DE102022203056A1

DE102022203056A1 - Vorrichtung zum selektiven Materialabtrag an Strukturelementen oder Schichten, die auf Oberflächen von Substraten ausgebildet sind

Info

Publication number: DE102022203056A1
Application number: DE102022203056.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Hartmann; Tobias Baselt; Stefan Schulz; Torsten Kannegiesser
Original assignee: Westsachsische Hochschule Zwickau; WESTSAECHSISCHE HOCHSCHULE ZWICKAU; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Current assignee: Westsachsische Hochschule Zwickau; WESTSAECHSISCHE HOCHSCHULE ZWICKAU; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Infineon Technologies Dresden GmbH and Co KG
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Bei der Vorrichtung ist ein von einer oder mehreren Laserstrahlungsquellen emittierter Laserstrahl durch mindestens einen Kern einer optischen Multikern-Faser auf mindestens ein den Laserstrahl abbildendes Element (b) gerichtet. Mit dem abbildenden Element (c2) ist der Laserstrahl mindestens eindimensional auslenkbar auf eine mit mindestens einem Strukturelement oder mindestens einer Schicht versehene Oberfläche eines Substrats so gerichtet, dass mit der Energie des Laserstrahls lokal definiert ein Materialabtrag erreichbar ist. Mit der auf das mindestens eine Strukturelement oder die mindestens eine Schicht gerichteten Laserstrahlung trifft infolge eines Materialabtrags eines Strukturelements oder einer Schicht generierten und emittierten elektromagnetische Strahlung durch mindestens einen Kern der optischen Multikern-Faser auf mindestens einen optischen Detektor auf. Dabei ist der mindestens eine optische Detektor ausgebildet, die generierte und emittierte elektromagnetische Strahlung zeit- und/oder spektralaufgelöst zu detektieren und die erfassten Messsignale einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung zuzuführen. Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung ist ausgebildet, eine Regelung von Bearbeitungsparametern zu realisieren, damit die stoffliche Zusammensetzung des mindestens einen Strukturelementes oder der mindestens einen Schicht lateral- und/oder axialaufgelöst analysiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selektiven Materialabtrag an Strukturelementen oder Schichten, die auf Oberflächen von Substraten ausgebildet sind. Es kann ein laserbasierter Abtrag von Strukturen, die auch aus unterschiedlichen Materialien in Form homogener Schichten und strukturell und stofflich inhomogener Strukturen, die auf Substratoberflächen vorhanden sind, erfolgen. Strukturelemente oder Schichten können auf metallischen, nichtmetallischen und halbleitenden komplexen dreidimensionalen Oberflächen ausgebildet sein und selektiv, was die unterschiedlichen Materialien und/oder Positionen betrifft, abgetragen werden. Eine Hauptanwendung der Erfindung kann die Reinigung von Anlagenbereichen und technischen Bauteilen sein. Dabei können Schichten, beispielsweise Oxid- oder Abdeckschichten selektiv entfernt werden. Der Abtrag kann materialspezifisch und/oder lokal definiert durchgeführt werden.
Nach dem Stand der Technik sind Verfahren zur laserbasierten Reinigung unterschiedlicher technischer Oberflächen bekannt.
Dabei bereitet es Probleme, eine ausreichende Selektivität des Abtrages unterschiedlicher Materialien zu gewährleisten, was die jeweiligen Positionen an Oberflächen oder auch die unterschiedlichen Materialien, mit denen Strukturelemente oder Schichten auf Substratoberflächen ausgebildet sind, betrifft. So soll häufig lediglich ein Schichtmaterial entfernt werden und dabei kein oder nur ein sehr geringer Abtrag an der Substratoberfläche auftreten. Es besteht auch Bedarf nur bestimmte Schichten oder Strukturelemente abzutragen und darunter liegend angeordnetes Schichtmaterial bei mehrschichtigem Aufbau oder Substratmaterial nicht abzutragen, wobei auch dabei der Materialabtrag häufig lokal definiert erfolgen soll, um bestimmte Funktionalitäten an einem Substrat zu kreieren bzw. beizubehalten.
