DE102012025294A1

DE102012025294A1 - Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102012025294A1
Application number: DE102012025294.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe Stute; Viktor Schütz
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-03
Also published as: WO2014102008A2; WO2014102008A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche (14) eines Werkstücks (12), wobei die Strukturen eine mittlere Tiefe, einen mittleren Abstand voneinander und eine mittlere Ausdehnung aufweisen und in dem Verfahren elektromagnetische Strahlung eines gepulsten Lasers (30) als Laserstrahl (36) auf die Oberfläche (14) des Werkstückes (12) geführt wird und dort einen Lichtfleck (46) bildet, so dass Strukturen entstehen, deren mittlere Ausdehnung kleiner ist als eine Ausdehnung des Lichtfleckes, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Verteilung von Feldstärken elektrischer und/oder magnetischer Felder, die auf die Oberfläche (14) einwirken, derart gewählt wird, dass die Strukturen eine vorbestimmte mittlere Tiefe und/oder einen vorbestimmten mittleren Abstand voneinander aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche eines Werkstückes, wobei die Strukturen eine mittlere Tiefe, einen mittleren Abstand voneinander und eine mittlere Ausdehnung aufweisen und in dem Verfahren elektromagnetische Strahlung eines gepulsten Lasers als Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks geführt wird und dort einen Lichtfleck bildet, so dass Strukturen entstehen, deren mittlere Ausdehnung kleiner ist als eine Ausdehnung des Lichtflecks. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Bei der Laserbearbeitung von Oberflächen von Werkstücken werden heute in vielen Bereichen gepulste Laser verwendet, die ihre elektromagnetische Strahlung nicht im Dauerbetrieb, sondern in gepulster Form, wobei die Länge eines Pulses beispielsweise im Femtosekunden-, Pikosekunden- oder Nanosekundenbereich liegen kann, aussenden. Derartige gepulste Laser können bei unterschiedlichsten Repetitionsfrequenzen von beispielsweise wenigen Hertz bis in den Megahertzbereich betrieben werden. Bei einer Repetitionsfrequenz von beispielsweise 50 kHz werden folglich 50.000 Laserpulse pro Sekunde abgestrahlt. Die elektromagnetische Strahlung dieser gepulsten Laser wird als Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche gelenkt. Dabei liegt die Intensität der einzelnen Laserpulse in der Regel oberhalb der laser- und materialabhängigen Abtragsschwelle, so dass Material von der Oberfläche des Werkstücks abgetragen wird. Dabei wird vorliegend unter der Abtragsschwelle lediglich die Laserabtragsschwelle und nicht eine Abtragsschwelle im Hinblick auf die Gesamtenergiebilanz verstanden. Die so erzeugbaren Strukturen haben daher eine Ausdehnung, die in etwa der Ausdehnung des durch den Laserstrahl erzeugten Lichtflecks entspricht.
Der Lichtfleck kann dabei in einer Scanrichtung mit einer Scangeschwindigkeit über den zu bearbeitenden Teil der Oberfläche des Werkstückes geführt werden. Der Einfluss der Scanrichtung und der Scangeschwindigkeit auf die sich dabei bildenden dreidimensionalen Strukturen wurde in der Literatur bereits untersucht. Alternativ zu dieser Ausführung kann der Lichtfleck auch stationär auf der zu bearbeitenden Oberfläche gehalten werden. Auch in diesem Fall können sich bei geschickter Wahl der einzustellenden Parameter dreidimensionale Strukturen ausbilden.
Nahe der Abtragsschwelle werden seit einigen Jahren mikroskalige Strukturen beobachtet, deren Ausdehnung deutlich geringer ist als die Ausdehnung des jeweiligen Lichtflecks. Die Abtragsschwelle für Silizium liegt beispielsweise bei etwa 0,1 J/cm². Kegelstrukturen werden bis etwa 1–2 J/cm² beobachtet. Diese Schwellenwerte gelten für Ultrakurzpuls-Laserstrahlung. Die wohl bekanntesten dieser Strukturen werden Ripples oder auch „laser induced periodic surface structures” (LIPSS) genannt. Derartige Ripples bestehen aus zumindest nahezu parallel zueinander verlaufenden länglichen Strukturen mit zwischen ihnen liegenden Gräben. Der Abstand zwischen zweien dieser parallel verlaufenden Gräben liegt im Bereich der Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichtes, während die Längsausdehnung der Strukturen deutlich größer als diese Wellenlänge, jedoch immer noch kleiner als ein Durchmesser des Lichtflecks ist.
Derartige Strukturen werden beispielsweise in der EP 1 586 405 A1 beschrieben. Zudem wird der Einfluss einer Scanrichtung, in die der Lichtfleck über den zu bearbeitenden Teil der Oberfläche geführt wird, der Polarisation des eingestrahlten Laserlichtes sowie des Einstrahlwinkels, in dem das Laserlicht auf die zu bearbeitende Oberfläche trifft, untersucht.
In der DE 10 2005 043 495 A1 werden ebenfalls Ripples beschrieben. Auch in ihr wird der Einfluss der Polarisationsrichtung, der Scangeschwindigkeit, mit der sich der Lichtfleck über die zu bearbeitende Oberfläche bewegt, sowie der Laserfluenz auf die Ripples untersucht. Durch das zweimalige Anwenden des in der DE 10 2005 043 495 A1 beschriebenen Verfahrens mit zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen des eingestrahlten Laserlichtes lassen sich zudem Noppenstrukturen erzeugen.
