Universität Karlsruhe (TH)

Optische Systeme

Martina Gerken07.01.2008

10.2

Inhalte der Vorlesung1. Grundlagen der Wellenoptik2. Abbildende optische Systeme3. Optische Messtechnik4. Optische Materialbearbeitung

4.1 Direkte Materialbearbeitung mit Lasern4.2 Optische Lithographie

5. Optik in der Datenspeicherung6. Mikro- und Nanooptische Systeme

10.3

Vorteile der optischen Materialbearbeitung• Licht als Werkzeug anstelle mechanisch orientierter Fertigungsprozesse

– Hohe Präzision– Hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten (typisch 10 m/min)– Hohe Prozessflexibilität (gegenüber Stanzen auch kleine Losgrößen

rentabel)– Keine Abnutzung

• Laserlicht zur Materialbearbeitung insbesondere geeignet– Gute Fokussierbarkeit ermöglicht gezielte Ausbildung von

Wärmeeinflusszonen– Gute Fokussierbarkeit ermöglicht Erzeugung präziser Mikrostrukturen – Kurze Lichtpulse ermöglichen energiearme und hochgenaue Bearbeitung

auch thermisch empfindlicher Materialien

10.4

| 1>

| 2>Laserstrahl

Spiegel Spiegel

Energiepumpe

Leuchtendes Material

LASING

Was ist ein Laser ?

Abb. Laserschema

10.5

Wirtschaftliche Bedeutung von Lasern

-größter Umsatz mit Halbleiterlaserdioden

-Einbruch aufgrund des Einbruches des Telekom-Marktes

- Erholung des Marktes seit 2003

10.6

10.7...etwas andere Geschäftsfelder für die Nicht-Halbleiterlaser

10.8

...und um welche Laser handelt es sich ?

10.9 10.10

Halbleiterlaserdioden: Der Kantenemitter

Abb. : Schema eines kantenemittierenden GaAs-Halbleiterlasers

Im Prinzip: anorganische Leuchtdiode mit Resonator

10.11 10.12

Schematischer Aufbau eines Gaslasers

-Anregung von Atomen durchGasentladung

-ggf. Übertragung der Energie auf Gastatome

10.13 10.14

Der erste Typ Gaslaser: HeNe

Typischer Betrieb eines HeNe-Lasers:

He:Ne-Verhältnis = 5:1Gleichstromentladung: 10-20 mA, 3kVFülldruck: 1,3 mbarStösse 2. Art:

relevant als Justierlaser, Laser für die Messtechnik, Entertainment (…aber Verdrängung durch Festkörperlaser )

10.15 10.16

Das Arbeitspferd der Materialbearbeitung: CO2-Laser

10.17

Geströmter Hochleistungs-CO2-Lasers• Funktionsprinzip

Quelle: de.wikipedia.org

10.18

Quelle: Prof. Emmelmann, TUHH

Laserparameter: Strahlqualität

10.19

Materialbearbeitung mit Lasern10.20

Materialbearbeitung mit Lasern

10.21

Quelle: Industrial Laser Solution 2006

Marktaufteilung nach Anwendungen

Gesamtmarkt 2005: 2.3 109 $

10.22

10.23 10.24Laserschweißen

10.25

0.5 Mio. €1.8 Mio. €Ein 30 kW-Laser

Laserschweißen CO2-Lasern10.26

10.27Laserschneiden

10.28Lasermarkieren

10.29

Laserbohren• Insbesondere interessant für harte Materialien, kleine Bohrungsdurchmesser

und bei Bohrungen unter einem Winkel

Quelle: Industrial Laser Solution 2004

Drilling a connecting rod Lubrication hole in a camshaft, depth 12 mm, diameter 0.8 mm, drillingtime 9 seconds.

Cooling drill hole in a turbine blade, thickness2.5 mm, diameter 0.6 mm, 45°, drilling time 2.3 seconds.

10.30

Hohe Aspektverhältnisse durch Lichtleitung• Wasserstrahl als Lichtleiter erlaubt hohe Aspektverhältnisse und Kühlung• Mit Laserlicht können auch sehr harte Materialien wie kubisches Bornitrid

(cBN) gebohrt werden

Quelle: Industrial Laser Solutions 2007

10.31

Axicon-Linsen• Axicon-Linse formt Gaußstrahl in ringförmigen Strahl (Besselstrahl) um

– Besselstrahl ist (fast) beugungfrei– Hohe Schärfentiefe möglich

Quelle: D. Zeng, W. P. Latham, and A. Kar, Opt. Eng. 45, 1, p. 14301-1 (2006).

Experiment

10.32

Strahlprofil nach Axicon-Linse

Quelle: Industrial Laser Solutions 2007

Experiment Theorie

10.33 10.34

10.35 10.36

10.37

This series is designed for high throughput and high duty-cycleindustrial production applications:

Simultaneous Drilling of PCB Boards or Thousands of InkjetNozzles

Car Cylinder Treatment

Large Area Annealing of FlatPanel Displays (Sequential Lateral Solidification or TFT annealing)

LambdaPhysik, Göttingen

...zukünftige Lithographie

10.38

10.39

Pumpschema Nd:YAG-Laser

Ein Nd:YAG-Kristall

10.40

10.41 10.42

Materialbearbeitung mit Diodenlasern

..vom einzelnen Laser zum Barren

10.43

...aber Strahlqualität ist ein Problem

10.44

10.45

Pumpgeometrie

10.46

Vergleich verschiedener Technologien

Faserlaser stellen eineneue Technologie mit potentiell besseren Eigenschaften dar.

