F&E Schwerpunkte / Schwerpunkt: Mikro- und Nanometer-Strukturen

Ionen- und Laserstrahl stimulierte Strukturierungsprozesse

In diesem Forschungsschwerpunkt werden Grundlagenuntersuchungen zur strahlgestützten Oberflächenstrukturierung anwendungsrelevanter Materialien, Schichten und Schichtsysteme durch Ionen- und Laserbestrahlung traditionell unter dem Gesichtspunkt der Ermittlung der prozessbestimmenden chemischen und physikalischen Wirkprinzipien geführt. Hierbei werden alternativ und ergänzend die Methoden der Strukturübertragung durch ionengestütztes Ätzen sowie die Direktstrukturierung mittels Laserstrahlung verfolgt.

Abb. 1: Vergleich von Strukturübertragungs- und Direktstrukturierungsprozess

Das gemeinsame Ziel der Verfahrensuntersuchung der ionen-, plasma- und lasergestützten Strukturierung sind die Entwicklung von schädigungsarmen, hochqualitativen Strukturierungstechniken für Anwendungen in den Bereichen der Mikro-/Nanotechnologien wie beispielsweise der Mikro-/Nanooptik, der Photonik, der Analytik und der Optoelektronik. Folglich sind die Hauptziele: (i) die Verringerung der lateralen Strukturdimensionen unter 100 nm, (ii) die Verbesserung der Präzision der Strukturen in Tiefe, Größe und Rauheit sowie (iii) die Verringerung der prozessinduzierten Materialveränderungen.

Abb. 2: Querschnitte von typischen, mit den Strukturierungsverfahren hergestellten Oberflächenprofilen.

Die Arbeiten zur Direktstrukturierung von Oberflächen und Materialien mittels gepulster Laserstrahlung konzentrieren sich auf das Studium der einbezogenen Prozesse und Mechanismen, die Entwicklung von geeigneten Bedingungen und Parametern und die Entwicklung neuer Bearbeitungsansätze. Am IOM werden hierfür bevorzugt innovative Pulslaserquellen wie beispielsweise ns-UV- und ultrakurze IR-Laser genutzt, da hierdurch innovative Lösungen der adressierten Problemstellungen erwartet werden.

Die Hauptforschungsgebiete bei der Laserstrukturierung sind:

• das laserinduzierte Rückseitenätzen transparenter Materialien
• die Wechselwirkung ultrakurzer Laserpulse mit Materialien bzw. die Ablation mit diesen Lasern
• das Ritzen und die Strukturierung von dünnen Schichten
• die Strahlformungs- und Maskenprojektionstechniken zur Mikrostrukturierung.

Abb. 3: Beispiele der Direktstrukturierung mittels Laserstrahlung zur Herstellung von Mikro- und Sub-Mikrometerstrukturen

Den international beobachtbaren Tendenzen zu kleineren Funktionsstrukturen bzw. –mustern mit Dimensionen unterhalb 50 nm und erhöhten Anforderungen an die Präzision des Strukturierungsprozesses und die Tiefengenauigkeit erfordern verbesserte Prozesse und Technologien des Elektronenstrahlschreibens und der Übertragung von elektronenstrahlgeschriebenen Masken in Funktionsmaterialien. Aus diesem Blickwinkel sind zwei verknüpfte Problemkreise zu lösen: (i) das Elektronenstrahlschreiben von ätzstabilen Maskenstrukturen mit geeigneten Dimensionen und geringer Randrauheit und (ii) die Abstimmung und Verbesserung von Ätzprozessen zur Übertragung derartiger Masken in Funktionsmaterialien mit geeigneter Tiefe und senkrechten Seitenwänden. Deswegen werden beide Prozesse gleichermaßen so weiterentwickelt, dass die Materialeigenschaften der Maske und die physikalischen/chemischen Wechselwirkungen beim reaktiven Ionenstrahlätzen an der Materialoberfläche berücksichtigt werden.

Hauptarbeitsgebiete des Strukturübertrags sind:

• das Studium reaktiver und chemisch verstärkter Ionenstrahlätzprozesse (RIBE/CAIBE)
• die Prozessentwicklung und das Parameterfeldstudium zur hochselektiven und hochqualitativen Strukturübertragung
• die Untersuchungen zum Proportionaltransfer in optischen Materialien und die Entwicklung von Elektronenstrahlschreibtechniken für hochwiderstandsfähige Resistmasken für RIBE/CAIBE-Prozesse
• sowie die Strahlformungs- und Maskenprojektionstechniken zur Mikrostrukturierung.

Abb. 4: Beispiele zur Strukturübertragung mittels Trockenätzens für Mikro- und Nanostrukturen

Ausgewählte Publikationen zu diesem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt

• K. Zimmer, R. Böhme, D. Ruthe, B. Rauschenbach, The influence of laser-induced surface modifications on the backside etching process, Appl. Surf. Sci. 253 (2007) 6588-6594.
• K. Zimmer, A. Braun, Excimer laser machining for 3D-surface structuring, in A. Peled (Ed.) Photo-Excited Processes, Diagnostics and Applications, Kluwer Academic Publishers, Boston (2003) 325.
• K. Zimmer, R. Böhme, A. Braun, B. Rauschenbach, F. Bigl, Excimer laser-induced etching of sub-micron surface relief gratings in fused silica using phase grating projection, Appl. Phys. A 74 (2002) 453-456.
• R. Böhme, D. Spemann, K. Zimmer, Surface characterization of backside-etched transparent dielectrics, Thin Solid Films 453 (2004) 127.
• J. Dienelt, J. von Sonntag, K. Zimmer, B. Rauschenbach, Structuring of GaAs. I. Chemical dry etching: Temperature und chlorine pressure dependence of etch rates, J. Vac. Sci. Technol. B 22(4) (2004) 1964-1969 .
• J. Dienelt, K. Zimmer, J. von Sonntag, B. Rauschenbach, C. Bundesmann, Roughness and damage of a GaAs surface after chemically assisted ion beam etching with Cl2/Ar+, Microelectron Eng 78-79 (2005) 457-463.
• Frederico Canova, Raphael Clady, Jean-Paul Chambaret, Manuel Flury, Svtelen Tonchev, Renate Fechner, and Olivier Parriaux, High-efficiency, broad band, high-damage threshold high-index gratings for femtosecond pulse compression, Optics Express Vol. 15, Issue 23 (2007) 15324-15334.

Kontakt

Dr. Klaus Zimmer
    Tel.: +49 (0)341 235-3287, email: klaus.zimmer (at) iom-leipzig (Punkt) de

Siehe auch

• Photonische, mikrooptische und optoelektronische Anwendungen
• Dreidimensionale Replikation im Sub-Mikrometer-Bereich
• Ionenquellen- und Anlagenentwicklung