Excimer laser treatments of iron, aluminum and silicon substrates in nitrogen and methane atmospheres

Abstract

Die Materialbearbeitung durch Laserbestrahlung ist ein expandierendes Fachgebiet mit attraktiven technischen Anwendungen. Unter allen lasergestützten Behandlungsmethoden kann die Bestrahlung von Metallen und Halbleitern in kontrollierten reaktiven Gasatmosphären erfolgreich zu wichtigen Modifikationen der Oberfläche der bestrahlten Materialien führen. Wenn das reaktive Gas Stickstoff oder Kohlenstoff enthält, wird der entsprechende Prozess Laser-Nitrieren bzw. Laser-Karbidisieren genannt. In der vorliegenden Arbeit wurden Eisen-, Kohlenstoff-, Aluminium- und Siliziumproben in kontrollierter Stickstoff- (N2) und Methan-(CH4)-Atmosphäre mit einem gepulsten XeCl-Excimer Laser (Wellenlänge=308 nm, Pulsdauer=55 ns FWHM) behandelt, um Stickstoff und Kohlenstoff in die Proben einzubringen. Die durch den Laser verursachten Veränderungen werden als Funktion der verschiedenen experimentellen Parameter (Gasdruck, Laserfluenz, Pulszahl) analysiert und die Mechanismen des Massentransports werden detailiert untersucht. Sowohl feste Lösungen (Fe(N), Fe(C)) als auch stöchiometrische Phasen (AlN, SiC) können an der Oberfläche hergestellt werden, die Schichten mit verbesserter Haftung an das darunterliegende Substrat bilden. Die experimentelle Analyse wurde mit einer Vielzahl von Techniken (Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie, Resonante Kernreaktionsanalyse, Mößbauer-Spektroskopie, X-Ray Absorption Fine Structure, Röntgen-Diffraktion, Mikrohärte-Messung) durchgeführt, um damit Informationen über die Elementverteilung, die Phasenbildung, die lokale atomare Umgebung und die mechanischen Eigenschaften der behandelten Proben zu erhalten. Durch die Untersuchung der Veränderungen der Materialien nach der Laserbehandlung können außerdem wertvolle Einsichten in die Mechanismen des Masseneintrages und der Wechselwirkung zwischen Plasma und Oberfläche während der Laserbestrahlung erhalten werden.