Laser als Innovationstreiber in der 5G-Kommunikation
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Bildquelle: alle Coherent
Laser als Innovationstreiber
in der 5G-Kommunikation
Unser Kommunikationszeitalter steht mit der breiten Einführung der 5G-Infrastruktur vor einem Umbruch.
Der Laser als Präzisionswerkzug löst zunehmend mechanische und chemische Produktionstechnologien ab.
Vor allem die Excimer-Laser mit ihrer Kombination aus kürzester Wellenlänge und höchster UV-Leistung,
sowie die neueste Generation von Picosekundenlasern mit Echtzeit-Pulskontrolle spielen eine führende Rol-
le in der Erzeugung der für die 5G-Revolution dringend benötigten mikroelektronischen Komponenten.
Keywords: Laser, Excimerlaser, Excimerlaserstrahl, Picosekundenlaser, Mikro-
elektronik, 5G-Drahtloskommunikation, Dual-Damascene-Processes,
Festkörperlaser, 5G-Mobilgeräte
Die steigende Nachfrage nach immer Kontaktierungen, welche eine maxi-
kleineren und leichteren elektroni- male Geschwindigkeit und Funktio-
schen Geräten mit immer schnellerer nalität gewährleisteten. In dem Maße,
und leistungsfähigerer Informations- wie sich das Chip-Packaging weiter
verarbeitung bestimmt die Dynamik in Richtung Fan-Out-Architekturen
in fast allen Segmenten der Mikro- entwickelt, werden zunehmend Multi-
elektronikindustrie: Vom schnell wach- Chip-Packages mit komplizierten und
senden Markt der 5G-Mobilgeräte bis gleichzeitig zuverlässigen Designs be-
hin zu medizinischen Sensoren. Essen- nötigt.
tiell hierbei ist die Advanced Package Die höheren Frequenzen von bis zu
Integration (API) als einer der wich- fünf Gigahertz und eine zunehmen-
tigsten Technologietreiber. Allen Pa- de Bandbreite bis in den Gigahertz-
ckaging-Architekturen gemein ist die bereich bei der 5G-Drahtloskommu-
extrem hohe Dichte der elektrischen nikation, erfordern darüber hinaus
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Mobilgeräte mit den entsprechenden auf dem Chuck befindet. Meistens ein einen großen Anteil der Strah-
Antennen-Strukturen in geeigneten wird zunächst das Kontaktloch und lungsenergie, verdampft und reißt
Hochleistungs-Materialschichten. Der dann der Graben ablatiert. den darüber befindlichen Teil des
Laser als hochpräzises Strukturie- Der erste Schritt ist die Polymerbe- dünnen Metallfilms mit sich fort.
rungswerkzeug wird in solchen An- schichtung des Ausgangssubstrats mit Bereiche mit Metalldicken von
wendungen einmal mehr seiner Rolle anschließender Aushärtung. Im nächs- über einen Mikrometer werden
als Innovationstreiber in der Mikro- ten Schritt werden die Gräben für die dabei nicht beeinflusst.
