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Glas in der Mikrotechnik
Glas in der Mikrotechnik Autor/-in/-en: Ulrike Brokmann, Dagmar Hülsenberg TU Ilmenau, Fachgebiet Glas- und Keramiktechnologie Mike Stubenrauch, Martin Hoffmann TU Ilmenau, Fachgebiet Mikromechanische Systeme Layout: Ilona Hirt TU Ilmenau, Fachgebiet Mikromechanische Systeme Juni 2006 © Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Diese Unterlagen wurden mit großer Sorgfalt erstellt und geprüft. Trotzdem können Fehler nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Der Autor/ Die Autorin /Die Autoren kann/können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Erarbeitet im Rahmen des Projektes „Microteaching – Modulare Lehr- und Lernangebote für eine zeitnahe, bedarfsgerechte und gezielte Weiterbildung“ im Rahmen des EU-Programms LEONARDO DA VINCI, Laufzeit 2004 - 2007 Gefördert aus Mitteln der EU Koordinator des Teilprojektes in Thüringen: BWAW Bildungswerk für berufsbezogene Aus- und Weiterbildung Thüringen gGmbH Peter-Cornelius-Straße 12, 99096 Erfurt; Tel: 0361 601460; Fax: 0361 6014612; E-Mail: [email protected] Glas in der Mikrotechnik Inhalt Werkstoffliche Grundlagen •Charakteristik des Glaszustandes •Struktur der Gläser •Herstellung •Ausgewählte Formgebungsverfahren •Spezifikationen Ausgewählte Oberflächenmodifizierungen •Reinigung •Beschichtung •Ionenaustausch Mikrostrukturierung •Nasschemisches Ätzen •Trockenätzverfahren •Mechanische Verfahren •Laserbearbeitung •Fotostrukturierung Fügen •Thermisches Bonden •Mikrogalvanik Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Werkstoffliche Grundlagen Charakteristik des Glaszustandes Struktur der Gläser Herstellung Ausgewählte Formgebungsverfahren Spezifikationen Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Charakteristik des Glaszustandes Glas ist ein nichtkristalliner Festkörper obwohl seine Struktur der einer Flüssigkeit ähnelt. In einer vereinfachten Vorstellung bilden die Glasbildner (meist SiO2) ein regellos zusammenhängendes Netzwerk, in dessen Lücken die anderen Inhaltsstoffe (Netzwerkwandler) eingebaut sind. Die Glasherstellung ist dadurch gekennzeichnet, dass die kristalline Struktur eines Rohstoffs durch Eintrag von Energie zerstört wird. Unter der Glasbildung versteht man einen kinetisch kontrollierten Prozess, bei dem eine Schmelze, verbunden mit einer Zunahme der Viskosität, schnell abkühlt, ohne zu kristallisieren. Im Gegensatz zu kristallinen Stoffen, bei denen eine sprunghafte Änderung der Viskosität und auch aller anderen Eigenschaften bei der Schmelztemperatur eintritt, ist bei Gläsern der Übergang vom festen in den flüssigen Zustand (und umgekehrt) allmählich. Im Transformationsbereich liegen viskoses Fließen und spröd-elastisches Verhalten gleichberechtigt nebeneinander vor. Im Transformationsbereich ändern sich die Eigenschaften schneller als bei Temperaturen außerhalb dieses Bereiches. Die Herstellungsstufen von Glas lassen sich eindeutig Viskositätsbereichen zuordnen. Diese sind glasunabhängig. Jedoch die zugehörigen Temperaturen und Intervallbreiten ändern sich in Abhängigkeit von der Glaszusammensetzung. Temperaturabhängigkeit des spezifischen Volumens beim Übergang einer Schmelze zu einem Festkörper Viskositäts-Temperatur-Verlauf Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Charakteristik des Glaszustandes Beispiel: Temperaturabhängigkeit des spezifischen Volumens beim Übergang einer Schmelze zu einem Festkörper Amorphe Erstarrung einer Schmelze: Mit Abnahme der Temperatur erfolgt bei TS (Schmelztemperatur) keine Kristallisation. Bei weiterer Temperaturverringerung „unterkühlt“ die Schmelze. Der gestrichelte Bereich kennzeichnet metastabile thermodynamische Gleichgewichtszustände bis zu einer Temperatur Tg (Transformationstemperatur), ab der die Kurve parallel zu der des chemisch gleich zusammengesetzten Kristalls verläuft. Die Schmelze geht in den mechanisch festen Glaszustand über. Ursache ist die steigende Viskosität beim Abkühlen. Dadurch erfolgt die Einstellung der zu jeder Temperatur gehörenden Flüssigkeitsstruktur mit dem Ziel der Gleichgewichtseinstellung immer langsamer. Ab Tg ist dies bei kontinuierlicher Abkühlung nicht mehr möglich. Die unterkühlte Schmelze geht in den Glaszustand über. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Charakteristik des Glaszustandes Die Viskosität oder innere Reibung stellt eine Stoffeigenschaft dar. Sie kennzeichnet das Verhalten eines Stoffes im stationären Zustand, bei Glas bei Raumtemperatur Einwirkung einer konstanten Kraft lg η = 18 bis 19 eine konstante Verformungsgeschwindigkeit aufzuweisen. Die Transformationsbereich (Kühlbereich) bevorzugt verwendete Einheit der Lg η = 14,7 Unterer Kühlpunkt dynamischen Viskosität ist nach Lg η = 13,3 Transformationspunkt DIN ISO 7884 dPa*s. Lg η = 13,2 Oberer Kühlpunkt Die Viskosität der Gläser ist von deren chemischer ZusammenVerarbeitungsbereich (Pressen, Ziehen, Blasen...) setzung abhängig. Einen starken lg η = 7,6 Erweichungspunkt (Littletonpunkt) Einfluss auf die Viskosität übt die lg η = 4 Verarbeitungspunkt Temperatur aus. Die entsprechenden Viskositäts-Temperatur-Kurven Schmelz- und Läuterbereich lg η = 1 – 2 Verarbeitung durch Gießen der Gläser besitzen einen grundsätzlich gleichen und charakteristiT [°C] schen Verlauf . Beispiel: Viskositäts-Temperatur-Verlauf lg η (η in dPas) 16 12 8 4 0 Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Struktur der Gläser Chemische Stoffe mit der Fähigkeit zur Netzwerkbildung heißen Glasbildner. In anorganischen Verbindungen sind dies hauptsächlich die Oxide des Si, B, P, Ge und As. O- Der vierfach negativ geladene SiO4-Tetraeder ist der grundlegende netzwerkbildende Baustein aller wirtschaftlich bedeutenden Silikatgläser Si