DE19717912A1 - Verfahren zur Strukturierung von Oberflächen - Google Patents

Description

Verfahren zur Mikrostrukturierung von Bauteilen durch Abtragung von Material werden insbesondere in der Herstellung von Halbleiterbauelementen sowie mechani­ schen, optischen und elektronischen Bauelementen für die Mikrosystemtechnik eingesetzt. Dabei handelt es sich meistens um Verfahren mit vielen Prozeßschrit­ ten, bei denen das Bauteil durch strukturierte Be­ leuchtung mit elektromagnetischer Strahlung, photo­ chemische Reaktionen und chemisches Ätzen hergestellt wird. Dies erfordert ein aufwendiges Handling und die Reinigung der Bauteile zwischen den einzelnen Prozeß­ schritten. Außerdem ist die Herstellung von Struktu­ ren mit einer Tiefe im Mikrometerbereich sehr einge­ schränkt und zeitaufwendig. Die Herstellung von drei­ dimensionalgeformten Strukturen oder gekippten Struk­ turen mit beliebig einstellbarem Winkel zur Oberflächennormale des Bauteils ist in der Regel nicht möglich oder mit extrem hohem Aufwand verbun­ den.

Die Lasermaterialbearbeitung bietet die Möglichkeit, gekippte und tiefe Mikrostrukturen in einem einzigen Prozeßschritt zu erzeugen.

Nach dem Stand der Technik können Oberflächen dadurch strukturiert werden, daß sie lokal mit gepulsten La­ sern bestrahlt werden, wobei das Material durch ther­ mische Prozesse verdampft oder durch die Ionisation in ein Plasma überführt wird. Aufgrund des Dichtegra­ dienten des verdampften/ionisierten Materials ent­ fernt sich dieses von der bestrahlten Oberfläche des Bauteils.

Aus der Literatur ist bekannt, daß die Oberflächen­ bearbeitung mit ultrakurzen Lichtimpulsen im Subpiko­ sekundenbereich (Impulsdauer < 10^-12 s) und im Femto­ sekundenbereich (Impulsdauer < 10^-13 s) Vorteile ge­ genüber der Bearbeitung mit langen Impulsen im Piko- und Nanosekundenbereich hat.

Bei der Lasermaterialbearbeitung mit Piko- und Nano­ sekundenimpulsen dauert die Bestrahlung des Materials durch den Laserimpuls noch an, während sich das Mate­ rial von der Bestrahlungsstelle entfernt. Dies führt zu einer Absorption von Teilen des Laserimpulses in dem expandierenden Gas/Plasma sowie zu einer Deforma­ tion des Lichtstrahlprofils. Die Folge hiervon sind nicht nur unscharfe Bearbeitungskonturen an der be­ strahlten Stelle, sondern auch eine geringe Effizienz der Bearbeitung aufgrund des Energieverlustes des Laserimpulses in dem expandierenden Gas/Plasma.

Durch den Einsatz von ultrakurzen im Subpikosekunden­ bereich erreicht man, daß die Zeit für den Transport von Masse und Energie aus dem angeregten Materialvo­ lumen größer ist als die Impulsdauer. Deshalb ist die Ausdehnung des angeregten Materials während der Lichtimpulsdauer kleiner als die Wellenlänge des an­ geregten Lichtes. Dies führt zu einer sehr effizien­ ten und randscharfen Bearbeitung, da Lichtabsorption und Deformation des Strahlprofiles vermieden werden. Außerdem wird der größte Teil der absorbierten Lich­ tenergie in kinetische Energie des angeregten Materi­ als und nicht in die Erwärmung der Umgebung des ange­ regten Materials umgesetzt.

