Laser-CVD – Der Laser macht Dampf

Laser-CVD für die Leiterplattenindustrie

Die Reparatur von Mehrschichtkeramikträgern in der Leiterplattenindustrie ist oft recht schwierig. Durch Prozessfehler oder kleine Verunreinigungen entstehen Unterbrechungen auf den winzigen Leiterbahnen aus Gold. Mit Hilfe eines Laser-CVD Verfahrens können diese Bauteile instand gesetzt werden.

CVD steht für Chemical Vapor Deposition, also chemische Dampfabscheidung. Dabei wird eine Kammer evakuiert und anschliessend mit einer gasförmigen Verbindung wieder gefüllt. Diese metallorganische Verbindung enthält – zunächst molekular gebunden – ein Metallatom wie z.B. Gold, Palladium, etc., welches bei Einwirkung von grosser Hitze freigesetzt wird. Es entsteht sozusagen Metalldampf. Man unterscheidet zwei Abscheideprinzipien

Gezielte Bedampfung per Laserstrahl
Open Repair Tool Walter Kraus Produktionsberatung
© Carl Baasel Lasertechnik GmbH

Den photolytischen Prozess, bei dem die Moleküle direkt durch Absorption der Strahlung zersetzt werden und

den pyrolytischen Prozess, bei dem die zu bedampfende Stelle auf dem Material erhitzt wird und diese somit indirekt die Zersetzung verursacht.

Beim Laser-CVD-Verfahren wird die notwendige Hitze durch einen in der Kammer erzeugten Laserfokus produziert. Um diesen Fokus herum entsteht eine kleine „Metallwolke“. Bringt man nun diese Metallwolke in Kontakt mit irgendwelchen Materialien, so entsteht auf diesen ein Niederschlag, d.h. das Material wurde gezielt bedampft.

Im Gegensatz zum Bedampfen durch Zerstäuben von Material hat das Laser-CVD den Vorteil, dass gezielt nur an der Stelle Material aufgetragen wird, an der der Laserstrahl auftrifft. Dadurch bleibt die Kammer sauberer und das Verfahren ist sparsamer. Somit ist auch der Einsatz von teuren Edelmetallen wirtschaftlich und problemlos. Weiterhin von grossem Vorteil ist die Möglichkeit, durch einfachen Wechsel der Prozessgases unterschiedliche Metallschichten in rascher Folge übereinander aufdampfen zu können.

Die vorgestellte Anlage wurde nach Spezifikationen eines namhaften Computerherstellers konzipiert und gefertigt. In diesem speziellen Fall wird das Laser-CVD-Verfahren zur Reparatur von Mehrschichtkeramikträgern eingesetzt. Im Gegensatz zu den Keramikschichten wird die oberste und damit letzte Schicht in Dünnfilmtechnik hergestellt. Durch auftretende Prozessfehler oder auch kleinste Verunreinigungen während der einzelnen Produktionsschritte entstehen in den winzigen Leiterzügen aus Gold Unterbrechungen. Die über Wochen bis zu diesem Zeitpunkt entstandene Wertschöpfung eines Mehrschichtkeramikträgers ist so hoch, dass sich die Investition dieser Reparaturanlage in kürzester Zeit amortisiert. Ziel ist es also, die Unterbrechungen der Goldleiterbahnen durch den Einsatz von Laser-CVD zu beheben. Dabei sind zwei wichtige Forderungen zu berücksichtigen:

Die aufgetragenen Leiterzüge müssen eine gleichmässige Breite und Höhe aufweisen.

Der elektrische Leitungswiderstand des aufgetragenen Leiterzugs muss dem des Originalleiterzuges entsprechen.

