DE4224282A1 - Verfahren zur abtragenden Mikrostrukturierung von Glas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum abtragenden Strukturieren, Gravieren und Trennen von Glas, das vorzugsweise für Strukturen geringer Breite anwendbar ist, wobei die Breite bis herunter zu 10 µm betragen kann und für Glasdicken, die auch größer als 100 µm sein können.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, zum Strukturieren, Gravieren und Trennen von Silikatgläsern Festkörperlaser in indirekter Bearbeitung einzusetzen. Beispielsweise sind nach DE-OS 33 26 571 und DE-OS 34 02 871 Verfahren bekannt, bei denen Glas durch eine Metallschicht strukturiert wird, wobei nur das Metall die Strahlung absorbiert. Diese sogenannte indirekte Bearbeitung ist deshalb erforderlich, weil das Glas für die in Frage kommenden Wellenlängen von Festkörperlasern transparent ist. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß für die Bearbeitung immer eine Metallfolie als Opferschicht benötigt wird, um das Glas zu strukturieren.

Nach dem Stand der Technik ist es weiterhin gemäß DE-OS 31 47 385 und DE-OS 31 45 278 bekannt, Glas mittels Gaslaser, vorzugsweise CO₂-Laser mit der Wellenlänge λ = 10,6 µm, zu bearbeiten. Die Bearbeitung wird ermöglicht, da gerade die Wellenlänge dieses Lasers von Silikatgläsern absorbiert wird.

Verfahren unter Nutzung dieses Lasertyps haben den Nachteil, daß sie - bedingt durch seine Wellenlänge und den daraus resultierenden Brennfleckdurchmesser - für Strukturen geringer Breiten nicht geeignet sind.

In dem in DE-OS 31 45 278 beschriebenen Verfahren wird zudem noch zusätzlich eine teilweise absorbierende Matrix im Strahlengang benötigt, um den Laserstrahl zu teilen und die Einzelstrahlen dem gewünschten Abtrag anzupassen.

In DE-OS 37 42 770 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Verwendung eines Excimerlasers (z. B. XeCl-Excimerlaser mit λ = 308 nm) die Herstellung von Poren mit Durchmessern zwischen 0,5 µm bis 10 µm in dünnen Folien aus Polymeren, Glas oder Keramik erfolgt. Bei diesem Verfahren erfolgt der Materialabtrag über einen photochemischen Ätzprozeß. Aus den prozeßtypischen kurzen Puls­ dauern von einigen 10 ns und dem damit verbundenen geringen Materialabtrag pro Puls ergibt sich, daß Bearbeitungsdicken über 100 µm für das trennende Strukturieren nicht in Frage kommen. Es sind zudem abbildende Masken im Strahlengang des Lasers notwendig.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Strukturen geringer Breite, bis herunter zu 10 µm in Glassubstraten, welche auch Dicken aufweisen, die größer als 100 µm sind, mit einer möglichst geringen Bearbeitungsdauer zu erzeugen.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß ein metalldotiertes Spezialglas mit einem gepulsten Festkörperlaser, vorzugsweise mit einem Nd-YAG-Laser mit der Wellenlänge λ = 1,06 µm, bestrahlt wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Die Verwendung eines Festkörperlasers für die Glasbearbeitung besitzt den Vorteil, daß bedingt durch den minimalen Brennfleck­ durchmesser, z. B. des Nd-YAG-Lasers von 5 µm, auch sehr kleine Strukturdurchmesser erreicht werden können. Des weiteren sollte die Bearbeitung direkt ohne zusätzliche Hilfsmittel wie Masken oder Metallschichten auf dem Glas erfolgen.

Die Erfindung beruht darauf, daß ein speziell für die Bearbeitung entwickeltes modifiziertes Silikatglas bearbeitet wird, das die Laserstrahlung von Festkörperlasern absorbiert und das Glas somit direkt strukturiert werden kann. Die gepulste Laserstrahlung läßt das Glas in der Bearbeitungszone schmelzen und verdampfen und trägt so mit jedem Puls volumenmäßig Material ab. Bei beliebig reali­ sierter Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück lassen sich beliebige Strukturen, wie Stege, Löcher, Vertiefungen oder auch Gravuren erzielen.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der Bearbeitung einer Glasscheibe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. 2 Eine Darstellung der Unterseite eines bearbeiteten Werkstücks, in dem eine Bohrung mit Wölbung erzeugt wurde.

