DE102015210827B4

DE102015210827B4 - Verfahren zur Ausbildung von Strukturierungen an Oberflächen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102015210827B4
Application number: DE102015210827.9A
Authority: DE
Inventors: Teja Roch; Andrés Fabián Lasagni
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2035-06-13
Also published as: DE102015210827A1

Abstract

Verfahren zur Ausbildung von Strukturierungen an Oberflächen eines Bauteils (6), bei demauf eine zu strukturierende Oberfläche eine Beschichtung (3) aus amorphem Kohlenstoff (a-C) aufgebracht wird und anschließend mit lokal definierten Energieeinträgen eine lokal definierte Modifizierung (4) des Beschichtungswerkstoffes, ohne dass ein Abtrag von Beschichtungswerkstoff erfolgt, erreicht wird, wobeidurch die Modifizierung (4) in der Beschichtung (3) lokale Veränderungen der Dichte und damit lokale Veränderungen der Schichtdicke der Beschichtung (3)und/oderin der Beschichtung (3) lokale Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit erreicht werden, wobeiim Falle der lokalen Veränderungen der Schichtdicke die Strukturierungen aus den Unterschieden in der Schichtdicke der Beschichtung (3) mit oder ohne Aufbringen einer weiteren metallischen Schicht (5) auf die Beschichtung (3) herausgebildet werden, undim Falle der lokalen Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit die Strukturierungen durch Aufbringen einer weiteren metallischen Schicht (5) auf die Beschichtung (3) herausgebildet wird, wobei die Schichtabscheidung der metallischen Schicht (5) überwiegend im Bereich höherer elektrischer Leitfähigkeit erfolgt wobeiwenn keine metallische Schicht (5) auf die Beschichtung (3) aufgebracht wird, der modifizierte Beschichtungswerkstoff (4) durch ein Ätzverfahren (A) entfernt wird,und die Strukturierungen Strukturperioden von 80 nm bis 5000 nm aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von Strukturierungen an der Oberfläche eines Bauteils. Die präzise und produktive Ausbildung von Oberflächentopografien ist ein schnell wachsender technologischer Bereich. Weltweit wird daran geforscht, Strukturen aus der Natur nachbilden und diese kostengünstig replizieren zu können. Gegenwärtig existiert jedoch keine Technologie, die derartige Submikro- und Nanostrukturen mit Strukturgrößen im Bereich 0,08 nm bis 250 nm großflächig, in kurzer Zeit und kostengünstig auf 3D-Oberflächen applizieren kann. Bislang ist es nicht möglich, nanostrukturierte Walzen mit Strukturgrößen < 450 nm herzustellen, mit denen z.B. ein endloses und nahtloses Prägen von Folien möglich ist.
Bisher erfolgt die Nanostrukturierung von Walzen mittels Lithografieverfahren. Dabei wurden auf Metallfolien über Belichtungs- und Ätzverfahren Strukturen mit Größen zwischen 100 nm und 2000 nm ausgebildet. Diese werden auf eine Walze aufgelegt und verschweißt. An der Nahtstelle entstehen jedoch sich bei der Abformung zyklisch wiederholende Fehlstellen. Alternativ können auch sogenannte Nickel-Sleeves direkt strukturiert werden. Diese Verfahren sind jedoch entweder sehr langsam (e-beam), es können keine Strukturgrößen < 250 nm erreicht werden (Laserverfahren) oder der Strukturierungsprozess ist inhomogen (Strukturierung mittels Laserabtrag).
So sind von T. Roch u.a. aus „Surface modification oft hin thetrahedral amorphous carbon films by means of UV direct laser interfernc pattering"; Diamond & Related Materials, 19, (2010); S. 1472-1477Möglichkeiten zur lokalen Beeinflussung an amorphen Kohlenstoffschichten mittels Laserstrahlung bekannt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, definierte Oberflächentopografien schnell und präzise zu auszubilden, und dabei die bekannten Nachteile zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ausbildung von Strukturierungen an Oberflächen eines Bauteils wird auf eine zu strukturierende Oberfläche zunächst eine Beschichtung aufgebracht, und anschließend mit lokal definierten Energieeinträgen eine lokal definierte Modifizierung des Beschichtungswerkstoffs vorgenommen, ohne dass dabei ein Abtrag von Beschichtungswerkstoff erfolgt. Durch die Modifizierungen in der Beschichtung werden lokale Veränderungen der Dichte und damit lokale Veränderungen der Schichtdicke der Beschichtung erreicht. Alternativ oder gleichzeitig können in der Beschichtung lokale Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit erreicht werden.