Weiterhin ist bekannt, daß durch Multiphotonenionisa­ tion mit ultrakurzen Impulsen Laserplasmen mit sehr steilen Elektronendichtegradienten erzeugt werden können. Der räumliche Verlauf dieses Elektronendich­ tegradienten bestimmt über den Skineffekt und die Expansion des Plasmas während der Lichtimpulsdauer die Eindringtiefe des Lichtes in das zu strukturieren­ de Material.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ver­ fahren zur Strukturierung von beschichteten Bauteilen zur Verfügung zu stellen, das bei möglichst geringer Laserimpulsenergie (geringer thermischer Belastung des Bauteils) randscharfe Strukturen mit genau ein­ stellbarer Strukturtiefe ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, ein beschich­ tetes Bauelement an der Stelle, an der die Struktur in der Beschichtung erzeugt werden soll, mit einem Laserimpuls zu bestrahlen, dessen Intensität so ge­ wählt ist, daß sie oberhalb der kritischen Schwellen­ intensität des abzutragenden Materials für Mehrphoto­ nenionisation liegt. Typische Größenordnungen für die kritische Schwellenintensität liegen im Bereich von 10³ W/cm² bis 10¹⁴ W/cm². Bei derart hohen Laserimpuls­ intensitäten findet an der Oberfläche des Bauteiles die direkte Ionisation der Atome und Moleküle durch Mehrphotonenabsorption statt, so daß ein Plasma des Materials des Bauteiles erzeugt wird. Weiterhin soll die Wellenlänge und Impulsdauer des Lasers so sein, daß das durch den Laserimpuls erzeugte Plasma sich innerhalb der Bestrahlungsdauer durch den Laserimpuls um weniger als die Wellenlänge des Laserimpulses aus­ breitet.

Das Plasma kann sich bei einer entsprechend kurzen Bestrahlungsdauer, beispielsweise im Bereich von 10^-13 s, selbst bei einer sehr groß angenommenen Plas­ maausbreitungsgeschwindigkeit von 3×10⁵ m/s nur um ca. 30 nm ausbreiten. Die Expansionsgeschwindigkeit des Plasmas ist dabei die Geschwindigkeit, mit der sich der Punkt der kritischen Dichte des Plasmas aus­ breitet und von Zustandsparametern des Plasmas abhän­ gig. Dies bedeutet, daß das Plasma sich innerhalb der Bestrahlungsdauer um weniger oder bestenfalls im Be­ reich der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts aus­ breiten kann. Dies hat nun wiederum zur Folge, daß eine sehr hohe Elektronendichte in dem Plasma erzeugt wird, also ein sehr dichtes Plasma. Die hohe Elektro­ nendichte führt innerhalb des Plasmas zu einem über­ kritischen Plasmazustand, bei dem die Plasmafrequenz ω_P größer ist als die Frequenz des Laserlichtes ω₁. Dieses überkritische Plasma ist dann nicht transpa­ rent für den Laserstrahl, und das elektrische Feld klingt aufgrund des Skineffektes im überkritischen Bereich des Plasmas ab, d. h. die Lichtabsorption wird durch diesen Effekt auf die ionisierte Oberfläche des Bauteils begrenzt. Es ergibt sich beispielsweise bei einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls von 5 µm eine Eindringtiefe des Laserstrahls von lediglich 30 nm. Der gesamte Laserimpuls wird folglich an der Oberflä­ che des ionisierten Festkörpers absorbiert.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch wird an der Grenzfläche zwischen ionisiertem Festkörper und Luft ein sehr steiler Elektronendichtegradient er­ zeugt. Dies führt zu einem Ausstoß eines kollimierten Teilchenstrahls mit hoher kinetischer Energie, eines Plasmajets, in Richtung der Oberflächennormalen des Bauteils. Die Relaxation des ionisierten Festkörpers über thermische Prozesse wie Phononen oder Diffusion ist im Vergleich zu Nano- und Pikosekundenlaserplas­ men sehr gering. Die thermische Belastung der Umge­ bung des bestrahlten Bereiches ist daher gering und die Ränder des Abtreibungsbereiches sind äußerst scharf.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß infolge der Mehrphoto­ nenprozesse für dieses Verfahren auch langwellige Laserstrahlung eingesetzt werden kann, die als ultra­ kurzer Laserimpuls besonders einfach mit der nötigen Intensität erzeugt werden kann.

Die kritische Intensität für die Mehrphotonenionisa­ tion ist materialabhängig, so daß in Abhängigkeit vom Material die Laserintensität eingestellt werden kann.