10.47

Diode stack@ 975 nmSignal output

83 W @ 1552 nm

Double-clad Er/Yb-dopedfiber (4 m,

26 µm core)

HT @ 975 nm, 1 µmHR @ 1.5 µm

1 µm HT @ 975 nmHR @ 1 µm

SplicePre-

amplifier 1Polarization Controller

Pre-amplifier2 (SPI)

10 mW4 mW63 mW2 W Fiber DFBlaser

(1552 nm)

Single frequencyM2 = 1.7No Brillouin!No 1060 nm!

Faserlaser10.48

Fiber laser technology continues to advance with power levels soon to be available commercially to 100 kilowattsand beyond. Laser beam quality will improve by a factor of three over current levels and single-mode laser power will be increased from the current 2kW levels to 3 kW. Kilowatt-class lasers will be available at 1.54 µm, offering higherbeam transmission through fibers at much longer distances.

Quelle: Industrial Laser Solutions 2006

10.49

Lasertechnik ist auch ein deutsches Geschäft: z.B. Rofin Sinar10.50

z.B. Trumpf Lasertechnik

10.51 10.52

Inhalte der Vorlesung1. Grundlagen der Wellenoptik2. Abbildende optische Systeme3. Optische Messtechnik4. Optische Materialbearbeitung

4.1 Direkte Materialbearbeitung mit Lasern4.2 Optische Lithographie

5. Optik in der Datenspeicherung6. Mikro- und Nanooptische Systeme

10.53

Was ist optische Lithographie?

Auslösen einer chemischen Reaktion bei Beleuchtung von definierten räumlichen Bereichen.

Photochemie, Lacke

Lichtquelle, kurze Wellenlängen

Optisches System, Maske und Abbildung, Simulation

10.54

Beispielablauf der Fotolithografie

Quelle: de.wikipedia.org

10.55

Anwendungsfelder

Mikrosystemtechnik

Mikroheizung

Mikrospiegel

Halbleitertechnologie

Quelle: de.wikipedia.orgwww.intel.com

Intel 45nm processor die

Intel 45nm processor wafer

10.56

Motivation für neue optische Lithographiesysteme

Herstellung kleinerer Strukturen auf größeren Wafern

10.57

Positiver und negativer Lack

„Zerhacken von Kohlenstoffketten“ führt zu erhöhter Löslichkeit im Entwickler

„Zerhackte Kohlenstoffketten“verklumpen beim Postbake und lassen sich schwerer lösen im Entwickler

10.58

Einflussparameter

Parameter:•Wellenlänge•Belichtungszeit•Belichtungsintensität•Belichtungsdosis•Pre- und Postbakezeiten•Pre- und Postbaketemperaturen•Entwicklungszeit

10.59

Belichtungsprinzipien10.60

Auflösungsvermögen (Minimum feature size)

λdMFS =

NA – Numerische Aperturk – Technologiekonstante

typisch 0.5 - 0.9

• Kontaktbelichtung:

• Proximitybelichtung: ( )λgdMFS +=

• Projektionsbelichtung:NAλkMFS =

Beugung ist limitierend

d – Lackdickeλ – Wellenlängeg – proximity gap

10.61

Belichtungsprinzip Projektionsbelichter

•Photomaske wird (verkleinert) auf den Wafer abgebildet.•Bildbereiche werden schrittweise belichtet (Wafer-Stepper).

10.62

Aufbau eines Wafer-Steppers

10.63

Linsensysteme in Wafer-Steppern

NA=0,38

λ=405nm

5 x Reduktion

NA=0,42

λ=365nm

5 x Reduktion

10.64

Übersicht Stepper-Optiken

10.65

Vergleich der Strukturgrößen und Belichtungswellenlängen10.66

Litho-Tricks: Phasenmasken

Normale (binäre) Maske Phase Shifted Maske

10.67

Litho-Tricks: Off-axis Belichtung10.68

Litho-Tricks: Immersion in Wasser (Splash and Flash)

min 0,61sin

xnλθ

=⋅

Verbesserung der Auflösung durch Immersion(Brechzahl von Wasser ~1,45@200nm)

Probleme:•Brechzahl ist temperaturabhängig•Brechzahl hängt stark von der Wasserqualität ab

2005 kommerziell eingeführt

10.69

Litho-Tricks: Vielfach-Belichtung

Probleme:•Anforderung an Justage ist extrem•Design ist schwierig

UND-Verknüpfung von Bereichen

10.70

Litho-Tricks: Bessere Definition von Kanten

„Proximity“-Korrektur des gewünschten Designs wesentlich

10.71

Probleme mit Rückreflexion

An einer einfachen Grenzschicht Lack-Wafer kommt es zu Rückreflexionen und damit stehenden Wellen

Abhilfe z.B. durch Antireflexschicht

10.72

Fragensammlung• Welche Vorteile bietet die optische Materialbearbeitung?• Warum kommen für die optische Materialbearbeitung insbesondere Laser

zum Einsatz?• Welche Lasertypen sind in der Materialbearbeitung dominant?• Was sind die größten Anwendungsfelder der Lasermaterialbearbeitung?• Was ist der Unterschied zwischen Wärmeleitungsschweißen und

Tiefschweißen?• Sollte die Laserpulsdauer beim Laserschneiden größer oder kleiner als beim

Laserschweißen sein?• Was ist eine Axicon-Linse?• Was ist optische Lithographie?• Erläutern Sie die fünf Schritte zur fotolithographischen Strukturierung einer

Funktionsschicht!• Welche Belichtungsmöglichkeiten werden unterschieden?• Was ist eine Phasenmaske?• Warum wird Immersionslithographie benutzt?