elektronik gerecht. Leiterbahnen in die Polymerschicht Da es sich bei der Laser-Spallation
abgetragen. Die Einstellung der Gra- um einen Ein-Puls-Prozess handelt,
Excimerlaser-Direktstruktu bentiefe erfolgt über die Anzahl der gelingt mit dieser eine sehr hohe
rierung für das Advanced- Laserpulse. Wichtig hierbei: Anschlie- Durchsatzrate. Abhängig von der
Packaging ßend wird die Maske gewechselt und Laserleistung benötigt man unter
Die Leistungs- und damit die Durch- die Durchkontaktierungen mit dem 50 Sekunden für die Spallation
satzskalierbarkeit des besonders Laser gebohrt. Es wird das bereits aus- eines 300 mm-Wafers. Da das La-
kurzwelligen Excimerlasers (Wellen- gehärtete Polymer ablatiert und nicht serlicht im Prozess senkrecht auf
länge 248 nm oder 308 nm) bietet für wie in der Fotolithografie das Polymer die Strukturen des Wafers einfällt,
waferbasierte Strukturierungsaufga- erst nachträglich ausgehärtet, was zu gibt es keine Abschattungseffekte
ben im Bereich des Advanced-Chip- nachfolgender Schrumpfung und Ver- und auch keine Aushöhlungen an
Packaging entscheidende Vorteile. Im zerrung der erzeugten Strukturen um der Unterseite erhabener Struktu-
Waferprozess werden die Leiterbahn- bis zu 40 Prozent führt. Die Positionie- ren, wie sie beim naßchemischen
ebenen und Kontaktlöcher (Vias) der- rungsgenauigkeit der Masken zuein- Ätzen auftreten. Der Dual-Damas-
zeit noch fotolithografisch hergestellt. ander liegt dabei im Submikrometer- cene-Prozess in Kombination mit
Die erreichbare Auflösung sowie das bereich. Damit ist kein überstehender der Excimerlaser-Spallation führt
Aspektverhältnis der Vias ist dabei Pad-Bereich des Vias mehr nötig, son- zu einer Betriebskostensenkung
aber durch das Fotopolymer stark dern die Vias liegen vollständig im Be- um ca. 45 Prozent gegenüber der
eingeschränkt. Der Excimerlaserstrahl reich der Gräben. derzeit noch verbreiteten foto-
hingegen verdampft die dielektrische Nachdem die Strukturen der Vias und lithografischen Herstellung der
Polymerschicht mit gleichbleibender Leiterbahnen ablatiert sind, erfolgt Leiterbahnebenen und Kontakt-
Abtragsrate, die sich über die Ener- eine Reinigung mit Sauerstoffplasma. löcher. Der Excimerlaser-Ablati-
giedichte unabhängig vom verwen- Danach wird mit einem ca. 100 nm onsprozess gewährleistet zudem
deten Polymer sehr genau im Bereich dünnen Titanfilm und etwa 400 nm volle Kontrolle über alle Struktur-
weniger 100 nm pro Puls einstellen Kupferfilm durch Sputtern beschichtet parameter. Das Aspektverhältnis
lässt. Damit ergibt sich wiederum die und die bis zu 10 µm Strukturen galva- der Vias lässt sich über die ver-
erreichte Abtragstiefe über die Zahl nisch mit Kupfer aufgefüllt. Überste- wendete Maske und Projektions-
der verwendeten Laserpulse. Durch hendes Kupfer lässt sich durch che- optik sowie die Zahl der Pulse
Maskenprojektion des rechteckigen misch-mechanisches Polieren (CMP) definieren. Deren Öffnungswinkel
Excimerlaserstrahls auf den Wafer las- bis zur Titanschicht entfernen. (Taper) wiederum bestimmt sich
sen sich viele genau positionierte Lei- Die auf den Polymerflächen verblei- über die verwendete Energiedich-
terbahngräben oder Vias gleichzeitig bende Titanschicht oder andere ver- te, wobei höhere Energiedichten
ablatieren. Die Größe des Ablations- wendete Barriere-Schichten sind sehr
feldes auf dem Wafer hängt dabei von dünn im Bereich von unter 200 nm
der eingesetzten Laserenergie ab und und lassen sich sehr schnell mit dem
Leistungsstarke UV-Excimerlaser bieten
beträgt typischerweise einige zehn Excimerlaser durch Spallation ent- Präzision und Durchsatz beim groß
Quadratmillimeter. fernen. Dabei absorbiert das Polymer flächigen Mikrostrukturieren von Leiter-
bahnen und Vias.