Die amorphe Struktur eines Silikatglases ist durch ein ausschließlich nahgeordnetes Netzwerk bestehend aus SiO4-Tetraedern gekennzeichnet, zwischen denen die Fernordnung fehlt. Beispiel: Kieselglas (SiO2) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Struktur der Gläser Der Einbau von Metalloxiden, z.B. in Form von Alkali- und Erdalkalioxiden, in ein SiO2 Netzwerk führt zu unterschiedlichen Bindungszuständen der Sauerstoffionen. Die Silizium-Sauerstoff-Tetraeder sind über Sauerstoffbrücken miteinander verbunden und bilden das Netzwerk. Der Einbau von Netzwerkwandlerionen führt zur Ausbildung von Trennstellensauerstoffionen. Netzwerkwandlerion Wirkung der Netzwerkwandler: Trennstellensauerstoff - Auflockerung des Netzwerkes - Verminderung der Härte, Festigkeit und Erweichungstemperatur - Erhöhung der thermischen Dehnung - Zweiwertig positiv geladene Netzwerkwandler beeinflussen Grundstruktur weniger stark als einwertig positive geladene - Große Kationen weiten die Struktur stärker auf, sind aber selbst nicht so beweglich. Brückensauerstoff Netzwerkbildnerion Bsp.: Natriumsilikatglas Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Struktur der Gläser Glasarten: Die Einteilung der Gläser erfolgt u.a. nach dem chemischen Grundcharakter. Oxidische Ein- und Mehrkomponentengläser (Kieselglas, Boratglas, Phosphatglas) Nichtoxidische und nichtsilikatische Gläser (Fluoridglas, Chalkogenidglas) Silikatgläser (Alkali-Erdalkali-Silikatglas, Borosilikatglas, Bleisilikatglas) Inhalt reines Silikatglas SiO2 Zweikomponenten-Glas: SiO2 + Alkali- oder Erdalkalioxid Alkalioxide: Li2O, Na2O, K2O,... Erdalkalioxide: MgO, CaO, BaO,... Mehrkomponentenglas: Alkali-Erdalkali-Silikatglas Alkali- und Erdalkalioxide wie bei Zweikomponentenglas zusätzlich können noch enthalten sein: Al2O3, B2O3, PbO, ZnO, As2O3, TiO2, Sb2O3, ZrO2, FeO, La2O3, CeO2, CdO, u.s.w. Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Herstellung Glasrohstoffe Scherben Gemengeaufbereitung Eigenscherben, Fremdscherben aus Recycling Sand, Soda, Pottasche, Kalk, Dolomit, ... Glasschmelze Ziehen Blasen Pressen Floaten Gießen Walzen Schleudern Kühlen Schneiden, Bedrucken, Schleifen, Gravieren, Polieren, Ätzen, Verschmelzen, Bohren, Biegen, Verspiegeln, Beschichten, Facettieren •Rohre •Stäbe •Flachglas •Fasern Inhalt •Flaschen •Kristallglas •Gläser •Wirtschaftsglas •Laborglas •Brillenglas •Lampenglas •Kristallglas •Wirtschaftsglas Grundlagen •Flachglas •opt. Gläser •Fensterscheiben •Teleskop•Autoscheiben Spiegel •Spiegel •Möbelglas Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung •Profilglas •Bildschirme •Ornamentglas •Glaswolle •Drahtglas •Glasfasern Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ausgewählte Formgebungsverfahren Float-Verfahren Das Float-Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Flachglas und stellt eine Kombination aus Ziehen und Fließen dar. Es kann zur Herstellung von Substraten für Anwendungen in der Mikrotechnik eingesetzt werden. Beim „Floaten“ fließt das Glas aus der Schmelzwanne über einen Lippenstein bei ca. 1000°C auf ein Bad aus flüssigem Zinn auf, breitet sich auf diesem aus und erhält die gewünschte Feuerpolitur. Das Glasband kühlt sich kontinuierlich auf 600°C ab, wird vom Zinnbad abgehoben und dem Kühlofen zugeführt. Typische Dicken liegen im Bereich 3-5mm. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ausgewählte Formgebungsverfahren Top-Rolling Das Top-Rolling ist eine Erweiterung des Float-Verfahrens mit einer größeren Variationsbreite an herstellbaren Glasdicken (0,7-18mm). Die Einstellung der Glasdicke erfolgt über die Stauchung oder den Verzug des Glasbandes auf dem Zinnbad durch die definierte Winkelstellung der Top-Roller. Die hohe Qualität der Oberflächen und die geringen erzielbaren Dicken ermöglichen oft einen direkten Einsatz der Glasplatten für die Mikrotechnik (z.B. Borosilikatglas: Borofloat von Schott Jena) Problematisch im mikrotechnischen Sinne sind die hohen Schmelzleistungen der Anlagen (bis zu 800 Tonnen pro Tag), so dass ein Einsatz für Spezialgläser ausscheidet. Darüber hinaus muss das Zinnbad unter stark reduzierender Atmosphäre gefahren werden, wodurch Gläser mit Reduktionsempfindlichkeit nicht hergestellt werden können. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ausgewählte Formgebungsverfahren Down-Draw Verfahren Schmelzaggregat Arbeitswanne Das Down-Draw Verfahren ist ein sehr modernes Verfahren, das zur direkten Herstellung von Dünnglas angewendet wird. Bei diesem Verfahren wird das Glas aus der Arbeitswanne nach unten über eine Auslaufdüse abgezogen. Entsprechend dieser Vorgehensweise resultieren höchste Anforderungen an die Homogenität der Schmelze und der Temperatur insbesondere im Bereich der Ziehdüse. Ziehdüse Die herstellbaren Glasdicken liegen im Bereich 0,03 – 3,5mm. Glasabzug Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ausgewählte Formgebungsverfahren Fusion-Down-Draw Verfahren Das Fusion-Down-Draw Verfahren ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung extrem dünner Glasplatten. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass das Glas aus der Arbeitswanne in eine Überlaufrinne fließt, die beidseitig vom Glas umflossen wird. Das Glasband wird dann nach unten abgezogen. Da die Formgebung der Oberfläche ohne Werkzeug erfolgt, ist die Oberflächengüte der Glasplatten extrem hoch. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ausgewählte Formgebungsverfahren Nachverziehen von Glasplatten Glasplatte (2-4mm dick) Elektrisch beheizter Ofen Verzogenes Glasband Abzugseinrichtung Inhalt Grundlagen Beim Nachverziehen von Flachglas zur Herstellung von Dünnglas wird eine Glasscheibe von oben einem Ofen zugeführt und in diesem bis zur Viskosität, die ein Umformen gestattet, erwärmt. Von unten abgezogen. wird mit größerer Geschwindigkeit Die Glasdicke stellt sich in Abhängigkeit von Vorschub und Abziehgeschwindigkeit ein. Es sind Glasdicken kleiner als 100µm möglich. Das gleiche Verfahren kann zum Nachverziehen von runden oder profilierten Glashalbzeugen eingesetzt werden. Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Spezifikationen Für die Mikrotechnik sind aus Sicht der Anpassung thermischer Ausdehnungskoeffizienten, Temperaturstabilität von Eigenschaften und verfügbarer Mikrostrukturierungstechniken Kieselglas, Borosilikatgläser und fotostrukturierbare Spezialgläser von Bedeutung. Kieselglas ist ein Einkomponentenglas bestehend aus SiO2. Die technische Bedeutung beruht vor allem auf der geringen thermischen Dehnung, der hohen Temperaturbelastbarkeit (bis 1000°C) und der extremen UV-Durchlässigkeit. Borosilikatgläser zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen gegenüber anderen Silikatgläsern erhöhten Anteil SiO2 sowie bis zu 13 Masse% B2O3 besitzen. Charakteristisch ist eine hohe Beständigkeit gegen chemische Einwirkungen und Temperaturunterschiede. Deshalb finden sie überwiegend Anwendung in Bereichen der chemischen und pharmazeutischen Industrie oder als „feuerfestes“ Geschirr. Die Variationsbreite der chemischen Zusammensetzung ist sehr groß. Maßgeblich eigenschaftsbestimmend ist, wie die für die Glasschmelze geeigneten Borverbindungen mit den anderen Metalloxiden kombiniert sind. Fotostrukturierbare Spezialgläser gehören zur Gruppe der dotierten Lithium-Aluminium-Silikatgläser. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie infolge einer maskierten UV-Bestrahlung und anschließenden thermischen Behandlung basierend auf heterogener Keimbildung an den belichteten Bereichen partiell kristallisieren. Die kristallisierten Bereiche besitzen in verdünnter Flusssäure eine erhöhte Löslichkeit, sodass das Glas geometrisch mikrostrukturierbar ist. Kommerzielle einschlägige Gläser sind FOTURAN (Fa. Schott, Deutschland), PEG3 (Fa. Hoya, Japan) und FOTOFORM (Fa. Corning, USA, Produktion 1997 eingestellt). Am Fachgebiet für Glas- und Keramiktechnologie der TU Ilmenau wird zu Forschungszwecken mit einem eigens entwickelten fotostrukturierbaren Glas FS21 gearbeitet. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Spezifikationen Typische Glaszusammensetzungen Borosilikatgläser Komponente Gew.% SiO2 70 – 80 B2O3 7 – 13 Na2O, K2O 4–8 Al2O3 2–7 Weitere mögliche Oxide zur Eigenschaftsanpassung (chemische Stabilität, thermische Ausdehnung etc.) Inhalt Grundlagen ZnO, TiO2, Sb2O3 BaO, As2O3 Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Spezifikationen Typische Glaszusammensetzungen Fotostrukturierbare Gläser Masse % SiO2 Li2O Na2O K2 O Al2O3 ZnO Ag2O SnO Sb2O3 CeO2 Inhalt Grundlagen Foturan 79,1 9,6 1,7 3,69 4,16 1,01 0,06 < 0,01 0,51 0,03 Oberflächenmodifizierungen PEG3 80,3 10,4 < 0,1 3,57 4,82 0,49 0,01 < 0,01 0,23 0,01 FS21 74,29 11,61 2,74 4,16 7,2 0 0,12 0,07 0,4 0,03 Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Spezifikationen Eigenschaftsvergleich Eigenschaft Kieselglas Borosilikatgläser Fotostrukturierbare Gläser 1100°C 430 ≤ Tg ≤ 745 450 ≤ Tg ≤ 465 Thermischer Ausdehnungskoeffizient α [10-6 K- 1] 0,55 3,1 ≤ α ≤ 4,1 8,4 ≤ α ≤ 10,6 Dichte ζ [g/cm³] (25°C) 2,2 2,12 ≤ ζ ≤ 2,57 2, 34 ≤ ζ ≤ 2,37 E-Modul [kN/mm2] 66 44 ≤ E ≤ 79 74 ≤ E ≤ 81 Wasserbeständigkeit 1 1 bis 3 5 Säurebeständigkeit 1 1 bis 4 2 Laugenbeständigkeit 1 1 bis 3 2 nd 1,458 1,466 ≤ nd ≤ 1,534 1,511 ≤ nd ≤ 1,522 Dielektrizitätszahl ε (1MHz, 25°C) 3,78 4,3 ≤ ε ≤ 6,1 ~ 6,5 Tκ100 [°C] 600 215 ≤ Tκ100 ≤ 585 ~ 134 Transformationstemperatur Tg [°C] Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ausgewählte Oberflächenmodifizierungen Reinigung Beschichtung Ionenaustausch Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Reinigung Ziele Ursachen / Anwendung Entfernung von lose anhaftenden Teilchen Staub, Reste vom Polierprozess Entfernung von fest anhaftenden Substanzen als Folge des Polierprozesses Kitte, Lacke, abgeschiedene chemische Verbindungen, Korrosionsprodukte Herstellung von Oberflächen mit gewünschter optischer Qualität gute Transparenz Herstellung von Oberflächen mit guten Hafteigenschaften Korrosionsschutz, Verspiegelung, Reflexionsund Antireflexionsschichten, Verwendung als Substratmaterial Schutzfunktion zur Vermeidung einer fortschreitenden Oberflächenkorrosion Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Reinigung Problem: In der Regel unbekannte Zusammensetzung der Oberflächenverunreinigung Möglichkeiten: 1. Chemische Auflösung der Verunreinigung ohne Glasangriff 2. gleichmäßige Auflösung der Glasoberfläche, Verunreinigungen werden mit weggeschwemmt Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Reinigung Auswahl richtet sich nach: Inhalt Kriterium Eingrenzung Art der Verunreinigung Lose Partikel, anorganische Substanzen, organische Filme, Oberflächenwasser Glaszusammensetzung Silikatgläser Zweck der Reinigung Optische Transparenz, Vorbereitung für Beschichtungs- und Fügeprozesse Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Reinigung Flüssigphasen- und Dampfphasenreinigung Ziel: Methode: Entfernung von Staub und organischen / anorganischen Verunreinigungen Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck umströmen die zu reinigenden Proben Bemerkung: Lediglich die Reinigung mit organischen Lösungsmitteln erfolgt ohne chemischen Glasangriff. Inhalt Grundlagen Reinigungsmedium Einsatzbedingung Deionisiertes Wasser Flüssigphase, 25 – 100°C, in Kombination mit Ultraschall Konzentrierte Säuren: HNO3, H2SO4, HCl, HClO4, H3PO4, HCl+H2O2, H2SO4+K2Cr2O7 HF, NH4, HF2, NH4F Flüssigphase, 25-90°C Organische Säuren: Citronen-, Oxal-, Wein-, Adipin-, Essigsäure Wässrige Lösung, 25-100°C Alkalilaugen: KOH, NaOH, NH4OH