DE102020115878A1

DE102020115878A1 - Verfahren und System zum Laserschweißen eines Halbleitermaterials

Info

Publication number: DE102020115878A1
Application number: DE102020115878.5A
Authority: DE
Inventors: Maxime Chambonneau; Stefan Nolte; Qingfeng Li
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-16
Also published as: WO2021255035A2; US20230129245A1; EP4164833A2; WO2021255035A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines ersten Werkstücks (11) an ein zweites Werkstück (12) mittels eines Lasers. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen zuverlässigen, wiederholbaren und reproduzierbaren Ansatz zum Laserschweißen von zwei Werkstücken bereitzustellen, von denen eines aus einem Halbleitermaterial besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bestrahlen des ersten Werkstücks (11) mit einem Strahl gepulster Laserstrahlung, wobei das erste Werkstück (11) aus einem Halbleitermaterial besteht, das bei der Wellenlänge der Laserstrahlung transparent ist, sodass der Strahl durch eine Eintrittsfläche in das erste Werkstück (11) eintritt und es durch eine Austrittsfläche verlässt, wobei der geometrische Fokus des Strahls in der Ebene der Austrittsfläche positioniert wird; Bestimmen einer Verlagerung des Fokus, verursacht durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial; Setzen des zweiten Werkstücks (12) an das erste Werkstück (11); und nochmaliges Bestrahlen des ersten Werkstücks (11) mit dem Laserstrahl gepulster Laserstrahlung, wobei der Fokus der Laserstrahlung unter Berücksichtigung der bestimmten Verlagerung entlang der Strahlrichtung positioniert wird, sodass das Intensitätsmaximum sich in der Ebene der Austrittsfläche befindet, die die Grenzfläche der beiden Werkstücke (11, 12) bildet, wodurch das erste Werkstück (11) an das zweite Werkstück (12) geschweißt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein System zum Schweißen eines ersten Werkstücks (11) an ein zweites Werkstück (12).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Laserschweißens. Sie betrifft ein Verfahren und ein System zum Schweißen eines ersten Werkstücks an ein zweites Werkstück mittels eines Lasers.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Das Aufkommen ultraschnell gepulster Laserquellen (mit Pulsdauern von <20 ps) hat Laserschweißtechnologien zur selektiven Verbindung von zwei Werkstücken im räumlichen Bereich um die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken ermöglicht. Übliche Materialien, die an solchen Laserschweißtechnologien beteiligt sind, sind transparente Materialien:

• Glas und Metall (siehe beispielsweise G. Zhang and G. Cheng, „Direct welding of glass and metal by 1 kHz femtosecond laser pulses," Applied Optics, Bd. 54, Nr. 30, S. 8957-8961, 2015);
• Glas und Halbleiter (siehe beispielsweise G. Zhang et al., „Femtosecond laser Bessel beam welding of transparent to nontransparent materials with large focal-position tolerant zone," Optics Express, Bd. 26, Nr. 2, S. 917-926, 2018);
• Glas und Glas (siehe beispielsweise S. Richter et al., „Toward laser welding of glasses without optical contacting," Applied Physics A, Bd. 121, Nr. 1, S. 1-9, 2015),
• transparente Materialien im Allgemeinen (siehe beispielsweise US 2013/0068384 A1 );
• Polymer und Polymer (siehe beispielsweise S. Mingareev et al., „Welding of polymers using a 2 µm thulium fiber laser," Optics & Laser Technology, Bd. 44, Nr. 7, S. 2095-2099, 2012).

Allerdings wurde bisher kein Laserschweißen unter Beteiligung eines Halbleitermaterials und eines opaken Materials - insbesondere Silizium an Metall - demonstriert. Eine solche Laserschweißtechnologie würde den Weg bereiten für dreidimensionale (3D-), schnelle und kontaktlose Herstellung einer Vielzahl von Vorrichtungen in Mikroelektronik, Mikromechanik, Photovoltaik, Sensoren des Internet der Dinge (Internet-of-Things - loT) etc.
Für die Tatsache, dass bis heute keine solche Schweißtechnologie existiert, lassen sich zwei Hauptgründe identifizieren. Ein erster Grund ist, dass die meisten Halbleitermaterialien nur im nahen und mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums transparent sind. Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser, die Licht in diesem Spektralbereich abgeben, sind erst seit sehr kurzem im Aufkommen, mit der Entwicklung von z. B. optisch parametrischen Verstärkern und Faserlasern (z. B. Er-dotiert, Tm-dotiert). Zweitens haben neuere Untersuchungen gezeigt, dass das Induzieren von permanenten Veränderungen mit ultrakurzen Pulsen im Inneren von Halbleitern oder an ihren Austrittsflächen anders als bei transparenten Materialien extrem herausfordernd ist (siehe beispielsweise M. Chanal et al., „Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon," Nature Communications, Bd. 8, Nr. 773, 2017). Dieses ungewöhnliche Materialverhalten resultiert aus der Konkurrenz zwischen dem Kerr-induzierten Selbstfokussierungseffekt auf der einen und Plasmaabsorption und Defokussierungseffekten auf der anderen Seite (siehe beispielsweise M. Chambonneau et al., „Competing Nonlinear Delocalization of Light for Laser Inscription Inside Silicon with a 2-µm Picosecond Laser," Physical Review Applied, Bd. 12, Nr. 2, S. 024009, 2019). Folglich ist die maximale Energie, die in dem Material aufgebracht wird, nicht nur gesättigt, sondern auch stark verlagert bzw. delokalisiert (siehe beispielsweise E. V. Zavedeev et al., „Delocalization of femtosecond laser radiation in crystalline Si in the mid-IR range," Laser Physics, Bd. 26, Nr. 1, S. 016101, 2016).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aus dem Vorstehenden versteht sich ohne Weiteres, dass ein Bedarf für eine verbesserte Laserschweißtechnik besteht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen zuverlässigen, wiederholbaren und reproduzierbaren Ansatz zum Laserschweißen von zwei Werkstücken bereitzustellen, von denen eines aus einem Halbleitermaterial besteht.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Schweißen eines ersten Werkstücks an ein zweites Werkstück mittels eines Lasers offenbart. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Bestrahlen des ersten Werkstücks mit einem Strahl gepulster Laserstrahlung, wobei das erste Werkstück aus einem Halbleitermaterial besteht, das bei der Wellenlänge der Laserstrahlung transparent ist, sodass der Strahl durch eine Eintrittsfläche des ersten Werkstücks in das erste Werkstück eintritt und es durch eine Austrittsfläche des ersten Werkstücks verlässt, wobei der geometrische Fokus des Strahls in der Ebene der Austrittsfläche positioniert wird;
- Bestimmen einer Verlagerung (Englisch: „delocalization“, auch: „Delokalisierung“) des Fokus, die durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial verursacht wird;
- Setzen des zweiten Werkstücks an das erste Werkstück; und
- nochmaliges Bestrahlen des ersten Werkstücks mit dem Laserstrahl gepulster Laserstrahlung, wobei der Fokus der Laserstrahlung unter Berücksichtigung der bestimmten Verlagerung entlang der Strahlrichtung positioniert wird, sodass das Intensitätsmaximum sich in der Ebene der Austrittsfläche befindet, die die Grenzfläche der beiden Werkstücke bildet, wodurch das erste Werkstück an das zweite Werkstück geschweißt wird.