Aufgrund der Multiphotonenionisation wird die Ionisa­ tion nicht durch die Lichtwellenlänge, sondern durch die Intensität des Lichtes bestimmt, so daß durch das erfindungsgemäße Verfahren jegliche Materialien auch Kunststoffe, Dielektrika und Metalle bearbeitet wer­ den können.

Wesentlich an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die hohe Intensität des Laserimpulses, die aufgrund der kurzen Impulsdauer mit niedriger Impulsenergie im Bereich von Mikrojoule erreicht wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen be­ schrieben.

Vorteilhafterweise kann das Bauteil bereits mit einer Beschichtung versehen werden, deren kritische Schwel­ lenintensität auf die Eigenschaften Intensität, Im­ pulsdauer und Wellenlänge des Lasers abgestimmt sind, so daß die obengenannten Kriterien für diese Parame­ ter erfüllt sind. Es können also das Material der Beschichtung und/oder die Eigenschaften des Lasers jeweils passend ausgewählt werden.

Wird die Intensität des Lasers nur gering oberhalb der kritischen Schwellenintensität des abzutragenden Materials gewählt, so wird das darunterliegende Sub­ strat geschont. Weiterhin wird so verhindert, daß durch einen zu hohen Energieeintrag die Beschichtung unkontrolliert und unsauber von dem Substrat abge­ sprengt wird.

Werden Laserimpulse mit Halbwertsbreiten von unter 1 ps bis 200 fs, d. h. im Femtosekunden-Bereich, für die Bestrahlung verwendet, ergeben sich bei allen denk­ baren Wellenlängen von augenblicklich verfügbaren, technisch einsetzbaren und ausreichend leistungsstar­ ken Lasern vom IR-Bereich bis nahen UV-Bereich Plas­ maexpansionen innerhalb der Belichtungsdauer, die geringer als die eingestrahlte Wellenlänge sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewandt werden, wenn der Laserimpuls eine Untergrundstrahlung, z. B. durch spontan verstärkte Fluoreszenzstrahlung, oder dem Hauptlaserimpuls vorangehende Vorimpulse besitzt. In diesem Falle muß die Energiedichte dieser Unter­ grundstrahlung oder des Vorimpulses niedriger als die thermische Energie für die Verdampfung des Materials und ihre Intensität geringer als die kritische Schwellenintensität des Materials für Ionisation sein, so daß durch die Untergrundintensität oder die Vorimpulse keine Verdampfung oder Ionisation des Ma­ terials erfolgt.

Vorteilhafterweise ist es möglich, die Strukturbreite durch die räumliche Lichtintensitätsverteilung (Fo­ kussierung) und die Wahl des Oberflächenmaterials bzw. die Beschichtung der Oberfläche mit einem be­ stimmten Material festzulegen. Damit ist die Struk­ turbreite nicht durch die Beugungsgrenze (Wellenlän­ ge) des Lichtes festgelegt, und es lassen sich grundsätzlich Strukturen im Nanometerbereich erzeu­ gen.

Die Strukturtiefe kann durch die Impulsdauer beein­ flußt werden. Bei gleicher räumlicher Lichtintensi­ tätsverteilung wird mit größerer Impulsenergie und längerer Impulsdauer die Strukturtiefe vergrößert (siehe Fig. 3).

Die Strukturtiefe und die Strukturbreite können so kontinuierlich oder stufenweise durch Variation der räumlichen Intensitätsverteilung bzw. Variation von Impulsdauer und Impulsenergie eingestellt werden.

Zusätzlich kann die Strukturtiefe bei Mehrfachbeschuß mit einer Zahl von Impulsen (Impulsfolge) variiert werden.

Die Strukturtiefe kann außerdem durch die Beschich­ tung der Oberfläche mit diskreten Stufen entsprechend der Schichtdicke vorgegeben werden.

