DD245833A1

DD245833A1 - Vorrichtung fuer die lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DD245833A1
Application number: DD28682786A
Authority: DD
Inventors: Guenter Reisse; Horst Exner; Gerhard Zscherpe; Steffen Weissmantel; Klaus Zimmer
Original assignee: Mittweida Ing Hochschule
Priority date: 1986-02-06
Filing date: 1986-02-06
Publication date: 1987-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung fuer die Materialbearbeitung durch Laserstrahleinwirkung. Das Ziel sowie die zu loesende Aufgabe der Erfindung bestehen in der Realisierung der selektiven Lasermaterialbearbeitung von Festkoerperoberflaechen und Schichten wahlweise im Vakuum oder unter definiert vorgegebener Gaseinwirkung im waehlbaren Probentemperaturbereich von einigen 10 bis wenigstens 1 300 K mit hoher Positioniergenauigkeit des Laserstrahles. Erfindungsgemaess wurden eine oder mehrere, ueber flexible Leitungen auf Hochvakuum evakuierbare und mit beliebigen Gasen beschickbare Bearbeitungskammern auf Koordinatentische kommerzieller Laseranlagen positioniert und mit diesen programmgesteuert bewegt. Die Bearbeitungskammer enthaelt einen thermisch isoliert angebrachten Probenhalter mit einem separat beschickbaren Innenraum fuer die Einleitung eines Kuehlmediums oder fuer die Einfuehrung von Heizelementen und besitzt im Bereich ueber dem Probenhalter einen Einsatz aus einem fuer die verwendete Laserstrahlung transparenten Material. Die Erfindung ist anwendbar auf folgenden Gebieten der Lasertechnologie: Mikromaterialbearbeitung, Modifizierung der Eigenschaften von Festkoerperoberflaechen und Schichten, laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar auf folgenden Gebieten der Lasertechnologie: Mikromaterialbearbeitung, Modifizierung der Eigenschaften von Festkörperoberflächen und Schichten, laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um während der Lasermaterialbearbeitung von Festkörperoberflächen und Schichten unerwünschte Oberflächenreaktionen zu vermeiden oder Oberflächenreaktionen definiert zu erzeugen, wird der Bearbeitungsprozeß in zunehmendem Maße in separaten Rezipienten unter Vakuumbedingungen, unter Schutzgaseinfluß oder unter dem Einfluß'reaktiver Gase durchgeführt. Die laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase findet in evakuierbaren Reaktionskammern statt. Diese Verfahren besitzen das gemeinsame Merkmal, daß der Laserstrahl in den Rezipienten oder die Reaktionskammer eingekoppelt auf die zu bearbeitende Probenoberfläche oder die zu beschichtenden Substrate gerichtet werden muß, wobei zum Teil eine programmgesteuerte Relativbewegung zwischen Proben- oder Substratoberfläche und Laserstrahl mit hoher Positioniergenauigkeit gefordert wird.

Folgende Vorrichtungen für die Realisierung dieser Verfahren sind bereits bekannt:

Zur Abscheidung dünner Schichten durch Laserstrahlverdampfung wird der Laserstrahl durch ein transparentes Fenster in den stationären Vakuumrezipienten eingekoppelt und mit Hilfe von Umlenkspiegeln über die Oberfläche des zu verdampfenden Materials bewegt (z.B.: Fujmori, S.; T.Kasai,T.lnamura: Thin Solid Films, 92 [1982] 71-80).

Die laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase wurde bisher in stationären Reaktionskammern durchgeführt. Die Ablenkung des Laserstrahles über die Probenoberfläche erfolgte mit Hilfe eines außerhalb der Reaktionskammern angebrachten Ablenkspiegelsystems (z.B.: Bilenchi, R., I.Gianinoni, M.Musci: Applied Physics Letters, 47,3 [1985] 279-281).

In der Patentschrift DD B23K26/12223096A1 wird eine stationäre Kammer beschrieben für die Realisierung einer stetigen Schutzgasatmosphäre beim Laserschweißen von Gehäuseteilen aus Titan. Innerhalb dieser Kammer ist der gesamte Koordinatentisch mit dem zu schweißenden Werkstück angeordnet.

