DE19806390A1

DE19806390A1 - Verfahren zum Abtrag beliebiger Strukturen aus spröden Werkstoffen durch Laserimpulse

Info

Publication number: DE19806390A1
Application number: DE1998106390
Authority: DE
Inventors: Gisbert Staupendahl; Petra Gerling
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1998-02-17
Publication date: 1999-08-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrag beliebiger Strukturen aus spröden Werkstoffen durch Laserimpulse, bei dem ein fokussierter Laserstrahl, insbesondere eines CO₂-Lasers, relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstoff bewegt wird und durch eine hinreichend große Intensität der Laserimpulse einen Materialabtrag des Werkstoffes entsprechend der Fokusfläche des Laserstrahls hervorruft.

Die modernen Entwicklungslinien der Mikroelektronik, Optoelektronik, Optik oder auch der Mikrosystemtechnik erfordern für die Anfertigung spezieller Bauelemente in immer stärkerem Maße die funktional bedingte dreidimensionale Strukturierung spröder Materialien wie Gläser und Keramiken. Wegen der Neigung solcher Werkstoffe zur makroskopischen bzw. mikroskopischen Rißbildung bei der mechanischen oder thermischen Behandlung werden in der Praxis häufig besonders schonende und damit im allgemeinen zeitaufwendige Verfahren, wie z. B. Ätzen (H. Scholze: Glas - Natur, Struktur und Eigenschaften; Springer Verlag 1988) oder Ultraschall bearbeitung (H. Scholze: Glas - Natur, Struktur und Eigenschaften; Springer Verlag 1988), angewendet. Neben den relativ langen Bearbeitungszeiten und damit einem hohen Bearbeitungsaufwand stört bei diesen Verfahren insbesondere die geringe Flexibilität. Auch treten Probleme der Umwelt belastung (Ätztechnik) immer stärker in den Vordergrund.

Aus diesen Nachteilen heraus existieren zahlreiche Veröffentlichungen, die das Bestreben erkennen lassen, die Vorzüge der an sich bekannten Laserstrahlbearbeitung auch für den Materialabtrag bei spröden Materialien nutzen zu können. Wegen seiner im Vergleich zu anderen Lasern hohen Effizienz und der sehr guten Absorption durch die in Frage kommenden Werkstoffe bietet sich dafür vor allem der CO₂-Laser an. Die Materialbear beitung mit solchen Lasern ist generell thermischer Natur, so daß Gläser und Keramiken aufgrund der thermisch induzierten Spannungen, die sogar bis zur Zerstörung des Bauteils führen können, sehr stark rißgefährdet sind.

Es existieren zahlreiche Untersuchungsergebnisse und Verfahren zum definierten Materialabtrag von Werkstoffen mit dem Ziel, Strukturen in verschiedenen Materialien zu erzeugen. Die meisten Verfahren nutzen die sogenannte Maskentechnik für die Strukturierung der Materialoberfläche.

Ein solches Verfahren wird in der DE 40 18 132 A1 beschrieben. Hier wird mittels einer Maske eine Struktur auf der Oberfläche vorgegeben, diese bestrahlt und in Abhängigkeit der verwendeten Strahlparameter der gewünschte Tiefenabtrag erreicht.

Eine Möglichkeit des definierten Materialabtrags von Oberflächenschichten beschreibt die DE 44 10 613 A1. Die Strukturierung erfolgt hierbei durch gleichmäßiges Abtragen mehrerer Schichten mit einem gepulsten Laser, wobei das zu strukturierende Feld zeilenweise abgetastet wird.

In der DE 42 09 933 A1 wird ein ähnliches Verfahren zur partiellen Veränderung von metallischen und nichtmetallischen Oberflächen mittels Nd : YAG-Laser dargelegt, wobei der Laserstrahl mit Ablenkspiegeln entlang von Rasterlinien über die Oberfläche geführt wird.

Ein Verfahren, insbesondere zum Abtragen von spröden Verbundwerkstoffen mit Laserstrahlung, offengelegt in der DE 40 26 132 A1, nutzt zwei unterschiedliche Verfahrensschritte, wobei in einem ersten Schritt eine erste Verbundschicht abgetragen wird und anschließend in einem zweiten Schritt die Kontur des darunterliegenden Substrates durchgeschnitten wird.

