Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik Tagungsband: LEF 2010 Hrsg.: M. Schmidt, M. Geiger, C. Kägeler Meisenbach Bamberg 2010 Neue Methode zum Vereinzeln von Keramiksubstraten mit UKP-Lasern E.Steiger Steiger LaserService, Olching Zusammenfassung Es wird eine neue Methode zum Vereinzeln von technischen Keramiksubstraten mit einer Deckschicht aus Silikon mittels eines Ultrakurzpuls-Lasersystems beschrieben, das als innovatives Verfahren eine Alternative zum etablierten Sägen mit Diamantscheiben und bekannten thermischen Lasertrenn- und ritzverfahren darstellt. Nach einer nahezu athermischen Ablation der Silikondeckschicht mit einem Pikosekunden-Laser wird das freigelegte Keramiksubstrat oberflächlich mit demselben Lasersystem angeritzt und in einem weiteren Prozessschritt entlang den so erzeugten Laserspuren gebrochen. Diese Methode vereinzelt mit hoher Prozessgeschwindigkeit, hervorragender Kantenqualität und nahezu ohne thermische Einflusszonen im Silikon und dem Keramiksubstrat kleinste Baugruppenteile mit Einzeldevicegrössen kleiner als 3 x 3 mm 2 und Bearbeitungsgeschwindigkeiten von mehr als 60 mms -1. Schlagworte: Mikromaterialbearbeitung, Athermisches Laserstrahlritzen, Ultrakurzpuls-Laser, Keramik, Silikon, Prozessgeschwindigkeit, Ausbeute Dipl.-Phys. Erwin Steiger Steiger LaserService, 82140 Olching, Email: info@steiger-laserservice.de
2 E. Steiger 1 Einleitung Als Standardmethode zum Vereinzeln von elektronischen und opto-elektronischen Bauelementen hat sich das mechanische Trennen mittels Diamantsägen seit langem etabliert, insbesondere in der Halbleiterfertigung mit Si als Trägermaterial. Andere Verfahren, wie das Laser- und Wasserstrahlschneiden, sowie das Trennen der Einzelbauteile durch Dehnen der Trägerfolie nach vorangegangener Erzeugung von Sollbruchstellen innerhalb des Basismaterials, spielen hierbei eher eine untergeordnete Rolle. Thermische Laserstrahl-Separierverfahren [1 3] sind, insbesondere für spröde dünne Substrate und Wafer (< 400 µm), aufgrund des hohen Durchsatzvermögens und der hervorragenden Bruchkantenqualität besser geeignet als das mechanische Verfahren mit der Diamantsäge, besitzen jedoch auch technologiebedingte Nachteile. So ist beim TLS-Verfahren [1] ein kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials erforderlich, gleichzeitig darf jedoch die Wärmeleitung des Substrats nicht zu hoch sein. Des Weiteren müssen die optischen Eigenschaften des zu trennenden Materials so beschaffen sein, dass die verwendete Laserstrahlung optimal absorbiert wird, um thermische Veränderungen des Materials zu minimieren. Bei dicken Substraten (> 400 µm) verliert das TLS-Verfahren jedoch seine wesentlichen Vorteile im Vergleich zum mechanischen Trennverfahren, wobei aber immer noch die relativ hohen Kosten für einen häufigen Sägeblattwechsel entfallen. Bei amorphen Materialien wie Keramik entsteht mit dem TLS-Verfahren ein Bruch definierter Tiefe, der in einem zweiten Prozessschritt durch mechanisches Brechen oder erneuter Energiezufuhr vollständig getrennt wird. Dieser zweite Prozessschritt wird auch in dem nachfolgend beschriebenen Verfahren angewandt, wobei als Energiequelle kein thermisch wirkendes Lasersystem, sondern ein Ultrakurzpuls-Lasersystem zu Einsatz kommt. Ultrakurzpuls-Laser zeichnen sich insbesondere durch extrem kurze Pulsdauern aus (ps = 10-12 s bzw. fs = 10-15 s), verbunden mit Spitzenleistungen im GW- Bereich und Repetitionsraten bis zu einigen MHz. Aufgrund ihrer extrem hohen Spitzenleistungen bzw. Pulsenergiedichten können diese Laser vorteilhaft zur nahezu athermischen Ablation von Schichtsystemen und Materialvolumina in der Mikromaterialbearbeitung eingesetzt werden [4,5]. Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten derartiger Laser in den unterschiedlichsten Fertigungstechnologien sind ausführlich in [6-8] beschrieben.
