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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung, welche dazu eingerichtet sind, zumindest eine Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes mit Laserstrahlung und Plasma zu beaufschlagen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer solchen Vorrichtung.
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Aus der Praxis ist bekannt, Laserstrahlung zum Materialabtrag und damit zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstückes einzusetzen. Hierzu werden in der Regel Dauerstrichlaser oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von einigen Nanosekunden oder mehr verwendet. Die Wirkung der Laserstrahlung beruht in der Regel darauf, dass die Oberfläche am Auftreffort der Laserstrahlung lokal erwärmt wird und das Material des Werkstückes dadurch verdampft. Hierzu sind vergleichsweise leistungsfähige Laser mit Ausgangsleistungen von einigen Watt bis einigen Kilowatt erforderlich.
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Darüber hinaus ist bekannt, zur Materialbearbeitung Kurzpulslaser mit einer Pulslänge von wenigen Pikosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden einzusetzen. Diese Laserstrahlung weist den Vorteil auf, dass der Materialabtrag nicht auf thermischen Effekten basiert. Vielmehr wird der Energieeintrag aus der Laserstrahlung gestoppt, ehe eine merkliche Erwärmung der Oberfläche des Werkstückes eintritt. Hierdurch kann eine Schädigung der umgebenden Kristallstruktur vermieden werden, so dass die Oberflächengüte des Bearbeiteten Werkstückes verbessert sein kann.
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Die Materialbearbeitung mit solchen Kurzpulslasern weist jedoch den Nachteil auf, dass die Abtragrate nur sehr gering ist und daher die Bearbeitung des Werkstückes sehr langwierig und dadurch teuer ist.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung anzugeben, welche einerseits thermische Schäden an dem zu bearbeitenden Werkstück vermeidet und andererseits eine rasche Bearbeitung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes vorgeschlagen, welche gepulste Laserstrahlung mit der Einwirkung eines Plasmas kombiniert. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die Abtragleistung sehr kurzer Laserpulse erheblich steigern lässt, wenn die Oberfläche vor, während oder nach der Einwirkung der Laserstrahlung einem Plasma ausgesetzt wird.
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Das erfindungsgemäß bearbeitete Werkstück kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Metall oder eine Legierung enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück ein Halbleitermaterial enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Silizium, Germanium oder einen III-V-Verbindungshalbleiter. In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Werkstück einen Isolator bzw. ein Dielektrikum enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff. Das Werkstück kann homogen aufgebaut sein, also aus einem Material bestehen, oder aber eine Beschichtung aufweisen, welche mit dem vorgeschlagenen Verfahren bearbeitet wird. Das Werkstück kann einkristallin sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück polykristallin oder amorph sein.
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Das Bearbeiten der Oberfläche des Werkstückes kann in einigen Ausführungsformen darin bestehen, dass Material von der Oberfläche entfernt wird. Dies kann vollflächig geschehen oder in einer Teilfläche der Oberfläche. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Bestellnummer, eine Marke, eine Chargennummer oder eine sonstige Herstellerangabe in die Oberfläche eingraviert werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Oberfläche für nachfolgende Verarbeitungsschritte vorbereitet werden, beispielsweise für ein Fügeverfahren oder eine Lackierung. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann durch einen Materialabtrag mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Halbzeug ein mikrostrukturiertes elektronisches oder mechanisches oder elektromechanisches Bauteil erzeugt werden. Ein solches mikromechanisches und/oder mikroelektronisches Bauelement kann beispielsweise zu Energiegewinnung, zur Energiespeicherung, als Sensor für Druck oder Beschleunigung oder auch in der Mikrofluidik (lab-on-chip) oder in der Mikrooptik eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zum Materialabtrag eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung einzusetzen, welche dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs aufweist. Eine solche Laserstrahlerzeugungseinrichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Titan-Saphir-Laser oder einen Faserlaser enthalten. Neben der eigentlichen Lichtquelle kann diese Laserstrahlerzeugungseinrichtung weitere Komponenten umfassen, beispielsweise lichtfokussierende oder -defokussierende Elemente oder Spiegel, um den Strahlfleck zu fokussieren oder auf eine vorgebbare Stelle bzw. Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes zu lenken.
