DD245833A1

DD245833A1 - DEVICE FOR LASER MATERIAL PROCESSING

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.The invention relates to a device for material processing by laser beam exposure. The object and the object to be solved of the invention consist in the realization of selective laser material processing of Festkoerperoberflaechen and layers either in vacuum or under defined predetermined gas in the selectable sample temperature range of some 10 to at least 1 300 K with high positioning accuracy of the laser beam. According to the invention, one or more processing chambers, which can be evacuated by means of flexible lines to a high vacuum and can be fed with any desired gases, are positioned on coordinate tables of commercial laser systems and moved programmatically with them. The processing chamber contains a thermally insulated mounted sample holder with a separately loadable interior for the introduction of a cooling medium or for the introduction of heating elements and has in the area above the sample holder an insert of a transparent material for the laser radiation used. The invention is applicable in the following fields of laser technology: micromaterial processing, modification of the properties of solid surfaces and layers, laser-induced layer deposition from the gas phase.

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar auf folgenden Gebieten der Lasertechnologie: Mikromaterialbearbeitung, Modifizierung der Eigenschaften von Festkörperoberflächen und Schichten, laserinduzierte Schichtabscheidung aus der Gasphase.The invention is applicable in the following fields of laser technology: micro-material processing, modification of the properties of solid surfaces and layers, laser-induced layer deposition from the gas phase.

Characteristic of the known technical solutions

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.In order to avoid undesired surface reactions or to define surface reactions during laser material processing of solid surfaces and layers, the processing process is increasingly carried out in separate containers under vacuum conditions, under the influence of inert gas or under the influence of reactive gases. The laser-induced layer deposition from the gas phase takes place in evacuatable reaction chambers. These methods have the common feature that the laser beam must be coupled into the recipient or reaction chamber coupled to the sample surface or substrates to be processed, sometimes requiring program-controlled relative movement between sample or substrate surface and laser beam with high positioning accuracy.

Folgende Vorrichtungen für die Realisierung dieser Verfahren sind bereits bekannt:The following devices for implementing these methods are already known:

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).For the deposition of thin layers by laser beam evaporation, the laser beam is coupled through a transparent window in the stationary Vakuumrezipienten and moved by means of deflecting mirrors on the surface of the material to be evaporated (eg: 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).The laser-induced layer deposition from the gas phase has hitherto been carried out in stationary reaction chambers. The laser beam was deflected across the sample surface by means of a deflection mirror system mounted outside the reaction chambers (e.g., 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 the patent DD B23K26 / 12223096A1 a stationary chamber is described for the realization of a steady inert gas atmosphere during laser welding of housing parts made of titanium. Within this chamber, the entire coordinate table with the workpiece to be welded is arranged.

In der Patentschrift EP B23K26/120102836A2 wird eine bewegbare Schutzkammer für das Laserschweißen voluminöser Werkstücke unter Inertgas-oder nicht reaktiver Atmosphäre beschrieben.The patent EP B23K26 / 120102836A2 describes a movable protective chamber for the laser welding of bulky workpieces under inert gas or non-reactive atmosphere.

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.For the laser material processing under vacuum conditions or under the action of inert and / or reactive pure gases at a predetermined pressure and substrate temperature and predetermined positioning accuracy of the laser beam on the sample surface to the sub- / in-area these devices are not suitable.

Ziel der Erfindung .. _v Object of the invention .. _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.The aim of the invention is the realization of the selective laser material processing of solid surfaces and layers optionally at low and high sample temperatures in vacuum or under defined predetermined gas action and the laser-induced layer deposition from the gas phase with high positioning accuracy of the laser beam and without increased technical complexity.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to develop a device that in conjunction with commercial laser material processing systems, the program-controlled implementation of selective laser material processing with the positioning accuracy of the coordinate table of the laser system with low focus length of the focusing optics either in a high vacuum or under the influence of any, including reactive gases or vapors at pressures up to several atmospheres and the laser-induced layer deposition from the gas phase in the selectable sample temperature range of a few 10 Kelvin to at least 1300K contamination-free and without additional Strahlführungs- and -formungseinrichtungen and handling systems.

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.The realized in known devices coupling the laser beam into fixed with vacuum pumping connected recipients and its program-controlled deflection over the surface of the sample appropriately arranged samples also requires optical components, such as deflection mirrors, beam expander and special focusing optics, as well as mirror deflection systems for the laser beam or special coordinate tables for the controlled movement of the sample holder in the recipient. However, the additional optical components absorb part of the laser beam energy, and the deflection of a laser beam or the controlled movement of a sample holder in a receptacle is a difficult problem at the required positioning accuracies of the laser beam on the one micron sample and below. The known movable protective chamber for the laser beam welding of macroscopic workpieces under a protective gas atmosphere is not suitable because of their construction and the technological parameters for the micromaterial processing, the laser-induced surface modification and the laser-induced layer deposition from the gas phase. Furthermore, no movable sample holders are known which allow a predetermined adjustment of the sample temperature to values between a few 10 Kelvin and at least 1300 Kelvin.

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.According to the invention, the object is achieved in that a vacuum chamber which can be evacuated to high vacuum and fed with any gases or vapors or an arrangement of a plurality of processing chambers interconnected by vacuum valves and successively loadable by means of a sample transport system is positioned on coordinate tables of commercial laser systems and moved programmatically with them the vacuum generation in the processing chamber and optionally also the inlet of various gases via flexible lines takes place.

