WO2014102008A2 - Verfahren zum erzeugen von strukturen auf einer oberfläche eines werkstücks - Google Patents

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WO2014102008A2
WO2014102008A2 PCT/EP2013/003916 EP2013003916W WO2014102008A2 WO 2014102008 A2 WO2014102008 A2 WO 2014102008A2 EP 2013003916 W EP2013003916 W EP 2013003916W WO 2014102008 A2 WO2014102008 A2 WO 2014102008A2
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light spot
laser
workpiece
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Uwe Stute
Viktor Schütz
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Laser Zentrum Hannover E.V.
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/355—Texturing
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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/3568—Modifying rugosity
    • B23K26/3584—Increasing rugosity, e.g. roughening

Definitions

  • the invention relates to a method for producing structures on a surface of a workpiece, wherein the structures have an average depth, a mean distance from each other and an average extent and in the method electromagnetic radiation of a pulsed laser is guided as a laser beam on the surface of the workpiece, and there forms a light spot, so that structures arise whose mean extent is smaller than an extension of the light spot.
  • the invention also relates to an apparatus for carrying out such a method.
  • pulsed lasers are nowadays used in many areas, which emit their electromagnetic radiation not in continuous operation but in pulsed form, wherein the length of a pulse may be, for example, in the femtosecond, picosecond or nanosecond range.
  • Such pulsed lasers can be operated at different repetition frequencies of, for example, a few hertz up to the megahertz range. At a repetition frequency of 50 kHz, for example, 50,000 laser pulses are emitted per second.
  • the electromagnetic see radiation of this pulsed laser is directed as a laser beam to the surface to be processed.
  • the intensity of the individual laser pulses is generally above the laser and material-dependent Abtragsschwelle, so that material is removed from the surface of the workpiece.
  • only the laser removal threshold and not a removal threshold with respect to the total energy balance is understood here as the removal threshold.
  • the structures which can be produced in this way therefore have an extent which corresponds approximately to the extent of the light spot produced by the laser beam.
  • the light spot can be guided in a scanning direction at a scanning speed over the part of the surface to be machined of the workpiece.
  • the influence of the scanning direction and the scanning speed on the forming three-dimensional structures has already been investigated in the literature.
  • the light spot can also be held stationary on the surface to be processed. In this case too, skilful selection of the parameters to be set up can give rise to three-dimensional structures.
  • microscale structures have been observed for some years, the extent of which is significantly smaller than the extent of the respective light spot.
  • the removal threshold for silicon is for example about 0.1 J / cm 2 .
  • Cone structures are observed to about 1 - 2 J / cm 2 .
  • These thresholds apply to ultrashort pulse laser radiation.
  • the most well-known of these structures are called ripples or "laser-induced periodic surface structures" (LIPSS), which consist of at least nearly parallel elongated structures with trenches between them, the distance between two of these parallel trenches being in the region of Wavelength of the irradiated laser light, while the longitudinal extent of the structures is significantly larger than this wavelength, but still smaller than a diameter of the light spot.
  • LIPSS laser-induced periodic surface structures
  • Ripples are likewise described in DE 10 2005 043 495 A1. It also investigates the influence of the direction of polarization, the scanning speed with which the light spot moves over the surface to be processed, and the laser fluence on the ripples. By twice applying the method described in DE 10 2005 043 495 A1 with two mutually perpendicular polarization directions of the irradiated laser light can also produce nub structures.
  • US Pat. Nos. 8,143,686 B2 and 2009/0014842 A1 disclose the production of columnar structures.
  • the surface to be processed is overflowed or wetted with a process gas or a process fluid.
  • microstructured surfaces are needed or preferably used in many different applications. For example, they can ensure that photodetectors or solar cells have less reflection on their surface, so that the efficiency and efficiency of such photoelectric elements can be increased. At the same time, friction parameters can be adjusted or the mode of action of catalysts can be improved, since microstructured surfaces have a significantly larger surface area than is the case with smooth surfaces. In other applications, for example, the surfaces of workpieces used as implants in human or animal bodies may be coated such that growth of human or animal tissue is generally facilitated or even enabled only for certain types of cells.
  • the previously known methods are relatively inflexible, since the structures to be introduced into the surface are not or only to a very limited degree adjustable, for example, in their mean distance from one another or their mean depth.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a method for producing structures on the surface of a workpiece, with which the required laser power and thus the acquisition and maintenance costs can be reduced while the flexibility can be increased, since the desired parameters of the structures to be produced are adjustable.
  • the invention solves this problem by a generic method, which is characterized in that a spatial distribution of field strengths of electric and / or magnetic fields, which act on the surface, is selected such that the structures have a predetermined mean depth and / or a have predetermined mean distance from each other.
  • the invention is therefore based on the finding that it depends on the spatial distribution of the field strengths of the electric and / or magnetic fields acting on the surface. It is necessary to influence these variables in order to achieve desired structural shapes, desired mean depths and / or desired average distances of the individual structures from one another. To achieve this, different measures can be taken, which of course can also be combined with each other.
  • the plasmons are described as plane electromagnetic waves on the surface. Assuming that there are no external electrical currents and the material is not magnetic, the electromagnetic wave has a complex nature Wave vector with an x component whose imaginary part is too
  • ⁇ again denotes the laser fluence
  • a p the AblatidV a p + d
  • the different structures can be understood as superimpositions of different plasmonic standing wave functions, which have different "k” vectors, which in the case of the "ripples" are nearly parallel to each other. In the case of the pearl and / or conical structures, at least two of these vectors are at a fixed large angle to each other.
  • the spatial distribution of the field strengths which is necessary for generating structures having the predetermined mean depth and / or the predetermined mean distance from one another, is achieved at least by an adaptation of the spatial intensity distribution of the laser beam. Due to the electromagnetic radiation of the pulsed laser, which is guided on the surface of the workpiece, the electric and magnetic fields of this radiation interact with the material of the workpiece. Consequently, these electric and magnetic fields of the electromagnetic radiation are fields which act on the surface.
  • the spatial intensity distribution of the incident laser light within the generated light spot it is also possible to adapt the spatial distribution of the field strengths of the electric and magnetic fields.
  • This can be done for example by beam-forming optical elements that change, for example, the geometric shape of the light spot.
  • the intensity profile which conventionally corresponds to a Gaussian curve, can be changed so that, for example, in the middle region of the light spot, an almost constant energy density prevails, which drops sharply towards the edges of the light spot.
  • Such a profile can be approximated for example by a step function.
  • a database to which, for example, an electrical control of a system in which a described method is performed, deposited, which geometric shape and / or which intensity distribution leads to which structures or their parameters. If a structure with certain parameters is now to be generated, only the desired configuration of the geometric shape of the light spot or of the intensity distribution has to be read from the database and adjusted accordingly.
  • At least one refractive optical element is used to adapt the spatial intensity distribution of the laser beam.
  • This may be formed, for example, analogously to an axicon, so that it is possible, for example, to generate radially and circularly symmetrical spatial intensity distributions.
  • At least one diffractive optical element is used to adapt the spatial intensity distribution of the laser beam.
  • diffractive elements can be used to split the emitted from the pulsed laser electromagnetic radiation into a plurality of laser beams, each having a lower intensity. In this way, it is possible to produce a plurality of light spots on a surface to be processed and thus to significantly increase the processing speed of a macroscopic surface. In this way, even higher available laser powers are better utilized and thus the manufacturing processes are made more efficient and less expensive.
  • an additional electric and / or magnetic field is advantageously applied which acts on the surface.
  • This can for example be done in a particularly simple manner by placing the surface to be processed between the plates of a capacitor or between two electrodes. Between these an electric field is applied, so that this field also acts on the surface of the workpiece.
  • An additional magnetic field can be generated, for example, by means of coil arrangements, in or between which the workpiece to be machined or at least part of the surface to be processed is arranged. Additional magnetic fields which act on the surface to be processed, can thus be generated in a simple manner.
