DE10328559B4 - Process for the precision machining of transparent materials with pulsed laser radiation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Präzisionsbearbeitung von Oberflächen transparenter Materialien durch Anwendung von Pulslaserstrahlung auf die der einfallenden Laserstrahlung gegenüberliegende Seite eines transparenten Materials, bei dem die Form des Laserstrahls durch eine Anwendung eines Strahlformungselementes in Bezug auf eine Querschnittsform, Querschnittsgröße, Energiedichteverteilung oder eine Pulsform gewählt oder eingestellt wird und der geformte Laserstrahl das transparente Material durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (6) beim Austritt aus dem transparenten Material (2) auf eine die Laserstrahlung absorbierende Adsorptionsschicht, welche die der Strahleintrittsseite gegenüberliegende Oberfläche (4) des transparenten Materials bedeckt, einwirkt, wodurch ein wohldefinierter Materialabtrag des transparenten Materials mit gleichförmiger Tiefenverteilung bewirkt wird, und durch eine Relativbewegung (12) des geformten Laserstrahls (9) und/oder des transparenten Materials (2), die durch eine Steuereinrichtung (13) entsprechend des Bearbeitungszieles bestimmt wird, der Materialabtrag lokal gesteuert werden kann, wodurch das transparente Material eine definierte Oberflächenform erhält.method for precision machining of surfaces transparent materials by application of pulsed laser radiation on the side of a transparent material opposite the incident laser radiation, wherein the shape of the laser beam is through an application of a beam-shaping element with respect to a cross-sectional shape, cross-sectional size, energy density distribution or a pulse shape selected or the set laser beam is transparent Material penetrates, characterized in that the laser beam (6) on exiting the transparent material (2) on a laser radiation absorbent adsorption layer, which is the beam entrance side opposite surface (4) covered by the transparent material, acting, creating a well-defined Material removal of the transparent material with uniform depth distribution is caused, and by a relative movement (12) of the molded Laser beam (9) and / or the transparent material (2) by a control device (13) corresponding to the processing target is determined, the material removal can be controlled locally, which the transparent material receives a defined surface shape.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur präzisen Oberflächenbearbeitung von transparenten Materialien mittels Laserstrahlung für beliebige Formbildungen, beispielsweise zur Herstellung optischer Funktionsflächen.The The invention relates to a method for precise surface processing of transparent materials by means of laser radiation for any Forming, for example, for the production of optical functional surfaces.
Es ist allgemein bekannt, dass die hochgenaue Bearbeitung von Oberflächen traditionell durch abrasive Verfahren, wie Drehen, Schleifen, Polieren usw., erfolgt. Besonders hohe Anforderungen an die Genauigkeit von Verfahren werden für die Optiktechnologie gestellt. Üblicherweise wird in der Optiktechnologie zur Erzielung der erforderlichen Genauigkeit bei gleichzeitig geringer Rauigkeit mit großflächigen Werkzeugen gearbeitet. Infolge der Verwendung großflächiger Werkzeuge sind nur bestimmte Formausbildungen mit der erforderlichen Genauigkeit herstellbar, so beispielsweise sphärische Oberflächen. Einige Oberflächenformen sind mit diesen traditionellen Verfahren nicht herstellbar. Für gesteigerte Anforderungen an die Oberflächen, beispielsweise für Präzisionsoptiken oder Asphären, werden Nachbearbeitungs- oder Korrekturverfahren angewendet. Kennzeichnend für diese Korrekturverfahren ist neben dem beträchtlichen Aufwand die lokal unterschiedliche Einwirkung des Werkzeugs auf die Werkstückoberfläche durch die Steuerung entsprechend klein dimensionierter Werkzeuge. Diese Werkzeuge beruhen auf bekannten Polierwerkzeugen oder nutzen auch nichtmechanische Wirkprinzipen (z. B. Ionenstrahl-Ätzen). Verfeinerungen und Abwandlungen des mechanischen Politurverfahrens sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Ebenso sind unterschiedliche Ausbildungen von lokal wirkenden Polierwerkzeugen bekannt.It It is well known that the high precision machining of surfaces is traditional by abrasive processes, such as turning, grinding, polishing, etc., he follows. Particularly high demands on the accuracy of procedures be for put the optics technology. Usually is used in optics technology to achieve the required accuracy simultaneously low roughness worked with large-scale tools. Due to the use of large-scale tools are only certain formations with the required accuracy producible, such as spherical surfaces. Some surface shapes can not be produced with these traditional methods. For heightened Requirements for the surfaces, for example precision optics or aspheres, Post-processing or correction procedures are used. characteristic for this Correction procedure is next to the considerable effort the local different action of the tool on the workpiece surface the control according to small-sized tools. These Tools are based on known polishing tools or use too non-mechanical working principles (eg ion beam etching). refinements and modifications of the mechanical polishing process are in different embodiments known. Likewise, different forms of locally acting Polishing tools known.