Aus den US 8,143,686 B2 und US 2009/0014842 A1 ist jeweils die Erzeugung von säulenartigen Strukturen bekannt. Dabei wird die zu bearbeitende Oberfläche mit einem Prozessgas oder einem Prozessfluid überströmt beziehungsweise benetzt.
Anmelderseitige Untersuchungen haben gezeigt, dass sich unterschiedliche Arten von Strukturen durch unterschiedliche Energien, die von der Laserstrahlung in das Material eingebracht werden können, erzeugen lassen. So werden bei relativ geringen Energien zunächst die bereits beschriebenen Ripples erzeugt. Je größer die eingebrachte Energiedosis wird, desto mehr verschwinden die länglichen Ripples und desto mehr entstehen zunächst perlenartige und anschließend kegelartige Strukturen. Für alle diese Strukturen gilt jedoch, dass sie eine mittlere Tiefe haben, die sich in einer Richtung senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche des Werkstücks erstreckt, sowie einen mittleren Abstand voneinander. Zudem weisen sie eine mittlere Ausdehnung auf, die insbesondere bei den Ripples in unterschiedliche Richtungen stark unterschiedlich ausgeprägt sein kann. Für alle diese Ausdehnungen gilt jedoch, dass sie kleiner sind als die Ausdehnung des entsprechenden Lichtfleckes in diese Richtung.
Derartig mikrostrukturierte Oberflächen werden in vielen unterschiedlichen Anwendungen benötigt oder vorzugsweise eingesetzt. Sie können beispielsweise dafür sorgen, dass Photodetektoren oder Solarzellen eine geringere Reflexion an ihrer Oberfläche aufweisen, so dass die Effizienz und der Wirkungsgrad derartiger photoelektrischer Elemente gesteigert werden kann. Gleichzeitig können Reibungsparameter eingestellt werden oder die Wirkungsweise von Katalysatoren verbessert werden, da mikrostrukturierte Oberflächen über eine deutlich größere Oberfläche verfügen, als dies bei glatten Oberflächen der Fall ist. In anderen Anwendungsbereichen können beispielsweise die Oberflächen von Werkstücken, die als Implantate in menschlichen oder tierischen Körper verwendet werden, derart beschichtet werden, dass ein Anwachsen von menschlichem oder tierischem Gewebe allgemein erleichtert oder sogar nur für bestimmte Arten von Zellen ermöglicht wird.
Die Erzeugung der hier beschriebenen Strukturen benötigt im Allgemeinen eine relativ geringe Laserintensität, da der Prozess in der energetischen Nähe der Abtragsschwelle angesiedelt ist. Dennoch ist die Gesamtleistung, die zur nano- und mikroskaligen Strukturierung von makroskaligen Oberflächen benötigt wird, nicht zu vernachlässigen, wenn eine adäquat kurze Prozesszeit erreicht werden soll. Da die zu bearbeitenden und zu strukturierenden Oberflächen sich im makroskaligen Bereich bewegen, ergeben sich dennoch notwendige mittlere Laserleistungen im Kilowattbereich, beispielsweise für 6-inch Silizium Solar Wafer, für ultrakurz gepulste Laser. Nach heutigem Stand der Technik ergeben sich daraus für die anzuschaffenden Laser sehr hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten.
Zudem sind die bisher bekannten Verfahren vergleichsweise unflexibel, da die in die Oberfläche einzubringenden Strukturen nicht oder nur in sehr geringem Maß beispielsweise in ihrem mittleren Abstand zueinander oder ihrer mittleren Tiefe einstellbar sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf der Oberfläche eines Werkstückes vorzuschlagen, mit dem die benötigte Laserleistung und damit die Anschaffungs- und Unterhaltskosten reduziert und gleichzeitig die Flexibilität erhöht werden kann, da die gewünschten Parameter der zu erzeugenden Strukturen einstellbar sind.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass eine räumliche Verteilung von Feldstärken elektrischer und/oder magnetischer Felder, die auf die Oberfläche einwirken, derart gewählt wird, dass die Strukturen eine vorbestimmte mittlere Tiefe und/oder einen vorbestimmten mittleren Abstand voneinander aufweisen.
Der Erfindung liegt folglich die Erkenntnis zugrunde, dass es auf die räumliche Verteilung der Feldstärken der auf die Oberfläche einwirkenden elektrischen und/oder magnetischen Felder ankommt. Diese Größen gilt es zu beeinflussen, um gewünschte Strukturformen, gewünschte mittlere Tiefen und/oder gewünschte mittlere Abstände der einzelnen Strukturen voneinander zu erreichen. Um dies zu erreichen, können unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden, die selbstverständlich auch miteinander kombinierbar sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die räumliche Verteilung der Feldstärken, die zur Erzeugung von Strukturen mit der vorbestimmten mittleren Tiefe und/oder dem vorbestimmten mittleren Abstand voneinander nötig ist, zumindest auch durch eine Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls erreicht. Durch die elektromagnetische Strahlung des gepulsten Lasers, die auf die Oberfläche des Werkstückes geführt wird, treten die elektrischen und magnetischen Felder dieser Strahlung in Wechselwirkung mit dem Material des Werkstückes. Bei diesen elektrischen und magnetischen Feldern der elektromagnetischen Strahlung handelt es sich folglich um Felder, die auf die Oberfläche einwirken.