  • the strength of such an additional electric field can be, for example, in the range of several kilovolts per meter.
  • the additional field is not pulsed and adapted for example to the pulse rate or the repetition rate of the pulsed laser, but temporally continuous and permanent or at least relatively long on the Surface acts, such electric field strengths are sufficient to have a significant effect on the properties of the structures thus produced.
  • electric field strengths in the order of kilovolts per meter are several, for example up to five orders of magnitude below the electric field strengths of the laser light, which are to be arranged in the range of 10 8 volts per meter.
  • the electrical and / or magnetic additional field acts on the surface much longer, the effects of the two electromagnetic field types on the structure produced and their properties lie approximately in the same order of magnitude.
  • the additional field has an additional field strength, which is constant over time.
  • the structures to be produced in their properties such as average depth, average distance and average extent can be particularly easily influenced, so that the desired parameters can be achieved with a particularly low expenditure on equipment.
  • the additional field is an alternating electric and / or magnetic field.
  • the frequency with which the additional field changes its sign can be chosen completely freely.
  • smaller frequencies are conceivable and useful for certain requirements.
  • the parameters describing this field may be changed during the scanning. For example, it is possible to vary the frequency and / or the amplitude of the alternating field in the course of the scanning. This also makes it possible to produce different structures with different properties and parameters in different areas of the surface to be processed. Of course, it is also possible to superimpose a plurality of constant fields and / or a plurality of alternating fields, which may be of electrical and / or magnetic nature, which may be selected individually or jointly. can be changed during the editing of the surface. The properties of the surface, which can be achieved by such modified fields, can thus be optimally adjusted to a wide variety of requirements.
  • the changes in the parameters of electrical and / or magnetic alternating fields, such as the frequency and / or amplitude of the corresponding field is done on a time scale, which is advantageously long compared to the frequency of the respective alternating field.
  • the additional field has a direction which has an adjustable field angle to a scanning direction in which the light spot is guided over the surface.
  • this field angle also has an influence on the structural properties of the structure to be generated.
  • a further parameter is therefore given, which is easily changeable and has a well-defined influence on the structure to be generated.
  • almost all structural properties of the structure to be produced such as depth, spacing and extent, can be influenced independently of one another, so that virtually any combination of desired structural properties can be generated.
  • each pulse of the pulsed laser from at least two separate time successive partial pulses can also be called the total pulse.
  • These partial pulses preferably have a time interval of a few nanoseconds to microseconds and thus follow one another much faster than, for example, corresponds to the repetition frequency of the pulsed laser.
  • each total pulse now corresponds to a plurality of fast successive partial pulses.
  • the time interval between two partial pulses is preferably smaller than the time interval of two total pulses given by the repetition frequency. This, too, can be used to influence the structures produced.
  • this type of laser pulses is not limited to two partial pulses.
  • a plurality of partial pulses for example five, seven or ten, which follow one another rapidly in terms of time and jointly form a total pulse.
  • the time interval between two consecutive subpulses is not necessarily constant.
  • space the individual partial pulses differently in time from one another. For example, it is possible to extend or shorten the distance between two successive partial pulses within a total pulse.
  • the intensity of the different partial pulses of a total pulse can also be varied, so that different partial pulses enter different amounts of energy into the material to be processed. Of course, such a variation of the intensities of the partial pulses can also take place over a plurality of total pulses.
  • the structure produced can be influenced over a wide range for the same laser fluence used.
  • the arrangement of such structures ren changed, for example, from a linear or strip-shaped arrangement to an isotropic distribution of these structures. If one wanted to produce such structures with individual pulses which are not split into a plurality of partial pulses, pulses with a significantly higher fluence would have to be used for this purpose, so that stronger lasers would be required. This would result in additional acquisition costs.
  • the light spot is guided over at least part of the surface.
  • the proportion of the surface being processed can be significantly larger than the light spot.
  • the already described variation of electrical and / or magnetic additional fields is a conceivable and often useful application in this case.
  • a device is suitable for carrying out a method described here. It therefore advantageously comprises means for beam shaping and / or for changing the intensity profile or the spatial intensity distribution within the laser beam.
  • the device has possibilities to apply electrical and / or magnetic fields, which may be constant, almost constant or variable in time.
  • the device is capable of rotating such a field relative to the surface to be processed, for example to change the field angle between the additional field and the scanning direction.
  • the device preferably also has a database or a data memory in which specific configuration of the device is stored for the desired structure parameters, such as depth, distance or extent. These configurations relate, for example, to the required beam shaping, the required intensity distribution of the laser radiation but also the strength, direction and time profile of any additional fields to be applied.
  • FIG. 2 a shows the schematic structure of a device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2b shows the schematic structure of a device according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 the schematic representation of a pulse sequence for a method according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 5 - with a method according to an embodiment of the present invention generated surface structures.
  • FIGS. 1a to 1c show an overview of different structures achievable by a method according to an embodiment of the present invention.
  • elongated Ripples 2 are shown, which extend almost at a 45 ° angle. It can be seen between two adjacent Ripples 2 a distance 4 of the two ripples 2 to each other, which is smaller than 1 pm.
  • the generated structures are therefore smaller in one direction than the light spot used.
  • FIG. 1 a there is an anisotropic expansion of the structures which lies in one direction in the region of the laser wavelength. In order to produce the ripples 2 according to FIG.
  • Figure 2a shows the schematic structure of an apparatus for a method according to an embodiment of the present invention. It can be seen three workpieces 12 having a surface 14 which is to be processed. The necessary laser is not shown in Figure 2.
  • each an electrode 16 is shown, which may be, for example, a capacitor plate.
  • the electrodes 16 are connected via cables 18 to a DC voltage source 20.
  • an additional electric field 22 is generated between the two electrodes.
  • This additional field 22 is represented by the arrows.
  • the structures produced on the surface 14 of the workpieces 12 can be influenced so that they fulfill the desired parameters, such as average depth, average distance and average extent.
  • an alternating voltage source can be used, which has a time-dependent alternating field as an additional field 22 result.
  • the strength and the direction of the additional field 22 is also advantageously freely tunable and adjustable.
  • FIG. 2b shows the schematic structure of a further apparatus for a method according to an embodiment of the present invention.
  • the surface 14 of a workpiece 12 is processed here.
  • three surface regions 28 are provided with a structure.
  • two electrodes 16 are shown, but here are in contact with the workpiece 12 and may optionally be connected to this. Also by these electrodes 16, the additional field 22 is generated.
  • FIG. 3 shows the schematic representation of a pulse train according to which elec-magnetic radiation from the pulsed laser is directed to the surface to be processed 14. Shown is the intensity I of the laser time t. Two groups of partial pulses 24 can be seen, with three partial pulses 24 each forming a pulse 26. Between the beginning of two adjacent pulses 26 passes the repetition time t re p, which is represented by the arrow 29. This duration is determined by the repetition frequency at which the laser emits its pulses. On the other hand, there are partial pulse periods tj p between two adjacent partial pulses 24, which are likewise represented by double arrows. It can be seen that these partial pulse periods t Tp need not be constant within a pulse 26, but increase in the embodiment shown with increasing time.
  • pulses 26 are also conceivable, which consist of more or less than three partial pulses 24 or have other partial pulse periods tj p .
  • These partial pulse periods tj p are significantly shorter than the repetition time t rep and, in particular, should not be greater than half the repetition time t rep . For example, they are a few nanoseconds, which is the The main application case is, up to a few microseconds.
  • the partial pulses 24 do not all have the same intensity I.
  • the middle of the three partial pulses 24 is provided with a higher intensity I than the first and third partial pulses 24.
  • the two middle partial pulses 24 of the pulses 26 do not have the same increased intensity I either ,
  • the intensities I of the remaining partial pulses 24 are individually freely adjustable depending on the desired requirement profile.
