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Inhalt
• Einleitung– Mikrotechnik allgemein
–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik
– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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Inhalt
• Einleitung– Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik
– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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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– …
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Methoden der Mikrotechnik
• Galvanik (elektrochemisches Abscheiden)• Fotolithographie (mittels Belichtung und Maskentechnik) • herkömmliche Fertigungsverfahren ( Schleifen, Fräsen,
Spanen..) • Ätzen (mit Lösungsmitteln) • Funkenerosion (Entladungsvorgänge zwischen Elektrode
und Werkstück)• Liga (Litographie + Galvanik)• Lasertechnik
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Inhalt
• Einleitung– Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik
– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– Ti:Sa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Automotive– Mikrosensorik
• Medizin– LASIK (Hornhautkorrektur)– Implantate– Chirurgie
• Werkzeugtechnik– Schneidkantenverrundung– Selektive Materialhärtung– Spanleitstufen
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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)
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Inhalt
• Einleitung– Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik
– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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Wirkungsprinzip des Lasers
1. Erwärmung der Elektronen im Material
2. Wärmeaustausch Elektronen→Atome
3. Schmelzung4. Verdampfung
Vorteile: berührungslospräzise material-unabhängig
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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
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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 fszurück.
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Kurze Pulse
Pulsenergie Q:Q=P/fRP: DauerleistungfR: Repetitionsrate
Pulsspitzenleistung Pp:Pp=Q/TT: Pulslänge
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Wirkungsprinzip des Lasers
1. Erwärmung der Elektronen im Material
2. Wärmeaustausch Elektronen→Atome
3. Schmelzung4. Verdampfung
Vorteile: berührungslospräzise material-unabhängig
UltraKurzPuls (UKP)- Lasers
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Photons
Ablation
Energycoupling
Diffusion
Electrons
?
Lattice
Equili-brium
Lattice
Photons
Ablation
Equili-brium
Diffusion
Electrons
ns•Einzel-Photon Absorption•Optische Eindringtiefe:< 1 µm
(UV, Dielektrika)•Thermische Diffusion bei tP > 10
ps (Metalle)•Schädigung des Gitters
Lattice
Photons
Ablation
Energycoupling
Diffusion
Electrons
fs•Multi-Photon Absorption•Optische Eindringtiefe:
~ 10 - 30 nm• Keine thermische Diffusion•"Kalter Abtrag"
fs ps ns
Bohren von Silizium
Pulslänge und Abtragsmechanismen
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Vorteil der Ultrakurzpuls-Laserstrahlung
τH = 3,3 ns τH = 200 fs
!!
Riß- und schmelzfreier Abtrag Reduzierte Abtragsschwelle
!!
Minimale Wärmeeinflußzonen Hohe Reproduzierbarkeit
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• Einleitung– Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik
– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
Bohren Strukturieren Schneiden Fügen
ExcimerlaserUltrakurzpulslaser (ps, fs)Nanosekundenlaser
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Inhalt
• Einleitung– Mikrotechnik
–Anwendungsgebiete derMikrotechnik–Methoden der Mikrotechnik
– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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Nd:YAG Nanosekunden Laser
Polarisator Laserdioden
λ /4 Scheibe
Teleskop
Strahlteiler Strahlfalle
Strahl-falle
SHG Modul
= 532 nmλ
= 1064 nmλ
Q switch Kristall
SpiegelSpiegel
Wellenlänge Pulsfolgefrequenz Pulsenergie
Pulsdauer Strahlqualität
: = 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm: f = 1000 Hz: Q = 8 mJ (1), 5 (2) ,
(4) 1 ,(3) 3: = 10 ns: TEM
τ
p
H
00
Kennwerte & Daten
Pulserzeugung durch Güteschaltung
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Strahlprofil des Festkörperlasers
Gaußförmiges Strahlprofil => Gaußförmiger Abtrag => schiefe Kanten
Nicht geeignet für einen scharfkantigen Abtrag in der Mikrobearbeitung
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Projekt „Laser in der Photovoltaik“
Arbeitspaket:Laserstrukturieren und Bohren von Silicium für neue Hocheffizienzkonzepte
Arbeitspaket:Lasertextur für die Verbesserung der Lichteinkopplung inmultikristalline Silicium-Solarzellen
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Chirurgisches Werkzeug:Anlassbeschriftung mittels Nd:YAG-Laser
Funktionsspezifische KennzeichnungOberflächenbeschaffenheit bleibt erhalten,
Keime können nicht in Beschriftungskerben anhaften
Halogenlampe:Beschriftung von Metall mittels Nd:YAG-Laserim montiertem Zustand durch Glas hindurch
Meßschieber:Gravur von Metall mittels Nd:YAG-Laser20 s BearbeitungszeitHohe Genauigkeitsanforderungen (5 µm auf 150 mm Länge)
Beschriftung: industrielle Applikationen
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Medizin:• Orthopädische Instrumente• Diagnostische Instrumente• Herzschrittmacher• Implantate
Kommerzielle Produkte:• Kugelschreiber• ID / Scheck - Karten• ID-Tags für Nutztiere• Brillengläser
Beschriftung
Beispiel: ROFIN-SINAR Laser GmbH
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[ROFIN]
FestplatteKameraFPC
SchaltgerätArbeitspeicherFFC
[ROFIN]
[FUJIKURA] [FUJIKURA][FUJIKURA]
[TAYCOENG]
Forschung und Entwicklung 2
Mikrofügen mit 1064 nm
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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.