Die lokal definierten Energieeinträge können bevorzugt optisch durch Laserinterferenzstrukturierung oder elektrisch durch angelegte Elektroden oder durch Korpuskularstrahl, insbesondere fokussierten lonenstrahl, erreicht werden. Erfolgt der lokal definierte Energieeintrag durch Laserinterferenzstrukturierung, können bevorzugt Wellenlängen von 150 nm bis 5000 nm eingesetzt werden.
Die durch die lokal definierten Energieeinträge erreichten Veränderungen der Schichtdicke der Beschichtung führen zu entsprechenden lokalen Unterschieden in der Schichtdicke im Vergleich zu den nicht modifizierten Bereichen der Beschichtung, diese Unterschiede der Schichtdicke können mit oder ohne eine weitere auf die Beschichtung aufgebrachte metallische Schicht die Strukturierung an der Oberfläche bilden.
Wird durch die lokal definierten Energieeinträge die elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung lokal definiert verändert, was auch ohne eine Änderung in der Schichtdicke geschehen kann, werden die Strukturierungen durch Aufbringen einer weiteren metallischen Schicht auf die Beschichtung herausgebildet, wobei die Schichtabscheidung der metallischen Schicht überwiegend im Bereich höherer elektrischer Leitfähigkeit erfolgt, so dass sich dort Erhebungen ausbilden lassen, die mit Vertiefungen die Strukturierung bilden.
Wenn keine metallische Schicht aufgebracht worden ist, kann der modifizierte Beschichtungswerkstoff durch ein Ätzverfahren bei einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative entfernt werden. Danach kann die Strukturierung der Oberfläche durch mindestens ein weiteres Ätzverfahren mit mindestens einem Ätzschritt fortgesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Beschichtung der zu strukturierenden Oberfläche aus amorphem Kohlenstoff, bevorzugt jedoch aus tetraedischem wasserstofffreien amorphen Kohlenstoff (ta-C), gebildet, und durch den Energieeintrag einer lokal definierten Phasenumwandlung dieses Kohlenstoffs überwiegend in die sp2-Modifikation des Kohlenstoffs und/oder in eine kristalline Form dieses Kohlenstoffs umgewandelt werden.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die zu strukturierende Oberfläche eines Bauteils zunächst mit einer oder mehreren Zwischenschicht(en) bevorzugt zur Haftvermittlung und/oder zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder als chemische Barriere für Ätzprozesse beschichtet werden, und auf diese Zwischenschicht(en) die Beschichtung aufgebracht werden, die durch den definierten Energieeintrag modifiziert wird. Diese Beschichtung kann auch als Multischichtstapel, z.B. aus Kohlenstoffschichten mit alternierend hohem Anteil an sp3-gebundenen Atomen und hohem Anteil sp2-gebundener Atome ausgeführt sein. In gleicher Weise ist auch eine alternierende Variation des Kristallisationsgrades oder der Schichtspannungen im Kohlenstoff der einzelnen Schichten denkbar.
Das Aufbringen der Beschichtung der zu strukturierenden Oberfläche und/oder der weiteren Beschichtungen und/oder der Zwischenschicht(en) kann durch chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung oder Galvanisierung erfolgen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Oberfläche von Folien, aber auch die Oberfläche einer Walze zum Prägen von Folien strukturiert werden. Dabei sind Strukturperioden von 80 nm bis 5000 nm herstellbar. Beispielsweise sind bei Einsatz eines UV-Lasers, wie z.B. eines frequenzvervielfachten Festkörperlasers oder eines Excimerlasers, Strukturperioden unter 200 nm möglich. Die Walzen können Längen von 1 mm bis 2000 mm, Durchmesser von 2 mm bis 500 mm und im Falle von Hohlzylindern als Walzenkörper Wandstärken von 0,5 bis 500 µm aufweisen. Zu strukturierende Metallfolien können Längen von 2 mm bis 2000 mm, Breiten von 2 mm bis 2000 mm und eine Dicke von 0,05 µm bis 10000 µm aufweisen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind definierte Topografien direkt an der Oberfläche von Bauteilen herstellbar, insbesondere können Strukturierungen durch direkte Laserinterferenzstrukturierung auf tribologisch günstigen Oberflächen erzeugt werden. Es können Strukturperioden von 80 nm bis 5000 nm ausgebildet und die Strukturierung einfach an Vorgaben angepasst werden. Die von einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierten Walze geprägten Folien können beispielsweise als Antireflektionsfolien für Displays oder die Photovoltaik verwendet werden. Insbesondere für optische Anwendungen kann die Strukturierung auch nicht periodisch sein, zumindest in einer Raumrichtung nicht periodisch sein.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Beispielen näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel für die Ausbildung eines Laserprozesses,
