Fraunhofer ILT Mikrostrukturen mit dem Laser ätzen

Strukturierungsprozess von Glas durch direkte Laserablation bei der Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen.
Strukturierungsprozess von Glas durch direkte Laserablation bei der Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen.

Ein Ultrakurzpulslaser ermöglicht es feine Strukturen zu schneiden. Doch Forscher des Fraunhofer ILT und der RWTH Aachen wollen noch einen Schritt weiter: Sie wollen auch Mikrostrukturen in Dünnglas erzeugen. Das Verfahren ist auch für die Halbleitertechnik interessant.

Wird Glas mit dem Ultrakurzpulslaser in der richtigen Weise bestrahlt, wird es  modifiziert. Es wird deutlich empfindlicher – hundert- bis tausendfach – für ein anschließendes nasschemisches Ätzverfahren. So kann ein Laserfokus von wenigen Mikrometern Durchmesser durch einen Glasblock geführt werden, um anschließend auf seiner Spur eine feine Röhre durch das Volumen zu ätzen. Auf die Weise lassen sich kleinste Löcher erzeugen, komplette Mikrofluidik-Systeme in das Volumen schreiben oder auch Schnitte mit hoher Kantenqualität herstellen.

Doch bevor der Effekt für industrielle Verfahren genutzt werden kann, müssen einige Fragen beantwortet werden: Was sind die Wechselwirkungsprozesse? Bei welchen Materialien funktioniert das? Was sind die optimalen Prozessparameter? Welche Prozesstechnik ist nötig?

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojektes »Femto Digital Photonic Production« soll die Fragen beantworten. Seit 2014 arbeiten in dem Projekt Partner von drei Lehrstühlen der Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen University, dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und sechs Firmen an der Erforschung neuer Effekte bei der Bearbeitung von transparenten Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen.

Inzwischen wurde ein Demonstrator entwickelt, an dem sich verschiedene Materialien und Prozessparameter vergleichen lassen. Das selektive Laser-Ätzen (SLE) wurde für mehrere Glasmaterialien untersucht – z. B. für Quarzglas, Saphir, Borofloat 33 und Corning Willow. In Borofloat 33 wurden Ätz-Selektivitäten zwischen laserstrukturierten und unstrukturierten Bereichen von etwa 1000:1 erreicht, in Willow-Gläsern dagegen etwa 100:1.

Prozessverständnis verbessern

In der nächsten Phase des Projektes soll das Prozessverständnis verbessert werden. Dafür werden am Lehrstuhl für Lasertechnik (LLT) der RWTH Aachen verschiedene Experimente durchgeführt. Gleichzeitig laufen am Lehr- und Forschungsgebiet für nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren (NLD) komplexe Simulationen. Der Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme (TOS) konzentriert sich auf die Optimierung der Optik in den Systemen.

Bei der Entwicklung der Prozesstechnik arbeiten die Wissenschaftler mit Amphos, Edgewave, Trumpf – drei Hersteller von Laserstrahlquellen – sowie den Systemanbietern 4Jet, LightFab, Pulsar Photonics zusammen. Gemeinsam wollen sie sowohl Multistrahlsysteme für großflächige Anwendungen als auch kleinere Systeme für die Mikrobearbeitung entwickeln.

Schon heute sehen die Projektpartner eine Vielzahl von möglichen Anwendungen. Für die Mikrofluidik lassen sich nicht nur Kanäle im Volumen erzeugen sondern auch Düsen und andere Mikrobauteile.

Auch für Bohr- und Schneidprozesse bietet das Verfahren einige Vorteile. Das Ätzen erlaubt dabei einen spannungsfreien Materialabtrag und ist somit für die Herstellung von Interposer-Strukturen in der Halbleitertechnik geeignet. Dabei sind Strukturen unter 10 µm möglich.