Lasermaterialbearbeitung von Halbleitern und Keramiken für Anwendungen der Leistungselektronik

Die Weiterentwicklung von Laserstrahlquellen in den letzten Jahren, besonders in Form von Faserlasern und Ultrakurzpulslasern, bringt vielen Anwendungsbereichen einen starken Innovationsschub. Faserlaser zeichnen sich dabei besonders durch die gute Strahlqualität, hohe verfügbare Laserleistungen, Industrietauglichkeit und geringen Kosten aus. Im Rahmen dieser Arbeit werden mehrere Bearbeitungsprozesse mit Faserlasern in den für die Leistungselektronik wichtigen Materialien Siliciumcarbid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid entwickelt. Diese Materialien haben bei der Wellenlänge des Faserlasers im nahen Infraroten eine geringe optische Absorption, weshalb als Grundlage für die Laserbearbeitung die Absorptionseffekte unter Laserbestrahlung untersucht werden. Dafür wird ein thermisches Simulationsmodell der Laserbestrahlung aufgestellt, das bei Gegenüberstellung mit der gemessenen Temperatur während der Laserbestrahlung die Bestimmung der temperaturabhängigen Absorption ermöglicht. Dabei zeigt Siliciumcarbid einen Temperaturverlauf, der bis zum Punkt der chemischen Zersetzung durch das Modell der Absorption freier Ladungsträger erklärt werden kann. Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid zeigen dagegen erst nach einer Verzögerungszeit einen schnellen Temperaturanstieg durch ansteigende Absorption, was auf die geringe Absorption bei Raumtemperatur zurückzuführen ist. Die daraus gewonnen Erkenntnisse bilden die Grundlage für mehrere Bearbeitungsprozesse. In Siliciumcarbid können mittels cw Lasern erstmalig lokal ohmsche Kontakte einlegiert werden, deren Kontaktwiderstand im Bereich von Standard Ofenprozessen liegt. Die Ergebnisse zum Schneiden und Bohren von Keramiksubstraten aus Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid mit Faserlasern zeigen besonders hohe Festigkeiten und Qualität.