Präzisions-Pikosekunden-Laser für die Mikromaterialbearbeitung

• Fachliche Zuordnung: Elektrotechnik und Informationstechnik
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516836168

Gegenstand dieses Antrags ist die Beschaffung eines Systems („Präzisions-Pikosekunden-Laser“) für die hochauflösende und materialschonende Strukturierung und Oberflächenbehandlung verschiedenster Materialien zur Erforschung neuer Sensor- und Sensorintegrationskonzepte. Dabei stehen vor allem spinbasierte Quantensensoren der 1. und 2. Generation sowie deren Integration im Vordergrund. Konkret stehen hier neben miniaturisierten und skalierbaren Kernspinresonanz- (NMR-) und Elektronenspinresonanz- (EPR-) Sensoren Quantensensoren basierend auf Defekten in Halbleitermaterialien wie Diamant und Siliziumkarbid (SiC) im Vordergrund. Derartige Sensoren benötigen zur Kontrolle der Spin-Qubits i.d.R. ein resonantes Hochfrequenz-Magnetfeld (B1-Feld) von hoher räumlicher Homogenität. Zusätzlich muss dieses B1-Feld für eine optimale Performance mit hoher zeitlicher Auflösung in seiner Amplitude und Phase modulierbar sein. Eine Möglichkeit derartige Sensoren in skalierbarer Weise und mit sehr guter Performance zu gestalten besteht in der Verwendung chipintegrierter Elektronik – sog. NMR- bzw. EPR-on-a-Chip-Transceiver – für die benötigte Anrege- und Ausleseelektronik. Die benötigten felderzeugenden Strukturen (Spulen bzw. Resonatoren) können entweder auf den Chips kointegriert werden oder off-chip realisiert werden. Planare on-chip Spulen bieten minimale parasitäre Kapazitäten und Zuleitungswiderstände sind aber aufgrund ihrer Geometrie in der erzielbaren Homogenität des B1-Feldes eingeschränkt. Das beantragte Gerät bietet hier die Möglichkeit, Löcher im Zentrum der on-chip Spulen zu erzeugen, wodurch es möglich wird, den nutzbaren empfindlichen Bereich der on-chip Spulenstrukturen deutlich zu vergrößern und zugleich die erzielbare Homogenität signifikant zu verbessern. Für die Realisierung von off-chip Spulen und Resonatoren werden im Stand der Technik oftmals Hochfrequenz-Leiterplatten auf speziellen Substraten verwendet. Hier ermöglicht das beantragte Gerät mit seiner hohen räumlichen Auflösung den Entwurf effizienter Sensorstrukturen. Ähnlich den on-chip Spulen kann der Laser wiederum dafür genutzt werden, Löcher in den Strukturen herzustellen, um das nutzbare empfindliche Volumen und die erzielbare Homogenität zu erhöhen. Bei kleineren Frequenzen können auch flexible Substrate eingesetzt werden, welche durch Rollen 3D-Spulen mit hoher Homogenität des B1-Felds ermöglichen. Das beantragte System eignet sich sowohl hervorragend zur Strukturierung der Metallisierung solcher Flex-Substrate als auch zur Strukturierung der Substrate selbst. Zusätzlich zu den genannten Anwendungen soll das beantragte Laser-System auch zur örtlich selektiven Aktivierung von nicht-leitfähigen Substraten wie Polymeren genutzt werden, um diese so selektiv metallisieren zu können.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Präzisions-Pikosekunden-Laser für die Mikromaterialbearbeitung
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser
• Antragstellende Institution: Universität Stuttgart
• Leiter: Professor Dr. Jens Anders