DE10044212B4 - Verfahren zur Positionsjustage lageempfindlicher Bauteile, insbesondere von Mikro-Bauteilen der Elektronik, Optoelektronik oder Mechatronik - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Positionsjustage lageempfindlicher Bauteile, insbesondere von Mikro-Bauteilen der Elektronik, Optoelektronik oder Mechatronik, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
– Koppeln des Bauteils (3) mit einem mechanisch vorgespannten Aktoren-Element (1), und
– Abtragen von Material aus dem Aktorenelement (1) in definierten Bereichen (6), wobei durch die Materialabtragung und die damit verbundene Änderung des Spannungszustandes eine definierte Formänderung (dy) des Aktorenelementes (1) und damit des Bauteils (3) zu dessen Justage erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsjustage lageempfindlicher Bauteile, insbesondere von Mikro-Bauteilen der Elektronik, Optoelektronik oder Mechatronik mittels Laserbestrahlung.
• Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, daß der Miniaturisierungsgrad mikroelektronischer Schaltungen stetig steigt. Zunehmend gewinnt auf diesem Gebiet neben den rein elektronischen Funktionen die Integration weiterer Funktionen an Bedeutung. Als Beispiel sind optoelektronische Funktionselemente für die Datenkommunikation zu nennen. Auch die Integration mechanischer Funktionen in sogenannte mikromechatronische Systeme (kurz Mikrosysteme) verbreitet sich immer mehr. Eine monolythische Herstellung von Mikrosystemen unter Einsatz nur einer einzigen Fertigungstechnologie, wie z.B. der Dünnschichttechnologie, ist dabei aufgrund der Komplexität der Systeme nicht möglich. Die Vielfalt der zu verarbeitenden Materialien oder Geometrien erfordert unterschiedliche Herstellungstechnologien, so daß die verschiedenen Mikrokomponenten zusammen ein hybrides Mikrosystem darstellen.
• Die Fertigung hybrider Mikrosysteme stellt nun hohe Anforderungen an die Montagetechnologie. Um den entsprechenden Erfordernissen gerecht zu werden, gibt es zwei grundsätzliche Ansätze. So können einerseits die Einzelteile innerhalb sehr kleiner Toleranzen gefertigt und anschließend mit einer ebenfalls sehr hohen Präzision montiert werden. Dies erfordert einen sehr hohen fertigungs- und montagetechnischen Aufwand.
• Andererseits besteht die Möglichkeit, die Einzelteile grob toleriert zu fertigen, sie anschließend ebenso grob toleriert zu fügen und danach die Endgenauigkeit durch Justieren der vormontierten Untersysteme zu erzielen. Als Justierverfahren kommen dabei ganz unterschiedliche Techniken zum Einsatz. Als Beispiele können das Bohren von Löchern zum Auswuchten oder der Einsatz von Stellschrauben zur geometrischen Verschiebung genannt werden.
• Eine besonders flexible und elegante Möglichkeit zum Justieren stellt das aus dem Stand der Technik bekannte Laserstrahljustieren dar. In diesem Zusammenhang beschreibt die DE 29 18 100 C2 ein Verfahren zum automatisierbaren Justieren feinwerktechnischer Teile, insbesondere von Kontaktfedern. Durch das Aufschmelzen des Federmaterials durch fokussierte Laserbestrahlung erfolgt eine Verformung, wobei durch verschiedene Geometrien der aufgebrachten Schmelzzonen unterschiedlich starke Verformungen der Feder hervorgerufen werden können.
• Ein praktisch übereinstimmendes Justierverfahren wird in der US 5,916,463 A beschrieben, wobei der Zweck des Laserstrahljustierens im Einstellen des Kontaktabstandes zwischen den Elektroden von Reed-Schaltern liegt.
• Die US 5,347,415 A beschreibt das Justieren der Höhe von Magnetköpfen eines rotierenden Systems durch Laserbestrahlung.
• Die vorstehenden Justierverfahren basieren dabei auf dem Prinzip des Laserstrahlumformens, bei dem aufgrund thermisch induzierter Spannungen, die die Fließgrenze erreichen, lokal eine plastische, rückfederungsfreie Umformung erzielt wird.
• Grundsätzlich erlaubt das Laserstrahljustieren dabei das Justieren auf von der jeweiligen Anwendung abhängige funktionelle, systemeigene Signale. Es kann dabei sowohl in statischen, als auch in bewegten oder hermetisch geschlossenen Systemen eingesetzt werden.
