Großflächige Nanostrukturierung

Um die Erzeugung von Nanostrukturen auf großen Werkstoffflächen mit nur wenigen Laserschüssen zu gewährleisten, was für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses unerlässlich ist, haben wir einen neuen Bestrahlungsaufbau entwickelt.

Abbildung 1: Aufbau zur großflächigen Oberflächenstrukturierung

Anstatt mit dem fokussierten Strahl auf der Probenoberfläche zu rastern wird Maskenabbildung benutzt, um ausgedehnte Werkstückflächen parallel bearbeiten zu können. Um die Energietransmission, und somit die Effizienz des Aufbaus zu erhöhen, werden Phasenmasken eingesetzt. Für spezielle Aufgaben ist jedoch die Verfügbarkeit entsprechender Phasenmasken stark eingeschränkt. Dieses Problem wurde durch ein in unserem Hause entwickeltes Verfahren behoben, das die flexible Herstellung und Optimierung von Phasenmasken ermöglicht.

Eine weitere Schwierigkeit stellt die hohe Spitzenintensität in der Nähe der Abbildungsoptik dar. Dies führt zur Ionisation von Luft im Zwischenfokus, wodurch die Phasenfront der Strahlung und letztlich das resultierende Muster auf der Probenoberfläche stark gestört wird. Zur Vermeidung dieses Effektes wurde der Bereich um die Abbildungsoptik und die Probe mit Helium gespült. Der nichtlineare Brechungsindex von Helium ist im Vergleich zu Luft um den Faktor 500 niedriger, so dass Störungen durch nichtlineare Refraktion vernachlässigt werden können.

Des Weiteren wurde ein Schwarzschild- Objektiv in Eigenregie konzipiert und gebaut, das den hohen Anforderungen von einer Bildgröße von 1 mm², einer Numerischen Apertur (NA) von mehr als 0,25, und eine Verkleinerung von 15-30 gleichzeitig genügt.

Die Eignung des Bestrahlungssystems für die effiziente, großflächige Nanostrukturierung wurde am Beispiel von Edelstahl demonstriert. Hier wurde ein Lochraster auf einer Fläche von 0.5 x 0.5 mm² erzeugt. Dabei ist es uns gelungen, über eine homogen erscheinende gesamte Fläche Löcher mit einem Durchmesser von unter 300 nm zu generieren. Dies zeigt, dass sich auch Materialien mit hoher Wärmeleitung großflächig und präzise mit enorm hoher Auflösung strukturieren lassen.

Abbildung 2: SEM Bilder eines Lochrasters ablatiert in Edelstahl.