DE1765400B1 - Verfahren zum eingravieren eines musters mit einem laser - Google Patents

Verfahren zum eingravieren eines musters mit einem laser

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eingravieren eines feinen Musters in einen Oberflächenbereich eines Körpers, der bei Absorption einer bestimmten Wärmemenge eine Materialänderung erfährt, durch Beleuchten des Oberflächenbereiches mit dem kohärenten Lichtimpuls eines Lasers und Variieren der relativen Lichtintensität gemäß dem gewünschten Muster, wobei der Lichtimpuls die einzelnen Punkte des Oberflächenbereiches entsprechend der relativen Lichtintensität an diesen Punkten unterschiedlich erhitzt, und die intensität und Dauer des Lichtes derart gewählt werden, daß das Muster eingraviert wird, ohne daß ein wesentlicher Wärmeübergang zwischen bcnachbai len Punkten der Musters stattfindet.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Es ist bekannt, mit von einem Laser ausgestrahltem, gebündeltem, kohärentem Licht kleine Löcher in feste Werkstoffe zu »bohren«. Bei diesem Verfahren wird ein von einem Q-geschalteten Hochleistungs-Laser ausgestrahlter Impuls kohärenten Lichtes durch ein Linsensystem auf einen Punkt des zu bearbeitenden Werkstoffs fokussiert. Je nach der absoluten Intensität und der Dauer des vom Laser erzeugten Impulses beträgt der Durchmesser eines derart gebohlten Loches 10 Mikron oder mehr.
Die gebohrten· Löcher können eine beträchtliche Tiefe haben. Eine mikroskopische Untersuchung eines derart gebohrten Loches zeigt, daß die Verdampfung des Materials bei der Bildung des Loches in kataklysmischer Weise erfolgt, wobei die Innenfläche des Loches durch wiedererstarrtes Schmelzmaterial gebildet wird. Das Loch erhält dadurch ein kraterartiges Aussehen. Daraus ergibt sich, daß das Bohren eines Loches mit gebündeltem kohärentem Laserlicht ein weitgehend ungeordneter Vorgang ist. Es bereitet daher erhebliche Schwierigkeiten, Gravierungen sehr feiner Muster mit hohem Auflösungsgrad durch Verdampfen von Werkstoff zu erreichen. Zwar ist es schon bekannt (Siemens-Zeitschrift Nr. 41 (1967), Heft 4, S. 273 bis 275), zur Oberflächengravierung eines Werkstücks mit dem optisch konzentrierten Licht eines Lasers je nach der Leistungsdichte (bis ΙΟ» W/cm2) ein Verdampfen oder Aufschmelzen in einem kleinen, relativ scharf begrenzten Bereich zu bewirken, ohne daß eine zu hohe Temperatur unerwünschte Materialveränderungen der Umgebung auslöst. Im bekannten Fall wird hierbei im Verlauf der Gravierung die Oberfläche des Werkstücks Punkt für Punkt mit dem zeitlich inten sitätsmodulierten Laserstrahl abgetastet. Dieses Verfahren ist mühsam und zeitraubend und für Bilder extrem hoher Auflösung (beispielsweise in der Größenordnung von 2 Mikron) kaum anwendbar, da der Laserstrahl nicht entsprechend stark konzentriert werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugn nde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung anzugeben, mit denen extrem scharfe Gravierungen unter Verwendung von kohärentem Laserlicht möglich sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß hei einem Verfahren der eingangs genannten Art der LiJiiiiiüüuli nach Variation seiner intensität durch das gewünschte Muster in Form eines einzigen Lichtstrahls, dessen Querschnitt gleich dem Oberflächenbereich ist, auf diesen Bereich projiziert wird, wobei er gleichzeitig und für die gleiche Zeitdauer alle Punkte des Bereiches beleuchtet.
Die Erfindung, bei der das Licht nicht zeitlich, sondern räumlich moduliert wird, hat den Vorteil, daß eine aufwendige zeitliche Steuerung in Abhängigkeit vom zu gravierenden Bild vermieden wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Gravierdauer im Vergleich mit bekannten Verfahren extrem kurz ist.
An einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
F i g. 1 die schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
Fi e. 2 die schematisrhp Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
F i g. 1 zeigt einen im Impulsbetrieb arbeitenden Laser 100, der während jedes Pumpimpulses einen Strahl 102 kohärenten Lichtes erzeugt. Der Strahl 102 wird durch Linsen 106 und 108 zum Strahl 104 aufgeweitet. Der Strahl 104 tritt durch ein Dia 11.0 mit dem zu gravierenden Muster. Durch von Punkt zu Punkt entsprechend dem vorgegebenen Muster sich ändernde Absorption des Lichtes bewirkt das Dia 110, daß die relative Intensität des kohärenten Lichtes in dem aus dem Dia 110 austretenden Strahl 112 von Punkt zu Punkt entsprechend dem gegebenen Muster verschieden ist. Der Strahl 112 ist also effektiv in seiner Intensität über seinen Querschnitt
entsprechend der im gegebenen Muster enthaltenen Information räumlich moduliert.
Der Strahl 112 wird mitteis der Linsen 114 und 116 zum Strahl 118 eingeengt Der Strahl 118 wird dann auf einen gegebenen Oberflächenbereich der mit der Gravierung zu versehenden Unterlage 120 projiziert.
