Jens Hänel, 3D-Micromac AG  
Dr. Bernd Keiper, 3D-Micromac AG
Mario Baum, Fraunhofer IZM Chemnitz, seit 01. Juli 2008 Fraunhofer ENAS

Zur Kontaktierung von Mikrokanälen auf dünnen Kunststoffsubstraten sind Verbindungen erforderlich, die sowohl die Zuführung als auch den Abtransport des anwendungsspezifischen Fluids übernehmen. Hierfür wurden mittels Laserablation Durchkontaktierungen erzeugt, die den Anschluss der eng aneinander liegenden Kanäle an Sammlerstrukturen erlauben.

Als Ausgangssubstrat wurden 175 μm dicke PMMA-Folien (Polymethylmethacrylat, Plexiglas) verwendet. Das Abformen der Mikrokanäle erfolgte mittels Heißprägen. Die strukturierten Substrate erfüllen ihre Funktion jedoch erst, sobald sie fluidisch angeschlossen sind. Aufgrund der Vielzahl eng aneinander liegender Kanäle wurden diese Durchkontaktierungen mittels eines Laserverfahrens realisiert, welches die umliegenden Polymerschichten weder beschädigt noch zerstört. Hierfür verwendete man den Excimerlaser LPX 305i mit einer Wellenlänge von 193 nm, einer maximalen Ausgangsleistung von 27 W und einer maximalen Laserpulswiederholfrequenz von 50 Hz. Er kann alle bei 193 nm nicht-transparenten Kunststoffe bearbeiten. Die Ergebnisse bezüglich Ablagerungen, Kantenqualität und Bearbeitungszeit werden dabei durch die verwendeten Laserparameter bestimmt.

Bearbeitungsfeld von 2 x 2 mm²
Der Laserstrahl hat nach der Laserapertur eine Größe von circa 15 x 30 mm² und wird über ein System von Zylinderlinsenarrays homogenisiert. So entsteht in der Maskenebene der so genannte homogene Fleck mit einer Größe von 16 x 16 mm². Dieser Fleck weist ein Flat-Top-Profil mit einer maximalen Abweichung von ±3 % von der maximalen Laserfluenz im zentralen Bereich des Strahlprofils auf. Mittels eines Beamprofilers wird die Strahlqualität regelmäßig überwacht. Über ein Objektiv erfolgt eine Abbildung der Maske auf die zu bearbeitende Probe im Maßstab 1:8, sodass sich ein maximales Bearbeitungsfeld von 2 x 2 mm² ergibt. Über einen variablen Abschwächer kann die Laserfluenz auf der Probe im Bereich von 50 bis 2.500 mJ/cm² eingestellt werden. Die Probe kann mit einem XYZ-Tisch mit einer Wiederholgenauigkeit von 500 nm verfahren werden. Eine zusätzliche Rotationsachse ermöglicht eine Drehung der Probe, sodass der Winkel zwischen der Struktur der Maske und der Mikrostruktur in der Probe ausgerichtet werden kann. Zur optischen Kontrolle des Bearbeitungsfeldes dient eine Kamera. Die Feineinstellung der Abbildungsebene erfolgt über die Auswertung einer Testreihe am Mikroskop.

Erzeugung von Strukturen
Zur Strukturübertragung ist eine präzise gefertigte Maske nötig, die aus einer 50 μm dünnen Metallfolie mittels Laser geschnitten wird. Damit ist es möglich, einzelne Strukturen zu erzeugen, die nicht größer als das Bearbeitungsfeld sind. Indem man immer wiederkehrende Elemente aneinander reiht und seriell bearbeitet, können auch größere Strukturen als das eingeschränkte Bearbeitungsfeld hergestellt werden. Für die Oberflächenbearbeitung können minimale Strukturgrößen von circa 10 μm erreicht werden. Dabei liegt die Auflösungsgrenze bei etwa 2 μm. Bei kleineren Abmessungen wird die Kantenqualität durch Beugungseffekte und Abbildungsfehler des Objektivs beeinträchtigt. Die Tiefenstrukturierung erfordert größere Strukturabmessungen, da das Bearbeitungsprofil konisch ist. Dieser Effekt ist dadurch begründet, dass sich mit zunehmendem Abtrag die Bearbeitungsebene von der Abbildungsebene an der Probenoberseite entfernt und sich somit die Laserfluenz verringert. Bei der Erzeugung der gewünschten Strukturen waren diese Einschränkungen jedoch nicht relevant. Um die Bearbeitungszeit gering zu halten, werden eine möglichst hohe Laserfluenz und Laserpulswiederholfrequenz angestrebt. Zur Ermittlung der geeigneten Bearbeitungsparameter wurden die Laserfluenz von 200 bis 700 mJ/cm² und die Pulszahl von 100 bis 700 variiert. Bei der optimalen Kombination beider Parameter war die durch die Bearbeitung entstandene Verunreinigung an der Oberfläche minimal und die wärmebeeinflusste Zone relativ klein. Bei zu hohen Laserfluenzen wurde das Material um die Bearbeitungsstelle deutlich verformt. Hinsichtlich einer Deckelung der Strukturen und des ungestörten Durchflusses vom Kontakt in den Kanal war es besonders wichtig, eine gute Kantenqualität zu erreichen. Aufschmelzungen, Grat oder Verbrennungen würden sich negativ auf die Funktionsfähigkeit des fluidischen Systems auswirken. Wie in der Abbildung dargestellt, ist die gewünschte Genauigkeit der Laserbearbeitung erzielt worden. Alle Kanäle wurden erfolgreich kontaktiert, ohne die umliegenden Bereiche des PMMA-Substrats zu beschädigen.

Fazit
In ihrem Gemeinschaftsprojekt haben die 3D-Micromac AG und die Abteilung Multi Device Integration des Fraunhofer- Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM (jetzt Fraunhofer ENAS) gezeigt, dass die Laserbearbeitung von mikrostrukturierten Kunststofffolien auch in einem nachgelagerten Technologieschritt erfolgen kann. Die durch Heißprägen hergestellten Mikrostrukturen dürfen materialbedingt keinen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, da ihre funktionalen Eigenschaften ansonsten zerstört oder beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund wurden Laserfluenz und Pulszahl dahingehend optimiert, dass beim Materialabtrag nur wenig Energie in Form von Wärme in das Material eingebracht wird.  

Wir danken der Abteilung Multi Device Integration des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM (jetzt Fraunhofer ENAS) und dem IVAM für die freundliche Genehmigung zur Veröffentlichung des Fachartikels.