DE102011111998A1

DE102011111998A1 - Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102011111998A1
Application number: DE102011111998A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Gillner Arnold; Malte Schulz-Ruhtenberg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-02-28
Also published as: EP2750825B1; EP2750825A1; WO2013030343A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche, wobei die Oberfläche mit einem Laser so bestrahlt wird, dass sie zumindest bereichsweise modifiziert wird oder in einem Bereich unterhalb der Oberfläche modifiziert wird und dann einem Ätzprozess so unterzogen wird, dass dort, wo die Oberfläche durch die Bestrahlung mit dem Laser modifiziert wurde, Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt und/oder vergrößert werden. Dabei wird durch das Modifizieren mittels des Lasers die Topographie der Oberfläche um höchstens 1 μm verändert. Nach dem Ätzprozess kann die Topographie dann stärker verändert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche, wobei die Oberfläche mit einem Laser so bestrahlt wird, dass sie zumindest bereichsweise modifiziert wird oder in einem Bereich unterhalb der Oberfläche modifiziert wird und dann einem Ätzprozess so unterzogen wird, dass dort, wo die Oberfläche durch die Bestrahlung mit dem Laser modifiziert wurde, Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt und/oder vergrößert werden. Dabei wird durch das Modifizieren mittels des Lasers die Topographie der Oberfläche um höchstens 1 μm verändert. Nach dem Ätzprozess kann die Topographie dann stärker verändert werden.
Strukturierungen von Oberflächen spielen eine besondere Rolle für die Erzeugung von reflexionsmindernden Oberflächentexturen auf Wafern für Solarzellen, um die Lichteinkopplung und damit den Wirkungsgrad der Solarzellen zu erhöhen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, auf mono- und multikristallinen Wafern mittels nasschemischen Ätzens Texturen zu erzeugen, welche die Reflexion stark vermindern. Die hierzu eingesetzten Chemikalien variieren abhängig vom zu ätzenden Material. Im Normalfall sind derartige Ätzverfahren isotrop, so dass in alle Richtungen gleich stark geätzt wird.
Die Ätzverfahren greifen an Oberflächendefekten an, die durch das Sägen des Wafers aus dem Ingot entstehen. Hierdurch wird der Ätzprozess anisotrop, es werden also bestimmte Bereiche oder Richtungen schneller geätzt als andere.
Es wurden verbesserte Sägeverfahren vorgeschlagen, die deutlich effizienter sind und die Herstellung dünnerer Wafer ermöglichen (z. B. mit Diamantsägebändern). Durch diese Verfahren wird die Oberfläche beim Sägen wesentlich weniger geschädigt. Dennoch eignen sich aufgrund der Anisotropie herkömmliche nasschemische Ätzverfahren nur bedingt zur Herstellung reflexionsvermindernder Texturen. Dies gilt auch für Wafer, welche durch andere Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch Ionenimplantation oder „edgedefined film-fed growth” (EFG).
Zur Vermeidung der Problematik des anisotropen Ätzens wurde vorgeschlagen, in eine Oberfläche mittels gebündelter Laserstrahlung reflexionsmindernde Vertiefungen mit einem bestimmten Aspektverhältnis einzubringen. Die Oberfläche wird dann. einem Ätzprozess unterzogen, indem das Aspektverhältnis der Vertiefungen zumindest erhalten bleibt. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass es nicht möglich ist, mittels dieser Verfahren auf der Fläche beispielsweise eines 6-Zoll-Wafers (24336 mm²) vollflächig Vertiefungen mit einer lateralen Ausdehnung von < 1 μm zu erzeugen. Insbesondere ist dies mit den erforderlichen Taktzeiten von 1 Sekunde pro Prozessschritt in den aktuellen Technologien nicht realisierbar. Zudem trägt eine solche vollflächige Laserbearbeitung mit für die Erzeugung von Vertiefungen ausreichend hoher Energie enorme Wärmemengen in das Material ein, wodurch es zu Waferbruch kommen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Strukturierung nach Anspruch 1 sowie die Oberflächenbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 14. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Strukturierung einer Oberfläche an.