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Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass sich die Oberflächengüte der mit dem Laserstrahl bearbeiteten Fläche und/oder die Abtragleistung erheblich steigern lässt, wenn zeitgleich, vor oder nach dem Auftreffen des Laserstrahls ein Plasma auf die Teilfläche einwirkt. Das Plasma wird erfindungsgemäß mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt, sodass dieses in einer Ausführungsform der Erfindung unmittelbar auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann sich das Plasma oberhalb der Oberfläche des Werkstückes befinden, sodass das Plasma nicht unmittelbar auf das Werkstück einwirkt, dieses aber weiterhin mit geladenen Teilchen und/oder Photonen aus dem Plasma in Kontakt gerät.
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Das Plasma kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein nichtthermisches Plasma sein, d.h. die Plasmaerzeugungseinrichtung heizt selektiv das Elektronengas, sodass die Ionenrümpfe des Plasmas vergleichsweise kalt bleiben. Hierzu kann die Plasmaerzeugungseinrichtung in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine ECR-Quelle enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung eine dielektrisch behinderte Entladung verwenden. In diesem Fall wird das elektrische Feld durch Anlegen einer Hochspannung an zwei beabstandete Elektroden erzeugt, wobei zumindest eine Elektrode mit einem Dielektrikum bzw. einem Isolator beschichtet ist. Dies verhindert das Zünden eines heißen Lichtbogens zwischen den Elektroden. Stattdessen bilden sich einzelne Entladungsfilamente durch die Ionisierung des Arbeitsgases im Elektrodenspalt aus, welche jedoch aufgrund des Dielektrikums im Entladungsspalt keine hohen Stromstärken zulassen. Hierdurch wird ein zu hoher Energieeintrag in die Oberfläche des Werkstückes vermieden, welcher zu einer Zerstörung der durch die Laserstrahlung erzeugten Mikrostruktur führen könnte.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, gepulste Laserstrahlung mit einer Repetitionsrate von etwa 5 kHz bis etwa 35 kHz oder von etwa 8 kHz bis etwa 20 kHz oder von etwa 10 kHz bis etwa 15 kHz abzugeben. Eine solchermaßen gepulste Laserstrahlung kann mit einer ebenfalls gepulsten Plasmaerzeugungseinrichtung phasenstarr gekoppelt werden, sodass der zeitliche Vorlauf bzw. Nachlauf der Laserstrahlung und des Plasmas synchronisiert sein können. Die Laserstrahlung trifft dann immer zeitgleich relativ zum Plasma auf die Oberfläche auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung unsynchronisiert zur Plasmaerzeugungseinrichtung abgegeben werden. In diesem Fall können auch mehrere Laserpulse innerhalb eines Plasmazyklus mit der Oberfläche des Werkstückes wechselwirken.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung zeitlich nach dem Plasma auf die Oberfläche treffen. In diesem Fall kann das Plasma die Oberfläche des Werkstückes anregen und/oder lose anhaftende Partikel oder Adsorbate entfernen, woraufhin die Laserstrahlung auf die entsprechend angeregte bzw. gereinigte oder anderweitig vorbereitete Oberfläche trifft.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung zeitgleich mit dem Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffen. In diesem Fall kann das Plasma zusätzlich eine Fokussierung der Laserstrahlung bewirken, sodass kleinere Strukturen erzeugt werden können. Darüber hinaus können durch die Laserstrahlung von der Oberfläche des Werkstückes entfernte Teilchen unmittelbar in der Plasmawolke aufgenommen werden, sodass vermieden wird, diese Partikel erneut auf der Oberfläche des Werkstückes abzuscheiden, sodass diese dort haften bleiben.