  • micro- and nanostructures can consequently be introduced into the surface of a wide variety of materials, for example semiconductors or metals, with their geometric parameters such as depth, average spacing and mean extent being almost freely adjustable are.
  • additional fields which may be electrical and / or magnetic fields or alternatively it is possible to change the geometric shape of the illuminating light spot and / or the intensity distribution within the light spot by beam shaping so that the corresponding geometric parameters of the generated structures correspond to the desired values.
  • process gases and / or process fluids applied to the surface to be processed This also allows the geometric properties of the applied structures to be changed and influenced as desired.
  • FIG. 4 schematically shows a more detailed illustration of a device for carrying out a method described here.
  • a pulsed laser 30 emits a first laser beam 32 of a first wavelength. This is introduced into a frequency doubler 34, the second Laser beam 36 emits, which has the opposite of the first laser beam 32 doubled frequency.
  • the second laser beam 36 is fed via a first mirror 38 to a beam expander 40 and supplied by the latter in expanded form via a second mirror 42 to a scanner 44. This leads the laser beam as a light spot 46 over the workpiece 12. This area is shown enlarged in the lower part of Figure 4.
  • the second laser beam 36 which is applied to the workpiece 12 by the scanner 44, arrives.
  • the two electrodes 16 are connected via cables 18 to the DC voltage source 20.
  • FIG. 5 shows surface structures produced by a method according to one exemplary embodiment of the present invention.
  • the three upper representations are images of structures that were created without an additional field added.
  • the specified angle ⁇ stands for different scanning directions, in which the light spot has been guided over the surface of the material to be processed.
  • results are shown for methods in which an additional field was additionally created.
  • This is in the present example a constant electric field with a field strength of 8333 volts per meter.
  • the direction of the additional field runs from left to right for all three lower representations, so that in the lower left section the scanning direction and the direction of the additional electric field run parallel and in the right section antiparallel to each other. In the middle lower section, the scan direction and the direction of the additional electric field are perpendicular to each other. of the.
  • the strength of the additional field but also the direction of the additional field, if necessary, relative to a scanning direction can thus influence the structure produced.
  • the reflectivity of a solar cell produced from a treated polycrystalline silicon wafer was reduced by 10%, thereby increasing the efficiency and efficiency of the solar cell.

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Abstract

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

Description

Titel
Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche eines Werkstücks
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche eines Werkstückes, wobei die Strukturen eine mittlere Tiefe, einen mittleren Abstand voneinander und eine mittlere Ausdehnung aufweisen und in dem Verfahren elektromagnetische Strahlung eines gepulsten Lasers als Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks geführt wird und dort einen Lichtfleck bildet, so dass Strukturen entstehen, deren mittlere Ausdehnung kleiner ist als eine Ausdehnung des Lichtflecks. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Bei der Laserbearbeitung von Oberflächen von Werkstücken werden heute in vielen Bereichen gepulste Laser verwendet, die ihre elektromagnetische Strahlung nicht im Dauerbetrieb, sondern in gepulster Form, wobei die Länge eines Pulses beispielsweise im Femtosekunden-, Pikosekun- den- oder Nanosekundenbereich liegen kann, aussenden. Derartige gepulste Laser können bei unterschiedlichsten Repetitionsfrequenzen von beispielsweise wenigen Hertz bis in den Megahertzbereich betrieben werden. Bei einer Repetitionsfrequenz von beispielsweise 50 kHz werden folglich 50.000 Laserpulse pro Sekunde abgestrahlt. Die elektromagneti- sehe Strahlung dieser gepulsten Laser wird als Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche gelenkt. Dabei liegt die Intensität der einzelnen Laserpulse in der Regel oberhalb der laser- und materialabhängigen Abtragsschwelle, so dass Material von der Oberfläche des Werkstücks abgetragen wird. Dabei wird vorliegend unter der Abtragsschwelle lediglich die Laserabtragsschwelle und nicht eine Abtragsschwelle im Hinblick auf die Gesamtenergiebilanz verstanden. Die so erzeugbaren Strukturen haben daher eine Ausdehnung, die in etwa der Ausdehnung des durch den Laserstrahl erzeugten Lichtflecks entspricht.
Der Lichtfleck kann dabei in einer Scanrichtung mit einer Scangeschwindigkeit über den zu bearbeitenden Teil der Oberfläche des Werkstückes geführt werden. Der Einfluss der Scanrichtung und der Scangeschwindigkeit auf die sich dabei bildenden dreidimensionalen Strukturen wurde in der Literatur bereits untersucht. Alternativ zu dieser Ausführung kann der Lichtfleck auch stationär auf der zu bearbeitenden Oberfläche gehalten werden. Auch in diesem Fall können sich bei geschickter Wahl der einzustellenden Parameter dreidimensionale Strukturen ausbilden.
Nahe der Abtragsschwelle werden seit einigen Jahren mikroskalige Strukturen beobachtet, deren Ausdehnung deutlich geringer ist als die Ausdehnung des jeweiligen Lichtflecks. Die Abtragsschwelle für Silizium liegt beispielsweise bei etwa 0,1 J/cm2. Kegelstrukturen werden bis etwa 1 - 2 J/cm2 beobachtet. Diese Schwellenwerte gelten für Ultrakurzpuls- Laserstrahlung. Die wohl bekanntesten dieser Strukturen werden Ripples oder auch„laser induced periodic surface struetures" (LIPSS) genannt. Derartige Ripples bestehen aus zumindest nahezu parallel zueinander verlaufenden länglichen Strukturen mit zwischen ihnen liegenden Gräben. Der Abstand zwischen zweien dieser parallel verlaufenden Gräben liegt im Bereich der Wellenlänge des eingestrahlten Laserlichtes, während die Längsausdehnung der Strukturen deutlich größer als diese Wellenlänge, jedoch immer noch kleiner als ein Durchmesser des Lichtflecks ist. Derartige Strukturen werden beispielsweise in der EP 1 586 405 A1 beschrieben. Zudem wird der Einfluss einer Scanrichtung, in die der Lichtfleck über den zu bearbeitenden Teil der Oberfläche geführt wird, der Polarisation des eingestrahlten Laserlichtes sowie des Einstrahlwinkels, in dem das Laserlicht auf die zu bearbeitende Oberfläche trifft, untersucht.
In der DE 10 2005 043 495 A1 werden ebenfalls Ripples beschrieben. Auch in ihr wird der Einfluss der Polarisationsrichtung, der Scangeschwindigkeit, mit der sich der Lichtfleck über die zu bearbeitende Oberfläche bewegt, sowie der Laserfluenz auf die Ripples untersucht. Durch das zweimalige Anwenden des in der DE 10 2005 043 495 A1 beschriebenen Verfahrens mit zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen des eingestrahlten Laserlichtes lassen sich zudem Noppenstrukturen erzeugen.
Aus den US 8,143,686 B2 und US 2009/0014842 A1 ist jeweils die Erzeugung von säulenartigen Strukturen bekannt. Dabei wird die zu bearbeitende Oberfläche mit einem Prozessgas oder einem Prozessfluid überströmt beziehungsweise benetzt.
Anmelderseitige Untersuchungen haben gezeigt, dass sich unterschiedliche Arten von Strukturen durch unterschiedliche Energien, die von der Laserstrahlung in das Material eingebracht werden können, erzeugen lassen. So werden bei relativ geringen Energien zunächst die bereits beschriebenen Ripples erzeugt. Je größer die eingebrachte Energiedosis wird, desto mehr verschwinden die länglichen Ripples und desto mehr entstehen zunächst perlenartige und anschließend kegelartige Strukturen. Für alle diese Strukturen gilt jedoch, dass sie eine mittlere Tiefe haben, die sich in einer Richtung senkrecht zur ursprünglichen Oberfläche des Werkstücks erstreckt, sowie einen mittleren Abstand voneinander. Zudem weisen sie eine mittlere Ausdehnung auf, die insbesondere bei den Ripples in unterschiedliche Richtungen stark unterschiedlich ausgeprägt sein kann. Für alle diese Ausdehnungen gilt jedoch, dass sie kleiner sind als die Ausdehnung des entsprechenden Lichtfleckes in diese Richtung.
