DE102021205679A1

DE102021205679A1 - Verfahren zum Herstellen von Mikrostrukturen an einem Diamant-Kristall

Info

Publication number: DE102021205679A1
Application number: DE102021205679.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Förtsch; Stefan Hengesbach; Robert Rölver
Original assignee: QAnt GmbH
Current assignee: QAnt GmbH
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2022-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen mindestens einer Mikrostruktur (8a-c) an einem Diamant-Kristall (2), umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls (4) auf eine Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2), Bewegen des gepulsten Laserstrahls (4) und des Diamant-Kristalls (2) relativ zueinander entlang einer Vorschubrichtung (12) zum Abtragen von Material von der Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) entlang mindestens einer Ablationsbahn zum Ausbilden der mindestens einen Mikrostruktur (8a-c). Beim Ausbilden der mindestens einen Mikrostruktur (8a-c) liegt eine Temperatur (T) an der Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) bei mehr als 600°C, bevorzugt bei mehr als 700°C, insbesondere bei mehr als 800°C und bei weniger als 1000°C.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von mindestens einer insbesondere optisch nutzbaren Mikrostruktur an einem Diamant-Kristall (d.h. einem Diamant-Einkristall), umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls auf eine Oberfläche des Diamant-Kristalls, sowie Bewegen des gepulsten Laserstrahls und des Diamant-Kristalls relativ zueinander entlang einer Vorschubrichtung zum Abtragen von Material von dem Diamant-Kristall entlang mindestens einer Ablationsbahn zum Ausbilden der mindestens einen Mikrostruktur.
Für die Herstellung von Mikrostrukturen, beispielsweise von Wellenleiter-Strukturen, in optischen Kristallen gibt es unterschiedliche Ansätze. Ein Ansatz besteht darin, die Wellenleiter durch Brechungsindexmodifikation in den optischen Kristall einzuschreiben, wie dies beispielsweise in dem Artikel „High-repetition-rate femtosecond-laser micromachining of low-loss optical-lattice-like-waveguides in lithium niobate“, T. Piromjitpong et al., Proc. of SPIE Vol. 10684 (2018) beschrieben ist. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Mikrostrukturen durch Laserablation herzustellen.
Beide Ansätze werden in dem Artikel „Optical waveguides in crystalline dielectric materials produced by femtosecond-laser micromachining“, Feng Chen et. al., Laser Photonics Rev. 8, No. 2, 2014 beschrieben. Dort ist unter anderem angegeben, dass Stegwellenleiter durch Laserablation hergestellt werden können, indem Rillen in das Substrat eingebracht werden, zwischen deren Seitenwänden der Stegwellenleiter ausgebildet wird. Dort ist auch beschrieben, dass ein Nachteil der auf diese Weise hergestellten Stegwellenleiter darin besteht, dass bei der Laserablation mit Femtosekunden-Laserpulsen raue Seitenwände gebildet werden, welche die Qualität des Stegwellenleiters reduzieren und dessen Verluste erhöhen.
In der EP 0 803 747 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Subtrats beschrieben, das mit einem optischen Wellenleiter in Form eines Stegwellenleiters versehen ist. Der Stegwellenleiter wird durch Laserablation hergestellt, beispielsweise unter Verwendung eines Excimer-Lasers bei Wellenlängen zwischen 150 nm und 300 nm und Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden. Der Laserstrahl kann zu diesem Zweck auf eine Oberfläche des Substrats ausgerichtet und über das Substrat bewegt bzw. gescannt werden. Die optische Achse des Laserstrahls ist hierbei vertikal zur Oberfläche des Substrats ausgerichtet. Der Stegwellenleiter sollte ein möglichst rechteckiges Querschnitts-Profil aufweisen, um Lichtverluste zu vermeiden.
Die Herstellung von Mikrostrukturen in einem Diamant-Kristall wird im Vergleich zu Kristallen aus anderen Materialien dadurch erschwert, dass die Kohlenstoff-Atome eine extrem hohe Bindungsenergie aufweisen und daher die Laserablationsschwelle bei der Verwendung von gepulsten (UV-)Lasern mit 2 J/cm² sehr hoch liegt. Zur Mikrostrukturierung von Diamant werden daher typischerweise Ätzprozesse eingesetzt, beispielsweise reaktives Ionenätzen, vgl. den Artikel „Inverse Designed Diamond Photonics“, C. Dori et al., nature communications (2019) 10:3309, oder den Artikel „Anisotropic diamond etching through thermochemical reaction between Ni and diamond in high-temperature water vapour“, M. Nagai et al., Scientific Reports (2018) 8:6687, in dem ein Ätzprozess mit Hilfe einer thermochemischen Reaktion zwischen Ni und Diamant in Hochtemperatur-Wasserdampf beschrieben wird.
Aufgrund der begrenzten Interaktionstiefen der für die Laserablation üblicherweise verwendeten fs-Laser sind bisherige Versuche zur Mikrostrukturierung von Diamant-Kristallen durch Laserablation auf die Herstellung von laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturen mit Strukturgrößen von typischerweise weniger als 200 nm begrenzt, vgl. beispielsweise den Artikel „Photonic structures in diamond based on femtosecond UV laser induced periodic surface structuring (LIPSS)“, E. Granados et al., Optics Express, Vol. 25, No. 13, p. 15330.
In dem Artikel „Nonlinear photooxidation of diamond surface exposed to femtosecond laser pulses“, V. V. Kononenko et al., Laser Phys. Lett. 12 (2014) 096101, wird beschrieben, dass bei der Bestrahlung von Diamant mit fs-Laserpulsen eine photoinduzierte Oxidation des Kohlenstoffs des Diamant-Kristalls erfolgt, bei der volatile Ätzprodukte wie CO oder CO₂ gebildet werden.