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Schließlich kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Laserstrahlung zeitlich vor dem Plasma auf die Oberfläche einwirken. Hierdurch kann das vom Laserstrahl ablatierte Material wieder auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden und nachfolgend durch das Plasma geätzt werden, so dass dieses endgültig und dauerhaft entfernt wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung eine Pulslänge von weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs aufweisen. Laserpulse der genannten Länge bzw. Zeitdauer stellen sicher, dass das Werkstück nicht thermisch geschädigt wird. Vielmehr erfolgt der Materialabtrag durch nichtlineare optische Effekte.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Laserstrahlerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsenergie von etwa 50 µJ bis etwa 250 µJ oder von etwa 80 µJ bis etwa 150 µJ oder von etwa 90 µJ bis etwa 120 µJ abzugeben. Solche Laserstrahlerzeugungseinrichtungen sind einfach und kostengünstig verfügbar und können aufgrund ihres geringen Bauraumes leicht in bestehende Produktionsanlagen integriert werden. Völlig überraschend wurde erkannt, dass trotz der geringen Energie, welche eine geringe Abtragleistung erwarten lässt, durch die Verbindung mit einem Plasma die Abtragleistung erheblich gesteigert werden kann, sodass das Verfahren zum Materialabtrag wirtschaftlich eingesetzt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, ein Atmosphärendruckplasma zu erzeugen. Ein solches Atmosphärendruckplasma vermeidet die Verwendung aufwendiger Vakuumtechnik, sodass der apparative Aufwand weiter verringert wird.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, eine Plasmaleistung von etwa 0,7 W bis etwa 2 W oder von etwa 1 W bis etwa 1,5 W zu erzeugen. Bei diesen Werten handelt es sich um die mittlere Leistung eines gepulst betriebenen Plasmas, welche beispielsweise durch Integration des im Plasma fließenden Stromes über einen Messkondensator bestimmt werden kann. Auch die Plasmaerzeugungseinrichtung weist somit einen geringen Bauraum auf und ermöglicht die einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Elektrode der Plasmaerzeugungseinrichtung mit einer Bohrung versehen sein, durch welche die Laserstrahlung der Laserstrahlerzeugungseinrichtung konfokal zum Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes gelenkt werden kann. Hierdurch kann eine verbesserte Präzision der Materialbearbeitung ermöglicht werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Plasma ein Inertgas enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas des Plasmas ein Edelgas sein. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas des Plasmas Argon sein oder enthalten. Ein Inertgas kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung den Vorteil aufweisen, dass eine unerwünschte Schichtabscheidung aus dem Plasma auf der Oberfläche des Werkstückes vermieden wird. Darüber hinaus kann insbesondere ein Argonplasma effizient unerwünschte Anhaftungen von der Oberfläche durch Ätzen entfernen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen etwa 200 und etwa 8000 Einzelpulse der Laserstrahlung auf eine Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes auftreffen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen etwa 400 und etwa 2000 Einzelpulse auf eine Teilfläche der Oberfläche auftreffen. Hierbei bewirkt eine größere Anzahl von Einzelpulsen der Laserstrahlung einen größeren Materialabtrag.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die von der Laserstrahlung bestrahlte Teilfläche durch relatives Verschieben des Werkstückes und der Laserstrahlerzeugungseinrichtung variiert. Auf diese Weise kann entweder eine größere Fläche bearbeitet werden oder aber eine Strukturierung der Oberfläche vorgenommen werden, indem einige Teilflächen der Laserstrahlung ausgesetzt werden und andere Teilflächen der Laserstrahlung nicht oder in größerem oder geringerem Umfang ausgesetzt werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das relative Verschieben in der Weise, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche teilweise überlappt. Durch diese Überlappung werden die Flächenbereiche mehrfach vom Laserstrahl überfahren, was eine verbesserte Oberflächenqualität und/oder einen größeren Materialabtrag bewirken kann.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Überlappung der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche zwischen etwa 30 % und etwa 70 % oder zwischen etwa 45 % und etwa 55 % des Durchmessers der Teilfläche betragen.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- 2 zeigt die Ablationstiefe eines bekannten Bearbeitungsverfahrens und des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich.
- 3 zeigt die Ablationstiefe und die Linienbreite einer mit einem bekannten Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Ausführungsbeispiel bearbeiteten Oberfläche.
- 4A und 4B zeigen die sich ergebende Oberflächengüte eines bekannten Bearbeitungsverfahren und des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich.
- 5 zeigt die Ablationstiefe eines bekannten Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich.