Wässrige Lösung, 25-100°C Neutralsalzlösungen, Pufferlösungen Wässrige Phase, 25-100°C, verschiedene pH-Werte Seifenlösungen, Detergentien Wässrige Phase, 25-100°C, mit Ultraschall Organische Lösungsmittel Dampf- und Flüssigphase, mit Ultraschall Oberflächenmodifizierungen Verdünnte Lösung, 25°C Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Reinigung Physikalisch-chemische Methoden Grundtypen Methoden Stoßdesorption von Oberflächenatomen /molekülen Oberflächenpräparation durch Ionenbeschuß (Sputterverfahren) Chemische Reaktionen in Form der Oxidation von Kohlenwassererstoffen und Bildung gasförmiger Reaktionsprodukte anhaftender Festkörper Bestrahlung von Oberflächen (UV-, Röntgen, γ-Strahlung, Einsatz an Modellgläsern, bisher nur zu Forschungszwecken) Thermodesorption Erwärmung der Oberfläche durch auftreffende Ionen Reaktive Verfahren (Reaktives Plasmaätzen, Sauerstoffspezies zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen, F-, Cl-haltige Radikale zum Abtragen von SiO2, Si, Si3N etc. Oberflächenreaktionen infolge Rekonstruktion der Oberfläche unter Einfluss der Umgebung Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Beschichtung Ziel: Auftrag von Funktionsschichten (einige nm – einige µm Dicke) Physikalische Methoden Sputtern: Zerstäubung von Metallen, Legierungen oder Verbindungen durch Beschuss mit Argon-Ionen im Vakuum Aufdampfen: Thermische Verdampfung von Reinstoffen im Hochvakuum Ionenunterstützte Verfahren: Aufdampfen in Kombination mit Energieeintrag durch ionisiertes Argon Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Beschichtung Bedampfen Prinzip - Verdampfen von Metallen und Metalloxiden im Hochvakuum Verdampfungsquellen: - widerstands- oder induktionsbeheizte Tiegel - Elektronenstrahl-Verdampfer - Kondensation auf der Glasoberfläche Einsatzgebiete - optische Verspiegelungen - dichroitische Schichtsysteme Limitierungen - Dampfdrücke der Reinstoffe (Elemente) variieren sehr stark - nicht geeignet für Legierungen (stark unterschiedliche Dampfdrücke!) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Beschichtung Sputtern Prinzip - Zerstäubung von Metallen, Legierungen oder Verbindungen durch Beschuss mit Argon-Ionen im Vakuum; - Niederschlag des zerstäubten Materials auf dem Substrat Einsatzgebiete - geeignet für die Beschichtung mit Oxiden, Nitriden u.a. Verbindungen - hohe Abscheidraten durch Einsatz von Magnetron-Quellen möglich - hohe Argonionen-Dichte durch zusätzliche Magnetfelder - Durchlauf-Beschichtung von plattenförmigen Substraten möglich - Multi-Target-Anlagen erlauben die Abscheidung von viellagigen Schichten in Vakuumfolge, z. B. für schmalbandige optische Filter Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Beschichtung Hochrate-Magnetron-Sputtern Target Argon-Atom Argon-Ion B-Feld Elektron E-Feld Target-Atom Substrat Magnetron-Sputterprozess: - hohe Ar-Ionisationsrate durch Anreicherung von Elektronen im Magnetfeld („Magnetron-Effekt“: jedes Elektron kann mehrere Ar-Ionen generieren) - Target: wird durch Ionenbeschuss abgetragen Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Beschichtung Chemische Verfahren Gasphasen-Abscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) Prinzip - Abscheidung von Schichten aus gasförmigen Edukten - Reaktion durch thermische oder Plasma-Aktivierung nahe der Glasoberfläche - Vorzugsweise für funktionale Oberflächenschichten Plasma-Impuls-CVD (PI-CVD, Schott-Patent, speziell für komplexe Geometrien) - 1) Einbringen einer definierten Menge gasförmiger Ausgangsstoffe in den Reaktor - 2) kurzzeitige Zünden eines Plasmas Æ Abscheidung einer definierten Schicht - 3) Absaugen der Reaktionsprodukte - 4ff) ggf. Wiederholung für weitere Schichten / größere Schichtdicken - besonders geeignet für Hohlkörper Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ionenaustausch Das Ziel von Ionenaustauschprozessen ist die Modifizierung von Glasoberflächen gegenüber dem Glasvolumen z.B. zur Oberflächenverfestigung oder zur Brechzahländerung in mikrostrukturierten Glasbauteilen für die Gradientenoptik oder Lichtwellenleiterintegration. Ionenaustauschprozesse resultieren aus der Reaktion eines Elektrolyten (Schmelzen, Pasten, Gase, wässrige Lösungen) mit einer oxidischen Glasoberfläche auf Basis von Diffusionsprozessen. Prozessbestimmend sind: Art, Konzentration und Beweglichkeit der am Diffusionsprozess beteiligten Ionen, Temperatur-/Zeitregime, Kontaktverhältnisse zwischen den Medien, den Diffusionsprozess unterstützende Maßnahmen (z.B. elektrische Feldunterstützung) sowie die Glasstruktur. Aufgrund des einfachen apparativen Aufwandes und der preiswerten Realisierbarkeit erfolgt der Ionenaustausch häufig über Salzschmelzen als Ionenaustausch ca. 30K unterhalb der Transformationstemperatur des Glases. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Brechzahländerung Änderung der Dichte in Abhängigkeit vom Ionenradius und der Polarisierbarkeit der interdiffundierenden Netzwerkwandlerionen. Festigkeitserhöhung Erzeugung einer Oberflächendruckverspannung durch Eindiffusion von Alkaliionen mit großem Ionenradius. Die kleineren Ionen diffundieren entgegengesetzt in die Schmelze. Die druckverspannte Oberflächenschicht sollte etwas dicker als die Tiefe der zu schließenden Mikrorisse sein, d.h. 10 ... 20µm. Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Ionenaustausch Beispiel: Glasfeder mit integriertem Lichtwellenleiter Integrierter Lichtwellenleiter Behandlung der Glasbauteile in Salzschmelzen: Æ Diffusion von Ionen (KNO3, NaNO3) Empfänger 1,5240 1,523 refraction index Sender refraction index Æ Brechzahländerung 1,522 1,521 1,520 1,519 1,518 1,517 0 5 10 15 20 25 30 depth [µm] (0 = surface) Deformationssteg 1,5220 1,5200 refraction index of bulk glass 1,5180 1,5160 1,5140 1,5120 1,5100 1,5080 1,5060 0 10 20 30 40 50 60 70 Brechzahlprofile in Glasbauteilen (a: KNO3, 375 °C, 2 h; b: NaNO3, 380 °C, 2 h) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung 80 depth [µm] (0 = surface) Fügen Literatur 90 100 Glas in der Mikrotechnik Mikrostrukturierung Nasschemisches Ätzen Trockenätzverfahren Mechanische Verfahren Fotostrukturierung Laserbearbeitung Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mikrostrukturierung Mechanische Verfahren Einteilung Mikrobearbeitung von Glas, Geometrische Mikrostrukturierung (Bauteilherstellung) • • • • Schleifen, Fräsen, Bohren Ultraschallbearbeitung Partikelstrahlen Wasserstrahlen Kombinierte Verfahren • Fotostrukturierung Chemische Verfahren • Nassätzen • Trockenätzen Inhalt Grundlagen Laserverfahren • Direktes Abtragen • Laseraktivierte Prozesse Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Nasschemisches Ätzen Beim nasschemischen Ätzen von Glas erfolgt der Ätzabtrag, beginnend von der Oberfläche, in alle Richtungen gleichmäßig (isotrop), da es keine Kristallorientierungen mit unterschiedlichen Ätzraten gibt. Prozessschritte Beispiel: geätzte Näpfchen in Borosilikatglas Glasbauteil Beschichtung mit Metallschicht Beschichtung mit Fotolack Maskierte Belichtung Resiststrukturierung: Entwickeln, Ätzen Beispiel: geätzte Kanalkreuzung in Borosilikatglas Strukturübertragung in Metallschicht z.B. Reaktives Ionenätzen Entfernen der Lackschicht Strukturübertragung in Glas Isotropes Glasätzen Entfernen der Metallschicht Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Nasschemisches Ätzen Abtragsmechanismen von Glas in verschiedenen Medien Laugenangriff Säurenangriff HF-Angriff OH-Gruppen setzen sich im Netzwerk an die Stellen der Brückensauerstoffe. SiO4-Tetraeder werden isoliert. Das Netzwerk wird aufgelöst. Die Zeitkonstanten sind wesentlich höher als bei HFAngriff. Wasserangriff ist analog zu verstehen. Er erfolgt nur wesentlich langsamer. Durch einen Austauschprozess werden vorwiegend ein(und zweiwertige) Kationen aus der Oberfläche herausgelöst. Die resultierende SiO2 - reiche Schicht schützt das darunter liegende Glas in zunehmendem Maße vor weiterem Angriff. Der Prozess ist diffusionskontrolliert. Fluorionen können die Brückensauerstoffe im Netzwerk ersetzen. Entsprechend der Reaktionsgleichungen: SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O SiF4 + 2HF → H2SiF6 wird das Glasnetzwerk vollständig gelöst. Es entsteht Hexafluorkieselsäure als Reaktionsprodukt. Wasserlöslich: NaF, Wasserunlöslich: KF Δm ~ t Δm ~ √t Δm ~ t Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Trockenchemisches Ätzen Reaktives Ionen-Ätzen (RIE) Reaktionsgase (fluor- und/oder chlorhaltige Gase) ≈ + - Plasma + + + - - - - - - - - - - - - - - + - Vakuum, Reaktionsprodukte Voraussetzung: alle Reaktionsprodukte sind bei Raumtemperatur oder geringfügig höherer Temperatur gasförmig! Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Trockenchemisches Ätzen Abtragsmechanismen mittels Plasma-unterstützten chemischen Verfahren Voraussetzung alle Glasbestandteile bilden flüchtige Reaktionsprodukte mit den eingesetzten Ätzgasen unproblematische Glasbestandteile: - Silicium, Bor, Phosphor (bilden flüchtige Reaktionsprodukte mit fluorhaltigen Ätzgasen) problematische Bestandteile in Gläsern: - Aluminium (erfordert chlorhaltige Ätzgase) - Alkali- und Erdalkali-Metalle (können nur duch Argon-Zusatz entfernt werden) FAZIT Das chemisch unterstützte Trockenätzen von Glas ist fast ausschließlich für Si-basierte Gläser ohne Aluminium- oder Erdalkali- bzw. Alkali-Metall-Zusatz anwendbar. Der Eintrag von konventionellen Gläsern in Anlagen für Halbleiterprozesse ist aus Kontaminationsgründen nicht möglich. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Trockenchemisches Ätzen Abtragsmechanismen mittels Plasma-unterstützten physikalischen Verfahren gemeinsames Prinzip mechanischer Abtrag durch Ionenbeschuss, zumeist Argon- oder Gallium-Ionen Inverses Sputtern • Zerstäuben der Substratoberfläche statt des Targets • abgetragenes Material bleibt in der Prozesskammer zurück • geringe Selektivität zu Maskierungen (Fotolack, Metallen) Ionenstrahl-Ätzen • Abtrag durch einen beschleunigten, gerichteten Argon-Ionenstrahl • ähnlich wie Inverses Sputtern, jedoch höhere Richtungsanisotropie Fokussierte Ionenstrahlätzung (FIB – Focussed Ion Beam) • Abtrag durch einen mittels elektromagnetischer Optik fokussierten Gallium-Ionenstrahl mit wenigen Mikrometern Durchmesser • nur für die lokal begrenzte Strukturierung (z.B. zu Analysezwecken) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Trockenchemisches Ätzen Physikalische Verfahren Ionen-Strahl-Ätzen (Ion Beam Etching) Ar-Ionen zu ätzendes Substrat Ionenquelle abgetragene Substrat-Atome - abgetragenes Material schlägt sich in der Ätzkammer nieder - Selektivität ist gering - Anisotropie ist hoch (Abtrag in Richtung der Ionenstrahl-Richtung) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Drehen Schleifen Scheiben Gräben, Säulen Inhalt Grundlagen Drähte Stifte Komplexstrukturen Oberflächenmodifizierungen Einzeldiamanten Flächen, Nuten Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Besonderheiten schleifender Verfahren Drehzahl Anpassung technologischer Prozesse mit dem Ziel, notwendige Schnittgeschwindigkeiten bei Schleifstiften mit minimalen Durchmessern (< 100µm) zu erreichen. Präzisionsanforderungen (Fertigung von 5µm Strukturen) Notwendige Positionsauflösung ~0,1µm, Notwendige Wiederholungsgenauigkeiten ~1µm, Entwicklung von Mikrowerkzeugmaschinen als Alternative zu konventionellen Maschinen und Ultrapräzisionsmaschinen Werkzeuge Diamant als Schneidwerkstoff erforderlich Schleifscheiben Reduzierung der Schleifscheibendicke zieht drastische Reduzierung der