DE10219388A1 - Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur in einem Polymer-Substrat - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur in einem Polymer-SubstratInfo
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Abstract
Zur Erzeugung einer Grabenstruktur mit steilen und rückstandfreien Seitenwänden in einem insbesondere glasfaserverstärkten Substrat (1) wird das Substrat mit einer konformen Maske (10) versehen, welche Aussparungen entsprechend der zu erzeugenden Grabenstruktur (3) aufweist. Der Laserstrahl (15) wird dabei derart über die Aussparungen der Maske geführt, daß die energiearmen Randbereiche (5) des Laserstrahls (F¶L¶) abgeschirmt werden und der auf die Polymeroberfläche treffende Anteil (4) des Laserstrahls an jedem Punkt eine Energiedichte oberhalb einer Schwelle (F¶G¶) aufweist, bei der das Substratmaterial einschließlich einer gegebenenfalls vorhandenen Glasfaserverstärkung vollständig abgetragen wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur in der Oberfläche eines Polymer-Substrats durch Bestrahlung mit einem Laser einer vorgegebenen Wellenlänge.
- Aus der WO 00/16443 ist die Erzeugung von Loch- und Grabenstrukturen in Leiterplatten bekannt, wobei derartige Grabenstrukturen beispielsweise zur Bildung von geschirmten Leiterstrukturen in den Leiterplatten dienen können. Als Mittel zur Erzeugung solcher Gräben in einer Leiterplatte ist dort neben dem Plasmaätzen auch allgemein die Verwendung eines Lasers erwähnt.
- Bei der Anwendung einer Laserstrahlung zur Abtragung von Polymermaterial ergibt sich jedoch ein Problem aus der Tatsache, daß die Energieverteilung innerhalb eines Laserstrahls nicht gleichförmig ist, sondern einer Gauss'schen Verteilung folgt. Das bedeutet, daß in den Randbereichen des Laserstrahls eine geringere Energiedichte auf ein Substrat abgegeben wird als in seinem Zentrum. Dies hat zur Folge, daß etwa bei der Herstellung einer Grabenstruktur die Flanken des Grabens nicht mit der gewünschten Steilheit erzeugt werden können. Ein zusätzliches Problem ergibt sich bei Substraten, bei denen das Polymermaterial mit Glasfasern oder dergleichen verstärkt ist, wobei dieses Verstärkungsmaterial eine höhere Energiedichte zum Abtragen benötigt als das Polymermaterial selbst. Dies führt dazu, daß in den Randbereichen eines derartig hergestellten Grabens die Glasfasern zum Teil nur geschmolzen, aber nicht abgetragen werden und in Tropfen- oder Kugelform an den Wänden haften bleiben. Da solche Glaskügelchen weder mechanisch noch durch chemisches Ätzen in wirtschaftlicher Weise entfernt werden können, stellen sie ein ernstes Problem dar, da sie die Oberfläche der Grabenwände stören und eine nachfolgende Beschichtung behindern.
- Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Grabenstrukturen mit sauberen Seitenwänden und einer akzeptablen Steilheit in Polymer-Substraten, insbesondere in solchen mit Glasfaserverstärkung, erzielt werden können.
- Erfindungsgemäß wird dies mit folgenden Verfahrensschritten erreicht:
- - auf der Oberfläche des Substrats wird eine konforme Maske aus einem die Laserstrahlung reflektierenden Material angeordnet, welche Aussparungen entsprechend der zu erzeugenden Grabenstruktur aufweist, und
- - danach wird der Laserstrahl über die Aussparungen der Maske geführt, wobei er zumindest einmal jeweils derart überlappend über die Begrenzungskante der jeweiligen Aussparung geführt wird, daß die Energiedichte des auf die Polymeroberfläche treffenden Anteils des Laserstrahls an jedem Punkt über einer Schwelle liegt, bei der das Substratmaterial vollständig abgetragen wird.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also mit Hilfe einer konformen Maske jeweils im Randbereich des zu erzeugenden Grabens derjenige Anteil des Laserstrahls abgeschnitten, d. h. durch die Maske reflektiert, der ohnehin nicht ausreichen würde, das Substratmaterial vollständig zu entfernen.
- Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei der Erzeugung von Grabenstrukturen in einem mit Glasfasern verstärkten Substrat angewendet werden, wobei dann durch die Maske derjenige Randbereich des Laserstrahls abgeschirmt wird, der unterhalb der zur Verdampfung des Glasfasermaterials notwendigen Energieschwelle liegt, welche beispielsweise bei einer Spitzenleistungsdichte von etwa 1-10 MW/cm2, vorzugsweise 6-7 MW/cm2, je nach Material, erreicht wird.