- 6A und 6B zeigen die sich ergebende Oberflächengüte des bekannten Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 enthält eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 sowie eine Plasmaerzeugungseinrichtung 4. Der Laserstrahl 35 sowie das Plasma 45 können gleichzeitig oder zeitlich versetzt auf die Teilfläche 25 einer Oberfläche 21 eines Werkstückes 2 einwirken. Dies kann eine Materialmodifikation oder in einigen Ausführungsformen einen Materialabtrag bewirken.
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Das Werkstück 2 kann beispielsweise ein Metall oder eine Legierung oder ein Halbleitermaterial enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück 2 ein mikroelektronisches oder ein mikromechanisches Bauelement sein, wobei zumindest einige Verfahrensschritte seiner Herstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
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Das Werkstück 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine plane Platte bzw. ein Wafer. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück 2 auch eine andere Geometrie aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform des Werkstückes 2 ist daher lediglich beispielhaft zu verstehen.
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Das Werkstück 2 liegt auf einer Gegenelektrode 41, welche aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung. Zumindest die der Arbeitselektrode 44 zugewandte Seite der Gegenelektrode 41 ist mit einem Dielektrikum bzw. einem Isolator 42 versehen. Dies verhindert, dass zwischen der Arbeitselektrode 44 und der Gegenelektrode 41 ein heißer Lichtbogen gezündet wird, welcher einen hohen Energieeintrag in das Werkstück 2 bewirkt und dieses zerstören könnte. Sofern das Werkstück 2 einen Isolator enthält bzw. daraus besteht, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, kann der Isolator 42 in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
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Die Gegenelektrode 41, der optionale Isolator 42 und das Werkstück 2 befinden sich auf einem Manipulator 5, mit welchem die relative Position zwischen der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 und der Plasmaerzeugungseinrichtung 4 einerseits sowie dem Werkstück 2 andererseits verändert werden kann. Hierdurch kann die Lage der Teilfläche 25 variiert werden, sodass vorgebbare Strukturen in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 eingeschrieben werden können. Der Manipulator 5 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zumindest ein Linearantrieb sein, sodass das Werkstück 2 in einer Richtung verschiebbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwei Linearantriebe verwendet werden, um die Teilfläche 25 in zwei Dimensionen auf der Oberfläche 21 des Werkstückes 2 verschieben zu können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können auch drei Linearantriebe oder ein Hexapod verwendet werden, sodass zusätzlich die Fokuslage und/oder der Auftreffwinkel des Laserstrahls 35 variiert werden können.
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Dem Werkstück 2 gegenüberliegend ist eine Arbeitselektrode 44 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine konisch zulaufende Hohlform mit einer Öffnung, sodass der Laserstrahl 35 konfokal durch die Arbeitselektrode 44 auf die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 gelenkt werden kann. Darüber hinaus kann die Hohlform dazu eingerichtet sein, ein Arbeitsgas 46 aufzunehmen, welches nachfolgend die Arbeitselektrode 44 durchströmt und dadurch im Entladungsspalt angeflutet wird und den wesentlichen Bestandteil des Plasmas 45 bildet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Isolierkörper 43 vorhanden, welcher die Arbeitselektrode 44 in etwa konzentrisch umgibt. In diesem Fall wird das Arbeitsgas, beispielsweise ein Edelgas wie Argon, über die Gaszufuhr 46 eingeleitet, sodass das Arbeitsgas im Spalt zwischen der Arbeitselektrode 44 und dem Isolierkörper 43 strömt und von dort dem Entladungsspalt zugeführt wird, um das Plasma 45 zu bilden.
