DE19849658A1

DE19849658A1 - Verfahren und Einrichtung zum Ablösen eines Ausschnittes einer Materialschicht

Info

Publication number: DE19849658A1
Application number: DE19849658A
Authority: DE
Inventors: Arnd Menschig; Ralf Baehnisch; Bernd Huettner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-04
Also published as: EP1042792A1; US6521068B1; WO2000026951A1

Abstract

Um ein Verfahren zum Ablösen eines auf einen Träger angeordneten Ausschnitts aus einer sich in einer Schichtebene erstreckenden und eine bestimmte Schichtdicke aufweisenden Materialschicht mittels eines durch den Träger hindurchtretenden Laserpulses derart zu schaffen, daß Ausschnitte aus einer Materialschicht mit möglichst geringer thermischer Belastung und thermischen Nebeneffekten herauszulösen sind, wird vorgeschlagen, daß der Laserpuls in einem an den Träger angrenzenden Schichtteilvolumen des Ausschnitts, welches innerhalb einer Ausdehnung des Strahlquerschnitts des Laserpulses in der Schichtebene liegt und sich quer zur Schichtebene über einen Teil der Schichtdicke erstreckt, überhitzte Materie in einem thermodynamischen Nichtgleichgewichtszustand mit festkörperähnlicher Dichte und insbesondere einer über der kritischen Temperatur liegenden Temperatur erzeugt und daß auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite des Schichtteilvolumens in dem Ausschnitt eine zusammenhängende, feste Teilschicht bestehen bleibt, welche durch die überhitzte Materie vom Träger weg bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ablösen eines auf einem Träger angeordneten Ausschnitts aus einer sich in einer Schichtebene erstreckenden und eine bestimmte Schichtdicke aufweisenden Materialschicht mittels eines durch den Träger hindurchtretenden Laserpulses.

Ein derartiges aus der DE 196 40 594 bekanntes Verfahren sieht vor, daß die unmittelbar auf dem Träger angeordnete Schicht als solche lichtinduziert zerstört wird und somit durch das Zerstören ein Ablösen des Ausschnitts erfolgt.

Die Zerstörung eines Teils der Materialschicht oder einer besonders hierzu vorgesehenen Schicht erfolgt mit einer relativ langsamen Zeitskala in der Größenordnung von Nano sekunden, so daß letztlich die gesamte Schicht aufgeheizt wird und außerdem das Ablösen des Ausschnitts nicht mit einer ausreichend präzisen Grenzfläche erfolgt.

In ähnlicher Weise arbeiten die sogenannten LIFT-Prozesse, bei denen auch große Mengen geschmolzenen Materials ent stehen, die um den abzulösenden Bereich herum zu Material verunreinigungen führen und insbesondere bei der Mikrotechnik unerwünscht sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Ausschnitte aus einer Materialschicht mit möglichst geringer thermischer Belastung und thermischen Nebeneffekten herauszulösen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laserpuls in einem an dem Träger angrenzenden Schichtteil volumen des Ausschnitts, welches innerhalb einer Ausdehnung des Strahlquerschnitts des Laserpulses in der Schichtebene liegt und sich quer zur Schichtebene über einen Teil der Schichtdicke erstreckt, überhitzte Materie in einem thermo dynamischen Nichtgleichgewichtszustand mit festkörperähn licher Dichte und insbesondere einer über der kritischen Temperatur liegenden Temperatur erzeugt und daß auf der dem Träger gegenüberliegenden Seite des Schichtteilvolumens in dem Ausschnitt eine zusammenhängende, feste Teilschicht bestehen bleibt, welche durch die überhitzte Materie vom Träger weg bewegt wird.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch die speziell erzeugte überhitzte Materie im thermo dynamischen Nichtgleichgewichtszustand kein üblicher Ver dampfungsprozeß des Materials mehr erfolgt, sondern ein sogenanntes explosives Verdampfen, welches einerseits eine starke Beschleunigung beim Ablösen der zusammenhängenden festen Teilschicht bewirkt, die beispielsweise ein präzises Herauslösen des Ausschnitts aus der Schicht ermöglicht und die andererseits aufgrund der kurzen Zeitdauer eine Wärme belastung der zusammenhängenden festen Teilschicht, welche den Ausschnitt bildet, vermeidet, so daß mit dem erfindungs gemäßen Verfahren einerseits hohe Beschleunigungskräfte für die zusammenhängende feste Teilschicht zur Verfügung stehen, die noch damit kombiniert sind, daß die zusammenhängende feste Teilschicht aufgrund des explosiven Verdampfens eine weit geringere Wärmebelastung als mit den bekannten Verfahren erfährt, so daß in dieser die unerwünschten thermischen Nebeneffekte im wesentlichen entfallen.