Strukturen der Vias und
Leiterbahnen ablatieren
Der Excimerlaser nutzt zudem die
Vorteile eines Dual-Damascene-Pro-
cesses. Beim Dual-Damascene-Prozess
erfolgt die Erzeugung der Leiterbah-
nen und Vias im gleichen Prozess-
schritt während sich der Wafer noch
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zu größeren Taperwinkeln führen. den 5G-Antennen ist man bestrebt,
Die Excimerlaser-Direktablation diese Art des Multiplexing noch wei-
erlaubt gegenüber der Fotolitho- ter auszubauen. Für die 5G-Kommu-
grafie nicht zuletzt eine größere nikation ist das Antennendesign und
Auswahl an Hochleistungs-Dielekt- -material von entscheidender Bedeu-
rika für das Advanced-Packaging. tung und stellt eine Herausforderung
Somit können auch nicht fotosen- für die Laserbearbeitung dar. 5G-An-
sitive, an die Chips angepasste tennen sind komplex sowohl in ihrer
Hochleistungspolymere mit opti- Struktur als auch im Materialverbund.
malen dielektrischen, thermischen Bei einem 5G-Smartphone bestehen
und mechanischen Eigenschaften sie aus laminierten, flexiblen Subst-
verwendet werden. raten mit einer dünnen Kupferschicht
auf einem Isolator aus Flüssigkris-
Picosekundenlaser schrei- tallpolymer (Liquid Crystal Polymer,
ben komplexe 5G-Smart- LCP) oder aus modifiziertem Poly-
phone-Antennen amid (Modified Polyimide, MPI) mit oft
Schlüsselkomponenten in 5G-Mo- noch einer zusätzlichen Verbindungs-
bilgeräten sind bis zu drei mi- schicht. Flüssigkristallpolymer ist ein
niaturisierte Antennen, die aus Material, welches bei unterschied-
mehreren Gründen kleiner und lichen Temperaturen eine konstante
physikalisch komplexer sind als Leistung erbringt und einen geringen
frühere Antennengenerationen, Verlust aufweist, was es für die 5G-
unter anderem wegen des für 5G Technologie prädestiniert. Während
notwendigen Wechsels zu deut- des Herstellungsprozesses muss das
lich höheren Frequenzen (Mikro- Schichtsystem durch Anbindung an
wellenbereich). Damit sind 5G-Mo- ein Trägermaterial mechanisch stabi-
bilgeräte in der Lage, Signale von lisiert werden.
verschiedenen Sendern gleich-
zeitig zu nutzen. Bei einem 5G- Wärmeeinflusszone der
Smartphone erfordert dies Anten- Laserstrahlung minimieren
nen mit komplexen 2D- (und sogar Der Laserschreibprozess mit dem Pi-
3D-) Strukturen. Jede Antenne kosekundenlaser ist für die gezielte
muss dafür den sogenannten MI- Antennen-Strukturierung das Mittel
MO-Standard (multiple signals in, der Wahl, denn damit gelingt ein se-
multiple signals out) unterstützen. lektives Schneiden von Schichten,
Bestehende Antennen unterstüt- ohne die darunter liegenden Schich-
Prozessablauf des Dual-Damascene-
Process sowie mit dem Excimerlaser bei zen bereits den 2x2- und sogar ten zu beschädigen. Diodengepumpte
248 nm erhaltene Gräben und Vias in den 4x4-MIMO-Standard und bei Festkörperlaser, die in anderen Anwen-
FCPI 2200-Material. dungen ebenfalls zum Schneiden ver-
wendet werden können, eignen sich in
diesem Fall nicht. Deren Nanosekun-
denpulse können nicht gleichzeitig
die Kupfer- und die Polymerschicht in
einem Prozessschritt schreiben, ohne
gleichzeitig die entstehenden Anten-
nenstrukturen thermisch zu schädi-
gen. Beim Laserschreiben einer win-
zigen elektromagnetischen Struktur
wie einer Smartphone-Antenne muss
die Wärmeeinflusszone der Laser-
strahlung minimiert werden, um Funk-
tionsschäden durch beispielsweise
Schmelzen, die zu einem Kurzschluss
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führen könnten, zu vermeiden. Aktive Stabilisierung Abhilfe schafft hier die PulseEQ-
Zwei bewährte Methoden zur Minimie- der Pulsenergie Funktion, denn diese ermöglicht
rung der Wärmeeinflusszone sind die Mittlerweile sind industrielle Picose- die Steuerung der Pulsfrequenz in
Verwendung ultrakurzer Pulslängen kunden-UV-Laser mit hoher mittle- Echtzeit und damit die Synchroni-
und die Verwendung von UV-Wellen- rer Leistung verfügbar, was für einen sation der Pulse mit den Positions-
längen. Durch Ultrakurzepulse verrin- hohen Prozessdurchsatz bei Anwen- und Geschwindigkeits-Signalen
gert sich Interaktionszeit des Laser- dungen wie dem Schneiden von 5G- des Scanners. Dadurch wird si-
pulses mit dem ablatierten Material Antennen erforderlich ist. Ein Beispiel chergestellt, dass die Puls-zu-Puls-
und ein Großteil der Photonenenergie ist der HyperRapid NXT, der mit bis Überlappung bei dem konstanten
befindet sich im verdampfenden Ma- zu 30 Watt Leistung bei einer Wellen- Betrag bleibt, der für eine Anwen-
terial, anstatt die Strukturumgebung länge von 355 nm erhältlich ist. Dies dung als optimal ermittelt wurde.