Bei den optisch nutzbaren Mikrostrukturen, die in einen Diamant-Kristall eingeschrieben werden, kann es sich beispielsweise um Wellenleiterstrukturen oder um Geometrien zum Sammeln von Licht handeln. Insbesondere wenn der Diamant-Kristall mit Farbzentren dotiert ist, beispielsweise mit NV(„nitrogen vacancy“)-Zentren, kann dieser zur Realisierung von Quanten-Sensoren sowie zur Realisierung von Quanten-Rechnern verwendet werden. Da das Messprinzip von diamant-basierten Quanten-Sensoren auf der Auswertung optischer Fluoreszenz beruht, können lichtleitende Mikrostrukturen in dem Diamant-Kristall dazu beitragen, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit die Empfindlichkeit von Quanten-Sensoren zu verbessern. Beispielsweise können die Mikrostrukturen bei Diamant-Kristallen, die mit Farbzentren dotiert sind, dazu verwendet werden, um einerseits eine optimale optische Anregungsdichte von Anregungslicht bei einer Anregungs-Wellenlänge (bei der Verwendung von NV-Zentren beispielsweise zwischen 510-550 nm) und andererseits eine optimales Sammeln des durch das Anregungslicht erzeugten Fluoreszenzlichts (beispielsweise bei Fluoreszenz-Wellenlängen zwischen 620 nm-680 nm) zu ermöglichen, z.B. um das Fluoreszenzlicht einem Detektor zuzuführen. Weitere Anwendungen der Mikrostrukturierung von Diamant-Kristallen sind die präzise Laserbearbeitung und Strukturierung von Diamant-Bauteilen wie Laserfenstern, Diamant-basierten Hochtönern in Lautsprechern oder Diamant-Bauteilen für die Wärmeabfuhr in elektronischen Schaltungen und Schaltanlagen.
Zur Herstellung derartiger und anderer Mikrostrukturen bieten sich direkt schreibende Laserablationsverfahren an. Die präzise Herstellung von Mikrostrukturen, d.h. von Strukturen mit Strukturbreiten im Mikrometerbereich, durch Laserablation in einem Diamant-Kristall ist aufgrund der weiter oben beschriebenen Problematik bislang jedoch nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen in einem Diamant-Kristall durch Laserablation in Bezug auf seine Effektivität und/oder im Hinblick auf seine Präzision zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem eine Temperatur an der Oberfläche des Diamant-Kristalls beim Ausbilden der mindestens einen Mikrostruktur bei mehr als 600°C, bevorzugt bei mehr als 700°C, insbesondere bei mehr als 800°C und bei weniger als 1000°C liegt.
Die Erfinder haben erkannt, dass Diamant bis zu einer bestimmten Schwellentemperatur sehr inert ist und auch in Anwesenheit von Sauerstoff keinerlei reaktives Verhalten zeigt. Beim Überschreiten der Schwellentemperatur reagiert Diamant sehr schnell mit Sauerstoff und verbrennt hierbei (thermische Oxidation). Die Ablationsschwelle des Diamant-Materials nimmt mit zunehmender Temperatur ab und entsprechend nimmt - bei ansonsten gleichen Prozessbedingungen - die Ätzrate des Diamant-Materials zu. Wird die Schwellentemperatur überschritten, brennt das Diamant-Material in der Regel unkontrolliert ab, so dass die Temperatur des Diamant-Materials unterhalb der Schwellentemperatur gehalten werden sollte.
Es hat sich gezeigt, dass bei Temperaturen des Diamant-Materials von über 600°C, 700°C oder 800°C die Ablationsschwelle signifikant gesenkt und somit die Abtragsrate pro Laserpuls signifikant erhöht werden kann. Es ist daher günstig, die Temperatur des Diamant-Materials bei der Herstellung der Mikrostruktur(en) knapp unterhalb der Schwellentemperatur des Diamant-Materials für die thermische Oxidation zu halten, die typischerweise in der Größenordnung von ca. 1000°C liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur laserinduzierten Strukturierung des Diamant-Kristalls basiert daher auf einer Kombination aus einem Temperatureintrag und einem Lasereintrag. Durch die zusätzliche Temperatureinwirkung auf den Diamant-Kristall können die Pulsenergien des gepulsten Laserstrahls, der für die Laserablation verwendet wird, reduziert werden. Auf diese Weise kann die Strukturtreue und die Oberflächenqualität bei der Herstellung der Mikrostrukturen verbessert werden. Auch kann grundsätzlich eine freie dreidimensionale Bearbeitung des Diamant-Kristalls erfolgen. Das Verfahren hat zudem den Vorteil, dass der Debris, der bei der Laserablation erzeugt wird, verringert wird, da amorphisierte Kohlenstoffanteile im Debris bei Temperaturen von mehr als 600°C aufgrund der im Vergleich zu Diamant geringeren Oxidationstemperatur sofort verbrennen.
Bei einer Variante wird der Diamant-Kristall vor dem Ausbilden der Mikrostruktur mit einer Temperier-Einrichtung auf eine Temperatur von mehr als 600°C, bevorzugt von mehr als 700°C, insbesondere von mehr als 800°C und von weniger als 1000°C aufgeheizt. Bei der Temperier-Einrichtung handelt es sich in der Regel um eine Heizeinrichtung, ggf. kann es sich aber um eine Einrichtung handeln, die ausgebildet ist, das Diamant-Material sowohl zu heizen als auch zu kühlen. Bei der Temperier-Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine Widerstandsheizung oder um einen über IR-Strahlung oder auf andere Weise geheizten Suszeptor, z.B. aus Silizium, handeln. Die Temperier-Einrichtung dient typischerweise dazu, nicht nur die Oberfläche des Diamant-Kristalls, die mit dem gepulsten Laserstrahl bestrahlt wird, sondern den gesamten Diamant-Kristall möglichst homogen aufzuheizen. Die Temperier-Einrichtung hält den Diamant-Kristall während der Ausbildung der Mikrostruktur(en) auf einer Temperatur, die in dem oben angegebenen Wertebereich liegt. Es ist möglich, aber nicht zwingend notwendig, mit Hilfe der Temperier-Einrichtung die Temperatur des Diamant-Kristalls auf einen bestimmten TemperaturWert einzustellen und während des Ausbildens der Mikrostruktur(en) auf dieser Temperatur zu halten. Es ist möglich, die Temperatur an der Oberfläche des Diamant-Kristalls mit Hilfe eines Temperatursensors oder dergleichen zu überwachen und ggf. auf einen vorgegebenen Temperatur-Sollwert oder einen vorgegebenen Soll-Temperaturverlauf zu regeln.
Bei einer weiteren Variante wird der Diamant-Kristall beim Ausbilden der (mindestens einen) Mikrostruktur bevorzugt gemeinsam mit der Temperier-Einrichtung in einer gasdichten Prozesskammer angeordnet. Die gasdichte Prozesskammer kann mit einer definierten Gas-Atmosphäre beaufschlagt werden, was die Kontrolle des Bearbeitungsprozesses vereinfacht. Insbesondere für den Fall, dass die Temperier-Einrichtung den Diamant-Kristall durch die Abgabe von Kontaktwärme (Konduktion) aufheizt, ist es günstig bzw. erforderlich, dass die Temperier-Einrichtung gemeinsam mit dem Diamant-Kristall in der Prozesskammer angeordnet ist. Zur Einstrahlung des gepulsten Laserstrahls in die Prozesskammer weist die Prozesskammer typischerweise ein Fenster auf, das für die Wellenlänge des gepulsten Laserstrahls transparent ist, z.B. ein Fenster aus Quarzglas. Die Prozesskammer kann mit einer Pumpe in Verbindung stehen, welche Gas aus dem Innenraum der Prozesskammer absaugt. Bei der Pumpe kann es sich insbesondere um eine Vakuum-Pumpe handeln.