Derartig mikrostrukturierte Oberflächen werden in vielen unterschiedlichen Anwendungen benötigt oder vorzugsweise eingesetzt. Sie können beispielsweise dafür sorgen, dass Photodetektoren oder Solarzellen eine geringere Reflexion an ihrer Oberfläche aufweisen, so dass die Effizienz und der Wirkungsgrad derartiger photoelektrischer Elemente gesteigert werden kann. Gleichzeitig können Reibungsparameter eingestellt werden oder die Wirkungsweise von Katalysatoren verbessert werden, da mikrostrukturierte Oberflächen über eine deutlich größere Oberfläche verfügen, als dies bei glatten Oberflächen der Fall ist. In anderen Anwendungsbereichen können beispielsweise die Oberflächen von Werkstücken, die als Implantate in menschlichen oder tierischen Körper verwendet werden, derart beschichtet werden, dass ein Anwachsen von menschlichem oder tierischem Gewebe allgemein erleichtert oder sogar nur für bestimmte Arten von Zellen ermöglicht wird.
Die Erzeugung der hier beschriebenen Strukturen benötigt im Allgemeinen eine relativ geringe Laserintensität, da der Prozess in der energetischen Nähe der Abtragsschwelle angesiedelt ist. Dennoch ist die Gesamtleistung, die zur nano- und mikroskaligen Strukturierung von makroskaligen Oberflächen benötigt wird, nicht zu vernachlässigen, wenn eine adäquat kurze Prozesszeit erreicht werden soll. Da die zu bearbeitenden und zu strukturierenden Oberflächen sich im makroskaligen Bereich bewegen, ergeben sich dennoch notwendige mittlere Laserleistungen im Kilowattbereich, beispielsweise für 6-inch Silizium Solar Wafer, für ultrakurz gepulste Laser. Nach heutigem Stand der Technik ergeben sich daraus für die anzuschaffenden Laser sehr hohe Anschaffungs- und Unterhaltskosten.
Zudem sind die bisher bekannten Verfahren vergleichsweise unflexibel, da die in die Oberfläche einzubringenden Strukturen nicht oder nur in sehr geringem Maß beispielsweise in ihrem mittleren Abstand zueinander oder ihrer mittleren Tiefe einstellbar sind.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf der Oberfläche eines Werkstückes vorzuschlagen, mit dem die benötigte Laserleistung und damit die Anschaffungs- und Unterhaltskosten reduziert und gleichzeitig die Flexibilität erhöht werden kann, da die gewünschten Parameter der zu erzeugenden Strukturen einstellbar sind.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, dass eine räumliche Verteilung von Feldstärken elektrischer und/oder magnetischer Felder, die auf die Oberfläche einwirken, derart gewählt wird, dass die Strukturen eine vorbestimmte mittlere Tiefe und/oder einen vorbestimmten mittleren Abstand voneinander aufweisen.
Der Erfindung liegt folglich die Erkenntnis zugrunde, dass es auf die räumliche Verteilung der Feldstärken der auf die Oberfläche einwirkenden elektrischen und/oder magnetischen Felder ankommt. Diese Größen gilt es zu beeinflussen, um gewünschte Strukturformen, gewünschte mittlere Tiefen und/oder gewünschte mittlere Abstände der einzelnen Strukturen voneinander zu erreichen. Um dies zu erreichen, können unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden, die selbstverständlich auch miteinander kombinierbar sind.
Um eine Abschätzung für den mittleren Abstand der zu erzeugenden Strukturen zu erhalten, werden die Plasmonen als ebene elektromagnetische Wellen an der Oberfläche beschrieben. Geht man davon aus, dass keine externen elektrischen Ströme anliegen und das Material nicht magnetisch ist, verfügt die elektromagnetische Welle über eine komplexen Wellenvektor mit einer x-Komponente, deren Imaginärteil sich zu
Figure imgf000008_0001
ergibt. Dabei bezeichnen ερ = ερ' + i ερ" und Ed = + i ed" die beteiligten
» c et 1
Permittivitäten. Mit ε = 2n'n" und wobei — die optische Ein- ω 2 a
dringtiefe bezeichnet, die hier durch die Ablationstiefe ap(<t>) ersetzt wird, die eine Funktion der Laserfluenz Φ ist, ergibt sich
Figure imgf000008_0002
Die Intensität der erzeugten Plasmonen nimmt dabei zu den Rändern hin ab. Ein Maß dafür ist die sogenannte„laterale Propagationslänge", die sich in x-Richtung zu Lx =— ergibt.
2kx
Nach der Absorption kann das Abtragen durch die Laserstrahlung mittels thermodynamischer Modelle beschrieben werden. Aus H=U+pV wird bei Vernachlässigung der Volumenarbeit und der Zeitabhängigkeit der Ablati- on =— . Die Änderung der volumetrischen Enthalpiedichte ist gleich dV dV
der absorbierten Energiedichte der Laserstrahlung und ergibt sich zu dH Φ
. Dabei bezeichnet Φ wieder die Laserfluenz, ap die AblatidV ap + d
onstiefe und d eine durch weitere Effekte und/oder Verluste eingetretene weitere Eindringtiefe, so dass durch ap + d die Energieeindringtiefe bezeichnet wird. Setzt man nun als weitere Näherung d=0 ergibt sich, dass die Ablationstiefe direkt proportional zu der Laserfluenz Φ ist. Setzt man dieses in den Ausdruck für kx" ein und ersetzt kx" in dem Ausdruck für Lx, so erhält man eine direkte Proportionalität der„lateralen Propagationslän- ge" zu der Laserfluenz, wobei der Proportionalitätsfaktor nur von den optischen Eigenschaften der beteiligten Materialen abhängt. Allgemein gilt, dass die Propagationslänge kleiner oder gleich dem mittleren Abstand der zu erzeugenden Strukturen ist, so dass auf diese Weise trotz einiger vorgenommener Näherungen eine Abschätzung des mittleren Abstandes nach oben möglich ist.
Die verschiedenen Strukturen können als Überlagerungen unterschiedlicher plasmonischer stehender Wellenfunktionen verstanden werden, die unterschiedliche„k"-Vektoren aufweisen, die im Falle der„ripples" nahezu parallel zu einander stehen. Im Falle der perlen- und/oder kegelartigen Strukturen stehen wenigstens zwei dieser Vektoren in einem festen großen Winkel zu einander.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die räumliche Verteilung der Feldstärken, die zur Erzeugung von Strukturen mit der vorbestimmten mittleren Tiefe und/oder dem vorbestimmten mittleren Abstand voneinander nötig ist, zumindest auch durch eine Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls erreicht. Durch die elektromagnetische Strahlung des gepulsten Lasers, die auf die Oberfläche des Werkstückes geführt wird, treten die elektrischen und magnetischen Felder dieser Strahlung in Wechselwirkung mit dem Material des Werkstückes. Bei diesen elektrischen und magnetischen Feldern der elektromagnetischen Strahlung handelt es sich folglich um Felder, die auf die Oberfläche einwirken.