Insbesondere wird bei der erfindungsgemäßen Lösung mit ultra kurzen Laserpulsen ein hoch angeregter nichtthermodynamischer Zustand erreicht, wobei die Elektronentemperatur weit über der der Phononen liegen kann. Die gespeicherte Energie wird mit einer charakteristischen materialabhängigen Zeit, bei spielsweise in der Größenordnung zwischen 50 Femtosekunden und 2 Pikosekunden von den Elektronen an das Phononensystem in einem Volumen übergeben, das durch die Ausdehnung des Schichtteilvolumens in der Schichtebene und die Ausdehnung des Schichtteilvolumens quer zu dieser, bedingt durch die thermische Eindringtiefe der Elektronen, bestimmt wird, die beispielsweise bei einer Pulsdauer von 100 Femtosekunden in der Größenordnung von 50 nm liegt. Dadurch kann das Phononen system in ein Gebiet oberhalb der kritischen Temperatur extrem schnell aufgeheizt werden, ohne daß ein üblicher Verdampfungsprozeß stattfindet.

Insbesondere bewirkt das explosive Verdampfen die bereits beschriebene höhere Beschleunigung der zusammenhängenden festen Teilschicht, die auch dafür verantwortlich ist, daß die thermische Belastung des Materials in der zusammen hängenden festen Teilschicht geringer ist.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße überhitzte Materie nur mit Laserpulsen erzeugbar, deren Pulsdauer kleiner als 100 Pikosekunden ist und deren Pulsdauer so kurz ist, daß die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts nicht möglich ist.

Besonders günstig ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung, wenn zumindest anfänglich in der überhitzten Materie das Material der Materialschicht im wesentlichen unverändert vorliegt und somit die Materie lediglich mehr Energie auf weist als vor Einwirken des Laserpulses, sich jedoch selbst beispielsweise chemisch nicht verändert.

Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren günstig, wenn die überhitzte Materie aus Material der Materialschicht beim Ablösen des Ausschnitts im wesentlichen stöchiometrisch expandiert, d. h. daß sich die Materialzusammensetzung bei der Expansion der überhitzten Materie nicht ändert und somit keinerlei Verunreinigungen durch zersetzendes Material auf treten, so daß insbesondere die entstehende zusammenhängende feste Teilschicht, die von dem Träger abgelöst ist, nicht mit Komponenten verunreinigt ist, die aus einer Zersetzung der überhitzten Materie und somit einer unstöchiometrischen Expansion resultieren.

Ferner ist es bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform besonders günstig, wenn die Energiespeicherung in der über hitzten Materie nur solange im Elektronensystem stattfindet, bis thermische Verluste eintreten.

Hinsichtlich der Beschreibung des erfindungsgemäßen Ver fahrens wurde bislang lediglich davon ausgegangen, daß mindestens ein Laserpuls erforderlich ist. Besonders günstig ist es, wenn das Ablösen des Ausschnitts mit einem einzigen Laserpuls durchgeführt wird.

Besonders hohe Beschleunigungen der zusammenhängenden festen Teilschicht lassen sich dann erreichen, wenn die zusammen hängende feste Teilschicht durch hydrodynamische Expansion der überhitzten Materie in dem Schichtteilvolumen von dem Träger weg beschleunigt wird. Damit ist insbesondere dann, wenn der Ausschnitt noch mit der umgebenden Schicht in Ver bindung steht, ein äußerst präzises Abreißen der zusammen hängenden festen Teilschicht von der umgebenden Schicht erreichbar.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist es ausreichend, ledig lich die zusammenhängende feste Teilschicht als Ausschnitt aus der Schicht vom Träger abzulösen, d. h. beispielsweise abzuheben.

Besonders günstig ist es jedoch, wenn die zusammenhängende feste Teilschicht in Richtung eines Substrats beschleunigt wird. Hier bietet sich insbesondere die erfindungsgemäße Lösung als besonders geeignet an, da diese gegenüber dem Stand der Technik in der Lage ist, die zusammenhängende feste Teilschicht hohen Beschleunigungen auszusetzen und somit diese sehr präzise auf ein Substrat zu bewegen.

Bei dieser Lösung ist es besonders zweckmäßig, wenn die zusammenhängende feste Teilschicht auf dem Substrat fixiert wird, wobei hierzu das Substrat zur Aufnahme der zusammen hängenden festen Teilschicht so vorbereitet sein kann, daß eine Adhäsion zur Fixierung beiträgt.

Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Aufprallenergie der zusammenhängenden festen Teilschicht auf dem Substrat zu einer ausreichenden Fixierung auf diesem führt. Auch hier läßt sich insbesondere die erfindungsgemäße Lösung sehr vorteilhaft einsetzen, da diese aufgrund der hohen Beschleunigungen für die Fixierung der zusammenhängenden festen Teilschicht auf dem Substrat mittels ihrer Aufprall energie prädestiniert ist.

Die Fixierung erfolgt beispielsweise in Form eines soge nannten "kalten Verschweißens" der zusammenhängenden festen Teilschicht mit dem Substrat.

Günstigerweise ist dabei das Substrat in einem Abstand von dem Träger positioniert, bei dem eine Fixierung der zusammen hängenden festen Teilschicht auf dem Substrat durch Aufprall erfolgt.

Ferner ist es besonders günstig, wenn die Größe des Strahl querschnitts so gewählt wird, daß die Aufprallenergie zu einer ausreichenden Fixierung auf dem Substrat führt.