In einem Verfahren nach EP 0652554 A1 wird eine Glasoberfläche mittels eines gepulsten Laserstrahls so strukturiert, daß auf der Glasoberfläche definierte "Buckel" entstehen. Die Strahlparameter müssen allerdings sehr exakt an das zu bearbeitende spröde Material angepaßt werden, da bereits geringste Abweichungen zu ungenügenden Bearbeitungsergebnissen, wie Riß- und Schollenbildungen, führen. Damit ist das Verfahren in seiner universellen Anwendung in bezug auf einen weitgehend beliebigen dreidimensionalen Abtrag von spröden Materialen sehr eingeschränkt.

In der DE 42 24 282 A1 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem unter Verwendung eines Nd : YAG-Lasers metalldotiertes Spezialglas so strukturiert werden kann, daß die entstehenden Stegbreiten bis minimal 10 µm betragen können.

Ein Verfahren nach der DE 31 45 278 A1 nutzt für den Abtrag spröder Werkstoffe eine teilweise absorbierende Matrix, die den Laserstrahl in eine Vielzahl von Einzelstrahlen aufteilt, die für die Bearbeitung genutzt werden können.

Allen Verfahren ist gemein, daß bei einem Abtrag spröder Materialien entweder Schockwellen oder hohe Anteile an geschmolzenem und wiedererstarrtem Material im Wechselwirkungsvolumen oder beides zu materialzerstörenden Rißbildungen führen können. Um für einen material schonenden Abtrag den hohen Temperaturdifferenzen zwischen dem zu bearbeitenden spröden Material und dessen lokaler Erwärmung durch die Laserbearbeitung zu begegnen, ist es bekannt, das Material vor, während und/oder nach der Laserbearbeitung zu erwärmen (Tempern), wodurch aber ein hoher Bearbeitungsaufwand hinsichtlich der Bearbeitungszeit und der Materialhandhabung sowie aus energetischen Gesichtspunkten heraus entsteht. Auch der Vorwärmprozeß ist abhängig von der Bearbeitungs technologie des Materialabtrages durch den Laser und der Art der zu bearbeitenden spröden Materialien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem spröde Werkstoffe, wie z. B. Gläser und Keramiken, mit kurzen Bearbeitungs- und Vorbereitungszeiten sowie mit möglichst geringem Energieaufwand unter weitgehender Vermeidung von unerwünschten Rißbildungen im Werkstoff materialschonend und zumindest für einen Großteil spröder Werkstoffe universell anwendbar in bezug auf einen Materialabtrag beliebiger Form und Größe bearbeitet werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß zum Zweck einer materialschonenden Bearbeitung ungeachtet der gewünschten Bearbeitungs tiefe durch jeden Laserimpuls mit einer, abhängig von der Fokusfläche des Laserstrahls, definierten Impulsspitzenleistung jeweils ein "Elementar volumen" mit einer maximalen Abtragstiefe nicht wesentlich größer als 10 µm abgetragen wird, wobei die Impulsdauer τ_imp in der Größenordnung von 10^-5 s und die Impulsanstiegsflanken nicht kürzer als 10^-6 s festgelegt werden, daß die Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstoff sowie die Impulsfolgefrequenz des Lasers nicht ausschließlich von der für eine möglichst homogene Randstruktur notwendigen Überlappungsgröße benach barter Fokusflächen, sondern auch von der Aufsummierung der jeweils durch den Materialabtrag der "Elementarvolumina" entstehenden lokalen Wärme wirkung bestimmt wird und daß der Materialabtrag mit der besagten maximalen Abtragstiefe jeweils schichtweise durchgeführt wird, bis die gewünschte Bearbeitungstiefe erreicht ist. Damit wird aus dem Werkstoff ein "Elementarvolumen" definierter Abtragsfläche und -tiefe abgetragen, in dessen Zentrum das Material so verdampft, daß der Schmelzanteil, der dieses Verdampfungszentrum wie eine Halbschale umgibt, durch die vom Dampf ausgeübten Repulsivkräfte weitgehend vollständig ausgetrieben wird. Durch diesen definierten Abtrag wird einerseits der Schmelzanteil, der wiedererstarren kann, minimiert, und andererseits sind die durch die Laserbearbeitung im Werkstoff entstehenden Schockwellen zu schwach, um eine Zerstörung des Materials hervorzurufen.

