DE19715702A1 - Process for the selective removal of one or more layers - Google Patents

Process for the selective removal of one or more layers

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DE19715702A1
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Guenther Dr Ing Wiedemann
Michael Dr Rer Nat Panzer
Jan Hauptmann
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Abstract

The invention relates to a method for removing one or several layers by laser, with self-regulating process limitation. According to the invention, the removal takes place during short periods of interaction with laser light of such a wavelength that it is so heavily absorbed by one part of the total composite (either the part which is being removed or the part which is being retained), that the removal threshold of the material concerned is exceeded, and the absorption of laser light of the same intensity by the other part of the total composite (the part which is being retained or the part which is being removed) is so low that this removal threshold is not reached.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten.The invention relates to a method for the selective removal of a multiple layers.

Das technische Anwendungsgebiet der Erfindung umfaßt Aufgaben zum Entfernen von Schichten von einem zu erhaltenden Untergrund im technischen und restauratorischen Bereich. Insbesondere geht es darum, Schichten, wenn nötig lokal begrenzt, aber in jedem Falle ohne nachteilige Beeinträchtigung der Eigenschaften der Oberfläche, auf der sich die zu entfernende Schicht befindet, abzutragen.The technical field of application of the invention includes tasks for Removal of layers from a substrate to be preserved in technical and restoration area. In particular, it is about layers when necessary locally limited, but in any case without adversely affecting the Properties of the surface on which the layer to be removed is located to ablate.

Das Abtragen mittels Laser kann nach mehreren Mechanismen erfolgen. Teilweise wirken die nachfolgend geschilderten Mechanismen im Komplex.Laser ablation can be carried out using several mechanisms. Partially the mechanisms described below work in the complex.

Dominierender Prozeß ist das Abtragen durch scheibchenweises Verdampfen der zu beseitigenden Schicht mittels kurzer Laserimpulse. Die Pulszahl wird in Abhängigkeit von der Schichtdicke und der Abtragrate (z. B. abzutragendes Volumen/Zeit) so gewählt, daß die Oberfläche freigelegt wird (Fig. 1). Das Laserabtragen kann jedoch auch durch thermisch induzierte Schockwellen, z. B. bei spröden Materialien, erfolgen bzw. dadurch unterstützt werden (Fig. 2). Dieses Verfahren ist Gegenstand der EP 0 380 387 B bzw. DE 690 16 051 T2.The dominant process is removal by slice-wise evaporation of the layer to be removed by means of short laser pulses. The number of pulses is selected as a function of the layer thickness and the removal rate (e.g. volume / time to be removed) so that the surface is exposed ( FIG. 1). However, laser ablation can also be caused by thermally induced shock waves, e.g. B. with brittle materials, or are supported thereby ( Fig. 2). This process is the subject of EP 0 380 387 B and DE 690 16 051 T2.

Weitere Möglichkeiten der Entschichtung sind bei einer Reihe vorkommender Schichtsysteme dann gegeben, wenn sich die thermischen Eigenschaften, insbesondere die Ausdehnungskoeffizienten der zu entfernenden Schicht und des Untergrundes stark voneinander unterscheiden. Der Abtrag bzw. das Entschichten erfolgt dann durch Abplatzen von Teilen der Schicht infolge der mittels Laser erzeugten Thermospannungen (Fig. 3).In a number of layer systems that occur, further options for stripping are given if the thermal properties, in particular the expansion coefficients, of the layer to be removed and the substrate differ greatly from one another. The removal or stripping then takes place by chipping off parts of the layer as a result of the thermal voltages generated by means of laser ( FIG. 3).

Gute Voraussetzungen für ein selektives Entschichten ohne Beeinträchtigung des Untergrundes bestehen auch dann, wenn die Schmelz bzw. Verdampfungstemperaturen der mittels Laser abzutragenden Schicht deutlich unter der Schmelz- bzw. Verdampfungstemperatur des zu erhaltenden Untergrundes liegt (Fig. 4). Darauf basiert z. B. das im US-Patent 4,756,765 beschriebene Verfahren. Eine weitere Möglichkeit des Laserabtragens von Schichten, z. B. organischer Substanzen von Metalloberflächen besteht darin, Laser kurzer Wellenlänge (UV-Bereich) einzusetzen. Das Abtragen der Schicht basiert dann auf dem Aufbrechen chemischer Bindungen (Photonenenergie ist größer als die Bindungsenergie der chemischen Bindung) (Fig. 5). Dieses Prinzip liegt z. B. dem Patent EP-A 0 233 755 zugrunde.There are also good prerequisites for selective stripping without impairing the substrate if the melting or evaporation temperature of the layer to be removed by means of a laser is significantly below the melting or vaporization temperature of the substrate to be obtained ( FIG. 4). It is based on z. B. the method described in U.S. Patent 4,756,765. Another possibility of laser ablation of layers, e.g. B. organic substances from metal surfaces is to use lasers of short wavelength (UV range). The removal of the layer is then based on the breaking of chemical bonds (photon energy is greater than the binding energy of the chemical bond) ( FIG. 5). This principle lies z. B. based on the patent EP-A 0 233 755.