Über die Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des eingestrahlten Laserlichtes innerhalb des erzeugten Lichtflecks lässt sich folglich auch die räumliche Verteilung der Feldstärken des elektrischen und magnetischen Feldes anpassen. Dies kann beispielsweise durch strahlformende optische Elemente geschehen, die beispielsweise die geometrische Form des Lichtflecks verändern. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, auch die Intensitätsverteilung innerhalb des Lichtfleckes zu modifizieren, um zu den gewünschten Ergebnissen bei der erzeugten Struktur zu gelangen. So kann beispielsweise das Intensitätsprofil, das herkömmlicherweise einer Gaußkurve entspricht, so verändert werden, dass beispielsweise im mittleren Bereich des Lichtfleckes eine nahezu konstante Energiedichte herrscht, die zu den Rändern des Lichtfleckes stark abfällt. Ein derartiges Profil lässt sich beispielsweise durch eine Stufenfunktion annähern. Alternativ dazu ist es auch möglich, die größte Intensität und damit die größten elektrischen und magnetischen Feldstärken nicht im Zentrum des Lichtfleckes, sondern beispielsweise ringförmig um das Zentrum herum vorzusehen. Alle diese Beeinflussungen und Änderungen der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls haben eine Änderung der räumlichen Verteilung der Feldstärken der elektrischen und magnetischen Felder der elektromagnetischen Strahlung auf der Oberfläche des Werkstückes zur Folge und haben somit einen direkten Einfluss auf die erzeugten Strukturen. Durch die Kenntnis dieser Zusammenhänge ist es folglich möglich, Strukturen mit den gewünschten Parametern, beispielsweise einer vordefinierten mittleren Tiefe zu erzeugen. Natürlich ist auch jede Form der Fokussierung des Laserstrahls denkbar, um die zu erzeugenden Strukturen zu beeinflussen.
Vorzugsweise ist in einer Datenbank, auf die beispielsweise eine elektrische Steuerung einer Anlage, in der ein beschriebenes Verfahren durchgeführt wird, hinterlegt, welche geometrische Form und/oder welche Intensitätsverteilung zu welchen Strukturen beziehungsweise deren Parametern führt. Soll nun eine Struktur mit bestimmten Parametern erzeugt werden, muss lediglich die gewünschte Konfiguration der geometrischen Form des Lichtfleckes oder der Intensitätsverteilung aus der Datenbank ausgelesen und entsprechend eingestellt werden.
Vorteilhafterweise wird zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls wenigstens ein refraktives optisches Element verwendet. Dies kann beispielsweise analog zu einem Axikon ausgebildet sein, so dass sich beispielsweise radial und zirkular symmetrische räumliche Intensitätsverteilungen erzeugen lassen.
Alternativ oder zusätzlich dazu wird zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls wenigstens ein diffraktives optisches Element verwendet.
Man geht heute davon aus, dass durch die Einstrahlung von gepulstem Laserlicht Quasiteilchen, sogenannte Oberflächenplasmonen, angeregt werden. Stark vereinfacht entsprechen diese Quasiteilchen gekoppelten Oszillationen von Oberflächenelektronen des Materials. Durch geometrisch unterschiedlich geformte Laserstrahlen und/oder unterschiedliche räumliche Intensitätsverteilungen innerhalb des Lichtfleckes der Laserstrahlen lassen sich unterschiedliche Moden und Anregungszustände dieser Quasiteilchen im Oberflächenbereich des Materials anregen, die zu unterschiedlichen Strukturen oder zumindest zu unterschiedlichen Eigenschaften, wie der mittleren Tiefe und dem mittleren Abstand, der Strukturen führen. Neben den so erzeugten Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Parametern ist es beispielsweise möglich, durch die so angeregten stehenden Wellen im Oberflächenbereich des Materials chemische Reaktionen, beispielsweise Oxidationen, an bestimmten Stellen, beispielsweise Schwingungsbäuchen der stehenden Wellen, zu verstärken und somit auf kleinsten Strukturen, beispielsweise im Bereich weniger Mikrometer, die chemischen Eigenschaften der Oberfläche des Materials zu modifizieren.
Dadurch werden weitere Anwendungsgebiete der hier beschriebenen Verfahren erschlossen und die Flexibilität des Verfahrens und insbesondere der mit dem Verfahren bearbeiteten Oberflächen weiter erhöht.