Erfindungsgemäß wird eine Oberfläche dadurch strukturiert, dass sie mit einem Laser so bestrahlt wird, dass die Oberfläche und/oder ein Bereich unter der Oberfläche zumindest bereichsweise modifiziert wird. Die Bestrahlung mit dem Laser wird dabei so gesteuert, dass durch das Modifizieren der Oberfläche eine Topographie der Oberfläche um weniger als 1 μm in der Höhe verändert wird. Das bedeutet, dass durch das Modifizieren die Oberfläche nach dem Modifizieren an jeder Stele der Oberfläche um weniger als 1 μm von der Oberfläche vor dem Modifizieren abweicht. Unter Topographie wird hierbei das Höhenprofil der Oberfläche verstanden, d. h. die Höhe der Oberfläche in Abhängigkeit vom Ort in der Erstreckungsebene der Oberfläche.
Anders als im Stand der Technik kommt es in der vorliegenden Erfindung nicht darauf an, durch die Laserbestrahlung bereits die Topographie der Oberfläche zu verändern. Es wurde erfindungsgemäß vielmehr erkannt, dass durch die Laserbestrahlung eine Veränderung des Werkstoffs herbeigeführt wird, die zu einer Veränderung in der Wirkung eines Ätzmittels in einem anschließenden Ätzprozess führt. D. h, zudem, dass wesentlich geringere Energiemengen pro Fläche nötig sind, um diese Modifikation herbeizuführen. Das hat den Vorteil, dass der Wafer einem geringeren Wärmeeintrag ausgesetzt wird, und dass das Verfahren höheren Durchsatz erlaubt, da auf massive Strahlteilung und/oder hochrepetierende Strahlquellen zurückgegriffen werden kann. Als hochrepetierende Strahlquellen können vorteilhaft solche mit einer Pulsfrequenz größer oder gleich 1 MHz, vorzugsweise größer oder gleich 10 MHz, besonders bevorzugt größer oder gleich 20 MHz eingesetzt werden.
Entsprechend wird die Oberfläche nach der Bestrahlung mit dem Laser einem Ätzprozess unterzogen, bei dem Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt und/oder vergrößert werden. Die eigentliche Oberflächenaufrauhung erfolgt daher anders als im Stand der Technik nicht bereits bei der Laserbestrahlung, sondern erst im anschließenden Ätzprozess.
Die Veränderung des Werkstoffs der Oberfläche kann vorzugsweise umfassen, dass in der Oberfläche Mikroversetzungen, Mikrorisse, Mikrobohrungen und/oder Mikrovertiefungen erzeugt werden und/oder dass das Material der Oberfläche einen Phasenwechsel durchläuft. Es kann also beispielsweise eine Strukturänderung oder auch ein geringförmiges Anschmelzen durch die Laserbestrahlung erzielt werden.
Wie beschrieben wird die Topographie der Oberfläche dabei um nicht mehr als 1 μm in der Höhe senkrecht zur Oberfläche verändert. Sofern in der Oberfläche also Risse oder Vertiefungen erzeugt werden, haben diese eine geringere Tiefe als 1 μm. Die Topographie der Oberfläche kann bei der Laserbestrahlung auch gänzlich unverändert bleiben.
Die mechanische Festigkeit des Werkstoffs kann dabei unverändert bleiben. Schwachstellen innerhalb des Werkstoffs können vermieden werden, die im späteren Gebrauch der behandelten Oberfläche zu Bruch führen könnten oder eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften bewirken könnten.
Bevorzugterweise ist der Laser gepulst. Die Pulsdauer ist dabei vorzugsweise ≤ 1 μsek, besonders bevorzugt ≤ 0,5 μsek, besonders bevorzugt ≤ 0,3 μsek. Auch Ultrakurzpulslaser können zum Einsatz kommen, bei denen die Pulsdauer ≤ 100 ps, vorzugsweise ≤ 1 ps, vorzugsweise ≤ 100 fs und/oder ≥ 1 fs, ist. Durch solche Ultrakurzpulslaser können an der Oberfläche nanoskalige Strukturen durch Selbstorganisationseffekte der erzeugten nanoskaligen Schmelze in Wechselwirkung mit dem elektrischen Feld der Laserstrahlung erzeugt werden, was zu einer selektiven Erhöhung der Ätzrate führt.
