DE19501279A1

DE19501279A1 - Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung

Info

Publication number: DE19501279A1
Application number: DE19501279A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Becker; Thomas Rebhan
Original assignee: BLZ GmbH
Current assignee: BLZ GmbH
Priority date: 1995-01-18
Filing date: 1995-01-18
Publication date: 1996-07-25

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von Werkstücken mittels gepulster UV-Laserstrahlung mit Energiedichten ober halb der material- und verfahrensspezifischen Abtragsschwelle.

Gepulste UV-Laserstrahlung wird insbesondere in der Mikrotechnik vielfach zum Abtragen und Strukturieren ganz unterschiedlicher Werkstoffe verwen det. Dabei gibt es eine materialspezifische Abtragsschwelle für die auf die Werkstoffoberfläche auftreffende Energiedichte, wobei oberhalb dieser Schwelle der bestrahlte Werkstoff aufgrund extrem kurzer Wechselwir kungszeiten und der sehr hohen Pulsspitzenleistungen schlagartig in ein Plasma überführt und abgetragen wird.

Allerdings werden bei dieser Art des Materialabtrags mit gepulster UV-Laserstrahlung nur geringe Abtragsraten erreicht. Beispielsweise be tragen die Abtragsraten für Aluminiumoxid (Al₂O₃) bei der Bearbeitung mit XeCl-Excimerlaserstrahlung bei einer Energiedichte von 10 J/cm² bei
einer Pulsdauer von einigen 10 ns nur 0,1 bis 0,2 µm pro Puls. Die Oberfläche wird hierbei durch eine Schmelzschicht bedeckt und abgetrage nes Material schlägt sich zumindest teilweise in den Randbereichen der Bearbeitungszone nieder.

Bei der Bearbeitung von Metallen zeigen sich vergleichbare Ergebnisse. Die Bearbeitungsqualität wird durch deutliche Anschmelzungen beein trächtigt.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren zu schaffen, welches es ermöglicht, die Abtragsraten bei vergleich barer Energiedichte zu steigern und damit die Effizienz der Bearbeitung zu erhöhen, wobei Aufschmelzungen und Materialablagerungen reduziert bzw. vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Werkstoffes vor bzw. während des Auftreffens der Laserpulse mit einem Flüssigkeitsfilm bedeckt wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß allein aufgrund eines solchen Flüssigkeitsfilms erheblich höhere Abtragsraten erzielt werden können, wobei gleichzeitig das Problem der Ablagerungen und der Anschmelzungen weitestgehend eliminiert wird.

Als Werkstücke kommen insbesondere solche aus keramischen oder metalli schen Werkstoffen in Betracht aber auch Werkstücke aus Glas, organischen oder biologischen Werkstoffen, aus Verbundwerkstoffen oder Werkstoffver bunden, und zwar sowohl dichte als auch poröse Werkstoffe.

Sofern im Vorstehenden von einem Flüssigkeitsfilm die Rede ist, ist dies nicht im engeren Wortsinn zu verstehen. Vielmehr ist die Dicke des Films unter Berücksichtigung der ausgewählten Flüssigkeit lediglich hinreichend dünn zu dimensionieren, so daß die Transparenz für die eingesetzte Laserstrahlung hinreichend groß ist. Mit anderen Worten muß die Film dicke bei Flüssigkeiten mit geringerer Transparenz geringer sein und kann andererseits bei Flüssigkeiten mit größerer Transparenz größer ge wählt werden.

Im einfachsten Fall wird als Flüssigkeitsfilm Wasser verwendet. Ein sol cher Flüssigkeitsfilm bzw. insbesondere Wasserfilm kann in unterschied licher Weise realisiert werden.

Im einfachsten Fall ist vorgesehen, daß das zu bearbeitende Werkstück in einem Behälter mit Flüssigkeit derart angeordnet wird, daß der Flüssig keitsspiegel unter Ausbildung eines Films die zu bearbeitende Werkstück oberfläche bedeckt.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß das Werkstück mit einem Flüs sigkeitsfilm überspült wird, wobei es in der Regel vorteilhafterweise nicht horizontal angeordnet wird.

Denkbar ist auch, den Flüssigkeitsfilm durch Sprühen oder Tropfen aufzu bringen oder aber das Werkstück in einer Dampfatmosphäre anzuordnen, wobei dann zur Erzielung einer definierten Kondensation das Werkstück gekühlt werden kann.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Flüssigkeitsfilm durch einen feuchten Gegenstand bzw. Schieber durch eine gleitende Relativbe wegung aufgetragen wird.

Letztlich kann es sich auch als günstig erweisen, daß das Werkstück sich in einer geschlossenen, mit Dampf oder Flüssigkeit gefüllten Kammer be findet, wobei in eine Kammerwand dicht wenigstens eine Linse zur Abbil dung des Laserstrahls eingesetzt ist.

Zur Quantifizierung und Verifizierung der erfindungsgemäß erzielbaren höheren Abtragsraten wurden folgende Vergleichsversuche durchgeführt:

Vergleichsversuch 1

Der Flüssigkeitsfilm wurde nach jedem Laserpuls mittels eines feuchten Tuches aufgebracht. Durch die Bearbeitung unter dem so erzeugten Flüs sigkeitsfilm konnte die Abtragsrate bei einem Werkstück aus Al₂O₃ um das 30fache gesteichert werden.