Dabei ist es üblich, auch Sensortechnik zu nutzen, um Bearbeitungsparameter bei einem Materialabtrag zu steuern. Dazu sind in der Regel aber mehr als ein Sensor erforderlich und es ist schwierig eine ausreichende lokal definierte Aufnahme von Messwerten zu ermöglichen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben mit denen ein verbesserter lokal- und/oder materialspezifischer Materialabtrag an Substratoberflächen durchführbar ist. Dabei sollten auch komplexe dreidimensionale Substrate mit und ohne Hohlräume aus leitenden, nichtleitenden und halbleitenden Materialien, auf deren Oberflächen homogene oder inhomogene Schichten und Strukturelemente aus Metallen, Halbleitern oder elektrischen Isolatoren aufgebracht sind, mit Hilfe von Lasersystemen derart bearbeitet werden, dass die Schichten oder Strukturelemente ganz oder teilweise von der Oberfläche der Objekte entfernt werden können. Dabei sollte dieser Prozess manuell oder automatisch von Menschen oder Robotern frei durchgeführt werden können und der Prozessfortschritt sollte besonders vorteilhaft in Prozessechtzeit überwacht und geregelt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht den selektiven Materialabtrag an Strukturelementen oder Schichten, die auf Oberflächen von Substraten ausgebildet sind. Bei den Strukturelementen kann es sich um verschiedenste Formen von Erhebungen oder auch Vertiefungen handeln, die über die jeweilige Oberfläche auch unregelmäßig verteilt und bei mehreren Strukturelementen oder Schichten auch unterschiedlich ausgebildet sein können.
Bei der Erfindung ist mindestens ein von einer oder mehreren Laserstrahlungsquellen emittierter Laserstrahl durch mindestens einen Kern einer optischen Multikern-Faser auf mindestens ein den Laserstrahl abbildendes Element gerichtet und mit dem abbildenden Element mindestens eindimensional auslenkbar auf eine mit mindestens einem Strukturelement oder mindestens einer Schicht versehene Oberfläche eines Substrats so gerichtet, so dass mit der Energie des Laserstrahls lokal definiert ein Materialabtrag erreichbar ist.
Das infolge eines Materialabtrags generierte und emittierte Prozesslicht trifft dann durch mindestens einen oder mehrere weitere Kerne der optischen Multikern-Faser, welche auch für die Leitung der Prozesslaserstrahlung genutzt wird, auf mindestens einen optischen Detektor auf.
Dabei ist der mindestens ein optische Detektor derart ausgebildet, das generierte und emittierte Prozesslicht zeit- und/oder spektralaufgelöst zu detektieren und die detektierten Messsignale einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung zuzuführen, mit welcher die stoffliche Zusammensetzung des abgetragenen Materials lateral- und/oder axialaufgelöst bestimmt werden kann.
Die Auswertung des zeit- und wellenlängenaufgelösten Spektrums der beim Bearbeitungsprozess generierten elektromagnetischen Strahlung kann entweder direkt bezogen auf eine charakteristische Wellenlänge oder nach unterschiedlichen Techniken der optischen Spektroskopie, wie Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), Raman- oder Fluoreszenzspektroskopie erfolgen.
Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung ist derart ausgebildet, die Parameter der Laserstrahlung des Bearbeitungslasers zu regeln beziehungsweise prozessabhängig zu optimieren. Auf Basis des Messsignals kann erfindungsgemäß erkannt werden, ob ein oder mehrere Materialien momentan abgetragen werden oder nicht, woraus auf deren Vorhandensein geschlossen werden kann. Mit dieser Erkenntnis kann eine Beeinflussung von Bearbeitungsparametern bei der weiteren Bearbeitung oder eine Beendigung einer Bearbeitung vorgenommen werden, wenn erkannt wurde, dass ein bestimmtes Material nicht mehr an der jeweiligen Position vorhanden ist.