Eine permanente Veränderung an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken wird durch den erfindungsgemäßen Ansatz erzielt, wobei die Austrittsfläche des Halbleiterwerkstücks mechanisch und/oder optisch in Kontakt mit dem zweiten Werkstück steht. Der Laserfluss wird an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken maximal absorbiert, wenn ein Wieder-Verlagerungsvorgang des Intensitätsmaximums durchgeführt wird, um die nichtlineare Ausbreitung des Laserstrahls durch das Halbleiterwerkstück zu kompensieren. Der Laserschweißprozess wird durch diesen Ansatz hinsichtlich der Bindungskraft optimiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in zwei Hauptabschnitte unterteilt. In dem ersten, vorbereitenden Abschnitt wird das erste Werkstück mit der gepulsten Laserstrahlung bestrahlt, wobei die Strahlung an der Austrittsfläche des ersten Werkstücks fokussiert ist, die die Grenzfläche mit dem zweiten Werkstück bildet. Aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung der Laserpulse mit dem transparenten Halbleitermaterial tritt eine Intensitäts-Verlagerung auf, d. h. eine Verschiebung des Intensitätsmaximums entlang des Strahlengangs zu einer Position stromaufwärts des tatsächlichen geometrischen Fokus an der Austrittsfläche. Diese Verlagerung wird im ersten Abschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt, z. B. durch Messen der Intensitätsvariation der eingestrahlten Laserstrahlung entlang des Strahlengangs, um die Position maximaler Intensität in dem ersten Werkstück zu finden. Im zweiten Abschnitt findet der eigentliche Schweißprozess statt. Hierzu wird das zweite Werkstück an seiner Austrittsfläche an das erste Werkstück gesetzt. Die beiden Werkstücke können entweder mit oder ohne ein geeignetes Montageverfahren wie optischen Kontakt oder mechanische Befestigung (z. B. Kleber) in Position gehalten werden. Der Fokus des Laserstrahls wird unter Berücksichtigung der gemessenen Verlagerung entlang des Strahlengangs repositioniert, sodass das Intensitätsmaximum genau in der Ebene der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken angeordnet ist. Die Anordnung der beiden Werkstücke wird dann in dieser korrigierten Konfiguration bestrahlt, sodass die Verlagerung kompensiert wird, und die beiden Werkstücke werden fest verbunden.
Der Begriff „Schweißen“ im Sinne der Erfindung bezieht sich auf jeden Prozess, der eine laserinduzierte Bindung zwischen den beiden Werkstücken herstellt, d. h. eine Kraft, die die beiden Werkstücke in mechanischem Kontakt hält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Laserstrahlung durch einen Einzelpuls oder eine Pulsfolge mit einer Pulsdauer zwischen 1 fs und 100 ns gebildet. Eine Pulsfolge ist als eine Gruppe mehrerer einzelner Pulse definiert, die zeitlich getrennt sind. Der Einfachheit halber wird der Begriff „Puls“ hier jeweils für eine Laserbestrahlung verwendet, die aus einem einzelnen Laserpuls oder einer Folge von Laserpulsen besteht. Die Intensität eines Einzelpulses ist als I = 2E / [τπ(w₀)²] definiert, wobei E die Pulsenergie ist, τ die Pulsdauer bei voller Breite beim halben Maximum ist, wo der Strahlradius am Fokus (bei einem Intensitätsabfall von 1/e²) im Fall eines glockenförmigen Strahls (z. B. eines Gaußstrahls) ist. Wenn die Laserbestrahlung aus einer Pulsfolge besteht, entspricht die Dauer der Bestrahlung dem Zeitintervall, das mit der maximalen Intensität des ersten Laserpulses beginnt und mit der maximalen Intensität des letzten Laserpulses endet; und die Pulsenergie ist als die mittlere Leistung während der Folge multipliziert mit der Dauer der Folge definiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Parameter der Laserstrahlung, insbesondere das Spektrum, die Pulsdauer, die Strahlgröße sowie die Pulsenergie, während der Bestimmung der Verlagerung und während des Schweißens des ersten Werkstücks an das zweite Werkstück identisch. Indem während des ersten (vorbereitenden) und zweiten (Schweiß-) Abschnitts des erfindungsgemäßen Verfahrens identische Parameter gewählt werden, wird sichergestellt, dass die bestimmte Verlagerung des Intensitätsmaximums der Verlagerung während dem eigentlichen Schweißvorgang entspricht. Mit anderen Worten stellt die Auswahl identischer Strahlungsparameter während beider Abschnitte sicher, dass das Intensitätsmaximum der Laserstrahlung genau an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken angeordnet ist, um eine optimale Bindung zu erhalten.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist das Material des zweiten Werkstücks bei der Wellenlänge der Laserstrahlung opak. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut geeignet zum Schweißen eines transparenten Halbleitermaterials an Material (z. B. ein Metall), das bei der Wellenlänge der Laserstrahlung opak ist. In diesem Fall wird die Laserstrahlung an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken absorbiert und induziert somit während des Schweißprozesses eine Materialveränderung. Die Transparenz und Opazität eines Werkstücks werden durch Vergleichen der Photonenenergie der Laserstrahlung (bei einer gegebenen Wellenlänge) mit der Bandlücke des Materials des jeweiligen Werkstücks definiert. Der Begriff „Halbleiter“ bezeichnet ein Bandlückenmaterial, d. h. ein Material mit einem Valenzband und einem Leitungsband, die durch einen Energiebereich getrennt sind, in dem (im idealen Fall des defektfreien Halbleiters) kein Elektronenzustand existiert und in dem sich das Fermi-Niveau befindet. Sowohl das Valenz- als auch das Leitungsband sind diesem Niveau nah genug, dass sie mit Elektronen oder Löchern besetzt sind. Die Photonenenergie der Laserstrahlung, die für den Laserschweißprozess eingesetzt wird, ist definiert als hc/λ, wobei h≈6.62607015×10^-34 J·s das Planck'sche Wirkungsquantum ist, c=2.99792458×10⁸ m/s die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist, und λ die Laserwellenlänge (ausgedrückt in Metern), die Bandlücke des Halbleitermaterials Δ₁ (ausgedrückt in Joule) und die Bandlücke des opaken Materials Δ₂ (in der gleichen Einheit ausgedrückt wie Δ₁) ist, wobei die Wellenlänge λ der Laserstrahlung vorzugsweise aus dem Intervall ausgewählt ist, das Folgendes erfüllt: $Δ_{2} \leq h c / λ < Δ_{1} .$
Im Folgenden werden die Bandlückenwerte der Einfachheit halber in Elektronenvolt angegeben (1 eV ≈ 1,6022 × 10^-19 J). Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise zum Schweißen eines Siliziumwerkstücks (Δ₁ = 1.12 eV) an ein Kupferwerkstück (Δ₂ = 0 eV) bei λ = 1555 nm oder zum Schweißen eines Siliziumwerkstücks (Δ₁ = 1.12 eV) an ein Germaniumwerkstück (Δ₂ = 0.67 eV) bei λ = 1300 nm vorteilhaft angewandt werden.