Neue Methode zum Vereinzeln von Keramiksubstraten mit UKP-Lasern 3 2 Material und Methoden Bild 1 zeigt den Querschnitt durch das zu vereinzelnde Test-Keramiksubstrat (Al 2 O 3, 360 µm dick), mit einer Deckschicht aus Silikon (WACKER SilGel 612 A/B, 200 µm dick). Innerhalb dieser klaren und durchsichtigen Silikonschicht befinden sich die Goldkontakte (90 µm dick), die ansonsten für Bondzwecke frei liegen. Die transparente Silikonschicht wird in einem späteren Prozessschritt über dem gebondeten LED-Chip zu einer Linse verformt, um das von der LED emittierte Licht weiter zu bündeln. Das Substrataußenmaß betrug 85 x 60 mm 2, der Devicebereich 76 x 44 mm 2. Aus einem derartigen Substrat können 294 einzelne Bauelemente mit einer Devicegröße von 3 x 3 mm 2 hergestellt werden, wozu 22 x 15 Ritzspuren im Devicebereich nötig sind. Bild 1: Schichtaufbau Test-Keramiksubstrat mit Silikondeckschicht Die technologische Aufgabenstellung bestand darin, die einzelnen Bauelemente mittels fokussierter Laserstrahlung in einem einzigen Bearbeitungsgang entlang den lediglich 200 µm breiten Strassen zwischen den einzelnen Elementen bis auf die Keramikoberfläche zu ritzen, ohne dass die Silikonschicht seitlich verschmort bzw. starke thermische Einflusszonen aufweist und dadurch die Haftung zum Substratmaterial bei nachfolgenden Prozessschritten verliert (Bild 1). Für den anschließend vorgesehenen Brechvorgang mit einer speziellen Brechmaschine hat sich eine Ritztiefe von ca. 30% der Substratdicke (hier ca. 100 µm) als ausreichend erwiesen, wie sie beispielsweise mit einem thermischen CO 2 Lasersystem einfach zu erreichen ist. Zusätzlich hilfreich ist zudem eine V-förmige Ausbildung der Ritzstruktur.
4 E. Steiger Bild 2 zeigt in Draufsicht einen Teil des Test-Keramiksubstrates mit einer Laser-Ritzspur rechts, Bild 3 einen vergrößerten Ausschnitt mit dem lasererzeugten Graben. Thermische Einflusszonen im Silikon sind in beiden Fällen nicht zu erkennen, was auf eine nahezu athermische Ablation der Silikondeckschicht schließen lässt. Da sich die Silikonschicht und das Keramiksubstrat in wesentlichen physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Schmelztemperatur, spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit um Größenordnungen unterscheiden, sind die oben angeführten Vorgaben der Aufgabenstellung mit thermisch wirkenden Lasersystemen nicht zu erreichen. So besitzt die Silikonschicht eine Dichte von 0,97 g cm -3 (Al 2 O 3 : 3,95 g cm -3 ) und eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich 0,07 W m -1 K -1 ( bei 124 C ), Aluminiumoxid hingegen ca. 20 W m -1 K -1 (Faktor 300 größer!). Unter Berücksichtigung der äußerst unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der beiden zu bearbeitenden Materialien wurde als Laserquelle ein Ultrakurzpuls-Laser mit einer Pulsdauer von 9,4 ps (FWHM) und einer Wellenlänge von 1064 nm für die Experimente ausgewählt. Aufgrund seiner extrem kurzen Pulsdauer im Vergleich zu anderen gepulsten bzw. gütegeschalteten Laser, können mit relativ geringen Einzelpulsenergien (Größenordnung 10 300 µj) Spitzenleistungen im GW-Bereich erzielt werden, die Festkörper ohne konkurrierende thermische Prozesse sofort in den gasförmigen Zustand überführen können, und dies nahezu wellenlängenunabhängig [5]. Der verwendete UKP-Laser ermöglichte Pulswiederholfrequenzen von bis zu 100 khz, mit einer maximalen mittleren Leistung von 2,7 Watt (picoregen IC- 1500 ps Nd:VAN REG AMP). Bei 10 khz emittiert das Lasersystem Pulse mit einer Einzelpulsenergie von 270 µj, bei 100 khz verringert sich die Pulsenergie systembedingt auf 17 µj. Das Strahlprofil ist dabei leicht elliptisch mit einem Strahldurchmesser von 1,81/1,84 (X/Y-Richtung) und M 2 = 1,10/1,25. Nach einer Aufweitung des Laserstrahls mit einem motorisierten Strahlaufweitungssystem (2x 8x, Sill Optics GmbH) wurde der Laserstrahl in die Eintrittsöffnung eines schnellen X/Y-Scannerkopfs (SUPERSCAN-10, Raylase AG) eingekoppelt und mit einem telezentrischen F-Theta-Objektiv mit einer Brennweite von 160 mm (Sill Optics GmbH)auf die Silikonoberfläche fokussiert. Das Lasersystem, der Strahlaufweiter, der XY-Scanner und die X/Y-Kombination aus linearen Antriebstischen (Aerotech GmbH) wurden über einen gemeinsamen Laptop- Rechner mit einer speziellen Steuersoftware (SCAPS GmbH) betrieben. Bild 4 zeigt einen schematischen Überblick zum beschriebenen Anlagenaufbau.