Die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass eine manuelle Anpassung der jeweiligen Bearbeitungsparameter erfolgen kann oder bei einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative eine Regelung von Bearbeitungsparametern durchführbar ist, wobei im letztgenannten Fall ein teil- oder vollautomatischer Betrieb möglich ist.
Als Bearbeitungsparameter, die man bei einer Steuerung oder Regelung des Prozesses verändern kann, kann man die Leistung des emittierten Laserstrahls, die Leistungsdichte im Brennfleck des Laserstrahls, die Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks des Laserstrahls, die Richtung der Vorschubbewegung des Brennflecks, den Abstand zwischen der Austrittsöffnung des Kerns der optischen Faser oder der reflektierenden Oberfläche des reflektierenden Elements und der jeweiligen zu bearbeitenden Oberfläche, die Pulsdauer des Laserstrahls, die Pulslänge des Laserstrahls, die Pulsfrequenz des Laserstrahls und/oder die Wellenlänge des Laserstrahles mit der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung berücksichtigen. Es sollte zumindest einer dieser Bearbeitungsparameter, bevorzugt mehrere gleichzeitig berücksichtigt werden.
Für eine manuelle Betätigung der Vorrichtung kann/können eine optische Anzeigeeinheit und/oder ein Lautsprecher für ein Anzeigen einer erforderlichen Veränderung oder Anpassung mindestens eines Bearbeitungsparameters an die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung angeschlossen sein. Damit kann ein Bediener Anweisungen erhalten, um beispielsweise den Abstand der Vorrichtung zur jeweiligen Oberfläche, die Vorschubbewegungsrichtung oder die Vorschubgeschwindigkeit der Brennfleckbewegung zu verändern. Dies kann optisch und/oder akustisch erfolgen.
Vorteilhaft kann im Strahlengang des Laserstrahls und/oder der beim Materialabtrag emittierten elektromagnetischen Strahlung mindestens ein fokussierendes optisches Element angeordnet sein. Damit kann die Leistungsdichte im Brennfleck des Laserstrahls an der zu bearbeitenden Position mit der entsprechenden Brennweite beeinflusst oder berücksichtigt werden. Ein solches optisches Element kann aber auch hilfreich bei der Einkopplung der an der Bearbeitungsposition mit dem Laserstrahl beim Materialabtrag generierten und emittierten elektromagnetischen Strahlung in die Kerne der optischen Faser sein.
Da wie bereits erwähnt, auch der Abstand zwischen der Vorrichtung und der jeweiligen Oberfläche, an der ein Materialabtrag erfolgt bzw. erfolgen soll, eine Rolle spielt, kann zusätzlich ein Sensor zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Austrittsöffnung der optischen Faser oder zwischen dem reflektierenden Element und der zu bearbeitenden Oberfläche vorhanden sein oder dieser Abstand kann mit dem mindestens einen optischen Detektor über die Bestimmung der Größe der Fläche des Brennflecks des Laserstrahls bzw. der Größe der Fläche, in der elektromagnetische Strahlung während eines Materialabtrags generiert und emittiert wird, bestimmt werden.
Zur Vermeidung oder Reduzierung des Einflusses von beim Materialabtrag gebildeten Rauch, Dampf oder Staub ist es vorteilhaft, dass im Bereich in dem ein Materialabtrag erfolgt, eine Absaugeinrichtung wirksam ist. In diesen Bereich kann man auch Prozessgas zuführen, um bestimmte Effekte zu erreichen. Das jeweils eingesetzte Prozessgas sollte bei der spektralaufgelösten Detektion berücksichtigt werden können.
Es kann eine gepulst oder nichtgepulst betriebene Laserstrahlungsquelle, deren emittierter Laserstrahl über eine spezielle Mehrkernlichtleitfaser, die an ein Endstück mit integriertem Laserscanner als reflektierendes Element und eine Abbildungsoptik mit mindestens einem fokussierenden optischen Element gekoppelt ist, unter definierten Winkel auf die jeweilige Oberfläche des Substrats gerichtet ist, eingesetzt werden.