Dadurch, dass Phasenbeziehungen und Polarisationsrichtungen der einzelnen Laserpulse untereinander keine oder allenfalls eine untergeordnete Rolle spielen, und es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nahezu ausschließlich auf die räumliche Verteilung der jeweiligen Feldstärken ankommt, können zudem diffraktive Elemente verwendet werden, um die vom gepulsten Laser ausgesandte elektromagnetische Strahlung in eine Mehrzahl von Laserstrahlen aufzuspalten, die jeweils eine geringere Intensität aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Lichtflecke auf einer zu bearbeitenden Oberfläche zu erzeugen und somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit einer makroskopischen Oberfläche deutlich zu erhöhen. Auf diese Weise werden auch höhere zur Verfügung stehende Laserleistungen besser genutzt und somit die Herstellungsverfahren effizienter und kostengünstiger ausgestaltet.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Anpassungen der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls wird vorteilhafterweise ein elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld angelegt, das auf die Oberfläche wirkt. Dies kann beispielsweise auf besonders einfache Weise dadurch geschehen, dass die zu bearbeitende Oberfläche zwischen die Platten eines Kondensators oder zwischen zwei Elektroden platziert wird. Zwischen diesen wird ein elektrisches Feld angelegt, so dass dieses Feld auch auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt. Ein magnetisches Zusatzfeld kann beispielsweise über Spulenanordnungen erzeugt werden, in oder zwischen denen das zu bearbeitende Werkstück oder zumindest ein Teil der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet wird. Auch magnetische Zusatzfelder, die auf die zu bearbeitende Oberfläche einwirken, können somit auf einfache Weise erzeugt werden.
Die Stärke eines derartigen elektrischen Zusatzfeldes kann beispielsweise im Bereich mehrerer Kilovolt pro Meter liegen. Insbesondere für den Fall, dass das Zusatzfeld nicht gepulst und beispielsweise an die Pulsfrequenz oder die Wiederholrate des gepulsten Lasers angepasst ist, sondern zeitlich durchgehend und permanent oder zumindest relativ lange auf die Oberfläche wirkt, sind derartige elektrische Feldstärken ausreichend, um einen nennenswerten Effekt auf die Eigenschaften der so erzeugten Strukturen zu haben. Dies ist überraschend, da elektrische Feldstärken in der Größenordnung von Kilovolt pro Meter um mehrere, beispielsweise bis zu fünf Größenordnungen unterhalb der elektrischen Feldstärken des Laserlichtes liegen, die im Bereich von 10⁸ Volt pro Meter anzuordnen sind. Dadurch, dass das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld jedoch deutlich länger auf die Oberfläche einwirkt, liegen die Effekte der beiden elektromagnetischen Feldtypen auf die erzeugte Struktur und deren Eigenschaften etwa in den gleichen Größenordnungen.
Vorteilhafterweise weist das Zusatzfeld eine Zusatzfeldstärke auf, die zeitlich konstant ist. Auf diese Weise lassen sich die zu erzeugenden Strukturen in ihren Eigenschaften wie mittlere Tiefe, mittlerer Abstand und mittlere Ausdehnung besonders einfach beeinflussen, so dass die gewünschten Sollgrößen mit einem apparativ besonders geringen Aufwand erreicht werden können. Natürlich ist es auch möglich, die Zusatzfeldstärke des Zusatzfeldes zeitlich zu variieren und so beispielsweise dafür zu sorgen, dass auf unterschiedlichen Teilen der Oberfläche Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden. So ist es möglich, beispielsweise die mittlere Tiefe der erzeugten Strukturen über einen bestimmten Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes zu variieren und so beispielsweise zu erreichen, dass physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise die Benetzbarkeit, über die Oberfläche variieren. Auch dies steigert die Anwendungsmöglichkeiten entsprechend strukturierter Oberflächen.
Bei einer scannenden Bearbeitung der Oberfläche, bei der der Lichtfleck über zumindest einen Teil der Oberfläche geführt wird, ist es mit einem zeitlich variierenden Zusatzfeld folglich möglich, die erzeugten Strukturen auf der Oberfläche räumlich zu variieren. Die Geschwindigkeit, mit der diese Variation erfolgt, hängt von der Scangeschwindigkeit, mit der der Lichtfleck über die Oberfläche geführt wird und von der Geschwindigkeit der zeitlichen Änderung des Zusatzfeldes ab. Durch geschickte Wahl dieser Parameter und eine Abstimmung aufeinander kann folglich eine charakteristische Längenskala, auf der die Variation der Oberflächenstruktur erfolgt, eingestellt werden. Mit dieser Variation der Struktur geht eine Veränderung der physikalischen und gegebenenfalls chemischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche einher.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Zusatzfeld ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld. Die Frequenz, mit der das Zusatzfeld sein Vorzeichen wechselt, kann dabei völlig frei gewählt werden. Insbesondere interessant sind dabei Frequenzen, die beispielsweise im zweistelligen Gigahertzbereich liegen und den Schwingungsfrequenzen der durch die elektrischen Felder angeregten Quasiteilchen entsprechen. Jedoch sind auch kleinere Frequenzen denkbar und für bestimmte Anforderungen sinnvoll.
Natürlich ist es auch möglich, als Zusatzfeld ein Wechselfeld zu nehmen, dem ein konstantes oder nahezu konstantes zweites Zusatzfeld überlagert wird, auf diese Weise können die Effekte beider Feldarten kombiniert werden.
Auch für den Fall, dass als Zusatzfeld ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld verwendet wird, können die Parameter, die dieses Feld beschreiben, während des Scannens geändert werden. So ist es beispielsweise möglich, die Frequenz und/oder die Amplitude des Wechselfeldes im Verlauf des Scannens zu variieren. Auch damit ist es möglich, in unterschiedlichen Bereichen der zu bearbeitenden Oberfläche unterschiedliche Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Parametern zu erzeugen. Natürlich können auch mehrere konstante Felder und/oder mehrere Wechselfelder, die elektrisch und/oder magnetischer Natur sein können, überlagert werden, die einzeln oder gemeinsam während des Bearbeitens der Oberfläche verändert werden können. Die Eigenschaften der Oberfläche, die durch derartig modifizierte Felder erreicht werden können, können so auf unterschiedlichste Anforderungen optimal eingestellt werden.
