DE102018003312A1 - Method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung von Strukturen oder Materialmodifikationen mittels der Top-Down-Methode in einem Bereich unterhalb des Beugungslimits von Laserstrahlen in der Größenordnung des unteren dreistelligen Nanometerbereiches in mindestens einer Dimension. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in optisch an- und abregbare Materialsysteme, die ein verändertes (transientes) Absorptionsverhalten im angeregten Zustand aufweisen,in einem ersten Schritt eine Laserstrahlanregung in einem Bereich (a und b) der zu bearbeitenden Oberfläche und/oder in einer vorgebbaren Materialtiefe vorgenommen wird,in einem zweiten Schritt eine Abregung in nach dem ersten Schritt angeregten Randbereichen (b) erfolgt wobei der Innenbereich (a) angeregt bleibt undin einem dritten Schritt der so nach dem ersten und zweiten Schritt präparierte angeregte Innenbereich (a) einer Bestrahlung mit einem weiteren Laserstrahl in einer solchen Ausdehnung undIntensitätsverteilung ausgesetzt wird, dass nur im angeregten Innenbereich (a) unter Ausnutzung der veränderten (transienten) Absorption im Innenbereich (a) durch angeregte Zustandsabsorption (ESA) ein so hoher Energieeintrag mittels eines Laserstrahlpulses hervorgerufen wird, dass ausschließlich im Innenbereich (a) eine Bearbeitungswirkung erzielt wird, wohingegen die nach dem zweiten Schritt verbliebenen Randbereiche (b) unverändert, d.h. ohne Bearbeitungswirkung, verbleiben.The invention relates to a method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method in a region below the diffraction limit of laser beams in the order of the lower three-digit nanometer range in at least one dimension. The object is achieved in that in optically stimulable and detachable material systems having an altered (transient) absorption behavior in the excited state, in a first step, a laser beam excitation in a region (a and b) of the surface to be machined and / or in a predetermined depth of material is carried out, in a second step a de-excitation in the first step excited edge regions (b) takes place wherein the inner region (a) remains excited and in a third step of the so prepared after the first and second step excited inner region (a) irradiation is exposed to a further laser beam in such an expansion and intensity distribution that only in the excited interior region (a) by utilizing the altered (transient) absorption in the interior region (a) by excited state absorption (ESA) such a high energy input by means of a laser beam pulse is caused only indoors (a) a machining effect is achieved, whereas the edge portions (b) remaining after the second step are unchanged, i. without processing effect, remain.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung von Strukturen oder Materialmodifikationen mittels der Top-Down-Methode in einem Bereich unterhalb des Beugungslimits von Laserstrahlen in der Größenordnung des unteren dreistelligen Nanometerbereiches und kleiner in mindestens einer Dimension in optisch an- und abregbare Materialsysteme, die ein verändertes (transientes) Absorptionsverhalten im angeregten Zustand (Excited State Absorption) aufweisen.The invention relates to a method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method in a range below the diffraction limit of laser beams in the order of the lower three-digit nanometer range and smaller in at least one dimension in optically stimulable and dense material systems that a changed have (transient) excited state absorption behavior (Excited State Absorption).
Sowohl die Lasermaterialbearbeitung (LMB) als auch die Lithografie (LG) mittels Laser im Sinne des Top-Down-Ansatzes basieren auf einer Materialmodifikation, wie z.B. dem Materialabtrag, Aufschmelzprozesse usw.. Hierbei ist die LMB/LG aufgrund des breiten Spektrums an Strahlungsquellen in viele verschiedene Bereiche vorgedrungen. Diese Strahlungsquellen zeichnen sich durch eine Parametervielfalt aus, welche Leistungsklassen vom mW bis in den GW Bereich sowie Pulslängen vom fs bis in den cw-Betrieb ermöglichen. In ihrer räumlichen Auflösung wird die LMB/LG aber im Wesentlichen durch die Fokussierbarkeit des Bearbeitungsstrahls, welche maßgeblich durch die Strahlqualität und Wellenlänge bestimmt wird, nach unten hin eingeschränkt. Die so realisierbaren beugungsbegrenzten Strukturgrößen dLs = k·λ /NA (NA = n·sinα Numerische Apertur) liegen unter Berücksichtigung eines systemabhängigen Proportionalitätsfaktors k (k = 0,7-1) mit Hilfe der direkten Laserstrukturierung/-modifizerung und Luft als umgebendem Medium je nach verwendeter Laserwellenlänge λ im Bereich von etwa 200 nm (sichtbar) bzw. 100 nm (ultraviolett). Weitere Ansätze zur räumlichen Einschränkung vor allem bei Dielektrika und Halbleitern basieren auf Schwellwert- und nichtlinearen Mehrphotonenprozessen (MPP), bei denen nur der intensitätsstärkste innere Teil eines gaußförmigen Laserspots im Fokus zur Bearbeitung beiträgt. Zwar sind auf diese Weise Strukturgrößen unterhalb des Beugungslimits
Somit besteht das Problem der LMB/LG in ihrer limitierten Auflösung durch die beugungsbegrenzte Fokussierbarkeit des Laserstrahles. Dies lässt sich jedoch durch aktuell bekannte Methoden nicht umgehen. Um kleinere Strukturen über den Top-Down-Ansatz zu generieren, werden nach dem Stand der Technik somit andere Materialbearbeitungsverfahren, wie z.B. die Elektronen- oder lonenstrahllithografie sowie die UV-, EUV-, und Röntgenstrahllithografie üblicherweise eingesetzt. Deren Nachteile bestehen jedoch in der dazu erforderlichen Vakuumtechnik, welche diese Verfahren sehr teuer und zeitintensiv macht und zum anderen die Größe der zu bearbeitenden Bauteile einschränkt. Darüber hinaus können vor allem bei der UV- und EUV-Lithografie hauptsächlich nur reflektierende Optiken verwendet werden, welche diese Verfahren technologisch hoch anspruchsvoll machen. Des Weiteren sind bei diesen Verfahren zum Teil Masken, welche sowohl abgebildet, als auch direkt auf das Material aufgelegt werden können, erforderlich. Da diese Masken zunächst aber ebenfalls z.B. über Elektronenstrahllithografie hergestellt werden müssen, steigt auf der einen Seite der Aufwand weiter enorm an und auf der anderen Seite sind diese Verfahren sehr unflexibel bzgl. geändert einzubringender Strukturen, die dann eben neue Maskensätze erfordern.Thus, the problem of the LMB / LG in its limited resolution by the diffraction-limited focusability of the laser beam. However, this can not be avoided by currently known methods. In order to generate smaller structures via the top-down approach, the prior art thus uses other material processing methods, such as e.g. Electron or ion beam lithography and UV, EUV, and X-ray lithography usually used. Their disadvantages, however, are the vacuum technology required for this, which makes these methods very expensive and time-consuming and, on the other hand, limits the size of the components to be machined. In addition, especially in UV and EUV lithography mainly only reflective optics can be used, which make these processes technologically highly sophisticated. Furthermore, some of these methods require masks that can be imaged as well as placed directly on the material. However, since these masks are initially also e.g. On the one hand, the effort increases enormously on the one hand, and on the other hand, these methods are very inflexible with respect to changed structures to be introduced, which then require new mask sets.