Ferner ist es ebenfalls zweckmäßig, wenn die Energie des Laserpulses so gewählt wird, daß die Aufprallenergie zu einer ausreichenden Fixierung auf dem Substrat führt.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die Pulsdauer des Laserpulses so gewählt wird, daß die Aufprallenergie zu einer ausreichenden Fixierung auf dem Substrat führt.

Alternativ zum Deponieren der zusammenhängenden festen Teil schicht ist es aber auch ebenfalls denkbar, daß die zusammen hängende feste Teilschicht durch einen Abnehmer dann abge nommen wird, wenn sie von dem Träger abgelöst ist, so daß keine Bewegung der zusammenhängenden festen Teilschicht von dem Träger auf das Substrat über nennenswerte Distanzen erforderlich ist.

Hinsichtlich der Pulsdauer des Laserpulses wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So ist es besonders günstig, wenn die Pulsdauer des Laserpulses so bestimmt wird, daß sich das Schichtteilvolumen quer zur Schichtebene über eine thermische Eindringtiefe von während der Pulsdauer des Laser pulses aufgeheizten Elektronen erstreckt.

Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die Puls dauer des Laserpulses kleiner ist als die materialabhängige thermische Relaxationszeit von Elektronen des Materials, so daß eine äußerst schnelle und effiziente Aufheizung der Materie im Schichtteilvolumen möglich ist und somit eine möglichst geringe thermische Belastung der abzulösenden zusammenhängenden festen Teilschicht.

Besonders günstige Pulsdauern sind kleiner als 50 Piko sekunden, noch besser kleiner als 20 Pikosekunden.

Bezüglich der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einzu setzenden Materialien für die Materialschicht sind die unter schiedlichsten Lösungen vorstellbar.

Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, daß die Materialschicht so gewählt ist, daß der Laserpuls an freie Elektronen des Materials ankoppelt.

Eine andere Lösung sieht vor, daß die Materialschicht so gewählt ist, daß durch Mehrphotonenabsorption in der Materialschicht der Laserpuls die zur Ankopplung notwendigen Elektronen selbst schafft.

Eine weitere Lösung sieht vor, daß die Materialschicht so gewählt ist, daß durch einen Lawinendurchbruch in der Materialschicht der Laserpuls die zur Ankopplung notwendigen Elektronen selbst schafft.

Hinsichtlich der Verteilung der Energiedichte im Laserpuls wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So könnte beispielsweise die Energiedichte im Strahlquer schnitt des Laserpulses eine Gaussverteilung aufweisen.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn die lokale Energiedichte des Laserpulses innerhalb eines Kernbereichs des Strahlquer schnitts in derselben Größenordnung liegende Werte aufweist, d. h. daß die lokale Energiedichte innerhalb des Strahlquer schnitts geringer variiert bei einer Gaussverteilung.

Besonders günstig ist es, wenn die Werte der Energiedichte im Kernbereich des Strahlquerschnitts einen im wesentlichen flachen Verlauf ergeben. Dies hat den Vorteil, daß dadurch über den Kernbereich des Querschnitts auch das mit dem Kern bereich korrespondierende Schichtteilvolumen die gleiche Auf heizung erfährt.

Ein solches Profil wird beispielsweise als sogenanntes Hat- Top-Profil bezeichnet.

Vorzugsweise ist bei einem derartigen Verlauf der Energie dichte im Kernbereich außerhalb des Kernbereichs diese wesentlich niedriger, jedoch ebenfalls im wesentlichen gleich groß.

Eine besonders günstige Lösung sieht vor, daß die Werte der Energiedichte des Laserpulses in einem Randbereich außerhalb des Kernbereichs des Strahlquerschnitts gegenüber den Werten im Kernbereich erhöht sind. Damit besteht die Möglichkeit, in dem dem Kernbereich entsprechenden Schichtteilvolumen eine im wesentlichen konstante Aufheizung der Materie zu erreichen und in einem dem Randbereich des Strahlquerschnitts korrespondierenden Randbereich des Schichtteilvolumens die Aufheizung noch stärker zu gestalten, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn der Ausschnitt aus der umgebenden Schicht herausgelöst werden soll, da sich dadurch das Heraus lösen längs einer Abreißlinie um den Ausschnitt herum ver bessern und präzisieren läßt.

Dabei wäre es auch ausreichend, an einzelnen Stellen außer halb des Kernbereichs die Energiedichte zu erhöhen. Besonders günstig ist es jedoch, wenn die Werte der Energiedichte in dem Randbereich um den gesamten Kernbereich herum gegenüber dem Kernbereich erhöht sind, so daß der Kernbereich durch einen im wesentlichen geschlossenen Randbereich mit erhöhter Energiedichte umgeben ist und somit sich das Ablösen des Ausschnitts aus der Schicht besonders vorteilhaft erreichen läßt.

