DE19501279A1

DE19501279A1 - Material removal from workpieces by laser radiation

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

Abstract

The process concerns material removal from workpieces by means of pulsed ultraviolet laser radiation with energy densities above a material-specific and process-specific removal threshold. The surface of the workpiece is covered with a liq. film.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur abtragenden Bearbeitung von Werkstücken mittels gepulster UV-Laserstrahlung mit Energiedichten ober halb der material- und verfahrensspezifischen Abtragsschwelle.The invention relates to a method for the abrasive machining of Workpieces by means of pulsed UV laser radiation with energy densities upper half the material and process-specific removal threshold.

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.Pulsed UV laser radiation is in many cases, especially in microtechnology for removing and structuring completely different materials det. There is a material-specific removal threshold for the the material surface incident energy density, above this Threshold of the irradiated material due to extremely short Wechselwir kungszeiten and the very high pulse peak power abruptly in a Plasma is transferred and removed.

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.However, only low removal rates are achieved in this type of material removal with pulsed UV laser radiation. For example, be the Abtragsraten for alumina (Al₂O₃) when processed with XeCl excimer laser radiation at an energy density of 10 J / cm² at
a pulse duration of a few 10 ns only 0.1 to 0.2 microns per pulse. In this case, the surface is covered by a melt layer and the material removed is at least partially deposited in the edge regions of the processing zone.

Bei der Bearbeitung von Metallen zeigen sich vergleichbare Ergebnisse. Die Bearbeitungsqualität wird durch deutliche Anschmelzungen beein trächtigt.The processing of metals shows comparable results. The processing quality is affected by significant melting adversely.

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.On this basis, the invention is based on the object, a Verfah which makes it possible to compare the removal rates with comparison increase energy density and thus the efficiency of processing increase, thereby reducing melting and material deposits or should be avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Werkstoffes vor bzw. während des Auftreffens der Laserpulse mit einem Flüssigkeitsfilm bedeckt wird.This object is achieved in that the surface of the material before or during the impingement of the laser pulses a liquid film is covered.

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.Surprisingly, it was found that solely because of such Liquid film significantly higher removal rates can be achieved while at the same time the problem of deposits and smuts is eliminated as far as possible.

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.As workpieces are in particular those made of ceramic or metalli but also workpieces made of glass, organic or biological materials, composites or material ver bound, both dense and porous materials.

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.If in the foregoing of a liquid film is mentioned, this is not to be understood in the narrowest sense of the word. Rather, the thickness of the film considering the selected liquid only sufficient thin so that the transparency for the used Laser radiation is sufficiently large. In other words, the film has to thickness may be lower for liquids with lower transparency and On the other hand, it can be greater in liquids with greater transparency be chosen.

Im einfachsten Fall wird als Flüssigkeitsfilm Wasser verwendet. Ein sol cher Flüssigkeitsfilm bzw. insbesondere Wasserfilm kann in unterschied licher Weise realisiert werden.In the simplest case, water is used as the liquid film. A sol The liquid film or in particular the water film can differ in Licher manner be realized.

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.In the simplest case, it is provided that the workpiece to be machined in a container with liquid is arranged such that the liquid keitsspiegel to form a film, the workpiece to be machined surface covered.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß das Werkstück mit einem Flüs sigkeitsfilm überspült wird, wobei es in der Regel vorteilhafterweise nicht horizontal angeordnet wird.Alternatively, it can also be provided that the workpiece with a Flüs is washed over sigkeitsfilm, it is usually not advantageous is arranged horizontally.

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.It is also conceivable to aufzus the liquid film by spraying or drops bring or arrange the workpiece in a steam atmosphere, wherein then to achieve a defined condensation, the workpiece can be cooled.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Flüssigkeitsfilm durch einen feuchten Gegenstand bzw. Schieber durch eine gleitende Relativbe wegung aufgetragen wird.Another possibility is that the liquid film through a moist object or slider by a sliding Relativbe movement is applied.

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.Finally, it can prove to be beneficial that the workpiece itself in a closed, filled with vapor or liquid chamber be finds, in a chamber wall tight at least one lens for Abbil tion of the laser beam is used.

Zur Quantifizierung und Verifizierung der erfindungsgemäß erzielbaren höheren Abtragsraten wurden folgende Vergleichsversuche durchgeführt:For quantification and verification of inventively achievable higher removal rates, the following comparative experiments were carried out:

Comparative experiment 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. The liquid film was wet after each laser pulse Cloth applied. By processing under the Flüs thus generated sigkeitsfilm could the Abtragsrate at a workpiece made of Al₂O₃ to the Be increased 30 times.

Die Verfahrensparameter waren folgende:The process parameters were as follows:

Wellenlänge:|308 nmWavelength: | 308 nm Pulszeit:Pulse time: 50 ns50 ns Laserpulsfrequenz:Laser pulse frequency: 0,5 Hz0.5 Hz Energiedichte:Energy density: 9 J/cm²9J / cm² Flüssigkeit:Liquid: Wasserwater Abtragsrate (mit Flüssigkeit):Removal rate (with liquid): 3 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)3 μm / pulse (averaged out of 100 pulses) Abtragsrate (trocken):Removal rate (dry): 0,1 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)0.1 μm / pulse (averaged out of 100 pulses)

Comparative experiment 2

Das Werkstück aus Al₂O₃ wurde unter einer 35 mm hohen Wasserschicht angeordnet. Die Abtragsrate konnte um das 25fache gesteigert werden.The workpiece made of Al₂O₃ was under a 35 mm high water layer arranged. The removal rate could be increased by 25 times.

