Dynamik der Laserablation von CO2-Filmen

Abstract

Die Wechselwirkung von Laserlicht und Oberflächen nimmt einen immer größeren Stellenwert in der Forschung, in industriellen Anwendungen und auch im Alltag ein. Dabei reicht die Spannweite von der Materialbearbeitung ¨uber die Medizin- technik bis hin zu hochsensiblen Anwendungen in der Halbleiterindustrie oder der Analytik. Im Falle der Materialbearbeitung wird die Laserstrahlung vom zu bear- beitenden Material absorbiert, welches dadurch über die thermischen und mechanischen Belastungsgrenzen hinaus beansprucht und abgetragen wird. Ebenso kann ablatiertes Material gezielt auf Substraten adsorbiert werden und so eine Vielzahl neuer Materialien erzeugt werden. In der Lasermedizin beruhen die meisten Anwendungen dagegen auf der Absorption des Laserlichtes von im Gewebe eingelagertem Wasser. Hier werden Laser vorwiegend als hochpräzise Skalpelle eingesetzt. Im Bereich der Halbleiterindustrie ist vor allem das Laser Cleaning zu nennen. Es handelt sich dabei um die Reinigung von Halbleiteroberflchen von nanoskopischen Verunreinigungen, ohne die hochsensiblen Substrate zu beeintrchtigen. In der Oberflächenanalytik wird dagegen bewusst eine dünne Oberflächenschicht abgetragen und durch Spektro- meter analysiert. Dabei ist besonders MALDI (Matrix-assisted laser desorption/ ionisation) zu nennen. Hier werden die zu analysierenden Moleküle in eine Matrix eingebettet und zusammen mit dieser ablatiert. Dadurch ist es möglich auch große, oftmals instabile Biomoleküle intakt in die Gasphase zu überführen und zu spektroskopieren. In dieser Arbeit wird eine spezielle Geometrie der Laserablation untersucht. Es handelt sich um die Ablation eines dünnen, transparenten Films von einem ab- sorbierenden Substrat. In den Film selbst wird Energie nur durch Wärmekontakt mit dem Substrat eingekoppelt, weshalb diese Geometrie oftmals als substrate mediated ablation bezeichnet wird. Die Experimente dieser Arbeit werden mit festen CO2-Filmen mit Schichtdicken im Nanometerbereich und Siliziumsubstraten durchgeführt. Dies ist zum einen historisch begründet, da sich diese Materialkombination direkt aus den Untersuchungen zum Matrix unterstützten Laser Cleaning ergibt. Dabei wird vor dem Laserbeschuss eine dünne CO2-Schicht auf die verschmutzte Oberfläche aufgebracht. Die Sublimation und Ablation dieser Schicht führt zur Entfernung der Schmutzpartikel. Zum anderen bildet CO2 einen Festkörper mit wohldefinierter van-der-Waals-Wechselwirkung und eignet sich deshalb hervorragend als Modellsystem. Weiter zeichnet sich Silizium als Substrat durch seine nahezu atomar glatte Oberfläche aus, wodurch Einflüsse der Oberflächenrauhigkeiten, wie sie in Untersuchungen ähnlicher Systeme nachgewiesen wurden, vernachlässigt werden können. Wie in Kapitel 2.2 gezeigt werden wird, existieren zur Laserablation im Kon- takt mit einem absorbierenden Substrat zahlreiche Voruntersuchungen. Zum einen gewähren theoretische Modelle einen immer tieferen Einblick in die Mechanismen des Ablationsvorgangs. Im Hinblick auf die Frühphase des Prozesses sind vor allem auch Molekulardynamik-Simulationen zu nennen. Aber auch experimentelle Arbeiten stoßen immer weiter in die Frühphase der Laserablation vor, auch wenn Experimente auf diesem Gebiet durch die Kombination einer sehr hohen Zeitauflösung im sub- Nanosekundenbereich und einer räumlichen Sensitivität von wenigen Nanometern sehr anspruchsvoll sind. Trotz der vielen Fortschritte der vergangenen Jahre bestehen weiterhin viele offene Fragen im Bezug auf den Einfluss äußerer Parameter auf den Ablationsvorgang, sowie auf die Dynamik des zugrundeliegenden Phasenübergangs, insbesondere die in dieser Arbeit untersuchte Sublimation. Die Experimente dieser Arbeit verfolgen deshalb zwei Richtungen. Zum einen wird der Einfluss geringer Variationen äußerer Parameter wie der eingestrahlten Energiedichte oder der CO2-Schichtdicke untersucht. Dabei bilden vor Allem die Durchführung reproduzierbarer Experimente und die Detektion mit hoher Zeit- und Ortsauflösung die Herausforderungen. Zum anderen wird die Dynamik der Sublimation der CO2-Schicht, die Ursache für den Ablationsvorgang, untersucht. In diesem Zusammenhang steht die Frage nach einer vorhandenen Überhitzung und der Zeitskala des Sublimationsvorgangs, sowie die Einordnung in bereits bestehende Modelle im Mittelpunkt. Diese Arbeit ist wie folgt gegliedert. In Kapitel 1 werden zunächst die für das Verständnis der vorgestellten Experimente erforderlichen Grundlagen vorgestellt. Kapitel 2 ordnet diese Arbeit in bisherige Untersuchungen ein. Das Kernstück die ser Arbeit folgt in den Kapiteln 3 und 4. Hier werden zunächst der Versuchsaufbau und experimentelle Methoden dargestellt, worauf in Kapitel 4 die Ergebnisse dieser Arbeit präsentiert und diskutiert werden. In Kapitel 5 werden Ideen und Konzepte für weiterführende Experimente vorgestellt. Abschließend folgt eine Zusammenfassung dieser Arbeit. Die Experimente wurden am Fachbereich Physik der Universität Konstanz sowie dem Instituto de Optica des C.S.I.C. in Madrid durchgeführt.