Bei einer weiteren Variante ist beim Ausbilden der Mikrostruktur mindestens ein reaktives Gas, bevorzugt Sauerstoff, in der Prozesskammer enthalten. Durch einen zusätzlichen reaktiven Gasbestandteil in der Prozesskammer kann die Einwirkung des gepulsten Laserstrahls auf das Diamant-Material verstärkt werden. Die Verwendung von Sauerstoff als reaktivem Gasbestandteil hat sich für die Durchführung des Verfahrens als günstig erwiesen. Alternativ ist auch der Einsatz von anderen reaktiven Gasen möglich, beispielsweise von NO oder N₂O. Der Sauerstoff-Gehalt bzw. der Partialdruck des Sauerstoffs in der Prozesskammer kann bevorzugt mit Hilfe eines geeigneten Einlasses eingestellt werden, beispielsweise mit Hilfe eines steuerbaren Ventils.
Bei einer weiteren Variante ist beim Ausbilden der Mikrostruktur mindestens ein Inertgas, bevorzugt Stickstoff, in der Prozesskammer enthalten. Das Inertgas ermöglicht es, den Laserablationsprozess kontrolliert ablaufen zu lassen, insbesondere wenn ein reaktiver Gasbestandteil in der Prozesskammer enthalten ist.
Bevorzugt kann der Gehalt bzw. der Partialdruck des Inertgases in der Prozesskammer eingestellt werden, beispielsweise indem das Inertgas der Prozesskammer mit Hilfe eines steuerbaren Einlasses, z.B. unter Verwendung eines schalt- bzw. steuerbaren Ventils zugeführt wird.
Es ist günstig, wenn ein praktisch beliebiges Mischungsverhältnis des reaktiven Gases und des Inertgases in der Prozesskammer eingestellt werden kann. Um dies zu erreichen, können das Inertgas und das reaktive Gas der Prozesskammer bevorzugt über zwei getrennt einstellbare bzw. steuerbare Ventile zugeführt werden.
Bei einer weiteren Variante wird während des Ausbildens der Mikrostruktur ein Gasdruck in der Prozesskammer eingestellt, bevorzugt geregelt. Wie weiter oben beschrieben wurde, steht die Prozesskammer typischerweise mit einer Pumpe in Verbindung, welche Gas aus dem Innenraum der Prozesskammer absaugt. Mit Hilfe eines Druckmessgeräts kann der Gesamtdruck bzw. der Gasdruck in der Prozesskammer gemessen werden und mit Hilfe einer Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann die Pumpe oder ein Ventil geeignet angesteuert werden, um den Gesamtdruck in der Prozesskammer auf einem vorgegebenen Soll-Wert zu halten. Die Reduktion des Gasdrucks in der Prozesskammer dient zum Herabsetzen der Reaktionsgeschwindigkeit während der Kristallbearbeitung und bietet einen weiteren Freiheitsgrad in der Prozesskontrolle. Der Gasdruck in der Prozesskammer liegt bei druckreduzierter Bearbeitung typischerweise in einem Bereich zwischen 10 mbar und 100 mbar. Für den Fall, dass die Pumpe über ein schaltbares Ventil mit dem Innenraum der Prozesskammer verbunden ist, kann die Pumpe durch das Schließen des Ventils vom Innenraum der Prozesskammer getrennt werden, sobald der gewünschte Gesamtdruck in der Prozesskammer erreicht ist.
Bei einer weiteren Variante wird der gepulste Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 450 nm auf die Oberfläche des Diamant-Kristalls eingestrahlt. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung einer Wellenlänge des gepulsten Laserstrahls im UV-Wellenlängenbereich die Qualität der bei der Laserablation hergestellten (optisch nutzbaren) Mikrostrukturen in dem Diamant-Material deutlich verbessert.
Bei einer weiteren Variante wird der gepulste Laserstrahl mit Pulsdauern von weniger als 20 ps, bevorzugt von weniger als 850 fs, besonders bevorzugt von weniger als 500 fs, insbesondere von weniger als 300 fs auf die Oberfläche des Diamant-Kristalls eingestrahlt. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Pulsdauern im fs-Bereich die Qualität der hergestellten Mikrostrukturen erheblich verbessert.
Beim Einstrahlen des Laserstrahls auf die Oberfläche des Diamant-Kristalls kann eine Strahlachse des Laserstrahls senkrecht zur in der Regel planen Oberfläche des Diamant-Kristalls ausgerichtet sein. In diesem Fall erfolgt typischerweise eine Translationsbewegung einer Lagereinrichtung, beispielsweise in Form einer Translations-Plattform, auf welcher der in der Regel plattenförmige Kristall beim Herstellen der Mikrostrukturen gelagert ist, in einer horizontalen Ebene (parallel zur Oberfläche des Diamant-Kristalls). Der Laserbearbeitungskopf, aus dem der gepulste Laserstrahl austritt und auf die Oberfläche des Diamant-Kristalls ausgerichtet wird, kann hierbei ortsfest angeordnet sein, es ist aber auch möglich, dass der Laserbearbeitungskopf über die Oberfläche des Diamant-Kristalls bewegt wird. Der aus dem Laserbearbeitungskopf austretende Laserstrahl wird in diesem Fall typischerweise auf die Oberfläche des Diamant-Kristalls fokussiert.
Bei einer Variante des Verfahrens wird beim Bewegen des Laserstrahls und des Diamant-Kristalls relativ zueinander eine Strahlachse des Laserstrahls unter einem Winkel gegenüber einer Normalenrichtung der Oberfläche des Diamant-Kristalls verkippt, wobei der Winkel bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung liegt. Bei dieser Variante trifft der Laserstrahl nicht senkrecht, sondern unter einem von 0° verschiedenen Winkel auf die Oberfläche des Diamant-Kristalls. Die Vorschubrichtung der Ablationsbahn, entlang derer das Material abgetragen wird, verläuft in der Regel parallel zur Bearbeitungsebene bzw. zur Oberfläche des Diamant-Kristalls. Der Winkel, unter dem der Laserstrahl zur Normalenrichtung der Oberfläche verkippt wird, liegt typischerweise in einer Ebene, die senkrecht zur (ggf. ortsabhängig variierenden) Vorschubrichtung verläuft.
