Nanometerpräzise Strukturierung von Festkörpern und dünnen Schichten durch laserinduziertes Vorderseitenätzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das laserinduzierte Vorderseitenätzen (LIFE – laser-induced front side etching) ist ein Laserabtragsverfahren zur Oberflächenstrukturierung von transparenten Substraten unter Verwendung von dünnen Absorberschichten. Das Verfahren erlaubt die Herstellung von gut definierten Ätzstrukturen mit geringer Oberflächenrauigkeit < 10 nm rms, so dass z. B. optische Anwendungen adressierbar sind. Die LIFE-Methode wurde für einer Vielzahl von Materialien (SiO 2 , BK7, CaF 2 , MgF 2 , LiF, Al 2 O 3 , Si) unter Verwendung verschiedener Absorbermaterialien (Cr, Ag, Al, Mo, Ti, C, C 7 H 8 , AZ1505) und unterschiedlicher Lasersysteme (Wellenlängen von infrarot bis ultraviolett und Pulslängen von Femtobis Nanosekunden) untersucht. Die Ätztiefe und die Oberflächenmorphologie der laserbestrahlten Substrate hängen von den Laserparametern (Laserfluenz, Pulszahl, Wellenlänge und Pulsdauer), Absorberschichteigenschaften (Art von Absorbermaterial und Absorberschichtdicke) und dem Zielmaterial ab. Die Ergebnisse zeigten, dass der LIFE-Prozess für die verschiedenen Substrate unterschiedlich gut geeignet ist. Während z. B. Quarzglas hervorragend geeignet ist, kommt es beim Ätzprozess von CaF 2 zu einer deutlichen Aufrauung der Oberflächen aufgrund des laserinduzierten Stresses, der zu Mikrorissen führt. Die bestrahlten Proben wurden durch verschiedene mikroskopische (Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Weißlicht-Interferometrie (WLI), Rasterkraftmikroskopie (AFM)), spektroskopische (Photoelektronenspektroskopie (XPS), Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), Rutherford- Rückstreu-Spektrometrie (RBS)) und optische Methoden (Transmissionsmessungen und zeitabhängiger in-situ-Reflexion) untersucht. Aus den experimentellen Ergebnissen konnten unterschiedliche Modellansätze entwickelt werden, die eine Beschreibung des Ätzprozesses auf Basis thermisch basierter Prozesse ermöglicht; mittels Finite- Elemente-Methode (FEM) wurden darauf beruhend Simulationsrechnungen durchgeführt. Obwohl dünnen Metallschichten als Absorber im LIFE Prozess geringe Oberflächenrauhigkeiten und ein hohe Reproduzierbarkeit der Strukturen ermöglichen, so ist doch die Ätztiefe begrenzt (Δz < 300 nm) und die dünnen Metallschichten erfordern zusätzliche Herstellungsprozesse. Deshalb wurde im Rahmen des Projektes ein kontinuierlicher LIFE-Prozess entwickelt, der auf der Regeneration der organische Absorberschichten beruht (SAL-LIFE: laser-induced front side etching using selfregenerating adsorber layer). SAL-LIFE unter Verwendung von Toluen ermöglicht die einfache und effiziente Strukturierung von Oberflächen mit großen Abtragstiefen (bis zu einigen 10 µm wurde demonstriert) und einer Oberflächenqualität, wie sie mit den dünnen Metallschichten erzielt wurde. Strukturen mit Ätztiefen von 1 nm bis mehreren 10 µm und vertikalen Strukturgrößen von 300 nm bis zu einigen cm wurden, z. B. in Quarzglas, durch laserinduziertes Vorderseitenätzen erzielt. Durch die vorderseitige Strukturierung können auch komplizierte Probengeometrien, wie z. B. Glasfasern, bearbeitet und beispielsweise mit sub-µm-Oberflächenstrukturen versehen werden. Darüber hinaus wurde die Herstellung refraktiver Elemente, wie z. B. von sphärischen Linsen, demonstriert und eine Oberflächenrauhigkeit der Linse von kleiner als 6 nm (rms) ermittelt. Bei der Verwendung von dünnen Metallschichten kommt es bei der Bestrahlung mit geringen Laserfluenzen zur Ausbildung von Nanostrukturen in der Metallschicht. Dieser bereits bekannte Effekt kann offensichtlich mit dem LIFE Prozess verknüpft werden und so eine Nanostrukturierung von Dielektrika ermöglichen. Es wurden konzentrische Ringstrukturen mit einer Periodizität im Bereich von 60 bis 600 nm beobachtet. Die bisher noch kaum verstandene Bildung dieser Ringstrukturen in dielektrischen Oberflächen soll Inhalt eines Projektes werden. Im Vergleich zu den bekannten Rückseitenätzmethoden (LIBDE, LIBWE, LESAL) lassen sich mit LIFE vergleichbare Oberflächenqualitäten erreichen, jedoch ermöglicht das Vorderseitenätzen z.B. die Herstellung von definierten Strukturen in geometrisch komplizierten Strukturen wie z.B. Glasfaser.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Laser-induced front side and back side etching of fused silica with KrF and XeF excimer lasers using metallic absorber layers: A comparison. Applied Surface Science 258 (2012) 9742-9745
P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
- Laser-induced front side etching of fused silica with femtosecond laser using thin metal layers. Applied Surface Science
P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.11.047) - Laser-induced front side etching of fused silica with KrF excimer laser using thin chromium layers. Phys. Stat. Solidi A 209 (2012) 1114-1118
P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.201127672) - Laser-induced front side etching of fused silica with XeF excimer laser using thin metal layers. Applied Surface Science 258 (2012) 9138-9142
P. Lorenz, M. Ehrhardt, A. Wehrmann, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.10.145) - Laser-induced front side etching of CaF 2 crystal with KrF excimer laser. Applied Surface Science 265 (2013) 648 - 652
P. Lorenz, M. Ehrhardt, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.11.067) - Nanosecond laser-induced nanostructuring of dielectrics. Appl. Phys. A
P. Lorenz, F. Frost, M. Ehrhardt, K. Zimmer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00339-013-7669-4)