Sofern mittels des Lasers ein Phasenwechsel des Oberflächenmaterials bewirkt wird, wird vorzugsweise mittels jeweils eines Pulses des Lasers ein Phasenwechsel des Materials der Oberfläche in einem Punkt auf oder unter der Oberfläche erzeugt. Auf diese Weise können eine Vielzahl von einander beabstandeter Punkte hergestellt werden. Dabei ist vorzugsweise eine Ausdehnung der Punkte jeweils in Richtung parallel zur Oberfläche ≥ 100 nm, vorzugsweise ≥ 500 nm, besonders bevorzugt ≥ 1 μm und/oder ≤ 5 μm, vorzugsweise ≤ 3 μm, besonders bevorzugt ≤ 2 μm.
Umfasst die Modifizierung der Oberfläche durch die Laserbestrahlung, dass in der Oberfläche Mikroversetzungen, Mikrorisse, Mikrobohrungen und/oder Mikrovertiefungen erzeugt werden, so sind diese vorzugsweise kreisförmig und/oder hexagonal angeordnet und/oder statistisch verteilt und nicht zusammenhängend. Dabei ist eine Versetzungslänge bevorzugt ≥ 100 nm, vorzugsweise ≥ 500 nm, besonders bevorzugt ≥ 1 μm und/oder ≤ 5 μm, vorzugsweise ≤ 3 μm, besonders bevorzugt ≤ 2 mm.
Unter Mikrorissen werden hier Fehler im Kristallgitter des Siliziums verstanden, analog zu den Versetzungen in polykristallinem Material. Die Versetzungslänge bezeichnet dabei die Ausdehnung der Versetzung im Material. Diese erhöhen lokal die Ätzrate, ohne dass eine Veränderung der Topographie des Materials nötig ist. Mikrorisse sind hingegen Spalte im Material, welche aufgrund thermomechanischer Spannungen entstehen. Unter Mikrobohrungen bzw. Mikrovertiefungen werden Veränderungen der Topographie verstanden mit Ausdehnungen < 10 μm, vorzugsweise < 5 μm, besonders bevorzugt < 1 μm in allen Richtungen (parallel und senkrecht zur Oberfläche).
Bevorzugterweise wird durch die Laserbestrahlung die Oberfläche bis zu einer Tiefe von ≤ 1 μm modifiziert, besonders bevorzugt bis zu einer Tiefe ≤ 100 nm, besonders bevorzugt ≤ 10 nm.
Mittlere Leistungen können vorzugsweise im Bereich zwischen 1 W und 1000 W liegen, Pulsspitzenleistungen zwischen einigen kW und einigen GW. Intensitäten können sich beispielsweise zwischen MW/cm² und TW/cm² bewegen. Die Leistung und Intensität wird erfindungsgemäß im Einzelfall in Abhängigkeit von der Pulsdauer gewählt, die zwischen einigen fs und einigen μs liegen kann. Beispielhaft können zur Erzielung von industriell einsetzbarem Durchsatz von 1 Sekunde pro Prozessschritt Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit mittlerer Leistung um 1000 W und Intensitäten von 1000 GW/cm² eingesetzt werden.