Das Setzen des zweiten Werkstücks an das erste Werkstück kann je nach Bedarf hinsichtlich eines Werkstückzustands, d. h. Oberflächenrauheit, Werkstückgröße etc., einen optischen Kontakt, ein loses Stapeln oder eine mechanische Befestigung beinhalten.
Vorzugsweise wird die Anordnung, die von den beiden Werkstücken gebildet wird, während des Schweißprozesses in einer Ebene senkrecht zum Laserstrahl relativ bewegt, um ein Schweißmuster zu erzeugen. Die Anzahl an Laserpulsen pro Schweißpunkt des Schweißmusters kann durch Steuerung der Wiederholungsrate des Lasers und/oder der Geschwindigkeit der relativen Bewegung des Laserstrahls und der Werkstücke während des Schweißens gesteuert werden. Darüber hinaus können die Strahlgröße an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken und die Laserintensität pro Puls zur Optimierung der Bindungskraft zwischen den beiden Werkstücken variiert werden. Beispielsweise kann eine allmähliche Erhöhung der Laserintensität an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken ausgehend von einem vorgegebenen Wert nützlich sein, um eine maximale Bindungskraft zu erhalten. Ein Mehrfachabtastungsvorgang kann nützlich sein, mit oder ohne eine Variation der Laserintensität zwischen verschiedenen Abtastungen derselben Zone an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken.
Allgemeiner wird der Fokus der Laserstrahlung entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken bewegt, um ein Schweißmuster zu erzeugen. Dies kann eine gleichzeitige relative Bewegung des Laserstrahls und der Anordnung der beiden Werkstücke entlang der optischen Achse sowie entlang der Achsen senkrecht dazu beinhalten.
Das bisher beschriebene erfindungsgemäße Verfahren kann mittels eines Systems zum Schweißen eines ersten Werkstücks an ein zweites Werkstück ausgeführt werden, das Folgendes umfasst:

- eine Laservorrichtung, die eingerichtet ist, einen Strahl gepulster Laserstrahlung zu erzeugen;
- eine Strahlsteuervorrichtung, die eingerichtet ist, den Strahl durch das erste Werkstück zu lenken, sodass der Strahl durch eine Eintrittsfläche in das erste Werkstück eintritt und es durch eine Austrittsfläche verlässt, die die Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück bildet, und den Strahl an einer Fokusposition entlang des Strahlengangs zu fokussieren;
- eine Messvorrichtung, die eingerichtet ist, eine Verlagerung des Fokus zu bestimmen, die durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial verursacht wird; und
- eine Positioniervorrichtung, die eingerichtet ist, die Anordnung der beiden Werkstücke und den Fokus der Laserstrahlung entlang der Richtung des Laserstrahls und in der Ebene senkrecht dazu relativ zueinander zu positionieren.

Die Positioniervorrichtung ermöglicht basierend auf der bestimmten Verlagerung des Fokus, dass das Intensitätsmaximum der Laserstrahlung an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken positioniert wird. Die Positioniervorrichtung ermöglicht ferner die relative Bewegung der Anordnung der beiden Werkstücke in der Ebene senkrecht zum Laserstrahl während des Schweißens, z. B. zum Erzeugen eines geeigneten Schweißmusters durch Abtasten des Laserstrahls über die Anordnung, die von den beiden Werkstücken gebildet wird. Die Positioniervorrichtung kann Galvanometerspiegel, Abtastspiegel, ein Phased Array zur Strahllenkung (beam steering phased array), einen Translationstisch, einen Drehtisch und/oder einen piezoelektrischen Tisch umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Messvorrichtung ein Mikroskop, das auf der Seite der Austrittsfläche des ersten Werkstücks angeordnet ist, wobei die Beobachtungsrichtung des Mikroskops im Wesentlichen entgegengesetzt (antiparallel) zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist. Dies schließt auch eine Variante ein, in der ein kleiner Winkel (z. B. im Bereich von 0 bis 10°) zwischen der Beobachtungsrichtung des Mikroskops und der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls eingebracht wird. Das Mikroskop kann eine Objektivlinse und eine Kamera umfassen. Die Intensitätsvariation entlang des Strahlengangs kann durch relatives Bewegen der Fokalebene des Mikroskops entlang des Strahlengangs in dem Material des ersten Werkstücks aufgenommen/abgetastet werden, um die Position maximaler Intensität zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlsteuervorrichtung eingerichtet, die Parameter der Laserstrahlung, insbesondere das Spektrum, die Pulsdauer, die zeitliche Pulsform, die Strahlgröße, die Polarisation und/oder die Pulsenergie zu steuern. In möglichen Ausführungsformen wird die Strahlsteuervorrichtung von einer Anzahl von Untermodulen gebildet. Ein Untermodul, das zum Fokussieren der Laserstrahlung verwendet wird, kann Objektivlinsen, sphärische Linsen, asphärische Linsen, F-Theta-Linsen, Zylinderlinsen und/oder Parabolspiegel umfassen. Darüber hinaus kann ein weiteres Untermodul der Strahlsteuervorrichtung einen optisch parametrischen Verstärker, einen optisch parametrischen Oszillator, einen frequenzumsetzenden Kristall zur Steuerung der Wellenlänge der Laserstrahlung umfassen. Noch ein anderes Untermodul kann einen Strecker umfassen, der auf einer Kombination von dispersiven Elementen wie Gittern oder Prismen zur Steuerung der Pulsdauer basiert. Ein Untermodul, das einen räumlichen Lichtmodulator umfasst, kann zur Steuerung der räumlichen Verteilung des Laserstrahls eingesetzt werden, ein Kepler- oder ein Galilei-Teleskop, das aus einer Kombination von Linsen und/oder Parabolspiegeln besteht, kann als ein weiteres Untermodul zur Steuerung der Strahlgröße verwendet werden. Ein Untermodul, das eine Kombination von Polarisatoren und/oder Wellenplatten umfasst, kann zur Steuerung der Polarisation des Laserstrahls eingesetzt werden, und/oder eine Kombination von Wellenplatten, Polarisatoren und/oder Neutraldichtefiltern kann ein Untermodul zur Steuerung der Pulsenergie bilden. Die Pulsenergie, Polarisation und Wiederholungsrate kann unter Verwendung eines akustooptischen Modulators (AOM) oder eines elektrooptischen Modulators (EOM) gesteuert werden.