Die Änderungen der Parameter elektrischer und/oder magnetischer Wechselfelder, wie beispielsweise die Frequenz und/oder Amplitude des entsprechenden Feldes geschieht dabei auf einer Zeitskala, die vorteilhafterweise lang ist gegenüber der Frequenz des jeweiligen Wechselfeldes.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Zusatzfeld eine Richtung auf, die zu einer Scanrichtung, in die der Lichtfleck über die Oberfläche geführt wird, einen einstellbaren Feldwinkel aufweist. Interessanterweise hat auch dieser Feldwinkel einen Einfluss auf die strukturellen Eigenschaften der zu erzeugenden Struktur. Durch die Einstellbarkeit dieses Feldwinkels ist folglich ein weiterer Parameter gegeben, der einfach veränderbar ist und einen wohl definierten Einfluss auf die zu erzeugende Struktur aufweist. Durch die unterschiedlichen Möglichkeiten, die Strukturen zu beeinflussen, können nahezu alle strukturellen Eigenschaften der zu erzeugenden Struktur, wie Tiefe, Abstand und Ausdehnung, unabhängig voneinander beeinflusst werden, so dass nahezu jede Kombination von gewünschten strukturellen Eigenschaften erzeugbar ist. Auch in diesem Fall kann es sinnvoll sein, den Feldwinkel als Funktion der Zeit, beispielsweise mit der Position des Lichtflecks auf der Oberfläche, zu variieren, um beispielsweise Strukturen mit variierender Tiefe oder variierendem Abstand zueinander zu erzeugen. Auch dadurch lassen sich die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Oberfläche gezielt und reproduzierbar variieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens besteht jeder Puls des gepulsten Lasers aus wenigstens zwei separaten zeitlich aufeinander folgenden Teilpulsen. In diesem Fall kann der Puls auch als Gesamtpuls bezeichnet werden. Diese Teilpulse weisen bevorzugt einen zeitlichen Abstand von wenigen Nanosekunden bis Mikrosekunden auf und folgen somit wesentlich schneller aufeinander als es beispielsweise der Repetitionsfrequenz des gepulsten Lasers entspricht. Anstelle von Einzelpulsen, die der Repetitionsfrequenz entsprechend voneinander zeitlich getrennt sind, entspricht nun jeder Gesamtpuls einer Mehrzahl von schnell aufeinander folgenden Teilpulsen. Dabei ist vorzugsweise der zeitliche Abstand zwischen zwei Teilpulsen kleiner als der durch die Repititionsfrequenz gegebene zeitliche Abstand zweier Gesamtpulse. Auch damit lassen sich die erzeugten Strukturen beeinflussen. Diese Art der Laserpulse ist natürlich nicht auf zwei Teilpulse beschränkt. Prinzipiell können auch mehrere Teilpulse, beispielsweise fünf, sieben oder zehn, verwendet werden, die zeitlich schnell aufeinander folgen und gemeinsam einen Gesamtpuls bilden. Natürlich ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Teilpulsen nicht notwendigerweise konstant. Es ist auch möglich, die einzelnen Teilpulse zeitlich unterschiedlich weit voneinander zu beabstanden. So ist es beispielsweise möglich, den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Teilpulsen innerhalb eines Gesamtpulses zu verlängern oder zu verkürzen. Auch die Intensität der verschiedenen Teilpulse eines Gesamtpulses kann variiert werden, so dass verschiedene Teilpulse unterschiedlich viel Energie in das zu bearbeitende Material eintragen. Natürlich kann eine solche Variation der Intensitäten der Teilpulse auch über mehrere Gesamtpulse hinweg erfolgen.
Durch die Aufspaltung eines Einzelpulses oder Gesamtpulses in mehrere schnell hintereinander erfolgende Teilpulse kann bei gleicher verwendeter Laserfluenz die erzeugte Struktur über einen weiten Bereich beeinflusst werden. So ist es beispielsweise möglich, kegelartige oder perlenartige Strukturen zu erzeugen, deren mittlerer Abstand voneinander durch eine Veränderung des zeitlichen Abstands mehrerer aufeinander folgender Teilpulse beeinflusst wird. Zudem kann die Anordnung derartiger Strukturen beispielsweise von einer linienförmigen oder streifenförmigen Anordnung zu einer isotropen Verteilung dieser Strukturen verändert werden. Wollte man derartige Strukturen mit Einzelpulsen erzeugen, die nicht in eine Mehrzahl von Teilpulsen aufgespalten sind, müssten hierzu Pulse mit einer deutlich größeren Fluenz verwendet werden, so dass stärkere Laser benötigt würden. Dies hätte zusätzliche Anschaffungskosten zur Folge.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Lichtfleck über zumindest einen Teil der Oberfläche geführt. Dies hat zur Folge, dass der Anteil der Oberfläche, der bearbeitet wird, deutlich größer sein kann, als der Lichtfleck. Dadurch können auch großflächige Oberflächenteile bearbeitet werden. Zudem ist es möglich, unterschiedliche Teile der zu bearbeitenden Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Eigenschaften zu bestrahlen, da nicht die gesamte zu bearbeitende Oberfläche gleichzeitig bestrahlt wird. Insbesondere die bereits beschriebene Variation von elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldern ist in diesem Fall eine denkbare und oftmals sinnvolle Anwendungsmöglichkeit.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens geeignet. Sie umfasst vorteilhafterweise folglich Mittel zur Strahlformung und/oder zur Veränderung des Intensitätsprofils beziehungsweise der räumlichen Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahls. Zudem oder alternativ dazu verfügt die Vorrichtung über Möglichkeiten, elektrische und/oder magnetische Felder aufzubringen, die konstant, nahezu konstant oder zeitlich veränderlich ausgebildet sein können. Vorzugsweise ist die Vorrichtung in der Lage, ein derartiges Feld relativ zur zu bearbeitenden Oberfläche zu drehen, um beispielsweise den Feldwinkel zwischen dem Zusatzfeld und der Scanrichtung zu verändern. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, den Laserstrahl in unterschiedliche Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über die zu bearbeitende Oberfläche zu führen.
