HU227254B1 - Method of indirect working transparent materials by pulsed laser - Google Patents
Method of indirect working transparent materials by pulsed laser Download PDFInfo
- Publication number
- HU227254B1 HU227254B1 HU0600443A HUP0600443A HU227254B1 HU 227254 B1 HU227254 B1 HU 227254B1 HU 0600443 A HU0600443 A HU 0600443A HU P0600443 A HUP0600443 A HU P0600443A HU 227254 B1 HU227254 B1 HU 227254B1
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- laser
- transparent material
- workpiece
- absorbent layer
- machined
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 89
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 title claims abstract description 43
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims abstract description 48
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 40
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 40
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 7
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 7
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 claims description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 claims description 6
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 5
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 4
- PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M lithium fluoride Chemical compound [Li+].[F-] PQXKHYXIUOZZFA-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 3
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910001634 calcium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims description 2
- ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L magnesium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Mg+2] ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 claims description 2
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 claims 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 claims 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract 1
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000546 pharmaceutical excipient Substances 0.000 description 9
- BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N pyrene Chemical compound C1=CC=C2C=CC3=CC=CC4=CC=C1C2=C43 BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N Naphthalene Chemical compound C1=CC=CC2=CC=CC=C21 UFWIBTONFRDIAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N fluoranthrene Natural products C1=CC(C2=CC=CC=C22)=C3C2=CC=CC3=C1 GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N Methyl methacrylate Chemical compound COC(=O)C(C)=C VVQNEPGJFQJSBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 3
- -1 C 6 H 5 F Chemical class 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 238000010329 laser etching Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N tetrachloromethane Chemical compound ClC(Cl)(Cl)Cl VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 2
- 229920000331 Polyhydroxybutyrate Polymers 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 1
- 150000001555 benzenes Chemical class 0.000 description 1
- 229920001222 biopolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007730 finishing process Methods 0.000 description 1
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 1
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000000886 photobiology Effects 0.000 description 1
- 239000005015 poly(hydroxybutyrate) Substances 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 125000005581 pyrene group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 239000002516 radical scavenger Substances 0.000 description 1
- 230000001739 rebound effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 125000003944 tolyl group Chemical group 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/18—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using absorbing layers on the workpiece, e.g. for marking or protecting purposes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/38—Removing material by boring or cutting
- B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/55—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for creating voids inside the workpiece, e.g. for forming flow passages or flow patterns
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
- C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
- C03C23/0025—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/30—Organic material
- B23K2103/42—Plastics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/52—Ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C2218/00—Methods for coating glass
- C03C2218/30—Aspects of methods for coating glass not covered above
- C03C2218/355—Temporary coating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
A jelen találmány átlátszó anyag, valamint ilyen anyagból készített munkadarab közvetett lézeres megmunkálására, különösen annak impulzuslézerrel foganatosított közvetett finommegmunkálására irányuló eljáráshoz kapcsolódik.The present invention relates to a process for indirect laser machining of a transparent material and a workpiece made of such material, in particular to its indirect subtle laser processing.
A különféle átlátszó anyagoknak például a nano- és mikrométeres mérettartományban történő megmunkálására (felületi maratására, kifúrására, lyukasztására), vagyis finommegmunkálására, napjainkban többféle megmunkálási mód áll rendelkezésre. Ezen megmunkálási módok egyik csoportját a lézeres megmunkálások képezik. Lézeres megmunkálásnál az átlátszó anyag(ok)ból lévő munkadarabot lézerforrás által kibocsátott lézernyalábnak vetik alá. A lézerforrás lehet folytonos vagy impulzusüzemű, maga az alávetés pedig történhet közvetlen vagy közvetett módon. Közvetlen lézeres megmunkálásnál a lézernyalábot közvetlenül a munkadarab megmunkálni szándékozott felületére irányítják, ahol a lézernyaláb önmagában, bármilyen segédanyag nélkül közvetlenül távolítja el a munkadarab felszínének kijelölt részét. Közvetett lézeres megmunkálásnál a lézernyalábot nem közvetlenül a munkadarab megmunkálni szándékozott felületdarabjára fókuszálják - a lézernyaláb megmunkáló hatását valamilyen segédanyag alkalmazásával fejti ki. Itt és a továbbiakban az „átlátszó anyag/munkadarab” megjelölés alatt olyan anyagot/munkadarabot értünk, amely a megmunkálásra használt lézerfény hullámhosszán nem, vagy csak kismértékben (cm-enként célszerűen legfeljebb 10%-ban, ennél előnyösebben pedig legfeljebb 5%-ban) képes elnyelni a rajta keresztülhaladó lézerfényt.For example, for machining various transparent materials in the nano and micrometer range (surface etching, drilling, punching), that is to say, fine machining, there are today several machining methods available. One of these machining modes is laser machining. In laser machining, the workpiece of the transparent material (s) is subjected to a laser beam emitted by a laser source. The laser source may be continuous or pulsed, and the exposure itself may be direct or indirect. In direct laser machining, the laser beam is directed directly to the workpiece surface to be machined, whereby the laser beam itself directly removes a designated portion of the workpiece surface without any auxiliary material. In indirect laser machining, the laser beam is not focused directly on the workpiece surface to be machined - the laser beam machining effect is achieved by the use of an auxiliary material. Hereinafter, the term "transparent material / workpiece" means a material / workpiece that is not or only marginally (preferably not more than 10% per cm, and preferably not more than 5% per cm) of the laser light used for machining. can absorb the laser light passing through it.
A közvetlen megmunkálási módok legnagyobb hátrányai, hogy az esetükben használt nagy teljesítményű lézerek/lézerrendszerek bekerülési költsége viszonylag magas és kezelésük magasszintű szakértelmet követel, továbbá a megmunkálás során a lézerfény behatolási melysége miatt a munkadarab felhevített tartományának a vastagsága nagy és nehezen kontrollálható, ami rendszerint a munkadarab kiterjedt roncsolódását eredményezi, igya közvetlen lézeres megmunkálási mód finom struktúrák (például felületi elemek) kialakítására nem alkalmas.The main drawbacks of direct machining methods are that the cost of high power lasers / laser systems used in their case is relatively high and require high level of expertise to handle, and because of the laser beam penetration during machining the workpiece heated area thickness is difficult and difficult to control. resulting in extensive destruction and thus direct laser processing is not suitable for fine structures (such as surface elements).
Ezzel szemben a közvetett lézeres megmunkálási módok lényegesen olcsóbb lézereket/lézerrendszereket igényelnek, így a gyakorlatban lényegesen jobban elterjedtek.In contrast, indirect laser machining methods require significantly less expensive lasers / laser systems and are therefore much more widespread in practice.
A közvetlen lézeres megmunkálási módok közül az egyik legjelentősebb a lézerrel kiváltott hátoldali nedves maratás („laser induced backside wet etching”, továbbiakban: LIBWE) módszere. Ennek keretében átlátszó munkadarab maratni szándékozott felületét megmunkáló lézerfény hullámhosszán kis vastagságban is erőteljesen elnyelő folyadékkal hozzák közvetlen érintkezésbe, majd a maratás végrehajtásához a munkadarab maratni szándékozott felületével érintkező folyadékot a munkadarabon keresztül a kiválasztott hullámhosszal rendelkező lézerfénnyel sugározzák be. A lézerfény a folyadéknak a munkadarab megmunkálni szándékozott tartományával érintkező vékony rétegében elnyelődik és eközben felmelegíti azt. A felmelegedés eredményeként a folyadékrétegben magas nyomású buborék keletkezik. A felmelegített folyadékréteg ezzel párhuzamosan hőátadás útján felmelegíti és meglágyítja, adott esetben akár meg is olvasztja, a munkadarab maratni szándékozott felületének vele érintkező tartományát. A felület marását a létrejött magas nyomású és hirtelen kitáguló buborék által a megmunkálni szándékozott tartományban a munkadarab anyagára kifejtett erőhatás végzi, egyszerűen a meglágyított anyagdarab egy részének az eltávolítása/kilökése révén.One of the most important direct laser processing methods is laser induced backside wet etching (LIBWE). This involves directly contacting the laser workpiece of the transparent workpiece to be etched on the wavelength of the laser beam with a strong absorbing liquid of small thickness, and then, through the workpiece, the laser light of the selected wavelength is exposed to the etching liquid. The laser light is absorbed by the thin layer of liquid in contact with the intended workpiece area of the workpiece and warmed up. As a result of the warming, a high pressure bubble is formed in the liquid layer. In parallel, the heated fluid layer heats and softens, and possibly melts, the area of the workpiece surface to be etched by contacting it through heat transfer. The surface is milled by the force applied to the workpiece material by the resulting high pressure and sudden expansion of the bubble, simply by removing / ejecting a portion of the softened material.