• Bei den vorstehend erörterten Anwendungsbeispielen nach dem Stand der Technik wird das zu justierende oder positionierende Bauteil direkt bestrahlt. Daneben besteht auch die Möglichkeit, in ihrer Position zu justierende Bauteile auf einen sogenannten Aktor zu fügen, der als Träger dient und Teil des Systems ist. Durch eine gezielte Bestrahlung des Aktors mit einem Laserstrahl lassen sich wiederum lokal plastische Umformungen erzielen, die die Geometrie des Aktors und somit die Position des zu justierenden Bauteils verändern. In diesem Zusammenhang beschreibt die US 5,572,895 A verschiedene Aktorgeometrien für das Laserstrahljustieren.
• Ein gemeinsames Problem aller beschriebenen Justierverfahren auf der Basis des Laserstrahlumformens stellen die vergleichsweise langen Justierzeiten dar. Aufgrund der eingebrachten Energie und der thermischen Trägheit der bestrahlten Bauteile oder Aktoren beträgt die Justierzeit in geschlossenen Regelkreisen einige 10 Sekunden, da das Material durch thermisch induzierte Spannungen umgeformt werden und anschließend wieder abkühlen muß. Diese Justierdauer ist für einen Einsatz des Justierverfahrens in Großserienanwendungen unvertretbar lang. Auch erfordern die nach der Justierung im Aktor oder Bauteil verbleibenden Wärmespannungen in Form von thermisch induzierten Eigenspannungen zusätzliche Maßnahmen im Hinblick auf die thermische/mechanische Stabilität des Systems.
• Ausgehend von der geschilderten Problematik des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Positionsjustierung lageempfindlicher Bauteile anzugeben, das bei zumindest vergleichbarer Justiergenauigkeit wesentlich rascher durchführbar ist.
• Die Lösung dieser Aufgabe ist durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Verfahrensschritte gegeben. So wird das Bauteil mit einem mechanisch vorgespannten Aktorenelement gekoppelt, aus dem in definierten Bereichen Material abgetragen wird. Durch diese Materialabtragung und die damit verbundene Änderung des Spannungszustandes erfolgt eine definierte Formänderung des Aktorenelementes und damit des Bauteils selbst. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Bauteils kann dieses natürlich als Aktorenelement selbst fungieren.
• Die Materialabtragung erfolgt in besonders bevorzugter Weise durch einen Laser und insbesondere einen Kurzpulslaser. Damit ist es möglich, nahezu ohne thermische Beeinflussung des Grundmaterials Werkstoff abzutragen. Dieses Phänomen wird im Rahmen der Erfindung dazu ausgenutzt, um geeignete, vorgespannte Aktorengeometrien durch gezieltes Abtragen von Aktormaterial zu entspannen, und so eine Justagebewegung des Aktors bzw. des Bauelementes zu erzeugen. Diese Bewegung liegt im Mikrometerbereich, so daß die geforderte Mikrojustierung lageempfindlicher Bauteile vorgenommen werden kann.
• Im Gegensatz zu den lasergestützten Mikrojustageverfahren gemäß dem Stand der Technik wird beim Justieren durch ein Material- und insbesondere Laserstrahl-Materialabtragen die durch die Laserbestrahlung eingebrachte thermische Energie unmittelbar mit den weggeführten Materialpartikeln – den sogenannten Ablationsprodukten – abgeführt. Somit verbleibt im Aktor nur ein nicht signifikanter Anteil der eingebrachten thermischen Energien, der problemlos über langsame Wärmeleitungsprozesse abtransportierbar ist.
• Die Unteransprüche kennzeichnen vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dabei eingesetzten Aktorenelemente bzw. Bauteile. Näheres dazu ergibt sich aus der folgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
• 1 und 2 schematische Seitenansichten eines Aktorenelementes vor und nach dem lasergestützten Materialabtragen sowie
• 3 bis 6 schematische Seitenansichten von Aktorenelementen in unterschiedlichen Ausführungsformen.
• Anhand von 1 und 2 sind das grundsätzliche Justierverfahren und die dabei eingesetzte Aktoren-Bauteil-Kombination zu erläutern. Dabei ist zu betonen, daß diese Figuren – wie auch die 3 bis 6 – höchst schematisch und extrem vergrößert die Erfindung darstellen. Für deren Verständnis ist diese Art von Darstellung jedoch besonders geeignet.
• Wie nun aus den 1 und 2 hervorgeht, ist ein Aktorenelement 1 vorgesehen, das mit einem Ende an einem ortsfesten Referenzteil 2 und mit seinem anderen Ende an dem zu justierenden Bauteil 3 befestigt ist. Es ist als Zweischichtsystem ausgeführt, das eine Substratschicht 4 beispielsweise aus Silizium und eine vorgespannte Deckschicht 5 auf einer Seite aufweist. Die Substratschicht 4 ist dementsprechend beispielsweise aus einem Silizium-Wafer ausgeschnitten. Die Deckschicht 5 besteht im gezeigten Beispiel aus Siliziumdioxid (SiO₂), das üblicherweise beim Aufbringen auf eine Silizium-Substratschicht 4 Druckspannungen (Druckkraft F_D) in sich aufbaut, die im Schichtverbund durch eine Gegenkraft F_G innerhalb des Aktorenelementes 1 kompensiert werden.
