Projekt ohne Drittmittelfinanzierung

Untersuchung der Ablationsdynamik von Dielektrika durch geformte Femtosekunden-Laserpulse


Details zum Projekt
Projektlaufzeit: 04/200503/2009


Zusammenfassung
Die fortschreitende Miniaturisierung in der Mikrosystemtechnologie erfordert neue Techniken, um immer kleinere Strukturen erzeugen zu können. Viele Verfahren zur Erzeugung von Strukturen im Mikrometer und Sub-Mikrometerbereich beruhen auf optischen Verfahren, die entweder zu einer Materialmodifikation oder Ablation führen. Die Strukturgrößen bei konventionellen linearen optischen Verfahren sind durch die Beugung des Lichts begrenzt. Zur Reduzierung der Strukturgrößen wird aus diesem Grund meist auf kürzere Wellenlängen bis in den UV-Bereich zurückgegriffen.

Im Rahmen meiner Diplomarbeit [1] wurde eine Femtosekunden-Materialbearbeitungsplattform aufgebaut. Im Gegensatz zur konventionellen Lasermaterialbearbeitung mit ns-Lasern spielen bei fs-Laserpulsen nichtlineare Prozesse eine entscheidende Rolle. Im Vergleich zu anderen Untersuchungen hinsichtlich der Materialbearbeitung mit fs-Laserpulsen wird bei unserem Aufbau von den Möglichkeiten der Modulation der zeitlichen Energiestromdichteverteilung durch spektrale Phasenmodulation [2] intensiv Gebrauch gemacht.

Die entwickelte Plattform bietet die Möglichkeiten, geformte fs-Laserpulse oder Pulszüge zur Mikromaterialbearbeitung in einen modifizierten Mikroskopaufbau einzukoppeln. Als Modelsysteme werden Dielektrika (Quarz- und Saphirglas) eingesetzt.
Während der Ablation entstehende Plasmaemissionen (LIBS: Laser Induced Breakdown Spectroscopy [3]) können durch eine ICCD-Kamera spektral und zeitlich aufgelöst werden.

Bei Ablationsexperimenten an Quarzglas mit geformten fs-Laserpulsen wurde demonstriert, dass Substrukturen von 90 nm erzeugt werden konnten. Die erzeugten Strukturgrößen liegen eine Größenordnung unterhalb der Beugungslimitierung, die sich für lineare Materialbearbeitungsprozesse ergeben würde. Es zeigte sich weiterhin, dass die Ablationsstrukturen eine deutliche Abhängigkeit von der gewählten Energiestromdichteverteilung zeigen. Somit ist es möglich, die Substrukturen gezielt ein- bzw. auszuschalten.

Die physikalischen Prozesse, die zu der Abhängigkeit der Ablationsstrukturen von der gewählten Energiestromdichteverteilung führen, sind bis jetzt noch nicht genau verstanden und Bestandteil aktueller Forschung. Hier spielen besonders die Erzeugung und die Relaxation von freien Elektronen zum einen und die Propagation des Lichtpulses innerhalb des Dielektrikums eine entscheidende Rolle. Die Elektronendynamik wird durch Multiphotonen-, Avalanche- und Tunnelionisation sowie Relaxation bzw. Störstelleneinfang bestimmt [4, 5]. Die Propagation wird vor allem durch Dispersion, Kerr-Selbstfokusierung und Plasmadefokusierung beeinflusst.

In meiner Arbeit wird durch geeignete Wahl der Experimentparameter (Fokusierung, Pulsform, Energie, Materialsystem) eine Abgrenzung der unterschiedlichen physikalischen Effekte angestrebt.
Als dielektrische Materialsysteme werden Quarzglas und Saphir eingesetzt, da diese unterschiedliche Elektronendynamiken aufweisen [6]. Außerdem wird der Parameterraum der Pulsformung weiter erschlossen. Zur post-mortem Analyse werden Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskope eingesetzt. Es ist die Analyse der Ablationsprofile mittels definierter Brüche geplant. Weitere Rückschlüsse auf die physikalischen Prozesse können aus der in-situ Messung der spektralen Plasmaemissionen (LIBS) erwartet werden. Es wird vermutet, dass verschiedene Ablationsprozesse (z. B. Scheibchenablation / Filamentbildung) zu unterschiedlichen Emissionsspektren führen [7]. In diesem Fall könnten evolutionäre Algorithmen zur Optimierung der Ablationsergebnisse dienen.




Projektleitung


Weitere Projektbeteiligte

Zuletzt aktualisiert 2017-11-07 um 14:01