DE19833265C2

DE19833265C2 - Verfahren zum Herstellen eines komplizierten Profils ungleichmäßiger Vertiefungen in der Oberfläche eines Werkstücks durch Ablation mittels eines energiereichen Strahls sowie mit diesem Verfahren hergestellter Gegenstand

Info

Publication number: DE19833265C2
Application number: DE19833265A
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Asahi; Yuichi Uchida; Masao Kubo
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2001-08-30
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: US6120725A; US6511627B1; DE19833265A1; CN1219450A; CN1120763C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines komplizierten Profils, das aus einer Anzahl ungleichmäßiger Vertiefungen in der Oberfläche eines Werkstücks besteht, und spezieller betrifft sie ein derartiges Verfahren, bei dem ein energiereicher Strahl dazu verwendet wird, ein mikro strukturiertes Profil in der Oberfläche eines durch Ablation bearbeitbaren Werkstücks herzustellen. Auch betrifft sie einen mit einem solchen Verfahren hergestellten Gegenstand.

Die Verwendung eines energiereichen Strahls zum Herstellen eines gewünschten Mikrostrukturprofils in einem Werkstück durch Ablation wurde mehrfach vorgeschlagen, wie z. B. in den US-Patenten Nr. 4,128,752 und 4,842,782. Um ein kompli ziertes Profil ungleichmäßiger Vertiefungen zu erhalten, die über einen großen Oberflächenbereich verteilt sind, sollte der energiereiche Strahl in Kombination mit einer Maske kom plizierter Konfiguration genau gesteuert werden. Jedoch ist eine Maske komplizierter Konfiguration schwierig herstell bar, und dies ist nur mit sehr hohen Herstellkosten möglich.

Demgemäß besteht Bedarf an der Herstellung eines komplizier ten Profils auf schnelle und kosteneffektive Weise in der Oberfläche eines Werkstücks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines komplizierten Profils ungleichmäßiger Ver tiefungen in der Oberfläche eines durch Ablation bearbeitba ren Werkstücks unter Verwendung einer einfachen Optik oder einer Maske mit einfacher Konfiguration zu schaffen. Ferner besteht die Aufgabe, einen durch ein solches Verfahren her gestellten speziellen Gegenstand zu schaffen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Leh re des beigefügten Anspruchs 1 und hinsichtlich des Gegen stands durch die Lehre des beigefügten Anspruchs 13 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird das komplizierte Profil in eine An zahl einfacher und regelmäßiger Wellenmuster unterteilt, die nacheinander in einander überlagernder Weise durch Einstrah len eines energiereichen Strahls in der Oberfläche eines Werkstücks ausgebildet werden. Dadurch kann das gewünschte komplizierte Profil mit verbessertem Wirkungsgrad und mäßi gen Kosten erhalten werden. Vorzugsweise wird das kompli zierte Profil in regelmäßige, sinusförmige Wellenmuster un terteilt, was durch Annäherung unter Verwendung einer ortho gonalen Transformation, wie durch Fourieranalyse, erfolgt.

Es wird eine Maske verwendet, die eine Anzahl konzentrischer Kreisringe enthält, um einen Einfachzyklusanteil des regel mäßigen Wellenmusters durch Beugung des durch die Maske und eine Optik laufenden energiereichen Strahls auf dem Werk stück abzubilden. Das Werkstück wird relativ zur Maske und zur Optik verschoben, um die Einfachzyklusanteile zusammen hängend auszubilden, um das regelmäßige Wellenmuster zu rea lisieren. Ein anderes regelmäßiges Wellenmuster kann dadurch aufeinanderfolgend auf das Werkstück abgebildet werden, dass die Vergrößerung der Optik unter Verwendung derselben Maske variiert wird oder gesonderte Masken verschiedener Eigen schaften verwendet werden. Ferner ist es bevorzugt, eine Maske mit einer Anordnung von Maskiereinheiten zu verwenden, von denen jede die konzentrischen, undurchsichtigen Kreis ringe enthält.

Ferner ist es bevorzugt, die Strahlintensität so einzustel len, dass zu den Seitenwänden einer Vertiefung hin die Strahlintensität größer als zur Spitze und zum Boden dersel ben ist, um das sinusförmige Wellenmuster präzise auszubil den.