Die Verfahrensparameter waren folgende:

Wellenlänge:\|308 nm
Pulszeit:	50 ns
Laserpulsfrequenz:	0,5 Hz
Energiedichte:	9 J/cm²
Flüssigkeit:	Wasser
Abtragsrate (mit Flüssigkeit):	3 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)
Abtragsrate (trocken):	0,1 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)

Vergleichsversuch 2

Das Werkstück aus Al₂O₃ wurde unter einer 35 mm hohen Wasserschicht angeordnet. Die Abtragsrate konnte um das 25fache gesteigert werden.

Die Verfahrensparameter waren wie folgt

Wellenlänge:\|308 nm
Pulszeit:	50 ns
Laserpulsfrequenz:	5 Hz
Energiedichte:	5 J/cm²
Flüssigkeit:	Wasser
Abtragsrate (mit Flüssigkeit):	2,5 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)
Abtragsrate (trocken):	0,1 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 1 bis 7 zeigen jeweils un terschiedliche Anordnungen zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Flüs sigkeitsfilms in schematischer Darstellung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird der Laserstrahl 1a einer Laserquelle 2a über einen Umlenkspiegel 3 umgelenkt und mittels einer Linse 4 auf die Oberfläche 5a eines Werkstücks 6a abgebildet, welches in einem Behälter 7 angeordnet ist, der mit einer Flüssigkeit 8 derart gefüllt ist, daß die Oberfläche 9 der Flüssigkeitsfüllung unter Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms 10a oberhalb der Werkstückoberfläche 5a liegt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird eine Flüssigkeit in Richtung des Pfeils 11 in eine Verteilleitung 12 mit einer Mehrzahl von Austrittsöffnungen 13 eingespeist und fließt von dort als Film 10b über die Oberfläche 5b eines Werkstücks 6b. Der Strahl 1b der Laserquelle 2b trifft hierbei senkrecht auf die Werkstückoberfläche 5b auf.

Bei der Variante nach Fig. 3 wird der Lichtstrahl 1c einer Laserquelle 2c über eine Linse 4 auf die Oberfläche 5c eines Werkstücks 6c abgebildet. Durch einen Sprühnebelgenerator 14 werden Flüssigkeitströpfchen als Sprühfilm auf die Oberfläche 5c aufgebracht.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 sieht vor, daß der Lichtstrahl 1d der Laserquelle 2d über eine Linse 4 auf die Oberfläche 5d eines Werkstücks 6d abgebildet wird, wobei sich das Werkstück 6d in einer Kammer 16 be findet, in der eine Dampfatmosphäre vorherrscht. Der Laserstrahl 1d tritt durch eine Linse 4 oder ein Fenster, die über eine Dichtung 15 in die Außenwand der Kammer eingesetzt sind, in die Kammer ein. Sofern erfor derlich wird die Linse 4 oder das Fenster über die Dichtung 15 geheizt und das Werkstück 6d wird über eine nicht eingezeichnete Kühleinrichtung gekühlt.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung sieht vor, daß der Laserstrahl 1e der Laserquelle 2e über einen Umlenkspiegel 3 umgelenkt und über eine Linse 4 auf die Oberfläche 5e eines Werkstücks 6e abgebildet wird. Ein Flüssigkeitsfilm 10e wird dadurch ausgebildet, daß ein beispielsweise schwammartiger Flüssigkeitsspeicher 19 vorgesehen ist, der nach Art einer Wischbewegung in Richtung des Pfeils 20 zwischen je zwei aufeinanderfol genden Laserpulsen hin- und herbewegt wird.

Die Variante gemäß Fig. 6 sieht vor, daß der Lichtstrahl aus der Laser quelle 2f über den Umlenkspiegel 3 und die Linse 4 auf der Oberfläche 5f des Werkstücks 6f abgebildet wird. Zur Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms 10f dient ein Schieber 21, der in Richtung des Pfeils 22 hin- und herge schoben wird.

Fig. 7 zeigt schließlich eine Variante analog zu Fig. 4, wo der Licht strahl 1g der Laserquelle 2g über eine Linse 4 auf das Werkstück 6g ab gebildet wird und sich das Werkstück in einer vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Kammer 23 befindet. Die Linse 4 oder ein Fenster, durch das der Laserstrahl 1g in die Kammer 23 eintritt, sitzt abgedichtet in einer Außenwand einer Kammer 23. Über einen Einlaß 24 kann die Kammer 23 vollständig mit einer Flüssigkeit 25 gefüllt werden.

Claims

1. Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von Werkstücken mittels gepul ster UV-Laserstrahlung mit Energiedichten oberhalb einer material- und verfahrensspezifischen Abtragsschwelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Werkstücks mit einem Flüssigkeitsfilm bedeckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssig keitsfilm ein Wasserfilm ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werk stück aus Keramik, Glas oder Metall besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bear beitende Werkstück in einem Behälter mit Flüssigkeit derart angeordnet wird, daß der Flüssigkeitsspiegel unter Ausbildung eines Films die zu bearbeitende Werkstückoberfläche bedeckt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werk stück mit einem Flüssigkeitsfilm überspült wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bear beitende Werkstückoberfläche nicht horizontal angeordnet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssig keitsfilm durch Sprühen oder Tropfen aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werk stück in einer Dampfatmosphäre angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu gung eines Flüssigkeitsfilms durch Kondensation das Werkstück gekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssig keitsfilm durch einen feuchten Gegenstand bzw. Schieber durch eine glei tende Relativbewegung aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werk stück sich in einer geschlossenen, mit Dampf oder Flüssigkeit gefüllten Kammer befindet, wobei in eine Kammerwand eine Linse zur Abbildung des Laserstrahls oder ein Fenster eingesetzt ist.