Wie bereits beschrieben weist die Vorrichtung vorzugsweise zudem eine Datenbank oder einen Datenspeicher auf, in dem für die gewünschten Strukturparameter, wie beispielsweise Tiefe, Abstand oder Ausdehnung, bestimmte Konfiguration der Vorrichtung hinterlegt sind. Diese Konfigurationen betreffen beispielsweise die benötigte Strahlformung, die benötigte Intensitätsverteilung der Laserstrahlung aber auch Stärke, Richtung und zeitlichen Verlauf gegebenenfalls anzulegender Zusatzfelder.
Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
1a bis 1c – eine Übersicht über unterschiedliche mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erreichbare Strukturen,
2a – den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2b – den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 – die schematische Darstellung einer Pulsfolge für ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
4 – eine weitere schematische Darstellung eines Aufbaus für eine Vorrichtung und
5 – mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugte Oberflächenstrukturen.
1a bis 1c zeigen eine Übersicht über unterschiedliche durch ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erreichbare Strukturen. In 1a sind längliche Ripples 2 dargestellt, die nahezu in einem 45°-Winkel verlaufen. Man erkennt zwischen zwei benachbarten Ripples 2 einen Abstand 4 der beiden Ripples 2 zueinander, der kleiner als 1 μm ist.
Gleiches gilt für die Ausdehnung der Ripples 2 in 1a quer zur Längsrichtung der Ripples 2, während sich die Ausdehnung in Längsrichtung der Ripples 2 deutlich mehr als 5 μm erstreckt. Die erzeugten Strukturen sind folglich nur in einer Richtung kleiner als der verwendete Lichtfleck. In 1a liegt eine anisotrope Ausdehnung der Strukturen vor, die in einer Richtung im Bereich der Laserwellenlänge liegt. Um die Ripples 2 gemäß 1a zu erzeugen, ist eine relativ geringe Energiedosis notwendig. Wird diese Dosis erhöht, gelangt man zu der Struktur, die in 1b dargestellt ist. Es handelt sich dabei um perlenartige Strukturen 8, deren Ausdehnung eine deutlich größere Isotropie aufweist als dies bei den Ripples 2 aus 1a der Fall ist.
Wird die Energiedosis, die durch den Laserstrahl übertragen wird, weiter erhöht, entstehen kegelartige Strukturen 10, die in 1c dargestellt sind. Man erkennt, dass diese kegelartigen Strukturen eine deutlich gleichmäßigere geometrische Form als die perlenartigen Strukturen 8 aufweisen.
2a zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Man erkennt drei Werkstücke 12, die eine Oberfläche 14 aufweisen, die bearbeitet werden soll. Der dafür notwendige Laser ist in 2 nicht dargestellt.
In 2a ist rechts und links von den Werkstücken 12 je eine Elektrode 16 dargestellt, die beispielsweise eine Kondensatorplatte sein kann. Die Elektroden 16 sind über Kabel 18 mit einer Gleichspannungsquelle 20 verbunden. Dadurch wird zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Zusatzfeld 22 erzeugt. Dieses Zusatzfeld 22 wird durch die Pfeile dargestellt. Durch die Wahl einer Feldstärke des Zusatzfeldes 22 können die auf der Oberfläche 14 der Werkstücke 12 erzeugten Strukturen beeinflusst werden, so dass sie die gewünschten Parameter, wie mittlere Tiefe, mittleren Abstand und mittlere Ausdehnung erfüllen. Statt der Gleichspannungsquelle 20 kann natürlich auch eine Wechselspannungsquelle verwendet werden, die ein zeitabhängiges Wechselfeld als Zusatzfeld 22 zur Folge hat. Natürlich ist die Stärke und die Richtung des Zusatzfeldes 22 ebenfalls vorteilhafterweise frei durchstimmbar und einstellbar.