Neue Methode zum Vereinzeln von Keramiksubstraten mit UKP-Lasern 5 Bild 2: Teilansicht Test-Keramiksubstrat mit Laserspur rechts Bild 3: Vergrößerte Teilansicht Silikonschicht mit Lasergraben
6 E. Steiger Bild 4: Versuchsaufbau zum Laserritzen mit UKP-Lasern (schematisch) 3 Ergebnisse Aufgrund der stark unterschiedlichen Materialeigenschaften von Silikon und Keramik konnte mit einem einzigen Laserspurzug hoher Einzelpulsenergie (270 µj) bei einer gleichzeitig systembedingten Repetitionsrate von 10 khz das gewünschte Endergebnis gemäß Bild 1 nicht erreicht werden. Die thermische Einflusszone in der Silikonschicht erwies sich als zu groß (Bild 5), obwohl eine ausreichende Ritztiefe im Keramiksubstrat erzeugt werden konnte. Systembedingt betrug die Scangeschwindigkeit lediglich 5 mm s -1, da mit einer maximalen mittleren Leistung von 2.7 Watt des UKP-Lasersystems sonst kein ausreichender Materialabtrag zu erzielen war. Die Spurbreite im Silikon betrug unter diesen Bedingungen gemäß mikroskopischer Vermessung 87,6 µm, die thermische Einflusszone lag bei nahezu 450 µm. Das Ergebnis der Änderung der Bearbeitungsstrategie, verbunden mit einer Pulsfrequenzänderung von 10 khz auf 100 khz, zeigt Bild 6. Bei einem Mehrfachscan mit einer Einzelpulsenergie von 17 µj und einer Repetitionsrate von 100 khz zeigen sich weder an der Silikonoberfläche (Bild 6), noch am Silikonboden, d.h. an der Keramikoberfläche, bedeutende thermische Einflusszonen (Bild 7). Der Ablationsgraben ist vielmehr an den Seiten glatt und keilförmig, mit einer Breite von 68.9 µm an der Lasereintrittsseite und ca. 20 µm an
Neue Methode zum Vereinzeln von Keramiksubstraten mit UKP-Lasern 7 der Silikonunterseite Gleichzeitig ist das Keramiksubstrat mit noch unbekannter Tiefe geritzt. Bild 5: Ablationsgraben in der Silikonschicht bei ungünstigen Systemparametern Bild 6: Graben an der Silikonoberfläche bei optimalen Parametern
8 E. Steiger Bild 7: Graben an der Keramikoberseite bei optimalen Parametern Mit Hilfe eines kommerziellen Brechautomaten wurden die so behandelten Testsubstrate gebrochen und die resultierenden Bruchkanten mikroskopisch untersucht (Bild 8). Bedingt durch die höhere Einzelpulsenergie des letzten Scans auf der Keramikoberfläche zeigt sich dort eine leichte thermische Veränderung des Keramikmaterials in der Größenordnung von ca. 70 µm, ansonsten sind die Bruchflächen glatt und unauffällig. Diese Ergebnisse lassen deshalb folgende Bearbeitungsstrategie gemäß den Vorgaben von Bild 1 als naheliegend erscheinen: Sequenzieller Silikonabtrag mit hoher Pulswiederholfrequenz (Größenordnung 1 2 MHz) und hoher Scangeschwindigkeit (Größenordnung 100 200 mm s -1 ) im Mehrfachpass mit geringer Einzelpulsenergie (Größenordnung 50 100 µj) und abschließendem Einzelpass höherer Pulsenergie (Größenordnung 100 200 µj) zum Keramikritzen. Dies erfordert ein UKP-Lasersystem mit einer mittleren Leistung von ca. 50 Watt, das derzeit von mehreren Anbietern kommerziell am Markt verfügbar ist. Mit dem verwendeten Pikosekunden-Laser konnten bereits Scangeschwindigkeiten von bis zu 60 mm s -1 erreicht werden.