Diamantkorngrößen nach sich. Anwendung: Dicing-Technologie, Schleifnuten von 15µm Breite und 500µm Tiefe sind herstellbar Schleifstifte Durchmesser bis zu 30µm herstellbar, Körnung >0,5µm Ultraschallunterstützung (optional möglich) Normaler kinetischer Prozess des Schleifens ist durch eine Ultraschall-Vibration überlagert (Frequenz: 20kHz, Amplitude µm-Bereich). Stabilerer Abtragsprozess, Geringere Substratbelastung (thermisch und mechanisch) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Mikrodrahtsägen Eine Alternative zu den Prozessen mit rotierenden Werkzeugen ist das Mikrodrahtsägen. Bei diesem Verfahren wird ein Draht, der mit dem Schneidmittel beschichtet ist, von einer Rolle auf eine andere gewickelt und befindet sich dabei im Eingriff mit dem Werkstück. Auf diese Weise lassen sich Nuten oder Form-körper mit zweidimensional strukturierter Geometrie erzeugen. Quelle: well Drahtsägen GmbH Drahtdurchmesser zwischen 700 µm und 130 µm mit Diamantkörnungen im Bereich von 10 µm bis 60 µm kommen standardmäßig zum Einsatz. Spezialdrähte reichen bis zu 60 µm Drahtdurchmessern. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Zur Glasbearbeitung oft Ultraschallunterstützung Werkstück Werkzeug vc AUS Beispiele für Glasspäne (Quelle: IPT Aachen) Bedingungen • Extreme Maschinenanforderungen (Drehzahlen) • In der Regel nur Diamantwerkzeuge (monokristallin, polykristallin, CVD-Schicht) • Sehr geringe Eingriffstiefen Æ Flächen mit geringer Rauheit Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren HF Generator Schallwandler Sonotrode z-Achse Werkzeug Grundlagen • Suspension mit losem Korn (5 bis 80 µm) im Spalt zwischen WZ und WS • WZ schwingt mit US-Frequenz (20 kHz, 10 bis 40 µm, longitudinal) Probe • Werkzeugbewegung Æ Stoß auf Körner Æ Abtrag Suspensionssystem • Abtragsleistung stark abhängig von Bruchzähigkeit Anlagenschema Inhalt Ultraschallbearbeitung Prinzip: Oberflächenmodifizierungen • Systemabstimmung erforderlich, Werkzeugverschleiß beachten Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Ultraschallbearbeitung Ultraschall amplitude Werkzeug Korn Probe Strukturierungsbeispiel (Quelle: IPT Aachen) Direkter Stoß Indirekter Stoß Stoßprozesse im Arbeitsspalt Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Partikelstrahlen Strahlmittel Abtragsprinzip • meist Al2O3 ca. 30 µm • auch SiC, Glaspulver, WC, SiO2 Impuls Lateralrisse Longitudinalrisse • im Luftstrahl beschleunigt bis 200 m/s • Stoßenergie als bestimmender Parameter Deformationszone Beispielgeometrien (Quellen: LTF-GmbH, micronit) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Technische Parameter - Strahlmittel (Al2O3, SiC, Glas, Körnung 10 bis 80 µm, Kornform), - Luftdruck p (2 bis 8 bar), - Düsendurchmesser d (0,1 bis 0,8mm), - Düsenabstand a (0,25 bis 25 mm), - Strahlwinkel ß zwischen Düse und Substratoberfläche, - Vorschubgeschwindigkeit der Düse (0,5 bis 10 mm/s). - Abrasivstrahlen: Freistrahlen 1. Glassubstrat Strahlgerät Vorteile: Geringe Investitionskosten (erträgliche Maschinenkosten, kein Reinraum) geringer Wartungsaufwand für unterschiedlichste Materialien geeignet kaum thermische Belastung des Werkstücks höhere Abtragsraten verglichen mit Trockenätzverfahren höhere Anisotropie verglichen mit isotropen Ätzverfahren Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen y x 2. Partikelstrahlen Substratpositionierung Partikelstrahl Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Besonderheiten: • Maske auf Substrat • Düsendurchmesser 6 bis 10 mm (Borkarbid, Hartmetalle) • Substrat mit Maske wird abgerastert • Zweiseitenbearbeitung möglich (justierte Zweitmaske) • Strukturwinkel: 70 und 86 ° • Oberflächenrauheiten: 1 bis 5 µm • Kleinste Strukturen: 50 µm ... 200 µm • Toleranzen: ± 30 µm • Aspektverhältnis: 1:3 Vorteile: • Parallele Fertigung von mehreren Strukturen • Komplexes Design möglich • Hohe Abtragsraten (bis 1 mm/min, optimiert auf Abtrag) Abrasivstrahlen: Maskenverfahren Glassubstrat Substratmaskierung Düse y x Sandstrahlen Partikelstrahl Strahlmittel: • SiC-, Al2O3-Körnung (180 ... 70 ... 30 ... 9 ... 3 µm) • Bei sehr feinem Korn höhere Oberflächenqualität, aber Problem der Impulsübertragung (Abtragsrate) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Entfernung der Maske Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Wasserstrahlen Mechanische Verfahren Technische Parameter: Arbeitsdruck: 4000 bar Düsendurchmesser: 0,1 – 0,4 mm Geschwindigkeiten: bis 900 m/s Materialdicken: je nach Materialart 0,5 mm bis 100 mm Teilegrößen: bis mehrere m² Rauheiten: Präzisionsbearbeitung Rz 1 Winkelabweichungen: 0,5 – 1° Toleranzen: im 1/10 mm Bereich, (Präzisionsbearbeitung 0,05 mm) Mindest-Stegbreiten: je nach Materialdicke 0,2 mm bis 1,0 mm Mindest-Schlitzbreiten: je nach Materialdicke und - art 0,2 mm bis 1,0 mm Inhalt Grundlagen Beim Wasserstrahlschneiden wird ein Wasserstrahl (ggf. partikelhaltig) durch eine Düse auf eine Substratoberfläche gerichtet. Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mechanische Verfahren Wasserstrahlen Vorteile Nachteile ¾Staubfreiheit, da die beim Schneiden entstehenden Abtragspartikel sofort vom Wasserstrahl gebunden und abtransportiert werden ¾ hohe technologische Anforderungen an die Hochdruckteile der Anlage ¾keine mechanische und thermische Schädigung der Schneidkanten ¾ hohe Investitionskosten für die Anlage ¾ verfahrensbedingte Konizität der Schnittkante ¾kein Werkzeugverschleiß, außer Düsenverschleiß ¾ Riefenbildung an der Schnittkante bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten ¾gute Materialausnutzung, kleiner Schneidspalt ¾es lassen sich beliebige Konturen schneiden (sehr kleine Radien möglich), Schnitt kann an jeder beliebigen Stelle beginnen und enden ¾ Korrosionsgefahr für die Bauteile ¾es kann sowohl in explosionsgefährdeter Umgebung als auch unter Wasser geschnitten werden ¾das Werkzeug braucht nicht gereinigt zu werden, daher auch zum Schneiden klebriger Stoffe geeignet ¾Es können auch Mehrlagensysteme und Verbundwerkstoffe getrennt werden (z.B. Verbundglasscheiben) Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Fotostrukturierung 1 Glassubstrat Prozess Schleifen und Polieren Maskierung und Mask-AlignerBelichtung (UV-Strahlung) 2 Belichtung Bildung von Ag-Atomen Ce 3+ Æ Ce 4+ + eAg + + e- Æ Ag 3 Tempern Keimbildung und partielle Kristallisation der belichteten Bereiche Lösen der kristallisierten Bereiche in Flusssäure 4 Ätzen Beispiele Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Fotostrukturierung Technische Parameter Material: fotostrukturierbares dotiertes Spezialglas, geschliffen und poliert Substrate (üblich): ∅ 10cm (0,3 –2mm dick ) Masken: lose Masken: mechanisch gefertigte Metallmasken für Maskenöffnungen >500µm, strukturierte Chrom/Kieselglas-Masken für überwiegend geringe Maskenöffnungen fest anhaftende Masken: fotolithographisch strukturierte Schichten (UVabsorbierend) Belichtung: paralleler Strahlengang, optimierte Belichtungsenergiedichte, abhängig von der Belichtungsquelle,UV-Strahlung: breitbandig emittierende Quecksilberdampfhöchstdrucklampe, XeCl-Excimerlampe, UV-Laserstrahlung Temperung: optimiertes Temperatur/Zeitregime einstufig oder zweistufig (450°C < T < 600°C) Unterlagen: Edelstahlplatten, Keramikplatten Nasschemisches Ätzen: Inhalt Grundlagen verdünnte Flusssäure (5% < cHF < 10%), Ultraschallunterstützung Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Fotostrukturierung Ätzverhalten partiell kristallisiertes Bauteil beidseitig geätzt einseitig geätzt Ätzratenverhältnis ca. 20/1 (partiell kristallisierte Bereiche / Glasbereiche) abhängig von werkstofflichen und technologischen Einflüssen Wandneigungswinkel ca. 2,5 ° (zur Normalenrichtung der Waferoberfläche) abhängig von werkstofflichen und technologischen Einflüssen Beispiele Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Fotostrukturierung Standardverfahren + einfache Prozessführung + hohe Prozessstabilität - geringe Flexibilität ® Federn ® Lochplatten ® Sensorteile Varianten Ätzabbruchverfahren + einfache Prozessführung + sehr feine Stege - geringe Flexibilität ® Fluidteile ® BIO-Chips Mehrfachbelichtungsverfahren ® Spulen ® Fluidbauteile + sehr feine Stege + komplexere Strukturen - hoher Prozessaufwand - Justiervorgang Modifizierte Maskentechnik ® Spulen + dreidimensionale Strukturen ® Fluidbauteile + geringer Prozessaufwand ® Komplexteile - hoher Maskenaufwand Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Fotostrukturierung Anwenderbauteile Mittelohrimplantat Mikrogreifer mit Spule Spulenausschnitt Messfeder Mikrogreifer Mikrokanal mit Substrukturen Ventilsitz Fluidiksystem Sauggreifer Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Federelement Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Laserbearbeitung Thermische Ablation Besonderheiten der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit Gläsern: Festgebundene Elektronen in den Oxiden führen zu grundsätzlichen Unterschieden der Absorption gegenüber den Metallen und Halbleitern. Es sind sehr hohe Photonenenergien notwendig, um die Valenzelektronen ins Leitungsband anzuregen. Silikate zeigen daher praktisch keine Absorption im spektralen Bereich zwischen 200 ... 2000 nm. Resonanzlinien (Asorptionskanten) befinden sich im ultravioletten und im fernen infraroten Bereich. Eine Bearbeitung ist somit im UV-Bereich mittels Excimerlaserstrahlung und im IR-Bereich mittels Nd:YAG- und CO2-Laserstrahlung möglich. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Laserbearbeitung Laser Abtragsraten Bemerkung VUV F2-Excimerlaser (λ = 157nm) 150 nm/Puls - Hoher Anteil an fotochemischem Materialabtrag - geringer Anteil an Schmelzablagerungen - großer Aufwand für Strahlformung/-führung - kleine Pulsenergien, deshalb keine Maskenprojektion möglich UV ArF-Excimerlaser (λ = 193nm) KrF-Excimerlaser (λ = 248nm) XeCl-Excimerlaser (λ = 308nm) >50nm/Puls - Erzeugung strukturgenauer Mikrostrukturen im Bereich einiger 10µm mit λ = 193nm in Borosilikatglas - mit steigender Laserwellenlänge Verschlechterung der Strukturgenauigkeit durch Mikrorisse und Muschelausbrüche VIS Kupferdampflaser (λ = 511nm, λ = 578nm) Farbstofflaser (λ = 625nm) 400nm/Puls (Kalk-NatronSilikatglas) - Materialabtrag durch große Pulsspitzenleistungen bei ultrakurzen Laserpulsen oder durch große mittlere Leistungen bei hohen Repetitionsraten erreicht - hoher Anteil an fotochemischem Materialabtrag, deshalb geringer Schmelzabtrag - in Kieselglas und Borosilikatglas Strukturen mit ∅ > 200 µm und Aspektverhältnissen 1:50 möglich - bisher nur zu Forschungszwecken eingesetzte Technik NIR Nd:YAG-Laserstrahlung (λ = 1064nm) CO2-Laserstrahlung (λ = 10,6µm) 2 –3µm/Puls - fotothermischer Materialabtrag - erhebliche Schmelzablagerungen und Mikrorisse beeinflussen Strukturgenauigkeiten Inhalt Grundlagen < 6µm/Puls Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Laserbearbeitung Bearbeitungsstrategien Punktförmig fokussierter Laserstrahl Strichförmig fokussierter Laserstrahl Laserstrahl Bearbeitete Fläche Maske Objektiv Substrat Lokalisierte Bearbeitung Großflächige Maskenprojektion Bearbeitung Prozessbestimmende Laserparameter: Wellenlänge der Laserstrahlung, Pulsenergie, Pulswiederholfrequenz, Pulsdauer, Strahldurchmesser, Laserstrahlprofil, Fokuslage Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung 500 µm Beispielstrukturen: Nd:YAG-Laser Borosilikatglas Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mikrostrukturierung - Vergleich Verfahren Schleifen (Scheibe) Minimale Details Aspektverhältnis Strukturierungsart 