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Zum Ausbilden des Plasmas 45 dient eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle mit einem ersten Pol 471 und einem zweiten Pol 472. Je ein Pol ist mit der Arbeitselektrode 44 und der Gegenelektrode 41 verbunden. Beispielsweise kann der zweite Pol 472 auf einem Erdpotential liegen und der erste Pol 471 eine Hochspannung zur Arbeitselektrode 44 zuführen. Die Spannungsquelle kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Spannung zwischen etwa 4 kV und etwa 15 kV oder zwischen etwa 8 kV und etwa 14 kV oder zwischen etwa 9 kV und etwa 12 kV erzeugen. Die Hochspannung kann eine Wechselspannung oder eine gepulste Spannung sein. Die Wiederholrate der gepulsten Spannung kann zwischen etwa 5 kHz und etwa 9 kHz liegen, wobei einzelne Hochspannungspulse eine Dauer zwischen etwa 20 µs und etwa 200 µs oder zwischen etwa 70 µs und etwa 90 µs aufweisen können. Da das elektrische Feld im Entladungsspalt durch das Zünden eines Entladungsfilamentes des Plasmas 45 zusammenbricht, können innerhalb eines Hochspannungspulses mehrere Entladungen zünden. Hierdurch kann die effektive Entladungsfrequenz des Plasmas 45 in etwa einem Faktor 3 bis Faktor 6 größer sein als die nominal angelegte Pulsfrequenz der Hochspannung.
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Weiterhin zeigt 1 eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3, welche beispielsweise einen Titan-Saphir-Laser enthält, welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs aufweist. Die Energie einzelner Pulse kann zwischen etwa 50 µJ bis etwa 250 µJ betragen.
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Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 kann darüber hinaus fokussierende Elemente 31 enthalten, beispielsweise eine Linse, mit welcher der Strahldurchmesser der Laserstrahlung 35 verringert werden kann. Selbstverständlich kann statt einer einzelnen Linse 31 auch ein Linsensystem aus einer Mehrzahl von fokussierenden und defokussierenden Elementen verwendet werden. In gleicher Weise kann eine reflektierende Optik in Betracht gezogen werden, wenn dies vorteilhafter ist als die dargestellte Transmissionsoptik mit lichtbrechenden Elementen.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, durchläuft die Laserstrahlung 35 das Plasma 45 und trifft gemeinsam in der Teilfläche 25 der Oberfläche 21 des Werkstücks 2 auf. Die Laserstrahlung kann dabei gleichzeitig, zeitlich vor oder zeitlich nach dem Plasma auf die Oberfläche 21 auftreffen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 und die Plasmaerzeugungseinrichtung 4 auch unsynchronisiert betrieben werden, sodass keine feste zeitliche Korrelation zwischen der Einwirkung des Plasmas 45 und der Laserstrahlung 35 besteht.
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Nachfolgend soll die Anwendung der in 1 gezeigten Vorrichtung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigt 2 den Querschnitt bzw. die Ablationstiefe einer Linie, welche durch lineares Verschieben des Werkstückes 2 in der Vorrichtung 1 erzeugt wurde. Auf diese Weise kann in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Linie in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 eingebracht werden.
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2 zeigt in Kurve A die Verwendung eines an sich bekannten Kurzpulslasers und in Kurve B die erfindungsgemäße gleichzeitige Verwendung des Lasers mit einem Plasma, welches in einer gepulsten, dielektrisch behinderten Entladung erzeugt wurde. Die Feldstärke im Entladungsspalt betrug dabei etwa 1,1 kV/mm bei einer Repetitionsrate von 7 kHz und einer Pulsdauer von 80 µs. Die Ordinate zeigt dabei die Ablationstiefe in Mikrometern, wohingegen auf der Abszisse der Ort der Messung aufgetragen ist. Durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit wurden an der Ortskoordinate 300 µm etwa 400 Laserpulse auf eine Teilfläche 25 appliziert. Dies entspricht dem am weitesten links gelegenen Maximum der Ablationstiefe. Von links nach rechts nimmt die Anzahl der Laserpulse, welche auf einer einzelnen Teilfläche 25 appliziert wurde, von 200 auf 133, 100 und 80 ab. Wie 2 zeigt, verläuft die Ablationstiefe in etwa linear mit der Anzahl der applizierten Laserpulse. Die Ablationstiefe ändert sich durch die erfindungsgemäße Kombination von Laserstrahlung und Plasmaeinwirkung nicht.
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3 zeigt im linken Bildteil nochmals die Ablationstiefe gegen die in einer Teilfläche 25 deponierte Strahlungsenergie, welche gleichbedeutend mit der Anzahl der auftreffenden Laserpulse ist. Auch hier ist ersichtlich, dass die Ablationstiefe mit Anzahl der Laserpulse in etwa linear zunimmt. Weiterhin ist ersichtlich, dass kein wesentlicher Unterschied der Ablationstiefe durch das Zuschalten des Plasmas eintritt.