Darüber hinaus
sind strahlgestützte
Verfahren zur Oberflächenformgebung
oder -korrektur mit lokal wirkenden Plasmen oder mittels Ionenstrahls bekannt.
Beispielsweise wird im Patent
Die Anwendung lokal wirkender Korrekturverfahren ist häufig mit der Verwendung eines kleinen Werkzeugs mit nur einer bestimmten Form verbunden. Hierdurch können zwei Probleme verursacht werden. Einerseits treten Fehlerstrukturen auf der bearbeiteten Oberfläche auf, deren Ausdehnung und Periode im Zusammenhang mit den Werkzeugabmessungen stehen. Andererseits können Oberflächenformen oder -fehler mit bestimmter Ortswellenlänge nicht durch Verfahren mit derartigen Werkzeugabmessungen vermindert werden. Auch bei mehrfachen Korrekturschritten ist diese Reduzierung nicht möglich.The Application of locally acting correction method is often with the use of a small tool with only one particular Form connected. This allows two problems are caused. On the one hand, fault structures occur on the machined surface on, their extent and period associated with the tool dimensions stand. On the other hand surface shapes or error with certain spatial wavelength not by methods with such tool dimensions are reduced. Even with multiple Correction steps, this reduction is not possible.
Der laserinduzierte Materialabtrag durch Bestrahlung einer Festkörperoberfläche ist bekannt und kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Der Abtrag kann dabei auf physikalische und/oder chemische Prozesse zurückzuführen sein. Die Laserablation wird oftmals durch einen physikalisch wirkenden Abtrag bestimmt, bei dem das Material durch die Einstrahlung gepulster Laserstrahlung explosionsartig entfernt wird. Prinzipiell wird der Materialabtrag durch die Einwirkung der Laserstrahlung lokal begrenzt.Of the laser-induced material removal by irradiation of a solid surface is known and can be realized in different ways. Of the Ablation can be due to physical and / or chemical processes be due. The laser ablation is often by a physically acting Abtrag determined at which the material is pulsed by the irradiation Laser radiation is removed explosively. In principle, the Material removal locally limited by the action of the laser radiation.
Es ist bekannt, dass Polymere (z. B. Polyimid) mit gepulstem ultravioletten Licht, beispielsweise von Excimerlasern, abgetragen werden können. Üblicherweise muss eine Schwellenergiedichte aufgebracht und überschritten werden, um einen merklichen Materialabtrag, der in diesem Zusammenhang als Ablation bezeichnet wird, zu erreichen, wie R. Srinivasan in J.C. Miller (Ed.), Laser Ablation, Springer Series in Mat. Science 28, 1994, S. 107–133 darstellt. Der Materialabtrag durch Ablationsprozesse ist auch für anorganische Materialien bekannt. Oftmals sind Schwellenenergiedichten von weit über 1 J/cm2 zum Materialabtrag notwendig, so dass als Folge Schmelzerscheinungen sowie ein ungleichmäßiger Abtrag auftreten.It is known that polymers (e.g., polyimide) can be ablated with pulsed ultraviolet light, such as excimer lasers. Typically, a threshold energy density must be applied and exceeded to achieve significant ablation, referred to herein as ablation, such as R. Srinivasan in JC Miller (Ed.), Laser Ablation, Springer Series in Mat. Science 28, 1994 , Pp. 107-133. The removal of material by ablation processes is also known for inorganic materials. Often threshold energy densities of well over 1 J / cm 2 are necessary for material removal, so that as a result melt phenomena and uneven erosion occur.