A GB-2,341,580 A számú brit szabadalmi irat átlátszó munkadarab (például ömlesztett kvarc lemez) felületének ipari körülmények közötti finommegmunkálására szolgáló LIBWE módszert ismertet, ahol a megmunkálást impulzusüzemű lézerforrás által adott időtartam alatt egymás után sorozatban kibocsátott lézerimpulzusokkal végzik. Lézerforrásként általában az ultraibolya(UV-) tartományban, 0,01-100 J/cm2/impulzus energiasűrűségű lézerimpulzusokat emittáló excimer lézereket vagy festéklézereket használnak. A maratási sebesség a lézerfény elnyelésére szolgáló oldat (pirén/aceton oldat) elnyelőképességétől, valamint az excimer lézerforrás által emittált (KrF) megmunkáló lézerimpulzusok energiasűrűségétől (0,5-1,5 J/cm2/impulzus) függően 1-25 nm/impulzus nagyságú.British Patent No. GB-2,341,580 A discloses a LIBWE method for finely machining a surface of a transparent workpiece (such as a bulk quartz plate) under industrial conditions, whereby the pulse is emitted in series by laser pulses successively over a period of time. Excimer lasers or dye lasers are generally used as laser sources in the ultraviolet (UV) range, which emit laser pulses with an energy density of 0.01 to 100 J / cm 2 / pulse. The etching rate is 1-25 nm / pulse, depending on the absorbance of the laser light-absorbing solution (pyrene / acetone solution) and the energy density (0.5-1.5 J / cm 2 / pulse) of the machining laser pulses emitted by the excimer laser source (KrF). size.
Vass Cs., Smausz T. és Hopp B. szerzőknek a Journal of Physics D: Applied Physics című folyóirat 2004. évi 37. számának 2449-2454. oldalain megjelent közleménye átlátszó anyagok (például ömlesztett kvarc lemez) LIBWE módszerrel laboratóriumi körülmények között végrehajtott finommegmunkálását vizsgálja. A megmunkáló lézerfény forrásaként λ=193 nm hullámhosszon működő ArF excimer lézert használnak, az emittált lézerimpulzusok hossza 20 ns, energiasűrűsége pedig 0,11-0,86 J/cm2. A lézerfény elnyelésére szolgáló segédanyag erősen mérgező naftalin/metilmetakrilát-oldat. A vizsgálatok szerint a maratási sebesség az alkalmazott energiasűrűségek mellett 4,7-49,5 nm/impulzus.Cs. Vass, T. Smausz and B. Hopp, Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 37, No. 2449-2454, 2004. The publication in pages 1 to 5 of this document deals with the LIBWE method of fine-work machining of transparent materials (for example, quartz plate in bulk). The working laser light source used is an ArF excimer laser operating at λ = 193 nm, the emitted laser pulses having a length of 20 ns and an energy density of 0.11-0.86 J / cm 2 . The laser light scavenger is a highly toxic naphthalene / methyl methacrylate solution. Studies have shown that the etching rate is 4.7-49.5 nm / pulse at the applied energy densities.
A LIBWE módszernél a lézerfényt elnyelő segédanyagot képező folyadékként általában a környezetre és az emberi egészségre egyaránt ártalmas szerves halogénezett benzolszármazékok (például C6H5F, CgH5CI, C6H4CI2) oldatait, illetve benzol, toluol, pirén/aceton, naftalin/metil-metakrilát, szén-tetraklorid, metanol, dimetil-szulfoxid, valamint ezekhez hasonló egyéb szerves vegyületek oldatait használják. Ennélfogva a LIBWE módszer gyakorlati alkalmazása nagyfokú odafigyelést, az elnyelő folyadék szivárgásbiztos kezelését és megfelelő biztonsági előírások betartását követeli meg, ami a módszer ipari alkalmazását rendkívül költségessé teszi.In the LIBWE method, solutions of organic halogenated benzene derivatives (e.g., C 6 H 5 F, C 8 H 5 Cl, C 6 H 4 Cl 2 ) and benzene, toluene, pyrene / acetone are generally used as a liquid forming a laser-absorbing excipient. solutions of naphthalene / methyl methacrylate, carbon tetrachloride, methanol, dimethylsulfoxide and the like are used. Therefore, the practical application of the LIBWE method requires a high degree of care, leak-proof handling of the absorbing fluid and adherence to appropriate safety standards, which makes the industrial application of the method extremely expensive.
A LIBWE módszer egy további hátránya, hogy a folyékony halmazállapotú, lézerfényt elnyelő közeg alkalmazása miatt a maratás végrehajtásához speciális kiegészítő elemekre, például a folyékony elnyelőközeg tárolására és annak a munkadarab megmunkálni szándékozott felületével való közvetlen érintkeztetéséreA further disadvantage of the LIBWE method is that due to the use of the liquid laser-absorbing medium, special additional elements are used for etching, such as storing the liquid absorbing medium and directly contacting it with the intended surface of the workpiece.
HU 227 254 Β1 szolgáló edényre is szükség van. Ennek előállítása külön munkafolyamatok végrehajtását teszi szükségessé, így használata általában szintén megemeli a LIBWE módszer ipari alkalmazásának költségeit.A serving dish is also required. Its production requires the implementation of separate workflows, so its use also generally increases the cost of industrial application of the LIBWE method.
Emellett a LIBWE módszernél elérhető maratási sebességek jellemzően legfeljebb néhányszor tíz nm nagyságúak, ami elmarad a közvetlen lézeres megmunkálási módszerek esetében elérhető maratási sebességektől.In addition, the etching rates available with the LIBWE method are typically up to several times ten nm, which is below the etching rates available with direct laser machining methods.
Az US 2004/0013951 számú USA-beli szabadalmi bejelentés átlátszó munkadarab lézeres megmunkálására szolgáló eljárást ismertet. Az eljárás értelmében a munkadarab megmunkálása fényelnyelő rétegen keresztül történik, ami a munkadarab azon felületén kerül elhelyezésre, amely a munkadarabra beeső megmunkáló nyaláb irányába néz. Ennek megfelelően ezen eljárás egy előoldali megmunkálást jelent, melynek eredményeként a megmunkálás helyén egy (a munkadarab egyéb részeihez képest) alacsony (legfeljebb 5%) fényáteresztő képességű tartomány jön létre.US 2004/0013951 discloses a process for laser processing of a transparent workpiece. According to the method, the workpiece is machined through a light-absorbing layer which is placed on a surface of the workpiece facing the machining beam incident on the workpiece. Accordingly, this process involves a front-side machining, which results in a low (up to 5%) light transmission area (up to 5%) at the machining site.
Az US-6,990,285 B2 számú USA-beli szabadalmi irat átlátszó (például ömlesztett kvarcból vagy kristályos zafírból készített) munkadarab finommegmunkálására, speciálisan annak teljes vastagságában terjedő legalább egy átmenőfurat kialakítására szolgáló lézerrel kiváltott hátoldali megmunkálási eljárást, valamint az eljárás foganatosítására szolgáló berendezést tárgyal. A megmunkálni szándékozott munkadarab vastagsága legfeljebb néhány mm. A megmunkáláshoz célszerűen λ=800 nm körüli hullámhosszon ultrarövid, azaz legfeljebb 100 fs hosszúságú impulzusokat emittáló impulzuslézert használnak. A megmunkáló lézerimpulzusok energiasűrűsége legfeljebb 0,16 J/cm2/impulzus. A maratási sebesség 2,5-12,5 nm/impulzus nagyságú 7,5-10 pJ impulzusenergia mellett. Az eljárás végrehajtásához elnyelőközegként egyszerűen vizet használnak, amelynek fő funkciója a megmunkálás során keletkező anyagtörmelék elszállítása. Bizonyos átlátszó anyagok megmunkálása esetén a víz elnyelőközegként funkcionáló segédanyagként történő alkalmazása nem megfelelő, mivel annak törésmutatója a maratni szándékozott anyag törésmutatójától túlságosan különbözik, aminek eredményeként a két anyag határfelületén jelentős mértékű fényvisszaverődés lép fel. Ennek megfelelően ilyen esetekben elnyelőközegként víz helyett célszerűen víz/metanol keveréket vagy dimetil-szulfoxidot használnak. A szóban forgó eljárás egyik fő hátránya, hogy a megmunkáláshoz használt femtoszekundumos lézerforrás rendkívül drága, üzemeltetése pedig komoly szakértelmet követel meg.U.S. Patent No. 6,990,285 B2 discloses a method for finishing a transparent workpiece (for example, a molten quartz or crystalline sapphire), in particular a laser-triggered backsheet machining process for forming at least one through hole in its full thickness. The workpiece to be machined has a maximum thickness of a few mm. For processing, an ultra-short pulse laser is emitted at a wavelength of λ = 800 nm, that is, not more than 100 fs. The working laser pulses have an energy density equal to or less than 0.16 J / cm 2 / pulse. The etching rate is 2.5 to 12.5 nm / pulse with a pulse energy of 7.5 to 10 pJ. In order to carry out the process, water is simply used as an absorbent medium, the main function of which is to remove the debris produced during machining. The use of water as an absorbent excipient is not appropriate for certain transparent materials because it has a refractive index that is too different from that of the material to be etched, resulting in a significant light reflection at the interface of the two materials. Accordingly, in such cases, water / methanol mixture or dimethylsulfoxide is preferably used as the absorption medium instead of water. One of the major drawbacks of this process is that the femtosecond laser source used for machining is extremely expensive and requires considerable expertise to operate.