Ferner kann eine auf der Oberfläche des Werkstücks abge schiedene Maske dazu verwendet werden, eines der regelmäßi gen Wellenmuster auf dem Werkstück abzubilden. Die abge schiedene Maske umfasst eine Anordnung von Maskiereinheiten mit jeweils mehreren aneinandergrenzenden Maskierungskreis ringen verschiedener Transparenzgrade für den energiereichen Strahl, die konzentrisch um eine zentrale Öffnung herum an geordnet sind. Der auf die abgeschiedene Maske fallende energiereiche Strahl wird so gesteuert, dass ein anderes regelmäßiges Wellenmuster beim Fehlen der abgeschiedenen Maske durch die abgeschiedene Maske hindurch eingestrahlt wird, um das komplizierte Profil auszubilden. So kann das komplizierte Profil leicht durch einen einzelnen Abraster vorgang des energiereichen Strahls auf der Oberfläche des Werkstücks hergestellt werden.

Anstatt eine Maske zu verwenden, ist es möglich, eine Optik einzusetzen, die eine Speziallinse enthält, die den energie reichen Strahl in mehrere Strahlflecke auf der Oberfläche des Werkstücks verteilt, von denen jeder eine regelmäßig va riierende Strahlintensität aufweist. Die Strahlflecke werden gleichmäßig in einem Array angeordnet, um durch dieses Array von Strahlflecken ein beliebiges regelmäßiges Wellenmuster zu bilden. Die Optik wird auf variierende Vergrößerung ein gestellt, um zunächst eines der regelmäßigen Wellenmuster mit erster Vergrößerung auf die Oberfläche des Werkstücks abzubilden und dann ein anderes Wellenmuster bei einer zwei ten Vergrößerung auf dieselbe Oberfläche abzubilden. So kann das gewünschte komplizierte Profil durch zwei oder mehr Schritte hergestellt werden, bei denen die Wellenmuster mit variierender Vergrößerung auf die Oberfläche des Werkstücks abgebildet werden.

Der energiereiche Strahl ist vorzugsweise ein Laserstrahl mit geeigneter Pulsfrequenz. Die Oberfläche des Werkstücks kann dadurch abgerastert werden, dass der Laserstrahl syn chron mit der Pulsfrequenz verstellt wird, um das kompli zierte Profil über einen großen Bereich auszubilden. Alter nativ kann das Werkstück verstellt werden, während die Optik fixiert ist, um ebenfalls ein kompliziertes Profil über ei nen großen Bereich auszubilden. Vorzugsweise weist ein beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeter Laserstrahl eine kurze Wellenlänge und/oder kurze Impulsbreite auf, um präzi se Laserablation zu ermöglichen.

Diese und andere Aufgaben und vorteilhafte Merkmale der Er findung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzug ten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein System zum Ausführen eines Verfahrens zum Herstellen eines komplizier ten Profils ungleichmäßiger Vertiefungen in der Oberfläche eines Werkstücks gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 2A ist ein Diagramm eines komplizierten Profils;

Fig. 2B und 2C sind Diagramme regelmäßiger Wellenmuster, die durch Aufteilen des Profils von Fig. 2A erzeugt wurden;

Fig. 3 ist ein Kurvenbild zum Veranschaulichen einer Vorge hensweise für Anpassung an eine gewünschte Vertiefung in einem regelmäßigen Wellenmuster;

Fig. 4 ist eine Draufsicht einer beim obigen System verwen deten Maske;

Fig. 5 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen der Intensität eines durch die Maske von Fig. 4 gebeugten Strahls;

Fig. 6 ist eine schematische Draufsicht einer anderen Maske zur Verwendung beim obigen System;

Fig. 7 ist eine schematische Draufsicht des auf die Oberflä che eines Werkstücks projizierten Bilds der Maske;

Fig. 8A und 8B sind schematische Ansichten zum Veranschauli chen von Querschnitten eines in der Oberfläche eines Werk stücks hergestellten Wellenmusters;

Fig. 9A zeigt Draufsichten zweier verschiedener Masken, wie sie beim obigen System zum Abbilden gesonderter Wellenmuster verwendet werden;

Fig. 9B zeigt Schnittansichten der jeweils durch die Masken von Fig. 9A herzustellenden Oberflächen eines Werkstücks so wie das sich ergebende komplizierte Profil;

Fig. 10A zeigt Draufsichten zweier verschiedener Masken, wie sie beim obigen System zum Abbilden gesonderter Wellenmuster verwendet werden;

Fig. 10B zeigt Schnittansichten der jeweils durch die Masken von Fig. 10A herzustellenden Oberflächen eines Werkstücks sowie das sich ergebende komplizierte Profil;

Fig. 11A und 11B veranschaulichen jeweils typische Abraster modi für einen Laserstrahl zum Herstellen eines komplizier ten Profils entlang einer Richtung eines Werkstücks sowie entlang zweier zueinander rechtwinkliger Richtungen;

Fig. 12A und 12B veranschaulichen typische Verstellmodi ei nes Werkstücks zum Herstellen eines, komplizierten Profils entlang einer Richtung des Werkstücks und entlang zweier zu einander rechtwinkliger Richtungen;

