A time-resolved analysis of ultrafast indium tin oxide laser processing

Hallum, Goran Erik; Schulz, Wolfgang; Michalowski, Andreas

doi:43729

A time-resolved analysis of ultrafast indium tin oxide laser processing = Eine zeitaufgelöste Analyse der ultraschnellen Laserbearbeitung von Indiumzinnoxid

Hallum, Goran Erik^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Goran Erik Hallum

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Schulz, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Michalowski, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-07-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07156
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/990128/files/990128.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Projekte

DFG project G:(GEPRIS)423531130 - Zeitaufgelöste Mikroskopie und simulationsgestützte Analyse der Ablation dünner transparenter leitender Schichten mittels räumlich und zeitlich geformter ultrakurzgepulster Laserstrahlung (423531130) (423531130)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
indium tin oxide (frei) ; laser ablation (frei) ; laser processing (frei) ; pump-probe (frei) ; ultrafast (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die ablative Laser-Material-Wechselwirkung für Indiumzinnoxid Dünnschichten auf Glas-Substraten wurde mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, pulsintegrierten Reflexions- und Transmissionsmessungen sowie Pump-Probe-Reflektometrie untersucht. Indiumzinnoxid-Filme mit Dicken von 50 nm, 100 nm und 180 nm auf Floatglas-Substraten, getrennt durch einer aufgesputterten 25 nm SiO2-Barriere und einem 120 nm dicken Film auf einem Quarzglas-Substrat, wurden untersucht. Pulsdauern von 700 fs, 10 ps und 50 ps wurden betrachtet. Sowohl direkte Film-Bestrahlung aus der Luft als auch Bestrahlung durch das Glas-Substrat wurden untersucht. Schäden wurden in Form von Ablation der Barriereschicht identifiziert, was zur Diffusion von Alkalimetallionenaus dem Floatglas in dünnen Filmen führt, als auch eine Gratbildung, die in nachfolgend aufgetragenen Schichten zu elektrischen Kurzschlüssen führen kann. Optimale angewandte Spitzenfluenzen für effiziente Filmentfernung und Schadensreduktion werden für jeden Parameter-Satz vorgeschlagen. Bei der Film-Bestrahlung wurde eine Spallation nahe der Ablationsschwellenfluenz für Pulsdauern von 700 fs und 10 ps beobachtet. Bei Fluenzen über 0.4 J/cm²–0.5 J/cm² oder für eine Pulsdauer von 50 ps wurde beobachtet, dass der Ablationsmechanismus zu einer Phasenexplosion übergeht. Der Übergang zu einer Phasenexplosion erfolgte, wenn der bestrahlte Film die kritische Temperatur von ITO näherte. Bemerkenswerterweise war eine sekundäre Aufwölbung der Schicht, vorangegangen von einer Phasenexplosion, für Verzögerungszeiten größer als 1000 ps sichtbar. Bei der Glasbestrahlung wurde die außergewöhnliche Gratbildung von mehreren hundert Nanometern Höhe in der Nähe der Ablationsschwelle durch Erhöhen der angewandten Spitzenfluenz reduziert. Diese Modulation erfolgte, da der Übergang zu einer Phasenexplosion während der Bildung der ansonsten vertikalen Gratstruktur einen Druckgradienten mit einer lateralen Komponente einführte.

The ablative laser-matter interaction for thin-film indium tin oxide on glass substrates was investigated using atomic force microscopy, scanning electron microscopy, pulse-integrated reflectance and transmittance measurements, and pump-probe reflectometry. Indium tin oxide films with thicknesses of 50 nm, 100 nm, and 180 nm on float glass substrates separated by a sputtered 25 nm SiO2 barrier layer and a 120 nm thick film on a fused silica substrate were investigated. Pulse durations of 700 fs, 10 ps, and 50 ps were examined. Both direct film irradiation from air and irradiation through the glass substrate were examined. Damage was identified in the form of ablation of the barrier layer, which leads to the diffusion of alkali ions from the float glass into thin films, as well as the creation of a burr that can lead to electrical short circuits in subsequently deposited layers. Optimal applied peak fluences for efficient film removal and damage reduction are suggested for each parameter set. For film irradiation, a spallation was seen near the ablation threshold fluence for pulse durations of 700 fs and 10 ps. At fluences above 0.4 J/cm²–0.5 J/cm² or for a pulse duration of 50 ps, the ablation mechanism was seen to transition to a phase explosion. The transition to a phase explosion occurred as the irradiated film approaches the critical temperature of ITO. Notably, a secondary bulging event, preceded by a phase explosion, was visible for delay times greater than 1000 ps. For glass irradiation, the extraordinary burr height of several hundreds of nanometers observed near the ablation threshold was reduced by increasing the applied peak fluence. This modulation occurred as the transition to a phase explosion introduced a pressure gradient with a lateral component during the formation of the otherwise vertical burr structure.

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