Wie dies in der DE 10 2019 214 684 A1 beschrieben ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird, kann durch die Ausrichtung unter dem Winkel erreicht werden, dass eine der beiden Seitenwände bzw. Seitenkanten der Ablationsbahn steiler und die andere Seitenwand der Ablationsbahn, die in dem Diamant-Kristall erzeugt wird, flacher verläuft als dies beim senkrechen Einfall des Laserstrahls auf die Oberfläche der Fall wäre.
Der oben beschriebene Winkel liegt typischerweise zwischen 2° und 60°, bevorzugt zwischen 10° und 45°, insbesondere zwischen 15° und 30°. Es hat sich als günstig erwiesen, den Winkel, unter dem der Laserstrahl zur Normalenrichtung ausgerichtet ist, in dem angegebenen Intervall zu wählen, um zu erreichen, dass eine der beiden Seitenwände der Ablationsbahn möglichst steil, d.h. möglichst parallel zur Normalenrichtung der Oberfläche, ausgerichtet ist. Für den Fall, dass die Seitenwand der Ablationsbahn bzw. des Grabens in dem Diamant-Kristall die Seitenwand eines Wellenleiters bildet, ist eine möglichst steile Ausrichtung günstig, da auf diese Weise Lichtverluste durch den Austritt von in dem Wellenleiter geführtem Licht durch die Seitenwand hindurch gering gehalten werden können. Durch steile Seitenwände und ein einstellbares Aspektverhältnis von Höhe zu Breite können in dem Wellenleiter rotationssymmetrische Eigenmoden geführt werden.
Für den Fall, dass geradlinige Ablationsbahnen erzeugt werden sollen, ist die Vorschubrichtung bei der Relativbewegung des Laserstrahls und des Diamant-Kristalls konstant. Die Vorschubrichtung kann ortsabhängig variieren, wenn krummlinige Ablationsbahnen bzw. Mikrostrukturen erzeugt werden sollen. In beiden Fällen sollte sichergestellt sein, dass der Winkel, unter dem der Laserstrahl gegenüber der Normalenrichtung der Oberfläche des Diamant-Kristalls verkippt wird, unabhängig von der gewählten - ggf. ortsabhängig variierenden - Vorschubrichtung eingestellt werden kann. Bei einem herkömmlichen, ortsfesten Laser-Scanner zur Bearbeitung eines ortsfest angeordneten Werkstücks ist dies typischerweise nicht der Fall, da der Laserstrahl an einer jeweiligen Position an der Oberfläche des Werkstücks unter einem vorgegebenen Scanwinkel ausgerichtet ist. Zur Verkippung der Strahlachse des Laserstrahls unter einem Winkel zur Normalenrichtung der Oberfläche des Diamant-Kristalls unabhängig von der Vorschubrichtung bestehen verschiedene Möglichkeiten. Für Details sei auf die DE 10 2019 214 684 A1 verwiesen.
Wird ein Laserstrahl mit einem runden Strahlprofil unter einem Winkel zur Oberfläche des Diamant-Kristalls eingestrahlt, so trifft dieser mit einem elliptischen, nicht rotationssymmetrischen Strahlprofil (Spot) auf die Oberfläche. Um dennoch ein rundes Strahlprofil an der Oberfläche zu erzeugen, kann ein Laserstrahl mit einem elliptischen Strahlprofil auf die Oberfläche eingestrahlt werden. Ein solches elliptisches Strahlprofil kann mittels einer strahlformenden Optik, beispielsweise mit Hilfe einer Zylinderlinse bzw. eines Linsenteleskops oder dergleichen, erzeugt werden. Insbesondere kann eine solche strahlformende Optik ausgebildet sein, das Aspekt-Verhältnis des elliptischen Strahlprofils zu verändern. Für Details der Einstrahlung eines Laserstrahls mit einem elliptischen Strahlprofil auf einen Kristall sei ebenfalls auf die weiter oben zitierte DE 10 2019 214 684 A1 verwiesen.
Es kann ggf. günstig sein, wenn das Strahlprofil des Laserstrahls gezielt von einer runden bzw. rotationssymmetrischen Geometrie abweicht, beispielsweise um einen Linienfokus an der Oberfläche des Diamant-Kristalls zu erzeugen, wie dies z.B. in der WO 2018/019374 A1 beschrieben ist, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Ein solcher Linienfokus kann beispielsweise durch die Verwendung von asymmetrischen Moden erzeugt werden. Bei der Verwendung eines Linienfokus kann ebenfalls die Rauigkeit der hergestellten Mikrostrukturen verbessert werden.
Bei einer weiteren Variante werden zum Bilden eines Grabens in dem optischen Kristall der Laserstrahl und der optische Kristall relativ zueinander mehrfach entlang von lateral versetzten Ablationsbahnen bewegt. Zur Bildung der Mikrostrukturen werden in der Regel systematisch mehrere Ablationsbahnen parallel zueinander versetzt. Die Ablationsbahnen verlaufen entweder geradlinig oder bilden gekrümmte Strukturen in der XY-Ebene auf der Oberfläche des Kristalls. Auf diese Weise können z.B. Mäanderstrukturen oder Taper erzeugt werden. Typischerweise werden mehrere Ablationsbahnen lateral sowie ggf. vertikal, d.h. in Dickenrichtung des Diamant-Kristalls, überlagert. Auf diese Weise können in dem Diamant-Kristall Gräben mit einer vorgegebenen Breite und Tiefe erzeugt werden. Abhängig von der gewünschten Geometrie können auch die Laserparameter abhängig von der jeweiligen Ablationsbahn angepasst werden. Für Details der Ausbildung von Stegwellenleitern zwischen zwei benachbarten Gräben sei ebenfalls auf die DE 10 2019 214 684 A1 verwiesen.