Um die genannten Forderungen zu erfüllen muss das Open-Repair-System eine Vielzahl von Bedingungen erfüllen. Eine der wichtigsten ist der Einsatz eines CW-Lasers mit einer Wellenlänge von 514,5 nn (grün), bei der der photolytische Prozess gewährleistet ist. Weiterhin ist ein stufenloses Einstellen der Laserleistung nötig. Zudem muss die Erzeugung eines Laserfokusses mit einem Durchmesserbereich von drei bis sieben μm gewährleistet sein. Wichtig ist auch die Erzeugung einer gleichmässigen Relativbewegung zwischen Substrat und Fokus mit Geschwindigkeiten von 2 μm/sec bis hin zu maximal 200 mm/sec.

Bedingung: CW-Laser mit 550 nm Wellenlänge

Während diese vier Bedingungen Grundvoraussetzung für den CVD-Prozess sind, müssen für die Gesamtfunktion der Anlage noch folgende Forderungen erfüllt sein: Die Steuerung des gesamten Prozesses muss vollautomatisch sein. Eine Beobachtungsmöglichkeit des Substrats bei der Justage und während de CVD-Prozesses muss über Kamera und Monitor gewährleistet werden. Wichtig ist die Sicherstellung der an der Vakuumkammer notwendigen Funktionen wie:

  • Evakuieren
  • Messen der unterschiedlichen Kammerdrücke während des Prozesses
  • Füllen der Kammer mit Prozessgas
  • Spülen der Kammer mit Stickstoff nach dem Aufdampfprozess

Um die äusseren Voraussetzungen für die hohe Präzision einer solchen Anlage zu erfüllen, wird in eine stabile Gestellkonstruktion aus Stahlprofilen knapp 1000 kg Granit integriert.

Alle optischen und bewegten mechanischen Komponenten sind mit dem Granit verschraubt. Damit wird eine optimale Dämpfung und relative Unempfindlichkeit gegen Änderung der Umgebungstemperatur erreicht. Sowohl der gesamte Granitaufbau als auch das Maschinengestell stehen zusätzlich auf Schwingungsdämpfern. Diese verhindern störende Vibrationen beim Verfahren der Positionstische und Erschütterungen, die über den Fussboden von äusseren Störquellen auftreten können.

Der Laser ist ein Argon-Ionen-Laser mit einer Maximalleistung von fünf Watt, der auf einen Single-Line-Betrieb bei der Wellenlänge 514 nm eingestellt ist. Bei dieser Wellenlänge hat der Laser den besten Wirkungsgrad und erreicht eine Leistung von zwei Watt, während die fünf Watt nur im All-Line-Betrieb erreichbar sind.

Gestellkonstruktion aus Granit gefertigt

Der Argon-Ionen-Laser bietet zwar insgesamt einen sehr schlechten Wirkungsgrad, besitzt jedoch eine extrem hohe Stabilität und die geforderte CW-Charakteristik. Der Laser muss im gesamten Leitungsbereich stabil arbeiten.

Schematischer Aufbau CVD Anlage Baasel Lasertech Walter Kraus Produktionsberatung
© Carl Baasel Lasertechnik GmbH

Um den geforderten kleinen Fokusdurchmesser (drei bis sieben μm) zu erreichen, wird ein kurzbrennweitiges Objektiv eingesetzt. Weil dieses Objektiv durch das Quarzfenster der Vakuumkammer hindurch „arbeiten“ muss, erweist es sich als notwendig, die Korrektur der Optik an die Dicke des Quarzglasfensters anzupassen. Der Abstand des Fokus zum zu beschichtenden Material ist ein sehr wichtiger Prozessparameter, deshalb wird die Optik mit einem Autofokussystem ausgestattet, welches in „Zusammenarbeit“ mit einer Z-Achse und dazugehöriger Steuerung einen einmal als optimal ermittelten Arbeitsabstand wiederhol genau anfährt.

