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Abtragsverhalten von Al2O3-Keramik bei verschiedenen Strukturgrößen und -tiefen mit Excimerlasermaskenprojektion



Die Mikrosystemtechnik wird in den kommenden Jahren weiter stark an Bedeutung gewinnen. Vergleichbar mit der Mikroelektronik, welche durch Miniaturisierung immer leistungsfähiger wird, entwickelt sich auch die Mikrosystemtechnik. Dabei liegen die Dimensionen der Elemente im Bereich von einigen Millimetern, Einzelstrukturen jedoch weisen Abmessungen von nur wenigen Mikrometern auf. Als Materialien sind neben Silizium besonders Keramiken und Gläser von Interesse. Die präzise Strukturierung von Keramiken ist für viele Anwendungen unerlässlich. Bei der Excimerlasermaskenprojektion ist die Geometrieinformation der Struktur in der Maske enthalten. Unter der Voraussetzung, dass die Maske homogen ausgeleuchtet wird, ist die Abtragstiefe über die gesamte Laserspotfläche konstant, d.h. es wird ein definiertes Volumenelement abgetragen:

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Abb.1: Versuchsaufbau

Zum Einsatz kam ein KrF-Excimerlaser LPX 305 i der Firma LAMBDA PHYSIK mit 248 nm Wellenlänge, 30 ns Pulsdauer, 50 Hz Pulswiederholfrequenz und 1,2 J Pulsenergie.
Der optische Aufbau besteht im wesentlichen aus einem Strahlhomogenisierer, der Maske und der Abbildungsoptik.
Die telezentrische Abbildungsoptik ermöglicht eine Abbildung der Maskengeometrie mit 8-facher Verkleinerung.

Als Probenmaterial wurden 96%-ige Al2O3-Keramikplatten mit Dicken zwischen 0,6 mm und 0,8 mm eingesetzt. Anhand verschieden großer quadratischer Masken aus Edelstahl wurde der Einfluss der Maskengröße auf das Abtragsverhalten untersucht.
Die Abtragsraten pro Puls steigen mit Erhöhung der Energieflußdichte. Die Abtragsschwelle für dieses Material liegt zwischen 1 und 2 J/cm2 bei 200 Pulsen. Die Pulswiederholfrequenz im Bereich bis 50 Hz hat keinen Einfluss auf den Abtrag.

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Abb.2: Einfluss von Energieflußdichte, Pulswiederholfrequenz und Maskengröße auf die Abtragsrate pro Puls (Wellenlänge 248 nm, 200 Pulse)

Bei Verkleinerung der Maskengeometrie nimmt die Abtragsrate pro Puls zu. Dieser Effekt kommt vermutlich durch streifende Reflexion der ankommenden Laserstrahlung an den Strukturwänden der Probe zustande. Durch den telezentrischen optischen Aufbau treten die Laserstrahlen nahezu parallel aus dem Objektiv aus. Die Wände der Struktur in der Probe sind hauptsächlich durch den Einfluss der Wärmeleitung zur Senkrechten geneigt. Stehen dieser Winkel und der Winkel aus der Telezentrieab-weichung der aus dem Objektiv austretenden Laserstrahlung in einem bestimmten Verhältnis, dann wird die einfallende Strahlung an den Strukturwänden streifend reflektiert, d.h. nach unten weitergeleitet und addiert sich zum normalen Abtrag. Bei der kleinsten Struktur ist davon der gesamte Strukturboden betroffen, so dass hier die Abtragsrate pro Puls am größten ist. Bei den größeren Strukturen ist demzufolge nur ein Teil des Strukturbodens betroffen und damit der Anteil des vermehrten Abtrages durch streifende Reflexion auf den Randbereich des Strukturbodens begrenzt. Prinzipiell bildet sich bei allen Strukturen ein Bodenwölbung aus, die im Zentrum der Struktur am höchsten ist und zum Rand hin abfällt.

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Abb.3: Lichtmikroskopaufnahmen der Schliffbilder einer erzeugten Struktur a) 350 Pulse, b) 1500 Pulse, c) 3000 Pulse und d) 4000 Pulse ( λ = 248 nm, H = 20 J/cm2, fP = 5 Hz)

Sollte sich die entstehende Bodenwölbung auf die streifende Reflexion der Laserstrahlung an den Strukturwänden zurückführen lassen, liegt nahe, dass mit steigender Abtragstiefe die Überlagerung dieses Effektes mit dem bekannten Abtragsverhalten (Strukturabmessung nimmt in der Tiefe hauptsächlich durch 3D-Wärmeleitung ab) eine Kompensation bewirkt und damit verbunden ein entsprechend ebener Boden entsteht. Trägt man dann noch tiefer ab, müsste das bekannte Abtragsverhalten dominieren und folglich der Abtrag in der Strukturmitte größer als am Rand sein.
Dieses Verhalten wurde durch Querschliffe unterschiedlich tiefer Strukturen belegt. Bei etwa 400 µm Strukturtiefe (entspricht Abb. 3 c)) entsteht ein ebener Boden. Verwendet man mehr Pulse, dann setzt das oben beschriebene Abtragsverhalten ein (Abb. 3 d))
In diesem Zusammenhang konnte man auch den Einfluss der Strukturtiefe auf die Abtragsrate ermitteln. Die Abtragsrate pro Puls nimmt mit zunehmender Strukturtiefe ab. Dafür ist hauptsächlich die zunehmende 3D-Wärmeleitung verantwortlich.

Unser Dank gilt der Dr. Teschauer & Petsch AG Chemnitz für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Projektes "3D-Lasermikrostrukturierung", gefördert aus EFRE-Mitteln der EU und aus Mitteln des Freistaates Sachsen (Projekt-Nr.: 4355/679).
Weiterhin wird Herrn Andreas Eysert von der Hochschule Mittweida für die Anfertigung der Querschliffe gedankt.



Kontakt: U. Löschner

 
 
Erstellt: 07.02.2012 15:48:08 | Letzte Änderung: 19.04.2001 12:35:41 | Autor: U.Löschner, B.Keiper, R.Ebert, H.Exner
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