Mikrostrukturen mit dem Laser ätzen

Am Anfang der neuen Methode stand die Entdeckung eines überraschenden Effekts: Das Bestrahlen von Glas mit dem Ultrakurzpulslaser kann es so modifizieren, dass es deutlich empfindlicher für ein anschließendes nasschemisches Ätzverfahren wird, und zwar hundert- bis tausendfach – wobei es entscheidend ist, dass das Bestrahlen in der richtigen Weise erfolgt. 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 Verbundprojektes „Femto Digital Photonic Production“. Seit 2014 arbeiten in dem Projekt Partner von drei Lehrstühlen der RWTH Aachen University, dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT 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 (englisch: Selective Laser Etching, SLE) 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. Die Forscher wollen 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 10 µm möglich. Neue Systeme mit hoher Laserleistung und Multistrahl-Optiken bieten ein erhebliches Potenzial, auch dabei einen hohen Durchsatz zu erreichen.