Bei einer weiteren Variante wird der gepulste Laserstrahl von einem Festkörperlaser oder von einem Excimerlaser erzeugt. Festkörperlaser ermöglichen die Erzeugung von Laserpulsen mit geringen Pulsdauern im fs-Bereich. Durch Frequenzverdopplung bzw. Frequenz-Vervielfachung können Festkörperlaser Wellenlängen im UV-Wellenlängenbereich, z.B. bei 343 nm, erzeugen. Alternativ ist es möglich, dass der gepulste Laserstrahl von einem Excimer-Laser erzeugt wird.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren: Zuführen eines Fluids zur Oberfläche des Diamant-Kristalls zum Abtransportieren von abgetragenem Material. Durch einen verbesserten Abtransport des ablatierten Materials kann eine verbesserte Rauigkeit der Seitenwände der Gräben bzw. der Wellenleiterstrukturen erreicht werden. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um ein in der Regel inertes Gas handeln, welches bevorzugt entgegen der Vorschubrichtung über die Oberfläche des Diamant-Kristalls geführt wird. Alternativ kann es sich bei dem zugeführten Fluid um eine Flüssigkeit handeln. Grundsätzlich ist es möglich, eine Flüssigkeit zwischen dem Laserbearbeitungskopf, aus dem der Laserstrahl austritt, und der Oberfläche des Diamant-Kristalls einzubringen, um die Spotgröße des Laserstrahls zu verringern.
Als Laserparameter werden für die weiter oben beschriebene Ablation typischerweise Repetitionsraten zwischen ca. 600 kHz und 1000 kHz verwendet. Es ist möglich, dass die Repetitionsrate variiert, d.h. dass kurze, hohe Repetitionsraten gefolgt von langen Pulspausen für die Ablation verwendet werden (Burst-Betrieb). Typische Vorschubgeschwindigkeiten liegen zwischen ca. 500 und 1500 mm/s und sind damit höher als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren. Die durchschnittliche Laserleistung liegt in der Größenordnung zwischen ca. 1 und 2,5 Watt, der Energieeintrag pro Laserpuls liegt in der Größenordnung zwischen ca. 1,5 und 5 µJ. Grundsätzlich lassen sich durch eine gezielte Kombination von Pulsenergie, Pulsdauer und Pulsanzahl sowie Vorschubgeschwindigkeit und Winkel des Laserstrahls relativ zur Oberfläche gezielt die Abtragsrate und die Strukturtiefe einstellen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Wellenleiterstrukturen an einem beheizten Diamant-Kristall durch Abtragen von Material zur Ausbildung von mehreren parallel verlaufenden Gräben mittels eines gepulsten Laserstrahls,
2 zwei der Gräben von 1 im Querschnitt bei der Herstellung durch Laserablation,
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung analog zu 1, bei welcher der Diamant-Kristall in einer gasdichten Prozesskammer angeordnet ist, sowie
4 eine Darstellung der Abhängigkeit der Ätzrate des Diamant-Materials von der Temperatur.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von Mikrostrukturen an einem Substrat in Form eines Diamant-Kristalls 2 (Diamant-Einkristall). Die Vorrichtung 1 umfasst eine Laserquelle 3 zur Erzeugung eines Laserstrahls 4, der über eine in 1 angedeutete Strahlführung einem Laserbearbeitungskopf 5 zugeführt wird. Der Laserbearbeitungskopf 5 richtet den Laserstrahl 4 auf den Diamant-Kristall 2 aus, und zwar auf eine Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2, welche im gezeigten Beispiel die plane Oberseite des Diamant-Kristalls 2 bildet.
Bei der Laserquelle 3 handelt es sich bei dem in 1 gezeigten Beispiel um einen Festkörperlaser, der zur Erzeugung des Laserstrahls 4 bei einer Wellenlänge λ_L von 343 nm ausgebildet ist. Bei dem Festkörpermedium der Laserquelle 3 kann es sich beispielsweise um Yb:YAG handeln. Die Laserquelle 3 kann auch ausgebildet sein, einen Laserstrahl 4 bei einer anderen Wellenlänge im Wellenlängenbereich von weniger als 450 nm zu erzeugen.
Die Laserquelle 3 ist ausgebildet, einen gepulsten Laserstrahl 4 mit Pulsdauern im ps- bzw. fs-Bereich zu erzeugen. Für das nachfolgend beschriebene Verfahren haben sich Pulsdauern τ von weniger als 20 ps, beispielsweise von weniger als 850 fs, insbesondere von weniger als 500 fs, ggf. von weniger als 300 fs als vorteilhaft erweisen.
Bei der Laserquelle 3, die zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 4 mit derartigen Pulsdauern ausgebildet ist, kann es sich beispielsweise um einen Scheiben-, Slab- oder Faserlaser handeln. Alternativ kann ggf. ein Excimer-Laser verwendet werden, auch wenn dieser in der Regel nicht geeignet ist, um Pulsdauern im fs-Bereich zu erzeugen.
Der gepulste Laserstrahl 4 wird auf die dem Laserbearbeitungskopf 5 zugewandte Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2 eingestrahlt. Wie in 1 zu erkennen ist, ist eine Strahlachse 6 des Laserstrahls 4 senkrecht zur Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2 ausgerichtet, die im gezeigten Beispiel die Bearbeitungsebene bildet. Der Diamant-Kristall 2 ist auf einer Translations-Plattform 7 gelagert, die mit Hilfe von nicht bildlich dargestellten Aktuatoren in X-Richtung sowie unabhängig davon in Y-Richtung sowie in Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems verschoben werden kann. Die Translations-Plattform 7 kann auch um eine in Z-Richtung ausgerichtete Drehachse gedreht werden.
Wie in 1 zu erkennen ist, werden bei der materialabtragenden Bearbeitung des Diamant-Kristalls 2 mittels des gepulsten Laserstrahls 4 Mikrostrukturen in Form von drei parallel ausgerichteten, in Y-Richtung verlaufenden Wellenleiterstrukturen in Form von Stegwellenleitern 8a-c gebildet, die einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Zu diesem Zweck werden mittels des gepulsten Laserstrahls 4 vier parallel ausgerichtete, sich ebenfalls in Y-Richtung erstreckende Gräben 10a-d in den Diamant-Kristall 2 eingebracht. Die drei Stegwellenleiter 8a-c sind jeweils zwischen zwei benachbarten Gräben 10a-d angeordnet.
Wie in 1 beispielhaft für den ersten Stegwellenleiter 8a dargestellt ist, weisen der erste Graben 10a und der benachbarte zweite Graben 10b einen vorgegebenen, konstanten Abstand A zueinander auf, der im gezeigten Beispiel am Boden der beiden Gräben 10a,b gemessen wird und der beispielsweise bei ca. 15 µm liegen kann. Eine rechte Seitenwand 11a des ersten Grabens 10a und eine benachbarte, dem ersten Graben 10a zugewandte linke Seitenwand 11b des zweiten Grabens 10b bilden die Seitenwände 11a, 11b des ersten Stegwellenleiters 8a. Entsprechendes gilt für die Gräben 10b-d und den zweiten und dritten Stegwellenleiter 8b, 8c.
