DE4026132A1 - Verfahren zum thermischen abtragen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Abtragen, bei dem ein Werkstoff durch Hochenergiestrahlen, insbesondere Laserstrahlen, bearbeitet wird.

Thermische Abtragverfahren, bei denen Teile eines Werkstoffes durch Wärmevorgänge abgetrennt werden, sind aus "Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik", Verlag Moderne Industrie, 1979, Seite 50ff, bekannt. Darin wird zwischen den einzelnen Abtrag­ arten entsprechend den verwendeten Energieträgern unterschie­ den. Beim thermischen Abtragen durch Strahlen entsteht die an der Wirkstelle erforderliche Wärme durch Energieumsetzung ener­ giereicher Strahlen, z. B. Elektronen-, Ionen- sowie insbesonde­ re Laserstrahlen.

So wird beispielsweise beim Laserschneiden der Werkstoff ört­ lich durch den Laserstrahl so stark erwärmt, daß er schmilzt, verdampft oder verbrennt. Ein Einsatzbereich für das Abtragen mit Laserstrahlen besteht in der Herstellung kleinster Bohrun­ gen in harten und zähen Materialien. Insbesondere in der Halb­ leitertechnik mit einer hohen Anzahl von integrierten Bauele­ menten (VLSI) sind Laserstrahlen das am besten geeignete Werk­ zeug zur Bearbeitung von Materialien im Mikrometerbereich.

Integrierte Halbleiterschaltungen können je nach Umfang in größerer Anzahl auf einer Trägerplatte (wafer) aus einem Halb­ leitermaterial, beispielsweise Silizium, gleichzeitig herge­ stellt und anschließend getrennt werden. Um eine derartige Si­ liziumscheibe vor äußeren Einflüssen zu schützen, wird eine Schicht als Schutzhülle auf das Silizium aufgebracht.

Auf diese Weise entsteht ein spröder Verbundwerkstoff aus Sili­ zium und Oxidschicht bei dessen Bearbeitung, beispielsweise beim Schneiden einer Kontur in Form eines Bohrloches, Span­ nungen auftreten. Dies kann zur Ausbildung von Rissen am Rand der geschnittenen Kontur und zur Loslösung von Teilen des Ran­ des führen. Eine Beeinträchtigung der Funktion des integrierten Bauelements durch lose Partikel des Werkstoffes ist dadurch möglich.

Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine möglichst fehlerfreie Bearbeitung von spröden Verbundwerkstof­ fen gewährleistet.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, das erste Material des Verbundwerkstoffes von der Oberfläche des zweiten Materials zuerst abzutragen, um dann in einem nachfol­ genden Verfahrensschritt die Kontur durch das zweite Material zu schneiden.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht vor, daß in einem ersten Verfahrensschritt die Kontur durch den Verbund­ werkstoff geschnitten und daran anschließend der Konturrand ab­ getragen wird.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird als Kontur ein Loch geschnitten oder gebohrt. Der Bereich für das Abtragen des ersten Materials entsprechend der ersten Lösungsvariante be­ steht gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung in einem kreisförmigen Ausschnitt, dessen Ausmaß geringfügig größer als der Durchmesser des zu schneidenden Loches festgelegt wird.

Weiterbildungen der Erfindung beziehen sich auf die Wahl der Strahlungsenergie und des Durchmessers des Energiestrahls für den Abtragvorgang, jeweils im Vergleich zu den Werten für den Schneidvorgang.

Durch Anwendung der hochenergetischen Strahlen sowohl für den Abtragvorgang als auch für den eigentlichen Schneidvorgang ist es möglich, das erste Material des Verbundwerkstoffes rißfrei von der Oberfläche des zweiten Materials zu entfernen, und an­ schließend den Schneidvorgang nur noch für ein Material durch­ zuführen. In den einzelnen Verfahrensschritten wird jeweils nur ein Material des Verbundwerkstoffes bearbeitet.

Ebenso ist es möglich, den Schneidvorgang zuerst für den gesam­ ten Verbundwerkstoff auszuführen, um dann angerissene oder lose Teile des Verbundwerkstoffes in einem zweiten Verfahrensschritt durch Anwendung der Strahlungsenergie zu beseitigen. Durch die gezielte Wahl der Strahlungsparameter, wie z. B. Durchmesser des Energiestrahls sowie Strahlungsenergie, lassen sich die einzel­ nen Schneid- und Abtragvorgänge exakt steuern.

In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nä­ her erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1a und Fig. 1b thermische Abtragverfahren für einen Verbund­ werkstoff.

Fig. 1a zeigt eine Lasereinrichtung 10 mit Laserstrahlen 5, die von einer Bearbeitungsoptik 6 auf die Austrittsöffnung 4 einer Schneiddüse 8 fokussiert werden. Dabei ist die Lasereinrichtung 10 in dreidimensionaler Richtung bewegbar, z. B. durch Anbringen an einer beweglichen Haltevorrichtung, so daß von ihr die Ober­ fläche eines Werkstückes 1 bearbeitet werden kann. Durch Zufüh­ rung von Schutzgas 14 kann das thermische Abtragen von Teilen des zu bearbeitenden Werkstoffes unterstützt werden, was einen vorteilhaften Einfluß auf die Qualität des Abtragvorgangs hat.