unnötig aufzuheizen. Durch die klei- ermöglicht Scangeschwindigkeiten Die Mikroskop-Bilder zeigen den
nere Pulsenergie und höhere Pulswie- von mehreren Metern/Sekunde mit konstanten Abstand der Pulse bei
derholrate des Pikosekundenlasers typischerweise etwa 10 Durchgängen, eingeschalteter PulseEQ-Funktion
lässt sich die Antennenstruktur durch die für die Verarbeitung der neuesten für einen Schreibzyklus auf einer
mehrfaches, schnelles Überfahren er- Antennendesigns erforderlich sind. Probe aus SiN auf Si. Zudem ver-
zeugen, was die Wärmeeinflusszone Der HyperRapid NXT verfügt über fügt die PulseEQ-Funktion über
beim Laserschreiben zusätzlich ver- eine neuartige Pulsfrequenzkontrolle eine aktive Stabilisierung der Puls-
ringert. (PulseEQ), die seine Fähigkeiten zum energie. Dies ist wichtig, da eine
Die Verwendung kürzerer Wellenlän- Schneiden oder Ritzen komplexer For- Änderung der Pulsfrequenz bei Pi-
gen, verringert ebenfalls die Wärme- men, bei denen der Laserstrahl schnell cosekundenlasern gemeinhin mit
einflusszone, indem die hochenerge- über das Substrat gescannt wird, wei- einer Variation der Pulsenergie
tischen Photonen die interatomaren ter verbessert. Dies beinhaltet jedoch einhergeht.
Bindungen in Polymermaterialien di- zwangsläufig endliche Beschleuni-
rekt aufbrechen, so dass ein großer gungs- und Abbremsraten, so dass die Autoren
Teil des Materials in einem photoly- Bewegung in gerader Linie schneller Dr. Ralph Delmdahl, Coherent Göt-
tischen Prozess und nicht in einem ist als die Bewegung um enge Kurven tingen
thermischen Prozess entfernt wird. und Ecken. Hatim Haloui, Coherent Kaiserslau-
Die Verwendung einer kürzeren Wel- Ein solches Pulsverhalten ist uner- tern
lenlänge unterstützt auch eine grö- wünscht, da hierbei ebenfalls die ther-
ßere Schichtselektivität, wodurch das mische Belastung lokal erhöht wird. www.coherent.com
Prozessfenster vergrößert wird. Die
Kombination aus kurzer Pulslänge und
kurzer Wellenlänge macht den Piko-
sekunden-UV-Laser daher zu einem Effekt der aktiven Pulsfrequenzkontrolle (Pulse EQ) durch Echtzeit-Rückkopplung für
idealen Kandidaten einen einzigen Durchgang über eine Probe aus dünnem SiN auf Silizium.
für die Mikrobear-
beitung der Kupfer/
MPI- oder Kupfer/
LCP-Laminate beim
Schreiben der 5G-
Antennenstrukturen.
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