- Vorzugsweise wird für die Erzeugung der Grabenstruktur ein Laser verwendet, dessen Wellenlänge an der Maskenschicht, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehend, stark reflektiert wird. In diesem Fall kann der Laserstrahl unmittelbar auf die Oberfläche des Substrats fokussiert werden. Vorzugsweise werden Laser mit einer Wellenlänge von 9 µm bis 11 µm verwendet, insbesondere ein gütegeschalteter CO2- Laser mit einer Pulsfrequenz von 10 bis 200 kHz, vorzugsweise von annähernd 100 kHz, und einer Pulsdauer von 50 bis 500 ns, vorzugsweise annähernd 150 ns. Möglich ist aber auch die Verwendung eines mit Hochfrequenz angeregten (RF excited) gepulsten CO2-Lasers mit einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz, vorzugsweise zwischen 3 und 5 kHz, und einer Pulsdauer zwischen 1 und 20 µs, vorzugsweise zwischen 3 und 5 µs.
- In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann auch ein TEA-CO2-Laser (Transversly Excited Atmospheric Laser) mit einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz und einer Pulsdauer zwischen 50 und 100 ns, vorzugsweise etwa 70 ns, verwendet werden.
- Anstelle des CO2-Lasers können aber auch andere Laser Verwendung finden. Möglich wäre sogar auch die Verwendung eines UV- Lasers, wenn ein solcher mit einer ausreichenden Leistung und akzeptabler Arbeitsgeschwindigkeit zur Verfügung steht. Da beispielsweise ein solcher UV-Laser jedoch von einer Maskenschicht aus Kupfer nur wenig reflektiert wird, darf er nicht direkt auf die Ebene der Maske bzw. der Substratoberfläche fokussiert werden.
- Die bei der Erfindung verwendete Maske ist vorzugsweise eine auf die Oberfläche des Substrats aufgebrachte Metallschicht, die, wie erwähnt, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Diese Metallschicht kann durch chemische oder galvanische Abscheidung auf der Oberfläche des Substrats gebildet werden, wobei die Aussparungen dann durch partielle Abtragung dieser Metallschicht mittels chemischer Ätzverfahren oder mechanischer Trennverfahren erzeugt werden.
- In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird auch die Maske durch eine Strukturierung der Metallschicht mittels eines Lasers gebildet, wobei hierfür ein anderer Laser verwendet wird als für die Erzeugung der Grabenstruktur in dem Substrat. Vorzugsweise wird hier deshalb ein Laser verwendet, dessen Wellenlänge von dem Material der Maske gut absorbiert wird; in Betracht kommt hierfür ein Laser mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 1100 nm, beispielsweise ein UV-Laser mit einer Wellenlänge von 266 oder 355 nm. Es kann sich dabei um einen mit Dioden oder mit einer Blitzlichtlampe gepumpten Festkörper-Laser mit anschließender Frequenzvervielfachung handeln, der mit einer Pulsfrequenz oberhalb von 1 kHz bis zu 200 kHz und mit einer Pulsdauer zwischen einer ns und 200 ns, vorzugsweise zwischen 10 und 60 ns, betrieben wird.
- Je nach Breite der zu erzeugenden Gräben in dem Substrat und abhängig von der Fleckweite des Laserstrahls kann entweder ein einziger Durchgang mit dem Laser über die Maskenaussparung zur Erzeugung der Grabenstruktur reichen, oder der Laserstrahl wird in mehreren nebeneinander liegenden Spuren durch die Aussparungen der Maske geführt. Diese Laserbearbeitungsspuren können in Längsrichtung der Gräben verlaufen oder mäanderförmig auch quer zur Längsausdehnung der Gräben geführt werden.
- Mit der erfindungsgemäß verwendeten Maske ist es außerdem möglich, ein variables Verhältnis von Tiefe zu Breite der abgetragenen Gräben zu realisieren. In der Regel ist ein Verhältnis (aspect ratio) von 1 : 1 (Tiefe = Breite) sinnvoll, doch sind auch andere Verhältnisse möglich, beispielsweise 1 : 3 oder mehr bzw. 3 : 1 oder mehr, wobei also ein breiter und flacher bzw. ein schmaler und tiefer Graben verwirklich wird.
- Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
- Fig. 1 schematisch die Energieverteilung eines Laserstrahls und dessen Auswirkung auf einen in einem Substrat zu erzeugenden Graben,
- Fig. 2 die Energieverteilung eines Laserstrahls und deren Auswirkung auf eine Grabenstruktur in einem Substrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
- Fig. 3, 4 und 5 die erfindungsgemäße Erzeugung einer Maske und einer Grabenstruktur in aufeinanderfolgenden Phasen des Verfahrens,
- Fig. 6 die Energieverteilung eines in mehreren Durchgängen nebeneinander geführten Laserstrahls zur Erzeugung eines im Vergleich zu Fig. 2 breiteren Grabens,
- Fig. 7 die schematische Darstellung der Führung eines Laserstrahls in mehreren Längsspuren und
- Fig. 8 die schematische Darstellung der Führung eines Laserstrahls in einer mäanderförmigen Spur.