Der Ätzprozess kann erfindungsgemäß mit einer Vielzahl verschiedener Verfahren durchgeführt werden, besonders vorteilhaft sind trockenreaktives Ätzen, Plasmaätzen und/oder nasschemisches Ätzen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Oberfläche vor dem Bestrahlen mit dem Laser im zu modifizierenden Bereich mit Nanopartikeln, vorzugsweise mit Gold-Nanopartikeln, belegt werden. Wird nun die Oberfläche, vorzugsweise mit einem Infrarot-Laser, bestrahlt, ergibt sich eine lokale Felderhöhung durch sog. „Plasmonen-Resonanz”. Durch die Geometrie der Nanopartikel ist diese lokale Felderhöhung auf Bereiche von wenigen 10 bis 100 nm begrenzt. Es können hierdurch thermomechanische Veränderungen bis hin zur Ablation der Werkstoffe hervorgerufen werden. Der Vorteil bei diesem Ansatz liegt darin, dass der Laserstrahl hierzu nicht direkt fokussiert sein muss. Die Bestrahlung kann flächig mit einem unfokussierten oder nur leicht fokussierten Laserstrahl erfolgen. Durch dieses Vorgehen lässt sich die Flächenrate, d. h. die pro Zeiteinheit bearbeitete Fläche, deutlich erhöhen. Der Effekt kann dadurch verstärkt werden, dass die Bestrahlung der Nanopartikel auf der Werkstoff-Oberfläche in einem ätzenden Medium erfolgt, bei dem der Ätzeffekt durch die lokale Felderhöhung und die dadurch ausgelösten thermischen Effekte lokal begrenzt wird. Besonders vorteilhaft ist hier CF₄ als Ätzmittel verwendbar.
Im Anschluss an diese Behandlung mit Laserstrahlung und Nanopartikeln kann dann geätzt werden, beispielsweise trockenreaktiv (Plasmaätzen) oder nasschemisch. Die durch den Laserstrahl erzeugten Oberflächendeffekte ermöglichen es dem Ätzprozess, eine Textur zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Schritt der Bestrahlung der Oberfläche mit dem Laser auch gleichzeitig mit dem Ätzprozess durchgeführt werden. Dabei kann sich das Substrat in einer Ätzkammer oder einem Ätzbad befinden und mit dem Laser durch das Ätzmedium hindurch bestrahlt werden. An den Fokuspunkten des Lasers wird dadurch eine kurzzeitige Erhitzung bewirkt, die eine Erhöhung der Ätzrate zur Folge hat oder eine Werkstoff-Modifikation erzeugt, an der das Ätzmedium instantan angreifen kann.
Um eine großflächige Modifikation der Oberfläche zu bewirken, ist es vorteilhaft, wenn der Laser die Oberfläche in den zu modifizierenden Bereichen scannt, vorzugsweise mittels eines galvanometrischen Scanners und besonders bevorzugt mittels eines Polygon-Scanners. Auf diese Weise können beispielsweise punktförmige oder lokale Modifikationen über einen großen Bereich der Oberfläche aufgebracht werden.
Wie bereits beschrieben, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders, um eine Oberfläche einer Solarzelle zu strukturieren, um hierdurch eine Verminderung der Reflexion von Licht an der Oberfläche zu erzielen. Die Oberfläche kann aber auch beispielsweise eine Oberfläche einer Licht-emittierenden Diode, vorzugsweise einer organischen Leuchtdiode sein, wobei dann die Strukturierung eine Lichtauskopplung aus der Diode verbessert. Auch kann die Oberfläche eine Oberfläche einer Lichtstreustruktur sein. Es ist darüber hinaus auch möglich, dass durch die Strukturierung eine funktionale Eigenschaft der Oberfläche, wie beispielsweise Hydrophilie oder Hydrophobie, erzeugt oder beeinflusst wird.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Beispiele näher erläutert werden. Es wird dabei auf die folgenden Figuren Bezug genommen:
Es zeigt
1 ein Beispiel vorteilhafter Strukturen, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind,
2 ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem eine Modifizierung des Werkstoffs unter der Oberfläche erzeugt wird, und
