Photoablation von Polymeren unter Variation der Pulsdauer im ps-/fs-Bereich

Georg-August-Universität Göttingen
Laser-Laboratorium Göttingen
Institut für Physikalische Chemie
Diplomarbeit

Photoablation von Polymeren unter Variation
der Pulsdauer im ps-/fs-Bereich

eingereicht von
Frank Beinhorn

1996

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 1

2 Grundlagen ... 3
2.1 Grundlegende Begriffe der Photoablation ... 3
2.2 Polymere ... 6
2.3 Laserpuls-Formung durch GVD ... 9
2.3.1 Parallele Gitter ... 15
2.3.2 Prismen ... 18

3 Experiment ... 22
3.1 Experimenteller Aufbau ... 22
3.1.1 Das Kurzpuls-Lasersystem ... 23
3.1.2 Pulsverlängerung ... 26
3.1.2.1 Messung der Pulsdauer ... 30
3.1.3 Pulsverkürzung ... 34
3.1.3.1 Messung der Pulsdauer ... 35
3.1.4 Bestrahlungsoptik ... 36
3.1.5 Der Gesamtaufbau ... 38
3.2 Durchführung und Auswertung ... 40
3.2.1 Ablauf der Bestrahlungsexperimente ... 40
3.2.2 Untersuchung der Proben ... 41
3.2.3 Auswertung ... 42

4 Ergebnisse und Diskussion ... 44
4.1 Abtragsraten ... 44
4.2 Abtragsmorphologie ... 51
4.3 Physikalisch-chemische Prozesse ... 53
4.4 Numerische Modellierung ... 61
4.5 Fazit ... 71

5 Zusammenfassung und Ausblick ... 73

Anhang A - Numerische Umsetzung des Modells ... 74
Anhang B - Simulationsparameter ... 76
Anhang C - Alternative Bestrahlungsoptik ... 77

Literaturverzeichnis ... 79

1 Einleitung

Die Photoablation von Polymeren mit Hilfe gepulster Excimerlaser-Strahlung hat seit der Entdeckung dieses Prozesses im Jahre 1982 ^1,2 eine große Zahl von Untersuchungen zur Aufklärung der dabei beteiligten physikalisch-chemischen Vorgänge nach sich gezogen. Angeregt durch eine Vielfalt sich bietender Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten Mikroelektronik, Mikrooptik und Mikromechanik ³, standen dabei vor allem die auf der Photoablation basierenden Möglichkeiten hochauflösender Strukturierung im Mittelpunkt des Interesses. Bei vielen Polymeren ist unter geeigneten Bedingungen aufgrund photochemischer Zersetzungsprozesse, die nur an den belichteten Stellen ohne thermische Belastung der umgebenden Gebiete zum Materialabtrag führt, eine hohe Strukturgenauigkeit erzielbar, die im günstigsten Fall im Bereich der verwendeten UV-Wellenlänge − also im Sub-µm-Bereich liegt. Bei Beschränkung auf periodische Strukturen läßt sich diese Auflösungsgrenze noch nach unten verschieben. So wurden Linienstrukturen mit Gitterkonstanten im Bereich von 100 nm erzeugt ⁴.

Das Abtragsverhalten einer Reihe von Polymeren wurde bei unterschiedlichsten experimentellen Bedingungen untersucht. Aufschluß über die Dynamik der bei der Photoablation ablaufenden Prozesse ist besonders durch die Verwendung unterschiedlicher Pulsdauern zu erwarten. Es wurde daher in einigen Arbeiten die Ablation mit Standard- Excimerlasern, die Pulsdauern von 10 bis 30 ns liefern, mit dem von Sub-Pikosekundenpulsen hervorgerufenen Materialabtrag verglichen ^5,6. Im Nanosekundenbereich wurde für die pulsdauerabhängige Photoablation durch Verlängerung der Standardpulse eine Datenbasis geschaffen ⁷. Während im Nanosekundenbereich die Abschirmung und Ausbreitung der Wolke von Ablationsprodukten das Abtragsverhalten bestimmt, sind diese Einflüsse bei der Sub-ps-Ablation ausgeschlossen, da sich dort das Material innerhalb der Pulsdauer praktisch nicht bewegt. Dagegen gewinnen bei kurzen Pulsen aufgrund der hohen Intensitäten Absorptionsprozesse höherer Ordnung − wie Multiphotonenabsorption und excited state absorption − an Bedeutung. Außerdem kann im Sub-ps-Bereich die räumliche Energieausbreitung im Material durch Wärmeleitung innerhalb der Pulsdauer vernachlässigt werden.