Die Dimension der abgetragenen Struktur läßt sich so besonders einfach und unproblematisch exakt einstel­ len, wenn das Bauteil vor der Strukturierung mit ei­ nem Material beschichtet wird, dessen Dicke der Tiefe der zu erzeugenden Struktur genau entspricht. Wird ein Material gewählt, dessen kritische Schwellenin­ tensität kleiner als die kritische Schwellenintensi­ tät des Substrates, d. h. des ursprünglichen Bauteiles ist, so kann die Laserintensität genau so gewählt werden, daß durch die Bestrahlung zwar die Beschich­ tung ionisiert und als Plasma verdampft wird, jedoch das Material des Substrates nicht angegriffen wird. Durch Bestrahlung des Bauteiles stellt sich also an der Bestrahlungsstelle automatisch exakt die ge­ wünschte Tiefe der Struktur ein.

Alternativ kann das Bauteil mit einem Material be­ schichtet werden, dessen Dicke wiederum nahezu der gewünschten Tiefe der Struktur entspricht. In diesem Fall jedoch besitzt das Material eine kritische Schwellenintensität, die größer ist als die kritische Schwellenintensität des Substrates, d. h. des ur­ sprünglichen Bauteiles. Weiterhin ist erforderlich, daß in diesem Falle die Beschichtung mit Material erfolgt, das für den Laserimpuls transparent ist. Beispielsweise kann eine transparente dielektrische Schicht aus Siliziumdioxid auf einer metallischen Schicht (Aluminium) oder einem metallischen Substrat aufgebracht werden. Wird nun die Laser­ impulsintensität so gewählt, daß sie zwischen der kritischen Schwellenintensität des Substrates und der kritischen Schwellenintensität der Beschichtung liegt, so durchdringt der Laserimpuls die transparen­ te Beschichtung ohne diese zu ionisieren und trifft dann mit einer ausreichenden Intensität auf das Sub­ stratmaterial, das durch Mehrphotonenionisation an­ schließend ionisiert und in ein Plasma umgewandelt wird. Dieses Plasma übt im Bereich der Bestrahlung auf die Beschichtung einen sehr hohen Druck aus und sprengt diese im Bereich der Bestrahlung ab. Wiederum entsteht dadurch mit einem einzelnen Laserimpuls eine Struktur mit vorbestimmter Tiefe.

Unterschiedlich tiefe Strukturen lassen sich nun, wie aus den vorhergehenden erhellt wird, durch eine Ab­ folge von geeigneten Schichten mit unterschiedlichen Schwellenintensitäten erreichen, die auf das Bauteil nacheinander aufgetragen werden.

Die vorangehend beschriebenen Verfahren unter Verwen­ dung einer diskret abzutragenden Beschichtung haben den Vorteil, daß die Strukturtiefe immer exakt einge­ halten wird, sofern ein kurzer Laserimpuls mit geeig­ neter Intensität verwendet wird, wobei die exakte In­ tensität und die Wellenlänge des Lasers sowie seine exakte Dauer für das Einhalten der Strukturtiefe nicht kritisch sind.

Vorteilhafterweise kann die für die Mehrphotonenioni­ sation nötige Laserintensität experimentell bestimmt werden, indem beispielsweise das Entstehen eines Plas­ mas bei probeweiser Bestrahlung mittels optischer Detektion, beispielsweise des Plasmafunkens oder durch Erfassung von Änderungen der Festkörperoberflä­ che erfolgt. Änderungen der Festkörperoberfläche kön­ nen beispielsweise durch mikroskopische Betrachtung oder Reflexions-, Transmissionsmessung oder interfe­ rometrisch beobachtet werden. Weiterhin kann das als Plasma ausgestoßene abgetragene Material noch während des Ausstoßes, d. h. on-line bzw. in Echtzeit, spek­ troskopiert und in seiner Menge und Zusammensetzung analysiert werden. Alle diese Analyseverfahren für das ausgestoßene Plasma sowie die erzeugte Oberflä­ chenstruktur können anschließend zur Steuerung des Strukturierungsprozesses verwendet werden, beispiels­ weise, um durch Mehrfachbestrahlung mit mehreren La­ serimpulsen eine bestimmte Tiefe einer Struktur zu erreichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vor­ teilhaft zur Herstellung optischer Bauteile verwendet werden, bei denen geometrische Strukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Oberfläche der beschichteten optischen Bauteile erzeugt und so geo­ metrisch-optische mit wellenoptischen Eigenschaften der optischen Bauteile verbunden werden können. Wei­ terhin eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Masterplatten für die Replikatechnik beispielsweise im Bereich der optischen Bauteile. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Verfahren eine galvanische Trennung durch selektive Entfernung von leitenden Schichten zwischen zwei zu trennenden Bereichen durchgeführt werden. Derartige galvanische Trennungen auf kleinstem Raum sind beispielsweise im Bereich der integrierten Halbleiterschaltkreise und integrierten Sensorik notwendig. Außerdem können se­ lektiv mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Schutz­ überzüge von Bauteilen entfernt werden. Eine geeigne­ te Wahl der Intensität und/oder Wellenlänge des La­ serimpulses führt dazu, daß lediglich der Schutzüber­ zug oder die metallische Verbindung entfernt werden, ohne daß das Substrat des Bauteiles durch die Belich­ tung mit dem Laserimpuls angegriffen werden.

