Modellierung und Optimierung der Laser-Oberflächenreinigung

Forschungsprojekt P 14700 Modellierung und Optimierung der Laser-Oberflächereinigung N. ARNOLD 27.11.2000 Die Verwendung von Lasern zur Reinigung von Oberflächen ist eine, neuartige Methode, um winzige Verunreinigungen von hochsensiblen Bauteilen, wie Mikrochips, Mikroprozessoren, etc. effizient zu entfernen. Speziell die Reinigung von Polymeren ist noch weitgehend unerforscht. Kleine Schmutzpartikel verstopfen die Düsen von Tintenstrahldruckern und vemindern drastisch die Qualität von Kunststoff- Solarzellen und Displays. Sie werden mit Kräften, welche milliardenmal größer sind als die Erdanziehung, an die Oberfläche gebunden. Dadurch wird eine Reinigung mit konventionellen Methoden praktisch unmöglich. Die `Laser-Reinigung` verwendet Nanosekunden-Lichtpulse. Die dadurch erwärmte, Oberfläche dehnt sich praktisch unmerklich aus. Da diese Ausdehnung aber in extrem kurzer Zeit erfolgt, ist die auf das Staubteilchen wirkende Kraft enorm gross. Wird dabei zusätzlich eine hauchdünne Oberflächenschicht unter dem Teilchen verdampft, geschieht dies so rasch, dass die Schicht praktisch explodiert und Schmutzteilchen mitreisst. Je, kleiner das Teilchen ist, umso schwieriger ist dessen Entfernung. Her ist eine Optimierung zwischen der effizienten Abtragung und der Vermeidung von Oberflächenschädigung zu finden. Die Effekte bei der Abtragung der Teilchen sind noch unklar: M6ghcherweise werden die Teilchen durch das sich ausdehnende Substrat elastisch komprimiert und weggeschleudert, ähnlich einem Gummiball. Bei transparentem Substrat kann die thermische Ausdehnung der (absorbierenden) Teilchen denselben Effekt bewirken. Kleine Teilchen wirken optisch wie Linsen: Sie fokussieren das Licht unter sich, wodurch eine Temperaturerhöhung entsteht. Wasserdampf kann unter Teilchen kondensieren. Die entstehende Kapillarkraft verstärkt die Haftung der Partikel, jedoch kann das Verdampfen dieses Kondensats eine bessere Reinigung bewirken. Kürzere Laserpulse, bewirken eine Verbesserung der Reinigungseffekte bei gleichzeitiger Vermeidung von Oberflächenbeschädigung. Die thermische Ausdehnung kann aber nicht schneller erfolgen als die Ausbreitung des Schalls. Simulationen sollen den Einfluss der Pulsdauer und -energie sowie die Beziehung zwischen der Partikelgrösse und der Transparenz und Elastizität von Partikel und Substrat beschreiben. Aufgrund der breitgestreuten Eigenschaften bei Polymeren können vielfaltige Bearbeitungsmöglichkeiten bezüglich ihrer Effizienz simuliert werden. Die geplanten Untersuchungen sollen eine signifikante Verbesserung des Laser reinigungsverfahrens, ermöglichen, im besonderen hinsichtlich Anwendungen in der Nano-Technologie. Zusätzlich können die Projektergebnisse Klarheit geben in grundlegenden Fragen der Wechselwirkung sehr kleiner Teilchen mit Oberflächen, was bei Manipulationen mit Mikro-Partikel von praktischer Bedeutung ist.

Kleine Partikel sind überall vorhanden. In der Technik führen sie zur Zerstörung von Nanobauteilen, wie zB Mikroprozessoren, Speicherbauteilen, Düsen von Tintenstrahldruckern etc. Staubkörner haften an Oberflächen durch eine Kraft, billionen mal grösser als die Gravitation. "Laser-Cleaning" kann die Partikel beseitigen. Wie funktioniert das ? Die Oberfläche wird mit kurzen Laserpulsen bestrahlt. Dadurch erhitzt und expandiert die Oberfläche. Die Ausdehnung stoppt rasch und führt zum "Abschütteln" der Partikel. Bei diesem Vorgang sind Untersuchungen des Kompressions- und Bewegungsverhaltens der Partikel durch das expandierende Substrat notwendig. Die Partikel können sich wie mechanische Federn verhalten. Eine geeignete Anregung dieser "Feder" macht ihre Entfernung wesentlich einfacher. Zum Beispiel verursacht ein kürzerer Laserpuls ein ruckartigere "Schüttelbewegung" des Substrats und damit ein effizientes Abwerfen der Partikel. Ist der Puls jedoch zu kurz, dann hat das Substrat nicht mehr Zeit um sich auszudehnen. Ausserdem können sehr kurze Pulse aufgrund ihrer hohen Energiedichte das Substrat beschädigen. Kleine Partikel können bei Bestrahlung eine Aufheizung des umgebenden Materials bewirken. Unter Umständen können sie das Licht fokussieren. "Laser-Cleaning" bewirkt hier, dass Material unterhalb der Partikel verdampft und mit den Partikel wegfliegt. Um solche Beschädigungen zu vermeiden, wurden Untersuchungen zur Unterdrückung des Erwärmungseffekts, durchgeführt. Die Verwendung von transparenterem Licht verringert die Absorption, ohne die gesamte Ausdehnung zu beeinflussen. Der Effekt des Verdampfens von Material unterhalb der Partikel kann vorteilhaft genutzt werden, wenn anstatt des Substrats ein anderes Medium verdampft. Bringt man die Probe in eine stark humide Atmosphäre, so bildet sich ein dünner Wasserfilm, vorzugsweise an der Grenzfläche zwischen Partikeln und Substrat. Das Verdampfen des Wassers führt zu verbessertem "Cleaning", speziell von sehr kleinen Teilchen. Mikrokugeln, welche zur Simulation von Verunreinigungen verwendet wurden, wurden als Mikrolinsen-Arrays zur grossflächigen laserinduzierten Oberflächenstrukturierung eingesetzt. Die Produktion von Mikrolinsen ist sehr aufwändig und teuer. Millionen von Mikrokugeln werden jedoch billig hergestellt, weil die Kugelform in der Natur bevorzugt ist. Mikrokugeln formen sich unter geeigneten Umständen in einer dichten Wabenstruktur an einer Oberfläche. Sie verhalten sich wie Linsen, aber mit vielen exotischen Eigenschaften: Zum Beispiel fokussieren sie Licht nicht wie eine gewöhnliche Linse, sondern bilden eine sogannte "Hot Line", einen dünnen Streifen sehr hoher Energie. Für einen optimierten Einsatz dieser Kugeln zur Oberflächenstrukturierung wurde eine spezielle Theorie der Abbildungseigenschaften solcher Mikroobjekte entwickelt.