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

Strukturentstehung auf Quarzglasoberflächen

Ein „klassisches“ Beispiel für die Entstehung von Ripple-Strukturen ist die Ionenerosion von Quarzglas („fused silica“). Beim Quarzglas handelt es sich um ein amorphes Material mit einer großen Bedeutung im Bereich der Optik, das ebenfalls mit ausgeprägten Topographieveränderungen im sub-Mikrometerbereich auf den Ionenbeschuss reagiert. Im Detail wurde bisher der Einfluss des Ioneneinfallswinkels, der Ionenenergie, der Sputterzeit sowie der Probentemperatur beim Ar+- Ionenstrahlätzen untersucht. In Abhängigkeit vom Einfallswinkel kann man verschiedenste sich entwickelnde Oberflächentopographien beobachten (siehe Abb.). Bei feststehenden Proben (keine Probenrotation) wird für Einfallswinkel zwischen 50° und 70° die Oberflächen von Ripple-Strukturen mit einer Orientierung senkrecht zum einfallenden Ionenstrahl dominiert. Im Gegensatz zum Fall 50°, wo eine stetige Zunahme der Ripple-Wellenlänge und –amplitude mit der Sputterzeit gefunden wird, beobachtet man eine Stabilisierung der Wellenlänge für 60° und 70° sowie eine Zerstörung der Strukturen bei sehr langen Erosionszeiten. Die Wellenlänge der „Ripple“-Strukturen wächst mit zunehmender Ionenenergie, ist aber unabhängig von der Ionenstromdichte und der Probentemperatur. Die zeitliche Entwicklung der Oberflächentopographie lässt sich durch Potenzgesetze für die rms-Rauhigkeit w ~ t^ß und die „Ripple“-Wellenlänge ~ t^g charakterisieren.

Die sogenannten Skalenexponenten ß und g sind ein Maß dafür, wie schnell sich diese Rauhigkeitskenngrößen mit der Zeit ändern und sind wiederum abhängig von den Ionenstrahlparametern. Im Gegensatz dazu beobachtet man bei Einfallswinkeln < 50° extrem glatte Oberflächen. Bei geeigneter Wahl der Prozessparameter lassen sich so Oberflächen mit rms-Rauhigkeiten unter 0.1 nm präparieren, d.h. deutlich weniger als für die Ausgangsoberflächen (siehe auch Ionenstrahldirektglättung).

Topographie von Quarzglasoberflächen nach dem Ar+-Ionenstrahlätzen ohne (linke Spalte) und mit simultaner Probenrotation (rechte Spalte). Der Ioneneinfallswinkel war 50° (obere Bilder) und 70° (untere Bilder). Die Bilder wurden aufgenommen nach einer Sputterzeit von 90 min. Zu beachten ist der unterschiedliche z-Maßstab. Die mittlere quadratische Rauhigkeit im Bild rechts oben liegt deutlich unter 0.2 nm.

Ausgewählte Publikationen zu diesem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt

• D. Flamm, F. Frost, D. Hirsch, Evolution of surface topography of fused silica by ion beam sputtering, Applied Surface Science 179, 96 (2001).

Kontakt

Dr. Frank Frost
    Tel.: +49 (0)341 235-3309, email: frank.frost (at) iom-leipzig (Punkt) de

Siehe auch

• Strukturentstehung auf Halbleiteroberflächen
• Alternative Ionenstrahlgestützte Strukturierungsprozesse - Übersicht
• Ionenstrahldirektglättung