Az US-5,987,920 számú USA-beli szabadalom átlátszó munkadarab közvetett lézeres megmunkálására szolgáló eljárást ismertet. Az eljárás keretében megmunkáló lézernyaláb hullámhosszán átlátszó anyag megmunkálni szándékozott felületén a megmunkáló lézernyaláb hullámhosszán elnyelő segédanyag rétegét rendezik el, majd az átlátszó anyagon keresztül ezen rétegbe megmunkáló lézernyalábot irányítanak. A lézernyaláb energiájának a segédanyagrétegben történő elnyelése következtében a tekintett réteg lokálisan felmelegszik és abláción esik át. Az abláció során keletkező és a rétegből távozó törmelék mechanikai úton marja az átlátszó anyag felületét, miáltal azon matt (vagyis lecsökkent fényáteresztéssel jellemzett) tartomány/tartományok képződik/képződnek. A segédanyag megmunkálás során bekövetkező megolvadásának elkerülése érdekében segédanyagként magas olvadáspontú kerámiaanyagokat használnak. Az alkalmazott kerámianyagok egyben viszonylag ridegek is, ami elősegíti az átlátszó anyag megmunkálását ténylegesen elvégző törmelék képződését.U.S. Patent No. 5,987,920 describes a process for indirect laser machining of a transparent workpiece. In the process, a layer of excipient absorbing the wavelength of the machining laser is arranged on a surface to be machined on a wavelength transparent material of the processing laser beam, and a processing laser beam is directed through this transparent material. As a result of absorbing the energy of the laser beam in the excipient layer, this layer is heated locally and undergoes ablation. The debris formed during ablation and leaving the layer mechanically etches the surface of the transparent material to form a matte (i.e., reduced light transmission) region (s). High melting point ceramic materials are used as auxiliary material to prevent melting of the excipient during machining. The ceramic materials used are also relatively brittle, which facilitates the formation of debris that actually performs the processing of the transparent material.
Vizsgálataink során arra a következtetésre jutottunk, hogy átlátszó anyag, vagy ilyenből kialakított munkadarab megmunkálásnak alávetni szándékozott tartományát megfelelő vastagságú szilárd halmazállapotú elnyelőréteggel szorosan érintkeztetve, majd ezt a réteget a lézerfénnyel az átlátszó munkadarabon keresztül megvilágítva a munkadarab megmunkálni szándékozott tartományában kívánt maratási mintázat alakítható ki viszonylag nagy maratási sebességek mellett még ns hosszúságú lézerimpulzusok használata esetén is.In our investigations, it was concluded that the transparent material or workpiece is intended to be machined in close contact with a solid absorbent layer of a suitable thickness, and then exposed to the laser light through the transparent workpiece, at etching speeds even when using laser pulses of ns length.
A fentiek fényében a jelen találmánnyal célunk átlátszó anyag/munkadarab közvetett lézeres finommegmunkálására szolgáló olyan új típusú eljárásnak a kidolgozása, amely a fenti módszerek bemutatott hátrányait kiküszöböli, vagy legalábbis jelentős mértékben mérsékli. Emellett célunk még az átlátszó anyag/munkadarab közvetett lézeres finommegmunkálása hatékonyságának a javítása is.In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a novel type of process for fine laser indirect machining of a transparent material / workpiece which overcomes or at least significantly mitigates the above disadvantages of the above methods. It is also our goal to improve the efficiency of fine laser indirect machining of transparent material / workpiece.
Célunk speciálisan átlátszó anyag/munkadarab lézerrel kiváltott hátoldali maratására szolgáló olyan új típusú módszernek a megvalósítása, amelynél nincsen szükség környezetre és egészségre ártalmas segédanyagok kezelésére, illetve az azok használata szempontjából elengedhetetlen kiegészítő eszközökre. További célunk emellett olyan eljárás kidolgozása, amely a LIBWE módszerhez képest nagyobb sebességgel hajtható végre, vagyis amelynél az egyetlen lézerimpulzussal kiváltott maratás mértéke (vagyis a maratási sebesség) a LIBWE esetében elért maratáshoz képest - a LIBWE módszernél alkalmazott lézerimpulzusokkal megegyező energiasűrűségű lézerimpulzusokat feltételezve - jelentősen nagyobb lesz. Emellett speciálisan további célunk még olyan maratási eljárás kifejlesztése is, amelynél nincsen szükség nagy teljesítményű és drága femtoszekundumos lézerek/lézerrendszerek alkalmazására, és amelynek eredményeként fényáteresztést biztosító struktúrák jönnek létre.Our aim is to implement a new type of laser etching process specifically designed for transparent material / workpiece that does not require the handling of auxiliary materials that are harmful to the environment and health, and which do not require additional equipment. Another object of the present invention is to provide a method that can be performed at a rate greater than the LIBWE method, i.e., having a single laser pulse etching rate (i.e., the etching rate) compared to LIBWE etching at substantially the same energy pulses as the LIBWE method. will. In addition, it is a particularly further object of our invention to develop an etching process that does not require the use of high-power and expensive femtosecond lasers / laser systems, which results in light transmission structures.
Átlátszó anyag/munkadarab lézeres finommegmunkálására szolgáló új típusú eljárás megvalósítására irányuló célkitűzésünket az 1. igénypont szerinti eljárás kidolgozásával értük el. A találmány szerinti eljárás lehetséges előnyös példaként! változatait a 2-19. igénypontok határozzák meg. Továbbá a találmány szerinti munkadarabot pedig a 20. igénypont határozza meg.Our object to realize a new type of laser finishing process for a transparent material / workpiece has been achieved by developing a method according to claim 1. The process according to the invention is a possible preferred example. 2-19. claims. Further, the workpiece according to the invention is defined in claim 20.
A találmányt a továbbiakban a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen, ahol azThe invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
1. ábra egy, a találmány szerinti új típusú közvetett lézeres hátoldali finommegmunkálásra/ma3Figure 1 for a new type of indirect laser back-finishing according to the invention / ma3
HU 227 254 Β1 ratásra szolgáló eljárás foganatosítására alkalmas lehetséges elrendezést mutat be vázlatosan; aEN 227 254 1 schematically illustrates a possible arrangement for carrying out a method of drawing; the
2. ábra egy kvarcfelület jelen találmány szerinti eljárással, illetve a már ismert LIBWE módszerrel történő megmunkálása során nyert maratási sebességeket szemlélteti grafikusan a megmunkálásra használt lézerimpulzusok energiasűrűségének függvényében; aFig. 2 is a graphical representation of the etching rates obtained by machining a quartz surface by the method of the present invention and the known LIBWE method as a function of the energy density of the laser pulses used for machining; the
3. ábra egy ömlesztett kvarcból készített munkadarab találmány szerinti eljárással végrehajtott finommegmunkálása során mért maratási mélységeket ábrázolja a megmunkálásra használt nanoszekundumos KrF excimer lézerforrással λ=248 nm hullámhosszon emittált 30 ns hosszúságú lézerimpulzusok energiasűrűségének függvényében; aFigure 3 depicts the etching depths of a fine quartz workpiece machined according to the present invention as a function of the energy density of 30 ns laser pulses emitted at a wavelength λ = 248 nm using a nanosecond KrF excimer laser source for processing; the
4. ábra a találmány szerinti eljárás egy lehetséges alkalmazását, speciálisan adott rácsállandójú interferometrikus rács kialakítására szolgáló példaként! elrendezést szemléltet; és azFigure 4 illustrates a possible application of the method according to the invention, specifically as an example for forming an interferometric grid of a given lattice constant. illustrates layout; and that
5A. és 5B. ábra a 4. ábra szerinti elrendezésben kvarclemez felületén kialakított, rendre 288 nm (5A. ábra), illetve 560 nm (5B. ábra) rácsállandójú interferometrikus rácsok atomierő-mikroszkóppal (AFM) készített felvételei.5A. 5B and 5B. Figure 4A is a view of an interferometric lattice with a constant force 288 nm (Figure 5A) and 560 nm (Figure 5B) formed on a quartz plate surface, respectively, by atomic force microscopy (AFM).