Es wurde gefunden, daß, wenn man die Dauer des kohärenten Lichtimpulses vom Laser 100 entsprechend kurz beniißt («-obei die genaue Dauer vom1 jeweiligen Material der Unterlage 120 abhängt, jedoch auf keinen Fall größer als 100 Nanosekunden ist) und die Amplitude des vom Laser 100 abgegebenen kohärenten Lichtes ausreichend groß macht, man auf der Unterlage 120 eine Gravierung mit einer Fläche von mehreren Quadratmillämetern herstellen kann, bei der Details in der Größenordnung von 2 Mikron im eingravierten Muster aufgelöst werden können. Die maximale Verdampfungstiefe hält sich dabei ebenfalls in der Größenordnung von 2 Mikron.
Die Unterlage 120, d.h. der Gravierungsträger kann aus Metall wie z. B. Kupfer oder einem Halbleiter wie z. B. Silicium bestehen.
Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform wurde eine Gravierung eines Musters mit den Abmessungen 2,4 X 0,8 mm mit einer Auflösung in der Größenordnung von 2 Mikron auf einer Kupferunterlage unter Verwendung eines Laserimpulses von 2 Joule Energie bei einer Dauer von 30 Nanosekunden hergestellt. Im allgemeinen erhält man gute Resultate mit einer Strahlleistung von 10" bis 1010 Watt pro cm2 Auf trefffläche.
Während in F i g. 1 ein Dia 110 für die Querschnittsmodulation des kohärenten Lichtes mit der Information des einzugravierenden Musters verwendet wird, kann man die räumliche Modulation der relativen Strahlintensität statt durch von Punkt zu Punkt sich ändernde Absorption wie bei Dia 110 selbstverständlich auch durch sich entsprechend ändernde Reflexion oder Streuung des Lichtes erzielen.
Fig.2 zeigt eine Ausführungsform, bei der als Gravierungsmuster das Hologrunm einer in einem Dia wiedergegebenen Szene statt der Szene selbst eingraviert wird.
Der Strahl 202 kohärenten Lichtes, der von dem im Impulsbetrieb arbeitenden Laser 200 erzeugt wird, wird durch einen Quarzkeil-Strahlspalter 208 in zwei Teilstrahlen 204 und 206 zerlegt. Der vom Spiegel 210 reflektierte Strahl 204 bildet den Referenzstrahl 212, der auf eine gegebene Fläche des Gravierungsträgers 214 gerichtet wird. Der vom Spiegel 216 reflektierte Strahl 206 wird nach Aufweitung durch die Zerstreuungslinse 218 mit dem auf dem Dia 220 vorhandenen Muster räumlich moduliert. Nach der räumlichen Modulation wird der aus dem Dia 220 austretende Strahl durch die Konvexlinse 222 eingeengt und als Informationsstrahl 224 auf die gleiche gegebene Fläche der Unterlage 214 projiziert, auf die auch der Referenzstrahl 212 projiziert wird.
Der Informationsstrahl 224 und der Referenzstrahl 212 erzeugen auf der gegebenen Fläche der Unterlage 214 ein Interferenzmuster. Dieses Interferenzmuster bildet ein Hologramm, das aus heller. und dunklen Interferenzlinien mit einem gegenseitigen Abstand in der Größenordnung von 2 Mikron zusammengesetzt ist. Dieses Interferenzmuster wird auf der Unterlage 214 in der gleichen Weise wie das bei der Ausführungsform nach Fig. 1 auf die Unterlage 120 projizierte Muster eingraviert. Die Erfindung läßt sich also für die Eingravierung von sowohl Hologrammustern als auch Bildmustem verwenden. Das Hologramm kann in der bekannten Weise auch von einem dreidimensionalen Gegenstand statt von einem Dia angefertigt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Eingravieren eines feinen Musters in einen Oberflächenbereich eines Körpers, der bei Absorption einer bestimmten Wärmemenge eine Materialänderung erfährt, durch Beleuchten des Oberflächenbereiches mit dem kohärenten Lichtimpuls eines Lasers· und Variieren der relativen Lichtintensität gemäß dem ge- ίο wünschten Muster, wobei der Lichtimpuls die einzelnen. Punkte des Oberflachenbereiches entsprechend der relativen Lichtintensität an diesen Punkten unterschiedlich erhitzt und die Intensität und Dauer des Lichtes derart gewählt werden, daß das Muster eingraviert wird, ohne daß ein wesentlicher Wärmeübergang zwischen benachbarten Punkten des Musters stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtimpuls nach Variation seiner Intensität durch das gewünschte Muster in Form eines einzigen Lichtstrahls, dessen Querschnitt gleich dem Oberflächenbereich ist, auf diesen Bereich projiziert wird, wobei er gleichzeitig und für die gleiche Zeitdauer alle Punkte des Bereiches beleuchtet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsdauer höchstens 100 ns beträgt.
3. Vorrichtung zum Duichfuhren des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der optischen Bahn zwischen dem Laser (100, 200) und dem Oberflächenbereich (120, 214) ein das gewünschte Muster enthaltendes Transparetizbild (110, 220) befindet.
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