DE102010042503A1

DE102010042503A1 - Lasersystem zur Bearbeitung von Oberflächen sowie entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102010042503A1
Application number: DE102010042503A
Authority: DE
Inventors: Detlef Gerhard; Karl Weidner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-19
Also published as: WO2012049209A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zur Strukturierung beschichteter Materialien. Das Lasersystem umfasst eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls mit zumindest einer Wellenlänge, einem Werkstückträger, auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück, vorzugsweise ein Wafer, angeordnet ist, der mit dem Laserstrahl beaufschlagbar ist, Messmittel zur Überwachung eines mit dem Laserstrahl beaufschlagten Bereich des Werkstücks, sowie Steuerungsmittel zur Steuerung des Laserstrahls, wobei die Steuerungsmittel und die Messmittel derart zusammenwirken, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche Anpassung des Laserstrahls in Abhängigkeit gemessener Werte der Messmittel erfolgt. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein entsprechendes Verfahren sowie eine entsprechende Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zur Strukturierung beschichteter Materialien sowie ein entsprechendes Verfahren und eine entsprechende Verwendung.
Lasersysteme zur Bearbeitung von Oberflächen ermöglichen beispielsweise den Abtrag von dünnen Schichten, ohne dass an das abzutragende Schichtmaterial angrenzende Materialien übermäßig thermisch oder mechanisch belastet werden. Auf diese Weise können Schichten unterschiedlicher Materialsysteme, beispielsweise feinlagiger Schichtsysteme aus organischen und/oder anorganischen Schichten mit Dicken im Nanometer- und Mikrometerbereich abgetragen oder strukturiert werden.
Mit den bereits bekannten Lasersystemen ist dies jedoch nur durch eine aufwändige Analyse der zu bearbeitenden Schichten und mit genauen Einstellungen des Lasersystems möglich um Beschädigungen von Schichten, welche unterhalb der zu bearbeitenden Schicht angeordnet sind, zu vermeiden. Sind jedoch variierende und/oder größere Toleranzen der Schichtdicke der jeweiligen abzutragenden Schicht vorhanden, ist ein zuverlässiges Abtragen der jeweiligen Schicht nicht mehr möglich: Ist die abzutragende Schicht zu dick, so führt dies zu einer unerwünschten verbleibenden Restschichtdicke, welche dann aufwändig in mehreren weiteren Abtragsschritten und entsprechenden Nachreinigungsprozessen abgetragen werden muss. Ist die zu bearbeitende Schicht zu dünn, führt dies zu einer Beschädigung der darunter liegenden Schicht, da die Laserquelle mit einer zu großen Energie arbeitet bzw. einstrahlt.
Aus der EP 1658648 B1 ist ein Herstellungsverfahren für ein elektronisches Bauteil mit hochaufgelöster Strukturierung bekannt geworden. Dabei wird eine Leiterbahn, eine untere Schicht oder ein Substrat so behandelt, so dass eine Vertiefung erzeugt wird. In die Vertiefung wird dann metallisches Material zur Herstellung der Leiterbahn eingebracht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Lasersystem zur Bearbeitung von Oberflächen sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine zuverlässigere Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere Abtragung von Schichten ermöglicht. Gleichzeitig soll die Vorrichtung einfach und kostengünstig herstellbar bzw. das Verfahren einfach und kostengünstig durchführbar sein. Schließlich soll die Flexibilität der Vorrichtung bzw. des Verfahrens erhöht werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Lasersystem zur Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zur Strukturierung beschichteter Materialien gelöst, umfassend eine Laserquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls mit zumindest einer Wellenlänge, einen Werkstückträger, auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück, vorzugsweise ein Wafer, angeordnet ist, der mit dem Laserstrahl beaufschlagbar ist, Messmittel zur Überwachung eines mit dem Laserstrahl beaufschlagten Bereich des Werkstücks, sowie Steuerungsmittel zur Steuerung des Laserstrahls, wobei die Steuerungsmittel und die Messmittel derart zusammenwirken, sodass eine im Wesentlichen kontinuierliche Anpassung des Laserstrahls in Abhängigkeit gemessener Werte der Messmittel erfolgt.
