Laserätzen von Festkörpern mittels adsorbierter Schichten
Final Report Abstract
LESAL (laser etching al a surface-adsorbed layer) ist ein neues Laserätzverfahren für die hochgenaue Strukturierung von transparenten Materialien. Die Charakteristik des LESAL-Prozesses wurde phänomenologisch umfassend untersucht. Insbesondere wurde die Ätzrate von Fused Silica in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Prozessparametern (Laserfluenz, Pulsanzahl, Pulswiederholfrequenz, Probentemperatur, Absorberflüssigkeit etc.) ermittelt. Die wesentlichen Prozessbesonderheiten beim Ätzen mit KrF-Laser (l = 248 nm, tpuls = 25 ns) sind: eine konstante Ätzrate über einen großen Fluenzbereich, geringe Ätzraten von ca. 1 nm/Puls und geringe Oberflächenrauheiten. Inkubationsprozesse, d.h. ein verzögertes Einsetzen des Materialabtrags, und nichtlineare Effekte des Ätzabtrags wurden für Pulsanzahl und Bestrahlungsfeldgröße erforscht. Diese Inkubationsprozesse hängen mit laserinduzierten Materialveränderungen zusammen, die ebenfalls ermittelt werden. Obwohl eine geringe chemische Ätzwirkung durch die Variation der Absorberflüssigkeiten erkennbar war, ist diese nicht prozessbestimmend. Zusätzlich zu Nanosekundenlasem wurden Experimente mit ultrakurzen Laserpulsen (l = 775 nm, tpuls = 150 fs) durchgeführt. Die Einflüsse von ausgewählten Prozessparametem wurden mit verschiedenen bildgebenden Verfahren (AFM, REM, Interferenzmikroskopie) ermittelt und Korrelationen festgestellt. Dadurch war es möglich, anwendungsrelevante Prozessfenster zu identifizieren. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden mit Hilfe verschiedener Lasermikrobearbeitungstechniken in Kombination mit dem LESAL-Prozess verschiedene Demonstratorstrukturen wie z. B. Phasenplatten, Transmissionsgitter, Submikrometergitter in Fused Silica geätzt. Die bei diesen Quarzglas-Strukturen erzielten Oberflächenqualitäten, welche typische Rauheitswerte von 1 nm rms und weniger aufweisen, sind außergewöhnlich gut im Vergleich zur klassischen direkten Laserablation. Die geringen Rauheitswerte in Kombination mit der geringen Ätzrate des LESAL-Prozesses legen die Anwendung des LESAL-Prozesses zur Oberflächenpräzisionsbearbeitung z. B. optischer Bauelemente nahe. Zur Aufklärung der bestimmenden Wechselwirkungsprozesse und Mechanismen beim LESAL wurden eine Vielzahl von in-situ- und ex-situ-Analysen (u.a. optische Streu- und Reflexionsmethoden, Photoelektronen- und Rutherfordrückstreu-Spektroskopie) vorgenommen. Zusammenfassend ist gesichert, dass laserinduzierte Adsorbat- und Gasphasenprozesse eine absorbierende Modifizierung im Oberflächenbereich bilden, die den Ätzprozess auslöst; hierdurch werden auch die Inkubationsprozesse erklärbar. Die wesentlichen Bestandteile sind eine maximal 50 nm dicke kohlenstoffdominierte Schicht und eine Oberflächenmodifizierung des Substrats von ca. 10 nm. Die phänomenologischen und analytischen Ergebnisse wurden zusammen mit Literaturdaten zu einem Modell verknüpft, dass die wesentlichen experimentellen Befunde erklären kann. Anwendungspotentiale werden aufgrund des präzisen Materialabtrages und der geringen Schädigung im Bereich der Präzisionsbearbeitung von Oberflächen und dünnen Schichten sowie der Mikrosystemtechnik gesehen.
Publications
- Vorrichtung und Verfahren zum Laserabtrag transparenter Materialien, DE000010328534B4, 24.06.2003
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K. Zimmer, R. Böhme
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R. Böhme and K. Zimmer
- "Laser etching at a surface adsorbed layer (LESAL) - comparison of experimental and theoretical results " EMRS, Strasburg (2009)
R. Böhme, D. Hirsch, K. Zimmer