Mit dem Laserscanner im Endstück kann die Laserstrahlung auf eine vordefinierte Position der jeweiligen Oberfläche des Substrats, an der ein Materialabtrag erfolgen soll, mit einem bevorzugt mit einem einsetzbaren optischen Abstandsmesssystem geregelten definierten Arbeitsabstand zur jeweiligen zu bearbeitenden Stelle positioniert werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eine Schnittdarstellung durch eine optische Multi-Kernfaser und
2 in schematischer Form ein weiteres Beispiel in einer Schnittdarstellung mit einer anderen Multi-Kernfaser.

Wie man 1 entnehmen kann, wird ein Laserstrahl von einer nicht gezeigten Laserstrahlungsquelle in einen inneren Kern a2 einer optischen Multi-Kernfaser eingekoppelt. Der Laserstrahl durchdringt nach dem Austritt aus dem inneren Kern a2 zwei fokussierende optische Elemente c1 und trifft auf eine reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elements b auf. Das reflektierende Element b kann um eine Rotationsachse, bevorzugt zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Rotationsachsen verschwenkt werden, so dass der Laserstrahl ein- bevorzugt zweidimensional ausgelenkt werden kann. Der Brennfleck des Laserstrahls kann somit zusätzlich zu der Relativbewegung der Vorrichtung und des Substrats entlang der jeweiligen zu bearbeitenden Oberfläche bewegt werden.
Bei dem gezeigten Beispiel ist zwischen der Oberfläche des reflektierenden Elements b und der zu bearbeitenden Oberfläche eines Substrats (Werkstück, nicht gezeigt) ein weiteres fokussierendes optisches Element c2 angeordnet.
Erfolgt mit der in das Material eines Strukturelements oder einer Schicht (beides nicht gezeigt), das/die an einer Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist, eingetragenen Energie der Laserstrahlung ein bevorzugt vollständig ablativer Materialabtrag wird gleichzeitig elektromagnetische Strahlung bei der Stoffumwandlung des abgetragenen Materials generiert und diese elektromagnetische Strahlung wird emittiert.
Die emittierte elektromagnetische Strahlung wird durch das fokussierende Element c2 über die reflektierende Oberfläche b so in Richtung optische Faser gerichtet, dass ein zumindest großer Teil dieser elektromagnetischen Strahlung in den äußeren Kern a1 der optischen Faser eingekoppelt und über den äußeren Kern a1 zu einem nicht dargestellten optischen Detektor, der mit einer ebenfalls nicht gezeigten elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung verbunden ist, geführt wird.
Mit dem mindestens einen optischen Detektor und der elektronischen Steuer-und Regeleinrichtung kann eine Beeinflussung der Bearbeitungsparameter erreicht werden, wie sie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist.
Bei der Erfindung kann aber auch ein optisches Messsystem mit unterschiedlichen Sensoren eingesetzt werden, mit dem die bei der Bearbeitung generierte elektromagnetische Strahlung erfasst und die erfassten Messsignale bei der Steuerung bzw. der Regelung genutzt werden können.
Bei der in 2 gezeigten Multi-Kernfaser ist ebenfalls ein innerer Kern a2 vorhanden durch den ein Laserstrahl auf die jeweilige Oberfläche gerichtet werden kann. Bei diesem Beispiel sind an der Multi-Kernfaser aber vier weitere Kerne a1 vorhanden, die radial verteilt um den inneren Kern a2 angeordnet sind. Durch mindestens einen dieser Kerne a1 kann dann bei der Bearbeitung generierte elektromagnetische Strahlung zu dem mindestens einen_optischen Detektor geführt werden.
Es ist aber auch möglich Laserstrahlung zur Bearbeitung durch mindestens einen oder mehrere der äußeren Kerne 1.1 auf die zu bearbeitende Oberfläche zu richten. Dabei besteht sogar die Möglichkeit Laserstrahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig oder alternierend für eine Bearbeitung einzusetzen.