Itt és a továbbiakban az általunk kidolgozott, találmány szerinti, átlátszó anyagok/munkadarabok közvetett lézeres finommegmunkálására szolgáló eljárásra annak a következőkben részletesen bemutatásra kerülő lényegi elemeit szem előtt tartva - lézerrel kiváltott hátoldali száraz maratásként („laser induced backside dry etching”; LIBDE) fogunk utalni.Herein and hereinafter, we will refer to the inventive process for indirect laser finishing of transparent materials / workpieces, bearing in mind its essential details, which will be described in more detail below - laser induced backside dry etching (LIBDE). .
Az 1. ábra a találmány szerinti LIBDE eljárás foganatosítására alkalmas egyik lehetséges elrendezés elvi vázlata. A LIBDE módszerrel első 13 felülettel és ezzel szemben elterülő második 14 felülettel határolt optikailag átlátszó 12 munkadarab kijelölt 19 tartományát kívánjuk - adott esetben nano- és mikrométeres mérettartományban - megmunkálni 10 lézerforrás által emittált 20 lézerfénnyel közvetett módon, vagyis valamilyen segédanyagot felhasználva. E célból a 12 munkadarabnak a 20 lézerfény haladási irányában tekintve a 10 lézerforrástól távolabbi, megmunkálni szándékozott felületét, azaz jelen esetben a 12 munkadarab második 14 felületét, előre meghatározott vastagságú és szilárd halmazállapotú 18 elnyelőréteggel hozzuk szoros érintkezésbe. A 20 lézerfény irányíthatóságának és bizonyos esetekben szükséges koncentrálhatóságának biztosítása érdekében a 12 munkadarab és a 10 lézerforrás által kijelölt fényútban előnyösen legalább egy optikai lencsét magában foglaló optikai 24 leképezőrendszert helyezünk el. A 12 munkadarab 19 tartományának megmunkálásához a 10 lézerforrásból kilépő és a fényúton terjedő 20 lézerfényt a 24 leképezőrendszeren irányítjuk keresztül. Megjegyezzük, hogy az optikai 24 leképezőrendszer alkalmazása nem szükségszerű.Figure 1 is a schematic diagram of one possible arrangement for carrying out the LIBDE process of the present invention. By means of the LIBDE method, the designated area 19 of the optically transparent workpiece 12, bounded by the first surface 13 and the second surface 14 overlapping therewith, is to be machined indirectly by laser light 20 emitted by laser sources 10, optionally in nano- and micrometer sizes. To this end, the work surface 12 of the workpiece 12 is in close contact with the intended surface to be machined away from the laser source 10, i.e. in this case the second surface 14 of the workpiece 12, with a predetermined thickness and solid absorbent layer 18. Preferably, in the light path defined by the workpiece 12 and the laser source 10, an optical imaging system 24 comprising at least one optical lens is disposed in order to provide control of the laser light 20 and, in some cases, the necessary focus. To process the area 19 of the workpiece 12, the laser light 20 exiting the laser source 10 and passing through the light path is directed through the imaging system 24. Note that the use of an optical imaging system 24 is not required.
Ha a 12 munkadarab megmunkálásával a 19 tartományban meghatározott mintázat (például adott felületi eloszlást mutató gödrök sokasága vagy egy optikai rács, illetve ennél bonyolultabb struktúrák, mint mikrolencsesorok vagy szenzortechnikai becsatolóelemek vagy átmenőfuratok) kialakítására van szükség, a fényútban egy vagy több, kívánt mintázat szerinti 22 maszkolóelemet rendezhetünk el. A 22 maszkolóelemet általában a fényútnak az optikai 24 leképezőrendszer és a 10 lézerforrás közé eső szakaszában helyezzük el. Itt kívánjuk megjegyezni, hogy a 12 munkadarab 14 felületének egy nagyobb, a 10 lézerforrás által emittált egyetlen lézernyalábbal be nem sugározható darabjára kiterjedő maratási mintázat létrehozásánál szükség van arra is, hogy a 20 lézerfénynek a 18 elnyelőrétegben lévő elnyelődés! helye elmozdulhasson. Ez például a 12 munkadarab és a 10 lézerforrás egymáshoz viszonyított precíziós mozgatásával vagy adott esetben, a 20 lézerfény fényútjának az optikai 24 leképezőrendszerrel történő módosítása útján érhető el. A precíziós mozgatás, illetve a fényútmódosítás végrehajtásához szükséges fizikai eszközök (például tárgyasztal, léptetőmotor, valamint az ezekhez hasonló egyéb elemek) és azok működése/működtetése a területen járatos szakember számára ismeretes, így azokra itt külön nem térünk ki.If machining of workpiece 12 requires a pattern defined in the region 19 (e.g., a plurality of pits showing a given surface distribution or an optical grid or more complex structures such as microlens or sensor technology couplers or through holes), one or more of the desired patterns 22 a masking element can be arranged. The masking element 22 is generally located in a portion of the light path between the optical imaging system 24 and the laser source 10. It is to be noted here that the creation of a larger etching pattern on a larger portion of the workpiece surface 14, which is not radiated by a single laser beam emitted by the laser source 10, also requires that the laser light 20 be absorbed in the absorbent layer 18. place to move. This can be achieved, for example, by the relative movement of the workpiece 12 and the laser source 10 relative to one another or, if necessary, by modifying the light path of the laser light 20 with the optical imaging system 24. Physical devices (e.g., stage, stepper motor, and the like) required to perform precision movement or light path modification, and their operation / operation are known to those of ordinary skill in the art and are not specifically addressed herein.
A 12 munkadarabot tetszőleges olyan szilárd halmazállapotú anyag alkothatja, amely a megmunkálásra használt 10 lézerforrás üzemi hullámhosszán optikailag átlátszó, hő hatására meglágyul (adott esetben megolvad), ám ehhez nem igényel túlságosan magas hőmérsékletet. A 12 munkadarab anyagának lágyulási (olvadási) hőmérséklete előnyösen legfeljebb 4000 K. Mivel a 12 munkadarab olyan átlátszó anyagból van, amely a megmunkáló 20 lézerfény hullámhosszán csak kismértékben nyel el, a találmány szerinti LIBDE módszer viszonylag vastag 12 munkadarab megmunkálására is alkalmas. Például látható színképtartományba eső, előnyösen λ=500 nm hullámhosszú 20 lézerfény alkalmazása esetén a módszerrel akár méter vastagságú kvarc hasáb is sikeres felületi megmunkálásnak vethető alá. Ugyanakkor ha a 12 munkadarabot térfogati megmunkálásnak kívánjuk alávetni, például abban a második 14 és az első 13 felületek között terjedő tetszőleges alakú átmenőfuratok, -nyílások, -rések kialakítása céljából, a 12 munkadarabot célszerűen legfeljebb néhány száz nm, előnyösen 100-300 nm vastagsággal alakítjuk ki. A 12 munkadarab anyagát tekintve optikailag átlátszó szervetlen anyagokból, például ömlesztett vagy kristályos kvarcból, közönséges üvegből, kalcium-fluoridból, magnézium-fluoridból, lítium-fluoridból, szilícium-karbidból, alumínium-oxidból, zafírból, gyémántból, valamint optikailag átlátszó megszilárdult műanyagokból, például polikarbonát-, akrilvagy vinilgyantákból, illetve szerves üvegekből lehet kialakítva. A 12 munkadarab formája tetszőleges lehet; a 12 munkadarab kialakítható például lemez, tömb, hasáb, vagy akár adott falvastagságú cső formájában is.The workpiece 12 may be made of any solid material which is optically transparent at the operating wavelength of the laser source used for machining, and may soften (possibly melt) under the influence of heat, but does not require excessively high temperatures. The softening (melting) temperature of the workpiece material 12 is preferably not more than 4000 K. Since the workpiece 12 is made of a transparent material that has only a slight absorption at the wavelength of the processing laser 20, the LIBDE method of the present invention is also suitable for machining. For example, when using laser light 20 in the visible spectral range, preferably having a wavelength of λ = 500 nm, the method can successfully quartz beam up to one meter in thickness. However, if the workpiece 12 is to be subjected to volumetric machining, for example to form through-holes, openings, gaps of any shape between the second surfaces 14 and the first surfaces 13, the workpiece 12 is preferably formed to a thickness of up to several hundred nm, preferably 100-300 nm. Who. Optically transparent inorganic materials such as bulk or crystalline quartz, common glass, calcium fluoride, magnesium fluoride, lithium fluoride, silicon carbide, alumina, sapphire, diamonds, etc., are optically transparent. polycarbonate, acrylic or vinyl resins or organic glass. The workpiece 12 may be of any shape; the workpiece 12 may be formed, for example, in the form of a sheet, an array, a block or even a tube of a given wall thickness.