Das gleiche Problem der begrenzten Auflösung bestand auch in der optischen Mikroskopie, bei der das Abbe-Limit dm=0,5·λ/NA die untere Grenze der Auflösung darstellte. Somit kann im sichtbaren Spektralbereich nur eine maximale Auflösung von ca. 200 nm erreicht werden (bei λ=400 nm). Dieses Limit gilt zunächst auch für die Laser-Scanning-Mikroskopie. Die Überwindung dieses Limits mittels optischer Mikroskopie gelang erstmals durch die Mikroskopie-Technik der Stimulated-Emission-Depletion (STED) [z.B.:
Weiterhin ist im Stand der Technik eine Abwandlung der STED-Technologie zur STED-Lithografie [Paper:
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einbringung von Strukturen oder Materialmodifikationen mittels der Top-Down-Methode in einem Bereich unterhalb des Beugungslimits von Laserstrahlen in der Größenordnung des unteren dreistelligen Nanometerbereiches und kleiner in mindestens einer Dimension in optisch an- und abregbare Materialsysteme, die ein verändertes (transientes) Absorptionsverhalten im angeregten Zustand (ESA-Excited State Absorption) aufweisen, anzugeben, welches mit einem erheblich geringen technischen Aufwand, im Vergleich zum oben zitierten Stand der Technik, auskommt und welches keinen größenmäßigen Beschränkungen der Abmaße bei den zu bearbeitenden Materialien unterliegt.The invention is therefore based on the object, a method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method in a range below the diffraction limit of laser beams in the order of the lower three-digit nanometer range and smaller in at least one dimension in optically on and abgebregbare Material systems that have an altered (transient) absorption behavior in an excited state (ESA-Excited State Absorption) indicate, which with a considerably low technical effort, compared to the above-cited prior art, manages and which no size limitations of the dimensions in the subject to be processed materials.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils nachgeordneten Ansprüche.The object is solved by the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the respective subsequent claims.
Das Wesen vorliegender Erfindung besteht darin, dass
- - in einem ersten Schritt eine Laserstrahlanregung in einem Bereich (
a undb ) der zu bearbeitenden Oberfläche und/oder in einer vorgebbaren Materialtiefe vorgenommen wird, - - in einem zweiten Schritt eine Abregung in nach dem ersten Schritt angeregten Randbereichen (
b ) erfolgt und - - in einem dritten Schritt der so nach dem ersten und zweiten Schritt präparierte Innenbereich (
a ) einer Bestrahlung mit einem weiteren Laserstrahl in einer solchen Ausdehnung und Intensitätsverteilung ausgesetzt wird, dass nur der Innenbereich (a ) durch eine angeregte Zustandsabsorption (ESA) zusätzlich selektiv angeregt wird, wodurch ein so hoher Energieeintrag mittels eines Laserstrahlpulses hervorgerufen wird, dass ausschließlich im Innenbereich (a ) eine Bearbeitungswirkung erzeugt wird, wohingegen die nach dem zweiten Schritt verbliebenen Randbereiche (b ) und darüber hinaus unverändert, d.h. ohne Bearbeitungswirkung, verbleiben,
- in a first step, a laser beam excitation in a region (
a andb ) of the surface to be processed and / or in a predefinable material depth is made, - in a second step, a de-excitation in edge regions excited after the first step (
b ) takes place and - in a third step, the interior area thus prepared after the first and second steps (
a ) is exposed to an irradiation with a further laser beam in such an expansion and intensity distribution that only the interior area (a ) is additionally selectively excited by an excited state absorption (ESA), whereby such a high energy input is caused by means of a laser beam pulse that exclusively in the interior (a ) a machining effect is produced, whereas the edge areas remaining after the second step (FIG.b ) and, moreover, unchanged, ie without processing effect, remain,
Der vorliegender Erfindung zugrundeliegende Vorschlag besteht in der gezielten Ausnutzung einer Excited State Absorption (ESA). Hierbei wird ausgenutzt, dass angeregte Materialbereiche gegenüber nicht angeregten Materialbereichen ein verändertes (transientes) Absorptionsverhalten aufweisen. Dies allein würde noch zu keiner Überwindung der beugungsbegrenzten LMB/LG führen, da dieser Grenze sowohl der dazu notwendige Anregungs- als auch Bearbeitungslaserstrahl unterliegt. Verbindet man diesen Effekt der ESA aber nun mit der STED-Technologie, so lassen sich mittels der LMB/LG Strukturgrößen unterhalb des Beugungslimits generieren, wie gemäß vorliegender Erfindung gefunden wurde, und zwar in der Form, dass durch die STED-Technologie durch die gezielte Überlagerung eines gaußförmigen Anregungsstrahles und eines Abregungsstrahles, bspw. im Donut-Mode, die räumliche Größe des angeregten Bereiches vorgebbar festgelegt wird (vgl.