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das System ferner eine Beobachtungsvorrichtung, die eingerichtet ist, die Eintrittsfläche des ersten Werkstücks zu prüfen. Die Beobachtungsvorrichtung ermöglicht es beispielsweise, das Zusammentreffen der Eintrittsfläche des ersten Werkstücks mit dem geometrischen Fokus des Laserstrahls zu beobachten, sodass die genaue relative Position des Werkstücks und des Fokus bestimmt werden kann. Die Beobachtungsvorrichtung kann ein Dunkelfeld- oder ein Hellfeldmikroskop oder ein Phasenkontrastmikroskop umfassen, das entweder in Transmission oder Reflexion arbeitet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das System eine Konditionierungsvorrichtung, die eingerichtet ist, die Umgebungsbedingungen der Anordnung der beiden Werkstücke zu steuern. Die Konditionierungsvorrichtung steuert die Umgebungsbedingungen des Schweißprozesses hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Druck und Temperatur. Sie kann eine gasdichte Kammer umfassen, in der die Anordnung der beiden Werkstücke angeordnet ist, wobei die Kammer mit einer Vakuumpumpe und mit einem oder mehreren Gasreservoirs verbunden sein kann, um in der Kammer eine gewünschte Gaszusammensetzung herzustellen. Eine Heizvorrichtung (ein Ofen) kann verwendet werden, um die Umgebungstemperatur während des Schweißens zu steuern.
Es wird angemerkt, dass die beiden Werkstücke dem Schweißprozess unterzogen werden, der von dem erfindungsgemäßen System ausgeführt wird, und daher nicht Teil oder Komponente des Systems selbst sind.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen offenbaren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnungen nur zur Veranschaulichung und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung dienen. In den Zeichnungen zeigen:

1 schematisch ein System zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 schematisch die Messvorrichtung des Systems zur Bestimmung der Verschiebung der Position der maximalen Intensität entlang der optischen Achse;
3 eine Grafik, die die Fokusverlagerung in Abhängigkeit von Laserpulsenergie und - dauer darstellt;
4 das erfindungsgemäße Verfahren als ein Flussdiagramm.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein System 100 zum Schweißen eines ersten Werkstücks 11 an ein zweites Werkstück 12 als Blockdiagramm dargestellt. Das erste Werkstück 11 besteht aus einem Halbleitermaterial, z.B. Silizium. Das Material des zweiten Werkstücks ist ein Metall, z. B. Kupfer. Die beiden Werkstücke 11, 12 können an ihrer gemeinsamen Grenzfläche in optischem Kontakt sein oder nicht. Der optionale optische Kontakt kann durch Einbringen eines geeigneten Fluids, wie z. B. Methanol, Ethanol etc., in den Spalt zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 hergestellt werden. Die Werkstücke 11, 12 können mittels eines beliebigen üblichen mechanischen Befestigungsverfahrens in Kontakt gehalten werden.
Das Laserschweißsystem 100 umfasst insbesondere eine Laservorrichtung 21, z. B. einen modengekoppelten Faserlaser in Kombination mit einer oder mehreren optischen Verstärkerstufen, die gepulste Laserstrahlung 201 mit gegebenen Eigenschaften in Bezug auf räumliche und zeitliche Verteilung, Polarisation, Energie, Spektrum, Wiederholungsrate etc. emittiert. Zur Steuerung der Eigenschaften der Laserpulse 201 hinsichtlich Wellenlänge, Pulsdauer, zeitlicher Pulsform, Wiederholungsrate, räumlicher Verteilung des Strahls, Strahlgröße, Pulsenergie und Polarisation, bevor sie durch das erste Werkstück 11 gelenkt werden, ist eine Strahlsteuervorrichtung 20 vorgesehen. Die Strahlsteuervorrichtung 20 umfasst mehrere Untermodule 22-26 zur Steuerung der Pulseigenschaften und eine Fokussieroptik 40 zum Fokussieren des Laserstrahls, der durch eine Eintrittsfläche des Werkstücks 11 eintritt und es durch eine Austrittsfläche verlässt, die die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 bildet, wobei der geometrische Fokus auf eine Stelle entlang des Strahlengangs gesetzt ist. Die Fokussieroptik 40 kann z. B. eine Objektivlinse, eine einzelne konvexe Linse, ein Parabolspiegel, eine asphärische Linse, eine F-Theta-Linse, eine Zylinderlinse etc. umfassen.
Die relative Position der Anordnung 10 der beiden Werkstücke 11, 12 in Bezug auf den eingehenden fokussierten Strahl wird durch eine Positioniervorrichtung 50 (z. B. einen Translationstisch, einen Drehtisch, einen piezoelektrischen Tisch oder eine Kombination von diesen) angepasst, die die Verschiebung der Anordnung 10 in der Richtung des Laserstrahls (um die Position des geometrischen Fokus anzupassen) sowie in der Ebene senkrecht dazu ermöglicht. Zum Anpassen der Fokusposition können weitere Komponenten verwendet werden, wie beispielsweise eine F-Theta-Linse, Galvanometerspiegel, ein Phased Array zur Strahllenkung (beam steering phased array) etc. (nicht gezeigt). Die dreidimensionale Steuerung der relativen Position des Strahls in Bezug auf die Anordnung 10 ermöglicht es, den Schweißvorgang entlang eines vordefinierten Schweißmusters auszuführen. Das Schweißmuster wird durch eine Abtaststrategie bestimmt, um z. B. ein Punkt-für-Punkt-Muster, ein Zeile-für-Zeile-Muster, ein Muster aus konzentrischen Kreisen, ein Spiralmuster, Einfachabtastung, Mehrfachabtastung mit oder ohne Erhöhung der Laserintensität zwischen den Abtastungen, etc. zu erhalten. Idealerweise liegt die Abtastgeschwindigkeit während des Schweißens zwischen 1 nm/s und 10 m/s. Das Schweißmuster kann in Abhängigkeit von der Energiemenge gewählt werden, die pro Punkt des Schweißmusters an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 aufgebracht wird, die hauptsächlich von der Laserwiederholungsrate, Pulsenergie und Strahlgröße abhängt.