HU 227 254 Β1HU 227 254 Β1
A 18 elnyelőréteget olyan anyag alkotja, amely az optikailag átlátszó 12 munkadarabon szinte elnyelődésmentesen áthaladó 20 lézerfényt viszonylag rövid távolságon szinte teljes egészében, előnyösen azonban legalább 95-99%-ban elnyeli. A 18 elnyelőréteget célszerűen valamilyen fémből alakítjuk ki. A fémek erre a célra azért különösen előnyösek, mert esetükben a szóban forgó feltétel majdnem a teljes UV-látható fény tartományban teljesül. A találmány szerinti eljárásban a 18 elnyelőrétegként különösen előnyösen használható az ezüst és az alumínium. Általánosságban elmondható, hogy a 18 elnyelőrétegként bármely olyan fém felhasználható, amelynek forráspontja a megmunkálni szándékozott 12 munkadarab anyagának olvadáspontját meghaladja, azonban legfeljebb 4500 K. A18 elnyelőréteget azonban nem szükséges fémből készíteni. A találmány szerinti eljárásban a 18 elnyelőrétegként előnyösen alkalmazhatóak például a szénből kialakított vékonyrétegek, mivel azok az infravörös-, a látható és az UV-tartományban egyaránt megfelelő elnyelőképességgel rendelkeznek. Fémtől eltérő anyagú 18 elnyelőréteg esetén azonban elengedhetetlen, hogy a felhasznált anyag abszorpciója éppen a megmunkáló lézerfény hullámhosszán legyen viszonylag nagy értékű. UV-tartományba eső 20 lézerfénnyel történő megmunkálás esetén a 18 elnyelőrétegként polimerből (például polikarbonátból, polietilén-tereftalátból, polimetilmetakrilátból, polihidroxi-butirátból, poliimidből, valamint ezekhez hasonló további polimerekből), valamint biopolimerekböl készített réteget is előnyösen használhatunk. A 18 elnyelőréteg vastagságát úgy választjuk meg, hogy a ráeső 20 lézerfény energiája a 18 elnyelőrétegben lényegében teljes egészében elnyelődjék. A 18 elnyelőréteg ugyanakkor kellően vékony kell legyen ahhoz, hogy a lézeres besugárzás hatására a 12 munkadarab 14 felületéről a megmunkálni szándékozott 19 tartománynál teljes vastagságában eltávozzék és ezáltal biztosítsa a 19 tartomány ezzel egyidejű maratását. Mindezeket figyelembe véve a 18 elnyelőréteg vastagságát 50-150 nm nagyságúnak, ennél előnyösebben 80-120 nm nagyságúnak, még előnyösebben pedig körülbelül 100 nm nagyságúnak választjuk a megmunkáló 20 lézerfény energiájától és a 18 elnyelőréteg konkrét anyagától függően. A 18 elnyelőréteget rendszerint gőzfázisból történő fizikai vagy kémiai rétegleválasztással (PVD, CVD), vákuumpárologtatással, felgőzöléssel vagy porlasztás útján alakítjuk ki, amely módszerek egyben a 12 munkadarab és a 18 elnyelőréteg szoros érintkezését is természetes módon biztosítják.The absorbent layer 18 is made up of a material which absorbs almost completely, but preferably at least 95-99%, of the laser light 20, which passes through the optically transparent workpiece 12 almost absorptively over a relatively short distance. The absorbent layer 18 is preferably formed of a metal. Metals are particularly advantageous for this purpose because, in their case, the condition is met in almost the entire range of UV-visible light. Silver and aluminum are particularly preferred as the absorbent layer 18 in the process of the invention. Generally speaking, any metal having a boiling point greater than the melting point of the material of the workpiece 12 to be machined may be used as the absorbent layer 18, but does not need to be made of metal. For example, thin films made of carbon are advantageously used as absorbers 18 in the process of the present invention, since they have sufficient absorptivity in the infrared, visible and UV ranges. However, in the case of a non-metallic absorbent layer 18, it is essential that the absorbance of the material used should be relatively high at the wavelength of the laser being processed. In the case of UV treatment 20 laser processing, a layer made of a polymer (e.g., polycarbonate, polyethylene terephthalate, polymethylmethacrylate, polyhydroxybutyrate, polyimide and other similar polymers) and biopolymers can also be advantageously used. The thickness of the absorbing layer 18 is selected such that the energy of the incident laser light 20 in the absorbing layer 18 is substantially completely absorbed. At the same time, the absorbent layer 18 should be thin enough to be removed from the surface 14 of the workpiece 12 at its intended thickness 19 by laser irradiation and thereby ensure the etching of the region 19 at the same time. With this in mind, the thickness of the absorbent layer 18 is selected from 50 to 150 nm, more preferably from 80 to 120 nm, and more preferably about 100 nm, depending on the energy of the working laser light 20 and the particular material of the absorbent layer 18. The absorbent layer 18 is typically formed by physical or chemical vapor deposition (PVD, CVD), vacuum evaporation, vaporization, or spraying, which also provide a natural contact between the workpiece 12 and the absorbent layer 18.
A találmány szerinti LIBDE módszer végrehajtásához a 10 lézerforrásként tetszőleges olyan impulzusüzemű lézert használhatunk, amellyel lehetőség van 0,01-10 J/cm2 energiasűrűségű impulzusok emittálására. Az emittált lézerimpulzusok hossza előnyösen 10-100 ns, ennél előnyösebben pedig 20-50 ns. Természetesen a megmunkálásra használt 20 lézerfényt alkotó lézerimpulzusok energiasűrűsége és hossza függ a megmunkálni szándékozott 12 munkadarab és a 18 elnyelőréteg anyagától. Megjegyezzük, hogy a túlságosan nagy energiasűrűségű impulzusok a 12 munkadarab térfogati roncsolódását eredményezhetik, míg a túlságosan kis energiasűrűségű impulzusok kis hatásfokú maratáshoz vezetnek. Impulzusüzemű lézerként előnyösen például ArF excimer lézert (λ=193 nm), KrCI excimer lézert (λ=222 nm), KrF excimer lézert (λ=248 nm), XeCI excimer lézert (λ=308 nm), XeF excimer lézert (λ=351 nm), különféle festéklézereket, Kr-ionlézert, Ar-ionlézert, valamint Cu-gázlézert használhatunk. A YAG és az YLF lézerek megfelelő nem lineáris optikai elemekkel nyerhető magasabb rendű harmonikusait szintén eredményesen alkalmazhatjuk. Ugyanakkor kísérleteink szerint a LIBDE módszer a látható tartományba eső, például zöld fényű (λ=500 nm) lézerrel is sikeresen végrehajtható, vagyis a módszerrel UV fényre átlátszatlan anyagok (például üveg) megmunkálása is lehetővé válik.In order to carry out the LIBDE method of the present invention, the laser source 10 may be any pulsed laser capable of emitting pulses having an energy density of 0.01 to 10 J / cm 2 . Preferably, the emitted laser pulses are 10-100 ns long, more preferably 20-50 ns long. Of course, the energy density and the length of the laser pulses forming the laser light 20 used for machining depend on the material of the workpiece 12 and the absorbent layer 18 to be machined. It is noted that pulses of too high energy density can result in volumetric destruction of the workpiece 12, whereas pulses of too low energy density lead to low efficiency etching. Preferred pulsed lasers include, for example, an ArF excimer laser (λ = 193 nm), a KrCl excimer laser (λ = 222 nm), a KrF excimer laser (λ = 248 nm), an XeCl excimer laser (λ = 308 nm), an XeF excimer laser (λ = 351 nm), various dye lasers, a Kr ion laser, an Ar ion laser and a Cu gas laser can be used. The higher harmonics of the YAG and YLF lasers, which can be obtained with suitable non-linear optical elements, can also be used effectively. However, in our experiments, the LIBDE method can be successfully performed with a visible laser, such as green light (λ = 500 nm), that is, it enables the processing of materials which are opaque to UV light (eg glass).
A következőkben a találmány szerinti LIBDE eljárás végrehajtását ismertetjük tömören. Az eljárás megkezdését megelőzően az átlátszó 12 munkadarab megmunkálásnak alávetni szándékozott 14 felületét (legalább a 19 tartományban) a 20 lézerfény energiáját elnyelő segédanyagból kialakított megfelelő (célszerűen 50-150 nm) vastagságú 18 elnyelőréteggel hozzuk szoros érintkezésbe. A szoros érintkezés biztosítása végett a 18 elnyelőréteget előnyösen vákuumpárologtatással hordjuk fel a 14 felületre. Ezt követően a 18 elnyelőréteget a 14 felületbe belemarni szándékozott mintázatnak megfelelően az optikailag átlátszó 12 munkadarabon keresztül világítjuk meg a megmunkálásra használt 20 lézerfénnyel. A belemarni szándékozott struktúrát adott esetben a 20 lézerfény fényútjában elhelyezett 22 maszkolóelem formájában biztosítjuk. Szükség esetén a 20 lézerfényt koncentrálása céljából a 12 munkadarabra való beesését megelőzően az optikai 24 leképezőrendszeren is keresztülirányítjuk.The following is a brief description of the implementation of the LIBDE method according to the invention. Prior to the start of the process, the surface 14 of the transparent workpiece 12 to be machined (at least in the region 19) is brought into close contact with an appropriate (preferably 50-150 nm) absorbent layer 18 of laser light absorbing auxiliary material. To ensure close contact, the absorbent layer 18 is preferably applied to the surface 14 by vacuum evaporation. Subsequently, the absorbent layer 18 is illuminated by the optically transparent workpiece 12, in accordance with the pattern to be etched into the surface 14, by the laser light used for machining. The structure to be etched is optionally provided in the form of a masking element 22 disposed in the light path of the laser light 20. If necessary, the laser light 20 is also routed through the optical imaging system 24 prior to falling onto the workpiece 12 for concentration.