2b zeigt den schematischen Aufbau einer weiteren Vorrichtung für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu der in 2a gezeigten Ausführungsform wird hier nur die Oberfläche 14 eines Werkstückes 12 bearbeitet. Dabei werden im in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel drei Oberflächenbereiche 28 mit einer Struktur versehen. Auch hier sind zwei Elektroden 16 dargestellt, die jedoch hier mit dem Werkstück 12 in Kontakt stehen und gegebenenfalls mit diesem verbunden sein können. Auch durch diese Elektroden 16 wird das Zusatzfeld 22 erzeugt.
3 zeigt die schematische Darstellung einer Pulsfolge gemäß derer elektromagnetische Strahlung von dem gepulsten Laser auf die zu bearbeitende Oberfläche 14 geleitet wird. Dargestellt ist die Intensität I der Laserzeit t. Man erkennt zwei Gruppen von Teilpulsen 24, wobei jeweils drei Teilpulse 24 einen Puls 26 bilden. Zwischen dem Beginn zweier benachbarter Pulse 26 vergeht die Repetitionszeit t_rep, die durch den Pfeil 29 dargestellt ist. Diese Dauer wird durch die Repetitionsfrequenz bestimmt, mit der der Laser seine Pulse aussendet. Zwischen zwei benachbarten Teilpulsen 24 hingegen, liegen jeweils Teilpulszeitspannen t_Tp, die ebenfalls durch Doppelpfeile dargestellt sind. Man erkennt, dass diese Teilpulszeitspannen t_Tp innerhalb eines Pulses 26 nicht konstant sein müssen, sondern im gezeigten Ausführungsbeispiel mit zunehmender Zeit zunehmen. Natürlich sind auch Pulse 26 vorstellbar, die aus mehr oder weniger als drei Teilpulsen 24 bestehen oder andere Teilpulszeitspannen t_Tp aufweisen. Diese Teilpulszeitspannen t_Tp sind deutlich kürzer als die Repetitionszeit t_rep und sollten insbesondere nicht größer sein als die Hälfte der Repetitionszeit t_rep. Sie betragen beispielsweise einige Nanosekunden, was den Hauptanwendungsfall darstellt, bis zu wenigen Mikrosekunden.
Man erkennt in 3 zudem, dass die Teilpulse 24 nicht alle die gleiche Intensität I aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils der mittlere der drei Teilpulse 24 mit einer höheren Intensität I ausgestattet, als der erste und der dritte Teilpuls 24. Im in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die beiden mittleren Teilpulse 24 der Pulse 26 auch nicht die gleiche erhöhte Intensität I auf. Natürlich sind auch die Intensitäten I der übrigen Teilpulse 24 je nach gewünschtem Anforderungsprofil individuell frei einstellbar.
Mit Hilfe der Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können folglich unterschiedliche Arten von Mikro- und Nanostrukturen in die Oberfläche unterschiedlichster Werkstoffe, beispielsweise Halbleiter oder Metalle, eingebracht werden, wobei zusätzlich deren geometrische Parameter wie Tiefe, mittlerer Abstand und mittlere Ausdehnung nahezu frei einstellbar sind. Dies geschieht durch von extern aufgebrachte Zusatzfelder, die elektrische und/oder magnetische Felder sein können oder alternativ dazu ist es möglich, durch Strahlformung die geometrische Form des beleuchtenden Lichtflecks und/oder die Intensitätsverteilung innerhalb des Lichtfleckes so zu ändern, dass die entsprechenden geometrischen Parameter der erzeugten Strukturen den gewünschten Werten entsprechen. Natürlich können derartige Verfahren mit Prozessgasen und/oder Prozessfluiden kombiniert werden, die auf die Oberfläche, die es zu bearbeiten gilt, aufgebracht werden. Auch dadurch können die geometrischen Eigenschaften der aufgebrachten Strukturen verändert und wie gewünscht beeinflusst werden.
4 zeigt schematisch eine detailliertere Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens. Ein gepulster Laser 30 sendet einen ersten Laserstrahl 32 einer ersten Wellenlänge aus. Dieser wird in einen Frequenzverdoppler 34 eingeleitet, der einen zweiten Laserstrahl 36 aussendet, der die gegenüber dem ersten Laserstrahl 32 verdoppelte Frequenz aufweist. Der zweite Laserstrahl 36 wird über einen ersten Spiegel 38 einem Strahlaufweiter 40 zugeführt und von diesem in aufgeweiteter Form über einen zweiten Spiegel 42 einem Scanner 44 zugeführt. Dieser führt den Laserstrahl als Lichtfleck 46 über das Werkstück 12. Dieser Bereich ist im unteren Teil der 4 vergrößert dargestellt. Man erkennt das Werkstück 12, dessen Oberfläche bearbeitet werden soll, wobei sich rechts und links neben dem Werkstück 12 zwei Elektroden 16 befinden. In 4 von oben kommt der zweite Laserstrahl 36, der von dem Scanner 44 auf das Werkstück 12 aufgebracht wird. Die beiden Elektroden 16 sind über Kabel 18 mit der Gleichspannungsquelle 20 verbunden.
5 zeigt mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellte Oberflächenstrukturen. Die drei oberen Darstellungen sind Aufnahmen von Strukturen, die ohne ein zusätzlich angelegtes Zusatzfeld erzeugt wurden. Der angegebene Winkel φ steht dabei für unterschiedliche Scanrichtungen, in denen der Lichtfleck über die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials geführt wurde. Φ = 0° entspricht einer Scanrichtung von links nach rechts und φ = 180° eine Scanrichtung von rechts nach links, während bei φ = 90° die Scanrichtung von unten nach oben in den gezeigten Darstellungen verläuft.