Tragen überwiegend chemische Reaktionen unter Stoffwandlung zum Abtrag bei, spricht man vom Laserätzen. Oftmals werden dabei bekannte chemische Reaktionen durch die Wirkungen der Laserbestrahlung aktiviert, wie dies beispielsweise in D. Bäuerle Laser processing and chemistry, 2nd Ed. Springer Berlin 1996 dargestellt ist. Vielfältige Untersuchungen sind bekannt, in denen durch IR- oder UV-Laser lokal chemische Reaktionen auch mit transparenten Materialien zu deren Abtrag genutzt werden. So wird beispielsweise in B.S. Agrawalla et al. Laser ablative chemical etching of SiO2, JVST B 5, 1987, S. 601 das Ätzen von Siliziumdioxid mit CO2-Laser beschrieben.If predominantly chemical reactions under material conversion contribute to the ablation, this is called laser etching. Often known chemical reactions are activated by the effects of laser irradiation, as described, for example, in D. Bäuerle Laser Processing and Chemistry, 2 nd Ed. Springer Berlin 1996 is shown. Various studies are known in which IR or UV laser locally chemical reactions are also used with transparent materials for their removal. For example, in BS Agrawalla et al. Laser ablative chemical etching of SiO 2 , JVST B 5, 1987, p. 601 describes the etching of silicon dioxide with CO 2 laser.
Auch
sekundäre
Prozesse, so beispielsweise der Kollaps von Gasblasen, die bei der
Bestrahlung von Flüssigkeiten
entstehen, können
einen Materialabtrag bewirken. Entsprechend dem in
Abschließend sei bemerkt, dass insbesondere im Mikrobereich präzise Oberflächen durch die Verbindung von photolithographischen Methoden und Strukturübertragungsverfahren hergestellt werden können. Dabei sind eine Reihe aufwendiger Verfahrensschritte zu durchlaufen, die genau abgestimmt werden müssen.In conclusion, be notes that, especially in the micro range, precise surfaces are created by the connection of photolithographic methods and structure transfer methods can be. There are a number of complex process steps to go through, which need to be tuned exactly.
Obwohl durch die Anwendung von Strahltechniken eine lokale Bearbeitung möglich ist, lassen die bekannten Verfahren Verbesserungsmöglichkeiten erkennen, die die erreichbare Genauigkeit, die Geschwindigkeit, die Steuerbarkeit sowie den Aufwand der Bearbeitung betreffen.Even though through the use of beam techniques a local processing possible is, the known methods can be improved recognize the achievable accuracy, the speed, the controllability as well as the effort of processing.
Bei vielen Bearbeitungsverfahren, insbesondere mechanisch-abrasiven Verfahren, kann eine Schädigung der Oberfläche in unterschiedlicher Tiefe und Art nicht ausgeschlossen werden. Auch Ionen- oder Plasmastrahltechniken verursachen neben der direkten Schädigung der Oberfläche durch beschleunigte Ionen oftmals lokal hohe Oberflächentemperaturen.at many processing methods, especially mechanical abrasive Procedure, may be a cause of injury the surface in different depth and kind can not be excluded. Also, ion or plasma jet techniques cause besides the direct damage the surface by accelerated ions often locally high surface temperatures.