A megfelelő energiasűrűségű lézerimpulzusok energiáját a 18 elnyelőréteg besugárzott tartományának egy vékony, a 12 munkadarab 14 felületének közelében elterülő rétegében nyeletjük el. A szóban forgó réteg az elnyelt energia egy részét környezete melegítésére fordítja, ami a 18 elnyelőréteg anyagának, lényegében a 18 elnyelőréteg teljes vastagságában való lokális felmelegedését, illetve elforrását váltja ki. Ezzel egyidejűleg a 12 munkadarabnak az elnyelést megvalósító tartománnyal érintkező 19 tartománya intenzív hőátadás útján szintén felmelegszik, és a besugárzás energiájától függő mélységig meglágyul/megolvad, vagy akár fel is forrhat. A 18 elnyelőrétegnek a 14 felületről nagy sebességgel távozó anyaga a 19 tartomány megolvadt anyagára visszalökő hatást fejt ki. Ennek következtében a 19 tartomány anyagának egy része a 12 munkadarab tömbjéből kilökődik ez eredményezi a maratást. A kilökődést követően a 12 munkadarab visszamaradt része gyorsan lehűl és megszilárdul. A bemart mintázat/struktúra éles szélekkel rendelkezik.The energy of the laser pulses of sufficient energy density is absorbed in a thin layer of the irradiated region of the absorber layer 18 extending near the surface 14 of the workpiece 12. The layer in question invokes a portion of the energy absorbed to heat the environment, which causes local warming or boiling of the material of the absorbent layer, essentially the entire thickness of the absorbent layer. At the same time, the area 19 of the workpiece 12 in contact with the absorption region is also heated by intense heat transfer and softens / melts or even boils to a depth depending on the energy of the irradiation. The material of the absorbent layer 18 exiting the surface 14 at high speed exerts a rebound effect on the molten material of the region 19. As a result, some of the material in the region 19 is ejected from the workpiece block 12 resulting in etching. After ejection, the remainder of the workpiece 12 rapidly cools and solidifies. The dotted pattern / structure has sharp edges.
Megjegyezzük, hogy maga a maratás csupán abban az esetben zajlik le, ha a 18 elnyelőréteg anyagának forráspontja a 12 munkadarab anyagának olvadás5Note that etching itself takes place only when the boiling point of the material of the absorbent layer 18 is the melting of the material of the workpiece 12.
HU 227 254 Β1 pontját meghaladja. Megjegyezzük továbbá, hogy a maratás másrészt csak akkor játszódik le, ha a megmunkálásra használt 20 lézerfény lézerimpulzusainak energiasűrűsége egy küszöbértéket elér. Vizsgálataink alapján a találmány szerinti LIBDE eljárás maratási küszöb energiasűrűsége jellemzően 100-500 mJ/cm2/impulzus, ami függ az alkalmazott 10 lézerforrás paramétereitől (hullámhossz, impulzushossz), valamint a megmunkálni szándékozott 12 munkadarab anyagától, illetve a 18 elnyelőréteg anyagától.EN 227 254 Β1 points. It is further noted that etching, on the other hand, only occurs when the laser pulses of the laser light 20 used for processing have an energy density of a threshold. According to our investigations, the energy density of the etching threshold of the LIBDE method according to the invention is typically 100-500 mJ / cm 2 / pulse, which depends on the parameters (wavelength, pulse length) of the laser source 10 employed and the material of the workpiece 12 and absorbent layer.
Végezetül a kívánt mintázatnak/struktúrának a 12 munkadarab 19 tartományában való kialakítását követőn a visszamaradt 18 elnyelőréteget a 14 felületről fizikai (például csiszolás) vagy kémiai (például oldás) módszerekkel eltávolítjuk, amennyiben erre a 12 munkadarab későbbi felhasználása szempontjából szükség van.Finally, after forming the desired pattern / structure in the region 19 of the workpiece 12, the remaining absorbent layer 18 is removed from the surface 14 by physical (e.g., grinding) or chemical (e.g., dissolution) methods if required for subsequent use of the workpiece.
A találmány szerinti LIBDE eljárás LIBWE módszerhez viszonyított nagyobb hatékonyságát a 2. ábra szemlélteti, amelyen ömlesztett kvarcból készített munkadarabok megmunkálása során mért maratási sebességek kerültek ábrázolásra a megmunkáló lézerimpulzusok energiasűrűségének függvényében. A felhasznált mérési eredmények az alábbi cikkekben találhatóak meg, a 2. ábrán hivatkozásul használt címkék jelentése a következő:The greater efficiency of the LIBDE process of the present invention over the LIBWE method is illustrated in Figure 2, which shows the etching rates measured during the machining of bulk quartz workpieces as a function of the energy density of the machining laser pulses. The measurement results used are in the following articles, and the labels used for reference in Figure 2 have the following meaning:
- ’Vass [1]: naftalin/MMA’: Vass Cs., Sebők D. és Hopp B. szerzők „Comparing study of subpicosecond and nanosecond wet etching of fused silica” című munkája (Applied Surface Science, nyomtatásban, online elérhetőség 2005. október 27-től), ahol a segédanyagot naftalin/metil-metakrilátoldat képezi;- 'Vass [1]: Naphthalene / MMA': Comparing study of subpicosecond and nanosecond wet etching of fused silica by Cs. Vass, D. Sebők and B. Hopp (Applied Surface Science, in print, online, 2005). October 27), wherein the excipient is a naphthalene / methyl methacrylate solution;
- ’Nino [2]: toluol’ és ’Nino [2]: pirén/aceton’: H. Nino, Y. Yasui, X. Ding, A. Narazaki, T. Sato, Y. Kawaguchi és A. Yabe szerzők „Surface microfabrication of silica glass by excimer laser irradiation of organic solvent” című munkája [Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 158 (2003) 179-182], ahol a segédanyagot rendre toluol, illetve pirén/aceton oldat képezi;- 'Nino [2]: toluene' and 'Nino [2]: pyrene / acetone' by H. Nino, Y. Yasui, X. Ding, A. Narazaki, T. Sato, Y. Kawaguchi and A. Yabe. Surface microfabrication of silica glass by excimer laser irradiation of organic solvent, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 158 (2003) 179-182, wherein the excipient is a toluene or pyrene / acetone solution, respectively;
- ’Böhme [3]: pirén/toluol’: R. Böhme és K. Zimmer szerzők „The influence of the laser spot size and the pulse number on laser-induced backside wet etching” című munkája [Applied Surface Science 247 (2005) 256-261], ahol a segédanyagot pirén/toluol oldat képezi; és- 'Böhme [3]: Pyrene / toluene' by R. Böhme and K. Zimmer, "The Influence of Laser Spot Size and Pulse Number on Laser-Induced Backside Wet Etching" [Applied Surface Science 247 (2005) 256-261], wherein the excipient is a pyrene / toluene solution; and
- 'Száraz maratás’: a találmány szerinti LIBDE módszerrel nyert adatok, ahol a segédanyagot fém ezüst képezi.- 'Dry etching': data obtained by the LIBDE method according to the invention, wherein the excipient is metallic silver.
A 2. ábráról egyértelműen leolvasható, hogy az általunk kidolgozott LIBDE módszer bármely energiasűrűség mellett szignifikánsan nagyobb maratási sebességet eredményez. Továbbmenve, a 2. ábráról az is látszik, hogy a LIBDE esetében a maratási küszöbérték körülbelül fele a LIBWE módszernél mért maratási küszöbértéknek. Ez azt jelenti, hogy ugyanolyan külső feltételek mellett a találmány szerinti LIBDE módszerrel megmunkálható felületdarab mérete mintegy duplája a LIBWE módszerrel megmunkálható felületnek. Vagyis ugyanazon hatás eléréséhez jóval egyszerűbb és olcsóbb összeállítás is elegendő.It can be clearly seen from Figure 2 that the LIBDE method developed by us produces significantly higher etching rates at any energy density. Further, Figure 2 also shows that for LIBDE, the etching threshold is about half of the etching threshold for the LIBWE method. This means that, under the same external conditions, the size of the LIBDE machinable surface of the invention is about twice the size of the LIBWE machinable surface. That is, a much simpler and cheaper setup is enough to achieve the same effect.