2 Möglichkeiten für die Ausbildung laserstrukturierter Oberflächen durch lokale Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit und Aufbringen einer metallischen Schicht auf die Beschichtung, und
3 das teilweise Entfernen einer modifizierten Schicht durch Ätzverfahren.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem mit einem Laserprozess nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Oberfläche einer Walze strukturiert werden kann. Dabei wird mit einem Laserstahl von einer Laserstrahlungsquelle 1 mit einer Wellenlänge von 263 nm, einer Pulsenergie von 300 µJ und einer Pulsenergiedichte von 0,11 J/cm² eingesetzt. Die Pulsfrequenz beträgt 1000 Hz, die Pulslänge 2 ns. In diesem beispielhaften Verfahren werden Strukturperioden zwischen 0,15 µm und 10 µm erreicht. Bei dem beispielhaften Laserprozess wird der Laserstrahl mit einem diffraktiven Element 7 in zwei Teilstrahlen mit einem Winkel von 38,35° aufgespalten. Mittels eines Primas 8 werden die Teilstrahlen in Richtung zur zu strukturierenden Oberfläche ausgerichtet und anschließend mittels eines weiteren Prismas 9 wieder miteinander interferierend überlagert. Aus dem Aufbau resultiert eine Interferenzperiode von 400 nm. Auf der Walze 2 ist diamantähnlicher Kohlenstoff (ta-C) als Beschichtung 3 aufgebracht worden, und durch lokal definierte Erhöhungen der Temperatur des Beschichtungswerkstoffes erfolgt eine lokale Phasenumwandlung von diamantähnlichem zu amorphem oder kristallinem graphitartigen Kohlenstoff, d.h. von vornehmlich sp3-hybridisiertem zu vornehmlich sp2-hybridisiertem Kohlenstoff. Die lokale Phasenumwandlung, auch Graphitisierung genannt, führt zu lokalen Änderungen der Eigenschaften der Beschichtung 3. Dadurch kann

1. lokal definiert eine geringere Dichte und damit ein lokales Erhöhen der Schichtdicke,
2. eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, und
3. eine geringere Stabilität des Beschichtungswerkstoffes in vorab bestrahlten Bereichen gegenüber Ätzmitteln oder Plasmaätzprozessen erreicht werden.

2 zeigt, wie nach der lokalen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Beschichtung 3 auf dem Bauteil 6 durch die lokal definierten Energieeinträge mittels Galvanisierung G eine metallische Schicht 5 aufgebracht werden kann, wobei die Schichtabscheidung überwiegend an Stellen hoher elektrischer Leitfähigkeit erfolgt. Dabei zeigt 2a, dass durch die lokal definierten Energieeinträge sowohl die elektrische Leitfähigkeit, als auch die Schichtdicke in den modifizierten Bereichen 4 der Beschichtung 3 verändert wurde. Dadurch sind bereits lokal begrenzte Schichtdickenunterschiede erreicht worden, die eine Strukturierung der Oberfläche bilden.
Durch das Aufbringen einer metallischen Schicht 5 mittels Galvanisierung G werden diese Schichtdickenunterschiede vergrößert, da sich die metallische Schicht 5 überwiegend, also mit größerer Schichtdicke, an Positionen höherer elektrischer Leitfähigkeit abscheidet. In 2b ist zu erkennen, dass sich nur die elektrische Leitfähigkeit durch die lokal definierten Energieeinträge verändert hat, jedoch nicht die Schichtdicke der Beschichtung 3.
Wird nun eine metallische Schicht 5 durch Galvanisierung auf diese Beschichtung 3 aufgebracht, wird auch hier die metallische Schicht 5 überwiegend, also mit größerer Schichtdicke, an den Positionen höherer elektrischer Leitfähigkeit abgeschieden und bildet so die Strukturierung der Oberfläche aus.
3 zeigt beispielhaft, wie die durch die lokal definierten Energieeinträge modifizierte Beschichtung 3 durch Ätzverfahren A entfernt werden kann.
In 3a wird die Beschichtung 3 eines Bauteils 6 durch lokal definierte Energieeinträge wie im Beispiel nach 1 modifiziert. Die modifizierten Bereiche 4 werden anschließend durch ein Ätzverfahren A entfernt. Das Bauteil 6 kann nun beispielsweise als Prägewerkzeug verwendet werden.
