Effiziente und ressourcenschonende Halbleiterfertigung mit Ultrakurzpulslasern

BMBF-Verbundprojekt Semilas

Die industrielle Herstellung von Halbleiterbauteilen geschieht überwiegend durch parallele Prozessierung vieler identische Bauteile auf einem großen Wafer, die am Ende vereinzelt werden müssen, ohne dabei Schaden zu nehmen. Dies geschieht derzeit entweder durch Diamantsägen oder Nanosekundenlaser. Beide Verfahren erhitzen das Material beim Schneiden, was zu Schädigungen an der Schnittkante führen kann und so der minimalen Schnittbreite und Bruchfestigkeit der Bauteile harte Grenzen auferlegt.

Ultrakurzpulslaser bieten hier das Potential, berührungslos deutlich kleinere Schnittbreiten zu erzielen, ohne das Material thermisch zu beeinflussen. Eine Verkleinerung der Schnittbreite führt durch eine höhere Bauteilanzahl pro Wafer unmittelbar zu einer besseren Materialausnutzung in der Produktion und damit zu einer Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Ressourcenschonung.

Neben dem Trennen von Halbleitern bei der Fertigung von LEDs, Solarzellen oder Transistoren sind auch das Schneiden von Refraktärmetallen für die Fertigung von Energiesparlampen, sowie von Mikroglasbauteilen mögliche Anwendungen. Damit erhielte die deutsche Industrie in wichtigen Wachstumsbranchen eine neue Fertigungstechnik, die einen klaren Wettbewerbsvorteil bietet.

Mit neuen Konzepten zu präzisen Materialbearbeitung in Höchstgeschwindigkeit
Um eine fertigungsrelevante Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern zu ermöglichen, müssen Maschinen und Verfahren in der Lage sein, die sehr schnell aufeinander folgenden Pulse gezielt zu beherrschen.

Voraussetzung für die Erreichung dieser Ziele ist eine geeignete Lasertechnik, die bei ultrakurzen Pulsdauern und kleiner Pulsenergie für gezielten hochqualitativen Abtrag gleichzeitig eine große mittlere Leistung für einen wirtschaftlichen Prozess bereitstellt. Daraus ergibt sich eine Pulsfolgerate im Megaherz-Bereich. Die aufeinander folgenden Laserpulse müssen auf dem Werkstück durch sehr schnelle Bewegung des Fokus räumlich voneinander getrennt werden, um einen qualitätsmindernden lokalen Wärmestau durch aufeinanderfolgende Pulse zu vermeiden.

Sobald die eingebrachte Wärme sich ein wenig ausgebreitet hat, erfolgt zügig wiederholt die nächste Überfahrt des Laserstrahls exakt in der gleichen Spur, bis das Material durchtrennt ist. Um dies zu ermöglichen, wird eine schnelle und gleichzeitig hochpräzise Maschinen- und Systemtechnik benötigt, die Laserstrahl-Geschwindigkeiten von über 20m/s auf dem Werkstück erlaubt. Auch eine Aufteilung des Strahls in mehrere Teilstrahlen durch neuartige dynamische Lichtbeugende Strahlteiler- und Strahlformungskomponenten, sowie unterschiedliche Laserwellenlängen sollen untersucht werden.

Mit dem Projekt wird die Konkurrenzfähigkeit Deutschlands nicht nur in der Halbleiter- und Lampenfertigung sondern auch in der Laser-, Optik- und Maschinenherstellung gestärkt. Dies führt nicht nur unmittelbar zur Sicherung und Entstehung neuer Arbeitsplätze, sondern trägt durch Ressourcenschonung auch zum Umweltschutz bei.

BMBF-Verbundprojekt Semilas

Um die gesamte Prozesskette abzudecken, haben sich im Semilas-Projekt ein Entwicklungsinstitut (Fraunhofer ILT), ein Laserhersteller (Lumera), Hersteller von Freiformoptiken (Ingeneric) und diffraktiven optischen Elementen (Topag), Maschinenhersteller (Kugler) und drei Endanwender (Osram Opto Semiconductors GmbH, Osram AG, Ingeneric GmbH) im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt Semilas zusammengetan.

Das Projekt Semilas (System- und Prozesstechnik zum Präzisionsschneiden von Halbleitern und refraktären Metallen mit Ultrakurzpulslasern) ist im Januar 2012 gestartet und läuft über drei Jahre bis Ende Dezember 2014. Der Verbund wird im Rahmen der Initiative „Ultrakurzpulslaser für die hochpräzise Bearbeitung“ vom BMBF mit über 1,2 Millionen Euro gefördert. Mit der Projetträgerschaft hat das BMBF die VDI Technologiezentrum GmbH beauftragt.