Ein völlig neuartiges Prinzip kommt für die Bewegung des Laserfokus über das Substrat zur Anwendung: Der grosse Bereich der Verfahrgeschwindigkeiten – zwei μm/sec bis zu 200 mm/sec – lässt sich nicht mit einem einzigen Bewegungssystem abdecken. Zudem ist bei den langsamen Geschwindigkeiten eine Toleranz von maximal zehn Prozent gefordert. Aus diesen Gründen scheiden hier die üblichen Schrittmotoren aus und für die notwendigen Bewegungen werden stattdessen zwei unterschiedliche Antriebsprinzipien genutzt:
Zum einen erfolgt die Positionierung des Substrats relativ zum Laserfokus (schnelle Verfahrgeschwindigkeit: drei mm/sec – 200 mm/sec) durch Schrittmotoren: Die Vakuumkammer ist auf einer X-Y-Tischanordnung montiert, die über Spindeln angetrieben und positioniert wird.
Zum zweiten erfolgt die Bewegung des Lasserfokusses relativ zum Substrat (langsame Verfahrgeschwindigkeit: zwei μm/sec – drei mm/sec). Sie erfolgt auch durch eine weitere X-Y-Tischanordnung, mit der die Fokussieroptik relativ zum Laserstrahl bewegt wird. Dieses System arbeitet mit wesentlich höher Genauigkeit und Auflösung.

Das System fährt automatisch auf die Fehlstelle

In einem vorangehenden Prüfprozess werden die Koordinaten der Fehlstellen ermittelt, gespeichert und die Seriennummer des Substrats festgehalten. Die Anlage ist über eine Datenleitung mit einem PC-Netz verbunden und erhält für jedes Substrat die Koordinaten der Fehlstellen, die über den Prozessrechner an die Steuerung der X-Y-Tische übergeben werden. Diese fahren dadurch automatisch die zu reparierenden Stellen an. Die eventuell durch Lagetoleranzen notwendige Feinkorrektur erfolgt durch manuelles Positionieren mit einer Jog-Tastatur. Ein elektronisch eingeblendetes Fadenkreuz auf dem Monitorbild unterstützt den Vorgang.

Drei Systeme im Produktionsbetrieb

Die vorhandenen Erfahrungen beim Hersteller und bei den Anwendern von Laser-CVD-Anlagen – drei Systeme im Produktionsbetrieb – zeigen für zukünftige Projekte einige Verbesserungsmöglichkeiten auf. So sind die reinen Prozesszeiten, das heisst die Zeiten, in denen nicht aufgetragen wird, relativ hoch.

Das Evakuieren, Absaugen und das mehrfach notwendige Spülen mit Stickstoff  nimmt zirka 70 Prozent der Gesamtzykluszeit in Anspruch. Eine deutliche Reduzierung dieser Zeiten ist doch ein Zwei-beziehungsweise Mehrkammersysstem möglich, bei dem an einer Kammer abgeschieden wird, während an den anderen Pump- beziehungsweise Spülvorgänge ablaufen.

Um einen sehr wichtigen Prozessparameter – nämlich den Fokusdurchmesser – variieren zu können, ist eine kontinuierliche Verstellung vorgesehen. Zur Kontrolle dieser Variablen wird neben der Vakuumkammer ein Fokusdurchmessergerät installiert. Es erlaub exakt in der Position des Substrat eine Messung, ohne dabei den eigentlichen Prozess zu stören oder zu unterbrechen.

Ausserdem sieht ein neues Anlagekonzept die Integration eines Bildverarbeitungssystems vor, um das Positionieren der zu bearbeitenden Fehlstellen voll zu automatisieren.

Für zukünftige Laser-CVD-Anwendungen und -systeme wird ein noch höherer Automatisierungsgrad angestrebt. Die vollautomatischen Systeme dieser „zweiten Generation“ werden über Schleusen beschickt. Alle Komponenten und Prozessparameter sind über die Software untereinander verknüpft und werden vom Operator über eine zentrale Workstation bedient. Somit ist eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet.

Dipl. Ing. Walter Kraus
Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Nie

Veröffentlicht in: „Laser“, August 1990