Es werden somit die Gefahren von Rißbildungen sowohl aufgrund von Schockwellen, wie sie insbesondere bei sehr steilen Anstiegsflanken der Laserimpulse entstehen, als auch durch den pro Einzelimpuls hervorgerufenen Anteil geschmolzenen Werkstoffes, der nach kurzzeitiger Wechselwirkung wieder erstarrt, vermieden. Untersuchungen an unterschiedlichen Glas- und Keramikmaterialien haben ergeben, daß universell für diese spröden Werkstoffe ein schonender Materialabtrag erfolgt, ohne die Materialien zusätzlich durch Tempern speziell thermisch behandeln zu müssen.

Innerhalb der angegebenen Grenzen von der Impuls- und Bewegungssteuerung des Laserstrahls ist das Verfahren bezüglich der Geometrie und Geschwindigkeit (Impulsfolge) des Abtrages flexibel auf die jeweilige Werkstoffart anpassungsfähig.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipvorrichtung für einen Materialabtrag mit Laserimpulsen,

Fig. 2 Oszillogramm der Laserimpulse,

Fig. 3 Geometrieverhältnisse und die entstehenden Leistungsanteile bei Absorption eines Gaußbündels der Leistung P₀,

Fig. 4 Modell eines definierten Materialabtrages in einem "Elementar volumen",

Fig. 5 Überlappung der Elementarvolumina beim Abtragen einer Linienstruktur,

Fig. 6 Überlappung der Elementarvolumina beim Abtragen einer flächigen Struktur,

Fig. 7a Bearbeitungsbeispiel für den definierten Materialabtrag von Borosilikatglas,

Fig. 7b Bearbeitungsbeispiel für den definierten Materialabtrag von Al₂O₃- Keramik.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche einerseits die erforderlichen Laserimpulse erzeugt und andererseits eine schnellen Ablenkung des materialabtragenden Laserstrahls in x- und y-Richtung ermöglicht. Ein von einem CO₂-Laser 1 erzeugter kontinuierlicher Laserstrahl 2 fällt auf einen Interferenz-Laserstrahlungs modulator 3 und wird dort in einen transmittierten Strahlanteil 4 und einen reflektierten Strahlanteil 5 aufgeteilt. Der Strahlanteil 5 wird in Fig. 1 durch einen Absorber 6 eliminiert oder (in der Zeichnung aus Übersichtsgründen nicht dargestellt) anderen Meß- bzw. Bearbeitungsaufgaben zugeführt. Der transmittierte Strahlanteil 4 wird mittels zweier Umlenkspiegel 7 und 8 erneut durch den Interferenz-Laserstrahlungsmodulator 3 geleitet und dabei in einen "doppelttransmittierten" Strahlanteil 9 und einen reflektierten Strahlanteil 10 aufgeteilt. Letztgenannter wird durch einen Absorber 11 vernichtet oder könnte wiederum auch für andere Zwecke genutzt werden. Der doppelt- transmittierte Strahlanteil 9 wird mit mindestens einem Umlenkspiegel 12 in eine Scanner- und Fokussiereinheit 13 gelenkt, die neben zwei internen (nicht separat dargestellten) Scannerspiegeln für die Strahlablenkung in x- und y-Richtung ebenfalls nicht dargestellte Mittel zur Fokussierung des Strahlbündels auf eine zu bearbeitende Probe 14 enthält. Bei Bedarf kann die Probenoberfläche in an sich bekannter Weise mittels eines Arbeitsgases 15 beströmt werden.