Das System 100 umfasst ferner eine Beobachtungsvorrichtung 30 zur Prüfung mindestens einer der Flächen des ersten Werkstücks 11. Die Beobachtungsvorrichtung 30 kann z. B. ein Hellfeld- oder Dunkelfeld-Lichtmikroskop sein, das mit oder ohne Phasenkontrast entweder in Transmission oder in Reflexion arbeitet. Die Beobachtungsvorrichtung 30 ermöglicht das Überwachen der Wechselwirkung der Laserstrahlung an der jeweiligen Fläche des ersten Werkstücks 11 zur genauen Kalibrierung der Positionierung des geometrischen Fokus des Laserstrahls relativ zu den Flächen des Werkstücks 11. Das System 100 umfasst ferner eine Konditionierungsvorrichtung 60 zum Steuern der Umgebungsbedingungen des Schweißprozesses hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Druck und Temperatur. Die Konditionierungsvorrichtung 60 umfasst beispielsweise eine Kammer mit einem Ventil zur Gaseinspritzung, eine Vakuumkammer, die mit Vakuumpumpen verbunden ist, einen Ofen etc.
Wie vorstehend erwähnt umfasst die Strahlsteuervorrichtung 20 optionale Untermodule 22-26 zur Anpassung der Laserpulseigenschaften. Das erste optionale Untermodul 22 ist zur Steuerung der Wellenlänge, und allgemeiner der Spektraleigenschaften der Pulse vorgesehen. Modul 22 kann beispielsweise ein optisch parametrischer Verstärker (optical parametric amplifier - OPA), ein optisch parametrischer Oszillator (optical parametric oscillator - OPO), ein frequenzverdoppelnder Kristall etc. sein. Die Wellenlänge der Pulse 202 am Ausgang von Modul 22 muss derart angepasst werden, dass Werkstück 11 bei dieser Wellenlänge transparent ist, während Werkstück 12 bei dieser Wellenlänge opak ist. Beispielsweise ist eine angepasste Wellenlänge von 1,55 µm geeignet, wenn das Material von Werkstückprobe 11 kristallines Silizium ist und das Material von Werkstück 12 ein Metall (z. B. Kupfer, Gold, Silber, Aluminium etc.) ist. Das zweite optionale Modul 23 ist zur Steuerung der zeitlichen Form der Laserpulse gemäß einem vordefinierten Schweißmuster vorgesehen. Für eine Bestrahlung, die aus Einzelpulsen oder einer Pulsfolge besteht, kann das Modul 23 die Wiederholungsrate der Pulse 202 verringern und kann beispielsweise eine Blende für den optischen Strahl, ein optischer Chopper, eine Pockelszelle, ein akustooptischer Modulator (AOM) etc. sein. Zum anderen ermöglicht das Modul 23 den Zugriff auf die Steuerung der Pulsdauer, und kann beispielsweise ein Strecker oder ein Kompressor, der aus einer Kombination von verschiedenen dispersiven Elementen wie Beugungsgittern oder -prismen besteht, oder ein Pulsstrecker sein, der auf der Gruppengeschwindigkeitsdispersion in einem gegebenen Material basiert. Das dritte optionale Modul 24 ist zur Steuerung der räumlichen Verteilung des Strahls vorgesehen. Es kann die Strahlgröße vergrößern oder verringern, z. B. mittels eines Galilei- oder eines Keplerteleskops und allgemeiner eines beliebigen afokales Systems. Zum anderen kann Modul 24 das Strahlprofil (d. h. die räumliche Strahlverteilung) von dem Strahl am Eingang 203 zum Ausgang 204 verändern. Z. B. kann Modul 24 in der Lage sein, Gauß-, Top-Hat- (d. h. in Intensität gleichmäßig), Bessel- oder Vortexstrahlen zu erzeugen. Modul 24 kann ein Axicon, Phasenplatten, einen räumlichen Lichtmodulator etc. umfassen. Das vierte optionale Modul 25 ermöglicht die Steuerung der Polarisation des Laserstrahls, d. h. der Richtung des elektrischen Felds des Lasers. Modul 25 kann beispielsweise Wellenplatten (Halbwellenplatte, Viertelwellenplatte), Polarisatoren (Linearpolarisator, Radialpolarisator, elektrooptischer Modulator) etc. umfassen. Das fünfte und letzte optionale Modul 26 ist für die Steuerung der Pulsenergie durch Verringerung der Strahlleistung von dem Eintritt 205 zum Austritt 206 dieses Moduls vorgesehen. Die Dämpfung der Pulsenergie kann beispielsweise mit einem optischen Abschwächer, Neutraldichtefiltern, der Kombination einer Halbwellenplatte mit einem Polarisator (die Steuerung der Energie wird hierbei durch Drehen der Halbwellenplatte erzielt) etc. ausgeführt werden. Wenn alle der vorgenannten optionalen Module 22-26 der Strahlsteuervorrichtung 20 verwendet werden, können die spektralen, zeitlichen, räumlichen, Polarisations- und Energieeigenschaften des Strahls 206 optimal angepasst werden. Die Reihenfolge der Untermodule 22-26 kann nach Bedarf abgewandelt werden.
Die Laserpulsenergie kann durch Anwendung eines Energiekalibriervorgangs ermittelt werden. Der Vorgang besteht darin, die mittlere Leistung der Laserstrahlung zwischen der Fokussieroptik 40 und dem Werkstück 11 zu messen, z. B. unter Verwendung eines Leistungsmessers. Die entsprechende Pulsenergie kann auf einfache Weise bestimmt werden, indem das Verhältnis zwischen dem gemessenen mittleren Leistungswert (in Watt) und der Wiederholungsrate des Lasers (d. h. der Anzahl an Laserpulsen pro Sekunde, in Hertz) berechnet wird. Ferner kann die Energie nach Ausbreitung durch die Eintrittsfläche des Werkstücks 11 ermittelt werden, indem die Pulsenergie mit dem Fresnel-Transmissionskoeffizienten multipliziert wird, der aus den Brechungsindizes der Umgebung und des Werkstücks 11, der Laserpolarisation und dem Einfallswinkel des Laserstrahls berechnet wird.