- Fig. 1 zeigt allgemein die Gauss'sche Verteilung der Energiedichte FL eines Laserstrahls. Dabei ist zu sehen, daß die Energiedichte nur oberhalb einer Schwelle FG ausreicht, um etwa Glasfasern zu verdampfen. In einem Substrat 1 mit einer an der Unterseite befindlichen Metallschicht 2 findet deshalb eine vollständige Verdampfung des glasfaserverstärkten Substratmaterials zur Bildung eines Grabens 3 nur innerhalb eines zentralen Bereichs 4 mit einer Breite D statt, wo die Energiedichte oberhalb eines Schwellwertes FG liegt. In den seitlichen Zonen 5 reicht die Energiedichte nicht zur vollständigen Verdampfung des Glasfasermaterials aus. Es entsteht deshalb ein abgeflachter Grabenrand 7, auf dem sich Glasperlen 8 (in der Zeichnung übertrieben groß dargestellt) bilden und haften bleiben.
- Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Lösung zur Beseitigung des beschriebenen Problems. Auf dem Substrat 1 wird eine Maskenschicht 10 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung angeordnet, die eine Aussparung 11 in der Größe aufweist, die dem gewünschten Graben 3 entspricht. In diesem Fall entspricht die Grabenbreite bzw. die Breite der Aussparung 11 der Breite D des zentralen Bereiches 4 der Energieverteilung FL, in welchem die Energiedichte oberhalb der Schwelle FG liegt. Durch die Maske 10 wird sichergestellt, daß nur dieser oberhalb der Schwelle EG liegende Anteil der Laserenergie auf das Substrat gelangt und im Bereich des gewünschten Grabens auch das Substrat samt Glasfaserverstärkung vollständig abträgt.
- In den Fig. 3 bis 5 ist der Verfahrensablauf bei der Erzeugung einer Maske und der anschließenden Erzeugung einer Grabenstruktur mit zwei verschiedenen Lasern gezeigt. Das glasfaserverstärkte Substrat 1 ist an seiner Unterseite mit der Metallschicht 2 und an seiner Oberseite mit einer Metallschicht 12 versehen, wobei aus letzterer die Maske 10 gebildet werden soll. Zu diesem Zweck werden mit einer Laserstrahlung 13, die aufgrund ihrer Wellenlänge von der Metallschicht 12 gut absorbiert wird, Aussparungen 14 entsprechend einer gewünschten Grabenstruktur in dem Substrat 1 erzeugt. Die Laserstrahlung ist in diesem Fall vorzugsweise eine UV- Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von beispielsweise 355 nm. Die so erzeugten Aussparungen 14 sind in Fig. 4 gezeigt.
- Danach wird mit einer Laserstrahlung 15, vorzugsweise einer CO2-Laserstrahlung von 9250 nm, die gewünschte Grabenstruktur erzeugt, indem der Laserstrahl 15 durch die Aussparungen 14 hindurch auf das Substrat 1 gerichtet wird, bis die Gräben 16 erzeugt sind (siehe Fig. 5). Je nach Breite der zu erzeugenden Gräben 16 und der Fleckweite des verwendeten Laserstrahls muß dabei, wie vorher bereits beschrieben, der Laserstrahl einmal oder mehrfach durch die Ausnehmungen 14 bewegt werden. Wesentlich ist dabei, daß der Laserstrahl 15 jeweils zumindest einmal so nahe an den Rändern der Ausnehmungen 14 entlang geführt wird, daß diejenigen Randbereiche des Laserstrahls, deren wirksame Energiedichte nicht zur vollständigen Abtragung des glasfaserverstärkten Substratmaterials ausreicht, von der Maske 10 reflektiert wird. Nur dann ist gewährleistet, daß die Gräben 16 jeweils saubere, von Glasperlen freie Wände mit akzeptabler Neigung erhalten.
- Wie erwähnt, ist zur Erzeugung breiterer Gräben im Vergleich zur Fleckweite des Laserstrahls eine Mehrfachbestrahlung des Substrats in nebeneinanderliegenden Spuren erforderlich. Fig. 6 zeigt die Überlagerung der Energieverteilung von beispielsweise drei nebeneinanderliegenden Laserstrahlspuren über einem Substrat 1 mit einer Maske 20, die eine verhältnismäßig breite Ausnehmung 21 aufweist, so daß ein entsprechend breiter Graben 22 erzeugt wird. Die nebeneinanderliegenden Laserstrahlspuren mit jeweils der gleichen Energieverteilung F1L, F2L und F3L bewirken, daß auf jeden Punkt des zu erzeugenden Grabens eine Energiedichte einwirkt, die oberhalb der Schwelle FG liegt.