Um das erfindungsgemäße Verfahren anwenden zu können, ist es zunächst eine Voraussetzung, dass die zu bearbeitenden Materialien sowohl STED- als auch ESA-fähig sind.
Unter STED-Fähigkeit ist zu verstehen, dass die jeweiligen Materialsysteme (MS) optisch angeregt und optisch stimuliert abgeregt werden können. Solche Materialsysteme können z.B. sein: alle fluoreszierenden Materialien (Fluoreszenzmoleküle, -polymere, -partikel usw.), optisch gepumpte Lasermaterialien (mit seltenen Erd-Ionen dotierte Kristalle bzw. Gläser), (direkte) Halbleiter, Halbleiterpartikel wie z.B. Quantum Dots in einer Matrix (Glas, Dielektrika, Halbleiter, Polymere) usw., also eine Vielzahl technisch interessanter Materialien. In order to be able to use the method according to the invention, it is first a prerequisite that the materials to be processed are both STED and ESA-capable.
Under STED capability is to be understood that the respective material systems (MS) can be stimulated optically stimulated and optically stimulated. Such material systems may be, for example: all fluorescent materials (fluorescent molecules, polymers, particles, etc.), optically pumped laser materials (rare earth doped crystals or glasses), (direct) semiconductors, semiconductor particles such as quantum dots in a matrix (Glass, dielectrics, semiconductors, polymers), etc., so a variety of technically interesting materials.
Die ESA-Fähigkeit der verwendeten MS muss in einer solchen Weise ausgeprägt sein, dass sich die optischen Eigenschaften in dem Bereich des Materials, welcher sich im angeregten Zustand befindet, so verändert haben, dass eine Strukturierung und/oder Materialmodifikation z.B. im Sinne von: Aufschmelzen, Ablation (Verdampfen, Sublimieren), thermisch induzierte Brechzahländerung, Dichteänderung, Veränderung der Löslich- bzw. Ätzfähigkeit, photochemische Reaktionen, Charge-Transfers, der Generation von Silberkeimen etc. möglich sind. Je nach MS können die einzelnen Mechanismen der ESA unterschiedlich sein und erfolgen z.B. über: Inter-, Intrabandübergänge, Avalanche-Effekte, Coulomb-Explosion, Niveau-Niveau-Übergänge, Niveau-Band-Übergänge, Partikel-Plasmonen-Polaritonen usw.. Aufgrund dieser Vielzahl an möglichen ESA-Prozessen weisen auch alle STED-fähigen Materialien wie: alle fluoreszierenden Materialien (Fluoreszenzmoleküle, -polymere, -partikel usw.), optisch gepumpte Lasermaterialien (mit seltenen Erd-Ionen dotierte Kristalle bzw. Gläser), (direkte) Halbleiter, Halbleiterpartikel wie z.B. Quantum Dots in einer Matrix (Glas, Dielektrikum, Halbleiter, Polymer) usw. eine zur Materialstrukturierung oder Materialmodifikation potenziell nutzbare ESA auf.
Somit lässt sich zunächst zusammenfassend feststellen, dass alle Materialsysteme, welche optisch an- und abregbar (STED-fähig) sind und eine ESA aufweisen, grundsätzlich für das hier vorgeschlagene erfindungsgemäße SDW-Verfahren (SDW: Sub-Diffraction-Writing) geeignet sind.The ESA capability of the MS used must be pronounced in such a way that the optical properties in the region of the material which is in the excited state have changed so that a structuring and / or material modification, for example in the sense of: melting , Ablation (evaporation, sublimation), thermally induced refractive index change, density change, change in solubility or etching ability, photochemical reactions, charge transfers, the generation of silver nuclei, etc. are possible. Depending on the MS, the individual mechanisms of the ESA may differ and take place, for example, via: interband, intraband transitions, avalanche effects, Coulomb explosion, level-level transitions, level-band transitions, particle-plasmon polaritons, etc. All these types of ESA processes include all STED-capable materials such as: all fluorescent materials (fluorescence molecules, polymers, particles, etc.), optically pumped laser materials (rare earth doped crystals or glasses), (direct) Semiconductors, semiconductor particles such as quantum dots in a matrix (glass, dielectric, semiconductor, polymer), etc., have an ESA potentially useful for material structuring or material modification.
Thus, it can initially be stated in summary that all material systems which are optically attractable and excitable (STED-capable) and have an ESA are fundamentally suitable for the SDW method (SDW: sub-diffraction writing) proposed here according to the invention.
Da weder reine Metalle noch optisch inaktive Polymere sowie optisch inaktive Dielektrika STED- als auch ESA-fähig sind, kommen diese für ein direktes Sub-Diffraction-Writing mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst nicht direkt in Betracht. Eine Strukturierung sowie Materialmodifikation derartiger Materialklassen unterhalb der Beugungsgrenze kann jedoch indirekt, ebenfalls unter Anwendung vorliegender Erfindung, durch die Strukturierung/Modifikation einer STED- und ESA-fähigen Schutzschicht mit anschließenden Ätzprozessen o.dgl. erfolgen. Darüber hinaus ermöglicht z.B. ein als „Dynamic Release Layer Laser Induced Forward Transfer“ bekanntes Verfahren das Übertragen dieser Materialien auf ein Substrat in Strukturgrößen unterhalb des Beugungslimits. Hierbei ist der „Dynamic Release Layer“ sowohl STED- als auch ESA-fähig und somit das eigentliche Materialsystem, welches mittels des hier vorgeschlagenen, neuartigen SDW-Verfahrens bearbeitet werden kann. Es dient somit als Hilfs-Schicht, um eine Übertragung von Strukturgrößen unabhängig vom Beugungslimit zu ermöglichen. Über diesen Zwischenschritt sind also auch weitere Materialien dem erfindungsgemäßen Verfahren zugänglich.Since neither pure metals nor optically inactive polymers and optically inactive dielectrics are STED- as well as ESA-capable, they are initially not directly suitable for direct sub-diffraction writing by means of the method according to the invention. However, structuring and material modification of such material classes below the diffraction limit can indirectly, likewise using the present invention, by the structuring / modification of a STED and ESA-capable protective layer with subsequent etching processes or the like. respectively. In addition, e.g. a method known as Dynamic Release Layer Laser Induced Forward Transfer, which transfers these materials to a substrate in feature sizes below the diffraction limit. Here, the "Dynamic Release Layer" is both STED and ESA-capable and thus the actual material system, which can be edited by means of the novel SDW method proposed here. It thus serves as an auxiliary layer to allow transmission of feature sizes independent of the diffraction limit. About this intermediate step so also other materials are accessible to the method according to the invention.