2 zeigt eine Darstellung der Messvorrichtung 70 des Systems 100. Die Messvorrichtung 70 wird verwendet, um die Variation der Intensität der Laserstrahlung entlang des Strahlengangs in dem ersten Werkstück 11 zu messen, um eine Verlagerung des Fokus zu bestimmen, die durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial von Werkstück 11 verursacht wird. Dieser Messvorgang wird vor dem eigentlichen Schweißen ausgeführt. Der Messvorgang umfasst das Fokussieren des Laserstrahls mit identischen Strahlparametern, wie sie beim Schweißen verwendet werden (hinsichtlich Spektrums, zeitlichen Verlaufs, Pulsdauer, räumlicher Verteilung des Strahls, Strahlgröße, Polarisation und Pulsenergie). Der Laserstrahl ist zunächst auf die Austrittsfläche des ersten Werkstücks 11 fokussiert, die danach an das zweite Werkstück 12 (1) lasergeschweißt werden soll. Die Messvorrichtung 70, z. B. ein Mikroskop, das kollinear zur optischen Achse Z ist und der Laserstrahlrichtung entgegengerichtet ist, ermöglicht das Abbilden der Austrittsfläche des Werkstücks 11. Aufgrund der Tatsache, dass das Abbildungssystem 70 auch auf den Strahl zentriert ist, der durch das Fokussiersystem 40 fokussiert ist, ist die Messvorrichtung 70 dazu in der Lage, die räumliche Verteilung der Strahlintensität an der Austrittsfläche von Werkstück 11 abzubilden. In der dargestellten Ausführungsform besteht die Messvorrichtung 70 aus einer Sammeloptik 71, deren numerische Apertur (NA) idealerweise größer ist als diejenige der Fokussieroptik 40, um sicherzustellen, dass alle Winkelkomponenten des einfallenden Lichts gesammelt werden. Die Sammeloptik 71 kann beispielsweise eine unendlich korrigierte Objektivlinse sein. Auf diese Weise wird der Strahl kollimiert, nachdem er von der Fokussieroptik 40 gesammelt wurde. Eine optionale Tubusoptik 72 ist vorgesehen, um das kollimierte Licht auf eine Kamera 73 zu refokussieren, die beispielsweise mit einem Bandpassfilter ausgestattet sein kann, um sicherzustellen, dass nur das Licht mit der Wellenlänge der Laserstrahlung detektiert wird. Dieses Filter kann insbesondere in dem Fall der Erzeugung dritter Harmonischer in dem Material sowie zum Blockieren des Großteils des Umgebungslichts relevant sein. Wenn eine endlich korrigierte Objektivlinse in der Sammeloptik 71 eingesetzt wird, kann die Tubusoptik 72 umgangen werden und der Strahl wird direkt auf die Kamera 73 refokussiert. Idealerweise weist die Kamera 73 für einen optimierten Dynamikbereich eine lineare Reaktion bei der Wellenlänge des einfallenden Lasers auf. Darüber hinaus sollte das Bild auf der Kamera 73 während der Messung keinerlei gesättigte Pixel zeigen. Das System 100 umfasst ferner einen Lineartranslationstisch 80, der eine relative Verschiebung der Fokussieroptik 40 nur entlang der optischen Achse Z, stromaufwärts sowie stromabwärts entlang des Laserstrahlengangs ermöglicht. In einer möglichen alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) ermöglicht der Translationstisch 80 es dem Werkstück 11 und der Messvorrichtung 70, sich mit einer festen Position der Fokussieroptik 40 zusammen entlang der optischen Achse Z zu bewegen. Die in 2 gezeigte Anordnung ermöglicht es, die räumliche Verteilung des einfallenden Laserlichts in der (X,Y)-Ebene für verschiedene relative Positionen des Fokus entlang der optischen Achse Z in Bezug auf die Austrittsfläche des Werkstücks 11 abzubilden. Durch wiederholte Hin- und Herbewegungen der Fokussieroptik 40 und Bilderfassungen unter Verwendung der Messvorrichtung 70 kann in den (X,Z)- und (Y,Z)-Ebenen die Intensitätsvariation des Laserstrahls bestimmt werden, der sich durch das erste Werkstück 11 ausbreitet.
Ein erster Strahlausbreitungsabbildungsvorgang kann bei einer Pulsenergie ausgeführt werden, für die die Strahlausbreitung linear ist, d. h. ohne nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial des ersten Werkstücks 11 (üblicherweise bei einer Pulsenergie zwischen 1 fJ und 20 pJ, abhängig von der Empfindlichkeit der Kamera 73). Die Energie kann beispielsweise mittels Neutraldichtefiltern von Modul 26 auf solch ein niedriges Niveau gedämpft werden (siehe 1). Dann wird die gleiche Messung bei der Pulsenergie durchgeführt, bei der der Schweißvorgang ausgeführt wird. Die Intensität, die dieser Pulsenergie entspricht, muss zum Induzieren einer Materialveränderung an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 während des Laserschweißvorgangs ausreichend sein. Aufgrund der Tatsache, dass diese erhöhte Intensität weder an der Austrittsfläche noch in dem Grundmaterial ausreichend zum Induzieren einer Materialveränderung des Materials des ersten Werkstücks 11 ist (das bei der Wellenlänge der Laserstrahlung transparent ist), ist die Messung der Intensitätsvariation unter nichtlinearer Ausbreitung des Laserstrahls bei der höheren Pulsenergie zuverlässig und wiederholbar. Die linearen und die nichtlinearen Ausbreitungsbilder, die von Messvorrichtung 70 erfasst werden, können analysiert werden, um die Position der maximalen Pixelamplitude entlang der optischen Achse Z zu bestimmen (die mit der maximalen Fluenz und Intensität des Laserstrahls zusammenhängt). Die Differenz zwischen den Positionen der maximalen Intensität entlang der optischen Achse Z in den linearen und nichtlinearen Ausbreitungsfällen (nachstehend als ΔZ bezeichnet) kann aus einem Vergleich der beiden Bilder abgeleitet werden. Bei Pulsenergien, die zum Schweißen erforderlich sind, ist die Position der maximalen Intensität entlang des Strahlengangs stark stromaufwärts, d. h. in den vorfokalen Bereich des Halbleitergrundmaterials verschoben. Dies hängt physikalisch mit Solitonbildung zusammen, die durch die Konkurrenz nichtlinearer Phänomene wie Kerrinduzierter Selbstfokussierung, Plasmabildung (z. B. aufgrund von Mehrphotonenabsorption, Lawinenionisation, Tunnelionisation etc.) und Plasmadefokussierung hervorgerufen wird.