Alternativ zum Herauslösen des Ausschnitts aus der umgebenden Schicht ist es im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung in den vorstehend beschriebenen Varianten ebenfalls denkbar, den Ausschnitt vorzustrukturieren. D. h., daß bereits vor Auf treffen des Laserpulses die Schichtdicke der Materialschicht um den Ausschnitt herum reduziert ist. Die Reduktion kann dabei über die komplette Schichtdicke erfolgen, sie kann sich jedoch aber auch nur über einen Teil der Schichtdicke erstrecken. In allen Fällen hat das Vorstrukturieren den Vorteil, daß die Außenkontur des entstehenden Ausschnitts noch präziser definiert werden kann und auch nach Ablösen der zusammenhängenden festen Teilschicht die Außenkontur die gewünschte präzise Form aufweist, während ohne Vorstruk turieren der Außenkontur stets eine Unsicherheit dadurch besteht, daß beispielsweise durch Inhomogenitäten der Energiedichte im Laserstrahl oder Inhomogenitäten in der Materialschicht selbst die Außenkontur des Ausschnitts von der gewünschten Form so weit abweicht, daß dies unerwünscht ist und beispielsweise die Einsatzmöglichkeiten des Aus schnitts reduziert oder dessen Einsatz in dem jeweiligen Fall unmöglich macht.

Darüber hinaus wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch eine Einrichtung zum Ablösen eines auf einem Träger ange ordneten Ausschnitts aus einer sich in einer Schichtebene erstreckenden und eine bestimmte Schichtdicke aufweisenden Materialschicht, umfassend einen Halter zum Positionieren des Trägers, ein Lasersystem zur Erzeugung von einzelnen Laser pulsen und eine Strahlführungsoptik, welche zum Ablösen des Ausschnitts einen Laserpuls durch den Träger hindurchtreten läßt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laserpuls in einem an den Träger angrenzenden Schichtteilvolumen des Aus schnitts, welches innerhalb einer Ausdehnung des Strahlquer schnitts des Laserpulses in der Schichtebene liegt und sich quer zur Schichtebene über einen Teil der Schichtdicke erstreckt, überhitzte Materie in einem thermodynamischen Nichtgleichgewichtszustand mit festkörperähnlicher Dichte und insbesondere einer über der kritischen Temperatur liegenden Temperatur erzeugt und daß auf der dem Träger gegenüber liegenden Seite des Schichtteilvolumens in dem Ausschnitt eine zusammenhängende feste Teilschicht bestehen bleibt, welche durch die überhitzte Materie beschleunigbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich entsprechend den vorteilhaften, im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungs gemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Einrichtungen eignen sich insbesondere zur Herstellung miniaturisierter Baugruppen, bei denen die Herstellung strukturierter Oberflächen notwendig ist. Oft sind dafür dünne Metall-, Halbleiter-, Supraleiter-, Keramik- und Isolierschichten oder Schichten organischer Substanzen mit Vertiefungen, Gräben oder Stegen im Mikrometerbereich her zustellen.

Die Anwendungen in der Halbleitertechnologie liegen bei spielsweise in der Nachbearbeitung von Massenprodukten. Ein Anwendungsbeispiel ist das flexible Verschalten von Elektrodenmatritzen (free programable gate arrays) oder der Parameterabgleich wie z. B. der Abgleich von Widerständen und Schwingungsfrequenzen. Andere Anwendungsmöglichkeiten liegen in der Reparatur von komplexen Schaltkreisen oder von Litho graphiemasken, in der kundenspezifischen Herstellung und Modifikation von Bauelementen, wie z. B. ASICs, und in der Prototypenentwicklung von Bauelementen.

Eine weitere Anwendung liegt ganz generell in dem Lösen von Bauteilen oder Baugruppen von Trägermaterialien nach ihrer Vereinzelung. Hier sind besonders Anwendungen für das Die- Bonderi und Flip-Chip-Bonden interessant.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele der erfindungs gemäßen Lösung.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung eines ersten Aus führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ein richtung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ausbildung über hitzter Materie in einer Materialschicht ent sprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer beginnenden Ablösephase einer festen zusammenhängenden Teil schicht entsprechend dem erfindungsgemäßen Ver fahren;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vollendeten Ablösephase der erfindungsgemäß entstehenden Teil schicht bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Verteilung der Energiedichte bei dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verteilung der Energiedichte bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Einrichtung ähnlich Fig. 1 zur Durchführung eines dritten Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 8 eine schematische Darstellung, ähnlich Fig. 2, eines vorstrukturierten Ausschnitts aus der Schicht bei dem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Verfahrens;

Fig. 9 eine schematische Darstellung, ähnlich Fig. 2, eines Aufbaus einer Materialschicht für ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens und

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Einrichtung ähnlich Fig. 7 für ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems, dargestellt in Fig. 1, umfaßt einen Laser 10, welcher Laserpulse 12 erzeugt, deren Pulsdauer vorzugsweise kleiner 50 Pikosekunden ist. Die Laserpulse 12 durchlaufen eine als Ganzes mit 14 bezeichnete Strahlformungsoptik, zur Erzeugung eines zum Materialabtrag vorgesehenen Laserpulses 16 mit einer räumlich bezüglich einer radialen Richtung R des Strahls definierten Verteilung der Energiedichte ED.