Die Nachteile des Standes der Technik liegen in der geringen Abtragrate (Volumen oder Masse/Zeit bzw. Fläche/Zeit), da das Abtragen vor allem bei im Verhältnis zur Wellenlänge des Lasers dicken Schichten immer eine Vielzahl von Laserimpulsen je Wirkstelle voraussetzt.The disadvantages of the prior art are the low removal rate (Volume or mass / time or area / time), because the removal is especially in the case of In relation to the wavelength of the laser, thick layers always have a large number of Requires laser pulses per active site.

Desweiteren verringert sich die Chance des schädigungsarmen Abtrages, wenn sich die optischen und/oder thermischen Eigenschaften von Schicht und Untergrund immer mehr annähern.Furthermore, the chance of low-damage removal is reduced, if the optical and / or thermal properties of layer and Approach the surface more and more.

Diesem Nachteil versucht man teilweise mit On-Line Prozeßkontrolle, wie beispielsweise in der DE 43 20 895 A1 beschrieben, zu begegnen. Neben der Erhöhung des technischen Aufwandes sind Einschränkungen in der Anwendungs­ breite als Nachteile zu nennen.This disadvantage is partly tried with on-line process control, such as for example described in DE 43 20 895 A1. In addition to the Increasing the technical effort are restrictions in the application broad to mention as disadvantages.

Keine Möglichkeiten für ein selektives Entschichten, und ganz und gar nicht mit selbstregulierender Prozeßbegrenzung gibt es immer dann, wenn der Untergrund gegenüber der verfügbaren Wellenlänge des Lasers eine höhere Absorption und/oder eine niedrigere thermische Zerstörschwelle aufweist, als die zu entfernende Schicht. Dieser Nachteil kommt sehr häufig zum Tragen, da die verfügbaren Laserwellenlängen sehr beschränkt sind. Auf dieses Problem wird auch in den Patentschriften EP 0 380 387 B bzw. DE 690 16 051 hingewiesen und der Einsatz eines wellenlängenabstimmbaren Farblasers zur Erzeugung von Schockwellen zum Abtragen vorgeschlagen. Nachteilig ist dabei, daß bei solch hohen Intensitäten, wie sie zum Hervorrufen von abtragserzeugenden Schockwellen erforderlich sind, die Absorptionseigenschaften eines Materials gegenüber Licht geringerer Intensität eine immer geringere Rolle spielen, da Licht solch hoher Intensität durch nichtlineare Prozesse bei der Wechselwirkung mit Material von nahezu jedem Material absorbiert wird und damit eine Selektivität zwischen Schicht und Untergrund nicht mehr gegeben ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß das Farbstofflaserprinzip auch beim heutigen Stand der Technik nicht in der Lage ist, für technische Anwendungen des Laserreinigens ausreichende mittlere Leistungen zu erzeugen. Auch Pulsspitzenleistungen, wie sie das Erzeugen einer Schockwelle erfordern, sind mit Farbstofflasern nicht bzw. nur mit hohem Aufwand möglich. Desweiteren wird in der Patentschrift DE 690 16 051 vorausgesetzt, daß die Absorptionsspektren von Schicht und verschmutztem Material bekannt sind, was jedoch für viele Materialien in den in Frage kommenden Wellenlängenbereichen gegenwärtig jedoch meist nicht der Fall ist.No options for selective decoating, and not at all with There is always a self-regulating process limitation when the underground a higher absorption compared to the available wavelength of the laser and / or has a lower thermal destruction threshold than that to removing layer. This disadvantage is very common because the available laser wavelengths are very limited. To this problem also mentioned in the patents EP 0 380 387 B and DE 690 16 051 and the use of a wavelength-tunable color laser for the generation of Shock waves suggested for ablation. The disadvantage is that with such high intensities, such as those used to induce erosion Shock waves are required, the absorption properties of a material play less and less role compared to light of lower intensity, because Light of such high intensity through nonlinear processes in the interaction is absorbed with material from almost any material and thus a Selectivity between the layer and the substrate is no longer given. A Another disadvantage is that the dye laser principle even at the current level Technology is unable for technical applications of laser cleaning to generate sufficient average power. Also peak power, like they require the generation of a shock wave, are not with dye lasers or only possible with great effort. Furthermore, in the patent DE 690 16 051 provided that the absorption spectra of layer and contaminated material are known, but for many materials in the However, the wavelength ranges in question are currently not usually the Case is.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten vorzuschlagen, mit dem die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden
Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung insbesondere darin, ein Verfahren der genannten Art anzugeben, mit dem die Abtragrate erhöht und die Selektivität zwischen abzutragender Schicht bzw. Schichten und zu erhaltendem Untergrund bzw. zu erhaltender einer oder mehreren weiteren Schicht deutlich verbessert wird.It is the object of the invention to propose a method for the selective removal of one or more layers with which the disadvantages of the prior art mentioned are overcome
Accordingly, the object of the invention is in particular to provide a method of the type mentioned, with which the removal rate is increased and the selectivity between the layer or layers to be removed and the substrate or one or more further layers to be obtained is significantly improved.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25 gelöst.According to the invention, the object is achieved with a method according to one or solved several of claims 1 to 25.

