Entwicklung eines Kombinationsverfahrens zur Herstellung von Mikrostrukturen mit lokal funktionalisierten Oberflächen mittels ps-Laserstrahlung

Mit einem 50W ps-Laser erzeugte Oberflächenmodifikation in Kombination mit Mikrostrukturierung auf einem Substrat aus Silizium.

1. Ausgangslage

• Mikrostrukturen hoher Präzision sind fester Bestandteil der modernen Industrieproduktion, von Unterhaltungselektronik bis Hightech-Medizinanwendungen, von Mikrobohrung bis komplexer Mikromechanik. Einen Weg zur Erzeugung solcher Geometrien stellt die Laserbearbeitung dar; speziell unter Einsatz von Ultra-Kurzpulslasern (UKP) können variabel und hochqualitativ Formen mit Strukturbreiten ab etwa 10 Mikrometern ohne nennenswerte thermische Beeinflussung generiert werden.

• Funktionalisierung von Oberflächen durch Modifikation der Topographie ist ein artverwandtes Gebiet. Hierbei werden Strukturen von 0,5 bis 2,0 Mikrometern dazu genutzt einer Fläche bestimmte physikalische, chemische oder optische Eigenschaften zu verleihen. Das Anwendungsspektrum reicht von hydrophoben Eigenschaften (Lotuseffekt) über Korrosions- und Verschleißschutz bis zur Aktivierung für nachgeschaltete Prozesse. Die zugehörige Bearbeitung erfolgt meist großflächig durch Beschichtungen und ist inzwischen ein etabliertes Verfahren. Lokal begrenzte Funktionalisierung eröffnet weitreichend neue Möglichkeiten für innovative Produkte und ist mit neuster UKP-Lasertechnik flexibel und wirtschaftlich nutzbar. Insbesondere, wenn bisher kaum angewandte Effekte der Selbstorganisation von Oberflächen bei der Bestrahlung ein aufwändiges „Schreiben" der einzelnen Sub-Strukturen ersetzen.

• Kombination beider Verfahren in einem Prozessablauf würde Kosteneffizienz sowie Energie- und Ressourcenschonung mit den genannten Vorteilen vereinen.

2. Handlungsbedarf

Aktuelle Entwicklungen bei Laserstrahlquellen im Ultra-Kurzpuls-Bereich, besonders im Pikosekunden-Bereich (ps), bewirken eine stetig zunehmende Marktakzeptanz dieser Technik. Neue, erweiternde Fertigungsverfahren sind somit von großem Interesse.

•  Die Generierungen von Mikrostrukturen mit ps-Lasertechnik im industriellen Maßstab mit hoher Qualität und Wirtschaftlichkeit ist inzwischen gegeben. Entsprechende Umsetzungen, z.B. in der Solarzellenfertigung, haben bereits begonnen.

• ps-Strahlung kann grundsätzlich auch zur Erzeugung funktionaler Oberflächen-eigenschaften genutzt werden. Der Effekt der „Selbstorganisation" während der Bestrahlung kann dabei helfen diesen Prozess zu vereinfachen.

• Es fehlen systematische Untersuchungen zur Funktionalisierung, die präzise Aussagen über die exakten Möglichkeiten, Prozesssicherheit und industrielle Nutzbarkeit zulassen.

• Die Kombination beider Prozesse würden eine neuartige Fertigungsmethode für eine Vielzahl an Produkten und darüber hinaus gänzlich neue Produkte ermöglichen.
  

 3. Ziele des Projekts

Im Kontext mit einer vorgesehenen Mikrostrukturierung per ps-Laser ist eine lokale Funktionalisierung der Oberfläche eine äußerst interessante Option. Hierfür wird ein tieferes Verständnis über die wirkenden Mechanismen zur Bildung der Funktionalisierung in Abhängigkeit vom Werkstoff, Strukturgeometrie und Strahlparametern benötigt. Dieses soll in umfangreichen Studien und Analysen erfolgen. Zur Erprobung und besseren Verdeutlichung des Potentials der Kombinationsbearbeitung werden außerdem Musterbauteile aus dem Bereich „Liquid Handling" gefertigt und im Praxistest erprobt.