Auch an die im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens zum Einsatz gelangenden Laser sind bestimmte Voraussetzungen gebunden. Im Allgemeinen lässt sich zunächst feststellen, dass für das hier beschriebene SDW-Verfahren die verschiedenen Laserstrahlen (An- und Abregung sowie ESA-Bearbeitung) vorwiegend nur gepulst und in einer auf das Material angepassten Wellenlängen-, Pulslängen-, und Pulsabstandsbeziehung betrieben werden können. Der einzige Teilprozess und somit auch der Laserbetrieb, welcher unter gewissen Voraussetzungen mit kontinuierlicher cw-Bestrahlung erfolgen kann, ist der der Abregung (im Rahmen der Erfindung als zweiter Schritt bezeichnet).
Des Weiteren muss für die Überwindung des Beugungslimits beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren die Abfolge der Einzelimpulse als Puls-Ensemble betrachtet werden, welches eine erhöhte Auflösung der LMB/LG nur dann ermöglicht, wenn es je nach dem zu bearbeitenden Materialsystem in einer ganz bestimmten zeitlichen sowie intensitäts- und wellenlängenabhängigen Beziehung zueinander Anwendung findet. Auf diese einzelnen Parameter soll im Folgenden näher eingegangen werden:Certain conditions are also bound to the lasers used in the proposed method. In general, it can first be stated that for the SDW method described here, the different laser beams (startup and de-excitation as well as ESA processing) can be operated predominantly only pulsed and in a wavelength, pulse length, and pulse spacing relationship adapted to the material. The only sub-process and thus also the laser operation, which under certain conditions can be carried out with continuous cw irradiation, is that of the de-excitation (referred to as a second step in the context of the invention).
Furthermore, in order to overcome the diffraction limit in the method proposed according to the invention, the sequence of individual pulses must be regarded as a pulse ensemble which only enables an increased resolution of the LMB / LG if, depending on the material system to be processed, in a very specific time and intensity and wavelength dependent relationship applies to each other. These individual parameters will be explained in more detail below:
Die einzelnen Wellenlängen müssen sowohl für die An- als auch Abregung auf das jeweilige Materialsystem (MS) angepasst sein. Hierbei gilt, dass in den überwiegenden Fällen die Abregungswellenlänge länger, als die Anregungswellenlänge gewählt wird, insofern keine Anregung über Mehrphotonenprozesse erfolgt. In nachstehenden Tabellen sind Beispiele für verschiedene Wellenlängenbereiche der Anregung (Einzelphotonenanregung, keine Mehrphotonenanregung) und Abregung sowie der ESA-Bearbeitung bei unterschiedlichen Materialsystemen angegeben. Dabei bezeichnen MS1: direkte Halbleiter, MS2: Halbleiter-Nanopartikelausscheidungen in einer Matrix, MS3: mit seltenen Erdionen dotierte Kristalle bzw. Gläser und MS4: Farbstoffe als Polymer bzw. in einer Polymermatrix
Vorstehende Tabellen stellen keine Beschränkung der Erfindung nur auf die dort aufgeführten Materialklassen dar, da die exakte Wahl dem Fachwissen und speziellen Verwendungszwecken und Bedürfnissen des Durchschnittsfachmanns unterliegt. So kann unter Umständen die Abregungswellenlänge in der gleichen Wellenlänge, wie die der Anregung gewählt sein. Darüber hinaus kann unter Ausnutzung von Mehrphotonenprozessen die Anregungswellenlänge auch größer sein als die Abregungswellenlänge. Dies spielt vor allem eine entscheidende Rolle bei einer LMB bzw. Materialmodifikation im Volumen des zu bearbeitenden Materials. Die ESA-Bearbeitungswellenlänge muss so gewählt werden, dass sie vom optisch nicht angeregten Materialbereich nicht bzw. nur äußerst gering absorbiert wird. Da der ESA-Bearbeitungspuls für die eigentliche Materialbearbeitung/-modifikation verantwortlich ist, hat er eine relativ hohe Intensität. Um Sekundäreffekte wie Mehrphotonenabsorption im optisch nicht angeregten bzw. wieder optisch abgeregten Bereich (vgl. Bereich
Eine weitere Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens betreffen die jeweiligen Intensitäten der verwendeten Laser für die An- und Abregung, die so zu wählen sind, dass zwar eine optische Wirkung erfolgt, eben die An- bzw. Abregung, aber keine Materialbearbeitung/-modifikation im Sinne von: Aufschmelzen, Ablation (Verdampfen, Sublimieren), (thermischinduzierte) Brechzahländerung, Dichteänderung, Veränderung der Löslich- bzw. Ätzfähigkeit, photochemische Reaktionen, Charge-Transfers, der Generation von Silberkeimen etc. möglich sind, auch nicht über Mehrphotonenprozesse. Jedoch muss die Anregung in Ihrer Intensität so hoch gewählt werden, dass eine anschließende ESA-Bearbeitung im optisch angeregten Zentrum (vgl. Bereich