Diese Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zur Strukturierung beschichteter Materialien und insbesondere geeignet zur Ausführung mit einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–9 gelöst, umfassend die Schritte Erzeugen eines Laserstrahls mit zumindest einer Wellenlänge, Bestrahlen eines Werkstücks auf einem Werkstückträger mit dem erzeugten Laserstrahl, Überwachen eines mit dem Laserstrahl beaufschlagten Bereichs des Werkstücks mittels Messmitteln, sowie im Wesentlichen kontinuierliches Anpassen des Laserstrahls in Abhängigkeit von Werten der Messmittel.
Das Lasersystem sowie das entsprechende Verfahren haben den Vorteil, dass damit die Intensität der auf das zu behandelnde Material einstrahlenden Laserquelle automatisch an die aktuelle Situation, beispielsweise einer abzutragenden Schicht, d. h. insbesondere erforderlicher Wärmeeintrag, Dicke der aktuell zu bearbeitenden Materialschicht angepasst wird. Dies erhöht nicht nur die Genauigkeit der Bearbeitung der entsprechenden Oberfläche, sondern das Lasersystem ist auch einfach und kostengünstig herstellbar bzw. das entsprechende Verfahren einfach und kostengünstig durchführbar. Des Weiteren ist durch die automatische Anpassung auch eine erhöhte Flexibilität gegeben, da auch größere Toleranzen bei der Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere bei der Abtragung entsprechender Schichten mit dem Lasersystem bzw. mit dem entsprechenden Verfahren damit zuverlässig bearbeitet werden können.
Vorteilhafterweise sind Positionierungsmittel zur zumindest zweidimensionalen Positionierung des Werkstückträgers relativ zur Laserquelle angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass damit das zu bearbeitende Werkstück durch den Werkstückträger in eine optimale Position relativ zur Laserquelle gebracht werden kann, so dass auf eine aufwendige Verschiebung, beispielsweise einer Strahloptik der Laserquelle verzichtet werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, nicht nur den Werkstückträger mittels Positionierungsmitteln zu verschieben, sondern zusätzlich auch noch die Laserquelle ggf. samt entsprechender Strahloptik, um eine schnellere und/oder noch genauere Positionierung zu ermöglichen.
Zweckmäßigerweise sind die Positionierungsmittel zur Positionierung im Nanometerbereich ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, den Werkstückträger und damit das zu bearbeitende Werkstück äußerst genau, d. h. mit einer Genauigkeit von einem oder wenigen Nanometern relativ zur Laserquelle in einer vorgegebenen gewünschten Position zu bringen. Auf diese Weise kann eine äußerst präzise und zuverlässige Bearbeitung des Werkstücks durch das Lasersystem erfolgen.
Vorteilhafterweise wirken die Positionierungsmittel mit den Steuerungsmitteln und/oder den Messmitteln zur Bearbeitung des Werkstücks zusammen. Dies erhöht weiter die Zuverlässigkeit des Lasersystems bei der Bearbeitung des Werkstücks, da diese Mittel insbesondere den Laserstrahl und/oder abzutragende Restschichtdicke des Werkstücks ermitteln und die Steuerungsmittel dann entsprechend den Energieeintrag der Laserquelle hierauf gezielt abstimmen, so dass die noch abzutragende Restschichtdicke äußerst genau und zuverlässig abgetragen wird, ohne darunter liegende Schichten zu beschädigen. Die Positionierungsmittel wiederum ermöglichen eine genaue Positionierung des Werkstückträgers relativ zur Laserquelle, so dass eine zuverlässige Bearbeitung des Werkstücks an der gewünschten Stelle ermöglicht wird.
Zweckmäßigerweise ist eine Lichtquelle, insbesondere eine Blitzlampe angeordnet zur Analyse des Bereichs des Werkstücks, welches vom Laserstrahl beauftragt wird. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit die zu bearbeitende Stelle des Werkstücks aktiv belichtet wird. Das von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Licht wird anschließend in Wellenlängebereiche zerlegt, wobei hierzu entweder der gesamte Wellenlängenbereich oder nur Teilbereiche des reflektierten Wellenlängenbereichs verwendet werden. Das reflektierte Licht der verschiedenen Wellenlängenbereiche wird beispielsweise auf unterschiedliche lichtempfindliche Sensoren abgebildet. Durch die aktive Belichtung kann ein Durchleuchten der obersten Schicht des zu bearbeitenden Werkstücks erreicht werden. Anhand einer Analyse von Reflexions- und Transmissionsdaten kann dann eine Information über die verbliebene Restschichtdicke ermittelt werden.