Die Aufgabe des Interferenz-Laserstrahlungsmodulators 3 besteht darin, Impulse aus dem kontinuierlichen Laserstrahl 2 "herauszuschneiden", mit denen nach Strahlablenkung und -fokussierung jeweils "Elementarvolumina" definierter Abtragsfläche und -tiefe materialschonend aus dem spröden Werkstoff der Probe 14 abgetragen werden sollen. Fig. 2 zeigt ein Oszillo gramm dieser Laserimpulse, die eine Impulsdauer von τ_imp ≈ 30 µs besitzen und deren Impulsspitzenleistung im wesentlichen der cw-Leistung des CO₂- Lasers 1 entspricht. Diese Impulsspitzenleistung bewirkt in der Probe 14 den Materialabtrag eines "Elementarvolumens" mit der Fokusfläche des Laser impulses und mit einer Bearbeitungstiefe kleiner als 10 µm. Die Form der Laserimpulse ist charakterisiert durch hohe Symmetrie und einen allmählichen Anstieg und Abfall der Impulsflanken (Impulsflanken länger als 10^-6 s), so daß materialzerstörende Schockwellen vermieden werden. Im typischen Betriebsregime des eingesetzten Modulators beträgt die Impulsfol gefrequenz 3 kHz, d. h. das Tastverhältnis Impulsdauer : Impulspause liegt bei etwa 1 : 10.

Fig. 3 soll die Wirkung einer Absorption von Laserstrahlung zum Abtrag eines "Elementarvolumens" in der hochabsorbierenden Probe 14 (beispiels weise Glas oder Keramik), verdeutlichen. Die einfallende Strahlung für ein Gaußbündel mit einer Impulsleistung P₀ wird zunächst zerlegt in einen relativ kleinen Leistungsanteil P_R, der an der Oberfläche der Probe 14 reflektiert wird, und in einen absorbierten Leistungsanteil P_A, der in der kurzen Zeit der Impulsdauer τ_imp des Laserimpulses eine dünne Oberflächenschicht von wenigen µm Dicke der Probe 14 aufheizt. Dieses aufgeheizte Volumen gibt einerseits einen Energieanteil W_S der absorbierten Energie über Wärme strahlung in die Umgebung und in den übrigen Bereich der Probe 14 sowie andererseits einen Energieanteil W_L über Wärmeleitung ebenfalls in den übrigen Bereich der Probe 14 ab. Ist die eingestrahlte Impulsleistung P₀ hinreichend groß, um ein Überschreiten der Intensitätsschwelle für ein Verdampfen des bestrahlten Materials zu bewirken (die Intensitätsschwelle liegt z. B. bei Borosilikatglas bei 2,7 × 10⁵ W/cm²) treten die in Fig. 4 dargestellten beiden Effekte des Materialaustriebs aus dem Wechselwirkungs gebiet auf. Diese bestehen aus einer Verdampfung sowie aus einem Austrieb des Schmelzanteils, der dieses Verdampfungszentrum wie eine Halbschale umgibt, infolge der vom Dampf ausgeübten Repulsivkräfte F_R.

Fig. 5 und 6 zeigen schematisch, wie mittels periodischer Laserimpulse durch Aneinandersetzen der von den jeweiligen Einzelimpulsen erzeugten "Elementarvolumina" Linienstrukturen (Fig. 5) und flächige Strukturen (Fig. 6) abgetragen werden. Durch eine geeignete Überlappung benachbarter Elementarvolumina sowohl hinsichtlich der Erzeugung einer Abtragslinie als auch der Überlappungsgrade der einzelnen Abtragslinien im Hinblick auf die Erzeugung einer Abtragsfläche können somit Strukturen beliebiger Form und Ausmaße realisiert werden. Um dabei einen spannungsarmen und materialzerstörungsfreien Abtrag in dem spröder Werkstoff zu gewährleisten, ist je nach Werkstoffart, Bearbeitungsgeometrie und sonstigen Bedingungen, die insbesondere den Wärmetransport bzw. -austausch beeinflussen, ein entsprechender Überlappungsgrad festzulegen. Einerseits muß er groß genug sein für eine möglichst gleichmäßige (homogene) Randstruktur (Linien- oder Flächenbegrenzung), andererseits ist ein zu starker kumulativer Effekt der Wärmewirkungen der Einzelimpulse zu vermeiden. Eine zu große Flächen überlappung oder auch eine zu kurzzeitige Aufeinanderfolge der Laserimpulse für den Abtrag benachbarter "Elementarvolumina" kann zu einer lokalen Überhitzung und Aufschmelzung des Materials führen. Damit würde die beabsichtigte Wirkung des Abtrages von "Elementarvolumina" wieder aufgehoben. Die entstehenden thermischen Spannungen könnten trotz materialschonenden Abtrages der "Elementarvolumina" dennoch zur Rißbildung in der Probe 14 führen. Untersuchungen haben ergeben, daß praktikable Werte für die besagte kompromißhafte Festlegung des Überlappungsgrades der Elementarvolumenflächen bei 75% liegen. Mit den "Elementarvolumina", die zu Linien- oder zweidimensionalen Flächenstrukturen aneinandergereiht werden können, wird erfindungsgemäß eine Abtragstiefe von maximal 10 µm bewirkt. Durch mehrfachen (schichtweisen) Abtrag von "Elementarvolumina" in die Tiefe des Werkstoffes können aus diesen flächigen Strukturen des Materialabtrages letztendlich werkstoffschonend weitgehend beliebige 3-dimensionale Strukturen erzeugt werden. Beispiele dafür zeigen Fig. 7a und Fig. 7b.