Ebenso sind die zum Einsatz gelangenden Laserpulslängen eine im Rahmen der Erfindung einzuhaltende Maßgabe, die vom zu bearbeitenden Material abhängig ist und auf dieser Materialvorgabe basieren. Die Pulslänge spielt vor allem beim Anregungs- und ESA-Bearbeitungspuls eine entscheidende Rolle. So sollte der Anregungspuls in der Größenordnung oder kürzer als die Lebensdauer des optisch angeregten Zustandes des jeweiligen MS sein. Da eine optische Anregung aufgrund des Stokes-Shifts immer auch mit einem gewissen Wärmeeintrag in das Material verbunden ist, auch wenn die wesentliche Energieabgabe im Anschluss an eine Anregung über Photonen (Fluoreszenz) erfolgt, muss dessen Länge auf das jeweilige MS angepasst sein. Somit muss auch der Anregungspuls so kurz gewählt werden, dass ein übermäßiger Wärmeeintrag in das umliegende Material vermieden wird. Zusätzlich muss verhindert werden, dass durch Sekundäreffekte, wie Ladungsträgerdiffusion der angeregte Bereich über die räumliche Intensitätsverteilung des Anregungspulses hinaus vergrößert wird. Den maßgeblichen Einfluss mit seiner Pulslänge hat der erfindungsgemäß eingesetzte ESA-Bearbeitungspuls. Da dieser Puls für die eigentliche Materialbearbeitung/-modifikation und somit für den größten Energieeintrag in das Werkstück bzw. MS verantwortlich ist, muss die Kürze des ESA-Bearbeitungspulses verhindern, dass durch Wärmeleitung und weitere Sekundäreffekte (Ladungsträgerdiffusion) der eigentlich durch den STED-Prozess eingeschränkte Bearbeitungsbereich unbeabsichtigt vergrößert wird. Somit sollte der ESA-Bearbeitungspuls so lang sein, dass er in Kombination mit der Stärke der ESA und der Laserstrahlintensität zu einer Materialbearbeitung/-modifikation im STED-Bereich (dSTED) führt (siehe
Nachstehende Tabelle zeigt Beispiele für den Parameterbereich der verwendeten Laserimpulse hinsichtlich Pulsenergie, Pulsdauer und Wellenlänge bei der reinen STED-Mikroskopie sowie der reinen Bearbeitung ohne vorherige STED-Anregung.
Sollte das Puls-Ensemble aus drei Einzelpulsen bestehen, so muss im Rahmen vorliegender Erfindung folgende Pulsreihenfolge gewährleistet sein: erster Puls: Anregungspuls, zweiter Puls: Abregungspuls, dritter Puls: ESA-Bearbeitungspuls. Eine gewisse zeitliche Überlappung der Pulse ist zwar möglich, jedoch müssen ihre zeitlichen Intensitäts-Schwerpunkte temporär gegeneinander verschoben sein. In diesem Fall ist es auch notwendig, dass der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen zwar so gewählt wird, dass der angeregte Bereich nach Relaxationsprozessen einerseits wieder abgeregt werden kann und andererseits der zeitliche Abstand zwischen Anregungs- und Bearbeitungspuls nicht zu groß ist, so dass noch eine ESA möglich ist. Dies bedeutet, dass der zeitliche Abstand von An- und ESA-Bearbeitungspuls innerhalb der Lebensdauer des jeweils optisch angeregten MS liegt. Dies kann für die jeweiligen MS sehr unterschiedlich sein, wie es die nachstehenden beiden Tabellen an verschieden Beispielen verdeutlichen.
In vorstehender Tabelle sind Lebensdauern und weitere Eigenschaften verschiedener seltener Erdionen in unterschiedlichen Matrixmaterialien und in nachfolgender Tabelle die verschiedener Bulkhalbleiter und deren Nanopartikelausscheidungen beispielhaft aufgeführt.
Darüber hinaus sollte die Zeit zwischen den Pulsen so kurz sein, dass eine übermäßige Ladungsträgerdiffusion, sowie Wärmeleitung verhindert wird. Denn diese würden die räumliche Einschränkung auf den durch die STED-Technologie definierten Anregungsbereich wieder zunichtemachen. Im Gegensatz zu den angeregten Systemen/Ionen bei seltenen Erdionen und kristallinen Ausscheidung (bedingt durch ihre reduzierte Größe), welche vorwiegend räumlich lokalisiert sind, muss eine übermäßige Ladungsträgerdiffusion vor allem bei Bulkhalbleitern (Diffusionslängen > 1µm) berücksichtigt werden. Die Auswirkung von Wärmeeinflusszonen muss durch einen zeitlich geeigneten Pulsabstand in Kombination mit der Pulslänge bei allen MS berücksichtigt werden
Mit vorstehenden Hinweisen und Anregungen sind dem Fachmann somit alle Maßgaben in die Hand gegeben, dass dieser das erfindungsgemäße Verfahren auf seine konkret zu bearbeitenden Materialsysteme ohne weiteres erfinderisches Zutun anwenden kann. Gleichwohl soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele für verschiedene beispielhafte Einsatzfälle näher erläutert werden. With the above instructions and suggestions the expert is thus given all provisos that he can apply the inventive method to his concrete material systems to be processed without further inventive step. Nevertheless, the inventive method will be explained in more detail with reference to the following exemplary embodiments for various exemplary applications.
Es zeigen:
-
1a die grundsätzliche Abfolge der einzelnen Verfahrensschritte zur Durchführung eines Sub-Diffraction-Writings vorliegender Erfindung; -
1b die resultierenden Bereiche in der wirksamen Bearbeitungszone; -
2 eine beispielhafte Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein Innen-Sub-Diffraction-Writing; -
3 eine beispielhafte Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein Außen-Sub-Diffraction-Writing und -
4 eine beispielhafte Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für ein Opferschicht-Sub-Diffraction-Writing.
-
1a the basic sequence of the individual method steps for carrying out a sub-diffraction writing of the present invention; -
1b the resulting regions in the effective processing zone; -
2 an exemplary arrangement for applying the method according to the invention for an inner sub-diffraction writing; -
3 an exemplary arrangement for applying the method according to the invention for an external sub-diffraction writing and -
4 an exemplary arrangement for applying the method according to the invention for a sacrificial layer sub-diffraction writing.