Um die Gräben 10a-d zu erzeugen und auf diese Weise die Stegwellenleiter 8a-c zu bilden, werden der gepulste Laserstrahl 4 und der Diamant-Kristall 2 relativ zueinander bewegt. Der Laserbearbeitungskopf 5 ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel ortsfest angeordnet. Zum Erzeugen einer Bewegung des gepulsten Laserstrahls 4 und des Diamant-Kristalls 2 relativ zueinander wird daher die Translations-Plattform 7 entlang einer Vorschubrichtung 12 bewegt, die der Y-Richtung des XYZ-Koordinatensystems entspricht. Der gepulste Laserstrahl 4 wird hierbei zur Erzeugung eines jeweiligen Grabens 10a-d mehrfach entlang von lateral (d.h. in X-Richtung) versetzten Ablationsbahnen 13 bewegt, wie dies beispielhaft in 2 für den zweiten Graben 10b dargestellt ist. Es versteht sich, dass die Bewegung des Diamant-Kristalls 2 entlang einer jeweiligen Ablationsbahn 13 in positiver Y-Richtung erfolgen kann und die benachbarte Ablationsbahn 13 in negativer Y-Richtung abgefahren wird, um den Ablationsprozess zu beschleunigen.
Wie in 1 ebenfalls zu erkennen ist, ist der Diamant-Kristall 2 nicht unmittelbar auf der Translations-Plattform 7 angeordnet, sondern auf einer Temperier-Einrichtung 14 in Form eines heizbaren Suszeptors, der z.B. aus einem metallischen Material, aus einer Keramik oder aus Silizium gebildet sein kann. Der Suszeptor wird während der Ablation des Materials des Diamant-Kristalls 2 elektrisch über eine Widerstandsheizung auf eine Temperatur T aufgeheizt, die im gezeigten Beispiel zwischen 700°C und 1000°C liegt. Die Temperatur T des Diamant-Kristalls 2, insbesondere auch die Temperatur T an der Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2, liegt ebenfalls in dem Temperaturbereich zwischen 700°C und 1000°C.
Wie anhand von 4 erkennbar ist, welche sich auch aus dem Artikel „Production of single crystal diamond needles by a combination of CVD growth and thermal oxidation“, A. N. Obratzsov et al., Diamond and Related Materials, 18, 1289 (2009) ableiten lässt, wird durch das Aufheizen des Diamant-Kristalls 2 ohne zusätzliche Lasereinwirkung auf eine Temperatur von mehr als 600°C, 700°C oder 800°C die thermische Oxidationsrate (in µm / min) erhöht. Die Ätzrate kann durch die Erhöhung der Temperatur T des Diamant-Kristalls 2 aber nicht beliebig gesteigert werden, da beim Überschreiten einer bestimmten Schwellentemperatur, die typischerweise bei ca. 1000°C liegt, das Diamant-Material sehr schnell mit Sauerstoff reagiert und verbrennt. Es ist daher erforderlich, den Diamant-Kristall 2 unterhalb einer Schwelltemperatur für die thermische Oxidation zu halten. Es versteht sich, dass der Diamant-Kristall 2 nicht erst während des Einstrahlens des gepulsten Laserstrahls 4 auf eine Temperatur T in dem oben angegebenen Temperaturbereich aufgeheizt wird, sondern üblicherweise bereits vor dem Beginn des Laser-Ablationsverfahrens.
Wie in 1 durch einen Pfeil angedeutet ist, kann der Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2 ein Fluid F zugeführt werden, welches im gezeigten Beispiel einen Gasstrom aus einem inerten Gas, z.B. Stickstoff, bildet. Der Gasstrom bzw. das Fluid F ist in 1 entgegen der Vorschubrichtung 12 ausgerichtet, um abgetragenes bzw. ablatiertes Material abzutransportieren. Der Gasstrom kann beispielsweise mit Hilfe einer an dem Laserbearbeitungskopf 5 angebrachten Düse erzeugt werden.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel werden jeweils ca. siebzig Ablationsbahnen 13 in X-Richtung lateral versetzt, um einen jeweiligen Graben 10a-d zu bilden, von denen in 2 zwei benachbarte Ablationsbahnen 13 gezeigt sind. Der laterale Versatz zwischen zwei benachbarten Ablationsbahnen 13 beträgt im gezeigten Beispiel ca. 3 µm. Der gepulste Laserstahl 4 wird mittels einer nicht bildlich dargestellten, in dem Laserbearbeitungskopf 5 angeordneten Fokussiereinrichtung, beispielsweise in Form einer Fokussierlinse, auf den Diamant-Kristall 2 fokussiert, und zwar in einer Fokusebene E, die bei dem in 2 gezeigten Beispiel ungefähr mit der Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2 übereinstimmt. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel beträgt der (minimale) Fokusdurchmesser des Laserstrahls 4 ca. 17 µm.
Die Parameter des gepulsten Laserstrahls 4 sind für einen flächigen Abtrag des Materials des Diamant-Kristalls 2 optimiert. Es versteht sich aber, dass es ausreichend sein kann, wenn zur Bildung eines Grabens 10a-d der Laserstrahl 4 nur entlang einer einzigen Ablationsbahn 13 in Vorschubrichtung 12 bewegt wird. Um die Tiefe eines jeweiligen Grabens 10a-d zu vergrößern, kann der weiter oben beschriebene Vorgang des Abtragens von Material entlang von mehreren lateral versetzten Ablationsbahnen 13 ggf. mehrfach wiederholt werden, so dass die Ablationsbahnen 13 vertikal übereinander liegen. Auf diese Weise kann ein jeweiliger Graben 10a-d mit einer gewünschten Breite und Tiefe erzeugt werden.
Um die in 2 gezeigte Seitenwand 11b des zweiten Grabens 10b, welche die (rechte) Seitenwand des ersten Stegwellenleiters 8a bildet, zu glätten, werden der Diamant-Kristall 2 und der Laserstrahl 4 mehrmals, z.B. mindestens fünf Mal, entlang ein- und derselben Ablationsbahn 13 in Vorschubrichtung 12 zueinander bewegt. Hierbei können die Laserparameter, beispielsweise die Pulsdauer τ, die Vorschubgeschwindigkeit, die (durchschnittliche) Leistung, etc. beim ersten Abfahren der Ablationsbahn 13 sich von den Laserparametern unterscheiden, die beim zweiten, dritten, ... Abfahren der Ablationsbahn 13 verwendet werden: Die Laserparameter beim ersten Abfahren der Ablationsbahn 13 sind hierbei für den flächigen Abtrag optimiert, während die Laserparameter beim zweiten, dritten, ... Abfahren der Ablationsbahn 13 für das Glätten der Seitenwand 11b des Stegwellenleiters 8a optimiert sind.