In 3b wurde die Beschichtung 3 eines Bauteils 6 durch lokal definierte Energieeinträge ebenfalls so modifiziert. Die modifizierten Bereiche 4 wurden anschließend durch ein erstes Ätzverfahren (nicht gezeigt) entfernt. Danach werden durch das Ätzverfahren A1 auch Bereiche des Bauteilwerkstoffs entfernt, die nicht durch die Beschichtung 3 bedeckt sind. Mit einem weiteren Ätzverfahren A2 wird anschließend die Beschichtung 3 vom Bauteil 6 entfernt.
In 3c wurde die Beschichtung 3 eines Bauteils 6 durch lokal definierte Energieeinträge modifiziert und die modifizierten Bereiche 4 wurden anschließend durch ein Ätzverfahren A (nicht gezeigt) entfernt. Anschließend wird eine metallische Schicht 5 galvanisch (G) auf die Beschichtung 3 des Bauteils 6 abgeschieden, wobei die Abscheidung überwiegend, also mit größerer Schichtdicke, an den Positionen höherer elektrischer Leitfähigkeit erfolgt.
Beim nasschemischen Ätzen der Beschichtung 3 kann KOH, HNO₃ mit H₂SO₄ oder K₂Cr₂O₇ mit H₂SO₄ und beim Trockenätzen der Beschichtung 3 kann O₂ oder CF₄ als Ätzmittel eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Ausbildung von Strukturierungen an Oberflächen eines Bauteils (6), bei dem auf eine zu strukturierende Oberfläche eine Beschichtung (3) aus amorphem Kohlenstoff (a-C) aufgebracht wird und anschließend mit lokal definierten Energieeinträgen eine lokal definierte Modifizierung (4) des Beschichtungswerkstoffes, ohne dass ein Abtrag von Beschichtungswerkstoff erfolgt, erreicht wird, wobei durch die Modifizierung (4) in der Beschichtung (3) lokale Veränderungen der Dichte und damit lokale Veränderungen der Schichtdicke der Beschichtung (3) und/oder in der Beschichtung (3) lokale Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit erreicht werden, wobei im Falle der lokalen Veränderungen der Schichtdicke die Strukturierungen aus den Unterschieden in der Schichtdicke der Beschichtung (3) mit oder ohne Aufbringen einer weiteren metallischen Schicht (5) auf die Beschichtung (3) herausgebildet werden, und im Falle der lokalen Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit die Strukturierungen durch Aufbringen einer weiteren metallischen Schicht (5) auf die Beschichtung (3) herausgebildet wird, wobei die Schichtabscheidung der metallischen Schicht (5) überwiegend im Bereich höherer elektrischer Leitfähigkeit erfolgt wobei wenn keine metallische Schicht (5) auf die Beschichtung (3) aufgebracht wird, der modifizierte Beschichtungswerkstoff (4) durch ein Ätzverfahren (A) entfernt wird, und die Strukturierungen Strukturperioden von 80 nm bis 5000 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokal definierten Energieeinträge optisch durch Laserinterferenzstrukturierung oder elektrisch durch angelegte Elektroden oder durch Korpuskularstrahl, insbesondere fokussierten lonenstrahl, erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei lokal definierten Energieeinträgen durch Laserinterferenzstrukturierung Wellenlängen von 150 nm bis 5000 nm verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der zu strukturierenden Oberfläche aus tetraedischem wasserstofffreiem amorphen Kohlenstoff (ta-C) ausgebildet und durch den Energieeintrag eine lokal definierte Phasenumwandlung von a-C in die sp2-Modifikation erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass-durch den Energieeintrag eine lokal definierte Kristallisation erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zu strukturierende Oberfläche des Bauteils (6) zunächst mindestens eine Zwischenschicht insbesondere zur Haftvermittlung und/oder zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder als chemische Barriere für Ätzprozesse (A) und/oder als tribologisch relevante Beschichtung aufgebracht wird, und auf diese Zwischenschicht/en die Beschichtung (3) aufgebracht wird, die die Modifizierung durch den definierten Energieeintrag erfährt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (3) der zu strukturierenden Oberfläche und/oder die weitere metallische Beschichtung (5) und/oder die mindestens eine Zwischenschicht durch chemische Gasphasenabscheidung oder physikalische Gasphasenabscheidung oder Galvanisierung (G) ausgebildet wird/werden.