20 µm 20 seriell Bemerkungen Dicing Prozess Mittelohrimplantat Mikrogreifer mit Spule 20 seriell ultraschallunterstützt 250 µm 10 seriell / parallel Systemabstimmung Partikelstrahlen 100 µm 3 seriell / parallel Oberflächenqualität Laserabtrag 10 µm 20 seriell / parallel Fotostrukturierung 10 µm 20 parallel spezielles Glas Nasschemisches Ätzen (HF) 1 µm 0,5 parallel Maskierungsproblem Schleifen (Stifte) 100 µm US-Bearbeitung Sauggreifer Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Ventilsitz Federelement Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Fügen Mittelohrimplantat Spulenausschnitt Mikrogreifer mit Spule Thermisches Bonden Mikrogalvanik Mikrogreife Ventilsitz Sauggreifer Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Federelement Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Thermisches Bonden Bei thermischen Bonden werden die Fügepartner unter Druck und Temperatureinwirkung derart behandelt, dass es zu einer Verbindungsbildung kommt. Wesentliche Prozessparameter sind Temperatur, Druck und Fügezeit sowie Beschaffenheit (Rauheit, Verwölbung) der Oberflächen. Verbesserte Oberflächenqualität begünstigt die Verbindungsbildung. Mit steigender Temperatur, mit steigendem Druck und mit längeren Fügezeiten ergeben sich bessere (stabiler und dichter) Verbindungen. Gleichzeit steigt aber auch der Verformungsgrad des Gesamtbauteils. Bei selektiver Druckbeaufschlagung ist ein selektives Fügen möglich. Der Fügevorgang ist ein Optimierungsproblem bezüglich Zeit, Stabilität der Verbindung und Verformung. Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Prinzip Beispiel: Frei bewegliche Federstruktur Technische Parameter: Temperatur: Druck: Zeit: Mikrostrukturierung 450°C < 525 < 550°C 0,005 < 0,05 < 0,2 MPa 30 < 120 < 1000min Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Mikrogalvanik Galvaniktechnologien können zum Ausfüllen von strukturierten Substraten (Durchkontaktierungen, Leiterbahnen), zur Verstärkung von Dünnschichten (Leiterbahnen) und zur Herstellung von Masken angewendet werden. Zum Ausfüllen von strukturierten Substraten müssen diese mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen werden. Das Ausfüllen beginnt an dieser Schicht und wird im allgemeinen nach dem vollständigen Ausfüllen der Struktur abgebrochen. Danach muss normalerweise mechanisch nachbearbeitet werden. Besonders kritisch im Bereich der Mikrotechnik ist die Ausfüllung der Strukturen. Es werden Elektrolyte mit hohen Netzmittelkonzentrationen und guter Makro- sowie Mikrostreufähigkeit eingesetzt. Die Abscheidebedingungen z. B. Stromdichte werden an die Geometrien angepasst. Inhalt Grundlagen Prinzip des Füllens von durchgehenden Strukturen Tiefenstrukturen Ausgangsbauteil Kontaktierung Galvanikprozess Nachbearbeitung Beispiel: Leiterbahnen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Beispiel: Durchkontaktierungen Fügen Literatur Glas in der Mikrotechnik Literatur • • • • • • • • • • • • • • • • • • • H. A. Schäfer: Allgemeine Technologie des Glases. Sonderdruck DGG, 1999 H. H. Dunken: Physikalische Chemie der Glasoberfläche. VEB Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig, 1981 H. K. Pulker: Coatings on Glass. ELSEVIER, 1999 A.P. Legrand: The Surface Proprties of Silicas. John Wiley & Sons Ltd., 1998 A. Harnisch: Beitrag zur Entwicklung von Herstellungstechnologien für komplexe Bauteile aus mikrostrukturiertem Glas. Dissertation TU Ilmenau, Shaker Verlag, 1998 W. Vogel: Glaschemie. Springer-Verlag, 1992 H. Scholze: Glas-Natur, Struktur und Eigenschaften, Springer-Verlag, 1988 C. Buerhop: Glasbearbeitung mit Hochleistungslasern. Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, 1994 G. Nölle: Technik der Glasherstellung. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1997 H.Baumgart: Diffusionsmodifiziertes fotosensibles Glas - Gefügeuntersuchungen und Tiefenstrukturierung. Dissertationsschrift, Technische Universität Karlsruhe, 1998 Anja Ehrhardt: Beitrag zur Entwicklung fotostrukturierbarer Gläsern und Glaskeramiken mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Technische Universität Ilmenau, Dissertationsschrift TU Ilmenau, 1999 U. Brokmann: Beitrag zur Mikrostrukturierung von fotostrukturierbarem Glas mittels UV-Laserstrahlung. Dissertation TU Ilmenau, 2005 S. Mrotzek: Kristallisation eines UV-strukturierbaren Glases im System Li2O-Al2O3-SiO2. Dissertation TU Ilmenau, 2005 M. Jacquorie: Mikrostrukturierung von Glas mittels Excimerlaserstrahlung für die Mikroreaktionstechnologie. Dissertation RWTH Aachen, Shaker Verlag Aachen, 2001 S. Hecht-Mijic: Brechzahländerung durch Ionenaustausch in strukturierten Glasbauteilen. Dissertation TU Ilmenau, 2003 Salim, R.; Harnisch, A.; Wurmus , H.; Hülsenberg, D.: Microgrippers created in microstructurable glass. Microsystem Technologies 4 (1997) 1, December 1997 Harnisch, A.; Hülsenberg, D.; Feindt, K.; Kallenbach, E.; Töpfer, H.; Mollenhauer, O.; Lösche, S.; Hartleb, M.: Anwendungen von mikrostrukturierbaren Gläsern. S. 377 – 382 In: Kempter, K.; Haußelt, J.: Werkstoffwoche 98, Band 1, Symposium 1 Werkstoffe für die Informationstechnik, Symposium 12 Mikrosystemtechnik, Wiley-VCH 1999 Hecht-Mijic, S.; Harnisch, A.; Hülsenberg, D.; Mollenhauer, O.: Optical waveguides based on refractive index decrease in glass parts of a photosensitive microstructurable glass. Summer School of Photosensitivity in Optical Waveguides and Glasses, Saint-Petersburg, Juni 2002, Proceedings pp. 91 – 93 Brokmann, U.; Jacquorie, M.; Talkenberg, M.; Harnisch, A.; Kreutz, E.-W.; Hülsenberg, D.; Poprawe, R.: Exposure of photosensitive glasses with pulsed UV-Laser radiation. Microsystem Technologies 8 (2002) 2-3, pp. 102-104 Inhalt Grundlagen Oberflächenmodifizierungen Mikrostrukturierung Fügen Literatur