Wie in 2 zu erkennen ist, verlaufen die Seitenwände 11a,b des Stegwellenleiters 8a, der auf die weiter oben beschriebene Weise hergestellt wurde, nicht exakt senkrecht zur Oberfläche 2a des optischen Kristalls 2, sondern sind geringfügig zur Vertikalen bzw. zur Normalenrichtung 14 der Oberfläche 2a des optischen Kristalls 2 geneigt.
Um Stegwellenleiter 8a-c mit möglichst steilen Seitenflächen 11a,b zu erzeugen, wie sie in 1 dargestellt sind, hat es sich als günstig erwiesen, bei der Ablation bzw. beim Bewegen des gepulsten Laserstrahls 4 und des Diamant-Kristalls 2 relativ zueinander die Strahlachse 6 des Laserstrahls 4 unter einem Winkel θ gegenüber der Normalenrichtung 15 der Oberfläche 2a des Diamant-Kristalls 2 zu verkippen, und zwar im gezeigten Beispiel quer zur Vorschubrichtung 12, d.h. in der XZ-Ebene.
Um dies zu erreichen, kann der Laserbearbeitungskopf 5 eine Scannereinrichtung 15 aufweisen, die es ermöglicht, einen (Scan-)Winkel θ einzustellen, unter dem der Laserstrahl 4 aus dem Laserbearbeitungskopf 5 austritt, wie dies beispielhaft in 3 dargestellt ist. Die Scannereinrichtung 16 (Trepaniersystem) weist in der Regel zwei unabhängig voneinander verkippbare Scanner-Spiegel, einen um zwei Drehachsen drehbaren Scanner-Spiegel oder eine Kombination aus einem Polygonscanner und einem drehbaren Spiegelscanner bzw. Scanner-Spiegel auf, um den Scanwinkel θ nicht nur in der XZ-Ebene einstellen zu können, wie dies in 3 dargestellt ist, sondern den Laserstrahl 4 beim Austritt aus dem Laserbearbeitungskopf 5 beliebig zu orientieren bzw. auszurichten. Die Scannereinrichtung 16 kann beispielsweise einen Polygonscanner aufweisen, um den Laserstrahl 4 in der YZ-Ebene zur Bildung der Gräben 10a-d entlang der Vorschubrichtung 12 abzulenken. In diesem Fall ist es günstig, wenn in dem Laserbearbeitungskopf 5 eine Fokussiereinrichtung in Form einer telezentrischen Planfeldoptik angeordnet ist, um den Laserstrahl 4 nach der Ablenkung auf den Diamant-Kristall 2 zu fokussieren.
Durch die Möglichkeit, den Diamant-Kristall 2 mit Hilfe der Translations-Plattform 7 in X-Richtung und Y-Richtung zu verschieben, kann für jede Orientierung der Vorschubrichtung 12 in der XY-Ebene der Scanwinkel θ unabhängig von dem Ort eingestellt werden, an dem der Laserstrahl 4 auf der Oberfläche 2a des optischen Kristalls 2 auftrifft. Dies ist günstig, da der Scanwinkel θ, unter dem die Strahlachse 6 des Laserstrahls 4 relativ zur Normalenrichtung 14 der Oberfläche 2a des optischen Kristalls 2 ausgerichtet ist, in der Regel in einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung 12 ausgerichtet werden sollte, wie weiter unten näher beschrieben ist. In 3 sind beispielhaft zwei Scanwinkel -θ, +θ gezeigt, unter denen die Strahlachse 6 des Laserstrahls 4 in der XZ-Ebene relativ zur Normalenrichtung 15 ausgerichtet werden kann.
Zur Ausrichtung des Laserstrahls 4 unter einem Winkel θ zur Normalenrichtung 15 des Diamant-Kristalls 2 bestehen auch andere Möglichkeiten. Beispielsweise kann eine Plattform, auf welcher der Diamant-Kristall 2 gelagert ist, unter einem Winkel zur horizontalen Ebene (XY-Ebene) verkippt werden, wie dies im Detail in der DE 10 2019 214 684 A1 beschrieben ist.
Um die in 1 gezeigten Wellenleiter 8a-c mit möglichst steil ansteigenden Seitenflächen 11a,b zu erzeugen, kann die in Zusammenhang mit 1 beschriebene Ablation von Material zur Herstellung der Gräben 10a-d durchgeführt werden. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren wird die Strahlachse 6 des Laserstrahls 4 während des Bildens eines jeweiligen Grabens 10a-d zumindest entlang von Ablationsbahnen 13, die benachbart zu einer Seitenwand 11a, b eines jeweiligen Stegwellenleiters 8a, 8b, ... verlaufen, unter einem Winkel -θ, +θ zur Normalenrichtung 14 der Oberfläche 2a des optischen Kristalls 2 verkippt, der von der jeweiligen Seitenwand 11a,b weg geneigt ist, wie dies ebenfalls in der DE 10 2019 214 684 A1 beschrieben ist. Um möglichst steile, senkrecht zur Oberfläche 2a des optischen Kristalls 2 ausgerichtete Seitenwände 11a,b zu erzeugen, hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Winkel θ zwischen 2° und 60°, bevorzugt zwischen 10° und 45°, insbesondere zwischen 15° und 30° liegt.
Wie in 3 ebenfalls zu erkennen ist, sind der Diamant-Kristall 2 und die Temperier-Einrichtung 14 in Form des Suszeptors in einer gasdicht gegen die Umgebung abgedichteten Prozesskammer 17 angeordnet. Auf die Darstellung der Translationsplattform 7 wurde in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Zur Einstrahlung des Laserstrahls 4 weist die Prozesskammer 17 ein für die Laserwellenlänge λ_L transparentes Fenster 18 auf, das im gezeigten Beispiel aus Quarzglas besteht. In der Prozesskammer 17 herrscht eine Restgas-Atmosphäre mit einem Gesamtdruck p in der Größenordnung von ca. 10 mbar bis ca. 100 mbar. Der Gesamtdruck p kann mit Hilfe einer Vakuum-Pumpe 19 eingestellt bzw. die Prozesskammer 17 kann mit Hilfe der Vakuum-Pumpe 19 evakuiert werden. Nach dem Evakuieren wird der Innenraum der Prozesskammer 17 mit Hilfe eines ersten Ventils 20a von der Vakuum-Pumpe 19 getrennt. Der Gesamtdruck p in der Prozesskammer 17 wird mit Hilfe eines Druckmessgeräts 21 überwacht. Erforderlichenfalls kann eine in der Vorrichtung 1 vorgesehene Steuerungseinrichtung auf die Vakuum-Pumpe 19 einwirken, um den Gesamtdruck p in der Prozesskammer 17 auf einen vorgegebenen Soll-Wert zu regeln.