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Der rechte Bildteil der 3 zeigt die Linienbreite an der Oberfläche gegen die Energie bzw. die Anzahl der Laserpulse in einer einzelnen Teilfläche 25. Hier ist ersichtlich, dass durch Verwendung der erfindungsgemäßen Kombination aus Kurzpulslaserstrahlung und Plasma die Linienbreite zunimmt. Aufgrund der in etwa identischen Ablationstiefe ist somit die Menge des entfernten Materials durch die erfindungsgemäße Kombination aus Kurzpulslaserstrahlung und Plasma vergrößert.
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4 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 gravierten Linie. Dabei zeigt 4A das Ergebnis nach der Einwirkung des Kurzpulslasers gemäß dem Stand der Technik sowie 4B die Kombination von Laserstrahlung und Plasma gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie 4B zeigt, ist die Oberflächenqualität beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich besser, ausgedrückt als geringere Rauheit. Obgleich somit die Ablationstiefe nicht wesentlich zunimmt, kann das erfindungsgemäße Verfahren beim Gravieren einzelner Linien in die Oberfläche 21 eines Werkstückes 2 eine erheblich verbesserte Oberflächenqualität bereitstellen.
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Anhand der 5 und 6 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Wiederum wird ein Werkstück 2 aus einer Aluminiumlegierung bearbeitet, und zwar einmal mit einem bekannten Kurzpulslaser und zum anderen mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Kurzpulslaser und Plasma. Die Bearbeitung erfolgt jeweils dergestalt, dass die von der Laserstrahlung bestrahlte Teilfläche durch relatives Verschieben des Werkstückes bei konstant gehaltener Laserstrahlerzeugungseinrichtung und Plasmaerzeugungseinrichtung variiert wird. Das relative Verschieben wird dabei so ausgeführt, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche um 50 % des Durchmessers der Teilfläche 25 überlappt. Der Durchmesser der Teilfläche 25 wird dabei als Strahldurchmesser der Laserstrahlung 35 auf der Oberfläche 21 des Werkstückes 2 definiert.
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5 zeigt wiederum die Ablationstiefe gegen den Ort, wobei im linken Bildteil der 5 500 Laserpulse auf eine einzelne Teilfläche 25 eingestrahlt wurden, wohingegen im rechten Bildteil 1600 Laserpulse auf eine einzelne Teilfläche 25 eingestrahlt wurden, ehe das Werkstück 2 weiterbewegt wurde, um die nächste Teilfläche 25 zu bestrahlen.
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Auch in 5 zeigt Figur A die Ablationstiefe, welche mit einem Kurzpulslaser gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist. Kurve B zeigt die Ablationstiefe, welche sich bei der erfindungsgemäßen Kombination aus Laserstrahlung und Plasma ergibt, wobei das Plasma wie vorstehend beschrieben mittels einer dielektrisch behinderten Entladung erzeugt wird.
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Wie 5 zeigt, ist der Kurzpulslaser allein nicht in der Lage, einen nennenswerten Materialabtrag zu bewirken. Erst die erfindungsgemäße Kombination mit einem Plasma sorgt für einen Materialabtrag von etwa 20 µm bzw. etwa 250 µm in Abhängigkeit der durch die Laserstrahlung eingebrachten Energie.
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6 zeigt wiederum rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Oberfläche des Werkstückes 2, wobei 6B ein Werkstück 2 zeigt, welches erfindungsgemäß mit Plasma und Laserstrahlung behandelt wurde, wohingegen 6A ein Werkstück zeigt, welches ausschließlich mit Laserstrahlung behandelt wurde.
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Wie 6B zeigt, wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform zu einer Aufrauung der Oberfläche, welche beispielsweise bei der Herstellung solarer Absorber für Solarzellen oder Sonnenkollektoren vorteilhaft eingesetzt werden kann. Höhe und Durchmesser der einzelnen entstehenden Strukturen betragen dabei etwa 10 µm bis etwa 20 µm, sodass auch langwellige Infrarotstrahlung mit großer Effizienz absorbiert werden kann.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