Im folgenden werden einige Beispiele des erfindungs­ gemäßen Verfahrens gegeben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Laserbearbeitungsverfahren mit Nanosekundenimpulsen,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Femtosekundenimpulsen,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Einstellung der Strukturbreite durch die räumliche Intensitätsverteilung und Einstellung der Strukturtiefe durch die Änderung der Lichtimpuls­ energie und/oder -dauer,

Fig. 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfah­ ren mit Einstellung der Strukturtiefe durch die Dicke der Oberflächenbe­ schichtung,

Fig. 5 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfah­ ren zur on-line-Analyse des abgetrage­ nen Materials, und

Fig. 6 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfah­ ren zur Analyse der Bauteilstruktur­ größe, Analytik des abgetragenen Mate­ rials und Prüfung der optischen Funk­ tion des Bauteils.

Fig. 1 zeigt ein Verfahren zum lasergestützten Abtrag von Material von Oberflächen von Bauteilen aus dem Stand der Technik. Ein Laserimpuls 1 wird auf die Oberfläche eines Bauteils 2 gestrahlt. Die Dauer des Laserimpulses ist dabei größer 10 ns. In der oberen Darstellung ist das Auftreffen des Laserimpulses zum Zeitpunkt T = 0 s dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strahlquerschnitt des Strahlstrahles 1 noch scharf begrenzt. In der unteren Darstellung ist der Laserstrahl zum Zeitpunkt T = 10 ns dargestellt. Der voraus laufende Teil des Laserstrahls hat bereits im Abtragungsbereich 3 das Material des Bauteils 2 ther­ misch verdampft bzw. ionisiert und ein Loch in das Bauteil 2 gebrannt. Das verdampfte/ionisierte Materi­ al bewegt sich als expandierendes Gas/Plasma 4 ent­ gegen der Richtung des Laserstrahls. Durch die opti­ schen Eigenschaften des expandierenden Gases/Plasmas 4 wird der Laserstrahl zum Zeitpunkt T = 10 ns teil­ weise absorbiert und sein Strahlprofil verändert, so daß sich im weiteren Verlauf auch der Bereich auswei­ tet, in dem Material bearbeitet wird. Außerdem ist zu sehen, wie in den Randbereichen des Abtragungsberei­ ches 3 das Material ebenfalls durch den seitlichen Wärmeübertrag aufgeschmolzen und durch den Druck der Verdampfungsgase aufgeworfen wird. Es ergibt sich insgesamt eine sehr unscharfe Randkontur, die einen nicht exakt begrenzten Abtragungsbereich wulstartig umgibt.

Fig. 2 zeigt das Verfahren gemäß der Erfindung. Ein Laserimpuls mit einer Dauer von 100 fs wird auf ein mit einer Beschichtung 6 versehenes Bauteil 2 ge­ strahlt. Die obere Darstellung zeigt einen bestrahl­ ten Bereich 3 zum Zeitpunkt T = 0 s. Die mittlere Darstellung zeigt, wie innerhalb der Be­ strahlungsdauer von T = 10^-13 s ein Plasma 4 im Abtra­ gungsbereich 3 gebildet wird, das sich innerhalb der Bestrahlungsdauer nur unwesentlich ausdehnt. Nach der Bestrahlung mit einer Dauer von 10^-13 s findet keine weitere Ionisation mehr statt, so daß das Plasma sich als kollimierter Partikelstrahl 4 senkrecht zur Nor­ malen der bearbeiteten Oberfläche in der dem Laser­ impuls entgegengesetzten Richtung bewegt. Der Kolli­ mierte Teilchenstrahl ist in der Darstellung bei ei­ nem Zeitpunkt von 1 ns gezeigt.