Vorteilhafterweise ist die Lichtquelle derart angeordnet, so dass ein Strahlengang des Lichts der Lichtquelle im Wesentlichen zumindest teilweise mit einem Strahlengang des Laserstrahls übereinstimmt. Auf diese Weise ist ein kostengünstiges Lasersystem möglich, da auf optische Bauteile für einen vollständig separaten Strahlengang des Lichts der Lichtquelle verzichtet werden kann.
Zweckmäßigerweise sind die Messmittel ausgebildet, um Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 20 μm, insbesondere zwischen 300 nm und 10 μm zu messen. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur das Licht der Lichtquelle zu analysieren, sondern ebenfalls das von der Laserquelle erzeugte und von dem Werkstück reflektierte Licht. Damit wird die Zuverlässigkeit des Lasersystems insgesamt noch weiter erhöht.
Vorteilhafterweise ist die Laserquelle als Pulslaser, insbesondere als Picosekunden-Pulslaser ausgebildet. Ein Pulslaser hat unter anderem den Vorteil, dass die mit dem Laser zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks sich nicht zu stark erhitzt und damit eine zuverlässige Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks ermöglicht wird. Im Falle eines Picosekundenlasers wird zudem vermieden, dass das abzutragende Material verdampft wird und sich Reste auf der Oberfläche des Werkstücks anlagern. Aufgrund der äußerst kurzen Einwirkzeit eines Pulses des Picosekundenlasers wird das mit dem Picosekundenlaser abzutragende Material des Werkstücks lediglich pulverisiert. Anschließend kann dieses auf äußerst einfache Weise, beispielsweise mittels eines Gebläses abgesaugt werden.
Zweckmäßigerweise weisen die Messmittel eine zumindest zweidimensional abbildende Kamera auf, die mit der Lichtquelle zur Analyse des Bereichs des Werkstücks, welches vom Laserstrahl beaufschlagt wird, zusammenwirkt. Der erzielte Vorteil dabei ist, damit ggf. Rückstände auf der Oberfläche des Werkstücks durch die Abtragung mittels des Laserstrahls erkannt und ggf. beseitigt werden können, so dass eine Bearbeitung eines Werkstücks noch zuverlässiger möglich ist.
Vorteilhafterweise erfolgt das Überwachen anhand der Messmittel mittels Spektroskopie. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass damit auch das Material der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks zuverlässig ermittelt werden kann. Dabei ist es beispielsweise auch möglich, nicht nur einen Schichtübergang zwischen zwei Schichten, festzustellen, d. h. ob die abzutragende Schicht nun vollständig abgetragen ist und so die darunter liegende Schicht freigelegt wurde, sondern es ist damit zudem möglich, nicht abgetragene Restschichtdicken zu ermitteln und ggf. eine erneute Bearbeitung der Stelle mit entsprechend eingestelltem Laserstrahl der Laserquelle vorzunehmen. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens noch weiter erhöht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Dabei zeigt
1 ein Lasersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung; sowie
2 ein Ablaufdiagramm von Schritten eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente soweit nicht anders beschrieben.
In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Lasersystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Lasersystem 1 umfasst dabei eine Laserquelle 2 die als Picosekundenlaser ausgebildet ist. Zwischen der Laserquelle 2 und einem Werkstück 4, welches auf einem Werkstückträger 3 angeordnet ist, ist eine Laserstrahloptik 2a in Form von Linsen, Spiegeln, oder dergleichen angeordnet. Die Laserquelle 2 kann dann einen Laserstrahl L₁ erzeugen und das Werkstück 4 mit diesem über die Laserstrahloptik 2a beaufschlagen. Die Laserquelle 2 ist dabei mit Steuerungsmitteln 6 zur Steuerung der Laserquelle 2 verbunden. An dem Werkstückträger 3 ist eine Positionierungseinrichtung 7b angeordnet, die eine Nanopositionierungseinrichtung 7c umfasst, so dass der Werkstückträger 3 und damit das Werkstück 4 mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich relativ zur Laserquelle 2 positioniert werden können. Ebenso sind entsprechende Steuerungsmittel 7a zur Steuerung der Positionierungseinrichtung 7b und der Nanopositionierungseinrichtung 7c angeordnet.