Für die abtragende Mikrostrukturierung von Glas mit Festkörper­ lasern werden speziell ausgewählte Paarungen von dotierten Gläsern und Laser verwendet. Die Gläser werden je nach einzusetzendem Festkörperlaser so dotiert, daß sie bei entsprechender Wellenlänge eine Absorptionsbande aufweisen. Das Glas absorbiert die Laser­ strahlung 2. Es wird so lokal auf die erforderliche Prozeßtempera­ tur gebracht, die zur Phasenumwandlung in Schmelze und Dampf führt. Das zu bearbeitende Glassubstrat 8 ist mittels einer Spannvor­ richtung 6 am Arbeitstisch 7 befestigt.

Mit einem gepulsten 50 Watt Nd-YAG-Laser 1, mit λ = 1,06 µm, wurden in ein 1000 µm dickes Glassubstrat 8 Durchbrüche von Durch­ messern zwischen 20 µm bis 100 µm erzeugt. Über ein optisches Linsensystem 3 wird die Laserstrahlung 2 auf den gewünschten Brennfleckdurchmesser fokussiert. Die Gaszuführung 4 läßt das Prozeßgas 5 axial zur Laserstrahlung auf die zu bearbeitende Glasoberfläche strömen.

Bei dem Glas handelt es sich um ein Eisen-dotiertes Borosilikatglas mit einem Ausdehnungskoeffizienten, der dem von Silizium nahezu identisch ist, um das Glas im Anschluß an die Strukturierung mit Silizium fügen zu können.

Vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozeß der Laserstrukturierung wird das Glas mit Hilfe eines Halogen-Infrarot-Reflektor­ strahlers 9 auf eine Temperatur, die etwa der Erweichungstemperatur des Glases entspricht, aufgeheizt. Dadurch werden thermische Spannungen während der Bearbeitung vermieden.

Die Bearbeitungsdauer für eine solche Struktur beträgt 0,5 s. Die während der Bearbeitung pro Impuls umgesetzte Energie liegt je nach gewünschtem Strukturdurchmesser zwischen 0,2 J bis 1,0 J.

In Fig. 2 wird eine Durchgangsbohrung durch eine 1000 µm dicke Glasscheibe mit ringförmiger Aufwölbung um die Bohrung dargestellt.

Für bestimmte Einsatzfälle ist es hinderlich, daß die bearbeiteten Glassubstrate Krater oder Aufwölbungen aufweisen. Für diesen Fall macht sich ein sich an die Laserbearbeitung anschließender Schleifprozeß nach Patentanspruch 5 notwendig.

Bezugszeichenliste

1 Laser
2 Laserstrahlung
3 Optisches Linsensystem
4 Gaszuführung
5 Prozeßgas
6 Spannvorrichtung
7 Arbeitstisch
8 Glassubstrat
9 Halogen-Infrarot-Reflektorstrahler

Claims (6)

1. Verfahren zum abtragenden Strukturieren, Gravieren und Trennen von Glas, das vorzugsweise für Strukturen geringer Breite anwendbar ist, wobei die Breite bis herunter zu 10 µm betragen kann und für Glasdicken , die auch größer als 100 µm sein können, dadurch gekennzeichnet, daß ein metalldotiertes Spezialglas mit einem gepulsten Festkörperlaser, vorzugsweise mit einem Nd-YAG-Laser mit der Wellenlänge λ = 1,06 µm, bestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das zu bearbeitende Werkstück, axial zum Laserstrahl, ein Prozeßgas zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Glaswerkstück vor oder während der Bearbeitung auf eine Temperatur erwärmt wird, die höchstens die Erweichungs­ temperatur des Glases ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ober- und/oder Unterseite des Werkstücks nach der Laserbearbeitung poliert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Erzeugung ringförmiger Aufwölbungen an der Unterseite von im Werkstück erzeugten Bohrungen, das Werkstück während der Bearbeitung an der Unterseite dieser Bohrung so gelagert ist, daß die Bohrung und ihre Umgebung freiliegend angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei der Bearbeitung die Laserleistung so gewählt wird, daß lediglich lokale Kristallisationen des Glases in bestimmten Gebieten entstehen, ohne daß ein abtragendes Struktu­ rieren erfolgt und daß die so lokal kristallisierten Glasgebiete durch einen anschließenden Ätzprozeß herausgelöst werden.