3 ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem mittels eines unfokussierten Laserstrahls auf die Oberfläche gestrahlt wird, auf welcher Nanopartikel aufgebracht sind.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers mittels eines galvanometrischen Scanners (Anordnung von zwei Spiegeln, welche drehbar gelagert und motorisiert sind) oder eines Polygonscanners (ein Polygonscanner ist ein schnell drehendes Rad mit mehreren, z. B. 8 spiegelnden Oberflächen) über die Oberfläche eines polierten Siliziumwafers bewegt. Die Fokussierung geschieht mit einem f-theta-Objektiv, welches eine Fokussierung auf eine Ebene über den ganzen Bereich des Wafers ermöglicht. Der Laserstrahl wird in Linien über die ganze Waferfläche gerastert, wobei der räumliche Abstand der Pulse in Linienrichtung durch die Scangeschwindigkeit und die Repetitionsrate des Lasers bestimmt wird. Der Linienabstand wird per Software eingestellt. Durch die Laserbestrahlung ändert sich eine Topographie der Oberfläche um weniger als 1 μm in der Höhe. Es werden Mikroversetzungen, Mikrorisse, Mikrobohrungen und/oder Mikrovertiefungen erzeugt oder die Oberfläche oder ein darunterliegender Bereich aufgeschmolzen. Nach der ganzflächigen Bestrahlung wird der Laser in einer Plasmaätzanlage geätzt und eine vollflächige Textur entsteht.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird wie in Ausführungsbeispiel 1 der Laser über den Wafer bewegt. Dabei werden jedoch nur bestimmte Bereich bestrahlt (per Software gesteuert). Dabei kann die Modifikation punktförmig vorgenommen werden, wobei die Punkte beispielsweise kreisförmig oder hexagonal verteilt sind. Anschließend wird wiederum in einer Plasmaätzanlage geätzt. Die entstehende Textur bildet sich nur in den laserbearbeiteten Bereich aus. In den unbestrahlten Bereichen wirkt der Ätzprozess isotrop und entfernt das Silizium daher gleichförmig.
In beiden Ausführungsbeispielen können Bestrahlung und Ätzprozess auch gleichzeitig durchgeführt werden.
1 zeigt beispielhaft eine Oberflächenstruktur in einer Schnittebene senkrecht zur Fläche der Oberfläche, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbar ist. Die Struktur ist besonders vorteilhaft zur Verbesserung der Lichteinkopplung in Solarzellen. Hierbei sind als Struktur in die Oberfläche Vertiefungen 1a, 1b, 1c eingebracht, deren Wand 2a, 2b, 2c im Wesentlichen parabelförmig ist. Im gezeigten Beispiel haben die Vertiefungen 1a, 1b, 1c in der Oberfläche eine Tiefe von ungefähr 1 μm und sind mit ihrem Mittelpunkt zwischen 100 nm und 5 μm voneinander entfernt. In einer Aufsicht auf die Oberfläche können die Öffnungen 1a, 1b, 1c vorteilhaft kreisförmig sein.
Eine Struktur, wie sie in 1 gezeigt ist, kann beispielsweise mittels eines gepulsten Lasers hergestellt werden, der die Oberfläche scannt. Die Oberfläche kann die gezeigten Vertiefungen dabei flächig verteilt aufweisen. Die Vertiefungen können in der Ebene der Oberfläche beispielsweise kreisförmig bzw. hexagonal angeordnet sein.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in welchem ein Laserstrahl 3 in eine Fokusebene 5 unter der Oberfläche 4 fokussiert wird. Hierdurch können in einem Bereich 6 um den Fokus Mikroversetzungen und/oder Mikrorisse erzeugt werden und/oder das Material in diesem Bereich 6 kann einen Phasenwechsel durchlaufen. Dabei bleibt eine Veränderung der Topographie der Oberfläche 4 unterhalb von 1 μm. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Beispiel ist Laserstrahlung mit einer Wellenlänge > 1 μm vorteilhaft.
In einem an die Bestrahlung anschließenden Ätzprozess können dort, wo die Oberfläche bzw. der Bereich unterhalb der Oberfläche durch die Bestrahlung mit dem Laser modifiziert wurde, Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt und/oder vergrößert werden, die beispielsweise wie in 1 gezeigt ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß kann der Laserstrahl 3 auch auf die Oberfläche 4 selbst zentriert werden, um in dieser Oberfläche 4 Mikroversetzungen, Mikrorisse, Mikrobohrungen und/oder Mikrovertiefungen zu erzeugen und/oder einen Phasenwechsel des Materials der Oberfläche zu bewirken.