Ferner lässt der gegenwärtige Stand der Technik nur begrenzte Möglichkeiten der Einflussnahme auf den Werkzeugseingriff auch während der Bearbeitung erkennen. Darunter sind auch die Abtragsgeschwindigkeit, die Form sowie die Eigenschaften des Werkzeugs zum Materialabtrag zu verstehen. Hier ist auch eine geringe Abtragsrate des Ionenstrahlätzens zu nennen. Ebenso ist eine gezielte Beeinflussung des Strahlprofils bei gebräuchlichen Methoden der Ionenstrahlerzeugung kaum möglich. Darüber hinaus erfordern viele Techniken die Verwendung von Vakuumanlagen zur Bereitstellung entsprechender Bearbeitungsbedingungen. Auch entstehen bei der Verwendung von reaktiven Substanzen Produkte beim Materialabtrag, die einer aufwendigen Nachbehandlung bedürfen. Die den Stand der Technik umfassenden lasergestützten Materialbearbeitungsmethoden, beispielsweise die Laserablation, erscheinen zur präzisen Bearbeitung und Formgebung von Oberflächen transparenter Materialien mit Genauigkeiten bis in den Nanometertiefenbereich nicht geeignet. Übliche Laserabtragsmethoden weisen solche Abtragsgeschwindigkeiten auf, die keine präzise Materialbearbeitung ermöglichen.Further leaves the current The prior art only limited possibilities of influence on the tool intervention even while recognize the processing. These include the removal rate, the shape as well as the properties of the tool for material removal to understand. Here too, a low rate of removal of the ion beam etching is too call. Likewise, a targeted influencing of the beam profile in common methods the ion beam generation hardly possible. Furthermore Many techniques require the use of vacuum equipment for deployment corresponding processing conditions. Also arise during use of reactive substances in the removal of material, the one require extensive post-treatment. The prior art laser assisted material processing methods, For example, the laser ablation, appear for precise editing and shaping of surfaces transparent materials with accuracies down to the nanometer depth range are not suitable. usual Laser ablation methods have such ablation rates, which is not precise Allow material processing.
Auch die Ausbildung von unerwünschten Oberflächendefekten und Rauigkeiten ist bisher für Laserabtragsverfahren typisch. Mechanische Verfahren weisen zusätzlich die mit der Bewegung von Massen in Form des Werkstücks oder des Werkzeugs verbundenen Probleme auf, die sich u. a. in der Begrenzung der Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie der Genauigkeit äußern können.Also the formation of undesirable surface defects and roughness is so far for laser ablation typical. Mechanical procedures additionally show those with the movement of masses in the form of the workpiece or the tool associated problems that u. a. in the Limit speed, acceleration and accuracy.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein hochgenaues, abtragendes Bearbeitungsverfahren zu schaffen, welches die Herstellung einer beliebig wählbaren Oberflächenform in transparente Materialien mit Hilfe von gepulster Laserstrahlung unter möglichst geringem Bearbeitungs- und Zeitaufwand und mit gut einstell- und steuerbarem Strahlwerkzeug gestattet. Dabei soll das Verfahren die Herstellung von präzisen Oberflächenformen durch die Anwendung von nur einem Verfahrensschritt ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a highly accurate, erosive To provide processing method, which is the production of a arbitrarily selectable surface shape in transparent materials with the help of pulsed laser radiation under as possible low processing and time and with well adjusted and controllable jet tool allowed. The procedure is the Production of precise surface shapes through the use of only one process step.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur präzisen Bearbeitung von optischen Oberflächen.A Another object of the invention is to provide a method for precise Processing of optical surfaces.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 ausgeführte Verfahren zur Präzisionsbearbeitung transparenter Materialien mittels eines gepulsten Laserstrahls gelöst. Das Verfahren wird in den Ansprüchen 2 bis 15 weiter ausgestaltet.The object is achieved by the method set out in claim 1 for precision machining of transparent materials by means of a pulsed laser beam solved. The method is further embodied in claims 2 to 15.