Über die Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des eingestrahlten Laserlichtes innerhalb des erzeugten Lichtflecks lässt sich folglich auch die räumliche Verteilung der Feldstärken des elektrischen und magnetischen Feldes anpassen. Dies kann beispielsweise durch strahlformende optische Elemente geschehen, die beispielsweise die geometrische Form des Lichtflecks verändern. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, auch die Intensitätsverteilung innerhalb des Lichtfleckes zu modifizieren, um zu den gewünschten Ergebnissen bei der erzeugten Struktur zu gelangen. So kann beispielsweise das Intensitätsprofil, das herkömmlicherweise einer Gaußkurve entspricht, so verändert werden, dass beispielsweise im mittleren Bereich des Lichtfleckes eine nahezu konstante Energiedichte herrscht, die zu den Rändern des Lichtfleckes stark abfällt. Ein derartiges Profil lässt sich beispielsweise durch eine Stufenfunktion annähern. Alternativ dazu ist es auch möglich, die größte Intensität und damit die größten elektrischen und magnetischen Feldstärken nicht im Zentrum des Lichtfleckes, sondern beispielsweise ringförmig um das Zentrum herum vorzusehen. Alle diese Beeinflussungen und Änderungen der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls haben eine Änderung der räumlichen Verteilung der Feldstärken der elektrischen und magnetischen Felder der elektromagnetischen Strahlung auf der Oberfläche des Werkstückes zur Folge und haben somit einen direkten Einfluss auf die erzeugten Strukturen. Durch die Kenntnis dieser Zusammenhänge ist es folglich möglich, Strukturen mit den gewünschten Parametern, beispielsweise einer vordefinierten mittleren Tiefe zu erzeugen. Natürlich ist auch jede Form der Fokussierung des Laserstrahls denkbar, um die zu erzeugenden Strukturen zu beeinflussen.
Vorzugsweise ist in einer Datenbank, auf die beispielsweise eine elektrische Steuerung einer Anlage, in der ein beschriebenes Verfahren durchgeführt wird, hinterlegt, welche geometrische Form und/oder welche Intensitätsverteilung zu welchen Strukturen beziehungsweise deren Parametern führt. Soll nun eine Struktur mit bestimmten Parametern erzeugt werden, muss lediglich die gewünschte Konfiguration der geometrischen Form des Lichtfleckes oder der Intensitätsverteilung aus der Datenbank ausgelesen und entsprechend eingestellt werden.
Vorteilhafterweise wird zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls wenigstens ein refraktives optisches Element verwendet. Dies kann beispielsweise analog zu einem Axikon ausgebildet sein, so dass sich beispielsweise radial und zirkulär symmetrische räumliche Intensitätsverteilungen erzeugen lassen.
Alternativ oder zusätzlich dazu wird zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls wenigstens ein diffraktives optisches Element verwendet.
Man geht heute davon aus, dass durch die Einstrahlung von gepulstem Laserlicht Quasiteilchen, sogenannte Oberflächenplasmonen, angeregt werden. Stark vereinfacht entsprechen diese Quasiteilchen gekoppelten Oszillationen von Oberflächenelektronen des Materials. Durch geometrisch unterschiedlich geformte Laserstrahlen und/oder unterschiedliche räumliche Intensitätsverteilungen innerhalb des Lichtfleckes der Laserstrahlen lassen sich unterschiedliche Moden und Anregungszustände dieser Quasiteilchen im Oberflächenbereich des Materials anregen, die zu unterschiedlichen Strukturen oder zumindest zu unterschiedlichen Eigenschaften, wie der mittleren Tiefe und dem mittleren Abstand, der Strukturen führen. Neben den so erzeugten Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Parametern ist es beispielsweise möglich, durch die so angeregten stehenden Wellen im Oberflächenbereich des Materials chemische Reaktionen, beispielsweise Oxidationen, an bestimmten Stellen, beispielsweise Schwingungsbäuchen der stehenden Wellen, zu verstärken und somit auf kleinsten Strukturen, beispielsweise im Bereich weniger Mikrometer, die chemischen Eigenschaften der Oberfläche des Materials zu modifizieren.
Dadurch werden weitere Anwendungsgebiete der hier beschriebenen Verfahren erschlossen und die Flexibilität des Verfahrens und insbesondere der mit dem Verfahren bearbeiteten Oberflächen weiter erhöht.
Dadurch, dass Phasenbeziehungen und Polarisationsrichtungen der ein- zelnen Laserpulse untereinander keine oder allenfalls eine untergeordnete Rolle spielen, und es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren nahezu ausschließlich auf die räumliche Verteilung der jeweiligen Feldstärken ankommt, können zudem diffraktive Elemente verwendet werden, um die vom gepulsten Laser ausgesandte elektromagnetische Strahlung in eine Mehrzahl von Laserstrahlen aufzuspalten, die jeweils eine geringere Intensität aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, mehrere Lichtflecke auf einer zu bearbeitenden Oberfläche zu erzeugen und somit die Bearbeitungsgeschwindigkeit einer makroskopischen Oberfläche deutlich zu erhöhen. Auf diese Weise werden auch höhere zur Verfügung stehende Laserleistungen besser genutzt und somit die Herstellungsverfahren effizienter und kostengünstiger ausgestaltet.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Anpassungen der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls wird vorteilhafterweise ein elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld angelegt, das auf die Oberfläche wirkt. Dies kann beispielsweise auf besonders einfache Weise dadurch geschehen, dass die zu bearbeitende Oberfläche zwischen die Platten eines Kondensators oder zwischen zwei Elektroden platziert wird. Zwischen diesen wird ein elektrisches Feld angelegt, so dass dieses Feld auch auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt. Ein magnetisches Zusatzfeld kann beispielsweise über Spulenanordnungen erzeugt werden, in oder zwischen denen das zu bearbeitende Werkstück oder zumindest ein Teil der zu bearbeitenden Oberfläche angeordnet wird. Auch magnetische Zusatzfelder, die auf die zu bearbeitende Oberfläche einwirken, können somit auf einfache Weise erzeugt werden.
Die Stärke eines derartigen elektrischen Zusatzfeldes kann beispielsweise im Bereich mehrerer Kilovolt pro Meter liegen. Insbesondere für den Fall, dass das Zusatzfeld nicht gepulst und beispielsweise an die Pulsfrequenz oder die Wiederholrate des gepulsten Lasers angepasst ist, sondern zeitlich durchgehend und permanent oder zumindest relativ lange auf die Oberfläche wirkt, sind derartige elektrische Feldstärken ausreichend, um einen nennenswerten Effekt auf die Eigenschaften der so erzeugten Strukturen zu haben. Dies ist überraschend, da elektrische Feldstärken in der Größenordnung von Kilovolt pro Meter um mehrere, beispielsweise bis zu fünf Größenordnungen unterhalb der elektrischen Feldstärken des Laserlichtes liegen, die im Bereich von 108 Volt pro Meter anzuordnen sind. Dadurch, dass das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld jedoch deutlich länger auf die Oberfläche einwirkt, liegen die Effekte der beiden elektromagnetischen Feldtypen auf die erzeugte Struktur und deren Eigenschaften etwa in den gleichen Größenordnungen.
Vorteilhafterweise weist das Zusatzfeld eine Zusatzfeldstärke auf, die zeitlich konstant ist. Auf diese Weise lassen sich die zu erzeugenden Strukturen in ihren Eigenschaften wie mittlere Tiefe, mittlerer Abstand und mittlere Ausdehnung besonders einfach beeinflussen, so dass die gewünschten Sollgrößen mit einem apparativ besonders geringen Aufwand erreicht werden können. Natürlich ist es auch möglich, die Zusatzfeldstärke des Zusatzfeldes zeitlich zu variieren und so beispielsweise dafür zu sorgen, dass auf unterschiedlichen Teilen der Oberfläche Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt werden. So ist es möglich, beispielsweise die mittlere Tiefe der erzeugten Strukturen über einen bestimmten Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstückes zu variieren und so beispielsweise zu erreichen, dass physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise die Benetzbarkeit, über die Oberfläche variieren. Auch dies steigert die Anwendungsmöglichkeiten entsprechend strukturierter Oberflächen.