Dabei wird das Verfahren mittels Laser bzw. Lasersystemen mit selbstregulierender Prozeßbegrenzung durchgeführt. Dieses Verfahren zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das Abtragen während kurzer (vorzugsweise im µs-Bereich oder darunter) Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht einer solchen Wellenlänge durchgeführt wird, daß das Laserlicht von dem einen Teil des Gesamtverbundes (entweder der abzutragenden Schicht bzw. Schichten oder dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht) so stark absorbiert wird, daß die Abtragsschwelle (vorzugsweise Verdampfungs- und/oder Zersetzungsschwelle) des jeweiligen Materials überschritten wird und daß die Absorption des Laserlichtes bei gleicher Intensität von dem jeweiligen anderen Teil des Gesamtverbundes (entweder dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen Schicht oder mehreren weiteren Schichten oder der abzutragenden Schicht bzw. Schichten) so gering ist, daß eben diese Abtragsschwelle nicht erreicht wird.The process is carried out using a laser or laser system self-regulating process limitation. This procedure records According to the invention that the removal during a short (preferably in the µs range or below) interaction times with laser light is carried out such a wavelength that the laser light from one Part of the overall network (either the layer or layers to be removed or the subsurface to be preserved or the one or several more layers) is absorbed so strongly that the removal threshold (preferably evaporation and / or decomposition threshold) of the respective Material is exceeded and that the absorption of the laser light at the same Intensity of the other part of the overall network (either the to be preserved or one or more layers to be preserved further layers or the layer or layers to be removed) is so small, that this removal threshold is not reached.

Der spezifische Vorteil des Laserabtragens, der hierbei genutzt wird ist der, daß es zu einer selbstregulierenden Prozeßbegrenzung und damit zur Verhinderung einer Schädigung des zu erhaltenden Untergrundes kommt, wenn dieser die Wellenlänge der einfallenden Laserstrahlung weniger absorbiert als die zu entfernende Schicht und die Energiedichte des Laserstrahles so eingestellt wird, daß sie zwischen den Schwellenergiedichten der Schicht und des Untergrundes liegt (ESchwellSchicht < ELaser < ESchwelluntergrund). Die Verdampfungsschwelle, z. B. des Untergrundes, wird somit nicht mehr erreicht, da der überwiegende Anteil der einfallenden Strahlung entweder in einem so großen Volumen absorbiert wird, daß die auf das Untergrundmaterialvolumen bezogenen Energiedichten zum Abtrag nicht mehr ausreichen oder der Hauptanteil des eingestrahlten Laserlichtes vom Untergrund reflektiert bzw. durch diesen hindurchgelassen wird. The specific advantage of laser ablation, which is used here, is that there is a self-regulating process limitation and thus prevention of damage to the substrate to be obtained if it absorbs the wavelength of the incident laser radiation less than the layer to be removed and the energy density of the laser beam is set so that it lies between the threshold energy densities of the layer and the substrate (E swell layer <E laser <E swell substrate). The evaporation threshold, e.g. B. of the subsurface, is therefore no longer achieved since the predominant portion of the incident radiation is either absorbed in such a large volume that the energy densities related to the subsurface material volume are no longer sufficient for ablation, or the main portion of the incident laser light reflects from the subsurface or is let through this.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß man zunächst die optischen Eigenschaften der abzutragenden Schicht bzw. Schichten und des jeweiligen zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen Schicht oder mehreren weiteren Schichten in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserlichtes ermittelt, z. B. durch Bestimmung der wellenlängenabhängigen optischen Konstanten mittels spektroskopischer Methoden. Aus den daraus berechneten Absorptionskoeffizienten wird der Wellenlängenbereich ermittelt, für den die dargelegten Bedingungen für eine selbstregulierende Prozeßbegrenzung zutreffen. Anschließend erfolgt der Abtrag bei sehr kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht dieser Wellenlänge.An advantageous embodiment of the method according to the invention provides that the optical properties of the layer to be removed or Layers and the respective substrate to be preserved or the receiving one layer or several further layers depending determined by the wavelength of the laser light, e.g. B. by determining the wavelength-dependent optical constants using spectroscopic Methods. The absorption coefficient calculated from this becomes the Wavelength range determined for which the conditions set out for a self-regulating process limitation apply. Then the removal takes place with very short interaction times with laser light of this wavelength.