Entsprechend den Aufgaben ist erfindungsgemäß ein Bearbeitungsverfahren für transparente Materialien vorgesehen, bei dem der Laserstrahl durch die Anwendung einer geeigneten Maske oder anderer Strahlformungselemente mit einer in Größe und Energiedichteverteilung genau einstellbaren Form versehen wird, dieser geformte Laserstrahl durch das transparente Material auf die dem Strahleintritt entgegengesetzte Seite gebracht wird, der Laserstrahl an der der Einfallsseite des Laserstrahls gegenüberliegenden Seite des transparenten Materials auf eine die Laserstrahlung absorbierende Adsorptionsschicht einwirkt, wodurch das transparente Material so abgetragen wird, dass ein wohldefinierter Abtrag mit einer vorzugsweise kontinuierlichen Tiefenverteilung entsteht, und durch die definierte Relativbewegung von geformtem Laserstrahl und transparentem Material der Materialabtrag lokal so gesteuert werden kann, dass unterschiedliche Abtragstiefen ermöglicht werden, so dass das transparente Material durch den Materialabtrag eine definierte Oberflächenform erhält.Corresponding The objects according to the invention is a processing method for transparent materials provided in which the laser beam by the application of a suitable Mask or other beam shaping elements with a in size and energy density distribution precisely adjustable shape, this shaped laser beam through the transparent material on the opposite of the beam entrance Side, the laser beam at the incidence side of the Laser beam opposite Side of the transparent material on a laser radiation absorbing Adsorption acts, whereby the transparent material so is removed that a well-defined removal with a preferably continuous depth distribution arises, and by the defined Relative movement of shaped laser beam and transparent material The material removal can be locally controlled so that different Abtragstiefen allows so that the transparent material through the material removal a defined surface shape receives.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Präzisionsbearbeitung von Oberflächen transparenter Materialien mit gepulster Laserstrahlung möglich und erlaubt so die Herstellung nahezu beliebiger Formausbildungen. Die Nutzung des Werkzeugs Laserstrahl zur Präzisionsbearbeitung von Oberflächen bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich, die in einer höheren Flexibilität der Bearbeitung und in einer schnelleren und genaueren Bearbeitung zum Ausdruck kommen. Die Anwendung dieses lasergestützten Verfahrens ermöglicht es, den Werkzeugeingriff gut zu steuern. Es ermöglicht es insbesondere, die Abtragsgeschwindigkeit und die Form des Werkzeugs unabhängig voneinander gezielt zu beeinflussen. Diese Steuerung des Werkzeugeingriffes ist mit hoher Geschwindigkeit auch während der Bearbeitung möglich.By the application of the method according to the invention is a precision machining of surfaces transparent materials with pulsed laser radiation possible and thus allows the production of almost any form of education. The Use of the tool laser beam for precision machining of surfaces brings a number of advantages with it, resulting in a higher flexibility of editing and in a faster and more accurate treatment come. The application of this laser-based method makes it possible to control the tool intervention well. It allows in particular, the Abtragsgeschwindigkeit and the shape of the tool independently to influence specifically. This control of the tool intervention is also possible at high speed during processing.
Weitere Vorteile werden beispielweise durch den kraftlosen Werkzeugeingriff des Laserstrahls erreicht, der eine schnellere Führung des Werkzeugs Laserstrahl über das Werkstück erlaubt. Dies kann gegenwärtig u. a. durch Scannersysteme erreicht werden, bei deren Verwendung auch das Werkstück nicht bewegt werden muss, so dass auch große und schwere Werkstücke bearbeitet werden können. Die für die Präzisionsbearbeitung wichtige hohe Genauigkeit wird durch die geringe Abtragsrate sowie deren geringe Veränderung auch über einen größeren Bereich der Laserfluenz sichergestellt.Further Advantages become for example by the powerless tool intervention achieved by the laser beam, which allows a faster guidance of the tool laser beam over the workpiece allowed. This can be present u. a. be achieved by scanner systems when using them not the workpiece either must be moved so that even large and heavy workpieces edited can be. The for the precision machining Important high accuracy is due to the low removal rate as well their small change also over a larger area the laser fluence ensured.