Der Laserpuls 16 wird durch eine Umlenkoptik 18 und eine Optik 20 über einer Öffnung 22 in einem Halter 42 auf eine Materialschicht 30 abgebildet, welche auf einem Träger 40 angeordnet ist, wobei der Träger 40 beispielsweise auf einem Halter 42 angeordnet und relativ zu diesem definiert positio niert ist und der Halter 42 von der Öffnung 20 durchsetzt ist und damit seinerseits relativ zur Öffnung 22 definiert posi tioniert ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt, durchsetzt der Laserpuls 16, repräsentiert durch einen Pfeil in Fig. 2, zunächst den für den Laserpuls 16 transparenten Träger 40 und trifft nach Durchsetzen des Trägers 40 auf die Schicht 30 auf. Der Laser puls 16 hat dabei einen definierten Strahlquerschnitt Q und heizt damit ein in Fig. 2 kreuzweise schraffiertes Schicht teilvolumen 50 auf, welches in Richtung einer Schichtebene 32 eine Erstreckung aufweist, die ungefähr dem Querschnitt Q des Laserstrahls 16 entspricht und quer zur Schichtebene 32 sich über eine Teilschichtdicke TD in die Schicht 30 hinein erstreckt, die einen Bruchteil der Schichtdicke D der Schicht 30 beträgt.

Innerhalb des Schichtteilvolumens 50 erfolgt während der Einwirkung des Laserpulses 16 eine Aufheizung des darin enthaltenen Materials der Schicht 30 dergestalt, daß eine überhitzte Materie in einem thermodynamischen Nichtgleich gewichtszustand mit festkörperähnlicher Dichte und einer über der kritischen Temperatur liegenden Temperatur entsteht. Die überhitzte Materie ist insbesondere durch Aufheizen der Elektronen des Materials der Schicht 30 erhältlich, welche bei Auftreffen des Laserstrahls 16 in einem durch den Strahl querschnitt Q erfaßten Bereich des Schichtteilvolumens 50 aufgeheizt werden und dann während der Pulsdauer des Laser pulses weiter in die Schicht 30 mit einer Eindringtiefe TD eindringen, so daß die Eindringtiefe TD letztlich die Dicke TD des Schichtteilvolumens 50 definiert.

Die Einwirkungsdauer des Laserpulses 16 in dem Teilschicht volumen zur Erzeugung der überhitzten Materie ist jedoch so kurz, daß auf einer dem Träger 40 gegenüberliegenden Seite des Teilschichtvolumens 50 eine feste zusammenhängende Teil schicht 60 des Materials der Schicht 30 bestehen bleibt, die aufgrund der hydrodynamischen Expansion der überhitzten Materie in dem Schichtteilvolumen 50 längs einer Abrißlinie 62 von der umgebenden Schicht 30 abreißt und somit als durch die Abreißlinie 62 begrenzter Ausschnitt 64 aus der Schicht 30 in einer Richtung 66 von dem Träger 40 weg beschleunigt wird. Ein derart beschleunigter Ausschnitt 64 aus der Schicht 30 läßt ich dabei auf einem der Schicht 30 gegenüberliegenden Substrat 70, das relativ zur Schicht 30 und zum Träger 40 definiert ausgerichtet ist, positionieren, wie in Fig. 1 dar gestellt, wobei der Ausschnitt 64 aufgrund seiner großen Aufprallenergie beim Auftreffen auf das Substrat 70 eine Fixierung auf diesem erfährt.

Das Bilden des Ausschnitts 64 beim Ablösen der Teilschicht 60 von der umgebenden Schicht 30 erfolgt vorzugsweise, wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, durch Vergrößern des Volumens der überhitzten Materie in dem Schichtteilvolumen 50 unter Aus bilden eines blasenähnlichen Hohlraums 68 unterhalb der Teil schicht 60, so daß die Teilschicht 60 zunehmend über eine Distanz, die größer ist als die Dicke TD des Schichtteil volumens 50, von dem Träger 40 abgehoben wird, wobei die Teilschicht 60 sich vorzugsweise konvex gegenüber dem Träger 40 nach oben wölbt und im Bereich der späteren Abreißlinie 62 noch mit einem festen Übergangsbereich 74 in die umgebende Schicht 30 übergeht (Fig. 3). Bei weiterer Vergrößerung des Hohlraums 68 erfolgt ein Abreißen im Bereich der Abreißlinie 62 unter Bildung zweier voneinander beabstandeter Abreiß kanten, nämlich der Abreißkante 62a des Ausschnitts 64 und der Abreißkante 62b der umgebenden Schicht 30, so daß dann der Ausschnitt 64 als Ganzes in Richtung des Substrat 70 frei beschleunigt werden kann (Fig. 4).

Um eine möglichst gleichmäßige Aufheizung des Schichtteil volumens 50 zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Laserstrahl 16, wie in Fig. 5 dargestellt, eine Ver teilung der Energiedichte in radialer Richtung R bezüglich seiner optischen Achse über einen Bereich aufweist, welcher in einem Kernbereich KB, innerhalb eines Randbereichs RB, im wesentlich konstant ist, so daß im wesentlichen über den gesamten Strahlquerschnitt Q des Laserpulses 16 eine gleich mäßige Aufheizung des Materials in dem Schichtteilvolumen 50 erfolgt und somit das Schichtteilvolumen 50 sich ebenfalls im wesentlichen über den gesamten Strahlquerschnitt Q mit der Dicke TD in die Schicht 30 hinein erstreckt, wie in Fig. 2 dargestellt.