Ein vorteilhafter Nebeneffekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß ein kollimierter Teilchenstrahl hergestellt wird, der sich wiederum hervorragend zur plasmagestützten Beschichtung anderer Bauteile eig­ net.

Fig. 3 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Verfah­ ren, bei dem die räumliche Verteilung der Laserinten­ sität so gewählt wurde, daß sie lediglich in einem Teilbereich des Strahlquerschnitts die kritische Schwellenintensität zur Mehrphotonenionisation des Materials der Beschichtung 6 des Bauteils 2 über­ steigt. In Fig. 3 dargestellt ist zum einen der In­ tensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt des La­ serimpulses. Es ist leicht zu erkennen, daß nur in dem Abtragungsbereich 3 die Intensität des Laserimp­ ulses über der kritischen Schwellenintensität I_er liegt und daher nur in diesem Bereich zur Ionisation und zum Abtrag von Material führt. Auf diese Weise wird die Strukturbreite eingestellt. Die beiden Dar­ stellungen in Fig. 3 entsprechen einem Abtrag im Ab­ tragungsbereich 3, der in der oberen Darstellung durch eine lange Impulsdauer mit großer Impulsenergie und in der unteren Darstellung durch eine kurze Im­ pulsdauer mit geringer Impulsenergie erzeugt wird. Durch Variation von Impulsdauer und Impulsenergie bei gleicher Lichtintensität kann die Abtragtiefe für eine gegebene Strukturbreite eingestellt werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Verfahren ist die Strukturbreite und Strukturqualität nicht durch die wellenlängenabhängige Beugungsgrenze (beugungsbe­ grenzte Fokussierung) beschränkt. Die Abtragtiefe kann kontinuierlich eingestellt werden.

In Fig. 4 ist gezeigt, wie durch Beschichtung eines Substrates 5 mit einer Beschichtung 6 die Tiefe der erzeugten Struktur diskret eingestellt werden kann.

In der oberen Darstellung ist das Substrat mit einer Beschichtung 6 versehen, deren kritische Schwellen­ intensität für Mehrphotonenionisation niedriger ist als diejenige des Substrates. Wird nun mit einem La­ serimpuls bestrahlt, dessen Intensität zwischen die­ sen beiden Werten liegt, so wird die Beschichtung in dem Abtragungsbereich 3 vollständig abgetragen, ohne daß das Substrat 5 angegriffen wird.

In der unteren Darstellung ist das Substrat 5 mit einer Beschichtung 6 versehen, die für den Laser­ strahl transparent ist und eine kritische Schwellen­ intensität besitzt, die größer ist als diejenige des Substrates 5. Wird nun mit einem Laserimpuls belich­ tet, dessen Intensität zwischen diesen beiden Inten­ sitäten liegt, so wird an der Grenzfläche zwischen Substrat 5 und Beschichtung 6 im Abtragungsbereich 3 Substratmaterial ionisiert und das so erzeugte Plasma bläst das Beschichtungsmaterial im Bereich des Abtra­ gungsbereiches 3 nach außen. Dadurch wird wiederum eine Struktur erzeugt, die fast exakt die Tiefe der Beschichtung besitzt.

Durch das in Fig. 4 dargestellte Verfahren können auf einfache Art und Weise Strukturen mit exakt definier­ ten Tiefen hergestellt werden, die im wesentlichen nicht beeinflußt werden von Schwankungen in der Strahlintensität, Impulsdauer, Wellenlänge und weite­ ren Verfahrensparametern.