Die Anwendung von Strahlformungselementen ermöglicht die definierte Einstellung eines für die Bearbeitungsaufgabe geeignet geformten Laserstrahls, der einen definierten Abtrag zur Folge hat. Die Einstellung des Strahlprofils hinsichtlich Größe, Form und Energiedichteverteilung, aber auch anderer Strahleigenschaften wie beispielsweise der Pulsform, kann vor dem Prozess, aber auch während der Bearbeitung erfolgen. Die geeignete Formung des Strahlprofils kann durch die Anwendung von Masken, die definierte Umrisskanten aufweisen, die den Laserstrahl örtlich abschwächen oder sonst die Strahleigenschaften beeinflussen, sowie durch die Anwendung von innerhalb oder außerhalb des Lasers angebrachten Strahlformungselementen oder anderen optischen Mitteln erfolgen. Erwähnt werden sollen hierbei auch elektrooptische Methoden, beispielsweise LCD-Displays, die im Zusammenspiel mit bekannten Methoden der Strahltransformation, beispielsweise der Fourieroptik, zur elektrischen Beeinflussung des Strahlprofils eingesetzt werden können. Hierbei ist durch elektronische Mittel die Steuerung des Strahlprofils und damit des Abtrags möglich. Insgesamt ermöglicht dies im Gegensatz zu den bisher bekannten Methoden der Strahlbearbeitung neuartige Bearbeitungsstrategien, die durch die Einstellung des Strahlprofils an die lokale Bearbeitungssituation, beispielsweise im Hinblick auf die Oberflächenform und die Ortswellenlängenverteilung, erst ermöglicht oder sinnvoll werden.The Application of beam shaping elements enables the defined setting one for the machining task suitably shaped laser beam, the one defined ablation result. The setting of the beam profile in terms of size, shape and energy density distribution, but also other beam properties such as the pulse shape, can be before the process, as well while the processing done. The appropriate shaping of the beam profile can through the application of masks, the defined outline edges have the laser beam locally weaken or otherwise affect the beam characteristics, as well as by the Application from inside or outside laser-mounted beamforming elements or other optical Funds are made. Mentioned Here are also electro-optical methods, for example LCD displays working in conjunction with known methods of beam transformation, For example, the Fourier optics, for the electrical influence of the Beam profiles can be used. This is by electronic Means the control of the beam profile and thus the removal possible. All in all allows this in contrast to the previously known methods of beam processing novel machining strategies, which are influenced by the setting of the Beam profile to the local processing situation, for example with regard to the surface shape and the spatial wavelength distribution, only possible or make sense.
Bei
der Verwendung von Masken werden diese üblicherweise mittels Optiken
auf die zu bearbeitende Oberfläche
projiziert. Obwohl im einfachsten Fall Masken mit quadratischer
Kontur zur Formung des Laserstrahl dienen können, eignen sich Masken, die
die Einstellung einer definierten Energiedichteverteilung des Laserstrahls
am Ort der Einwirkung zum Materialabtrag erlauben, besser. Hierfür können Grautonmasken
oder Kombinationen von Grauton- und Konturmasken eingesetzt werden.
Beispielsweise ist durch diese Masken ein solches Strahlprofil und
in Verbindung mit dem Abtragsprozess eine solche Werkzeugeingriffsfunktion
einzustellen, die beispielsweise bei geeigneter Wahl des Abstandes
benachbarter Bearbeitungspunkte geringe Oberflächenfehler zur Folge hat. Dies
ist insbesondere von Bedeutung, wenn mit einem kleinen Werkzeug
vergleichsweise große
Flächen
durch die sequenzielle Bearbeitung benachbarter Flächen mit einer
Form versehen werden sollen, wie dies in einem Beispiel in
Andere Formen der Anwendung des Laserstrahls sind jedoch auch möglich und werden vorgesehen, so beispielsweise die Beeinflussung der Energiedichteverteilung des Laserstrahls durch diffraktive Strahlformungselemente.However, other forms of application of the laser beam are also possible and are provided, such as influencing the energy density distribution of the laser beam by diffracti beam shaping elements.