In der Patentschrift EP B23K26/120102836A2 wird eine bewegbare Schutzkammer für das Laserschweißen voluminöser Werkstücke unter Inertgas-oder nicht reaktiver Atmosphäre beschrieben.

Für die Lasermaterialbearbeitung unter Vakuumbedingungen oder unter der Einwirkung inerter und/oder reaktiver Reinstgase bei vorgegebenem Druck und vorgegebener Substrattemperatur sowie vorgegebener Positioniergenauigkeit des Laserstrahles auf der Probenoberfläche bis in den sub-/im-Bereich sind diese Vorrichtungen nicht geeignet.

Ziel der Erfindung .. _v

Das Ziel der Erfindung ist die Realisierung der selektiven Lasermaterialbearbeitung von Festkörperoberflächen und Schichten wahlweise bei tiefen und hohen Probentemperaturen im Vakuum oder unter definiert vorgegebener Gaseinwirkung sowie der laserinduzierten Schichtabscheidung aus der Gasphase mit hoher Positioniergenauigkeit des Laserstrahles und ohne erhöhten technischen Aufwand.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die in Verbindung mit kommerziellen Lasermaterialbearbeitungsanlagen die programmgesteuerte Durchführung der selektiven Lasermaterialbearbeitung mit der Positioniergenauigkeit des Koordinatentisches der Laseranlage bei geringer Foküslänge der Fokussieroptik wahlweise im Hochvakuum oder unter dem Einfluß beliebiger, auch reaktiver Gase oder Dämpfe bei Drücken bis zu einigen Atmosphären sowie die laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase im wählbaren Probentemperaturbereich von einigen 10 Kelvin bis wenigstens 1300K kontaminationsfrei und ohne zusätzliche Strahlführungs- und -formungseinrichtungen und Handlingssysteme ermöglicht.

Die in bekannten Vorrichtungen realisierte Einkoppelung des Laserstrahles in fest mit Vakuumpumpständen verbundene Rezipienten und seine programmgesteuerte Ablenkung über die Oberfläche der im Rezipienten entsprechend angeordneten Proben erfordert zusätzlich optische Bauteile, beispielsweise Umlenkspiegel, Strahlaufweiter und spezielle Fokussierungsoptiken, sowie Spiegelablenksysteme für den Laserstrahl oder besondere Koordinatentische für die gesteuerte Bewegung des Probenhalters im Rezipienten. Die zusätzlichen optischen Bauteile absorbieren jedoch einen Teil der Laserstrahlenergie, und die Ablenkung eines Laserstrahles oder die gesteuerte Bewegung eines Probenhalters in einem ,Rezipienten ist bei den geforderten Positioniergenauigkeiten des Laserstrahles auf der Probe von einem Mikrometer und darunter ein schwer lösbares Problem. Die bekannte bewegbare Schutzkammer für das Laserstrahlschweißen makroskopischer Werkstücke unter Schutzgasatmosphäre ist aufgrund ihrer Konstruktion und der technologischen Parameter für die Mikromaterialbearbeitung, die laserinduzierte Oberflächenmodifizierung und die laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase nicht geeignet. Des weiteren sind keine bewegbaren Probenhalter bekannt, die eine vorgegebene Einstellung der Probentemperatur auf Werte zwischen einigen 10 Kelvin und wenigstens 1300 Kelvin gestatten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine auf Hochvakuum evakuierbare und mit beliebigen Gasen oder Dämpfen beschickbare Bearbeitungskammer oder eine Anordnung aus mehreren, durch Vakuumventile miteinander verbundenen und mittels eines Probentransportsystems nacheinander beschickbaren Bearbeitungskammern auf Koordinatentische kommerzieller Laseranlagen positioniert und mit diesen programmgesteuert bewegt wird, wobei die Vakuumerzeugung in der Bearbeitungskammer und wahlweise auch der Einlaß verschiedener Gase über flexible Leitungen erfolgt.