Besonders günstig ist es, wenn sich der Kernbereich KB im wesentlichen über den gesamten Strahlquerschnitt Q erstreckt und der Randbereich RB, in welchem eine Abweichung von einem im wesentlichen konstanten Verlauf der Energiedichte vor liegt, möglichst gering ist.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 6, ist, insbesondere, wenn ein Ablösen des Ausschnitts 64 längs der Abrißlinie 62 erleichtert werden soll, vorzugsweise vorgesehen, daß die Energiedichte ED in dem Kernbereich KB ebenfalls im wesent lichen konstant ist, jedoch ist die Energiedichte ED im Rand bereich RB gegenüber der Energiedichte im Kernbereich KB überhöht, so daß das Schichtteilvolumen 50 nahe der Abreiß linie 62 einem größeren hydrodynamischen Druck ausgesetzt ist, so daß sich längs der Abreißlinie 62 schneller ein Abreißen und somit sich auch die Ausbildung der Abreißkanten 62a und 62b schneller einstellt.

Bei einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist anstelle einer durchgehenden Schicht 30 auf dem Träger 40 bereits die Schicht 30' in einzelne Ausschnitte 64 strukturiert, so daß das Abreißen der Teilschicht 60 von der umgebenden Schicht 30 längs der Abreißlinie 62 nicht mehr notwendig ist, sondern jeder Ausschnitt 64 bereits durch eine Berandung 62a' definiert ist.

Ein derartiger Ausschnitt 64 wird nun, wie in Fig. 7 und 8 dargestellt, so relativ zum Halter 42 positioniert, daß der Ausschnitt 64 mit seiner Berandung 62a' innerhalb des Strahl querschnitts Q liegt und somit bei dem jeweiligen Ausschnitt 64 zum Ablösen der Teilschicht 64 das Schichtteilvolumen 50 zur Erzeugung der überhitzten Materie von dem Laserpuls 16 erhitzt wird, wobei in ähnlicher Weise wie bei den voran stehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, eine Beschleunigung der Teilschicht 60 aufgrund der hydro dynamischen Expansion des Schichtteilvolumens 50 erfolgt, wobei dies in Richtung der Schichtebene 32 nicht begrenzt ist, woraus jedoch aufgrund der kurzen Einwirkungszeit des Laserpulses 16 keine Nachteile hinsichtlich der Beschleunigung der Teilschicht 16 auftreten. Insbesondere wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Pulsdauer des Laser pulses 16 reduziert auf Pulsdauern von kleiner 20 Piko sekunden, wodurch die Teilschicht 60 eine ausreichend große Beschleunigung erfährt.

Vorzugsweise ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Verlauf der Energiedichte ED innerhalb des Strahlquerschnitts Q so gewählt, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei der Kernbereich KB sich gemessen in über den gesamten Strahl querschnitt Q erstreckt, wie in Fig. 5 dargestellt.

Im übrigen ist der Laser 10 und die Strahlformungsoptik 14 beim dritten Ausführungsbeispiel in gleicher Weise aus gebildet wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Eine Strahlformungsoptik 14 zum Erreichen einer definierten Verteilung der Energiedichte ED innerhalb des Strahlquer schnitts Q ist beispielsweise in der Zeitschrift Optics Communications, Vol. 48, Nr. 1, 1. November 1983, Seite 44 bis 46 in dem Aufsatz von Kawamura et al. beschrieben oder in Optics Communications, Vol. 36, Nr. 6 vom 15. März 1981, Seite 469 bis 471 von Wai Hon Lee. Eine weitere Beschreibung einer Strahlformungsoptik 14 zum Erhalt einer definierten Verteilung der Energiedichte findet sich in der Zeitschrift Applied Optics, Vol. 35, Nr. 20, vom 10. Juli 1996, Seite 3807 bis 3814 in dem Artikel von Jörgen Bengtsson.

Besonders vorteilhaft läßt sich das Substrat 70 relativ zum Träger 40 dann positionieren, wenn dieses von einem Greifer 80 (Fig. 1) gehalten ist und der Greifer 80 sowie der Halter 42 Elemente einer Einrichtung zur Durchführung von Arbeits schritten an miniaturisierten Baugruppen sind, wie beispiels weise in der deutschen Patentanmeldung P 198 23 196.2-14 beschrieben.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, wie beispielsweise in Fig. 9 darstellt, die Materialschicht 30' aus zwei Unterschichten 31a und 31b auf gebaut, wobei die Unterschicht 31a, welche unmittelbar an den Träger 40 angrenzt, als zur Ausbildung des Schichtteil volumens 50 vorgesehen ist, d. h., die Unterschicht 31a ist aus einem Material hergestellt, in welchem der Laserpuls 16 stark absorbiert wird, so daß sich in vorteilhafter Weise das Schichtteilvolumen 50 mit der überhitzten Materie in dieser Unterschicht 31a ausbilden kann und sich im wesentlichen mit der Dicke TD nur in der Unterschicht 31a erstreckt, so daß die Unterschicht 31b, welche auf der dem Träger 40 gegenüber liegenden Seite der Unterschicht 31a angeordnet ist, aus anderem Material zusammengesetzt sein kann, welches dann nach Ablösen des Ausschnitts 64 die feste zusammenhängende Teil schicht 60 bildet.