Auch in diesem Fall werden durch den anschließenden Ätzprozess die Vertiefungen 1a, 1b, 1c in der Oberfläche erzeugt.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird die Oberfläche 4 zunächst mit einer Vielzahl von Nanopartikeln 7a, 7b, 7c, 7d belegt. Es wird dann die Oberfläche 4 flächig mit Ultrakurzpulslaserstrahlung 3 bestrahlt. Die Laserstrahlung 3 ist in 3 mit ihren Wellenfronten dargestellt, die parallel zueinander und parallel zur Oberfläche 4 verlaufen und sich in Richtung senkrecht zur Oberfläche 4 auf die Oberfläche 4 zubewegen.
Im Bereich der Nanopartikel stellt sich nun eine lokale Felderhöhung 8a, 8b, 8c, 8d ein, die thermisch und/oder thermomechanisch auf die Oberfläche einwirkt und dadurch die Oberfläche modifiziert.
Im Anschluss an die Bestrahlung können die Nanopartikel entfernt werden und für eine wiederholte Bestrahlung verwendet werden.
Es wird dann wiederum der Ätzprozess zur Herstellung der Vertiefungen in der Oberfläche durchgeführt. Die in diesem Verfahren hergestellten Vertiefungen 1a, 1b, 1c können die in 1 gezeigte Form haben.
Die Nanopartikel 7a, 7b, 7c, 7d können besonders vorteilhaft Gold-Nanopartikel 7a, 7b, 7c, 7d sein. Als Laser 3 eignet sich besonders ein Infrarot-Laser.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Nanopartikeln kann besonders vorteilhaft in einem ätzenden Medium, wie beispielsweise CF₄, durchgeführt werden, wobei durch die lokale Felderhöhung 8a, 8b, 8c, 8d an den Nanopartikeln ein Ätzeffekt verursacht oder verstärkt wird. Auch in diesem Fall kann der Bestrahlung des Lasers dann der eigentliche Ätzprozess folgen.
Erfindungsgemäß kann der Schritt der Laserbestrahlung der Oberfläche vor dem Ätzprozess durchgeführt werden, es können aber auch beide Schritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Das Scannen der Oberfläche mittels des Lasers kann beispielsweise mittels eines galvanometrischen Scanners, bevorzugt mittels eines Polygon-Scanners erfolgen.
Die Oberfläche 4 kann beispielsweise die Oberfläche einer Solarzelle sein, auf der Reflexion der Sonnenstrahlung vermindert werden soll. Die Oberfläche kann aber auch beispielsweise eine Glasoberfläche sein, beispielsweise ein Substrat für Dünnschicht-Solarzellen oder eine Oberfläche einer Licht-emittierenden Diode, insbesondere einer organischen Leuchtdiode. Generell kommt jede Oberfläche in Frage, auf der Licht gestreut werden soll. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem beispielsweise auch auf Metallen einsetzbar, um z. B. ein verändertes optisches Erscheinungsbild zu erzeugen. Bei einer Anwendung des Verfahrens auf Walzen lassen sich derart strukturierte Walzen für die großflächige Abformung auf Bändern und Blechen einsetzen. Auch funktionale Eigenschaften der Oberfläche 4, wie beispielsweise Hydrophilie oder Hydrophobie, können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflusst werden.