Die genannten Prozeßschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können diskontinuierlich oder auch kontinuierlich erfolgen.The mentioned process steps of the method according to the invention can be carried out discontinuously or continuously.

Kurze Wechselwirkungszeiten können durch Kurzpulslaser und/oder durch sehr hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Materialoberfläche erreicht werden.Short interaction times can be achieved by using short pulse lasers and / or very high relative speeds between laser beam and material surface can be achieved.

Eine spezielle Ausführungsvariante des Verfahrens ist die Erzeugung der kurzen Lichtpulse mittels eines wellenlängenabstimmbaren Lasersystems, z. B. eines Nd:YAG-OPO-Systems.A special embodiment variant of the method is the generation of the short ones Light pulses by means of a wavelength-tunable laser system, e.g. B. one Nd: YAG OPO systems.

Eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß an der Grenze zwischen abzutragender Schicht bzw. Schichten und zu erhaltendem Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht eine geringe, hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften zu keiner nachteiligen Eigenschafts­ veränderung führende Materialmenge der zu entfernenden Schicht oder des Untergrundes schlagartig durch Laserstrahlung hoher Energie bei kurzen Einwirkzeiten von vorzugsweise < 1 µs verdampft wird.A variant of the method according to the invention provides that at the border between the layer or layers to be removed and the substrate to be preserved or the one or more further layers to be obtained a small, no adverse properties with regard to the surface properties change leading material amount of the layer to be removed or the Of the substrate suddenly due to high energy laser radiation at short Exposure times of preferably <1 µs is evaporated.

Durch den expandierenden Dampf an der Grenze zwischen den Oberflächen der Schicht und des Untergrundes wird die darüberliegende Schicht abgesprengt. Dünne Schichten können auch ausschließlich verdampft werden.Due to the expanding steam on the boundary between the surfaces of the Layer and the substrate, the layer above is blasted off. Thin layers can also only be evaporated.

Ein Prinzip dieser Variante der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 6 dargestellt. Die laterale Ausdehnung der Wirkstelle läßt sich durch die Größe des Arbeitsfleckes des Laserstrahles (Wirkfleckdurchmesser), z. B. durch Fokussierung bzw. Defokussierung festlegen, so daß in Abhängigkeit von der Dicke der zu entfernenden Schicht auch sehr filigrane Strukturen abgetragen werden können. Es ist dabei von Vorteil, daß sowohl ein geringes Volumen der zu entfernenden Schicht als auch des zu erhaltenden Untergrundes zum Abtrag genutzt werden kann. A principle of this variant of the solution according to the invention is shown in FIG. 6. The lateral extent of the active site can be determined by the size of the working spot of the laser beam (active site diameter), e.g. B. by focusing or defocusing, so that depending on the thickness of the layer to be removed, very filigree structures can be removed. It is advantageous here that both a small volume of the layer to be removed and of the substrate to be preserved can be used for removal.