3 zeigt eine experimentelle Quantifizierung der Entwicklung der durch nichtlineare Ausbreitung ausgelösten Verschiebung ΔZ entlang der optischen Achse in Abhängigkeit von der Pulsenergie (gemessen in Luft vor der Eintrittsfläche des ersten Werkstücks 11). Wie der Grafik von 3 zu entnehmen ist, ist für 0,86-ps-Pulse bei niedriger Energie (d. h. <6 nJ) ΔZ nahe null, was die lineare Ausbreitung der Laserstrahlung bei diesen Energien zeigt. Im Energiebereich 6-100 nJ nimmt ΔZ mit zunehmender Pulsenergie monoton zu, was anzeigt, dass nichtlineare Ausbreitungsphänomene beginnen, stärker zutage zu treten. Ein ähnliches Verhalten, jedoch in Richtung höherer Pulsenergien verschoben, wird für 9,83-ps-Dauer-Pulse beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, dass zur Maximierung der Intensität an der Austrittsfläche des Halbleiterwerkstücks 11, d.h. an der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 ein einfaches Positionieren des geometrischen Strahlfokus an der Grenzfläche nicht geeignet ist. Zur Optimierung des Energieeintrags an der Grenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial des ersten Werkstücks 11 und dem opaken Material (Metall) des zweiten Werkstücks 12 muss die Verschiebung ΔZ entlang der optischen Achse berücksichtigt werden. Hierzu wird der Fokus der Laserstrahlung während des Schweißens erfindungsgemäß (neu) positioniert, sodass das Intensitätsmaximum genau an der Grenzfläche angeordnet ist, sodass die beiden Werkstücke 11, 12 optimal verbunden werden.
4 stellt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Zunächst wird in Schritt 301 die Verschiebung ΔZ des geometrischen Fokus bestimmt, die von der nichtlinearen Ausbreitung induziert wird, indem nur das erste Werkstück 11 wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben bestrahlt wird. Im nachfolgenden Schritt 302 wird das zweite Werkstück 12 an das erste Werkstück 11 gesetzt, um die beiden Werkstücke 11, 12 in mechanischen und/oder optischen Kontakt zu bringen. Dann wird in Schritt 303 eine Kalibrierung der relativen Positionierung des Laserstrahlfokus und der Flächen des ersten Werkstücks 11 ausgeführt. Hierzu wird die Eintrittsfläche des ersten Werkstücks 11 beobachtet (unter Verwendung der Beobachtungsvorrichtung 30, siehe 1). Auf diese Weise wird die genaue Position (der Fokussieroptik 40 oder des Werkstücks 11) entlang der optischen Achse Z bestimmt, an der der geometrische Fokus mit der Eintrittsfläche des ersten Werkstücks 11 zusammenfällt (bezeichnet als Z_Eintritt). Diese Bestimmung kann durch einen destruktiven Z-Abtastvorgang erzielt werden, der bei 400 schematisch dargestellt ist. Der Z-Abtastvorgang besteht darin, eine Matrix bestrahlter Stellen an der Eintrittsfläche von Werkstück 11 zu erzeugen. Die Säulen der Matrix entsprechen verschiedenen Pulsenergien, und die Zeilen der Matrix entsprechen verschiedenen Z-Positionen der Fokussieroptik 40 (oder andersherum). Die Z_Eintritt-Position ist diejenige der Matrixzeile, für die für eine spezifische Pulsenergie (die der Zerstörschwelle des Materials des ersten Werkstücks 11 entspricht) eine einzige Beschädigung (schwarze Punkte in der Grafik 400) beobachtet wird. Die Z-Kalibrierung resultiert somit aus der Beobachtung der beschädigten Stellen, die an der Eintrittsfläche des ersten Werkstücks 11 erzeugt werden. In der Praxis kann eine (verbleibende) Neigung des Werkstücks 11 in Bezug auf die Fokussieroptik 40 vorliegen. Diese Neigung wird in Schritt 304 bestimmt. Während diese Neigung üblicherweise gering ist (in der Größenordnung einer 1-µm-Differenz entlang Z bei einer Verschiebung von 100 µm in X- oder Y-Richtung), kann dies zu einem signifikanten Fehler führen, wenn eine mm- oder cm-große Halbleiterprobe an eine opake Materialprobe zu schweißen ist. Dies ist bei einem hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials aufgrund von Brechung noch ausgeprägter. Beispielsweise entspricht bei einer Wellenlänge von 1300 nm (wo der Brechungsindex von Silizium 3,5 ist) eine 1-mm-Verschiebung entlang Z einer tatsächlichen Verschiebung in kristallinem Silizium von etwa 3,5 mm. Um die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 zu bestrahlen, muss die Dicke und Topografie des ersten Werkstücks berücksichtigt werden, in dem die Laserstrahlung sich ausbreitet. Beispielsweise muss unter der Annahme von flachen und parallelen Flächen des ersten Werkstücks 11, das in Bezug auf die optische Achse geneigt ist, die Z_Eintritt-Position wie vorstehend beschrieben an drei verschiedenen Positionen bestimmt werden. Diese Positionen können z. B. an dem Startpunkt des Laserschweißmusters, an der maximalen X-Position und an der maximalen Y-Position gewählt werden. Die Kenntnis der drei Z_Eintritt-Positionen ermöglicht es, an jeder Position in der (X,Y)-Ebene eine Neigungskorrektur ΔZ_Neigung zu ermitteln, die anschließend während des Schweißvorgangs zu berücksichtigen ist. Dann wird in Schritt 305 der geometrische Fokus in Z-Richtung an der Grenzfläche (Z_Grenzfläche-Position) zwischen den beiden Werkstücken 11, 12 positioniert. Dies erfolgt direkt nach der Bestimmung von Z_Eintritt, mit Kenntnis des Brechungsindex des Halbleitermaterials des ersten Werkstücks 11 bei der Schweißwellenlänge sowie seiner Dicke an unterschiedlichen Positionen entlang der X- und der Y-Achse. Um die Laserintensität an der Z_Grenzfläche-Position zu maximieren, wird die Position des geometrischen Fokus in Schritt 306 gemäß der vorgegebenen durch nichtlineare Ausbreitung ausgelösten Verschiebung ΔZ angepasst. Im letzten Schritt 307 findet das eigentliche Schweißen statt, wobei die Anordnung der beiden Werkstücke 11, 12 gemäß einem vordefinierten Schweißmuster in der (X,Y)-Ebene senkrecht zur optischen Achse Z bewegt wird, während sie mit der gepulsten Laserstrahlung bestrahlt wird.