Die Verfahrensparameter waren wie folgtThe process parameters were as follows

Wellenlänge:|308 nmWavelength: | 308 nm Pulszeit:Pulse time: 50 ns50 ns Laserpulsfrequenz:Laser pulse frequency: 5 Hz5 Hz Energiedichte:Energy density: 5 J/cm²5J / cm² Flüssigkeit:Liquid: Wasserwater Abtragsrate (mit Flüssigkeit):Removal rate (with liquid): 2,5 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)2.5 μm / pulse (averaged out of 100 pulses) Abtragsrate (trocken):Removal rate (dry): 0,1 µm/Puls (gemittelt aus 100 Pulsen)0.1 μm / pulse (averaged out of 100 pulses)

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.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing and various embodiments. Figs. 1 to 7 each show un terschiedliche arrangements for generating a sigkeitsfilms flues according to the invention in a schematic representation.

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. In the embodiment shown in Fig. 1, the laser beam 1 a of a laser source 2 a is deflected via a deflection mirror 3 and imaged by means of a lens 4 on the surface 5 a of a workpiece 6 a, which is arranged in a container 7 , with a liquid 8 is filled so that the surface 9 of the liquid filling is to form a liquid film 10 a above the workpiece surface 5 a.

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.In the embodiment shown in Fig. 2, a liquid is fed in the direction of arrow 11 in a distribution line 12 having a plurality of outlet openings 13 and flows from there as a film 10 b over the surface 5 b of a workpiece 6 b. The beam 1 b of the laser source 2 b in this case meets perpendicular to the workpiece surface 5 b.

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.In the variant according to FIG. 3, the light beam of a laser source 1 c 2 c is imaged via a lens 4 onto the surface of a workpiece 5 c 6 c. By a spray generator 14 liquid droplets are applied as a spray film on the surface 5 c.

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.The embodiment of FIG. 4 provides that the light beam 1 d of the laser source 2 is d imaged via a lens 4 onto the surface of 5 d of a workpiece 6 d, where the workpiece 6 is to be found d in a chamber 16 be in a Steam atmosphere prevails. The laser beam 1 d passes through a lens 4 or a window, which are inserted via a seal 15 in the outer wall of the chamber into the chamber. If neces sary, the lens 4 or the window is heated via the seal 15 and the workpiece 6 d is cooled by a not shown cooling device.

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.The arrangement shown in Fig. 5 provides that the laser beam 1 e of the laser source 2 e deflected by a deflection mirror 3 and is imaged via a lens 4 on the surface 5 e of a workpiece 6 e. A liquid film 10 e is formed by the fact that, for example, a sponge-like liquid reservoir 19 is provided which is reciprocated in the manner of a wiping movement in the direction of arrow 20 between each two successive low-lying laser pulses.

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. The variant according to FIG. 6 provides that the light beam from the laser source 2 f is imaged on the surface 5 f of the workpiece 6 f via the deflection mirror 3 and the lens 4 . To form a liquid film 10 f is a slider 21 which is pushed back and forth in the direction of arrow 22 .

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.Finally, FIG. 7 shows a variant analogous to FIG. 4, where the light beam 1 g of the laser source 2 g is formed on the workpiece 6 g via a lens 4 and the workpiece is in a chamber 23 completely filled with liquid. The lens 4 or a window through which the laser beam 1g enters the chamber 23 is sealed in an outer wall of a chamber 23 . Via an inlet 24 , the chamber 23 can be completely filled with a liquid 25 .

Claims

1. A process for the abrasive machining of workpieces by means of pulsed UV laser radiation with energy densities above a material and process-specific Abtragsschwelle, characterized in that the surface of the workpiece is covered with a liquid film.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquid film is a water film.

3. The method according to claim 1, characterized in that the factory piece of ceramic, glass or metal.

4. The method according to claim 1, characterized in that the bear beitende workpiece in a container with liquid arranged in such a way is that the liquid level to form a film to machining workpiece surface covered.

5. The method according to claim 1, characterized in that the factory is flushed over with a liquid film.

6. The method according to claim 5, characterized in that the bear to beitende workpiece surface is not arranged horizontally.

7. The method according to claim 1, characterized in that the liquid keitsfilm is applied by spraying or drops.

8. The method according to claim 1, characterized in that the factory piece is placed in a steam atmosphere.

9. The method according to claim 8, characterized in that the Erzeu Movement of a liquid film by condensation, the workpiece cooled becomes.

10. The method according to claim 1, characterized in that the liquid keitsfilm by a moist object or slide by a sliding tende relative movement is applied.

11. The method according to claim 1, characterized in that the factory in a closed, filled with vapor or liquid Is located in a chamber wall, a lens for imaging the Laser beam or a window is inserted.