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Nd:YAG-Laserstrukturierung in der Silizium-Mikromechanik

Dauer, Stefan

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Einsatzmöglichkeiten fokussierter Nd:YAG-Laserstrahlung in der Mikromechanik untersucht. Als Strahlquelle kam ein kontinuierlich gepumpter, gütegeschalteter Nd:YAG-Laser zum Einsatz, der in der Lage ist, Wellenlängen von 1064 nm und 532 nm bereitzustellen. Eine Messeinrichtung zur Charakterisierung der Laserstrahlung wurde entwickelt. Das Messsystem ermöglicht die Messung des Intensitätsprofils, sowie eine Darstellung des zeitlichen Pulsverlaufs. Puls-zu-Puls Schwankungen und Spiking des Lasers wurden damit nachgewiesen. Systematisch wurden Prozessparameter zum maskenlosen Strukturieren durch direktes Schreiben von Silizium mit Wellenlängen von 1064 nm und 532 nm untersucht und optimiert. Mit der eingesetzten Anlage lassen sich Siliziumwafer mit einer Schnittfuge von ca. 50 µm Breite schneiden. Schneiden von Membranen lässt sich mit 532 nm mit einer Auflosung von ca. 10 µm realisieren. Übliche Verfahren zur Entfernung der Schmelze aus der Schnittfuge und der Ablagerungen auf der Waferoberfläche, wie z. B. der Einsatz von Gasdüsen, zeigten sich als nicht anwendbar. Es wurde daher ein Verfahren entwickelt, das mittels Si3N4 bzw. SiO2-Schutzschichten die Beschädigung der Waferoberfläche verhindert und die vollständige Entfernung jeglicher Rückstände in einem Ätzschritt in KOH ohne Rückdünnung des Substrats ermöglicht. Die Ablation von Silizium wurde unter Verwendung verschiedener Atmosphären untersucht. Eine unter Luft unvermeidliche Oxidierung von Schmelze und Ablagerungen wird durch Bearbeiten in inerten Atmosphären verhindert. Es treten in Abhängigkeit der thermischen Eigenschaften des verwendeten Gases allerdings verstärkt Schnittkantenfehler und Oberflächenbeschädigungen auf. Das Schneiden mittels Laserstrahlung beeinflusst die mechanischern Eigenschaften des Siliziumwafers. In der Schnittfuge erstarrtes Material führt zu höheren inneren Spannungen und zur Reduzierung der Bruchfestigkeit. Durch Entfernen der Schmelze in Kalilauge kann das ursprüngliche Verhalten wiederhergestellt werden. Neben der Siliziumbearbeitung wurde Gold linienförmig von Silizium abgetragen. Ein selektiver Abtrag ohne den Zusatz reaktiver Medien ist mit einer Wellenlänge von 532 nm realisierbar. Auf diese Weise lassen sich Dünnschichtwiderstände, Leiterbahnen und Kontaktpads auf Siliziumsubstraten herstellen. Die beschriebenen Verfahren lassen sich gut in übliche Prozesslinien der Mikrotechnologie integrieren. Darüberhinaus bieten sie gegenüber anisotropen Ätzverfahren aufgrund ihres kristallrichtungsunabhängigen Wirkmechanismus zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten für die Entwicklung von Mikrosystemen. Zur Demonstration des Einsatzes der Prozesse zur Lasermikrostrukturierung und ihrer Kombination mit herkömmlichen Verfahren wurden verschiedene Sensoren und Aktoren gefertigt. Ein entscheidender Vorteil schreibender Laserverfahren in der Mikrosystemtechnik ist der Verzicht auf aufwendige lithographische Verfahren. Insbesondere bei der Fertigung von Kleinserien und Prototypen bieten direkt schreibende Laserstrukturierungsverfahren ein enormes Potential zur Kosten- und Zeitersparnis.

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Dauer, S., 1999. Nd:YAG-Laserstrukturierung in der Silizium-Mikromechanik. Shaker, Aachen. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201901211443-0
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