Materialbearbeitung von Halbleitern und Nitridkeramiken mit ultrakurzen Laserpulsen

Materials processing of semiconductors and ceramics with ultrashort laser pulses

  • Durch die zunehmende kommerzielle Verbreitung von immer kürzer werdenden Pulsdauern steigt auch das industrielle Interesse an einem breitgefächerten Einsatz ultrakurzer Laserpulse in der Materialbearbeitung. Im Vergleich zu den bisher genutzten Nanosekunden-Laserpulsen bieten Pulsdauern im Sub-Pikosekundenbereich eine erhöhte zeitliche und räumliche Lokalisierung der in das Werkstück eingetragenen optischen Energie. Auf diese Weise kann eine Vielzahl technischer Werkstoffe mit erhöhter lateralerDurch die zunehmende kommerzielle Verbreitung von immer kürzer werdenden Pulsdauern steigt auch das industrielle Interesse an einem breitgefächerten Einsatz ultrakurzer Laserpulse in der Materialbearbeitung. Im Vergleich zu den bisher genutzten Nanosekunden-Laserpulsen bieten Pulsdauern im Sub-Pikosekundenbereich eine erhöhte zeitliche und räumliche Lokalisierung der in das Werkstück eingetragenen optischen Energie. Auf diese Weise kann eine Vielzahl technischer Werkstoffe mit erhöhter lateraler und vertikaler Präzision berührungslos und ohne mechanischen Werkzeugverschleiß strukturiert werden. Trotz erheblicher Fortschritte im Verständnis der Licht-Materie-Wechselwirkung mit ultrakurzen Laserpulsen in den letzten Jahren sind viele Prozesse bei der Materialbearbeitung noch ungeklärt. Insbesondere sind die Auswirkungen der Bestrahlung mit mehreren aufeinanderfolgenden Femtosekunden-Pulsen weitgehend unerforscht. Die vorliegende Arbeit verfolgt zwei Ziele. Zum einen soll ein geeignetes allgemeines Konzept für die quantitative Beschreibung von Modifikations- und Ablationsprozessen infolge der Bestrahlung mit einzelnen und mehreren Pulsen vorgestellt werden. Zum anderen dient die Arbeit der Verbesserung des Verständnisses chemischer und physikalischer Abläufe bei der Materialbearbeitung mit ultrakurzen Ti:Saphir-Laserpulsen. Dazu werden grundlegende experimentelle Untersuchungen an ausgewählten technischen Werkstoffen wie Halbleitern (Si, InP) und Keramiken (TiN, ZrN, VN, AlN) vorgestellt. Besonderer Schwerpunkt liegt neben der Ablation auf der Erzeugung und Charakterisierung verschiedener chemischer, kristallstruktureller und morphologischer Oberflächenmodifikationen mit Pulsdauern von typischerweise 130 fs. Die untersuchten Halbleiter zeigen als Folge der Femtosekunden-Laserbestrahlung verschiedene Fluenzschwellen des Schmelzens mit anschließender Amorphisierung bzw. Rekristallisation und der Ablation. Zudem werden als universelle morphologische Phänomene bei der Einzelpuls-Bestrahlung laserinduzierte Blasen und bei der Mehrpuls-Bestrahlung die Ausbildung von räumlich periodischen Oberflächenstrukturen (Ripples) beobachtet. Für den technologisch bedeutenden Halbleiter Silizium konnten erstmals Laserpulse mit Dauern zwischen 5 und 400 fs eingesetzt werden, um den bekannten Bereich der Pulsdauer-abhängigkeit der Ablationsschwelle um eine Größenordnung zu erweitern. Die Ergebnisse erlauben einen Rückschluß auf den dominanten Energieeintrags-Mechanismus bei der Mehrpuls-Bestrahlung. Zusätzlich wird die für das Material charakteristische Bildung von mikrometergroßen Säulen als Folge der Mehrpuls-Bestrahlung untersucht. Als weiterer Werkstoff wurde der III-V-Verbindungshalbleiter Indiumphosphid ausgewählt, dessen Modifikations- und Ablationsverhalten unter der Einwirkung von fs-Laserpulsen bisher nicht systematisch untersucht worden ist. Die vorliegenden Analysen zeigen, daß für die Einzelpuls- und die Mehrpuls-Bestrahlung unterschiedliche Prozesse beim Materialabtrag wirksam sind. Bei der Mikromaterialbearbeitung technisch relevanter Nitridkeramiken liegt das besondere Augenmerk auf den chemischen Materialveränderungen des Schichtwerkstoffes Titannitrid. Die Arbeit behandelt die Fragestellung, ob bei der Ultrakurzpulsablation von Verbindungs-werkstoffen die Umgebungsatmosphäre eine Rolle spielt und inwiefern eine bevorzugte Ablation eines der Bestandteile der Verbindung auftritt. Durch den Einsatz einer Vielzahl sich ergänzender oberflächenanalytischer Methoden gelingt es, zwei unterschiedliche Fluenzschwellen der Modifikation (Oxidation) und der Ablation zu identifizieren und auf das Zusammenwirken chemischer und physikalischer Mechanismen während der Bearbeitung rückzuschließen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jörn Olaf Bonse
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-2701
Advisor:Dr. Wolfgang Kautek
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2001/05/29
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2001/05/02
Release Date:2001/05/29
Tag:Femtosekunden-Materialbearbeitung; Halbleiter; Laser Ablation; Nitridkeramiken
Institutes:Fachbereich 4 - Physik -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)