In
Anhand von
Anhand von
Schließlich zeigt
Dazu soll im beispielhaften Ausführungsbeispiel zunächst eine, im Sinne vorliegender Erfindung, SDW-fähige Opferschicht
Eine derart strukturierbare Opferschicht kann anschließend, nach entsprechenden weiteren, zum Stand der Technik gehörigen Behandlungsschritten wie z.B. Lösen, Ätzen, als fein strukturierte Maske zur weiteren Strukturierung des eigentlich zu bearbeitenden Werkstücks
For this purpose, in the exemplary embodiment, first a, in the sense of the present invention, SDW-capable
Such a structurable sacrificial layer can then, after corresponding further, belonging to the prior art treatment steps such as dissolving, etching, as a finely structured mask for further structuring of the actually machined
Grundsätzlich, dies gilt für alle speziellen Anwendungsfälle der Erfindung, hängt die Wahl der Wellenlänge für die eingesetzten Laser für den ersten und zweiten Schritt vom zu bearbeitenden Material ab. So kann die Abregungswellenlänge des im zweiten Schritt eingesetzten Lasers größer als die Anregungswellenlänge des im ersten Schritt eingesetzten Lasers gewählt werden. Dies gilt z.B. für Einzelphotonenanregung durch lineare Absorption in z.B: direkten Halbleitern, Halbleiterausscheidungen, mit laseraktiven Ionen (z.B seltene Erden) dotierte Gläser oder Kristalle, Lasermaterialien, Fluoreszenz-Farbstoffe, bei denen die Abregung über Einzelphotonenprozesse erfolgt.
Ebenso kann die Abregungswellenlänge des im zweiten Schritt eingesetzten Lasers kleiner als die Anregungswellenlänge des im ersten Schritt eingesetzten Lasers gewählt werden. Dies gilt z.B. für Mehrphotonenanregung durch nichtlineare Absorption in z.B.: direkten Halbleitern, Halbleiterausscheidungen, mit laseraktiven Ionen (z.B seltene Erden) dotierte Gläser oder Kristalle, Lasermaterialien, Fluoreszenz-Farbstoffe. Dies gilt z.B. für eine 3D-Innenbeschriftung, wo die Abregung über Einzelphotonenprozesse erfolgt.
Auch ist es möglich, dass die Abregungswellenlänge des im zweiten Schritt eingesetzten Lasers gleich der Anregungswellenlänge des im ersten Schritt eingesetzten Lasers gewählt wird. Dies gilt z.B. für Einzelphotonenanregung durch lineare Absorption in z.B: direkten Halbleitern, Halbleiterausscheidungen, mit laseraktiven Ionen (z.B seltene Erden) dotierte Gläser oder Kristalle, Lasermaterialien, Fluoreszenz-Farbstoffe, wo die Abregung über Einzelphotonenprozesse erfolgt.Basically, this applies to all special applications of the invention, the choice of wavelength for the laser used for the first and second step depends on the material to be processed. Thus, the de-excitation wavelength of the laser used in the second step can be selected to be greater than the excitation wavelength of the laser used in the first step. This applies, for example, for single-photon excitation by linear absorption in, for example: direct semiconductors, semiconductor precipitates, glasses or crystals doped with laser-active ions (eg rare earths), laser materials, fluorescent dyes in which the depletion takes place via single-photon processes.
Likewise, the de-excitation wavelength of the laser used in the second step can be selected smaller than the excitation wavelength of the laser used in the first step. This applies, for example, to multiphoton excitation by nonlinear absorption in, for example: direct semiconductors, semiconductor precipitates, glasses or crystals doped with laser-active ions (eg rare earths), laser materials, fluorescent dyes. This applies, for example, to a 3D interior inscription, where the depletion takes place via single-photon processes.
It is also possible that the de-excitation wavelength of the laser used in the second step is chosen to be equal to the excitation wavelength of the laser used in the first step. This applies, for example, for single-photon excitation by linear absorption in, for example, direct semiconductors, semiconductor precipitates, glasses or crystals doped with laser-active ions (eg rare earths), laser materials, fluorescent dyes, where the depletion takes place via single-photon processes.
Die jeweilig konkrete Wahl der zum Einsatz gelangenden Wellenlängen obliegt dem Fachwissen des Durchschnittsfachmanns, die er ohne erfinderisches Zutun festlegen, respektive, anhand der Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials, problemlos ermitteln kann.
Des Weiteren kann die zeitliche Anpassung der Pulse untereinander bei ausreichend langen Pulsabständen (
Furthermore, the temporal adaptation of the pulses with one another with sufficiently long pulse intervals (
Aufgrund bisher durchgeführter Versuche konnte ermittelt werden, dass beispielsweise bei eingesetztem Nd:YAG-Laser (Wellenlänge: 1064 nm) für die ESA-Bearbeitung (dritter Schritt) mit einer beugungsbegrenzten Fokussierung Strukturen in der Größenordnung von 150 nm einbringbar waren, was deutlich unter dem optischen Beugungslimit liegt und somit der Forderung nach Strukturerzeugungen durch eine gerätetechnisch preiswertere Top-Down-Methode, als nach dem Stand der Technik (vgl. eingangs beschriebener Stand der Technik) üblich, die im unteren dreistelligen Nanometerbereich liegen, entspricht.On the basis of previously performed experiments, it was possible to determine that, for example, with the Nd: YAG laser (wavelength: 1064 nm) for ESA processing (third step) with a diffraction-limited focus, structures of the order of magnitude of 150 nm could be introduced, which is clearly below that optical diffraction limit and thus the requirement for structure generation by a device technically cheaper top-down method, as in the prior art (see., The above-described prior art) usual, which are in the lower three-digit nanometer range corresponds.
