Quantitative Analyse laserstrukturierter Oberflächen
Torsten Recktenwald, Zhongfan Liu, Thomas Laurent, Frank Mücklich
Institut fiir Funktionswerkstoffe, Universitit des Saarlandes, Saarbriicken, Deutschland
Kurzfassung
Mit Hilfe eines speziellen Laserintferenzsystems konnen Materialoberflachen schnell und direkt,
d.h. ohne Nachbehandlung, mikrostrukturiert werden. Dabei werden mehrere Teilstrahlen eines
Nd: YAG-Hochleistungslasers iiber einer Substratoberfliche iiberlagert. Das sich dabei ausbildende
Interferenzmuster führt bei bestimmten Intensitéitsbedingungen zu einer lateral periodischen
Modifizierung der Oberflächentopographie. Die Strukturdimensionierungen können vom Mikro- bis
in den Submikrometermaßstab verändert werden. Verschiedene Belichtungsverfahren und
Überlagerungsgeometrien führen zur Ausbildung unterschiedlicher Muster. Ebenfalls können
Mikrostrukturen verschiedener Aspektverhältnisse und Füllfaktoren realisiert werden.
Die laserinterferometrisch induzierten Mikrostrukturen werden mit der Weisslichtinterferenz-
mikroskopie untersucht. Durch die Verarbeitung der Eingangssignale können mit kommerziellen
Softwareapplikationen die so hergestellten Mikrostrukturen quantitativ und qualitativ ausgewertet
werden.
1. Einleitung
Mikroskalig strukturierte Materialoberflächen zeichnen sich durch ihre zum Teil gravierenden
Eigenschaftsänderungen im Vergleich zu "glatten" Materialoberflächen aus. Durch eine gezielte
"Aufrauhung"der Oberfläche können topographisch bedingte Effekte hervorgerufen werden, wie
z.B. die Minimierung der elastischen Verformungsarbeit zur berührungslosen Ausrichtung von
Flüssigkeitskristallen [1], die Verbesserung des Adhäsionsverhaltens von organischen Zellen
(Nervenzellen, Epithelzellen) an Werkstoffoberflächen, das sog. "Topography Guidance" [2], die
Reflexionsverminderung von Oberflächen durch das sog. "Mottenaugen-Prinzip" [3] oder die
Verstärkung der Hydrophobie ("Lotus-Effekt")[4].
Neben der Herstellung solcher Oberflächenstrukturen mit z.B. lithographischen Verfahren oder der
bei uns verwendeten Laserinterferenztechnik ist die quantitative Analyse dieser Strukturen von
entscheidender Wichtigkeit. Nur durch eine präzise Auswertung der erzeugten Mikrostrukturen
kann eine Aufdeckung der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Optimierung der zu erzielenden
Eigenschaften gewährleistet werden, und Parameter des Herstellungsprozesses können
dementsprechend angepaßt werden.
Laserinterferometrisch hergestellte Oberflächenmikrostrukturen wurden mit der Weisslicht-
interferenzmikroskopie untersucht und mit kommerziellen Softwareapplikationen ausgewertet, um
statistisch fundierte und präzise Aussagen über die Topographiemodifizierung treffen zu können.
2. Experimentelles
Die Herstellung der zu untersuchenden Mikrostrukturen erfolgte mit Hilfe eines speziellen
Laserinterferenzsystems, dessen Hauptbestandteil ein gepulst betriebener Nd:Y AG-Hochleistungs-
laser ist. Dieser kann neben der Fundamentalen (1064 nm) durch nichtlinear-optische
Frequenzmischung bei verschiedenen Wellenlängen betrieben werden (532 nm, 355 nm, 266 nm)
und emittiert wohldefinierte Pulse mit einer Pulsdauer von ca. 10 ns bei einer Repetitionsrate von
10 Hz. Durch Überlagerung mehrerer Teilstrahlen definierter Intensität liber einer Substrat-
oberfläche können Materialoberflächen gemäß des sich ausbildenden Interferenzmusters direkt
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