Fig. 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Verfah­ ren, bei dem mittels eines von einem Laser 10 ausge­ henden Laserimpulses 1 in einem Abtragungsbereich 3 Strukturen in ein Bauteil eingebracht werden, das aus einem mit mehreren Beschichtungen 7, 8 und 9 versehe­ nen Substrat 5 besteht. In Fig. 5 ist wiederum darge­ stellt, wie nach der Belichtung mit dem Laserimpuls über eine Linse 14 ein Plasmastrahl sich in entgegen­ gesetzter Richtung zu der Strahlrichtung des Lasers bewegt. Die Eigenschaften dieses kollimierten Teil­ chenstrahles 4 werden nun spektroskopisch über eine Linse 14 und einen Lichtleiter 18 durch ein Simultan­ spektrometer 12 erfaßt und die so gewonnenen Meßer­ gebnisse einem Gerät 13 zur Materialanalyse zuge­ führt. Die Analyseergebnisse werden verwendet, um über einen Trigger 11 den Laser 10 zu steuern, bis die gewünschte Abtragtiefe erreicht ist.

Wird beispielsweise festgestellt, daß das Material des Plasmastrahles 4 nicht mehr dem Material der Be­ schichtung 7 sondern bereits dem Material der Be­ schichtung 8 entspricht, so kann das Ablationsverfah­ ren abgebrochen werden, wenn eine Struktur mit der Tiefe der Beschichtung 7 erzielt werden soll.

Fig. 6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Verfah­ ren, bei dem sich ein Bauteil 15 auf einem positio­ nierbaren Träger befindet. Das Bauteil 15 wird mit einem Laserimpuls aus einem Laser 10 über einen Spie­ gel 17 und eine Linse 16 bestrahlt. Um das Bauteil 15 sind eine Testlichtquelle 19, ein Detektor für Refle­ xion 20, ein Simultanspektrometer 12 und ein Detektor 21 für die Transmission des Bauteils 15 angeordnet. Die Testlichtquelle 19 belichtet über einen Spiegel 17 und eine Linse 16 das Bauteil 15 im Abtragungsbe­ reich. Das im Abtragungsbereich reflektierte Licht wird über eine Linse 16 von dem Detektor für Refle­ xion 20 erfaßt. Eine mikroskopische Betrachtung/Bild­ aufnahme der bestrahlten Oberfläche ist durch Verwen­ dung eines dichroitischen Spiegels 17 in Verbindung mit einer Kamera 24 möglich. Der dichroitische Spie­ gel 17 ist teilweise transparent und reflektiert das Licht des Lasers 10. Das von dem Bauteil 15 transmit­ tierte Licht wird ebenfalls über eine Linse 16 von dem Detektor für Transmission 21 erfaßt. Weiterhin wird über eine Linse 16 und eine Lichtleiter 18 eine Spektralanalyse des ausgestoßenen Plasmas durch ein Simultanspektrometer 12 und eine Materialanalytik 13 durchgeführt. Die Reflexions- und Transmissionsmes­ sungen werden verwendet, um die Struktur und die op­ tische Funktion des Bauteils im Ablationsbereich in einem Gerät zur Bauteilprüfung 22 zu bestimmen. Des­ sen Ergebnisse werden gemeinsam mit den Ergebnissen der Spektralanalyse durch das Simultanspektrometer 12 von der Steuereinheit 23 verwendet, um mittels eines Triggers 11 den Laser 10 anzuhalten oder zur Abgabe eines weiteren Laserimpulses zu veranlassen. Das in Fig. 6 beschriebene Verfahren und System ermöglicht eine extrem genaue Mikromaterialbearbeitung und Strukturierung, die aufgrund der Echtzeitanalytik automatisiert ablaufen kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Strukturierung von Oberflächen von Bauteilen (2) durch Abtrag von Material mit La­ serimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit einem Material beschichtetes Bauteil (2) zur Ionisation des Beschichtungsmaterials lokal im Bereich der gewünschten Struktur mit einem Laserimpuls (1) oder einer Folge von La­ serimpulsen bestrahlt wird, wobei jeder einzelne Laserimpuls eine Intensität aufweist, die ober­ halb der kritischen Schwellenintensität für die Mehrphotonenionisation des aufgetragenen Materi­ als liegt und eine derartige Wellenlänge und Impulsdauer aufweist, daß die Expansion des durch den Laserimpuls ionisierten Materials in­ nerhalb der Impulsdauer kleiner ist als die die Mehrphotonenionisation anregende Wellenlänge des Laserimpulses.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auf das Bauteil als Beschichtung eine Materialschicht aufgetragen wird, wobei das Ma­ terial der Schicht und/oder die Intensität, Wel­ lenlänge und/oder Impulsdauer jedes der Laser­ impulse so gewählt werden, daß die Intensität jedes der Laserimpulse oberhalb der kritischen Schwellenintensität für die Mehrphotonenionisa­ tion des aufgetragenen Materials liegt und die Expansion des durch den Laserimpuls ionisierten Materials innerhalb der Impulsdauer kleiner ist als die die Ionisation anregende Wellenlänge.