Lediglich eine Komponente des Schichtsystemes braucht für die benutzte Laserstrahlung eine höhere Transmission als die andere aufzuweisen, d. h. für einen Teil der Laserstrahlung durchlässiger sein. Dies wird durch Auswahl geeigneter Lasersysteme, deren Wellenlänge dieser Bedingung genügen, erreicht. Neben Lasern fester Wellenlänge können auch hier wellenlängenabstimmbare Systeme, z. B. Nd:YAG-Laser mit OPO, vorteilhaft zum Einsatz kommen. Die Sprengwirkung bei dem Prinzip des Abtrages nach Fig. 6 wird gegebenenfalls noch durch die infolge Absorption eines Teiles der Laserpulsenergie stattfindenden Aufheizung des Dampfes weiter verstärkt.Only one component of the layer system needs to have a higher transmission than the other for the laser radiation used, ie it must be more transmissive for some of the laser radiation. This is achieved by selecting suitable laser systems, the wavelength of which meets this condition. In addition to fixed-wavelength lasers, wavelength-tunable systems, e.g. B. Nd: YAG laser with OPO, can be used advantageously. The explosive effect in the principle of the removal according to FIG. 6 is possibly further increased by the heating of the steam which takes place as a result of absorption of part of the laser pulse energy.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, daß für nahezu alle technischen Schichtsysteme somit die Bedingungen für völlig risikoarmen Laserabtrag einstellbar sind, die Durchführung des Verfahrens in einem weit größerem Parameterbereich möglich ist und der Aufwand für one-line- Prozeßkontrolle wegfallen kann. Ebenso ist damit das Laserabtragen und Laserreinigen problemlos und risikoarm im Bereich der Denkmalpflege möglich. Für die Denkmalpflege geeignete Geräte sollten zur freien Bewegung des Laserstrahles entsprechend der Oberflächentopographie des zu bearbeitenden Gegenstandes mit einem Gelenkarm oder mit einer oder mehreren Lichtleitfasern zur Strahlübertragung ausgerüstet sein. Bei wellenlängenabstimmbaren Geräten ist dabei die Notwendigkeit der Anpaßbarkeit der Strahlführung an die unterschiedlichen Wellenlängen zu beachten, z. B. durch auswechselbare Spiegelsätze im Gelenkarm oder durch mehrere Lichtleitfasern.The advantage of the solution according to the invention is in particular that for almost all technical layer systems thus the conditions for completely low-risk laser ablation are adjustable, performing the procedure in a much larger parameter range is possible and the effort for one-line Process control can be eliminated. Likewise, laser ablation and Laser cleaning can be done easily and with little risk in the area of monument preservation. Suitable devices for the preservation of historical monuments should allow the free movement of the Laser beam according to the surface topography of the to be processed Object with an articulated arm or with one or more optical fibers be equipped for beam transmission. With wavelength-tunable devices is the need to adapt the beam guidance to the different wavelengths to consider, e.g. B. by replaceable Mirror sets in the articulated arm or through several optical fibers.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.The method according to the invention should be based on the following Exemplary embodiments are explained in more detail.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 7 skizziert.The principle of this exemplary embodiment is outlined in FIG. 7.

Auf einer Holztafel (1) mit der Dicke (2) befindet sich eine aufgetragene Schicht (3) mit der Schichtdicke (4), die entfernt werden soll. Bei der Bestrahlung mit einem Nd:YAG-Impulslaserstrahl (5) mit einer Pulslänge von 6 ns, einer Pulsenergie von 300 mJ, einer Frequenz von 20 Hz und einem Arbeitsfleckdurchmesser (6) von dw = 4 mm nach der in diesem Ausführungsbeispiel (ausschließlich Fig. 7) gezeigten Verfahrensvariante wird die Schicht nach einer Anzahl von ca. 30 Impulsen, d. h. in einer Zeit von ca. 1,5 s, scheibchenweise bis zur Oberfläche (7) der Holztafel abgetragen. Der Durchmesser der abgetragenen Fläche (8) entspricht etwa dem Arbeitsfleckdurchmesser. Ein Abtrag der Holzoberfläche erfolgt aufgrund der geringen Absorption und der hohen Reflexion des Holzes für die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers (I = 1064 nm) nicht. On a wooden board ( 1 ) with the thickness ( 2 ) there is an applied layer ( 3 ) with the layer thickness ( 4 ) that is to be removed. When irradiated with an Nd: YAG pulse laser beam ( 5 ) with a pulse length of 6 ns, a pulse energy of 300 mJ, a frequency of 20 Hz and a working spot diameter ( 6 ) of d w = 4 mm according to the one in this exemplary embodiment (exclusively process variant shown Fig. 7), the layer after a number of pulses 30, that is, s, removed in a time of about 1.5 piecemeal to the surface (7) of the wooden plate. The diameter of the removed surface ( 8 ) corresponds approximately to the working spot diameter. Because of the low absorption and the high reflection of the wood for the wavelength of the Nd: YAG laser (I = 1064 nm), the wood surface is not removed.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 7 und Fig. 8 skizziert.The principle of this embodiment is sketched in FIG. 7 and FIG. 8.

Auf einer Glasscheibe (1) mit der Dicke (2) befindet sich eine aufgetragene Schicht (3) mit der Schichtdicke (4). Bei der Bestrahlung mit einem Nd:YAG- Impulslaserstrahl (5) mit einer Pulslänge von 6 ns, einer Pulsenergie von 260 mJ, einer Frequenz von 20 Hz und einem Arbeitsfleckdurchmesser (6) von dw = 2 mm nach der in Fig. 7 gezeigten Verfahrensvariante, wird die Schicht nach einer Anzahl von ca. 20 Impulsen, d. h. in einer Zeit von ca. 1 s, scheibchenweise bis zur Oberfläche (7) der Glasscheibe abgetragen. Der Durchmesser der abgetragenen Fläche (8) entspricht etwa dem Arbeitsfleckdurchmesser. Ein Abtrag der Glasoberfläche erfolgt aufgrund der hohen Transmission des Glases für die Wellenlänge des Nd:YAG-Lasers nicht.On a glass pane ( 1 ) with the thickness ( 2 ) there is an applied layer ( 3 ) with the layer thickness ( 4 ). When irradiated with an Nd: YAG pulse laser beam ( 5 ) with a pulse length of 6 ns, a pulse energy of 260 mJ, a frequency of 20 Hz and a working spot diameter ( 6 ) of d w = 2 mm according to that shown in FIG. 7 Process variant, the layer is removed in slices after a number of approx. 20 pulses, ie in a time of approx. 1 s, up to the surface ( 7 ) of the glass pane. The diameter of the removed surface ( 8 ) corresponds approximately to the working spot diameter. The glass surface is not removed due to the high transmission of the glass for the wavelength of the Nd: YAG laser.

Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Laserbehandlung durch die Glasscheibe hindurch mit den gleichen Strahlparametern wie in Fig. 7, jedoch nur mit einer Pulsenergie von 250 mJ. Durch das Verdampfen einer geringen Materialmenge zwischen der Schicht oberhalb der Glasoberfläche (7) und der Glasoberfläche erfolgt ein Absprengen der gesamten Schicht in einem Durchmesserbereich (9), der je nach Sprödigkeit der Schicht geringfügig oder sogar deutlich über dem des Arbeitsfleckdurchmessers (6) liegt (vgl. Fig. 8). Die Abtragrate wird folglich um mehr als den Faktor 20 bei gleicher Qualität gesteigert. When using the method according to the invention, the laser treatment takes place through the glass pane with the same beam parameters as in FIG. 7, but only with a pulse energy of 250 mJ. The evaporation of a small amount of material between the layer above the glass surface ( 7 ) and the glass surface causes the entire layer to crack in a diameter range ( 9 ) which, depending on the brittleness of the layer, is slightly or even significantly above that of the working spot diameter ( 6 ) ( see Fig. 8). The removal rate is consequently increased by more than a factor of 20 with the same quality.

BezugszeichenlisteReference list

11

Grundsubstrat
Base substrate

22nd

Dicke des Grundsubstrates
Thickness of the base substrate

33rd

Schicht auf dem Grundsubstrat
Layer on the base substrate

44th

Schichtdicke von Layer thickness of

33rd

55

Impulslaserstrahl
Pulse laser beam

66

Arbeitsfleckdurchmesser des Impulslaserstrahles
Working spot diameter of the pulse laser beam

77

Oberfläche des Grundsubstrates
Surface of the basic substrate

88th

Durchmesser der abgetragenen Fläche
Diameter of the removed area

99

Durchmesserbereich der abgesprengten Schicht
Diameter range of the stripped layer

Claims (25)

1. Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten von einem zu erhaltenden Untergrund oder einer oder mehrerer zu erhaltender weiterer Schichten mittels Laser mit selbstregulierender Prozeßbegrenzung, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtragen während kurzer Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht einer solchen Wellenlänge durchgeführt wird, daß das Laserlicht von der einen abzutragenden Schicht oder mehreren abzutragenden Schichten oder dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen Schicht oder mehreren weiteren Schichten so stark absorbiert wird, daß die Abtragschwelle des jeweiligen Materials der abzutragenden Schicht bzw. Schichten oder des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schichten überschritten wird, und daß die Absorption des Laserlichtes bei gleicher Intensität von dem jeweiligen anderen Teil (entweder dem zu erhaltende oder dem abzutragende Teil) des Gesamtverbundes so gering ist, daß die Abtragschwelle dieses jeweiligen Materials nicht erreicht wird.1. A method for the selective removal of one or more layers from a substrate to be obtained or one or more further layers to be obtained by means of laser with self-regulating process limitation, characterized in that the removal is carried out during short interaction times with laser light of such a wavelength that the laser light from of the layer to be removed or more layers to be removed or the substrate to be obtained or the one or more layers to be obtained is absorbed so strongly that the removal threshold of the respective material of the layer or layers to be removed or the substrate to be obtained or to receiving one or more further layers is exceeded, and that the absorption of the laser light at the same intensity from the respective other part (either the part to be preserved or the part to be removed) of the overall assembly is so low that the Dept. rag threshold of this material is not reached. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kennwerte vor dem Abtrag am realen Objekt bestimmt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the optical characteristics can be determined before removal on the real object. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kennwerte während des Abtrages am realen Objekt bestimmt werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the optical characteristics determined during the removal on the real object will. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Kennwerte mittels spektroskopischer Methoden und Verfahren bestimmt werden.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the optical parameters by means of spectroscopic methods and Procedure to be determined. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragschwelle von den Verdampfungs- bzw. thermischen Zersetzungsschwellen bestimmt wird.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized characterized in that the removal threshold from the evaporation or thermal decomposition thresholds is determined. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragschwelle von den Verdampfungsschwellen bestimmt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the Removal threshold is determined by the evaporation thresholds.   7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Laserlichtes auf die Absorptionseigenschaften des Schichtsystems und des Untergrundes durch den Einsatz eines oder mehrerer wellenlängenabstimmbarer Lasersysteme abgestimmt wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 6, characterized characterized in that the wavelength of the laser light on the Absorption properties of the layer system and the substrate the use of one or more wavelength-tunable laser systems is voted. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht mittels eines Impulslasers erzielt werden.8. The method according to claim 7, characterized in that the short interaction times with laser light using a pulse laser be achieved. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Impulslaser mit einer Pulsdauer < 1 µs eingesetzt werden.9. The method according to claim 8, characterized in that Pulse lasers with a pulse duration <1 µs can be used. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht durch hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Material erreicht werden.10. The method according to one or more of claims 1 to 9, characterized characterized in that the short interaction times with Laser light due to high relative speeds between the laser beam and Material can be achieved. 11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß cw- Laser in Verbindung mit sehr hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche zur Erzielung der notwendigen kurzen Wechselwirkungszeiten mit Laserlicht eingesetzt werden.11. The method according to claim 7, characterized in that cw- Laser in connection with very high relative speeds between Laser beam and workpiece surface to achieve the necessary short Interaction times with laser light can be used. 12. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als wellenlängenabstimmbares Lasersystem ein mittels Festkörperlaser gepumpter Optischer Parametrischer Oszillator (OPO) eingesetzt wird.12. The method according to claim 7, characterized in that as wavelength-tunable laser system using a solid-state laser pumped optical parametric oscillator (OPO) is used. 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung der einen oder mehreren Schichten erreicht wird, indem während der Einwirkzeit des Lasers auf die Oberfläche der abzutragenden Schicht bzw. Schichten die Schicht bzw. die Schichten in einem oder mehreren Schritten durch Verdampfung abgetragen werden.13. The method according to one or more of claims 1 to 12, characterized characterized in that the removal of one or more Is achieved by applying layers to the laser during the exposure time Surface of the layer or layers to be removed the layer or the Layers in one or more steps by evaporation be removed. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung erreicht wird, indem der Laserstrahl auf die Oberfläche der abzutragenden Schicht bzw. Schichten mehrfach einwirkt und diese Schicht bzw. Schichten in mehreren Einzelschritten verdampft werden, dergestalt, daß mit jeder einzelnen Einwirkzeit des Lasers auf die Oberfläche der abzutragenden Schicht bzw. Schichten diese Schicht bzw. Schichten schrittweise mit Verdampfungstiefen im Submikrometerbereich abgetragen werden. 14. The method according to claim 13, characterized in that the Ablation is achieved by applying the laser beam to the surface of the layer or layers to be removed acts several times and this layer or layers are evaporated in several individual steps, that with each individual exposure time of the laser on the surface of the layer or layers to be removed this layer or layers gradually removed with evaporation depths in the submicron range will.   15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht bzw. Schichten schrittweise mit Verdampfungstiefen < 20 µm abgetragen werden.15. The method according to claim 14, characterized in that the layer or layers to be removed gradually with evaporation depths <20 µm can be removed. 