Zwischen diesen Untersuchungen klafft eine Lücke von vier Zehnerpotenzen bezüglich der Pulsdauer. Eine systematische Variation der Pulsdauer im Femto- und Pikosekundenbereich bei der Photoablation von Polymeren läßt Rückschlüsse auf die beteiligten physikalischchemischen Prozesse erhoffen. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt daher bei Realisation eines Aufbaus, der es ermöglicht, die Pulsdauer in diesem Bereich auf einfach zu handhabende Weise effektiv zu variieren.

Da aufgrund der Ergebnisse für Pulsdauern im Nanosekundenbereich eine deutliche Pulsdauerabhängigkeit des Abtragsverhaltens erst bei mittleren Fluenzen von einigen J/cm² zu erwarten war und wegen der durch Verluste aufgrund der Pulsdauervariation begrenzten Pulsenergie, mußte durch eine geeignete Bestrahlungsoptik für eine ausreichende Konzentration der Laserenergie auf der Probe gesorgt werden. In vielen Arbeiten wurden Bestrahlungsexperimente unter Fokussierung der Laserenergie durchgeführt. Da dies zu einer nur sehr ungenau definierten Fluenz führt, und weil diese Arbeit auch im Bezug auf die Mikrostrukturierung zu verstehen ist, wurde eine gleichmäßige flächenhafte Bestrahlung der Proben durch eine verkleinernde Maskenprojektion angestrebt.

Es wurde mit dem erstellten Experimentalaufbau erstmals die Photoablation von Polymeren unter systematischer Variation der Pulsdauer im Subnanosekundenbereich untersucht. Um die Bedeutung physikalisch-chemischer Aspekte herauszuarbeiten, wurde schließlich versucht, die Meßergebnisse unter sinnvollen Annahmen numerisch zu simulieren.

2 Grundlagen
2.1 Grundlegende Begriffe der Photoablation

In diesem Abschnitt sollen elementare Begriffe erläutert werden, die bei der Photoablation von Polymeren eine Rolle spielen.

• Ablation, Photoablation.

Unter Ablation soll hier allgemein der Materialabtrag eines Stoffes durch Einkopplung von Strahlung verstanden werden. Photoablation ist die Ablation mit Licht, wobei in der Regel - wie auch in dieser Arbeit - ein Laser als Strahlungsquelle dient. Ablation wird aber auch mit anderen Arten von Strahlung durchgeführt, wie z.B. Protonen- oder Ionenstrahlung. Eine vieldiskutierte Frage bei der Ablation von Polymeren ist, ob die Zersetzung durch direkte photochemisch erzeugte Bindungsbrüche oder auf thermischem Wege durch aufheizen und Verdampfen des Materials geschieht. An einigen Stellen in der Literatur wird der Begriff Ablation nur im Zusammenhang mit der photochemischen Zersetzung gebraucht. Da diese Frage in den meisten Fällen nicht eindeutig entschieden werden kann, soll hier Ablation im Sinne des o.a. allgemeinen Begriffs verstanden werden.

• Fluenz

Bei der Bestrahlung eines Materials mit gepulstem Laserlicht ist die experimentell unmittelbar zugängliche Kenngröße für die Stärke der Bestrahlung die Energie pro Flächeneinheit, die pro Puls auf das Material trifft. Sie wird als Fluenz bezeichnet und i.a. in der Dimension J/cm² angegeben.

[...]

[1] R. Srinivasan, V. Mayne-Banton: Appl. Phys. Lett. 41, 576 (1982)

[2] Y. Kawamura, K. Toyoda, S. Namba: J. Appl. Phys. 53, 6489 (1982)

[3] U. Sowada, H.-J. Kahlert, H. Gerhardt, U. Basting: Laser u. Optoelektronik 2, 96 (1988)

[4] H.M. Philips, D.L. Callahan, R. Sauerbrey, G. Szabo, Z. Bor: Appl. Phys. A 54, 158, (1992)

[5] S. Küper, M.Stuke: Appl. Phys. B 44, 199 (1987)

[6] S. Küper, M.Stuke: Appl. Phys. A 49, 211 (1989)

[7] H. Schmidt: Physikalisch-chemische Aspekte des excimerlaserinduzierten Ablationsprozesses an Polymeren, Dissertation, Cuvillier Verlag, Göttingen (1994)