Es werden Adsorptionsschichten zur Einleitung des Materialabtrages an der Rückseite des transparenten Materials vorgesehen. Durch die Nutzung von Adsorptionsschichten zum Abtrag des transparenten Materials werden unerwünschte Nebeneffekte, beispielsweise die Kavitätenbildung, d. h. die Blasenbildung und deren Kontraktion, zumindest vermindert. Durch die in Bezug zur Absorptionslänge der Laserstrahlung geringere Dicke der Adsorptionsschicht kann die Abtragsrate durch die Eigenschaften der Adsorptionsschicht einfach gesteuert werden. Durch den geringen Einfluss der Laserfluenz auf die Abtragsrate ist eine höhere Präzision der Bearbeitung zu erreichen, da Veränderungen der Laserpulsenergie einen deutlich verminderten Einfluss auf die Abtragstiefe haben.It become adsorption layers to initiate the material removal at the back provided the transparent material. Through the use of adsorption layers the removal of the transparent material causes unwanted side effects for example, the formation of cavities, d. H. the formation of bubbles and their contraction, at least reduced. Due to the lower in relation to the absorption length of the laser radiation Thickness of the adsorption layer, the rate of material removal by the properties of the Adsorption layer can be easily controlled. By the small one Influence of the laser fluence on the removal rate is a higher precision of the Achieve editing because changes the laser pulse energy has a significantly reduced influence on the removal depth to have.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to drawings and embodiments be explained in more detail.
Die
in
Dieser
geformte Laserstrahl
Der
zur Rückseite
des transparenten Materials geführte
Laserstrahl
Zur
Verbesserung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung können in
das Gefäß Leitungen
Neben UV-Excimerlasern können auch andere Laserquellen Verwendung finden. So sind frequenzvervielfachte Festkörperlaser oder andere gepulste Laser anwendbar, wenn die Pulsenergie zusammen mit der Absorption der Laserstrahlung in einer Substanz an der Rückseite des transparenten Materials einen Materialabtrag zulässt.Next UV excimer lasers can also find other laser sources use. So are frequency multiplied Solid-state lasers or other pulsed lasers applicable when the pulse energy together with the absorption of laser radiation in a substance at the back of the transparent material allows removal of material.
Eine
Weitere Variante ist in
Beispiel:Example:
Als Beispiel, das zur Erläuterung des Prinzips des ertindungsgemäßen Verfahrens dient, aber nicht Gegenstand der Erfindung ist, wird die Formgebung einer Quarzscheibe mittels gepulster Laserstrahlung beschrieben. Die Quarzglasscheibe mit einer Dicke von 0,4 mm wird als Abdeckung eines Teflongefäßes, das mit zwei verschließbaren Öffnungen ausgestattet ist und an der Oberseite Gummiringe zum dichten Verschluss trägt, verwendet. Über Öffnungen wird Toluol in das Teflongefäß gefüllt, so dass das transparente Material an der Rückseite mit dem Toluol in Kontakt ist. Nach dem Verschluss des Gefäßes wird dieses auf einem computergesteuerten Verfahrtisch, der in drei Richtungen unabhängig verfahren werden kann, befestigt. Die Laserbestrahlung wird in einer Laserworkstation durchgeführt, die neben dem Verfahrtisch mit einem Excimerlaser, einer Strahlhomogenisierungsoptik, einem Strahlabschwächer, einer Maskenverfahreinheit sowie einer Projektionsoptik ausgerüstet ist.When Example, for explanation the principle of the inventive method is used, but not the subject of the invention is the shaping a quartz disk described by means of pulsed laser radiation. The quartz glass with a thickness of 0.4 mm is used as a cover a Teflon vessel, the equipped with two closable openings is and carries rubber rings to the top to seal tightly used. About openings Toluene is filled into the Teflon vessel, so that the transparent material on the back contact with the toluene is. After the closure of the vessel is this on a computerized traversing table, in three directions independently can be moved, attached. The laser irradiation is in one Laserworkstation performed, next to the traversing table with an excimer laser, a beam homogenizing optics, a beam attenuator, a mask tracking unit and a projection optics is equipped.