Vorzugsweise kann die Unterschicht 31b aus dem gewünschten, zu deponierenden Material hergestellt sein.

Im übrigen arbeitet das Verfahren gemäß dem fünften Aus führungsbeispiel in gleicher Weise wie beim ersten Aus führungsbeispiel, so daß bezüglich der übrigen Aspekte auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel vollinhalt lich Bezug genommen werden kann.

Bei einem fünften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 10, erfolgt kein Deponieren des Ausschnitts 64 auf einem Substrat, sondern der Ausschnitt 64 wird unmittelbar nach Ablösen vom Träger von einem Greifer 80' abgenommen und zu der gewünschten Einsatzstelle trans portiert.

Im übrigen sind das Verfahren und die Einrichtung zur Durch führung des Verfahrens beim fünften Ausführungsbeispiel identisch mit denen des vierten Ausführungsbeispiels, so daß auf die Ausführungen diesbezüglich vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.

Claims

1. Verfahren zum Ablösen eines auf einen Träger ange ordneten Ausschnitts aus einer sich in einer Schichtebene erstreckenden und eine bestimmte Schicht dicke aufweisenden Materialschicht mittels eines durch den Träger hindurchtretenden Laserpulses, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls in einem an den Träger angrenzenden Schichtteilvolumen des Ausschnitts, welches innerhalb einer Ausdehnung des Strahlquerschnitts des Laserpulses in der Schichtebene liegt und sich quer zur Schichtebene über einen Teil der Schichtdicke erstreckt, überhitzte Materie in einem thermodynamischen Nichtgleichgewichts zustand mit festkörperähnlicher Dichte und insbesondere einer über der kritischen Temperatur liegenden Tempe ratur erzeugt und daß auf der dem Träger gegenüber liegenden Seite des Schichtteilvolumens in dem Aus schnitt eine zusammenhängende, feste Teilschicht bestehen bleibt, welche durch die überhitzte Materie vom Träger weg bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest anfänglich in der überhitzten Materie das Material der Materialschicht im wesentlichen unverändert vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die überhitzte Materie aus Material der Materialschicht beim Ablösen des Ausschnitts im wesent lichen stöchiometrisch expandiert.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablösen des Ausschnitts mittels eines einzigen Laserpulses durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende feste Teilschicht durch hydrodynamische Expansion der über hitzten Materie in dem Schichtteilvolumen von dem Träger weg beschleunigt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende feste Teilschicht in Richtung eines Substrats beschleunigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende feste Teilschicht auf dem Substrat fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufprallenergie zu einer ausreichenden Fixierung auf dem. Substrat führt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat in einem definierten Abstand vom Träger positioniert wird, bei dem eine Fixierung der zusammen hängenden festen Teilschicht auf dem Substrat durch Aufprall erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Größe des Strahlquerschnitts so gewählt wird, daß die Aufprallenergie zu einer aus reichenden Fixierung auf dem Substrat führt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Laserpulses so gewählt wird, daß die Aufprallenergie zu einer aus reichenden Fixierung auf dem Substrat führt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Laserpulses so gewählt wird, daß die Aufprallenergie zu einer aus reichenden Fixierung auf dem Substrat führt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgelöste zusammenhängende feste Teilschicht durch einen Abnehmer abgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des. Laser pulses so bestimmt wird, daß sich das Schichtteilvolumen quer zur Schichtebene über eine thermische Eindringtiefe von während der Pulsdauer des Laserpulses aufgeheizten Elektronen erstreckt.

15. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Laser pulses kleiner ist als die materialabhängige thermische Relaxationszeit von Elektronen des Materials.

16. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer kleiner als 50 Pikosekunden ist.

17. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer kleiner als 20 Pikosekunden ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht so ausgewählt wird, daß der Laserpuls an freie Elektronen des Materials der Materialschicht ankoppelt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht so ausgewählt wird, daß durch Mehrphotonenabsorption in der Material schicht der Laserpuls die zur Ankoppelung notwendigen Elektronen selbst schafft.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht so ausgewählt wird, daß durch einen Lawinendurchbruch in der Material schicht der Laserpuls die zur Ankopplung notwendigen Elektronen selbst schafft.

21. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energiedichte des Laserpulses innerhalb eines Kernbereichs des Strahlquer schnitts in derselben Größenordnung liegende Werte auf weist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Energiedichte im Kernbereich des Strahl querschnitts einen im wesentlichen flachen Verlauf ergeben.

23. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Energiedichte des Laserpulses in einem Randbereich außerhalb des Kern bereichs des Strahlquerschnitts gegenüber den Werten im Kernbereich erhöht sind.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Energiedichte in dem Randbereich um den gesamten Kernbereich herum gegenüber dem Kernbereich erhöht sind.

25. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt vor dem Ablösen mit dem Laserpuls vorstrukturiert wird.

26. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht mehrere Unterschichten umfaßt.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht eine zur Ausbildung des Schichtteil volumens vorgesehene Unterschicht aufweist.

28. Einrichtung zum Ablösen eines auf einem Träger ange ordneten Ausschnitts (64) aus einer sich in einer Schichtebene (32) erstreckenden und eine bestimmte Schichtdicke (D) aufweisenden Materialschicht (30), umfassend einen Halter (42) zum Positionieren des Trägers (40), ein Lasersystem (10 bis 14) zur Erzeugung von einzelnen Laserpulsen (16), und eine Strahlführungs optik (18, 20, 22), welche zum Ablösen des Ausschnitts (64) einen Laserpuls (16), durch den Träger (40) hindurchtreten läßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (16) in einem an den Träger (40) angrenzenden Schichtteilvolumen (50) des Ausschnitts (64), welches innerhalb einer Ausdehnung des Strahlquerschnitts (Q) des Laserpulses (16) in der Schichtebene (32) liegt und sich quer zur Schichtebene (32) über einen Teil (TD) der Schichtdicke (D) erstreckt, überhitzte Materie in einem thermodynamischen Nichtgleichgewichtszustand mit fest körperähnlicher Dichte und insbesondere einer über der kritischen Temperatur liegenden Temperatur erzeugt und daß auf der dem Träger (40) gegenüberliegenden Seite des Schichtteilvolumens (50) in dem Ausschnitt eine zusammenhängende feste Teilschicht (60) bestehen bleibt, welche durch die überhitzte Materie beschleunigbar ist.

29. Einrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die überhitzte Materie aus Material der Material schicht (30) beim Ablösen des Ausschnitts (64) im wesentlichen stöchiometrisch expandiert.

30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende feste Teil schicht (60) durch hydrodynamische Expansion der der überhitzten Materie in dem Schichtteilvolumen (50) vom Träger (40) weg beschleunigbar ist.

31. Einrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende feste Teilschicht (60) in Richtung eines Substrats (70) beschleunigbar ist.

32. Einrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenhängende feste Teilschicht (60) auf dem Substrat (70) fixierbar ist.

33. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (70) in einem derartigen Abstand vom Träger (40) positionierbar ist, daß die Aufprallenergie zu einer ausreichenden Fixierung führt.

34. Einrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (70)in einem definierten Abstand vom Träger (40) positionierbar ist, bei dem eine Fixierung der zusammenhängenden festen Teilschicht (60) auf dem Substrat (70) durch Aufprall erfolgt.

35. Einrichtung nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekenn zeichnet, daß die Größe des Strahlquerschnitts (Q) so gewählt ist, daß die Aufprallenergie zu einer aus reichenden Fixierung auf dem Substrat (70) führt.

36. Einrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Laserpulses (16) so gewählt ist, daß die Aufprallenergie zu einer aus reichenden Fixierung auf dem Substrat (70) führt.

37. Einrichtung nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Laserpulses (16) so gewählt ist, daß die Aufprallenergie zu einer aus reichenden Fixierung auf dem Substrat (70) führt.

38. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die abgelöste zusammenhängende feste Teilschicht (60) durch einen Abnehmer abnehmbar ist.

39. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Laserpulses so bestimmt ist, daß sich das Schichtteilvolumen (50) quer zur Schichtebene (32) über eine thermische Eindringtiefe (TD) von während der Pulsdauer des Laserpulses (16), aufgeheizten Elektronen erstreckt.

40. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Laserpulses (16) kleiner ist als die materialabhängige thermische Relaxationszeit von Elektronen des Materials.

41. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des Laserpulses (16) kleiner als 50 Pikosekunden ist.

42. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer kleiner als 20 Piko sekunden ist.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Energiedichte (ED) des Laserpulses (16) innerhalb eines Kernbereichs (KB) des Strahlquerschnitts (Q) ungefähr in derselben Größen ordnung liegende Werte aufweist.

44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Energiedichte (ED) im Kernbereich (KB) des Strahlquerschnitts (Q) einen im wesentlichen flachen Verlauf ergeben.

45. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Energiedichte (ED) des Laserpulses (16) in einem Randbereich (RB) außerhalb des Kernbereichs (KB) des Strahlquerschnitts (Q) gegenüber den Werten im Kernbereich (KB) erhöht sind.

46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der Energiedichte (ED) im Randbereich um den gesamten Kernbereich (KB) herum gegenüber dem Kern bereich erhöht sind.

47. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 46, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschnitt (64) vor dem Ablösen mit dem Laserpuls (16) vorstrukturiert ist.

48. Einrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 47, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (30') mehrere Unterschichten (31a, b) umfaßt.

49. Einrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialschicht (30') eine zur Ausbildung des Schichtteilvolumens (50) vorgesehene Unterschicht (31a) aufweist.