Das Werkstück 1 besteht aus einem spröden Verbundwerkstoff, ge­ bildet von einer Oxidschicht 2 und einem Halbleitermaterial 3, beispielsweise Silizium. Ein derartiger Aufbau kommt insbeson­ dere bei der gleichzeitigen Herstellung einer großen Anzahl von integrierten Schaltungen auf einer Trägerplatte (wafer) vor, bei der auf das Halbleitermaterial eine Oxidschicht als Schutz­ hülle aufgebracht wird.

Beim Schneiden einer Kontur in Form eines Loches 11 in den Ver­ bundwerkstoff 1 mit Hilfe der Laserstrahlen 9 entstehen auf Grund von Spannungen, verursacht durch unterschiedliche Wärme­ ausdehnungskoeffizienten der Materialien 2, 3 des Werkstoffes 11, Risse 12 am Lochrand. Dies kann dazu führen, daß sich Teile der Lochkante lösen und als lose Partikel die Funktion eines integrierten Bauelements beeinträchtigen oder sogar zerstören können.

Daher wird ein Teil der Oxidschicht 2, der für eine aufwandspa­ rende Bearbeitung nur geringfügig größer als das zu schneidende Loch 11 ist, mittels der Laserstrahlen 9 rißfrei von der Ober­ fläche des Siliziums 3 zuerst abgetragen, bevor mit dem eigent­ lichen Schneidvorgang begonnen wird. Auf diese Weise braucht dann das Loch 11 mittels der Laserstrahlen 9 lediglich durch das Silizium 3 geschnitten zu werden. Ein Vorteil dieser Vorge­ hensweise liegt auch darin, daß für das Abtragen nur ein Bruch­ teil der für das Schneiden benötigten Strahlungsenergie erfor­ derlich ist, beispielsweise ungefähr ein Zehntel. Außerdem wird der Durchmesser der auf die Oberfläche der Oxidschicht 2 auf­ treffenden Strahlen 9 kleiner als der für den Schneidvorgang eingestellt.

Ein alternatives Abtragverfahren gemäß der Erfindung ist in Fig. 1b dargestellt, die aber lediglich den Verbundwerkstoff 1 nochmals zeigt. Bei diesem Verfahren wird das Loch 11 in den Verbundwerkstoff 1 durch die Laserstrahlen 9 geschnitten. Für den Fall, daß Risse 12 entstehen, wird in einem weiteren Ver­ fahrensschritt der Lochrand bearbeitet, in dem das angerissene Oxid 2 und eventuell lose Partikel wiederum durch Verwendung einer geringeren Laserstrahlenergie bzw. eines kleineren La­ serstrahldurchmessers entfernt werden. Auf diese Weise läßt sich analog zum vorherigen Verfahren eine exakte Bearbeitung des Verbundwerkstoffes 1 in Form der Herstellung eines rißfrei­ en Bohrloches erzielen.

Die Fig. 1a und 1b sind lediglich Prinzipdarstellungen, bei de­ nen das Werkstück 1 im Vergleich zur Lasereinrichtung 10 gegen­ über den Ausmaßen in der Wirklichkeit vergrößert gezeichnet ist.

Das thermische Abtragverfahren gemäß der zweiten Lösungsvarian­ te wird auch zum Loslösen einzelner Bauelemente, z. B. Thyristo­ ren, von der Trägerplatte (wafer) verwendet. Dabei wird in einem ersten Prozeßschritt die Außenkontur eines Thyristors mit Hilfe der Laserstrahlen geschnitten und in einem darauffolgen­ den Schritt der Rand des geschnittenen Thyristors abgetragen. Die für den Abtragvorgang erforderliche Energie liegt wiederum wesentlich unter der für den Schneidvorgang.

Claims (6)

1. Verfahren zum thermischen Abtragen, bei dem ein Werkstoff durch Hochenergiestrahlen, insbesondere Laserstrahlen (9), be­ arbeitet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß für spröde Verbundwerkstoffe (1), zusammengesetzt aus Materialien (2, 3) mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsko­ effizienten, in einem ersten Verfahrensschritt ein erstes Mate­ rial (2) des Verbundwerkstoffes (1) von der Oberfläche eines zweiten Materials (3) abgetragen wird, sowie in einem zweiten Verfahrensschritt eine Kontur durch das zweite Material (3) ge­ schnitten wird.

2. Verfahren zum thermischen Abtragen, bei dem ein Werkstoff durch Hochenergiestrahlen, insbesondere Laserstrahlen (9), be­ arbeitet wird, dadurch gekennzeich­ net, daß für spröde Verbundwerkstoffe (1), zusammengesetzt aus Materialien (2, 3) mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsko­ effizienten, in einem ersten Verfahrensschritt eine Kontur durch den Verbundwerkstoff (1) geschnitten wird, sowie in einem zweiten Verfahrensschritt der Konturrand abgetragen wird.

3. Verfahren zum thermischen Abtragen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Loch (11) als Kontur geschnitten oder gebohrt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Material (2) in einem kreisför­ migen Ausschnitt (13) abgetragen wird, dessen Ausmaß geringfü­ gig größer als der Durchmesser des zu schneidenden Loches (11) festgelegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Abtragvorgang verwendete Strahlungsenergie wesentlich geringer als die für den Schneidvorgang vorgesehene Strahlungsenergie gewählt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Durchmes­ ser des Energiestrahls für den Abtragvorgang kleiner als der für den Schneidvorgang gewählt wird.