Claims

Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche, wobei die Oberfläche mit einem Laser so bestrahlt wird, dass die Oberfläche und/oder ein Bereich unter der Oberfläche zumindest bereichsweise modifiziert wird, wobei durch das Modifizieren eine Topographie der Oberfläche in Richtung der Höhe senkrecht zur Oberfläche um maximal 1 μm verändert wird, und wobei die Oberfläche einem Ätzprozess so unterzogen wird, dass dort, wo die Oberfläche oder der Bereich unterhalb der Oberfläche durch die Bestrahlung mit dem Laser modifiziert wurde, Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt und/oder vergrößert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifizierung der Oberfläche mit dem Laser umfasst, dass in der Oberfläche Mikroversetzungen, Mikrorisse, Mikrobohrungen und/oder Mikrovertiefungen erzeugt werden und/oder dass die Modifizierung der Oberfläche mit dem Laser umfasst, dass ein Material der Oberfläche einen Phasenwechsel durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit jeweils einem Puls des Lasers ein Phasenwechsel eines Materials der Oberfläche in jeweils einem Punkt mit jeweils einer Ausdehnung in Richtung parallel zur Oberfläche von größer oder gleich 100 nm, vorzugsweise größer oder gleich 500 nm, besonders bevorzugt größer oder gleich 1 μm und/oder kleiner oder gleich 5 μm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 2 μm, bewirkt wird und der Phasenwechsel in einer Vielzahl von Punkten bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modifizierung der Oberfläche mit dem Laser umfasst, dass in der Oberfläche Mikroversetzungen, Mikrorisse, Mikrobohrungen und/oder Mikrovertiefungen erzeugt werden, die im wesentlichen kreisförmig und/oder hexagonal angeordnet sind, und/oder statistisch verteilt und nicht zusammenhängend sind, wobei bevorzugt eine Versetzungslänge größer oder gleich 100 nm, vorzugsweise größer oder gleich 500 nm, besonders bevorzugt größer oder gleich 1 μm und/oder kleiner oder gleich 5 μm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 μm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 2 μm, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch die Bestrahlung mit dem Laser bis zu einer Tiefe ≤ 1 μm, vorzugsweise ≤ 100 nm, besonders bevorzugt ≤ 10 nm, modifiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser ein gepulster Laser ist, vorzugsweise mit einer Pulsdauer ≤ 1 μs, besonders bevorzugt ≤ 1 ns, besonders bevorzugt ≤ 10 ps, besonders bevorzugt ≤ 100 fs.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bestrahlung der Oberfläche mit dem Laser die Topographie der Oberfläche im Wesentlichen nicht verändert wird oder nur so verändert wird, dass die Abweichungen der Oberfläche von ihrer Topographie vor Bestrahlung mit dem Laser kleiner oder gleich 0,5 μm, vorzugsweise kleiner oder gleich 100 nm sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ätzprozess trocken-reaktives Ätzen, Plasmaätzen und/oder nasschemisches Ätzen umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung der Oberfläche mit dem Laser gleichzeitig zu dem Ätzprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Bestrahlung mit dem Laser die Oberfläche zumindest im zu modifizierenden Bereich mit Nanopartikeln, vorzugsweise Gold-Nanopartikeln, belegt wird, und dass der Laser ein Infrarotlaser ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlung der Oberfläche mit dem Laser in einem ätzenden Medium, vorzugsweise in zumindest einem reaktiven Gas, besonders bevorzugt in CF₄, erfolgt, in dem der Ätzeffekt durch eine lokale Felderhöhung in Folge von Oberflächenplasmonenbildung an den Nanopartikeln verursacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Modifikation der Oberfläche der Laser die zu modifizierenden Bereiche der Oberfläche scannt, vorzugsweise mittels eines galvanometrischen Scanners, besonders bevorzugt mittels eines Polygon-Scanners.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine Oberfläche einer Solarzelle ist und die Strukturierung der Oberfläche eine Verminderung der Reflektion von Licht an der Oberfläche bewirkt, oder dass die Oberfläche eine Oberfläche einer lichtemittierenden Diode, vorzugsweise eine organische Leuchtdiode, ist, und die Strukturierung die Lichtauskopplung verbessert, oder dass die Oberfläche eine Oberfläche einer Lichtstreustruktur ist, oder dass die Strukturierung eine Änderung einer funktionalen Eigenschaft der Oberfläche, vorzugsweise der Hydrophilie oder Hydrophobie, bewirkt.
Oberflächenbehandlungsvorrichtung mit zumindest einem Laser und zumindest einer Ätzvorrichtung, wobei mit der Oberflächenbehandlungsvorrichtung ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführbar ist.