Bei einer scannenden Bearbeitung der Oberfläche, bei der der Lichtfleck über zumindest einen Teil der Oberfläche geführt wird, ist es mit einem zeitlich variierenden Zusatzfeld folglich möglich, die erzeugten Strukturen auf der Oberfläche räumlich zu variieren. Die Geschwindigkeit, mit der diese Variation erfolgt, hängt von der Scangeschwindigkeit, mit der der Lichtfleck über die Oberfläche geführt wird und von der Geschwindigkeit der zeitlichen Änderung des Zusatzfeldes ab. Durch geschickte Wahl dieser Parameter und eine Abstimmung aufeinander kann folglich eine charakteristische Längenskala, auf der die Variation der Oberflächenstruktur erfolgt, eingestellt werden. Mit dieser Variation der Struktur geht eine Veränderung der physikalischen und gegebenenfalls chemischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberfläche einher.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Zusatzfeld ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld. Die Frequenz, mit der das Zusatzfeld sein Vorzeichen wechselt, kann dabei völlig frei gewählt werden. Insbesondere interessant sind dabei Frequenzen, die beispielsweise im zweistelligen Gigahertzbereich liegen und den Schwingungsfrequenzen der durch die elektrischen Felder angeregten Quasiteilchen entsprechen. Jedoch sind auch kleinere Frequenzen denkbar und für bestimmte Anforderungen sinnvoll.
Natürlich ist es auch möglich, als Zusatzfeld ein Wechselfeld zu nehmen, dem ein konstantes oder nahezu konstantes zweites Zusatzfeld überlagert wird, auf diese Weise können die Effekte beider Feldarten kombiniert werden.
Auch für den Fall, dass als Zusatzfeld ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld verwendet wird, können die Parameter, die dieses Feld beschreiben, während des Scannens geändert werden. So ist es beispielsweise möglich, die Frequenz und/oder die Amplitude des Wechselfeldes im Verlauf des Scannens zu variieren. Auch damit ist es möglich, in unterschiedlichen Bereichen der zu bearbeitenden Oberfläche unterschiedliche Strukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Parametern zu erzeugen. Natürlich können auch mehrere konstante Felder und/oder mehrere Wechselfelder, die elektrisch und/oder magnetischer Natur sein können, überlagert werden, die einzeln oder gemeinsam wäh- rend des Bearbeitens der Oberfläche verändert werden können. Die Eigenschaften der Oberfläche, die durch derartig modifizierte Felder erreicht werden können, können so auf unterschiedlichste Anforderungen optimal eingestellt werden.
Die Änderungen der Parameter elektrischer und/oder magnetischer Wechselfelder, wie beispielsweise die Frequenz und/oder Amplitude des entsprechenden Feldes geschieht dabei auf einer Zeitskala, die vorteilhafterweise lang ist gegenüber der Frequenz des jeweiligen Wechselfeldes.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Zusatzfeld eine Richtung auf, die zu einer Scanrichtung, in die der Lichtfleck über die Oberfläche geführt wird, einen einstellbaren Feldwinkel aufweist. Interessanterweise hat auch dieser Feldwinkel einen Einfluss auf die strukturellen Eigenschaften der zu erzeugenden Struktur. Durch die Einstellbarkeit dieses Feldwinkels ist folglich ein weiterer Parameter gegeben, der einfach veränderbar ist und einen wohl definierten Einfluss auf die zu erzeugende Struktur aufweist. Durch die unterschiedlichen Möglichkeiten, die Strukturen zu beeinflussen, können nahezu alle strukturellen Eigenschaften der zu erzeugenden Struktur, wie Tiefe, Abstand und Ausdehnung, unabhängig voneinander beeinflusst werden, so dass nahezu jede Kombination von gewünschten strukturellen Eigenschaften erzeugbar ist. Auch in diesem Fall kann es sinnvoll sein, den Feldwinkel als Funktion der Zeit, beispielsweise mit der Position des Lichtflecks auf der Oberfläche, zu variieren, um beispielsweise Strukturen mit variierender Tiefe oder variierendem Abstand zueinander zu erzeugen. Auch dadurch lassen sich die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Oberfläche gezielt und reproduzierbar variieren.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens besteht jeder Puls des gepulsten Lasers aus wenigstens zwei separaten zeitlich aufeinander folgenden Teilpulsen. In diesem Fall kann der Puls auch als Gesamtpuls bezeichnet werden. Diese Teilpulse weisen bevorzugt einen zeitlichen Abstand von wenigen Nanosekunden bis Mikrosekunden auf und folgen somit wesentlich schneller aufeinander als es beispielsweise der Repetitionsfrequenz des gepulsten Lasers entspricht. Anstelle von Einzelpulsen, die der Repeti-tionsfrequenz entsprechend voneinander zeitlich getrennt sind, entspricht nun jeder Gesamtpuls einer Mehrzahl von schnell aufeinander folgenden Teilpulsen. Dabei ist vorzugsweise der zeitliche Abstand zwischen zwei Teilpulsen kleiner als der durch die Repetitionsfrequenz gegebene zeitliche Abstand zweier Gesamtpulse. Auch damit lassen sich die erzeugten Strukturen beeinflussen. Diese Art der Laserpulse ist natürlich nicht auf zwei Teilpulse beschränkt. Prinzipiell können auch mehrere Teilpulse, beispielsweise fünf, sieben oder zehn, verwendet werden, die zeitlich schnell aufeinander folgen und gemeinsam einen Gesamtpuls bilden. Natürlich ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Teilpulsen nicht notwendigerweise konstant. Es ist auch möglich, die einzelnen Teilpulse zeitlich unterschiedlich weit voneinander zu beabstanden. So ist es beispielsweise möglich, den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Teilpulsen innerhalb eines Gesamtpulses zu verlängern oder zu verkürzen. Auch die Intensität der verschiedenen Teilpulse eines Gesamtpulses kann variiert werden, so dass verschiedene Teilpulse unterschiedlich viel Energie in das zu bearbeitende Material eintragen. Natürlich kann eine solche Variation der Intensitäten der Teilpulse auch über mehrere Gesamtpulse hinweg erfolgen.
Durch die Aufspaltung eines Einzelpulses oder Gesamtpulses in mehrere schnell hintereinander erfolgende Teilpulse kann bei gleicher verwendeter Laserfluenz die erzeugte Struktur über einen weiten Bereich beeinflusst werden. So ist es beispielsweise möglich, kegelartige oder perlenartige Strukturen zu erzeugen, deren mittlerer Abstand voneinander durch eine Veränderung des zeitlichen Abstands mehrerer aufeinanderfolgender Teilpulse beeinflusst wird. Zudem kann die Anordnung derartiger Struktu- ren beispielsweise von einer linienförmigen oder streifenförmigen Anordnung zu einer isotropen Verteilung dieser Strukturen verändert werden. Wollte man derartige Strukturen mit Einzelpulsen erzeugen, die nicht in eine Mehrzahl von Teilpulsen aufgespalten sind, müssten hierzu Pulse mit einer deutlich größeren Fluenz verwendet werden, so dass stärkere Laser benötigt würden. Dies hätte zusätzliche Anschaffungskosten zur Folge.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Lichtfleck über zumindest einen Teil der Oberfläche geführt. Dies hat zur Folge, dass der Anteil der Oberfläche, der bearbeitet wird, deutlich größer sein kann, als der Lichtfleck. Dadurch können auch großflächige Oberflächenteile bearbeitet werden. Zudem ist es möglich, unterschiedliche Teile der zu bearbeitenden Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Eigenschaften zu bestrahlen, da nicht die gesamte zu bearbeitende Oberfläche gleichzeitig bestrahlt wird. Insbesondere die bereits beschriebene Variation von elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldern ist in diesem Fall eine denkbare und oftmals sinnvolle Anwendungsmöglichkeit.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens geeignet. Sie umfasst vorteilhafterweise folglich Mittel zur Strahlformung und/oder zur Veränderung des Intensitätsprofils beziehungsweise der räumlichen Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahls. Zudem oder alternativ dazu verfügt die Vorrichtung über Möglichkeiten, elektrische und/oder magnetische Felder aufzubringen, die konstant, nahezu konstant oder zeitlich veränderlich ausgebildet sein können. Vorzugsweise ist die Vorrichtung in der Lage, ein derartiges Feld relativ zur zu bearbeitenden Oberfläche zu drehen, um beispielsweise den Feldwinkel zwischen dem Zusatzfeld und der Scanrichtung zu verändern. Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, den Laserstrahl in unterschiedliche Richtungen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten über die zu bearbeitende Oberfläche zu führen. Wie bereits beschrieben weist die Vorrichtung vorzugsweise zudem eine Datenbank oder einen Datenspeicher auf, in dem für die gewünschten Strukturparameter, wie beispielsweise Tiefe, Abstand oder Ausdehnung, bestimmte Konfiguration der Vorrichtung hinterlegt sind. Diese Konfigurationen betreffen beispielsweise die benötigte Strahlformung, die benötigte Intensitätsverteilung der Laserstrahlung aber auch Stärke, Richtung und zeitlichen Verlauf gegebenenfalls anzulegender Zusatzfelder.
Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
Figur 1a bis 1c - eine Übersicht über unterschiedliche mit einem
Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erreichbare Strukturen,
Figur 2a - den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 2b - den schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 - die schematische Darstellung einer Pulsfolge für ein Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 - eine weitere schematische Darstellung eines
Aufbaus für eine Vorrichtung und
Figur 5 - mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzeugte Oberflächenstrukturen.
Figuren 1a bis 1c zeigen eine Übersicht über unterschiedliche durch ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erreichbare Strukturen. In Figur 1a sind längliche Ripples 2 dargestellt, die nahezu in einem 45°-Winkel verlaufen. Man erkennt zwischen zwei benachbarten Ripples 2 einen Abstand 4 der beiden Ripples 2 zueinander, der kleiner als 1 pm ist. Gleiches gilt für die Ausdehnung der Ripples 2 in Figur 1a quer zur Längsrichtung der Ripples 2, während sich die Ausdehnung in Längsrichtung der Ripples 2 deutlich mehr als 5 μπι erstreckt. Die erzeugten Strukturen sind folglich nur in einer Richtung kleiner als der verwendete Lichtfleck. In Figur 1a liegt eine anisotrope Ausdehnung der Strukturen vor, die in einer Richtung im Bereich der Laserwellenlänge liegt. Um die Ripples 2 gemäß Figur 1a zu erzeugen, ist eine relativ geringe Energiedosis notwendig. Wird diese Dosis erhöht, gelangt man zu der Struktur, die in Figur 1b dargestellt ist. Es handelt sich dabei um perlenartige Strukturen 8, deren Ausdehnung eine deutlich größere Isotropie aufweist als dies bei den Ripples 2 aus Fig. 1a der Fall ist.
Wird die Energiedosis, die durch den Laserstrahl übertragen wird, weiter erhöht, entstehen kegelartige Strukturen 10, die in Figur 1c dargestellt sind. Man erkennt, dass diese kegelartigen Strukturen eine deutlich gleichmäßigere geometrische Form als die perlenartigen Strukturen 8 aufweisen.
Figur 2a zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Man erkennt drei Werkstücke 12, die eine Oberfläche 14 aufweisen, die bearbeitet werden soll. Der dafür notwendige Laser ist in Figur 2 nicht dargestellt.
In Figur 2a ist rechts und links von den Werkstücken 12 je eine Elektrode 16 dargestellt, die beispielsweise eine Kondensatorplatte sein kann. Die Elektroden 16 sind über Kabel 18 mit einer Gleichspannungsquelle 20 verbunden. Dadurch wird zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Zusatzfeld 22 erzeugt. Dieses Zusatzfeld 22 wird durch die Pfeile dargestellt. Durch die Wahl einer Feldstärke des Zusatzfeldes 22 können die auf der Oberfläche 14 der Werkstücke 12 erzeugten Strukturen beeinflusst werden, so dass sie die gewünschten Parameter, wie mittlere Tiefe, mittleren Abstand und mittlere Ausdehnung erfüllen. Statt der Gleichspan- nungsquelle 20 kann natürlich auch eine Wechselspannungsquelle verwendet werden, die ein zeitabhängiges Wechselfeld als Zusatzfeld 22 zur Folge hat. Natürlich ist die Stärke und die Richtung des Zusatzfeldes 22 ebenfalls vorteilhafterweise frei durchstimmbar und einstellbar.
Figur 2b zeigt den schematischen Aufbau einer weiteren Vorrichtung für ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu der in Figur 2a gezeigten Ausführungsform wird hier nur die Oberfläche 14 eines Werkstückes 12 bearbeitet. Dabei werden im in Figur 2b gezeigten Ausführungsbeispiel drei Oberflächenbereiche 28 mit einer Struktur versehen. Auch hier sind zwei Elektroden 16 dargestellt, die jedoch hier mit dem Werkstück 12 in Kontakt stehen und gegebenenfalls mit diesem verbunden sein können. Auch durch diese Elektroden 16 wird das Zusatzfeld 22 erzeugt.
Figur 3 zeigt die schematische Darstellung einer Pulsfolge gemäß derer elek-tromagnetische Strahlung von dem gepulsten Laser auf die zu bearbeitende Oberfläche 14 geleitet wird. Dargestellt ist die Intensität I der Laserzeit t. Man erkennt zwei Gruppen von Teilpulsen 24, wobei jeweils drei Teilpulse 24 einen Puls 26 bilden. Zwischen dem Beginn zweier benachbarter Pulse 26 vergeht die Repetitionszeit trep, die durch den Pfeil 29 dargestellt ist. Diese Dauer wird durch die Repetitionsfrequenz bestimmt, mit der der Laser seine Pulse aussendet. Zwischen zwei benachbarten Teilpulsen 24 hingegen, liegen jeweils Teilpulszeitspannen tjp, die ebenfalls durch Doppelpfeile dargestellt sind. Man erkennt, dass diese Teilpulszeitspannen tTp innerhalb eines Pulses 26 nicht konstant sein müssen, sondern im gezeigten Ausführungsbeispiel mit zunehmender Zeit zunehmen. Natürlich sind auch Pulse 26 vorstellbar, die aus mehr oder weniger als drei Teilpulsen 24 bestehen oder andere Teilpulszeitspannen tjp aufweisen. Diese Teilpulszeitspannen tjp sind deutlich kürzer als die Repetitionszeit trep und sollten insbesondere nicht größer sein als die Hälfte der Repetitionszeit trep. Sie betragen beispielsweise einige Nanosekunden, was den Hauptanwendungsfall darstellt, bis zu wenigen Mikrosekunden.
Man erkennt in Figur 3 zudem, dass die Teilpulse 24 nicht alle die gleiche Intensität I aufweisen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeweils der mittlere der drei Teilpulse 24 mit einer höheren Intensität I ausgestattet, als der erste und der dritte Teilpuls 24. Im in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die beiden mittleren Teilpulse 24 der Pulse 26 auch nicht die gleiche erhöhte Intensität I auf. Natürlich sind auch die Intensitäten I der übrigen Teilpulse 24 je nach gewünschtem Anforderungsprofil individuell frei einstellbar.
Mit Hilfe der Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können folglich unterschiedliche Arten von Mikro- und Na- nostrukturen in die Oberfläche unterschiedlichster Werkstoffe, beispielsweise Halbleiter oder Metalle, eingebracht werden, wobei zusätzlich deren geometrische Parameter wie Tiefe, mittlerer Abstand und mittlere Ausdehnung nahezu frei einstellbar sind. Dies geschieht durch von extern aufgebrachte Zusatzfelder, die elektrische und/oder magnetische Felder sein können oder alternativ dazu ist es möglich, durch Strahlformung die geometrische Form des beleuchtenden Lichtflecks und/oder die Intensitätsverteilung innerhalb des Lichtfleckes so zu ändern, dass die entsprechenden geometrischen Parameter der erzeugten Strukturen den gewünschten Werten entsprechen. Natürlich können derartige Verfahren mit Prozessgasen und/oder Prozessfluiden kombiniert werden, die auf die Oberfläche, die es zu bearbeiten gilt, aufgebracht werden. Auch dadurch können die geometrischen Eigenschaften der aufgebrachten Strukturen verändert und wie gewünscht beeinflusst werden.