A találmány szerinti eljárást, illetve annak lehetséges alkalmazásait a továbbiakban példákon keresztül illusztráljuk.The process of the present invention and its possible uses are illustrated by the following examples.
1. példaExample 1
A találmány szerinti LIBDE módszer illusztrálására az 1. ábra szerinti elrendezésben a 12 munkadarabként ömlesztett kvarcból készített 1 mm vastagságú lemezeket vetettünk alá megmunkálásnak. Az egyes 12 munkadarabok második 14 felületére 18 elnyelőrétegként 100 nm vastagságú ezüstréteget vittünk fel vákuumpárologtatás útján. A 10 lézerforrásként λ=248 nm hullámhosszon üzemelő nanoszekundumos KrF excimer lézert használtunk. Az ezüstréteg abszorpciós együtthatója a szóban forgó hullámhosszon 71 1/μΐτι, ami a 20 lézerfény szempontjából 14 nm nagyságú behatolási mélységet jelent. A 14 felületek maratni szándékozott 19 tartományait 0,0105 cm2 méretű foltok képezték. A 20 lézerfény koncentrálására a fényútba egyetlen, kvarcból készített 10 cm-es fókusztávolságú gyűjtőlencsét is beiktattunk. Az ezüstrétegeket a kvarclemezeken keresztül sugároztuk be. A lézerimpulzusok energiasűrűségét a 90-4030 mJ/cm2 tartományban változtattuk. A vizsgálatok során azt kaptuk, hogy ha a megmunkálásra használt 20 lézerfény energiasűrűsége egy alsó úgynevezett maratási küszöbértéket elért (amely ezen kísérletben mintegy 192 mJ/cm2 értékűnek adódott), a besugárzott folton az ezüstréteg egyszerűen elpárolgott és ezzel egyidejűleg 19 tartományban megtörtént a kvarclemez maratása is, vagyis a 19 tartományból kvarc távozott el. A 3. ábra a megmunkálásra használt lézerimpulzusok energiasűrűségének függvényében ábrázolja a maratási mélységet, amely jelen esetben (mivel egylövéses módszerről van szó) megegyezik a maratási sebességgel. A 3. ábráról leolvasható, hogy a maratási küszöbenergia fölött a maratási sebesség lineárisan függ a megmunkáló lézerimpulzus energiasűrűségétől. Ezen összefüggés alapján a megmunkáló lézerimpulzusok energiasűrűségének beállításával egyértelműen meghatározható/szabályozható a maratási mélység, vagyis a LIBDE módszer tömeges alkalmazás esetén rendkívül egyszerűen és megbízhatóan automatizálható.In order to illustrate the LIBDE method of the present invention, in the arrangement of Figure 1, 1 mm thick sheets of melted quartz were machined. A 100 nm thick silver layer was applied to the second surface 14 of each workpiece 12 by vacuum evaporation. The laser source 10 was a KrF excimer laser operating at λ = 248 nm wavelength. The absorption coefficient of the silver layer at the wavelength in question is 71 1 / μΐτι, which means a penetration depth of 14 nm for 20 laser light. The areas 19 of the surfaces 14 to be etched were patches of 0.0105 cm 2 . A single 10 cm focal length lens made of quartz was also included in the light path to concentrate the laser light 20. The silver layers were irradiated through the quartz plates. The energy density of the laser pulses was varied in the range of 90-4030 mJ / cm 2 . The tests showed that when the laser light used for machining 20 had an energy density of a lower so-called etching threshold (which in this experiment was about 192 mJ / cm 2 ), the irradiated spot was simply evaporated and simultaneously that is, quartz has left the 19 provinces. Figure 3 shows the etching depth as a function of the energy density of the laser pulses used for machining, which in this case (since it is a single shot method) is the etching speed. Figure 3 shows that the etching rate above the etching threshold energy is linearly dependent on the energy density of the machining laser pulse. Based on this relation, the energy density of the machining laser pulses can be unambiguously determined / controlled by adjusting the energy density, which means that the LIBDE method can be easily and reliably automated in bulk applications.
2. példaExample 2
Módszerünk alkalmas finom, szubmikrométeres struktúrák előállítására is. Ennek szemléltetésére a 4. ábrán egy, a találmány szerinti LIBDE eljárással történő interferometrikus rácsmaratás foganatosításához szükséges lehetséges elrendezést mutatunk be vázlatosan. Az első 13 és a második 14 felületek által határolt optikailag átlátszó 12 munkadarabot jelen esetben 1 mm vastagságú kvarchasáb képezi, amelynek megmunkálni szándékozott 14 felületére vákuumpárologtatás útján fémezüstből körülbelül 100 nm vastagságú 18 elnyelőréteget hordtunk fel. A maratáshoz az 1. példában szereplő energiasűrűségeket használtuk. A 12 munkadarab 14 felületében kialakítani szándéko6Our method is also suitable for the production of fine submicrometer structures. To illustrate this, Figure 4 schematically illustrates a possible arrangement for performing interferometric lattice etching according to the LIBDE method of the present invention. The optically transparent workpiece 12 delimited by the first 13 and second surfaces 14 is in this case formed by a 1 mm thick quartz billet, on which the absorbent layer 18 of metal silver is deposited by vacuum evaporation on its intended surface 14. The energy densities of Example 1 were used for etching. It is intended to provide a surface 14 for the workpiece 12
HU 227 254 Β1 zott interferometrikus 29 rács előállításához a (rajzon fel nem tüntetett) lézerforrás által emittált 20 lézerfényt a fényútban elrendezett (például egy féligáteresztő tükör képezte) 25 nyalábosztóval két nyalábra bontjuk. A két nyalábot ezután ugyanolyan hosszúságú, de két különböző fényúton vezetjük a 18 elnyelőrétegbe, ahol az egymással interferáló két nyaláb energiája a nyalábok közötti megfelelő fáziskülönbség fennállása esetében éppen a kívánt interferometrikus mintázatnak (kioltási és erősítési vonalak sorozata) megfelelően nyelődik el. A két nyaláb egyikét jelen esetben optikai 27 késleltetőn bocsátjuk át. Az optikai 27 késleltetőt legegyszerűbb alakjában az egyik nyaláb fényútjában elrendezett és egymásra merőleges 27b, 27a tükrök segítségével valósíthatjuk meg, amint az a területen járatos szakember számára nyilvánvaló. A tekintett nyalábnak az optikai 27 késleltetőn kívüli terelését, valamint a másik nyaláb 18 elnyelőrétegbe irányítását a nyalábok fényútjaiban elrendezett további 28a, 28b tükrökkel végezzük.To produce an interferometric lattice 29, the laser light emitted by a laser source (not shown) is divided into two beams by a beam splitter 25 arranged in a light path (e.g., a semi-transparent mirror). The two beams are then guided into the absorber layer 18 of the same length, but in two different light paths, where the energy of the two interfering beams is absorbed in accordance with the desired interferometric pattern (series of quench and reinforcement lines) when there is a corresponding phase difference between the beams. In this case, one of the two beams is transmitted through an optical delay 27. The optical retarder 27 can be implemented in its simplest form by means of mirrors 27b, 27a arranged in the light path of one beam and perpendicular to one skilled in the art. The direction of said beam outside the optical delay 27 and the direction of the other beam into the absorbing layer 18 are accomplished by additional mirrors 28a, 28b arranged in the light paths of the beams.
Az 5A. és 5B. ábra a kvarcból készített 12 munkadarab 14 felületébe a találmány szerinti LIBDE eljárást alkalmazva, eltérő hullámhosszú 20 lézerfényekkel belemart interferometrikus 29 rácsok atomierő-mikroszkópos felvételeit mutatják. Az 5A. ábra 288 nm-es rácsállandójú, az 5B. ábra pedig 560 nm-es rácsállandójú interferometrikus rácsot ábrázol.5A. 5B and 5B. Figures 3A and 4B show atomic force microscopy images of interferometric gratings 29 immersed in the surface 14 of a quartz workpiece 12 using the laser light 20 of different wavelengths using the LIBDE method of the present invention. 5A. Figure 28B is a 288 nm lattice constant; Figure 5A shows an interferometric grid with a grid constant of 560 nm.