- Die verschiedenen Laserstrahlspuren, beispielsweise 23, 24 und 25, können gemäß Fig. 7 in Längsrichtung der Masken- Aussparung 21 verlaufen. Es ist aber auch möglich, daß eine mäanderförmig gewundene Spur 26 gemäß Fig. 8 zwischen den Rändern der Aussparung 21 hin- und hergeführt wird.
Claims (14)
1. Verfahren zur Erzeugung einer Grabenstruktur in der
Oberfläche eines Polymer-Substrats (1) durch Bestrahlung mit
einem Laser einer vorgegebenen Wellenlänge mit folgenden
Schritten:
- auf der Oberfläche des Substrats (1) wird eine konforme
Maske (10; 20) aus einem die Laserstrahlung reflektierenden
Material angeordnet, welche Aussparungen (11; 21)
entsprechend der zu erzeugenden Grabenstruktur (3; 16; 22)
aufweist, und
- danach wird der Laserstrahl (15) über die Aussparungen der
Maske (10; 20) geführt, wobei er zumindest jeweils einmal
derart überlappend über die Begrenzungskante der
jeweiligen Aussparungen (11; 14; 21) geführt wird, daß die
Energiedichte des auf die Polymeroberfläche treffenden Anteils
des Laserstrahls (15) an jeden Punkt über einer Schwelle
FG liegt, bei der das Substratmaterial vollständig
abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem
mit Glasfasern verstärkten Polymermaterial besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Erzeugung der
Grabenstruktur (3; 16; 22) ein Laser mit einer Wellenlänge
zwischen 9 und 11 µm, insbesondere ein CO2-Laser, verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein gütegeschalteter CO2-
Laser mit einer Wellenlänge zwischen 9 und 11 µm, einer
Pulsfrequenz von 10 bis 200 kHz, vorzugsweise von annähernd 100 kHz,
und einer Pulsdauer von 50 bis 5000 ns, vorzugsweise von
annähernd 150 ns, verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein mit Hochfrequenz
angeregter (RF-Excited) gepulster CO2-Laser mit einer
Wellenlänge zwischen 9 und 11 µm, einer Pulsfrequenz zwischen 1 und
15 kHz, vorzugsweise zwischen 3 und 5 kHz, und einer
Pulsdauer zwischen 1 und 20 µs, vorzugsweise zwischen 3 und 5 µs,
verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein TEA-Laser
(Transversly Excited Atmospheric-Laser) mit einer Wellenlänge zwischen
9 und 11 µm, einer Pulsfrequenz zwischen 1 und 15 kHz sowie
einer Pulsdauer zwischen 50 und 100 ns, vorzugsweise etwa 70 ns,
verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der
Laserstrahl in den Aussparungen (11; 14; 21) der Maske (10; 20) so
geführt wird, daß auf jeden Punkt innerhalb der Aussparungen
jeweils eine Energiedichte entsprechend einer Puls-
Spitzenleistung von etwa 10 MW/cm2, vorzugsweise 6-7 MW/cm2,
einwirkt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Maske durch eine auf die Oberfläche des Substrats (1)
aufgebrachte Metallschicht (12), vorzugsweise aus Kupfer oder
einer Kupferlegierung, gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Metallschicht (12)
durch chemische oder galvanische Abscheidung auf der
Oberfläche des Substrats (1) gebildet wird und wobei die
Aussparungen (11; 14; 21) jeweils durch partielle Abtragung der
Metallschicht mittels eines chemischen Ätzverfahrens oder eines
mechanischen Trennverfahrens erzeugt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Aussparungen
(11; 14; 21) in der Metallschicht durch Bestrahlung mit einem
weiteren Laser (13) erzeugt werden, dessen Wellenlänge von
dem Material der Maske (10) gut absorbiert wird, vorzugsweise
mit einer Wellenlänge zwischen 250 und 1100 nm.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei als weiterer Laser ein
mit Dioden oder mit einer Blitzlichtlampe gepulster UV-Laser
mit einer Pulsfrequenz oberhalb 1 kHz und einer Pulsdauer
zwischen 1 und 200 ns, vorzugsweise zwischen 10 und 60 ns
verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der
Laserstrahl (15) zur Erzeugung der Grabenstruktur in mehreren
nebeneinander liegenden und einander derart überlappenden
Spuren (23, 24, 25; 26) durch die Aussparungen geführt wird, daß
die wirksame Energiedichte an jedem Punkt im Bereich der
Aussparungen über der Schwelle (FG) liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Laserstrahl in
mehreren nebeneinander liegenden Spuren (23, 24, 25) in
Längsrichtung des Grabens (3; 16; 22) geführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Laserstrahl im
Bereich der Aussparungen (21) jeweils mäanderförmig quer zur
Längsrichtung des zu erzeugenden Grabens (22) geführt wird.
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