Die hier dargestellte, neuartige Erfindung stellt somit eine innovative, flexible und kostengünstige Technologie auf dem weitreichenden Gebiet des „Sub-Diffraction-Writings“ dar. Durch sie wird aber erstmals nicht nur eine direkte Materialstrukturierung/-modifikation basierend auf einen direkten Laserschreibprozess bis hin zu Strukturgrößen in den einstelligen Nanometerbereich an der Oberfläche von Materialien, sondern auch in deren Inneren ermöglicht. Während die Materialstrukturierung/-modifikation der Oberfläche somit im Vergleich zu bereits bekannten Verfahren, wie EUV-, Röntgen- und Elektronenstrahllithografie in ihrer räumlichen und zeitlichen Ausgestaltung viel flexibler ist, auch für größere Bereiche und darüber hinaus schneller und kostengünstiger, so ermöglicht sie es erstmals im Material eine Strukturierung/Modifikation im Sinne des TOP-DOWN Ansatzes im einstelligen Nanometerbereich, bis hin zur gezielten Modifikation von einzelnen Atomen/Ionen (z.B. Seltene Erden in Gläsern, Dotierungen, Farbzentren usw.) bzw. deren Elektronensystem im Bulk-Material durch Laserstrahlung.
Somit besitzt die dargestellte Erfindung nicht nur das Potential die enormen Kosten für das Schreiben der Strukturen der neuesten Computerchips im Bereich von unter 13 nm (EUV, XUV..) drastisch zu senken, da diese im Vakuum mit reflektierenden hochpräzisen Optiken arbeiten müssen, sondern auch auf vielen weiteren Gebieten, die eine Oberflächenbearbeitung erfordern, wie: der Maskenherstellung für die Lithografie, der direkten Oberflächenstrukturierung/-modifizierung sowie der indirekten durch Opferschichten, dem Laser Induced Forward Transfer, dem Laser Induced Forward Transfer mit Dynamic Release Layer usw..
Darüber hinaus werden im Material erstmals Strukturen/Modifikationen durch Laserbearbeitung ermöglicht, die zum Beispiel kleiner sind als die auf Laserstrahlinterferenz basierten Bragg-Gitter z.B. in Fasern. Da die hier beschriebene Technologie nicht mehr durch Beugung oder Interferenzmuster begrenzt ist, findet die so in ihrer räumlichen Ausgestaltung viel flexiblere 3D-Innenstrukturierung/-modifikation in vielen Bereichen potentielle Verwendung, wie z.B: Photonische Kristalle, Metamaterialien, Holografie, Quanten-Computer, Integrated Photonic Quantum Computing, Photosensitive Materialien, Photo-Thermo-Refractive Materialien usw..The novel invention presented here thus represents an innovative, flexible and cost-effective technology in the far-reaching field of "sub-diffraction-writing". However, for the first time not only direct material structuring / modification based on a direct laser writing process up to Structure sizes in the single-digit nanometer range on the surface of materials, but also in their interior allows. Thus, while the material structuring / modification of the surface is much more flexible in terms of its spatial and temporal configuration compared to previously known methods, such as EUV, X-ray and electron beam lithography, it also makes it possible for the first time for larger areas and moreover faster and more cost-effectively Material structuring / modification in the sense of the TOP-DOWN approach in the single-digit nanometer range, to the specific modification of individual atoms / ions (eg rare earths in glasses, doping, color centers, etc.) or their electron system in the bulk material by laser radiation ,
Thus, the presented invention not only has the potential to drastically reduce the enormous costs of writing the structures of the latest computer chips in the range of below 13 nm (EUV, XUV ..), because they have to work in vacuum with reflective high-precision optics, but also in many other fields that require surface finishing, such as mask fabrication for lithography, direct surface structuring / modification, and sacrificial layer indirect, Laser Induced Forward Transfer, Laser Induced Forward Transfer with Dynamic Release Layer, etc.
In addition, structures / modifications by laser processing are made possible in the material for the first time, for example, are smaller than the Bragg gratings based on laser beam interference, for example in fibers. Since the technology described here is no longer limited by diffraction or interference patterns, the spatial configuration of 3D interior structuring / modification thus finds potential use in many areas, such as: photonic crystals, metamaterials, holography, quantum computer, integrated Photonic Quantum Computing, Photosensitive Materials, Photo-Thermo-Refractive Materials, etc.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erkennbaren Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the embodiments and the drawings recognizable features may be essential to the invention both individually, as well as in any combination.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- A -A -
- Anregungstimulation
- B -B -
- Abregungdeexcitation
- C -C -
- ESA-BearbeitungsschrittESA-processing step
- 1 -1 -
-
fs-Nd:YAG-Laser
1 mit 1064 nm Wellenlängefs-Nd: YAG laser1 with 1064 nm wavelength - 1a -1a -
- fs-Laser 1560 nm Wellenlängefs laser 1560 nm wavelength
- 1b -1b -
- ps-Nd:YAG-Laser 1064 nm Wellenlängeps-Nd: YAG laser 1064 nm wavelength
- 2 -2 -
- cw Nd:YAG-Laser 1064 nm Wellenlängecw Nd: YAG laser 1064 nm wavelength
- 2b -2 B -
- Baugruppen wie Titansaphir-LaserAssemblies such as titanium sapphire laser
- 3 -3 -
-
SHG-Einheit zur Erzeugung der
2 .HarmonischenSHG unit for generating the2 .Harmonischen - 3a -3a -
-
THG-Einheit zur Erzeugung der
3 . HarmonischenGHG unit for the production of3 , harmonious - 3b - 3b -
-
FHG-Einheit zur Erzeugung der
4 . HarmonischenFHG unit for the production of4 , harmonious - 4 -4 -
- Spacial-Light-ModulatorSpacial light modulator
- 5 -5 -
