Durchstimmbarer Femtosekundenlaser
Final Report Abstract
Untersuchung des Abtrags dünner Metallschichten mit ultrakurzen Laserpulsen: Die Vorteile des Ultrakurzpulslasers als Werkzeug können nur genutzt werden, wenn ein gutes Verständnis der Abtragsprozesse entwickelt und entsprechende Bearbeitungsparameter gefunden werden. In einer Simulation wurde das Abtragsverhalten dünner Goldschichten durch einzelne Laserpulse modelliert. Die durchgeführten Abtragsversuche mit Wellenlängen im Bereich von 600 nm – 850 nm wurden an Proben mit Goldschichten mit Dicken zwischen 10 nm und 300 nm auf einem BK7–Glassubstrat durchgeführt, wobei einige Proben zusätzliche eine Titan-Haftschicht enthielten. Die Auswertung der Proben ergab gute Übereinstimmungen der Einzelpuls–Experimente und der Simulation. Für Proben mit Haftschicht betrugen die ermittelten Abtragsschwellen 0,05 J/cm2 bei einer Schichtdicke von 10 nm. Für Proben mit Haftschicht betrugen die Abtragsschwellen 0,05 J/cm2 bis 0,7 J/cm2 bei Schichtdicken von 10 nm bis 300 nm. Es konnte eine Wellenlängenabhängigkeit der Abtragsschwelle ermittelt werden. Diese korreliert jedoch nicht mit der Reflexion im betrachteten Wellenlängenbereich. Das Vorliegen eines Zweiphotonenprozesses wurde theoretisch erläutert und anhand der Ergebnisse gezeigt. Im Gegensatz zu den Proben mit Titan-Haftschicht zeigen diejenigen ohne Haftschicht kein heterogenes Abtragsverhalten. Dies deutet auf eine lokal stark unterschiedliche Haftung der Goldschicht am verwendeten Glassubstrat hin. Es konnte aus der Literatur entnommen werden, dass sich zwischen diesen beiden Partnern lediglich eine mechanische Verbindung ergibt und sich nicht, wie bei den Proben mit Haftschicht, eine Diffusionsschicht ausbildet. Aus den Messungen wurde ein Inkubationkoeffizient von S=0,938 für 10 nm-Schichten und S=0,789 für die übrigen Schichtdicken ermittelt. Hervorgerufen werden diese Abweichungen durch Defekte in der Schicht und ein halbleiterähnliches Verhalten dünner Goldschichten. Resonante Multiphotonen-Absorption und Ablation organischer Monolagen für Anwendungen in chemischen Sensoren und als ultradünne Resists: Innerhalb der hier durchgeführten Forschungsarbeiten wird die Laserpulsinteraktion von ultradünnen Schichten organischer Monolagen (Self-Assembled Monolayers, SAMs) auf wenige Nanometer dicken Goldschichten mit dem Ziel des selektiven Abtragens der Monolagen betrachtet. Dabei wird sowohl der Pulsabtrag von thiolbasierten als auch silanbasierten SAMs untersucht. Ein wesentlicher Bestrandteil des Projekts ist die Untersuchung des Einflusses der Wellenlänge auf die Abtragsschwelle. Das dafür verwendete NOPA-System (Non-Collinear Optical Parametric Amplifier) ist in einem Bereich von 480 nm – 950 nm stufenlos durchstimmbar und bietet somit die experimentelle Möglichkeit zur Ermittlung resonanter Ablation der SAMs mit fs-Laserpulsen. Außerdem ist es mit diesem System möglich, Pulse mit einer Pulsdauer von unter 30 fs zuverlässig zu erzeugen. Aufgrund der ultradünnen Schichtdicke lassen sich die SAMs mit Einzelpulsen und damit einer kurzen Bearbeitungszeit bearbeiten. Die monomolekulare Schichtdicke der SAMs gewährleistet auch ein sehr definierte Beleuchtung im Fokus und eine gradfreie Bearbeitung. Auch Blasen- und Partikelbildung werden aufgrund der geringen Schichtdicke praktisch ausgeschlossen. Die SAMs haben eine Dicke von etwa 1 nm – 2 nm und damit nur einen geringen oder gar keinen Einfluss auf den Abtrag der Goldschichten bei hohen Pulsenergien. Die monomolekulare Schichtdicke der SAMs gewährleistet auch sein sehr definierte Beleuchtung im Fokus und eine gradfreie Bearbeitung. Auch Blasenund Partikelbildung werden aufgrund der geringen Schichtdicke praktisch ausgeschlossen. Somit ist es ab einer wellenlängenabhängigen Bearbeitungsschwelle möglich, die SAMs selektiv und ohne Zerstörung der Goldschicht abzutragen, was auch gezeigt werden konnte. Somit sind in einem Wellenlängenbereich von 950 nm bis 650 nm Strukturgrößen von 300 nm durch den Abtrag von SAMs durch Einzelpulse möglich. Weitere Untersuchungen im Bereich von unter 650 nm Wellenlänge sind Teil aktueller Versuchsreihen.
Publications
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Femtosecond-laser processing of nitrobiphenylthiol self-assembled monolayers. Applied Surface Science, Volume 278, 1 August 2013, pp 43–46
Anja Schröter, Steffen Franzka, Jürgen Koch, Boris N. Chichkov, Andreas Ostendorf, Nils Hartmann
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Sub-Wavelength Patterning of Self- Assembled Organic Monolayers Via Non-Collinear Optical Parametric Amplifier. Proceedings of ICALEO 2013 - 32nd International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics
Andreas Aumann, Stella Maragkaki, Florian Schulz, Anja Schröter, Benjamin Schöps, Steffen Franzka, Nils Hartmann, Andreas Ostendorf
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Micro-patterning of self-assembled organic monolayers by using tunable ultrafast laser pulses. SPIE Proceedings 8972 (2014) Frontiers in Ultrafast Optics
Stella Maragkaki, Andreas Aumann, Florian Schulz, Anja Schröter, Benjamin Schöps, Steffen Franzka, Nils Hartmann, Andreas Ostendorf
