Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser für Produktivitätssteigerung nutzbar machen

Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung: BMBF-Verbundprojekt SEMILAS entwickelt innovatives Optikkonzept für das Schneiden von Halbleiterwafern und refraktären Metallen.

Bild 1: Drei parallele Linien einjustiert in die Trenngräben zwischen LEDs auf einem 150mm Wafer. Nebenmaxima werden durch eine Blende vom Wafer fern gehalten. Bild: OSRAM Opto Semiconductors, Ralph Wagner

Bild 2: Abtragsprozess mit einer 150mm langen Linie auf einem Halbleiter-Wafer. Bild: OSRAM Opto Semiconductors, Ralph Wagner

07.03.16

OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Dr. Ralph Wagner, BMBF-Verbundprojekt SEMILAS

Für die hochpräzise Bearbeitung mit minimaler Einflußzone bieten Ultrakurzpuls(UKP)laser mit Femto- oder Pikosekundenpulsdauer (1 Pikosekunde = 0,000.000.000.001 Sekunden) erhebliche Vorteile gegenüber Laser mit Nanosekundenpulsdauer. Bei letzteren wird deutlich mehr Wärmeanteil in das Material eingebracht. Dadurch kann das verbleibende Material mikroskopisch geschädigt werden. Bei UKP-Lasern wird das Material eher in kleinen Portionen verdampft und wenig verbleibendes Material verändert.

Um bei den kleinen Portionen praktikable Abtragsraten zu erzielen, sind große Repetitionsraten und mittlere Leistungen erforderlich. Um eine lokale Wärmeansammlung zu vermeiden muss die Leistung linear oder flächig verteilt werden. Mit dem Verbundprojekt „SEMILAS“ konnte erfolgreich ein Optikkonzept demonstriert werden, mit dem dieses Prinzip für das Schneiden von Halbleiterwafern nutzbar gemacht wird.

Wie bringt man die ps auf die (Trenn-)Straße?

In dem vom BMBF geförderten Projekt „System- und Prozesstechnik zum Präzisionsschneiden von Halbleitern und refraktären Metallen mit Ultrakurzpulslasern“ (SEMILAS) hat ein Verbund aus Industriepartnern und einem Institut eine Polygonscanneroptik mit hervorstechenden Eigenschaften demonstriert. Mit dieser Optik kann ein Ultrakurzpulslaser großer Leistung und großer Pulswiederholrate seine Leistung „auf die Straße bringen“ ohne durch lokalen Wärmestau die Vorteile der teuren Ultrakurzpulsstrahlung wieder zunichte zu machen.

Das Geheimnis ist die flächige Verteilung der Energie. Zum einen wird dies durch ultraschnelles Scannen erzielt. So wird die Energie für das Material eher als Linie „wahrgenommen“ anstatt als langsam bewegter Fokuspunk. Zusätzlich gibt es die optionale Möglichkeit, die Energie in eine weitere Dimension zu verteilen, indem aus der einen Linie drei parallele Linien mit variablem Abstand gemacht werden. Damit lässt sich noch einmal mehr mittlere Leistung eines Lasers in Produktivität umwandeln, ohne störende Wärmeffekte zu erhalten. Der Scanvorgang ist mit über 100m/s so schnell, dass die Wärmeleitung quasi nicht mitkommt.

Besondere Optikeigenschaften ermöglichen Wafertrennen

Start und Endpunkt der Linie lässt sich auf einer Strecke von über 150mm frei festlegen. Die Liniengeradheit ist, mit einer maximalen Abweichung von ±1µm über 150mm, extrem gut. Im Vergleich dürfte die typischerweise 68m lange Torlinie eines Fußballfeldes nur weniger als einen halben Millimeter von einer Geraden abweichen. Das sind im Alltag eher untypische Genauigkeitsanforderungen. Außerdem weist die Optik im Verhältnis zur Linienlänge eine sehr kleine Brennweite und damit einen sehr kleinen Fokus von ca. 10µm bei grünem Laserlicht auf. Das ist mit einer normalen Scanneroptik, bei der die Strahlen senkrecht auf das Material treffen, nicht möglich.

Damit eignet sich die Optik hervorragend zur Bearbeitung von flächigem Material, z.B. zum Durchtrennen von dünnen Halbleiterwafern mit minimaler Schnittbreite – und das mit großer Geschwindigkeit und großer Qualität. Auch eine optimierte Anpassung an verschiedene Materialien ist durch einfache Parameteränderung möglich.

Verbundzusammensetzung

In den Verbund haben die Projektpartner haben ihre jeweiligen Kompetenzen eng verzahnt eingebracht und jeder in seinem Bereich an die Grenze des derzeit technisch Möglichen erweitert. Der Sondermaschinenbauer Kugler GmbH (Salem) steuerte die Basisanlagentechnik und seine Expertise in Polygonscannern und Ultrapräzisionstechnik bei. Von der Firma Ingeneric GmbH (Aachen), sonst bekannt für seine Mikrooptiken für Diodenlaser, wurde das Optikdesign getragen und die Fertigung von Freiform-Sonderoptiken übernommen. Die Experten für Laser und deren Strahlformung von TOPAG Lasertechnik GmbH (Darmstadt) haben mit Strahlformung und –aufteilung durch außerordentlich präzise diffraktive optische Elemente eine weitere Performancesteigerung ermöglicht.

Das bekannte Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT, Aachen) leistete die für einen solch schnellen Scanner erforderliche Hochgeschwindigkeits-Elektronikentwicklung, sowie die grundlegenden Untersuchungen zum Abtragsprozess. Der bedeutende Hersteller von Ultrakurzpulslasern Coherent Kaiserslautern GmbH erweiterte, ohne Kompromisse bei der Strahlqualität, die ps-Laserperformance in Leistung und Pulswiederholrate, um das Potential der Optik erfahrbar zu machen. OSRAM Opto Semiconductors GmbH (Regensburg), einer der führenden Opto-Halbleiter-Hersteller weltweit, erforschte als Anwender und Verbundkoordinator ebenfalls Abtragsgrundlagen und spezifizierte bzw. charakterisierte die Möglichkeiten des gesamten Aufbaus. Die OSRAM AG war als assoziierter Partner und weiterer Anwender mit dabei.

Der Verbund SEMILAS wurde mit einem Projektvolumen von 3,9 Mio. Euro bei ca. 54% Förderanteil durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Photonik Forschung Deutschland“ und der Initiative „Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung“ von Anfang Januar 2012 bis Ende Juni 2016 gefördert.

Weitere Informationen

Download Projektsteckbrief BMBF-Verbundprojekt „SEMILAS“ (PDF)

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