Untersuchung des selektiven laserinduzierten Ätzens im Volumen von Saphir

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingomar Kelbassa, seit 8/2013
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237381150

• Erstellungsjahr: 2017

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wird der Einfluss von stark fokussierter (NA ≥ 0,4) Laserstrahlung auf die Materialstruktur von Saphir und die resultierende selektive Ätzbarkeit des modifizierten Materials untersucht. Dabei werden insbesondere Untersuchungen der Einflüsse der sphärischen Aberration durch die Brechung an der planen Probenoberfläche, der Repetitionsrate und der Energie der Laserstrahlung untersucht. Ergebnislos untersucht worden sind die Änderungen der Absorptionseigenschaften durch die laserinduzierten Materialänderungen sowie der Materialänderung durch Transmissionselektronenmikroskopie. Diese beiden Untersuchungen sind nicht erfolgreich möglich, weil während der Materialmodifikation Mikrorisse auftreten. Daher wird untersucht, wie Saphir laserinduziert selektiv geätzt werden kann ohne dass dabei Risse auftreten. Unterschiedliche Prozessstrategien werden mit einer Vielzahl von Prozessparametern untersucht, um rissfreie selektiv geätzte Strukturen in Saphir herstellen zu können. Durch die Belichtung von zahlreichen Kreisen mit vertikalem Versatz werden Zylindermantelflächen im Saphir belichtet und nach dem anschließenden nasschemischen Ätzen sowohl die Bohrlöcher als auch die Bohrkerne erhalten, wodurch nachgewiesen wird, dass eine selektive Ätzbarkeit in Saphir erzeugt wird, welche nicht durch mechanische Nachbearbeitung (wie z.B. Probenpräparation beim Läppen oder Polieren) hervorgerufen ist. Umfangreiche Untersuchungen werden durchgeführt, um eine rissfreie Modifikation des Saphirs zu erzielen. Schließlich werden Bohrungen erzielt, welche ausschließlich auf der Probenoberseite Mikrorisse kleiner 10 µm Länge und kleiner 10 µm Tiefe aufweisen. Formbohrungen in Form von kleinen Zahnrädern werden hergestellt, um die Machbarkeit von 2,5D-Mikrobauteilen aus Saphir zu zeigen. 3D Bauteile können in Saphir mit dem SLE-Verfahren in diesem Vorhaben nicht rissfrei hergestellt werden. In dem anschließenden BMBF-Verbundprojekt „Forschungscampus Digital Photonic Production – Femto“ werden diese Grundlagen aktuell zusammen mit Industriepartnern weiter untersucht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Digital Photonic Production of Corundum Components by SLE
  Maren Christine Hörstmann-Jungemann