Die Bearbeitungskammer enthält wenigstens einen wahlweise kühl- und heizbaren Probenhalter, der innerhalb der Kammer thermisch isoliert angebracht ist und einen separat beschickbaren und wahlweise auf Hochvakuum evakuierbaren Innenraum besitzt für die Einleitung von Kühlflüssigkeiten oder gekühlten Gasen zur Erzeugung niedriger Probentemperaturen oder für die Einführung von Heizelementen zur Erzeugung hoher Probentemperaturen.

Für die Einkoppelung der verwendeten Laserstrahlen auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Proben enthält die Bearbeitungskammer im Bereich über dem Probenhalter wenigstens einen Einsatz aus einem für die Laserstrahlen transparenten Material.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in Verbindung mit einer Lasermaterialbearbeitungsanlage Fig. 2: Einen Querschnitt durch die Vorrichtung Fig. 3: Die Vorrichtung in Draufsicht

Innerhalb einer auf Hochvakuum evakuierbaren und auf den Koordinatentisch 10 einer kornnvarziellen Lasermaterialbearbeitungsanlage 2 fest montierbaren und mit diesem bewegbaren Kammer 6 ist der Probenhalter 5 für die zu bearbeitenden Proben 4 oder zu beschichtenden Substrate 4 angeordnet. "

Zur Einkoppelung des Laserstrahles 1 auf die Oberfläche der Probe 4 besitzt die Kammer 6 im Bereich über dem Probenhalter einen auswechselbaren, hochvakuumgedichteten Einsatz 3 aus einem für die verwendete Laserstrahlung transparenten Material. Für die selektive Materialbearbeitung mit fokussiertem Laserstrahl ist der Einsatz 3 als planparallele Scheibe ausgebildet. Zur Durchführung der flächenhaften Laserimpulsbehandiung im step und repeat-Betrieb wird als Einsatz 3 ein Laserstrahlhomogenisator verwendet, dessen Strahlaustrittsfläche unmittelbar über der Probenoberfläche positioniert ist. Die Kammer 6 besteht aus einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Mittelteil 14, dem oberen Abschlußdeckel 13 mit dem Einsatz 3 und dem unteren Abschlußdeckel 19.

Der als Dose ausgebildete Probenhalter 5 besitzt ein Zuführungsrohr 7 für die Einleitung eines Kühlmediums oder die Einführung eines Heizelementes 16, so daß wahlweise Temperaturen im Bereich von einigen 10 Kelvin bis 1300 Kelvin einstellbar sind. Die dazu erforderliche thermische Isolation des Probenhalters 5 gegenüber der Kammer 6 wird dadurch erreicht, daß an das Mittelteil 14der Kammer 6 seitlich ein Rohr 8 angebracht ist, welches das als Halterung des Probenhalters 5 dienende Zuführungsrohr7 in einem bestimmten Abstand umschließt und nur an seinem oberen Ende mit diesem über ein Distanzstück 9 hochvakuumdicht verschweißtist. Das Mittelteil 14 der Kammer 6 besitzt des weiteren mehrere Anschlußflansche 12,24,25, von denen je einer zum Anschluß der Kammer 6 an den Vakuumpumpstand über eine flexible Vakuumleitung, beispielsweise einen Metallbalg 11, zum Gaseinlaß und für elektrische Durchführungen verwendet werden. Das rotationssymmetrisch ausgebildete Mittelteil 14 der Kammer 6 wird an seineroberen und unteren Seite durch die lösbaren, scheibenförmigen Abschlußdeckel 13,19 hochvakuumdicht verschlossen.

Das Mittelteil 14 und die beiden Abschlußdeckel.13,19 werden durch aufgesetzte Kühlschlangen 17 gekühlt, um eine Aufheizung der Kammer 6 und eine Beschädigung der Hochvakuumdichtungen 18 durch die Wärmestrahlung des Probenhalters 5 bei hohen Probentemperaturen zu vermeiden.