Figur 4 zeigt schematisch eine detailliertere Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens. Ein gepulster Laser 30 sendet einen ersten Laserstrahl 32 einer ersten Wellenlänge aus. Dieser wird in einen Frequenzverdoppler 34 eingeleitet, der einen zweiten Laserstrahl 36 aussendet, der die gegenüber dem ersten Laserstrahl 32 verdoppelte Frequenz aufweist. Der zweite Laserstrahl 36 wird über einen ersten Spiegel 38 einem Strahlaufweiter 40 zugeführt und von diesem in aufgeweiteter Form über einen zweiten Spiegel 42 einem Scanner 44 zugeführt. Dieser führt den Laserstrahl als Lichtfleck 46 über das Werkstück 12. Dieser Bereich ist im unteren Teil der Figur 4 vergrößert dargestellt. Man erkennt das Werkstück 12, dessen Oberfläche bearbeitet werden soll, wobei sich rechts und links neben dem Werkstück 12 zwei Elektroden 16 befinden. In Figur 4 von oben kommt der zweite Laserstrahl 36, der von dem Scanner 44 auf das Werkstück 12 aufgebracht wird. Die beiden Elektroden 16 sind über Kabel 18 mit der Gleichspannungsquelle 20 verbunden.
Figur 5 zeigt mit einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellte Oberflächenstrukturen. Die drei oberen Darstellungen sind Aufnahmen von Strukturen, die ohne ein zusätzlich angelegtes Zusatzfeld erzeugt wurden. Der angegebene Winkel φ steht dabei für unterschiedliche Scanrichtungen, in denen der Lichtfleck über die Oberfläche des zu bearbeitenden Materials geführt wurde. Φ=0° entspricht einer Scanrichtung von links nach rechts und cp=180° eine Scanrichtung von rechts nach links, während bei (p=90° die Scanrichtung von unten nach oben in den gezeigten Darstellungen verläuft.
In den drei unteren Darstellungen der Figur 5 sind die Resultate für Verfahren gezeigt, bei denen zusätzlich ein Zusatzfeld angelegt wurde. Dieses ist im vorliegenden Beispiel ein konstantes elektrisches Feld mit einer Feldstärke von 8333 Volt pro Meter. Die Richtung des Zusatzfeldes verläuft dabei für alle drei unteren Darstellungen von links nach rechts, so dass im linken unteren Abschnitt die Scanrichtung und die Richtung des elektrischen Zusatzfeldes parallel und im rechten Abschnitt antiparallel zu einander verlaufen. Im mittleren unteren Abschnitt verlaufen die Scanrichtung und die Richtung des elektrischen Zusatzfeldes senkrecht zu einan- der.
Alle Ergebnisse wurden mit einer Laserfluenz von Hp=0.5 J/cm2 erzeugt. Die Anzahl der Pulse pro Punkt
Figure imgf000024_0001
wurde auf 100 eingestellt. Dabei steht df0k für den Durchmesser des Lichtfleckes, der im vorliegenden Beispiel auf etwa 20 pm eingestellt wurde, v ist die Scangeschwindigkeit und frep die bereits angesprochene Repetitionsfrequenz.
Aus den Ergebnissen lässt sich ablesen, dass ein durchschnittlicher Abstand der einzelnen Strukturen von einander deutlich zunimmt, wenn die Scanrichtung und die Richtung des elektrischen Feldes parallel oder antiparallel zueinander verlaufen, während diese Zunahme bei einem Winkel φ=90° und φ=270° (nicht gezeigt) deutlich geringer ausfällt. Bei einem Winkel φ=0° vergrößert sich der durchschnittliche Abstand von 4,82 pm ohne Zusatzfeld auf 6,37 pm mit Zusatzfeld. Bei φ=90° von 4,69 pm auf 5,44 pm, bei φ=180° von 5,03 pm auf 7,14 pm und bei φ=270° (nicht dargestellt) von 4,97 pm auf 5,35 pm.
Durch die Wahl der Art des Zusatzfeldes, der Stärke des Zusatzfeldes aber auch der Richtung des Zusatzfeldes gegebenenfalls relativ zu einer Scanrichtung lässt sich folglich die erzeugte Struktur beeinflussen. Es stehen somit eine Vielzahl unterschiedlicher Parameter zur Verfügung um die gewünscht Struktur mit den gewünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzzweck herzustellen.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel wurde beispielsweise die Reflekti- vität einer Solarzelle, die aus einem behandelten Wafer aus polykristallinem Silizium hergestellt wurde, um 10 % gesenkt und so die Effizienz und der Wirkungsgrad der Solarzelle erhöht. Bezugszeichenliste t Zeit
1 Intensität
Trep Repetitionszeit
TtP Teilpulszeitspanne
2 Ripple
4 Abstands
8 perlenartige Struktur
10 kegelartige Struktur
12 Werkstück
14 Oberfläche
16 Elektrode
18 Kabel
20 Gleichspannungsquelle
22 Zusatzfeld
24 Teilpuls
26 Puls
28 Oberflächenbereich
29 Pfeil
30 Gepulster Laser
32 Erster Laserstrahl
34 Frequenzverdoppler
36 Zweiter Laserstrahl
38 Erster Spiegel
40 Strahlaufweiter
42 Zweiter Spiegel
44 Scanner
46 Lichtfleck
Fr/ad

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von Strukturen auf einer Oberfläche (14) eines Werkstücks (12), wobei
die Strukturen eine mittlere Tiefe, einen mittleren Abstand voneinander und eine mittlere Ausdehnung aufweisen und
in dem Verfahren
elektromagnetische Strahlung eines gepulsten Lasers (30) als Laserstrahl (36) auf die Oberfläche (14) des Werkstückes (12) geführt wird und dort einen Lichtfleck (46) bildet,
so dass Strukturen entstehen, deren mittlere Ausdehnung kleiner ist als eine Ausdehnung des Lichtfleckes (46),
dadurch gekennzeichnet, dass eine räumliche Verteilung von Feldstärken elektrischer und/oder magnetischer Felder, die auf die Oberfläche (14) einwirken, derart gewählt wird, dass die Strukturen eine vorbestimmte mittlere Tiefe und/oder einen vorbestimmten mittleren Abstand voneinander aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Feldstärken zumindest auch durch eine Anpassung einer räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls (36) erreicht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls (36) wenigstens ein refraktives optisches Element verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung der räumlichen Intensitätsverteilung des Laserstrahls (36) wenigstens ein diffraktives optisches Element verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld (22) angelegt wird, das auf die Oberfläche (14) einwirkt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zusatzfeld (22) eine Zusatzfeldstärke aufweist, die zeitlich konstant ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zusatzfeld (22) ein elektrisches und/oder magnetisches Wechselfeld ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (22) eine Richtung aufweist, die zu einer Scanrichtung, in die der Lichtfleck (46) über die Oberfläche (14) geführt wird, einen einstellbaren Feldwinkel aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Puls (26) des gepulsten Lasers (30) aus wenigstens zwei separaten zeitlich aufeinander folgenden Teilpulsen (24) besteht.
10 Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfleck (46) über zumindest einen Teil der Oberfläche (14) geführt wird.
11. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
PCT/EP2013/003916 2012-12-28 2013-12-24 Verfahren zum erzeugen von strukturen auf einer oberfläche eines werkstücks WO2014102008A2 (de)

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