DE102014103749A1

DE102014103749A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102014103749A1
Application number: DE102014103749.9A
Authority: DE
Inventors: Roland Mayerhofer; Ralf Schmidt; Ralf Lizius; Peter Oesterlin
Original assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Current assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-06-18
Also published as: WO2015091363A3; WO2015091363A2; TW201532722A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (18), mit einem gepulsten ersten Laserstrahl (4) einer ersten Wellenlänge und mit einem diesem überlagerten gepulsten zweiten Laserstrahl (8) einer zweiten Wellenlänge, wobei die Pulslänge (t1) des ersten Laserstrahls (4) länger oder gleich der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) ist und der Puls (P) des zweiten Laserstrahls (8) zeitlich innerhalb des Pulses (P) des ersten Laserstrahls (4) auf das Werkstück (18) auftrifft. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks.
IGBTs spielen in der Leistungselektronik eine wachsende Rolle. Sie finden weit verbreiteten Einsatz in der Steuerung von Elektrogeräten wie Kochherden, Waschmaschinen, Warmwasserbereiter, aber auch in Hybrid- und Elektrofahrzeugen und in Wechselrichtern für erneuerbare Energien. Dabei wird es immer wichtiger, den elektrischen Wirkungsgrad dieser Transistoren zu verbessern, um die erzeugte Verlustwärme zu reduzieren und somit die IGBT-Module immer kompakter bauen zu können. Die Reduzierung der Verlustwärme geht einher mit der Reduzierung der Dicke der Siliziumwafer, aus denen diese IGBTs hergestellt werden. Heutzutage werden IGBTs für Anwendungen bis 600V auf Wafern hergestellt, die nur noch etwa 50µm dick sind.
Die Problematik bei der Herstellung ergibt sich dadurch, dass auf der einen Seite dieser dünnen Wafer Strukturen hergestellt werden müssen, die auch Metallkontakte aus Aluminium oder Kupfer beinhalten. Erst nachdem diese Kontakte hergestellt sind, kann der Wafer auf die endgültige Dicke von z.B. 50µm von der Rückseite her dünngeschliffen werden. Anschließend muss auf der so neu gewonnenen Rückseitenoberfläche eine elektrisch aktive Schicht hergestellt werden, was durch das Einbringen von Fremdatomen geschieht, meistens durch Implantation von elektrisch beschleunigten Ionen. Diese Fremdatome müssen mittels Erhitzen bis zum Schmelzpunkt des Siliziums (ca. 1425 °C) aktiviert werden, d.h. sie werden erst nach dieser thermischen Behandlung elektrisch wirksam. Da auf der Vorderseite bereits die Metallkontakte gebildet sind, kann diese thermische Behandlung nicht im Ofen erfolgen. Aus diesem Grund wird diese Aktivierung mehr und mehr mit gepulsten Lasern durchgeführt. Die Wellenlänge dieser Laser ist so gewählt, dass das Licht Bruchteile von einem Mikrometer bis etwa 1µm tief in das Silizium eindringt und die Pulslänge so gewählt ist, dass während der Dauer des Laserpulses die Wärme sich nur um wenige Mikrometer im Silizium ausbreitet. Typische Eigenschaften dieser Laser sind Emissionswellenlängen im grünen Spektralbereich, z.B. 515nm oder 532nm (Frequenzverdoppelte Festkörperlaser) und Pulslängen im Bereich von 0,5 bis 1,5 µs.
Bei einigen Anwendungen sind jedoch Aktivierungen bis in größere Tiefen des Siliziumbauteils notwendig. Diese können durch die Verwendung kurzer Pulse grüner Wellenlängen jedoch nicht erreicht werden. In letzter Zeit hat es sich daher herausgestellt, dass die gleichzeitige Beaufschlagung des Siliziumwafer mit gepulstem grünen Laserlicht und kontinuierlichem infraroten Laserlicht es ermöglicht, die implantierten Fremdatome in einer größeren Tiefe zu aktivieren, als es mit gepulstem grünen Laserlicht allein möglich ist. Zudem lässt sich die Konzentration von Gitterfehlstellen im Siliziumkristall durch die Wärmebehandlung reduzieren. Die Kontrolle der Konzentration der Gitterfehlstellen ist wichtig, da sie das Abschaltverhalten der IGBTs bestimmt und somit die elektrischen Verluste wie auch die erzeugten elektromagnetischen Störungen beeinflusst. Gut einsetzbar sind dafür kontinuierliche Diodenlaser, die Laserlicht mit bspw. 808nm Wellenlänge emittieren und Lichtleistungen von einigen 100W erzeugen können. Eine derartige Vorrichtung geht bspw. aus der DE 11 2010 004 232 T5 hervor. Das darin beschriebene Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die zusätzlich eingestrahlte Lichtleistung des Diodenlasers den Siliziumwafer zusätzlich erwärmt und deshalb die maximal tolerierbare Temperatur der Vorderseite überschritten werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks anzugeben, bei dem diese Nachteile vermieden werden.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Demnach wird ein Werkstück mit einem gepulsten ersten Laser-strahl einer ersten Wellenlänge und mit einem diesen überlagerten gepulsten zweiten Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge bearbeitet, wobei die Pulslänge des ersten Laserstrahls länger oder gleich der Pulslänge des zweiten Laserstrahls ist und der Puls des zweiten Laserstrahls zeitlich innerhalb des Pulses des ersten Laserstrahls auf das Werkstück auftrifft.