3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Laserimpulse nur gering über der kritischen Schwellenintensität für die Mehrpho­ tonenionisation des Beschichtungsmaterials liegt.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Laserimpulse kleiner 1 ps, vorzugswei­ se kleiner 200 fs, ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Laserimpulses (1) nur in einem Teilbereich des Strahlquerschnitts die kritische Schwellenintensität des abzutragenden Materials übersteigt.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragtiefe durch Variation der Impulsdauer und Impulsenergie bei konstanter Impulsintensität eingestellt wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bestrahlen mit Laserimpulsen ein beschichte­ tes oder unbeschichtetes Bauteil (2) mit einem Material (6) beschichtet wird, dessen kritische Schwellenintensität kleiner als die kritische Schwellenintensität des unbeschichteten Bauteils bzw. der unter dem aufgetragenen Material (6) liegenden Schicht ist und die Dicke des aufge­ tragenen Materials (6) der Tiefe der zu erzeu­ genden Struktur entspricht.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bestrahlen mit Laserimpulsen ein beschichte­ tes oder unbeschichtetes Bauteil (2) mit einem für den Laserimpuls transparenten Material (6) beschichtet wird, dessen kritische Schwellenin­ tensität größer als die kritische Schwellenin­ tensität des unbeschichteten Bauteils bzw. der unter dem aufgetragenen transparenten Material (6) liegenden Schicht ist und die Dicke des auf­ getragenen transparenten Materials (6) nahezu der Tiefe der angestrebten Struktur entspricht.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Bestrahlen mit Laserimpulsen (1) das Bauteil (2) mit einer Abfolge von Schichten (7, 8, 9) mit unterschiedlicher Schwellenintensitäten be­ schichtet wird, wobei jede Schicht entweder für den Laserimpuls transparent ist und eine höhere kritische Schwellenintensität besitzt oder eine geringere kritische Schwellenintensität als die unmittelbar unter ihr liegende Schicht aufweist.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Laserintensität auf einen Wert oberhalb der kritischen Schwellenintensität des Materials Laserimpulse auf das Material gegeben werden und das Entstehen eines Plasmas aus abge­ tragenem Material mittel optischer Detektion, beispielsweise des Plasmafunkens, oder durch Er­ fassung von Änderungen der Festkörperoberfläche durch Materialabtrag, beispielsweise durch mi­ kroskopische Betrachtung/Bildaufnahme der Ober­ fläche oder durch Reflexions-, Transmissionsmes­ sungen oder interferometrisch, beobachtet wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Plasma (4) ausgestoßene abgetragene Material mittels Plasmaemissionsspektroskopie bezüglich seiner Menge und Zusammensetzung analysiert wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenstruktur bezüglich Strukturgröße und optischer Funktion mittels mikroskopischer Be­ trachtung/Bildaufnahme der Oberfläche, Refle­ xionsmessung, Transmissionsmessung und/oder in­ terferometrisch bestimmt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die durch diese Messungen erhaltenen Ergebnisse zur Steue­ rung des weiteren Strukturierungsprozesses ver­ wendet werden.

14. Verwendung eines Verfahrens nach mindestens ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung von Masterplatten für die Replikatechnik, zur Herstellung mikrooptischer Bauteile, zur Erzeu­ gung von geometrisch-optischen Strukturen auf optischen Bauelementen, zur selektiven Entfer­ nung von Schutzüberzügen oder zur galvanischen Trennung durch selektive Entfernung von leiten­ den Schichten.