SiTrans

Ziel der Entwicklung

Ziel der Entwicklung war es, eine neue Methode zum Fügen von Silizium mit minimaler Wärmebelastung zu untersuchen. Silizium ist das zentrale Material der Halbleiterindustrie und in nahezu allen mikroelektronischen Produkten enthalten. Für das Verbinden von Silizium mit anderen Materialien existieren etablierte Verfahren, die jedoch mit hoher thermischer Gesamtbelastung einhergehen. Diese kann die Präzision und Flexibilität bei der weiteren Funktionalisierung und Miniaturisierung von Bauteilen erheblich einschränken. Insbesondere in der Halbleiterfertigung, der Sensorik und Mikrosystemtechnik besteht das beständige Interesse, höhere Integrationsdichten und komplexere Bauteilarchitekturen zu nutzen. Im Projekt wurde daher das transmissive Fügen von Silizium mittels eines neu entwickelten Ultrakurzpulslasersystem untersucht. Der Ansatz zielt darauf ab, die Laserenergie durch das Silizium hindurch gezielt an der Grenzfläche zu einem weiteren Fügepartner einzubringen – ohne das Bauteil insgesamt thermisch zu belasten.

Vorteile und Lösungen

Im Projekt wurde ein neu entwickeltes Ultrakurzpulslasersystem (UKP) mit einer Wellenlänge von 2 µm eingesetzt, um eine innovative Methode zum Fügen von Silizium mit einem weiteren Materialpartner zu untersuchen. Der zentrale Vorteil dieses Ansatzes liegt darin, dass Silizium bei dieser Wellenlänge teiltransparent ist – der Laserstrahl kann also das Silizium durchdringen und gezielt in der Fügezone wirken. Im Brennpunkt des Lasers wird die Energie so stark gebündelt, dass dort eine hohe Absorption auftritt. Dies ermöglicht es, an der Grenzfläche zwischen den Materialien lokale Veränderungen zu erzeugen – bis hin zur Schmelze. Durch die extrem kurzen Pulse des Lasers bleibt die thermische Belastung dabei räumlich stark begrenzt, wodurch umliegende Strukturen geschont werden. Ein besonderer Fokus lag auf der Untersuchung, wie viel Energie durch das Silizium hindurch tatsächlich in die Fügezone eingebracht werden kann. Denn Silizium zeigt bei dieser Art der Bearbeitung komplexe, sogenannte nichtlineare Effekte, die die Effektivität der Energieeinbringung stark beeinflussen. Im Rahmen des Projekts wurden deshalb umfangreiche Tests zur Laser-Material-Wechselwirkung durchgeführt. Dazu zählten auch die Optimierung der Probenvorbereitung, die genaue Steuerung des Prozesses sowie systematische Versuchsreihen unter verschiedenen Bedingungen. Ziel war es, die technischen Grenzen und das Potenzial dieses neuartigen Fügeverfahrens genau zu erfassen.

Zielmarkt

Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse richten sich primär an Forschungseinrichtungen sowie Entwicklungsabteilungen in der Halbleiter verarbeitenden Industrie. Da das Verfahren derzeit noch nicht als belastbarer Serienprozess vorliegt, liegt der Fokus auf der Erprobung, Weiterentwicklung und Anwendung im Rahmen technologischer Machbarkeitsstudien, Prototypenentwicklung und FuE-Projekten. Ein geplanter Wissenstransfer erfolgt über etablierte Netzwerke sowie über themenspezifische Fachveranstaltungen, die eine gezielte Diskussion der Ergebnisse und ihrer Weiterentwicklung ermöglichen. Durch den engen Austausch mit dem Hersteller des Lasersystems können die im Projekt identifizierten Begrenzungen und Anforderungen direkt zur Optimierung und Anpassung des Systems an konkrete Prozessbedarfe kommuniziert werden. Darüber hinaus stärkt das Projekt die fachliche Expertise des ifw Jena im Bereich der Ultrakurzpulslaser-Anwendungen und bildet die Grundlage für neue FuE-Kooperationen. Zu wird erhalten interessierte Partner aus Industrie und Forschung die Möglichkeit, das neuartige Lasersystem für eigene Fragestellungen zu nutzen, wodurch potenzielle Anwendungen frühzeitig identifiziert und gemeinsam weiterentwickelt werden können.