Mikrostrukturen mit dem Laser ätzen

Mit dem Ultrakurzpulslaser lassen sich nicht nur feine Strukturen schneiden: In einem Verbund­projekt haben Wissen­schaftler unter­sucht, wie man damit auch Mikro­struk­turen in Dünn­glas erzeugen kann. Anwen­dungen gibt es im Analytik­bereich, aber auch in der Elek­tronik­branche und im Consumer-Bereich gibt es großes Interesse.

Am Anfang der neuen Methode stand ein überraschender Effekt: Wenn Glas mit dem Ultra­kurz­puls­laser in der richtigen Weise bestrahlt wird, wird es so modi­fi­ziert, dass es hundert- bis tausend­fach empfind­licher für ein anschlie­ßendes nass­chemisches Ätz­ver­fahren wird. Man kann also einen Laser­fokus von wenigen Mikro­metern Durch­messer durch einen Glas­block führen und anschlie­ßend auf seiner Spur eine feine Röhre durch das Volumen ätzen. So lassen sich kleinste Löcher erzeugen, komplette Mikro­fluidik-Systeme in das Volumen schreiben oder auch Schnitte mit hoher Kanten­qualität her­stellen.

Bevor dieser Effekt für industrielle Verfahren genutzt werden kann, müssen eine Reihe von Fragen beant­wortet werden: Was sind die Wechsel­wirkungs­prozesse? Bei welchen Materi­alien funktio­niert das? Was sind die opti­malen Prozess­para­meter? Welche Prozess­technik ist nötig? Die Beant­wortung dieser Fragen ist ein Ziel des BMBF-geför­derten Verbund­projekts „Femto Digital Photonic Pro­duc­tion“. Seit 2014 arbeiten in dem Projekt Partner von drei Lehr­stühlen der RWTH Aachen, dem Fraun­hofer-Institut für Laser­technik und sechs Firmen an der Erfor­schung neu­artiger 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 wurde für mehrere Glas­materi­alien unter­sucht, so zum Beispiel 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 etwa 100:1.

In der nächsten Phase des Projektes bis 2019 soll das Prozess­ver­ständnis verbes­sert werden. Dafür werden am Lehr­stuhl für Laser­technik der RWTH Aachen ver­schiedene Experi­mente durch­ge­führt, parallel laufen am For­schungs­gebiet für nicht­lineare Dynamik der Laser-Ferti­gungs­ver­fahren komplexe Simu­la­tionen. Der Lehr­stuhl für Techno­logie opti­scher Systeme konzen­triert sich auf die Opti­mierung der Optik in den Systemen. Bei der Entwick­lung der Prozess­technik arbeiten die Wissen­schaftler mit drei Her­stellern von Laser­strahl­quellen 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. Große Vor­teile bietet das Ver­fahren auch für Bohr- und Schneid­pro­zesse. Das Ätzen erlaubt dabei einen span­nungs­freien Material­abtrag. Das bietet Vor­teile zum Beispiel für die Her­stellung von Inter­poser-Struk­turen in der Halb­leiter­technik. Dabei sind Struk­turen unter zehn Mikro­metern möglich. Neue Systeme mit hoher Laser­leistung und Multi­strahl-Optiken bieten ein erheb­liches Poten­zial, auch dabei einen hohen Durch­satz zu erreichen.

Fh.-ILT / RK