Mit anderen Worten werden somit beide Laser gepulst betrieben und das Werkstück mit einem von beiden Lasern erzeugten, kombinierten Laserstrahl bearbeitet. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also auch die erste Laserlichtquelle mittels einer speziellen Stromversorgung gepulst betrieben. Die Pulslänge des ersten Laserstrahls muss dabei gleich oder länger sein als die des zweiten Laserstrahls. Beide Laserstrahlen bzw. Laserlichtquellen müssen miteinander synchronisiert sein, so dass die Pulse beider Laserstrahlen zur gleichen Zeit am gleichen Ort auf dem Werkstück auftreffen. Wenn bspw. die Pulswiederholfrequenz 10kHz beträgt, dann ist der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen 100µs. Wenn man die Pulslänge des ersten Lasers auf 10µs einstellt, so bedeutet das, dass dieser Laser nur einen duty cycle von 10% aufweist, d.h. er emittiert sein Licht nur 10% der gesamten Zeit auf das Werkstück, wie beispielsweise den Wafer.
Dadurch wird die Wärmeerzeugung auf dem Werkstück reduziert, und beispielsweise die maximal zulässige Temperatur insbesondere der Vorderseite des Wafers wird nicht überschritten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Pulslänge des ersten Laserstrahls das fünf bis fünfzigfache der Pulslänge des zweiten Laserstrahls.
Bevorzugt sind die Pulslängen des zweiten Laserstrahls 1µs und des ersten Laserstrahls 5µs bis 50µs, insbesondere 10µs.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung emittiert die erste Laserlichtquelle Laserlicht im Infrarotbereich und die zweite Laserlichtquelle Laserlicht im grünen Bereich.
Der zeitlich kürzere Puls des zweiten Lasers muss nicht notwendiger Weise zeitlich genau in der Mitte des längeren Pulses des ersten Lasers fallen, sondern er kann bspw. zeitlich an das Ende oder an den Anfang des Infrarotpulses gelegt werden oder an jeden anderen Zeitpunkt innerhalb des Impulses des ersten Lasers.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 5.
Die erste Laserlichtquelle wird dabei vorzugsweise durch einen Diodenlaser gebildet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks,
2 die Intensität des ersten und zweiten Laserstrahls im zeitlichen Verlauf.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, mit einer ersten Laserlichtquelle 2 zur Erzeugung eines gepulsten ersten Laserstrahls 4 einer ersten Wellenlänge. Bei dem ersten Laser 2 handelt es sich bspw. um einen Diodenlaser, mit dem Laserlicht im infraroten Bereich mit bspw. einer ersten Wellenlänge von 808nm erzeugt wird. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine zweite Laserlichtquelle 6, mit der ein zweiter gepulster Laserstrahl 8 erzeugt wird. Die zweite Laserlichtquelle erzeugt dabei einen zweiten Laserstrahl 8 im grünen Spektralbereich von bspw. 515nm oder 532nm Wellenlänge.
Weiterhin weist die Vorrichtung eine Optik 10 auf. Diese umfasst wiederum ein erstes strahlformendes Element 12 zur Formung des ersten Laserstrahls 4 und ein zweites strahlformendes Element 14 zur Formung des zweiten Laserstrahls 8. Außerdem umfasst die Optik 10 einen dichroitischen Spiegel 16, der den ersten Laserstrahl 4 und den zweiten Laserstrahl 8 koaxial überlagert. Insgesamt werden mit der Optik 10 die einzelnen gepulsten Laserstrahlen 4, 8 überlagert und somit gemeinsam auf das Werkstück 18 geleitet, wobei es sich hierum um einen Siliziumwafer handelt. Zur Bewegung des Werkstücks 18 ist dieses auf einem Bewegungssystem 20 angeordnet, so dass die Laserstrahlen 4, 8 auf unterschiedliche Positionen des Werkstücks 18 geleitet werden können. Die beiden Laserlichtquellen 2, 6 werden nun so im Pulsbetrieb betrieben, dass der Puls P des zweiten Laserstrahls 8 zeitlich innerhalb des Pulses P des ersten Laserstrahls 4 am selben Ort des Werkstücks auftrifft.