• Wird nun – wie in 1 angedeutet ist – die Deckschicht 5 in einem bestimmten Bestrahlungsbereich 6 mit einem hochenergetischen Kurzpulslaser LS vorzugsweise mit Pulslängen unter 1 μs bestrahlt, so erfolgt dort eine praktisch schlagartige Materialabtragung aus der Deckschicht 5. Die eingestrahlte Laserenergie wird durch die dieser Laserablation unterliegenden Materialpartikel mit weggetragen. Im Bereich der durch die Bestrahlung entstehenden Lücke 7 in der Deckschicht 5 werden dort die inhärenten Druckspannungen abgebaut, so daß sich die Druckkraft F_D erniedrigt und die in der Substratschicht 4 aufgebaute Gegenkraft F_G für eine Auslenkung dy (s. 2) des Aktorenelementes 1 sorgt. Durch Größe, Zahl und Anordnung der Bestrahlungsbereiche 6 bzw. der Lücken 7 kann das Maß der Auslenkung dy geregelt und damit die Justierung des mit dem Aktorenelement 1 verbundenen Bauteils 3 im Mikrobereich vorgenommen werden.
• Wenn in 1 und 2 ein Aktorenelement und ein Bauteil 3 als gesonderte Bauteile gezeigt sind, so ist darauf hinzuweisen, daß das Aktorenelement 1 auch selbst das zu justierende Bauteil bilden kann.
• 3 zeigt ein Aktorenelement 1, das neben der bereits erwähnten Substratschicht 4 auf der Basis eines Silizium-Wafers eine Deckschicht 5 aus LPCVD-Siliziumnitrid (Si₃N₄) aufweist. Dieses Material baut üblicherweise Zugspannungen beim Aufbringen auf die Substratschicht 4 auf. Dadurch wird eine Zugkraft F_Z auf das Aktorenelement 1 ausgeübt, die durch eine entsprechende Gegenkraft F_G in der Substratschicht 4 ausgeglichen wird. Beim Abtragen von Material und Abbauen der Zug-Vorspannung in der anhand von 1 und 2 erörterten Weise ergibt sich dann einen Auslenkung des Aktorenelementes 1 in Richtung der Kraft F_G.
• Das in 4 gezeigte Aktorenelement 1 stellt ein Dreischichtsystem dar, bei dem auf die beiden Hauptflächen 8, 9 der Substratschicht 4 jeweils eine vorgespannte Deckschicht 5, 5' gleichen Materials aufgebracht wird. Je nachdem, ob dann Material aus der einen oder anderen Deckschicht 5, 5' entfernt wird, erfolgt eine Auslenkung des Aktorenelementes 1 in Richtung +dy oder –dy.
• 5 zeigt ein Aktorenelement 1, das als Mehrschichtsystem wiederum mit einer Substratschicht 4 und mehreren übereinander angeordneten Deckschichten 5, 5' unterschiedlicher Vorspannungsrichtung aufgebaut ist. So können die Deckschichten 5 bzw. 5' beispielsweise aus Silizumdioxid bzw. Siliziumnitrid bestehen. Durch diese Mehrschichtigkeit ergibt sich eine äußerst flexible und variable Justiermöglichkeit, wobei der Justierweg nicht nur durch die Größe der Lücke 7 – wie in 1 und 2 dargelegt –, sondern auch durch die Tiefe und die Anzahl der von der Materialabtragung betroffenen Deckschichten 5, 5' steuerbar ist.
• Das in 6 gezeigte Aktorenelement 1 ist wiederum ein Mehrschichtsystem, bei dem jedoch auf einer der beiden Hauptflächen 8, 9 nebeneinander zwei Deckschichten 5, 5' unterschiedlicher Vorspannungsrichtungen aufgebracht sind. Je nachdem, ob nun die Materialabtragung in der einen oder anderen Deckschicht 5, 5' vorgenommen wird, ergibt sich wiederum eine Auslenkung in Richtung +dy oder –dy.
• Für alle Ausführungsformen gilt, daß der Beschichtungsvorgang für die Deckschichten 5, 5' im Hinblick auf eine maximale Vorspannung bei guter Schichthaftung zu optimieren ist. Auch können die Mehrschichtsysteme gemäß 5 und 6 gewissermaßen gemischt werden, indem einzelne Deckschichten 5, 5' auch teilweise überlappend angeordnet sind, was in den Figuren nicht eigens dargestellt ist.
