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Oberflächenbearbeitung mit Lasern

Oberflächenbearbeitung mit Lasern

Bei der Herstellung von hochintegrierten elektronischen Schaltkreisen sind Laser in Verbindung mit lithographischen Verfahren unentbehrlich geworden. Ebenso lassen sich Laser aber auch direkt zur Strukturierung von Bauelementen oder zur Nachbearbeitung von Oberflächen heranziehen. Abhängig von den Materialien sowie den jeweiligen Eigenschaften der verwendeten Laser, die sich in ihrer Wellenlänge (vom fernen Infrarot über das sichtbare Spektrum bis in den UV-Bereich) ebenso wie in ihrer Betriebsart (kontinuierlicher oder gepulster Betrieb) unterscheiden können, sind sehr unterschiedliche Wirkungen bei der Bestrahlung zu beobachten, die sich von einer einfachen Erwärmung, dem Aufschmelzen eines lokalen Bereichs, der Verdampfung von Material bis zum quasi explosionsartigen Ablösen sehr dünner Schichten (Ablation) erstrecken können.

Insbesondere die Ablation ermöglicht einen sehr kontrollierten und lokalisierten Abtrag von einzelnen Lagen, ohne dass es zu einer erhöhten thermischen Belastung von angrenzenden oder darunter liegenden Schichten kommt. Die Vorraussetzung dafür, dass sich bevorzugt dieser Prozess ausbildet, ist die Einkopplung von möglichst kurzen, sehr intensiven Laserpulsen mit Wellenlängen bevorzugt im ultravioletten Spektralbereich.

Ein Spezialfall der Strukturierung bzw. Laserbearbeitung ist die Präparation oder Reinigung von Oberflächen im Rahmen eines Herstellungs- oder Prozessablaufs. So wirken sich Schmutz, Staub oder Feuchtigkeit bei der Fertigung von Schaltkreisen oder optischen Komponenten besonders störend aus und können zur Funktionsunfähigkeit dieser Bauelemente führen. Die bisherigen Laserreinigungssysteme sind allerdings i.a. darauf ausgerichtet, die oberste Schicht einer Oberfläche vollständig zu entfernen, um anhaftende Verschmutzungen oder Lackschichten abtragen und dann eine neue Versiegelung der Oberfläche vornehmen zu können.

Im Unterschied hierzu wird an der Professur LT&WK untersucht, wie eine Reinigung von z.T. sehr empfindlichen Oberflächen wie Kunststoff- oder Lackschichten erreicht werden kann, indem nur eine sehr dünne Lage von wenigen Mikrometern der obersten (Deck)-Schicht zusammen mit den anhaftenden Verunreinigungen entfernt wird, ohne dabei die schützende Funktion der Schicht oder der zugrunde liegenden Struktur zu zerstören.

Hierzu wurde ein Laser-System entwickelt, das für eine weitgehend automatisierte Oberflächenbearbeitung von Objekten geeignet ist. Als Laser kommt ein Kryptonfluorid-Excimerlaser zum Einsatz, der hochenergetische gepulste Laserstrahlung von typisch 10 ns Dauer im ultravioletten Spektralbereich bei einer Wellenlänge von 248 nm aussendet. Die Strahlung wird in so kurzer Zeit und mit so hoher Intensität (etwa 100 MW/cm²) in der obersten Lage plaziert, dass hierdurch thermische Effekte weitgehend übersprungen werden und stattdessen eine sehr dünne Schicht ablatiert wird.

Um eine weitgehend einheitliche und gleichmäßige Bearbeitung der Oberflächen zu gewährleisten, wird das Strahlprofil durch einen Strahl-Homogenisierer in Form und Intensität rechteckförmig gewandelt und zur Intensitätserhöhung auf ca. 2 x 2 mm² fokussiert.

Strahlprofil hinter dem Homogenisierer

Über zwei galvanometrische Scanner kann der Strahl über die zu bearbeitende Fläche geführt werden. Die Stellrate und damit die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist der Pulsfrequenz des Lasers (bis 1 kHz) angepasst und erlaubt dadurch einen äußerst schnellen und automatisierten Reinigungsprozess. Eine genaue Positionierung des Lichtstrahls stellt eine homogene, konstante und zuverlässige Bestrahlung jedes Oberflächenelements mit nahezu identischer Intensität sicher.

Strahlformungs- und Ablenkeinheit

Untersuchungen mit diesem Prototyp zeigen, dass bei Optimierung der relevanten Laserparameter wie Pulsenergie, Spitzenintensität, Pulsfrequenz, Pulszahl und Formung des Strahlprofils einerseits eine leistungsfähige Reinigung ohne Funktionsbeeinträchtigung der Oberfläche erreicht wird und andererseits hiermit eine sehr gezielte und kontrollierbare Oberflächenstrukturierung möglich ist. Der rechnergesteuerte Betrieb garantiert einen einheitlichen und kontinuierlichen Ablauf sowie eine benutzerfreundliche Handhabung des Systems. Über eine Absaugdüse können abgelöste Fremd- oder Schadstoffpartikel zuverlässig entsorgt werden.

Aktuelle Anwendungsfelder

Reinigung und Strukturierung von Substraten in der Halbleiterfertigung
Reinigung und Präparation von optischen Komponenten unter Ultrahochvakuumbedingungen
Sterilisierung von Instrumenten, die giftigen Chemikalien oder infektiösen Bakterien ausgesetzt sind
Dekontaminierung von radioaktiv verseuchten Geräten
Reinigung von Lackschichten und Farbanstrichen
Restaurierung von Gemälden.