2 zeigt nun eine Kurve 22, welche die Intensität des zweiten Laserstrahls 8 und eine Kurve 24, welche die Intensität des ersten Laserstrahls 4 jeweils im zeitlichen Verlauf wiedergibt. Die erste Laserlichtquelle 2 wird so betrieben, dass der erste Laserstrahl 4 Pulse P mit einer Pulslänge t1 von etwa 10µs aufweist. Die zweite Laserlichtquelle 6 wird dagegen so betrieben, dass der zweite Laserstrahl 8 Pulse P mit einer Pulslänge t2 von 1µs aufweist. Die Periodendauer T ist bei beiden Laserstrahlen 4, 8 identisch und beträgt jeweils 100µs, sodass die Pulswiederholfrequenz f 10kHz beträgt. Der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, also periodisch wiederkehrenden Pulsen beträgt also 100µs.
Bei der Pulslänge t1 von 10µs des ersten Laserstrahls 4 bedeutet dies, dass diese erste Laserlichtquelle 2 nur einen duty cycle von 10% aufweist, d.h. er emittiert sein Licht nur 10% der gesamten Zeit auf das Werkstück 18. Beispielsweise beträgt bei einer Dauerlichtleistung der ersten Laserlichtquelle 2 von 40W die eingestrahlte mittlere Leistung auf das Werkstück 18 in dem beschriebenen gepulsten Betrieb nur 10% davon und somit 4W. Somit ist auch die zusätzliche Wärmeerzeugung auf dem Werkstück 18 auf 10% reduziert und die maximal zulässige Temperatur des Werkstücks 18 wird nicht überschritten. Im Ausführungsbeispiel wird mit der zweiten Laserlichtquelle 6 eine Laserlichtleistung von 42W auf das Werkstück 18 eingestrahlt, so dass die insgesamt eingestrahlte mittlere Leistung 46W beträgt.
In diesem Fall liegt ein Puls P des zweiten Laserstrahls 8 exakt in der Mitte des längeren Pulses P des ersten Laser-strahls 2. In weiteren Ausführungsformen kann er aber auch zeitlich an das Ende, den Anfang oder an jeden anderen Zeitpunkt des Pulses P des ersten Laserstrahls 4 gelegt werden.
Die Erfindung ermöglicht es also die Vorteile der Laseraktivierungsmethode mit zwei Laserlichtquellen 2, 6 auszunutzen, ohne deren Nachteil, eine sehr hohe Temperatur des Werkstücks 18, insbesondere der Vorderseite des Wafers in Kauf nehmen zu müssen.
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

DE 112010004232 T5 [0004]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (18), mit einem gepulsten ersten Laserstrahl (4) einer ersten Wellenlänge und mit einem diesem überlagerten gepulsten zweiten Laserstrahl (8) einer zweiten Wellenlänge, wobei die Pulslänge (t1) des ersten Laserstrahls (4) länger oder gleich der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) ist und der Puls (P) des zweiten Laserstrahls (8) zeitlich innerhalb des Pulses (P) des ersten Laserstrahls (4) auf das Werkstück (18) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Pulslänge (t1) des ersten Laserstrahls (4) das fünf- bis fünfzigfache der Pulslänge (t2) des zweiten Laserstrahls (8) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei der die Pulslängen (t1, t2) des zweiten Laserstrahls (8) 1µs und des ersten Laserstrahls (4) 5 µs bis 50 µs, insbesondere 10 µs betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Laserlichtquelle (2) Laserlicht im Infrarotbereich und die zweite Laserlichtquelle (6) Laserlicht im grünen Bereich emittieren.
Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (18) gemäß dem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer ersten Laserlichtquelle (2) zur Erzeugung eines gepulsten ersten Laserstrahls (4) einer ersten Wellenlänge, einer zweiten Laserlichtquelle (6) zur Erzeugung eines gepulsten zweiten Laserstrahls (8) einer zweiten Wellenlänge und mit einer Optik (10), mit der beide Laserstrahlen (4, 8) auf das Werkstück (18) geleitet werden können.
Vorrichtung nach Patentanspruch 5, wobei die erste Laserlichtquelle (2) ein Diodenlaser ist.