© LZH
Einfluss der Pulsform auf die Schweißqualität
Unbearbeitet Beschädigt Gute Schweißung
Forschung und Entwicklung 4
3 dm
id02
_002
JZ3-
DM
ID00
2-06
4
Pulsdauer (%)
Q = 1,8 J
Pulsdauer (%)
Q = 1,8 J
Beschädigung
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Methoden der Charakterisierung
SEM
Polished cross section
Sheartest
3
4
5
6
7
8
9
10
11
500 550 600 650 700 750 800 850
Pulse Peak Power [ W ]
Shea
r For
ce [
N ]
0,60 ms 0,65 ms 0,70 ms 0,75 ms0,80 ms 0,85 ms 0,90 ms
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Projekt „Laser in der Photovoltaik“
Arbeitspaket:Laserfügen für eine kostengünstigere Modulherstellung
Zellverbinder(Kupfer verzinnt/versilbert)
Sammelsteg der Emitterelektroden(Silber)
Silicium
Laserstrahlung
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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
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Inhalt
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– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
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Pikosekundenlaser
Pulslänge < 8.5 ps
1064 nm, f 1000 kHz, P: 50 Watt
Pulslänge < 15 ps
1064 nm, f < 60 kHz, P: 8 Watt532 nm, f < 60 kHz, P: 5 Watt
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Riblets für Turbinenschaufeln mit Pikosekundenpulsen
Hergestellte Ribletgeometrien zur Vermessung im WindkanalAktuelle Widerstandverminderung: 7%
Berechnete Idealgeometrie:• Typ. Aspektverhältnis: 0,5Für Luft bei Mach 0,8:• Rippenhöhe: 20µm• Rippenabstand: 40µm
Berechnete Idealgeometrie:• Typ. Aspektverhältnis: 0,5Für Luft bei Mach 0,8:• Rippenhöhe: 20µm• Rippenabstand: 40µm
• Verringerung von Reibungsverlustenan der Schaufeloberfläche (bis 8%)
• Steigerung der Effizienz• Geringere Schaufelverschmutzung• Verminderter Wartungsaufwand
• Verringerung von Reibungsverlustenan der Schaufeloberfläche (bis 8%)
• Steigerung der Effizienz• Geringere Schaufelverschmutzung• Verminderter Wartungsaufwand
• Nd:VAN @ 12ps• 10µJ @ 50kHz• 12 min/cm2
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Verrundung von Werkzeugschneidkanten
Nachbearbeitete, Verrundete KanteGespante Kante
Kantenverrundung mittelsgrüner ps-Laserstrahlung
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Laser-Feinstrukturierung von Metall-DünnschichtenPVD-VorbeschichteteFolie
Feinstrukturierte Folie
Metallschicht ~1µm
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Wischer
Bauplattform
Bauplatte
UV- Laserstrahlung(Nd: YAG, 355 nm)
Polymeroberfläche
µ-Stereolithographie
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µ-Stereolithographie
Struktur CAD Modell Mikro-CT Aufnahme Soll-Ist-Vergleich(grüner=besser)
CT-Bilder von phoenix|x-ray (GE S&I)
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• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– Ti:Sa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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Quelle: Renault
Mikrobearbeitung mit fs-Pulsen
0.15 mm
Bohren von Einspritzdüsen Stents schneiden
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– Industrieller Einsatz des Lasers in der Mikrotechnik
• Lasersysteme, Prinzipien und Anwendungen
– Nd:YAG Nanosekunden Laser– Nd:YVO4 Picosekundenlaser– TiSa Femtosekundenlaser– Excimer Laser
µ-Zahnrad ausSilizium
Mit Laserstrahlung gefügterElektronikchip
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0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
F2 (157 nm)
ArF (193 nm)
KrF (248 nm)
XeCl (308 nm)
XeF (351 nm)
• Excimer = Exited Dimer• Gaslaser• Dreierstoßkombination:
Photonenenergie der Excimerlaser
Strahlprofil
NeKrFNeFKrKreKre
FFFe
+→++
+→+
+→++−−
−−
*
2
2
Excimer-Laser
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Strahlformung- Festkörperlaser/Excimer -
Bearbeitung
WerkstückFokussierlinse
Abbildungslinse
WerkstückMaske
Fokussierung
Maskenprojektion
Excimer-LaserWellenlänge: λ = 351, 308, 248 und 193 nmPulsenergie: Q = 400, 600, 800 und 500 mJ
Pulsfrequenz : fp = 250 HzX
Nd:YAG-Laser- frequenzkonvertiert -
Wellenlänge: λ = 1064, 532, 355 und 266 nmPulsenergie: Q = 8, 5, 3 und 1 mJ
Pulsfrequenz : fp = 2000 Hz
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Anwendungsbeispiele Excimerlaser
Keramik Keramik
Keramik Glas
40 µm
1597
9
100 µm
Glas
300 µm
Kunststoff
20 µm 300 µm
1000 µm
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BK7 (193 nm) BK7 (193 nm) Quarzglas (157 nm)
Glasbearbeitung mit dem Excimerlaser
Mit dem Co2-Laser nachbearbeitet (geglättet)
Saphirpyramide
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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
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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 WechselwirkungLaserstrahl / Materie. In die diesem Zusammenhang wurde der „Kalte Abtrag“ definiert. Erklären Sie die Zusammenhänge und skizzieren Sie ein Bearbeitzugsbeispiel.