Über ein zweites und drittes Ventil 20b, 20c wird eine Mischung aus einem reaktiven Gas, im gezeigten Beispiel in Form von Sauerstoff O₂, und einem Inertgas, im gezeigten Beispiel in Form von Stickstoff N₂, in den Innenraum der Prozesskammer 17 eingeleitet. Die Partialdrücke von Sauerstoff O₂ und von Stickstoff N₂ in der Prozesskammer 17 liegen in der Größenordnung von ca. 10:1 bis 100:1.
Bei den drei Ventilen 20a-c handelt es sich um Absperr-Ventile, die ebenfalls mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung angesteuert werden können, um den Partialdruck bzw. die Konzentration des Inertgases N₂ und des reaktiven Gases O₂ in dem Innenraum der Prozesskammer 17 einzustellen. Grundsätzlich kann mit Hilfe der beiden Ventile 20b,c ein beliebiges Mischungsverhältnis des Inertgases N₂ und des reaktiven Gases O₂ in der Prozesskammer 17 eingestellt werden. Mit Hilfe des reaktiven Gases O₂ kann die Wirkung des eingestrahlten gepulsten Laserstrahls 4 verstärkt werden. Das Inertgas N₂ stellt sicher, dass es nicht zu einem ungewollten Abbrennen des Diamant-Materials kommt.
Durch die zusätzliche Temperatureinwirkung auf den Diamant-Kristall 2 können bei dem weiter oben beschriebenen Verfahren die Pulsenergien des gepulsten Laserstrahls 4, der für die Laserablation verwendet wird, reduziert werden. Auf diese Weise kann die Strukturtreue und die Oberflächenqualität bei der Herstellung der Mikrostrukturen 8a-c verbessert werden. Das Verfahren hat zudem den Vorteil, dass der Debris, der bei der Laserablation erzeugt wird, verringert wird, da amorphisierte Kohlenstoffanteile im Debris bei Temperaturen von mehr als ca. 600°C-700°C aufgrund der im Vergleich zu Diamant geringeren Oxidationstemperatur sofort verbrennen. Es ist möglich, aber nicht zwingend erforderlich, die Temperatur T des Diamant-Kristalls 2 konstant zu halten oder einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Temperatur T einzustellen. In der Regel stellt sich bei einer konstanten Heizleistung der Temperier-Einrichtung 14, beispielsweise bei einem vorgegebenen Strom der Widerstands-Heizung, die für die Heizung des Suszeptors verwendet wird, ein Temperatur-Gleichgewicht in der Prozesskammer 17 ein, so dass auf eine Regelung bzw. Überwachung der Temperatur T verzichtet werden kann.
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 0803747 A2 [0004]
DE 102019214684 A1 [0026, 0028, 0029, 0031, 0056, 0057]
WO 2018019374 A1 [0030]

Claims

Verfahren zum Herstellen mindestens einer Mikrostruktur (8a-c) an einem Diamant-Kristall (2), umfassend: Einstrahlen eines gepulsten Laserstrahls (4) auf eine Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2), Bewegen des gepulsten Laserstrahls (4) und des Diamant-Kristalls (2) relativ zueinander entlang einer Vorschubrichtung (12) zum Abtragen von Material von der Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) entlang mindestens einer Ablationsbahn (13) zum Ausbilden der mindestens einen Mikrostruktur (8a-c), dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur (T) an der Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) beim Ausbilden der Mikrostruktur (8a-c) bei mehr als 600°C, bevorzugt bei mehr als 700°C, insbesondere bei mehr als 800°C und bei weniger als 1000°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Diamant-Kristall (2) vor dem Ausbilden der Mikrostruktur (8a-c) mit einer Temperier-Einrichtung (14) auf eine Temperatur (T) von mehr als 600°C, bevorzugt von mehr als 700°C, insbesondere von mehr als 800°C und von weniger als 1000°C aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Diamant-Kristall (2) beim Ausbilden der Mikrostruktur (8a-c) bevorzugt gemeinsam mit der Temperier-Einrichtung (14) in einer gasdichten Prozesskammer (17) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem beim Ausbilden der Mikrostruktur (8a-c) mindestens ein reaktives Gas, bevorzugt Sauerstoff (O₂), in der Prozesskammer (17) enthalten ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem beim Ausbilden der Mikrostruktur (8a-c) mindestens ein Inertgas, bevorzugt Stickstoff (N₂), in der Prozesskammer (17) enthalten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem während des Ausbildens der Mikrostruktur (8a-c) ein Gasdruck (p) in der Prozesskammer (17) eingestellt, bevorzugt geregelt, wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl mit einer Wellenlänge (λ_L) von weniger als 450 nm auf die Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl (4) mit Pulsdauern (τ) von weniger als 20 ps, bevorzugt von weniger als 850 fs, besonders bevorzugt von weniger als 500 fs, insbesondere von weniger als 300 fs auf die Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem beim Bewegen des Laserstrahls (4) und des Diamant-Kristalls (2) relativ zueinander eine Strahlachse (6) des Laserstrahls (4) unter einem Winkel (θ) gegenüber einer Normalenrichtung (14) der Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) verkippt wird, wobei der Winkel (θ) bevorzugt in einer Ebene (XZ) senkrecht zu einer Vorschubrichtung (12) entlang der mindestens einen Ablationsbahn (13) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Bilden eines Grabens (10a-d) in dem Diamant-Kristall (2) der Laserstrahl (4) und der Diamant-Kristall (2) relativ zueinander mehrfach entlang von lateral versetzten Ablationsbahnen (13) bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl (4) von einem Festkörperlaser (3) oder von einem Excimerlaser erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Zuführen eines Fluids (F) zur Oberfläche (2a) des Diamant-Kristalls (2) zum Abtransportieren von abgetragenem Material.