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.The processing chamber contains at least one selectively coolable and heatable sample holder, which is mounted inside the chamber thermally insulated and has a separately loadable and optionally evacuated on high vacuum interior for the introduction of cooling liquids or cooled gases to produce low sample temperatures or for the introduction of heating elements for Generation of high sample temperatures.

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.For the coupling of the laser beams used on the surface of the samples to be processed, the processing chamber in the area above the sample holder at least one insert of a transparent material for the laser beams.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in Verbindung mit einer Lasermaterialbearbeitungsanlage Fig. 2: Einen Querschnitt durch die Vorrichtung Fig. 3: Die Vorrichtung in DraufsichtFig. 1: A schematic representation of the device in conjunction with a laser material processing system Fig. 2: A cross section through the device Fig. 3: The device in plan view

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. "The sample holder 5 for the samples 4 to be processed or substrates 4 to be coated is arranged within a chamber 6 which can be evacuated on a high vacuum and is fixedly mounted on the coordinate table 10 of a grain-nanoscale laser material processing installation 2. "

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.For coupling the laser beam 1 onto the surface of the sample 4, the chamber 6 in the region above the sample holder has an exchangeable, high-vacuum-sealed insert 3 made of a material transparent to the laser radiation used. For selective material processing with a focused laser beam, the insert 3 is designed as a plane-parallel disk. In order to perform the planar laser pulse treatment in the step and repeat operation, a laser beam homogenizer is used as the insert 3, the beam exit surface of which is positioned directly above the sample surface. The chamber 6 consists of a rotationally symmetrical middle part 14, the upper end cover 13 with the insert 3 and the lower end cover 19th

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.The sample holder 5 designed as a can has a feed tube 7 for the introduction of a cooling medium or the introduction of a heating element 16, so that optionally temperatures in the range of a few 10 Kelvin to 1300 Kelvin are adjustable. The required thermal insulation of the sample holder 5 relative to the chamber 6 is achieved in that on the middle part 14 of the chamber 6, a tube 8 is mounted laterally, which surrounds the serving as a holder of the sample holder 5 Zuführungsrohr7 at a certain distance and only at its upper end welded with this over a spacer 9 high vacuum-tight. The middle part 14 of the chamber 6 further has a plurality of connecting flanges 12,24,25, one of which is used for connecting the chamber 6 to the vacuum pump via a flexible vacuum line, such as a metal bellows 11, for gas inlet and electrical feedthroughs. The rotationally symmetrical formed central portion 14 of the chamber 6 is closed at its upper and lower sides by the detachable disc-shaped end cap 13,19 high vacuum-tight.

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.The middle part 14 and the two end covers. 13,19 are cooled by attached cooling coils 17 to prevent heating of the chamber 6 and damage to the high vacuum seals 18 by the heat radiation of the sample holder 5 at high sample temperatures.

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.The heating element 16 for setting the required sample temperature consists of an incandescent filament 20 made of tungsten or tantalum, the holding and feeding rods 21 made of molybdenum and a tube 22 made of ceramic or quartz glass, in which the holding and feeding rods 21 highly vacuum-tight and glued isolated against each other or are melted down. The inserted heating element 16 is connected to the supply pipe 7 through the connection part 15 high vacuum-tight, whereby the interior of the holder during operation of the filament by means of a flange 23 connected via a flexible metal bellows high vacuum pumping station to the required vacuum can be evacuated. The heating element 16 can also be operated as an electron impact heater to increase the heating power when the filament 20 is compared to the sample holder 5 receives a correspondingly high negative potential.

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.To set low sample temperatures, the cooling liquid, for example, liquid nitrogen or liquid helium, or a cooled gas after removal of the heating element 16 and the connecting part 15 is introduced by an inserted into the feed tube 7 filling tube into the interior of the sample holder 5. To avoid frost formation at the upper end of the feed tube and the protruding part of the filling tube, a jacket of heat-insulating material, such as polystyrene, is attached.

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.The proposed device is made of X8CrNiTi steel and meets the object underlying the invention, wherein for the production of the required vacuum commercial vacuum pumping stations are used and without limiting their other provision.

Claims

ι
Invention claim:

1. Apparatus for laser material processing, characterized in that an evacuable to high vacuum and feedable with any gases or vapors processing chamber or an array of several interconnected by vacuum valves and successively loadable by means of a sample transport system processing chambers positioned on coordinate tables commercial laser systems and moves programmatically with them in that the processing chamber includes at least one optionally coolable and heatable sample holder mounted within the chamber thermally isolated and at least one transparent insert for coupling the laser radiation used to the surface of the samples, and that the sample holder has a separately chargeable and optionally high vacuum evacuable interior has for the introduction of cooling liquids or cooled gases to produce low sample temperatures or for the introduction of heating elements for generating high sample temperatures.

2. Apparatus for laser material processing according to claim!, Characterized in that the preferably rotationally symmetrical machining chamber of a central part with a laterally mounted tube and a plurality of connecting flanges and from the upper disk-shaped end cover with the transparent for the laser radiation insert and the lower disc-shaped end cover, the to the middle part are high-vacuum-tight and releasably flanged, and that the sample holder is preferably designed as a rotationally symmetrical box and serving as a support supply pipe for the introduction of a cooling medium or the introduction of a heating element which enclosed by the laterally mounted pipe of the processing chamber at a certain distance is welded and at its upper end with this via a spacer.