16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenze zwischen der einen oder mehreren abzutragenden Schichten und dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht eine kleine Materialmenge entweder der abzutragenden Schicht bzw. Schichten bzw. des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht schlagartig verdampft wird und die abzutragende Schicht bzw. Schichten: die die geringere Festigkeit als der zu erhaltende Untergrund haben muß, durch den expandierenden Dampf abgesprengt wird.16. The method according to one or more of claims 1 to 12, characterized characterized in that on the border between one or several layers to be removed and the substrate to be preserved or the one or more further layers to be obtained a small one Quantity of material either of the layer or layers to be removed or of the subsurface to be preserved or the one or several more layers is evaporated suddenly and the layer or layers to be removed: the lower strength than that to must have preserving underground, due to the expanding steam is blown up. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialmenge, die an der Grenze zwischen der abzutragenden Schicht bzw. Schichten und dem zu erhaltenden Untergrund bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht verdampft wird, nicht größer als 1 mg ist.17. The method according to claim 16, characterized in that the Amount of material at the boundary between the layer to be removed or layers and the substrate to be preserved or the obtained one or more further layer is evaporated, not is greater than 1 mg. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zu erhaltende Untergrund und/oder die zu erhaltende eine oder mehrere weitere Schicht für einen zur Verdampfung der geringen Materialmenge der abzutragenden Schicht bzw. Schichten ausreichenden Anteil der Laserstrahlung transparent ist und somit der Laserstrahl bzw. der ausreichende Anteil davon durch den zu erhaltenden Untergrund und/oder die zu erhaltende eine oder mehrere weitere Schicht auf die daran angrenzende Seite der abzutragenden Schicht bzw. Schichten geführt wird und dort für die Verdampfung der kleinen Materialmenge der abzutragenden Schicht bzw. Schichten sorgt.18. The method according to claim 16 or 17, characterized in that that the underground to be preserved and / or the one to be preserved several more layers for one to evaporate the small Sufficient material quantity of the layer or layers to be removed Share of the laser radiation is transparent and thus the laser beam or sufficient proportion of it due to the subsurface to be preserved and / or the one or more additional layers to be obtained on top of it Adjacent side of the layer or layers to be removed and there for the evaporation of the small amount of material layer or layers to be removed. 19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutragende Schicht bzw. Schichten für einen zur Verdampfung der kleinen Materialmenge des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht ausreichenden Anteil der Laserstrahlung transparent ist und somit der Laserstrahl bzw. der ausreichende Anteil davon durch die abzutragende Schicht bzw. Schichten auf die daran angrenzende Seite des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der zu erhaltenden einen oder mehreren weiteren Schicht geführt wird und dort für die Verdampfung der kleinen Materialmenge des zu erhaltenden Untergrundes bzw. der einen oder mehreren zu erhaltenden weiteren Schicht sorgt.19. The method according to claim 16 or 17, characterized in that that the layer or layers to be removed for evaporation the small amount of material of the substrate to be preserved or the preserving one or more additional layers sufficient proportion the laser radiation is transparent and thus the laser beam or sufficient portion of it through the layer or layers to be removed on the adjacent side of the subsurface to be preserved or the  one or more additional layers to be obtained is carried out and there for the evaporation of the small amount of material to be obtained Underground or the one or more to be preserved Layer provides. 20. Verfahren nach Anspruch 16, 17, 18 oder 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Dampf, der aus der verdampften kleinen Materialmenge resultiert, zusätzlich aufgeheizt und dadurch die Abtragrate weiter erhöht wird.20. The method according to claim 16, 17, 18 or 19, characterized in records that the steam coming from the vaporized small Material quantity results, additionally heated and thereby the removal rate is further increased. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf durch einen Teil der im Dampf absorbierten Energie aufgeheizt wird.21. The method according to claim 20, characterized in that the Steam is heated by part of the energy absorbed in the steam. 22. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Abtragen der Schicht bzw. Schichten erforderliche Verdampfung der kleinen Materialmenge durch Erwärmen einer für die Laserstrahlung nicht transparenten, aber gut wärmeleitenden Schicht, deren Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur deutlich höher als die der anderen Schicht bzw. Schichten bzw. des Untergrundes ist, erfolgt, die Wärmeenergie mittels Laser zugeführt, durch Wärmeleitung an die Schicht bzw. Untergrund mit der geringeren Verdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur transportiert und durch die Dampfbildung die abzutragende Schicht abgesprengt wird.22. The method according to claim 16 or 17, characterized in that that the necessary to remove the layer or layers Evaporation of the small amount of material by heating one for the Laser radiation not transparent, but good heat-conducting layer, the Evaporation or decomposition temperature significantly higher than that of other layer or layers or of the subsurface takes place Thermal energy supplied by laser, by heat conduction to the layer or substrate with the lower evaporation or Decomposition temperature transported and by the formation of steam layer to be removed is blasted off. 23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum selektiven Abtragen einer oder mehrerer Schichten kontinuierlich geführt wird.23. The method according to one or more of claims 1 to 22, characterized characterized in that the method for selective removal of a or several layers is carried out continuously. 24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit Lasersystemen durchgeführt wird, die zur Strahlübertragung feste und/oder um die Strahlachse drehbare Spiegel benutzen, deren Reflektivität auf die jeweilige Wellenlänge abgestimmt wird oder für die Wellenlänge optimierte Lichtleitfasern besitzen.24. The method according to one or more of claims 1 to 23, characterized characterized in that the method is carried out with laser systems is fixed for the beam transmission and / or rotatable about the beam axis Use mirrors whose reflectivity is based on the respective wavelength is tuned or optical fibers optimized for the wavelength have. 25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mittels Nd:YAG-Laser gepumpten OPO-System mit einem Wellenlängenabstimmbereich von 400 < λ < 2000 nm mit Gelenkarm und auswechselbaren Spiegeln ohne Nachjustage durchgeführt wird.25. The method according to claim 24, characterized in that the Method using Nd: YAG laser pumped OPO system with a Wavelength tuning range of 400 <λ <2000 nm with articulated arm and interchangeable mirrors is carried out without readjustment.
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