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Erzeugung von Mikrobohrungen in Pyrexglas



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Abb.1: Rasterelektronen-mikroskop (REM)-Aufnahme der Oberseite einer Bohrung mit d = 50 µm in Pyrexglas

Pyrexglas ist mit Silizium anodisch bondbar und erlaubt durch die Verbindung von Komponenten, die durch Siliziumtechnologie hergestellt wurden, mit den elektrisch isolierenden, optisch transparenten Glaswafern die Erzeugung von Sensoren bzw. Aktoren für die Mikrosystemtechnik.
Die effektive Mikrostrukturierung von Pyrexglas ist eine Voraussetzung für viele Anwendungen dieses Materials. Bislang können Durchbrüche in Pyrexglas beispielsweise durch Ultraschallbohren erzeugt werden. Die damit erreichbaren kleinsten Durchmesser und die Qualität (min. Rauheit) der Bohrungswände sind jedoch begrenzt.
Aus diesem Grund wurden am Laserinstitut Mittelsachsen e.V. umfangreiche Untersuchungen zur Laserstrukturierbarkeit von Pyrexglas durchgeführt. Dabei hat sich gezeigt, daß sowohl bei der Verwendung von CO2-Lasern (10,6 µm Wellenlänge und 80 ns bzw. 50 µs ... einige ms Pulsdauer) als auch beim Einsatz eines Excimerlasers mit 248 nm Wellenlänge und 30 ns Pulsdauer als Folge der Bearbeitung Risse im Glas auftreten. Ursache hierfür sind hohe thermisch induzierte mechanische Spannungen im Glas bzw. ein zu geringer Absorptionskoeffizient des Materials bei der verwendeten Laserwellenlänge. Eine Reduzierung der thermischen Belastung des Glasmaterials kann durch den Einsatz von kürzeren Laserpulsen und ein höherer Absorptionskoeffizient durch Verwendung kürzerer Laserwellenlängen erzielt werden. Es wurden deshalb Experimente mit einem ArF-Excimerlaser ExciStar S-500 der Firma TUILASER AG mit 193 nm Wellenlänge, 10 ns Pulsdauer, 500 Hz Pulswiederholfrequenz und 8 mJ Pulsenergie durchgeführt.

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Abb.2: REM-Aufnahmen der Rückseite von Bohrungen in Pyrexglas mit d = 50 µm auf der Oberseite, gebohrt mit 11,6 J/cm2 Laserfluenz (l.) bzw. 4,4 J/cm2 Laserfluenz (r.) und 500 Hz Pulswiederholfrequenz.

Dabei wurde eine im Strahlengang angeordnete Maske mit Öffnungsdurchmessern zwischen 300 und 1000 µm mit einem 10-fachen Verkleinerungsmaßstab auf die Glasoberfläche abgebildet. Mit dieser Methode wurden konische Durchbrüche in die 500 µm dicken Pyrexglaswafer eingebracht.
Die mittlere Abtragsrate liegt bei etwa 200 nm / Puls, so daß für die Erzeugung einer Bohrung bei 500 Hz Pulswiederholfrequenz ca. 5 s benötigt werden. Auf der Laserstrahleintrittseite besitzen die Bohrungen eine hohe Qualität, das heißt, keine Risse oder Ausbrüche und glatte Wände (siehe Abb.1).

Wenn zu hohe Laserfluenzen verwendet werden, entstehen jedoch Risse im Glas und Ausbrüche von Material auf der Unterseite des Wafers (siehe Abb.2 links). Die Risse und Ausbrüche werden vermutlich durch den Druck verursacht, den das expandierende Laserplasma auf den Boden der Bohrung während des Bohrprozesses ausübt. Bei Verwendung geringerer Laserfluenzen, wenig oberhalb der Schwelle, bei der das Durchbohren des Wafers noch möglich ist, entstehen keine Risse (siehe Abb.2 rechts). Ausbrüche können jedoch nicht vollständig vermieden werden. Der Austrittsdurchmesser der Bohrungen ist deutlich geringer als bei den höheren Laserfluenzen.

Eine Möglichkeit, Mikrobohrungen mit hoher Qualität zu erzeugen, besteht im Bohren von beiden Seiten des Wafers.

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Abb.3: Querpräparation eines beidseitig gebohrten Pyrexglaswafers mit d = 100 µm von Oben und d = 50 µm (Linke Bohrung) bzw. d = 100 µm (rechte Bohrung) von Unten.

Abb.3 zeigt eine Querpräparation solcher Bohrungen, die weder Risse im Glas noch Ausbrüche aufweisen. Durch die beidseitige Bohrung wird zudem der kleinste Durchmesser innerhalb der konischen Bohrung deutlich vergrößert.
Wir danken der Dr. Teschauer & Petsch AG, Chemnitz für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Projektes "3D-Lasermikrosrukturierung", welches aus EFRE-Mitteln der EU und aus Mitteln des Freistaates Sachsen (Projekt-Nr.: 4355/679) gefördert wird.
Weiterhin danken wir Ina Schubert vom Zentrum für Mikrotechnologien, TU Chemnitz für die Durchführung der REM-Untersuchungen und Andreas Eysert von der Hochschule Mittweida für die Anfertigung der Querpräparation.



Kontakt: B. Keiper

 
 
Erstellt: 07.02.2012 15:48:09 | Letzte Änderung: 19.04.2001 12:35:50 | Autor: U.Löschner, B.Keiper, R.Ebert, H.Exner
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