Claims

Vorrichtung zum selektiven Materialabtrag an Strukturelementen oder Schichten, die auf Oberflächen von Substraten ausgebildet sind, bei der ein von einer oder mehreren Laserstrahlungsquellen emittierter Laserstrahl durch mindestens einen Kern einer optischen Multikern-Faser auf mindestens_ein den Laserstrahl abbildendes Element (b) gerichtet ist und mit dem abbildenden Element (c2) mindestens eindimensional auslenkbar auf eine mit mindestens einem Strukturelement oder mindestens einer Schicht versehene Oberfläche eines Substrats so gerichtet ist, dass mit der Energie des Laserstrahls lokal definiert ein Materialabtrag erreichbar ist, und mit der auf das mindestens eine Strukturelement oder die mindestens eine Schicht gerichteten Laserstrahlung infolge eines Materialabtrags eines Strukturelements oder einer Schicht generierte und emittierte elektromagnetische Strahlung durch mindestens einen Kern der optischen Multikern-Faser auf mindestens einen optischen Detektor auftrifft, wobei der mindestens eine optische Detektor ausgebildet ist, die generierte und emittierte elektromagnetische Strahlung zeit- und/oder spektralaufgelöst zu detektieren und die erfassten Messsignale einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung zuzuführen, wobei die elektronische Steuer- und Regeleinrichtung ausgebildet ist, eine Regelung von Bearbeitungsparametern zu realisieren, damit die stoffliche Zusammensetzung des mindestens einen Strukturelementes oder der mindestens einen Schicht lateral- und/oder axialaufgelöst analysierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei dem Materialabtrag emittierte elektromagnetische Strahlung durch die optischen Elemente, welche zur Abbildung des Laserstrahles genutzt werden, auf einen oder mehrere Kerne der optischen Multikern-faser abgebildet und dem mindestens einen Detektor zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsparameter die Leistung des emittierten Laserstrahls, die Leistungsdichte im Brennfleck des Laserstrahls, die Vorschubbewegungsgeschwindigkeit des Brennflecks des Laserstrahls, die Richtung der Vorschubbewegung des Brennflecks, der Abstand zwischen der optischen Faser oder der Oberfläche, die Pulsdauer des Laserstrahls, die Pulslänge des Laserstrahls und/oder die Pulsfrequenz des Laserstrahls mit der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung steuerbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine optische Detektor zur zeit- und spektral aufgelösten Erfassung der emittierten und durch einen oder mehrere Kerne der optischen Multikern-Faser geführten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Detektor und/oder die elektronische Steuer-und Regeleinrichtung so ausgebildet ist/sind, dass die generierte und emittierte elektromagnetische Strahlung als LIBS-, Raman- oder Fluoreszenzspektrum erfassbar und für eine Anpassung oder Regelung mindestens eines Bearbeitungsparameters einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine manuelle Anpassung von Bearbeitungsparametern eine optische Anzeigeeinheit und/oder ein Lautsprecher für ein Anzeigen einer erforderlichen Veränderung oder Anpassung mindestens eines Bearbeitungsparameters an die elektronische Steuer-und Regeleinrichtung angeschlossen ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Laserstrahls und/oder der beim Materialabtrag emittierten elektromagnetischen Strahlung mindestens ein abbildendes optisches Element angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem abbildenden, insbesondere reflektierenden Element und der zu bearbeitenden Oberfläche vorhanden ist oder dieser Abstand mit dem mindestens einen optischen Detektor über die Bestimmung der Größe der Fläche des Brennflecks des Laserstrahls oder die Größe der Fläche, in der elektromagnetische Strahlung während eines Materialabtrags generiert und emittiert wird, bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich in dem ein Materialabtrag erfolgt eine Absaugeinrichtung wirksam ist und/oder Prozessgase in diesen Bereich einbringbar sind.