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

US 2013/0068384 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Glas und Metall (siehe beispielsweise G. Zhang and G. Cheng, „Direct welding of glass and metal by 1 kHz femtosecond laser pulses,“ Applied Optics, Bd. 54, Nr. 30, S. 8957-8961, 2015) [0002]
Glas und Halbleiter (siehe beispielsweise G. Zhang et al., „Femtosecond laser Bessel beam welding of transparent to nontransparent materials with large focal-position tolerant zone,“ Optics Express, Bd. 26, Nr. 2, S. 917-926, 2018) [0002]
Glas und Glas (siehe beispielsweise S. Richter et al., „Toward laser welding of glasses without optical contacting,“ Applied Physics A, Bd. 121, Nr. 1, S. 1-9, 2015) [0002]
Polymer und Polymer (siehe beispielsweise S. Mingareev et al., „Welding of polymers using a 2 µm thulium fiber laser,“ Optics & Laser Technology, Bd. 44, Nr. 7, S. 2095-2099, 2012) [0002]
M. Chanal et al., „Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon,“ Nature Communications, Bd. 8, Nr. 773 [0004]
M. Chambonneau et al., „Competing Nonlinear Delocalization of Light for Laser Inscription Inside Silicon with a 2-µm Picosecond Laser,“ Physical Review Applied, Bd. 12, Nr. 2, S. 024009, 2019) [0004]
E. V. Zavedeev et al., „Delocalization of femtosecond laser radiation in crystalline Si in the mid-IR range,“ Laser Physics, Bd. 26, Nr. 1, S. 016101, 2016) [0004]

Claims

Verfahren zum Schweißen eines ersten Werkstücks (11) an ein zweites Werkstück (12) mittels eines Lasers, umfassend die Schritte: - Bestrahlen des ersten Werkstücks (11) mit einem Strahl gepulster Laserstrahlung, wobei das erste Werkstück (11) aus einem Halbleitermaterial besteht, das bei der Wellenlänge der Laserstrahlung transparent ist, sodass der Strahl durch eine Eintrittsfläche in das erste Werkstück (11) eintritt und es durch eine Austrittsfläche verlässt, wobei der geometrische Fokus des Strahls in der Ebene der Austrittsfläche positioniert ist; - Bestimmen einer Verlagerung des Fokus, welche durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Halbleitermaterial verursacht wird; - Setzen des zweiten Werkstücks (12) an das erste Werkstück (11); und - nochmaliges Bestrahlen des ersten Werkstücks (11) mit dem Laserstrahl gepulster Laserstrahlung, wobei der Fokus der Laserstrahlung unter Berücksichtigung der bestimmten Verlagerung entlang der Strahlrichtung positioniert wird, sodass das Intensitätsmaximum sich in der Ebene der Austrittsfläche befindet, die die Grenzfläche der beiden Werkstücke (11, 12) bildet, wodurch das erste Werkstück (11) an das zweite Werkstück (12) geschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsdauer der Laserstrahlung im Bereich von 1 fs bis 100 ns liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Parameter der Laserstrahlung, insbesondere das Spektrum, die Pulsdauer, die Strahlgröße sowie die Pulsenergie, während der Bestimmung der Verlagerung und während des Schweißens des ersten Werkstücks an das zweite Werkstück identisch sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material des zweiten Werkstücks (12) bei der Wellenlänge der Laserstrahlung opak ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Material des zweiten Werkstücks (12) ein Metall, oder ein Halbleiter, der bei der Wellenlänge der Laserstrahlung opak ist, oder ein Halbleiter, der bei der Wellenlänge der Laserstrahlung transparent ist, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anordnung (10), die von den beiden Werkstücken (11, 12) gebildet wird, in einer Ebene senkrecht zu dem Laserstrahl bewegt wird, um ein Schweißmuster zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Fokus der Laserstrahlung entlang der Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken (11, 12) bewegt wird, um ein Schweißmuster zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Intensität der Laserstrahlung über das Schweißmuster hinweg variiert.
System zum Schweißen eines ersten Werkstücks (11) an ein zweites Werkstück (12), aufweisend: - eine Laservorrichtung (21), die eingerichtet ist, einen Strahl gepulster Laserstrahlung zu erzeugen; - eine Strahlsteuervorrichtung (20), die eingerichtet ist, den Strahl durch das erste Werkstück (11) zu lenken, sodass der Strahl durch eine Eintrittsfläche in das erste Werkstück (11) eintritt und es durch eine Austrittsfläche verlässt, die die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken (11, 12) bildet, und den Strahl an einer Fokusposition entlang des Strahlengangs zu fokussieren; - eine Messvorrichtung (70), die eingerichtet ist, eine Verlagerung des Fokus zu bestimmen, die durch nichtlineare Wechselwirkung der Laserstrahlung in dem Material des ersten Werkstücks (11) verursacht wird; - eine Positioniervorrichtung (50, 80), die eingerichtet ist, die Anordnung (10) der beiden Werkstücke (11, 12) und den Fokus der Laserstrahlung entlang der Richtung des Laserstrahls und in der Ebene senkrecht dazu relativ zueinander zu positionieren.
System nach Anspruch 9, wobei die Messvorrichtung (70) ein Mikroskop aufweist, das auf der Seite der Austrittsfläche des ersten Werkstücks (11) angeordnet ist, wobei die Beobachtungsrichtung des Mikroskops entgegengesetzt zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ist.
System nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Strahlsteuervorrichtung (20) eingerichtet ist, die Parameter der Laserstrahlung, insbesondere das Spektrum, die Pulsdauer, die zeitliche Pulsform, die Strahlgröße, die Polarisation und/oder die Pulsenergie zu steuern.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, ferner aufweisend eine Beobachtungsvorrichtung (30), die eingerichtet ist, die Eintrittsfläche des ersten Werkstücks (11) zu prüfen.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner aufweisend eine Konditionierungsvorrichtung (60), die eingerichtet ist, die Umgebungsbedingungen der Anordnung (10) der beiden Werkstücke (11, 12) zu steuern.