• Schließlich ist zu ergänzen, daß das erfindungsgemäße Justageverfahren auf der Basis einer Laserstrahlabtragung auch in Kombination mit den Laserstrahlumformprozessen gemäß dem erörterten Stand der Technik einsetzbar ist. Dabei kann durch Laserstrahlabtragen eine Formänderung des Aktorenelementes bzw. eine Bewegung des zu justierenden Objektes in einer vorgegebenen Richtung erfolgen, wobei durch ein thermisches Laserstrahlumformen die Formänderung bzw. -bewegung noch beeinflußt werden kann.
• Umgekehrt kann auch durch thermisches Laserstrahlumformen eine Formänderung des Aktorenelementes bzw. eine Bewegung des zu justierenden Objektes erfolgen, wobei der eigentliche Justagevorgang durch ein anschließendes Laserstrahlabtragen zum Abbau der vorher thermisch induzierten Spannungen vonstatten geht.
• Zusammenfassend zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders dadurch aus, daß beim Materialabtrag während des Justageprozesses ein signifikanter Wärmeeintrag in das Grundmaterial des Aktorenelementes bzw. -bauteils vermieden werden kann, so daß kürzere Justagezeiten sowie größere thermische und mechanische Stabilitäten erzielbar sind. Das Verfahren ist dabei für unterschiedlichste Justageanwendungen im Bereich der Präzisionsmontage einsetzbar.

Claims (10)

1. Verfahren zur Positionsjustage lageempfindlicher Bauteile, insbesondere von Mikro-Bauteilen der Elektronik, Optoelektronik oder Mechatronik, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Koppeln des Bauteils (3) mit einem mechanisch vorgespannten Aktoren-Element (1), und – Abtragen von Material aus dem Aktorenelement (1) in definierten Bereichen (6), wobei durch die Materialabtragung und die damit verbundene Änderung des Spannungszustandes eine definierte Formänderung (dy) des Aktorenelementes (1) und damit des Bauteils (3) zu dessen Justage erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialabtragung durch Bestrahlung mit einem Laser (LS) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorenelement (1) durch eine vorgespannte Beschichtung (5, 5') auf dem Bauteil (3) gebildet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktorenelement (1) ein Zweischichtsystem mit einer Substratschicht (4) und einer auf einer deren Hauptflächen (8, 9) aufgebrachten, vorgespannten Deckschicht (5) verwendet wird, aus der die Materialabtragung zur Positionsjustage erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktorenelement (1) ein Dreischichtsystem mit einer Substratschicht (4) und auf dessen beiden Hauptflächen (8, 9) aufgebrachten, vorgespannten Deckschichten (5, 5') verwendet wird, aus denen die Materialabtragung derart erfolgt, daß durch selektive Materialabtragung aus den Deckschichten (5, 5') Krümmungsänderungen in unterschiedlichen Richtungen erzielbar sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktorenelement (1) ein Mehrschichtsystem mit einer Substratschicht (4) und auf mindestens einer deren beiden Hauptflächen (8, 9) übereinander, nebeneinander und/oder überlappend aufgebrachten, vorgespannten Deckschichten (5, 5') unterschiedlicher Vorspannungsrichtungen verwendet wird, aus denen die Materialabtragung derart erfolgt, daß durch selektive Materialabtragung aus den Deckschichten (8, 9) Formänderungen (+/–dy) in unterschiedlichen Richtungen erzielbar sind.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorenelement (1) und das Bauteil (3) selbst durch ein einheitliches Material gebildet sind, durch dessen Abtragung eine Positionsjustage erfolgt.
8. Aktorenelement zur Positionsjustage lageempfindlicher Bauteile gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Bauteil (3) koppelbare Aktorenelement (1) mechanisch vorgespannt und durch Abtragen von Material in definierten Bereichen und die damit verbundene Änderung des Spannungszustandes definiert in seiner Form zur Justage des Bauteils (3) änderbar ist.
9. Aktorenelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorenelement (1) ein Zwei- oder Mehrschichtsystem mit einer Substratschicht (4) und einer oder mehreren auf einer deren Hauptflächen (8, 9) aufgebrachten, vorgespannten Deckschichten) (5) ist, aus der die Materialabtragung zur Positionsjustage erfolgt.
10. Aktoren-Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht (4) aus Silizium und die vorgespannte Deckschicht (5, 5') aus einem Siliziumdioxid, -oxinitrid, -nitrid, -karbid, Titannitrid, Tantalnitrid oder Niob bestehen.