In den drei unteren Darstellungen der 5 sind die Resultate für Verfahren gezeigt, bei denen zusätzlich ein Zusatzfeld angelegt wurde. Dieses ist im vorliegenden Beispiel ein konstantes elektrisches Feld mit einer Feldstärke von 8333 Volt pro Meter. Die Richtung des Zusatzfeldes verläuft dabei für alle drei unteren Darstellungen von links nach rechts, so dass im linken unteren Abschnitt die Scanrichtung und die Richtung des elektrischen Zusatzfeldes parallel und im rechten Abschnitt antiparallel zu einander verlaufen. Im mittleren Unteren Abschnitt verlaufen die Scanrichtung und die Richtung des elektrischen Zusatzfeldes senkrecht zu einander.
Alle Ergebnisse wurden mit einer Laserfluenz von H_p = 0.5 J/cm² erzeugt. Die Anzahl der Pulse pro Punkt N_ppp = d_fokf_rep/v wurde auf 100 eingestellt. Dabei steht d_fok für den Durchmesser des Lichtfleckes, der im vorliegenden Beispiel auf etwa 20 μm eingestellt wurde. v ist die Scangeschwindigkeit und f_rep die bereits angesprochene Repetitionsfrequenz.
Aus den Ergebnissen lässt sich ablesen, dass ein durchschnittlicher Abstand der einzelnen Strukturen von einander deutlich zunimmt, wenn die Scanrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes parallel oder antiparallel zueinander verlaufen, während diese Zunahme bei einem Winkel φ = 90° und φ = 270° (nicht gezeigt) deutlich geringer ausfällt. Bei einem Winkel φ = 0° vergrößert sich der durchschnittliche Abstand von 4,82 μm ohne Zusatzfeld auf 6,37 μm mit Zusatzfeld. Bei φ = 90° von 4,69 μm auf 5,44 μm, bei φ = 180° von 5,03 μm auf 7,14 μm und bei φ = 270° (nicht dargestellt) von 4,97 μm auf 5,35 μm.
Durch die Wahl der Art des Zusatzfeldes, der Stärke des Zusatzfeldes aber auch der Richtung des Zusatzfeldes gegebenenfalls relativ zu einer Scanrichtung lässt sich folglich die erzeugte Struktur beeinflussen. Es stehen somit eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter zur Verfügung um die gewünscht Struktur mit den gewünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzzweck herzustellen.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel wurde beispielsweise die Reflektivität einer Solarzelle, die aus einem behandelten Wafer aus polykristallinem Silizium hergestellt wurde, um 10% gesenkt und so die Effizienz und der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht.
Bezugszeichenliste

t: Zeit
I: Intensität
T_rep: Repetitionszeit
T_tp: Teilpulszeitspanne
2: Ripple
4: Abstands
8: perlenartige Struktur
10: kegelartige Struktur
12: Werkstück
14: Oberfläche
16: Elektrode
18: Kabel
20: Gleichspannungsquelle
22: Zusatzfeld
24: Teilpuls
26: Puls
28: Oberflächenbereich
29: Pfeil
30: Gepulster Laser
32: Erster Laserstrahl
34: Frequenzverdoppler
36: Zweiter Laserstrahl
38: Erster Spiegel
40: Strahlaufweiter
42: Zweiter Spiegel
44: Scanner
46: Lichtfleck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1586405 A1 [0005]
DE 102005043495 A1 [0006, 0006]
US 8143686 B2 [0007]
US 2009/0014842 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche (14) eines Werkstücks (12), wobei die Strukturen eine mittlere Tiefe, einen mittleren Abstand voneinander und eine mittlere Ausdehnung aufweisen und in dem Verfahren elektromagnetische Strahlung eines gepulsten Lasers (30) als Laserstrahl (36) auf die Oberfläche (14) des Werkstückes (12) geführt wird und dort einen Lichtfleck (46) bildet, so dass Strukturen entstehen, deren mittlere Ausdehnung kleiner ist als eine Ausdehnung des Lichtfleckes (46), dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Verteilung von Feldstärken elektrischer und/oder magnetischer Felder, die auf die Oberfläche (14) einwirken, derart gewählt wird, dass die Strukturen eine vorbestimmte mittlere Tiefe und/oder einen vorbestimmten mittleren Abstand voneinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Feldstärken zumindest auch durch eine Anpassung einer räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls (36) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls (36) wenigstens ein refraktives optisches Element verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls (36) wenigstens ein diffraktives optisches Element verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld (22) angelegt wird, das auf die Oberfläche (14) einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (22) eine Zusatzfeldstärke aufweist, die zeitlich konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (22) ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (22) eine Richtung aufweist, die zu einer Scanrichtung, in die der Lichtfleck (46) über die Oberfläche (14) geführt wird, einen einstellbaren Feldwinkel aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Puls (26) des gepulsten Lasers (30) aus wenigstens zwei separaten zeitlich aufeinander folgenden Teilpulsen (24) besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfleck (46) über zumindest einen Teil der Oberfläche (14) geführt wird.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.