserstrahlung!! τ H = 3,3 ns Minimale Wärmeeinflußzonen Hohe Reproduzierbarkeit!! τ H = 200 fs Riß- und schmelzfreier Abtrag Reduzierte Abtragsschwelle 17
Femtosekunden-Laser: kalter Abtrag Exponate Puzzle Streichholzkopf 18
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Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen Bohren Strukturieren Schneiden Fügen Nanosekundenlaser Ultrakurzpulslaser (ps, fs) Excimerlaser 20
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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
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 Bohne Reiskorn 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 ( Länge (5 µm auf 150 mm 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 Festplatte [FUJIKURA] [FUJIKURA] [FUJIKURA] FFC Arbeitspeicher Schaltgerät [TAYCOENG] [ROFIN] [ROFIN] Forschung und Entwicklung 2 30
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 002-064 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 SEM Polished cross section Shear Force [ N ] 11 10 9 8 7 6 5 4 3 500 550 600 650 700 750 800 850 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
Projekt Laser in der Photovoltaik Arbeitspaket: Laserfügen für eine kostengünstigere Modulherstellung Zellverbinder ( verzinnt/versilbert (Kupfer Laserstrahlung Sammelsteg der Emitterelektroden ( Silber ) 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
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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 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 Nd:VAN @ 12ps 10µJ @ 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
Verrundung von Werkzeugschneidkanten Kantenverrundung mittels grüner ps-laserstrahlung Gespante Kante Nachbearbeitete, Verrundete Kante 39
Bearbeitung von Polykritallinem Diamant (PKD) 40
Laser-Feinstrukturierung von Metall- Dünnschichten PVD-Vorbeschichtete Folie Feinstrukturierte Folie Metallschicht ~1µm 41
Laser-Feinstrukturierung von Metall- Dünnschichten 42
µ-stereolithographie Wischer Bauplatte UV- Laserstrahlung ( nm (Nd: YAG, 355 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
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Femtosekundenlaser Pulsenergie: 1mJ Rep.rate: 500kHz Pulslänge: <500fs 47
Trennen mit Femtosekuden Ti:Saphir- Laserstrahlung BK7 Wolfram Tantal SMA Nickel Silizium 48
Bohren mit Femtosekunden Ti:Saphir- Laserstrahlung Diamant Stahl Zahn Silizium Suprasil 49
Mikrobearbeitung mit fs-pulsen Bohren von Einspritzdüsen Stents schneiden Quelle: Renault 0.15 mm 50
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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
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
Materialabtrag mit Maskenprojektionsverfahren 54
Mit Excimerstrahlung beschriftetes Haar 55
Anwendungsbeispiele Excimerlaser Kunststoff Keramik Keramik 15979 100 µm 1000 µm 40 µm Glas Keramik Glas 300 µm 20 µm 300 µm 56
Glasbearbeitung mit dem Excimerlaser ( nm Quarzglas (157 ( nm BK7 (193 ( nm BK7 (193 Mit dem Co2-Laser ( geglättet ) nachbearbeitet Saphirpyramide 57
Industrielle Applikationen II - Kunststoffe - Kabelbeschriftung mit dem Excimer-Laser 58
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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