Fig. 13 ist eine Draufsicht einer abgeschiedenen Maske, die auf der Oberfläche eines Werkstücks ausgebildet ist, um ein regelmäßiges Wellenmuster abzubilden;

Fig. 14 veranschaulicht eine Vorgehensweise zum Herstellen eines komplizierten Profils unter Verwendung der abgeschie denen Maske von Fig. 13;

Fig. 15 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen eines Systems zum Ausführen eines Verfahrens zum Herstellen eines komplizierten Profils ungleichmäßiger Vertiefungen in der Oberfläche eines Werkstücks gemäß einem anderen Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 16A, 16B und 16C sind schematische Ansichten zum Veran schaulichen verschiedener bei der Erfindung verwendeter Vor gehensweisen zum Herstellen eines regelmäßigen Wellenmusters in der Oberfläche eines Werkstücks.

In Fig. 1 ist ein System zum Herstellen eines komplizierten Profils ungleichmäßiger Vertiefungen in der Oberfläche eines Werkstücks dargestellt. Die hier offenbarte Technik kann bei der Herstellung einer Lichtstreuplatte für eine Lampe, einem Teil mit Mikrostruktur, einer tribologischen Oberfläche oder irgendwelcher anderer dreidimensionaler Konfigurationen ver wendet werden. Genauer gesagt, kann das vorliegende Verfah ren dazu verwendet werden, eine Lichtstreuplatte oder eine winzige optische Linse mit kompliziertem Profil ungleichmä ßiger Vertiefungen, die mit einer Schrittweite von 1 bis 50 µm verteilt sind und ein Längenverhältnis von 0,6 bis 2,0 aufweisen, herzustellen, mikrobearbeitete Teile mit einem komplizierten Profil ungleichmäßiger Vertiefungen, die mit einer Schrittweite von 0,01 bis 50 µm verteilt sind und ein Längenverhältnis von 0,1 bis 0,5 aufweisen, herzustellen, und eine Mikrobeugungslinse hohen Wirkungsgrads zur Verwen dung bei einem Sensor für Infrarot- oder sichtbares Licht mit einem komplizierten Profil ungleichmäßiger Vertiefungen, die mit einer Schrittweite von ungefähr 0,5 µm verteilt sind und eine Tiefe von 0,5 µm aufweisen, herzustellen.

Das System umfasst eine Quelle 10 zum Erzeugen eines ener giereichen Strahls zum Bearbeiten eines Werkstücks 1 durch Ablation. Die Strahlquelle 10 liefert vorzugsweise ein ge pulstes, kurzwelliges Signal, und sie ist insbesondere ein gepulster KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Impulsbreite von 30 ns. In Anpassung an das Werk stück 1 kann ein beliebiger anderer Laser verwendet werden wie ein Co₂-Gaslaser oder ein YAG-Laser mit jeweils hoher Spitzenenergie.

Das Werkstück 1 besteht aus einem abtragbaren Material wie Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyester, Polystyrol, Cellulosekunststoff, Polyimid, einem Flüssig kristallpolymer, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Bornitrid, Gold, einer Kupferlegierung, Wolfram oder Aluminium. Das komplizierte Profil wird z. B. durch Computersimulation ent sprechend einer gewünschten Charakteristik, die das Profil erhalten soll, bestimmt. Ein Beispiel eines komplizierten Profils P ist in Fig. 2A dargestellt, das eine Anzahl konti nuierlich verteilter ungleichmäßiger Vertiefungen aufweist. Das komplizierte Profil P wird durch Fourierannäherung in zwei einfache, sinusförmige Wellenmuster W1 und W2 aufge teilt, wie sie in den Fig. 2B bzw. 2C dargestellt sind. Die so aufgeteilten Wellenmuster W1 und W2 haben verschiedene Schrittweiten oder Frequenzen und verschiedene Höhen oder Amplituden. Abhängig von der erforderlichen Kompliziertheit und Genauigkeit kann das Profil P in drei oder mehr sinus förmige Wellenmuster aufgeteilt werden, die aus solchen aus gewählt werden, wie sie durch eine Fourierreihe für das kom plizierte Profil repräsentiert sind. In diesem Fall können das erste und zweite Wellenmuster W1 und W2 durch die fol genden Funktionen f(x) bzw. g(x) repräsentiert werden:

f(x) = -15 + 15sin[(2π/30)x]

g(x) = -8 + 8sin[(2π/24)x]

So kann das komplizierte Profil durch h(x) = f(x + g(x) re präsentiert werden.

