Grenzen und Möglichkeiten der elektrochemischen Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen

Abstract

Eine treibende Kraft des technischen Fortschritts beispielsweise in der Biotechnologie, der Automobil- oder Computerindustrie ist die Möglichkeit der Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Die benötigte Materialvielfalt bedingt unterschiedliche Strukturierungsverfahren, die jedoch nicht immer optimale Ergebnisse liefern. Ein neues Verfahren mit einem großen Potential ist die elektrochemische Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen, dessen Möglichkeiten und Grenzen in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Bei diesem verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Ladezeit der elektrochemischen Doppelschichtbereiche von Werkzeug- und Werkstückelektrode bei einem Potentialpuls von deren Abstand im Elektrolyten abhängt. Durch die Anwendung von ultrakurzen Spannungspulsen in der Größenordnung von Nanosekunden erfolgt eine effektive Umladung der Doppelschichten nur in Bereichen, wo sich die beiden Elektroden in kleinem Abstand gegenüber stehen. Aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der elektrochemischen Reaktionsrate von der Höhe des Spannungsabfalls über der elektrochemischen Doppelschicht wird so die Auflösungsreaktion des Werkstückmaterials auf den Nahbereich des Spaltes zwischen den beiden Elektroden beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass die Grenze der Ortsauflösung der elektrochemischen Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen bei ca. 10 nm liegt. Zur experimentellen Überprüfung bedarf es eines wohlüberlegten Designs des mechanischen aber auch des elektrischen Aufbaus, da bis zu 200 ps kurze Spannungspulse verwendet werden müssen. Gezeigt wird in Nickel eine Ortsauflösung von 40 nm, die in Gold auf ca. 20 nm verbessert werden konnte. Neben der in der Regel sequentiellen Strukturierung mittels einer feinen, zylindrischen Werkzeugelektrode wird zusätzlich die Abformung eines komplex geformten Werkzeuges in einem Arbeitsschritt demonstriert. Hierbei werden selbst 90 nm kleine Strukturdetails übertragen. Fragen nach der Diffusionsgeschwindigkeit von Reaktionsprodukten und -edukten aus dem Elektrodenspalt heraus, sowie nach der durch elektronische Limitierungen eingeschränkten Werkzeuggröße, werden anhand einiger Abschätzungen behandelt. Am Beispiel des Edelstahls werden unterschiedliche Ansätze zur Mikrostrukturierung passivierender Metalle gezeigt. Die Zerstörung der, einer Bearbeitung entgegenstehenden, passivierenden Oxidschicht ist durch einen aggressiven Halogenidelektrolyten möglich. Zusätzlich wird die lokalisierte elektrochemische Reduktion dieses Oxids durch Anwendung von ultrakurzen Spannungspulsen gezeigt. Mit einem neuartigen Target für ein Röntgenprojektionsmikroskop und mit einer Subwellenlängenstruktur, an welcher Oberflächenplasmonen als Photonen auskoppeln, werden zwei Anwendungen der elektrochemischen Mikrostrukturierung mit ultrakurzen Spannungspulsen vorgeführt.

The possibility of micro- and nanostructuring is a driving force of technical progress in biotechnology, automotive- and computer industries. The variety of materials in these applications demands different methods of structuring, which do not always provide optimal results. Electrochemical microstructuring with ultrashort voltage pulses is a new technique, the possibilities and limitations of which will be investigated in this thesis. The method is based on the fact that when a potential pulse is applied, the charging time of the electrochemical double layer regions of tool and workpiece depends on their distance in the electrolyte. Through application of ultrashort voltage pulses, in the range of nanoseconds, effective charging of the double layers will only appear in regions of tool and workpiece in close proximity to each other. Due to the exponential dependence of electrochemical reaction rates on the potential drop in the double layer, occurring reactions are sharply confined to those charged regions. In this thesis it will be shown experimentally and theoretically that a spatial resolution of approximately 10 nm can be achieved by the electrochemical microstructuring with ultrashort voltage pulses. The experimental verification demands a well designed mechanical as well as electrical setup, which can handle the 200 ps voltage pulses, necessary to achieve such spatial resolution. A spatial resolution of 40 nm was experimentally achieved in nickel, and could be improved to 20 nm in gold. In addition to a normally employed sequential structuring by a small cylindrical tool, single-step processing of a complex patterned tool is demonstrated. This even allowed copying of small details in the order of 90 nm. Estimations of the transport of reaction products and educts by diffusion in the electrode gap were made. The maximum size of the tool due to basic electronic limitations was also estimated. In the example of stainless steel, different approaches for microstructuring of passivating metals will be shown. A formation of the passivating oxide layer, which inhibits the machining, can be prevented with an aggressive halogenide electrolyte. Furthermore, the local electrochemical reduction of the oxide by application of short voltage pulses will be presented. A new target for an x-ray projection microscope and a subwavelength structure, for coupling surface plasmons to radiation, are shown as two applications of the electrochemical microstructuring of ultrashort voltage pulses.