Das mit üblichen thermischen Verfahren der Lasermaterialbearbeitung nur mit den eingangs aufgeführten Schwierigkeiten bearbeitbare Borosilikatglas (Fig. 7a) wurde so fein strukturiert, wie es die Fokussierbarkeit eines CO₂-La serstrahles zuläßt. Die Stege der erzeugten Siebstruktur besitzen Breiten von ca. 250 µm, die Glasdicke beträgt 200 µm.

Fig. 7b zeigt eine erzeugte Struktur in Al₂O₃-Keramik (Dicke = 800 µm), die Tiefe der Näpfe beträgt 300 µm.

Bezugszeichenliste

1

CO₂

-Laser

2

kontinuierlicher Laserstrahl

3

Interferenz-Laserstrahlungsmodulator

4

,

5

,

9

,

10

Strahlanteil

6

,

11

Absorber

7

,

8

,

12

Umlenkspiegel

13

Scanner- und Fokussiereinheit

14

Probe

15

Arbeitsgas
τ_imp

Impulsdauer
P₀

Impulsleistung
P_R

Leistungsanteil (an der Probenoberfläche reflektiert)
P_A

Leistungsanteil (von der Probe absorbiert)
W_S

Energieanteil über Wärmestrahlung
W_L

Energieanteil über Wärmeleitung
F_R

Repulsivkraft

Claims

1. Verfahren zum Abtrag beliebiger Strukturen aus spröden Werkstoffen durch Laserimpulse, bei dem ein fokussierter Laserstrahl, insbesondere eines CO₂-Lasers, relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstoff bewegt wird und durch eine hinreichend große Intensität der Laserimpulse einen Materialabtrag im Werkstoff entsprechend der Fokusfläche des Laserstrahls hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer materialschonenden Bearbeitung ungeachtet der gewünschten Bearbeitungstiefe durch jeden Laserimpuls mit einer, abhängig von der Fokusfläche des Laserstrahls, definierten Impulsspitzenleistung jeweils ein "Elementarvolumen" mit einer maximalen Abtragstiefe nicht wesentlich größer als 10 µm abgetragen wird, wobei die Impulsdauer τ_imp in der Größenordnung von 10^-5 s und die Impulsanstiegsflanken nicht kürzer als 10^-6 s festgelegt werden, daß die Relativbewegung des Laserstrahls zum Werkstoff sowie die Impulsfolgefrequenz des Lasers nicht ausschließlich von der für eine möglichst homogene Randstruktur notwendigen Überlappungsgröße benachbarter Fokusflächen, sondern auch von der Aufsummierung der jeweils durch den Materialabtrag der "Elementarvolumina" entstehenden lokalen Wärmewirkung bestimmt wird und daß der Materialabtrag mit der besagten maximalen Abtragstiefe jeweils schichtweise durchgeführt wird, bis die gewünschte Bearbeitungstiefe erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich beim Materialabtrag mit möglichst homogenen Rändern einer zu erzeugenden linien- oder flächenhaften Struktur die benachbarten und durch den fokussierten Laserstrahl bestimmten Abtragsflächen der "Elementarvolumina" jeweils in der Größenordnung von 75% überdecken.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialabtrag mit in bezug auf die Impulsflanken weitgehend symmetrischen Laserimpulsen erfolgt.