Neue Methode zum Vereinzeln von Keramiksubstraten mit UKP-Lasern 9 Bild 8: Keramikbruchfläche nach dem UKP-Laserritzen 4 Zusammenfassung und Ausblick Es wurde eine neue Methode zum Vereinzeln von Keramiksubstraten mit einer Deckschicht aus Silikon mittels eines Pikosekunden-Lasersystems vorgestellt, um LED-Bauteile mit kleiner Abmessung schnell und mit hoher Ausbeute als Alternativprozess zum mechanischen Verfahren mit einer Diamantsäge herzustellen. Mit einer speziell angepassten Bearbeitungsstrategie lässt sich die Silikonschicht nahezu athermisch mit hoher Prozessgeschwindigkeit abtragen und das keramische Substratmaterial mit geringen thermischen Einflusszonen anritzen. Ein Brechautomat trennt dann in einem weiteren Bearbeitungsschritt beide Materialien mit hoher Kantenqualität ohne die Silikonschicht zu beschädigen oder abzuheben. Eine weitere Prozessoptimierung ist durch die Verwendung eines UKP- Lasers mit höherer mittlerer Leistung möglich. Des weiteren kann das Strahlprofil des Lasers mit Hilfe einer speziellen Strahlformungsoptik nach der Strahlaufweitung und vor dem Eintritt des Laserstrahls in den Scanner so modifiziert bzw. optimiert werden, dass eine verbesserte Strahlfokussierung an der Silikonoberfläche im Vergleich zur Gaußschen Intensitätsverteilung erreicht wird. Zu einer weiteren Verbesserung der Silikonablation kann auch ein sogenanntes
10 E. Steiger Tophat-Strahlprofil beitragen, das die Grabenform eher rechteckiger erscheinen lässt. 5 Literatur [1] Zühlke, H.-U. et al.: Waferdicing mit dem TLS-Verfahren. In: Geiger, M.; Schmidt, M.; Kägeler, C. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik, Bamberg: Meisenbach (2008). S. 188-196 [2] Tsai, C.-H.; Shin, J.-S.: Laser cutting ceramics using an unstable fracture technique. In: Journal of Laser Applications 21, 1 (2009). S. 57 62 [3] Yamamoto, K. et al.: Partial growth of crack in laser scribing of glass. In: Journal of Laser Applications 21, 2 (2009). S. 67 75 [4] Steiger, E. et al.: Micro-processing and structuring of Si and CIS thin-film solar cells with an ultrafast picosecond laser. In: LAMP 2009, 5 th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (2009), Kobe, Japan [5] Chichkov, B.N. et al.: Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids. In: Appl. Phys. A 63 (1996). S. 109 115 [6] Dirschl, M.: Ultrakurzpulslaser Grundlagen und Anwendungen. In: Bayerisches Laserzentrum ggmbh (Hrsg.): BLZ Anwenderfibel, Band 2, Erlangen: Gruner (2005) [7] Sucha, G.: Overview of Industrial and Medical Applications of Ultrafast Lasers. In: Fermann, M.E.; Galvanauskas, A.; Sucha, G. (Hrsg.): Ultrafast Lasers Technology and Applications, New York/Basel: Dekker (2003) [8] Nolte, S.: Micromachining. In: Fermann, M.E.; Galvanauskas, A.; Sucha, G. (Hrsg.): Ultrafast Lasers Technology and Applications, New York/Basel: Dekker (2003)