Das Heizelement 16für die Einstellung der erforderlichen Probentemperatur besteht aus einer Glühwendel 20 aus Wolfram- oder Tantaldraht, den Halte- und Zuführungsstäben 21 aus Molybdän und einem Rohr 22 aus Keramik oder Quarzglas, in das die Halte- und Zuführungsstäbe 21 hochvakuumdicht und gegeneinander isoliert eingeklebt oder eingeschmolzen sind. Das eingeführte Heizelement 16 wird mit dem Zuführungsrohr 7 durch das Anschlußteil 15 hochvakuumdicht verbunden, wodurch der Innenraum des Halters während des Betriebes der Glühwendel mit Hilfe eines am Flansch 23 über einen flexiblen Metallbalg angeschlossenen Hochvakuumpumpstand auf das erforderliche Vakuum evakuierbar ist. Das Heizelement 16 kann zur Erhöhung der Heizleistung auch als Elektronenstoßheizung betrieben werden, wenn die Glühwendel 20 gegenüber dem Probenhalter 5 ein entsprechend hohes negatives Potential erhält.

Zur Einstellung tiefer Probentemperaturen werden die Kühlflüssigkeit, beispielsweise flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium, oder ein gekühltes Gas nach Entfernen des Heizelementes 16 und des Anschlußteiles 15 durch ein in das Zuführungsrohr 7 eingeschobenes Füllrohr in den Innenraum des Probenhalters 5 eingeleitet. Zur Vermeidung von Reifbildung am oberen Ende des Zuführungsrohres und am herausragenden Teil des Füllrohres wird eine Ummantelung aus wärmeisolierendem Material, beispielsweise Polystyrol, angebracht.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist aus X8CrNiTi-Stahl hergestellt und erfüllt die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, wobei zur Erzeugung der erforderlichen Vakua kommerzielle Vakuumpumpstände einsetzbar sind und ohne Einschränkung ihrer sonstigen Bestimmung.

Claims

ι
Erfindungsanspruch:

1. Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung, gekennzeichnet dadurch, daß eine auf Hochvakuum evakuierbare und mit beliebigen Gasen oder Dämpfen beschickbare Bearbeitungskammer oder eine Anordnung aus mehreren, durch Vakuumventile miteinander verbundenen und mittels eines probentransportsystems nacheinander beschickbaren Bearbeitungskammern auf Koordinatentische kommerzieller Laseranlagen positioniert und mit diesen programmgesteuert bewegt wird, daß die Bearbeitungskammer wenigstens einen wahlweise kühl- und heizbaren Probenhalter, der innerhalb der Kammerthermisch isoliert angebracht ist, und wenigstens einen transparenten Einsatz für die Einkoppelung der verwendeten Laserstrahlung auf die Oberfläche der Proben enthält und daß der Probenhalter einen separat beschickbaren und wahlweise auf Hochvakuum evakuierbaren Innenraum besitzt für die Einleitung von Kühlflüssigkeiten oder gekühlten Gasen zur Erzeugung niedriger Probentemperaturen oder für die Einführung von Heizelementen zur Erzeugung hoher Probentemperaturen.
2. Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß die vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildete Bearbeitungskammer aus einem Mittelteil mit einem seitlich angebrachten Rohr und mehreren Anschlußflanschen sowie aus dem oberen scheibenförmigen Abschlußdeckel mit dem für die Laserstrahlung transparenten Einsatz und dem unteren scheibenförmigen Abschlußdeckel, die an das Mittelteil hochvakuumdicht und lösbar angeflanscht sind, besteht und daß der Probenhalter vorzugsweise als rotationssymmetrische Dose ausgebildet ist und ein als Halterung dienendes Zuführungsrohr für die Einleitung eines Kühlmediums oder die Einführung eines Heizelementes besitzt, das vom seitlich angebrachten Rohr der Bearbeitungskammer in einem bestimmten Abstand umschlossen wird und an dessen oberen Ende mit diesem über ein Distanzstück verschweißt ist.