Weiterhin umfasst das Lasersystem 1 Messmittel 5a, 5b, 5c zur Überwachung eines mit einem Laserstrahl der Laserquelle beaufschlagten Bereichs des Werkstücks. Die Messmittel umfassen eine Messmitteloptik 5b, einen Umlenkspiegel 5c und entsprechende Analysemittel 5a. An der Oberfläche des Werkstücks 4 reflektiertes und/oder gestreutes Licht wird durch die Messoptik 5b und den Umlenkspiegel 5c zu den Analysemitteln 5a in einem Lichtstrahl L₂ übermittelt. Die Analysemittel 5a analysieren den Lichtstrahl L₂, um die vom Laserstrahl L₁ bearbeitete Oberfläche des Werkstücks 4 zu analysieren, also beispielsweise festzustellen, ob bzw. inwieweit eine abzutragende Schicht bereits abgetragen ist.
Weiter ist im Bereich der Laserquelle 2 eine Lichtquelle 8 angeordnet, insbesondere eine Blitzlampe. Die Blitzlampe 8 emittiert einen Lichtstrahl L₃, der in den Strahlengang des Laserstrahls L₁ der Laserquelle 2 in den zeitlichen Bereichen zwischen zwei Pulsen des Picosekundenlasers eingekoppelt wird. Der Lichtstrahl L₃ trifft dabei auf das Werkstück 4 und wird von diesem im Ganzen oder teilweise reflektiert. Die Messmitteloptik 5b und der Umlenkspiegel 5c leiten das so reflektierte Licht L₂ an die Analysemittel 5a weiter. Die Analysemittel 5a analysieren dann entsprechend das von der Blitzlampe 8 emittierte und das vom Werkstück 4 reflektierte Licht L₂. Die Steuerungsmittel 6 für die Laserquelle 2, die Steuerungsmittel 7a für die Positionierungseinrichtungen 7b, 7c als auch die Analysemittel 5a wirken mit einer zentralen Steuereinrichtung 10 zusammen. Die zentrale Steuereinrichtung 10 erhält von den Analysemitteln 5a die analysierten Daten, steuert dann die Steuermittel 6 für die Laserquelle 2 derart, so dass eine optimale Bearbeitung des Werkstücks 4 ermöglicht wird. Gleichzeitig steuert die zentrale Steuereinrichtung 10 ebenfalls die Steuerungsmittel 7a für die Positionierungseinrichtungen 7b, 7c dementsprechend, dass nacheinander verschiedene Positionen bzw. bestimmte Bereiche des Werkstücks 4 nacheinander zuverlässig und genau angesteuert werden und von der Laserquelle 2 zur Bearbeitung mit dem Laserstrahl L₁ beaufschlagt werden können. Die zentrale Steuereinrichtung 10 und die Steuerungsmittel 6 für die Laserquelle 2 können die Laserquelle 2 derart steuern, dass mindestens einer der Parameter der Laserquelle 2 wie beispielsweise Laserleistung, zeitliche Pulsfolge des Lasers etc. eingestellt bzw. ständig angepasst wird. Die Analysemittel 5a sind dabei in einem Wellenlängenbereich in einem Bereich zwischen 300 nm und 10 μm empfindlich. Die Analysemittel 5a analysieren Reflexions- und Transmissionsdaten des von der Oberfläche des Werkstücks 4 reflektierten Lichtstrahls L₂ reflektiert.