Der
Excimerlaser wird bei einer Wellenlänge von 248 nm betrieben und
liefert Pulse mit einer Pulslänge
von ca. 30 ns und Pulsfolgen mit einer maximalen Wiederholrate von
200 Hz. Im vorliegenden Beispiel wird eine Pulswiederholrate von
50 Hz eingestellt. Der Laserstrahl wird mit einem Zylinderlinsenteleskop
und einem Fliegenaugenstrahlhomogenisator so aufbereitet, dass er
in der Maskenebene eine mittlere Energiedichteabweichung von maximal
5 % über
eine Fläche
von 20 mm2 aufweist. Mit der Maskenverfahreinheit
wird computergesteuert eine Maske in den homogenisierten Strahl
bewegt und von diesem voll ausgeleuchtet. Diese Maske wird mit der danach
angebrachten Projektionsoptik auf die Rückseite der Quarzscheibe projiziert,
so dass dort ein verkleinertes Abbild der Maske auftritt. Im vorliegenden
Fall wurde eine Optik mit fünffacher
Verkleinerung verwendet. Als Maske wurde eine dünne, strukturierte Chromschicht
entsprechend der Maskenkontur geöffnet.
Im vorliegenden Fall wurde eine quadratische Maske so verwendet,
dass die Diagonalen des projizierten Maskenabbildes parallel zu
den Bewegungsrichtungen des Verfahrtisches liegen und die projizierte
Maskenkantenlänge
100 μm beträgt. Die Bearbeitung
der gesamten Fläche
Die Energiedichte des Laserstrahls auf der Rückseite der Quarzscheibe wird mit dem Strahlabschwächer auf ca. 980 mJ/cm2 eingestellt. Bei solcher Wahl der Bearbeitungsparameter tritt eine Abtragsrate von ca. 7 nm/Puls auf. Bei der Bearbeitung wurde die Pulsfolgefrequenz konstant gehalten, aber die Geschwindigkeit des Verfahrtisches lokal der zu erreichenden Bearbeitungstiefe angepasst. Die Oberflächenformgebung erfolgte durch die Abrasterung der gesamten Fläche mit zueinander parallelen Bearbeitungsgängen mit der gewählten Maske. Abweichend von dem aus geometrischen Betrachtungen folgenden Abstand wurden die Bearbeitungsgänge in einem Abstand von 54 μm ausgeführt. Hierdurch wurde eine optimale Überdeckung der durch die einzelnen Bearbeitungsgänge entstehenden Strukturen zu der Zielform erreicht.The energy density of the laser beam on the back of the quartz disk is adjusted to about 980 mJ / cm 2 with the beam attenuator. With such a choice of machining parameters, a removal rate of approximately 7 nm / pulse occurs. During processing, the pulse repetition frequency was kept constant, but the speed of the traversing table was adapted locally to the processing depth to be achieved. The surface shaping was carried out by scanning the entire surface with mutually parallel machining operations with the selected mask. Notwithstanding the distance following geometric considerations, the machining operations were carried out at a distance of 54 μm. As a result, an optimal coverage of the structures resulting from the individual processing steps has been achieved to the target shape.
Die
Geschwindigkeitssteuerung des Verfahrtisches berücksichtigt auch nichtlineare
Abtragseffekte, die den Anstieg der Abtragsrate während der erstmaligen
Bestrahlung eines Bereiches berücksichtigt.
Im vorliegenden Fall wurde mit einem Computerprogramm ein Steuerfile
erstellt, das die Laserpuls- sowie
die Verfahrtischsteuerung realisiert. Die Geschwindigkeit des Verfahrtisches
wurde in konstanten Abständen
entsprechend der zu erreichenden Tiefe verändert. Die im Beispiel verwendete
Zieloberflächenform
ist durch die Funktion z(r,ϕ) = r2·sin(2·ϕ)
beschrieben. Eine maximale Ätztiefe
von 500 nm war zu erreichen. Diese Funktion wurde über eine
Fläche
von 2 × 2
mm2 in die Quarzglasoberfläche geätzt. Nach
der Laserbearbeitung wurde die Oberfläche mit einem Interferometer
vermessen und die Tiefenverteilung ermittelt. Auf der Basis zuvor
ermittelter Ätzparameter
und Ätzraten
wurde eine maximale Ätztiefe
von ca. 450 nm erreicht. In
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