A napjainkban ismeretes lézeres megmunkálási módszerekkel (például abláció, LIBWE) ellentétben a találmány szerinti, megmunkálásra szolgáló eljárás egy úgynevezett egylövéses eljárás. Ez azt jelenti, hogy a maratni szándékozott mintázat/struktúra egy-egy részlete egy-egy lézerimpulzus hatására alakul ki. A besugárzott tartománynál a mart anyaggal együtt az elnyelőréteg is távozik, tehát egy esetleges második impulzus a munkadarab ugyanazon tartományában már semmilyen hatást nem tud kifejteni. A tekintett tartományból az elnyelőréteg elpárolog, a munkadarab kimart anyaga pedig kifröccsen. Visszaépülésre nincsen mód. A LIBDE egylövéses jellegéből kifolyólag a munkadarab lövésről lövésre bekövetkező esetleges bemozdulása egyáltalán nem jelent problémát, vagyis a „zaj” a tervezett szubmikrométeres struktúrát nem zavarja meg. Ez rendkívül fontos a LIBDE módszer nanotechnológiai alkalmazhatósága szempontjából.In contrast to the currently known laser machining methods (e.g. ablation, LIBWE), the machining method of the present invention is a so-called single shot method. This means that each part of the pattern / structure to be etched is created by a laser pulse. In the irradiated region, the absorbent layer is also removed with the milled material, so that a second impulse in the same region of the workpiece is no longer effective. From this region, the absorbent layer evaporates and the workpiece's sputtering material splashes out. There is no way to recover. Due to the single shot nature of the LIBDE, the possible movement of the workpiece from shot to shot is not a problem at all, so the "noise" does not interfere with the intended submicrometer structure. This is extremely important for the applicability of the LIBDE method in nanotechnology.
Továbbmenve, ha egy konkrét maratási mintázat létrehozása többimpulzusos megmunkálást igényel, és a megmunkálás alatt álló felület bevonása vákuumpárologtatással megvalósítható anélkül, hogy a munkadarabot az elrendezésből el kellene távolítani, akkor a munkadarabot megfelelően kiképzett vákuumkamrában elrendezve és közvetett lézeres megmunkálását abban végrehajtva a maratást követően a maratáson átesett felületet az elnyelőréteggel ismételten bevonhatjuk, miután egymás után újabb lézeres maratási, majd vákuumpárologtatási lépéseket hajthatunk végre, amely lépéseket a tervezett mintázat eléréséig tetszőleges számú alkalommal megismételhetjük. Ezáltal a munkadarabban akár többszintes térfogati mintázatokat is kialakíthatunk.Further, if the creation of a particular etching pattern requires multi-pulse machining and the coating of the machined surface can be accomplished by vacuum evaporation without having to remove the workpiece from the arrangement, the workpiece is etched in a suitably designed vacuum chamber and indirectly etched The surface may be re-coated with the absorbent layer after successive steps of laser etching followed by vacuum evaporation, which may be repeated as many times as desired to achieve the desired pattern. This allows you to create multi-level volumetric patterns in the workpiece.
A találmány szerinti LIBDE eljárás lehetővé teszi átlátszó anyagok/munkadarabok közvetett lézeres finommegmunkálását, nanotechnológiai struktúrák kialakítását, mikrolencsesorok (lézernyaláb-homogenizátorok), Fresnel-lencsék előállítását, magas roncsolási küszöbbel rendelkező ellenálló optikai rácsok, továbbá szenzortechnikai becsatolóelemek készítését. A találmány szerinti eljárással megfelelő vastagságú átlátszó munkadarabokban emellett átmenőfuratok, nyílások, rések is sikeresen kialakíthatóak.The LIBDE process of the present invention allows for fine laser indirect processing of transparent materials / workpieces, nanostructured structures, microlens (laser beam homogenizers), Fresnel lenses, high-destructive optical lattices, and sensor coupling. In addition, through the process according to the invention, through-holes, openings, gaps can be successfully formed in transparent workpieces of suitable thickness.
Claims (20)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
HU0600443A HU227254B1 (en) | 2006-05-26 | 2006-05-26 | Method of indirect working transparent materials by pulsed laser |
PCT/HU2007/000048 WO2007138370A1 (en) | 2006-05-26 | 2007-05-25 | Indirect pulsed laser machining method of transparent materials by bringing a absorbing layer on the backside of the material to be machined |
EP07733865A EP2076353A1 (en) | 2006-05-26 | 2007-05-25 | Indirect pulsed laser machining method of transparent materials by bringing an absorbing layer on the backside of the material to be machined |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
HU0600443A HU227254B1 (en) | 2006-05-26 | 2006-05-26 | Method of indirect working transparent materials by pulsed laser |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
HU0600443D0 HU0600443D0 (en) | 2006-07-28 |
HUP0600443A2 HUP0600443A2 (en) | 2007-11-28 |
HU227254B1 true HU227254B1 (en) | 2010-12-28 |
Family
ID=89986810
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
HU0600443A HU227254B1 (en) | 2006-05-26 | 2006-05-26 | Method of indirect working transparent materials by pulsed laser |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2076353A1 (en) |
HU (1) | HU227254B1 (en) |
WO (1) | WO2007138370A1 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FI20105011A0 (en) * | 2010-01-08 | 2010-01-08 | Lappeenrannan Teknillinen Ylio | Process for processing materials by means of a laser device |
RU2635494C2 (en) * | 2016-03-22 | 2017-11-13 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Method for micropatterning surface of transparent materials |
CN110919196B (en) * | 2019-12-17 | 2022-02-01 | 大连海事大学 | Glass tube inner surface micro-texture laser etching method |
CN116265595B (en) * | 2021-12-17 | 2023-09-05 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | Anti-corrosion aluminum alloy and preparation method thereof |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CZ277944B6 (en) * | 1990-12-03 | 1993-06-16 | Kvapil Jiri | Method of marking and decorating transparent materials by neodymium lasers |
WO1998012055A1 (en) * | 1996-09-19 | 1998-03-26 | Philips Electronics N.V. | Method of producing a patterned surfacial marking on a transparent body |
JPWO2002081142A1 (en) * | 2001-04-02 | 2004-07-29 | 太陽誘電株式会社 | Processing method of light-transmitting material by laser beam and light-transmitting material processed product |
DE10304371A1 (en) * | 2003-02-04 | 2004-08-12 | Magna Naturstein Gmbh | Processing surfaces of transparent materials, especially glass, involves bringing surface into contact with material that absorbs laser beams, processing with laser beam, removing absorbent material |
DE10328534B4 (en) * | 2003-06-24 | 2006-04-20 | Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e.V. | Device and method for laser ablation of transparent materials |
-
2006
- 2006-05-26 HU HU0600443A patent/HU227254B1/en not_active IP Right Cessation
-
2007
- 2007-05-25 EP EP07733865A patent/EP2076353A1/en not_active Withdrawn
- 2007-05-25 WO PCT/HU2007/000048 patent/WO2007138370A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
HUP0600443A2 (en) | 2007-11-28 |
WO2007138370A1 (en) | 2007-12-06 |
EP2076353A1 (en) | 2009-07-08 |
HU0600443D0 (en) | 2006-07-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ravi‐Kumar et al. | Laser ablation of polymers: a review | |
Xie et al. | Laser machining of transparent brittle materials: from machining strategies to applications | |
Lei et al. | Ultrafast laser applications in manufacturing processes: A state-of-the-art review | |
Kim et al. | Metal thin film ablation with femtosecond pulsed laser | |
US20170326688A1 (en) | Laser-based modification of transparent materials | |
Rihakova et al. | Laser micromachining of glass, silicon, and ceramics | |
Koch et al. | Nanotexturing of gold films by femtosecond laser-induced melt dynamics | |
Tangwarodomnukun et al. | An investigation of hybrid laser–waterjet ablation of silicon substrates | |
US6362453B1 (en) | Method of etching transparent solid material with laser beam | |
Kaakkunen et al. | Water-assisted femtosecond laser pulse ablation of high aspect ratio holes | |
Hopp et al. | Production of submicrometre fused silica gratings using laser-induced backside dry etching technique | |
Venkatakrishnan et al. | Sub-micron ablation of metallic thin film by femtosecond pulse laser | |
Hrabovsky et al. | Surface structuring of kapton polyimide with femtosecond and picosecond ir laser pulses | |
Pham et al. | Laser milling | |
HU227254B1 (en) | Method of indirect working transparent materials by pulsed laser | |
JP3655675B2 (en) | Laser processing method for printing plate | |
Zimmer et al. | Laser‐Induced Backside Wet Etching of Transparent Materials with Organic and Metallic Absorbers | |
Hopp et al. | Comparative study of different indirect laser-based methods developed for microprocessing of transparent materials | |
Sohn et al. | Laser ablation of polypropylene films using nanosecond, picosecond, and femtosecond laser | |
EP4159357A1 (en) | Method of and apparatus for cutting a substrate or preparing a substrate for cleaving | |
Hopp et al. | Processing of transparent materials using visible nanosecond laser pulses | |
Veiko | Laser microshaping: Fundamentals, practical applications, and future prospects | |
Bäuerle et al. | Nanosecond-laser ablation | |
Willis | Thermal mechanisms of laser micromachining of indium tin oxide | |
Lee et al. | An experimental method for laser micro-machining of spherical and elliptical 3-D objects |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Lapse of definitive patent protection due to non-payment of fees |