- SHG (532 nm) gepumpter FarbstofflaserSHG (532 nm) pumped dye laser
- 6 -6 -
- Verzögerungseinheit, Delay-StationDelay unit, delay station
- 7 -7 -
- Scannereinheitscanner unit
- 8 -8th -
- Strahlführung-, Strahlformungselemente, IntensitätsabschwächerBeam guide, beam shaping elements, intensity attenuator
- 9 -9 -
- Fokussiereinheit/ObjektivFocusing / lens
- 10 -10 -
- Strahlteilerbeamsplitter
- 11 -11 -
- Spiegelmirror
- 12 -12 -
- wellenlängenselektive Spiegelwavelength-selective mirrors
- 13 -13 -
- zu bearbeitendes Werkstückworkpiece to be machined
- 14 -14 -
- Monomoden-GlasfaserSingle-mode optical fiber
- 15 -15 -
- segmentierte Phasenplattesegmented phase plate
- 16 -16 -
- Opferschichtsacrificial layer
- a -a -
- angeregter Innenbereichlively interior
- b -b -
- abgeregter Randbereichagitated border area
- Δx -Δx -
- Variation der optischen Weglänge des AnregungspulsesVariation of the optical path length of the excitation pulse
- Δt -Δt -
- zeitlicher Versatz zwischen Anregungs- und ESA-Bearbeitungspulstime offset between excitation and ESA processing pulse
- Δx1 -Δx 1 -
- Variation der optischen Weglänge des AbregungspulsesVariation of the optical path length of the de-excitation pulse
- Δt1 -Δt 1 -
- zeitlicher Versatz zwischen Anregungs- und Abregungspulstime offset between excitation and de-excitation pulse
- Δx2 -Δx 2 -
- Variation der optischen Weglänge des ESA-BearbeitungspulsesVariation of the optical path length of the ESA machining pulse
- Δt2 -Δt 2 -
- zeitlicher Versatz zwischen Abregungs- und ESA-Bearbeitungspulstime lag between de-excitation and ESA processing pulse
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2012069076 A1 [0004]WO 2012069076 A1 [0004]
- WO 002009024529 A1 [0004]WO 002009024529 A1 [0004]
- WO 002011090710 A2 [0005]WO 002011090710 A2 [0005]
- WO 002015020814 A1 [0005]WO 002015020814 A1 [0005]
- WO 002011089157 A2 [0005]WO 002011089157 A2 [0005]
- US 000008432533 B2 [0005]US 000008432533 B2 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Paper: S. W. Hell and J. Wichmann, Opt. Lett. 19 (1994) 780-782 [0004]Paper: S.W. Hell and J. Wichmann, Opt. Lett. 19 (1994) 780-782 [0004]
- T. A. Klar and S. W. Hell, Opt. Lett. 24 (1999) 954-956 [0004]T.A. Clear and S.W. Hell, Opt. Lett. 24 (1999) 954-956 [0004]
- E. Rittweger, K. Y. Han, S. E. Irvine, C. Eggeling, and S. W. Hell, Nat. Photon. 3 (2009) 144-147 [0004]E. Rittweger, K.Y. Han, S.E. Irvine, C. Eggeling, and S.W. Hell, Nat. Photon. 3 (2009) 144-147 [0004]
- D. Wildanger, B. R. Patton, H. Schill, L. Marseglia, J. P. Hadden, S. Knauer, A. Schonle, J. G. Rarity, J. L. O'Brien, S. W. Hell, and J. M. Smith, Adv. Mater. 24 (2012) OP309-OP313 [0004]D. Wildanger, B.R. Patton, H. Schill, L. Marseglia, J.P. Hadden, S. Knauer, A. Schonle, J.G. Rarity, J.L. O'Brien, S.W. Hell, and J.M. Smith, Adv. Mater. 24 (2012) OP309-OP313 [0004]
- T. A. Klar, R. Wollhofen, and J. Jacak, Phys. Scr. T162 (2014) 014049 [0005]T. A. Klar, R. Wollhofen, and J. Jacak, Phys. Scr. T162 (2014) 014049 [0005]
- S. W. Hell, K. Willig, M. Dyba, S. Jakobs, L. Kastrup, and V. Westphal, in Handbook of biological confocal microscopy, edited by J. B. Pawley (Springer, New York, 2006), p. 571 - 579 [0016]S. W. Hell, K. Willig, M. Dyba, S. Jakobs, L. Kastrup, and V. Westphal, in Handbook of biological confocal microscopy, edited by J.B. Pawley (Springer, New York, 2006), p. 571 - 579 [0016]
- Applied Physics Letters 33.5 (1978): 410-412 [0025]Applied Physics Letters 33.5 (1978): 410-412 [0025]
- Reisfeld, R., R. Gvishi, and Z. Burshtein. „Photostability and loss mechanism of solid-state red perylimide dye lasers.“ Journal of Sol-Gel Science and Technology 4.1 (1995): 49-55 [0027]Reisfeld, R., R. Gvishi, and Z. Burshtein. "Photostability and loss mechanism of solid-state red perylimide dye lasers." Journal of Sol-Gel Science and Technology 4.1 (1995): 49-55 [0027]
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Priority Applications (1)
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| DE102018003312.1A DE102018003312A1 (en) | 2018-04-20 | 2018-04-20 | Method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE102018003312.1A DE102018003312A1 (en) | 2018-04-20 | 2018-04-20 | Method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DE102018003312A1 true DE102018003312A1 (en) | 2019-11-07 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE102018003312.1A Ceased DE102018003312A1 (en) | 2018-04-20 | 2018-04-20 | Method for introducing structures or material modifications by means of the top-down method |
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| Country | Link |
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Citations (3)
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| US20060044985A1 (en) * | 2003-04-13 | 2006-03-02 | Stefan Hell | Creating a permanet structure with high spatial resolution |
| US20150042973A1 (en) * | 2013-08-08 | 2015-02-12 | Applied Materials, Inc. | Photonic activation of reactants for sub-micron feature formation using depleted beams |
| DE102016007736A1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-12-28 | Laser-Laboratorium Göttingen e.V. | Method for local modification of a substrate |
-
2018
- 2018-04-20 DE DE102018003312.1A patent/DE102018003312A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
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| US20150042973A1 (en) * | 2013-08-08 | 2015-02-12 | Applied Materials, Inc. | Photonic activation of reactants for sub-micron feature formation using depleted beams |
| DE102016007736A1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-12-28 | Laser-Laboratorium Göttingen e.V. | Method for local modification of a substrate |
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