Zusammenfassend weist die vorliegende Erfindung die Vorteile auf, dass damit eine sogenannte In-Situ-Überwachung von aktuell mit der Laserquelle bearbeiteten Oberflächenbereichen von Werkstücken ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit die Bearbeitung des Werkstücks ständig an geänderte Gegebenheiten automatisch angepasst werden kann, so dass die Zuverlässigkeit sowie die Flexibilität erhöht wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1658648 B1 [0004]

Claims

Lasersystem (1) zur Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zur Strukturierung beschichteter Materialien, umfassend – eine Laserquelle (2) zur Erzeugung eines Laserstrahls (L₁) mit zumindest einer Wellenlänge, – einen Werkstückträger (3), auf dem ein zu bearbeitendes Werkstück (4), vorzugsweise ein Wefer, angeordnet ist, der mit dem Laserstrahl (L₁) beaufschlagbar ist, – Messmittel (5a, 5b, 5c) zur Überwachung eines mit dem Laserstrahl (L₁) beaufschlagten Bereich des Werkstücks (4), sowie – Steuerungsmittel (6) zur Steuerung des Laserstrahls, wobei – die Steuerungsmittel (6) und die Messmittel (5a, 5b, 5c) derart zusammenwirken, so dass eine im Wesentlichen kontinuierliche Anpassung des Laserstrahls (L₁) in Abhängigkeit gemessener Werte der Messmittel (5a, 5b, 5c) erfolgt.
Lasersystem gemäß Anspruch 1, wobei Positionierungsmittel (7a, 7b, 7c) zur zumindest zweidimensionalen Positionierung des Werkstückträgers (3) relativ zur Laserquelle (2) angeordnet sind.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–2, wobei die Positionierungsmittel (7a, 7b, 7c) zur Positionierung im Nanometerbereich ausgebildet sind.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–3, wobei die Positionierungsmittel (7a, 7b, 7c) mit den Steuerungsmitteln (6) und/oder den Messmitteln (5a, 5b, 5c) zur Bearbeitung des Werkstücks (4) zusammenwirken.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei eine Lichtquelle (8), insbesondere eine Blitzlampe, angeordnet ist zur Analyse des Bereichs des Werkstücks (4), welches vom Laserstrahl (L₁) beaufschlagt wird.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–5, wobei die Lichtquelle (8) derart angeordnet ist, so dass ein Strahlengang des Lichts (L₃) der Lichtquelle (8) im Wesentlichen zumindest teilweise mit einem Strahlengang des Laserstrahls (L₁) übereinstimmt.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–6, wobei die Messmittel (5a 5b, 5c) ausgebildet sind, um elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 20 Mikrometer, insbesondere zwischen 300 nm und 10 Mikrometer zu messen.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–7, wobei die Laserquelle (2) als Pulslaser, insbesondere als Picosekunden-Pulslaser, ausgebildet ist.
Lasersystem gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–8, wobei die Messmittel (5a, 5b, 5c) eine zumindest zweidimensional abbildende Kamera aufweisen, die mit der Lichtquelle (8) zur Analyse des Bereichs des Werkstücks (4), welches vom Laserstrahl (L₁) beaufschlagt wird, zusammenwirkt.
Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere zur Strukturierung beschichteter Materialien, insbesondere geeignet zur Ausführung mit einer Vorrichtung gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–9, umfassend die Schritte – Erzeugen (S₁) eines Laserstrahls (L₁) mit zumindest einer Wellenlänge, – Bestrahlen (S₂) eines Werkstücks (4) auf einem Werkstückträger mit dem erzeugten Laserstrahl (L₁), – Überwachen (S₃) eines mit dem Laserstrahl (L₁) beaufschlagten Bereichs des Werkstücks (4) mittels Messmitteln (5a, 5b, 5c), – im Wesentlichen kontinuierliches Anpassen (S₄) des Laserstrahls (L₁) in Abhängigkeit von Werten der Messmittel (5a, 5b, 5c).
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Überwachen (S₃) anhand der Messmittel (5a, 5b, 5c) mittels Spektroskopie erfolgt.
Verwendung eines Lasersystems (1) gemäß zumindest einem der Ansprüche 1–9 zur Abtragung von dünnen Schichten eines Werkstücks (4), insbesondere mit Schichtdicken zwischen 1 nm und 250 Mikrometern.