Die so erhaltenen regelmäßigen, sinusförmigen Wellenmuster W1 und W2 werden aufeinanderfolgend in der Oberfläche des Werkstücks W1 auf überlagerte Weise unter Verwendung einer Optik hergestellt, um das komplizierte Profil in der Ober fläche auszubilden. Die Optik enthält ein Paar fester Spie gel 11 und 12, die den Laserstrahl B von der Quelle 10 so lenken, dass er durch ein Paar Zylinderlinsen 13 und 14 läuft, die den Laserstrahl von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt (25 mm × 8 mm) auf quadratischen Querschnitt (25 mm × 25 mm) formen. Der so geformte Laserstrahl B wird durch eine Strahlschwächungseinrichtung 15 und eine Maske 20 gelenkt, woraufhin er durch einen Abrasterspiegel 17 reflek tiert wird, um durch eine Konvergenzlinse 18 zum auf einem Tisch 2 montierten Werkstück 1 zu laufen. Die Maske 20 kann zwischen dem Abrasterspiegel 17 und der Konvergenzlinse 18 angebracht werden.

Fig. 4 zeigt ein typisches Beispiel für die Maske 20, die dazu verwendet wird, eines der sinusförmigen Wellenmuster auf die Oberfläche des Werkstücks 1 abzubilden. Die Maske 20 umfasst ein transparentes Quarzsubtrat 21, auf dem ein Kreismuster aus Chrom abgeschieden ist, das mehrere undurch sichtige Kreisringe 22 umfasst, die konzentrisch innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von 300 µm angeordnet sind. Auf dem restlichen Bereich ist ebenfalls Chrom abge schieden, so dass er undurchsichtig ist. Die undurchsichti gen Kreisringe haben eine Breite von 2 µm und sind jeweils 2 µm voneinander beabstandet, um zwischen sich entsprechen de, transparente Kreisringe zum Durchlassen des Laserstrahls auszubilden. Der durch die Maske 20 laufende Laserstrahl wird gebeugt, um ein Beugungsmuster mit einer Strahlintensi tät in der Form im wesentlichen eines einfachen Sinuszyklus zu erzeugen, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Das so ge beugte sinusförmige Wellenmuster wird mit einem Vergröße rungsfaktor 1/10 durch die Konvergenzlinse 18 mit einer Brennweite von 100 mm auf das Werkstück 1 abgebildet, wäh rend der Abrasterspiegel 17 mit geeigneter Frequenz schwingt, um die Oberfläche des Werkstücks in einem großen Bereich mit z. B. einer Fläche von 1 mm × 1 mm mit dem Beu gungsmuster des Laserstrahls abzurastern. So wird der Laser strahl mit variierender Intensität innerhalb der Grenzen des äußersten undurchsichtigen Kreisrings auf die Oberfläche des Werkstücks gestrahlt, um eine Anordnung von Strahlflecken S auszubilden, wie in Fig. 7 dargestellt, um dadurch durch La serablation eines der Wellenmuster W1 und W2 auszubilden, wobei sich die Anordnung entlang zueinander rechtwinkliger Richtungen auf dem Werkstück erstreckt, wie es in den Fig. 8A und 8B dargestellt ist. In diesem Fall wird die Strahl schwächungseinrichtung 15 so eingestellt, dass sich eine Energiedichte von 5,0 mJ/mm² einstellt, und durch die Maske werden 30 Schüsse des Laserstrahls hindurchgestrahlt, um das entsprechende Wellenmuster auszubilden.

Anstatt die Maske von Fig. 4 zu verwenden, ist es in glei cher Weise möglich, eine Sammelmaske 30 zu verwenden, die, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, auf einem Substrat eine Anordnung von Maskierungseinheiten aufweist, die jeweils der aus mehreren undurchsichtigen Kreisringen entsprechenden Maske 20 entsprechen. Der restliche Bereich des Substrats ist mit Chrom beschichtet, um undurchsichtig zu sein.

Nachdem das erste Wellenmuster W1 hergestellt wurde, wird die Optik so eingestellt, dass ihr Vergrößerungsfaktor ver kleinert ist, um das zweite Wellenmuster S2 in überlagerter Weise auf dem ersten Wellenmuster W1 in der Oberfläche des Werkstücks auszubilden, wodurch das komplizierte Profil un gleichmäßiger Vertiefungen hergestellt wird. Anschließend kann ein zusätzliches Muster oder es können weitere Muster mit verschiedenen Wellenverläufen mit verschiedenen Vergrö ßerungsfaktoren nach Bedarf hergestellt werden, um ein ge naueres kompliziertes Profil herzustellen. In diesem Zusam menhang sei darauf hingewiesen, dass ein genaueres kompli ziertes Profil dann reproduziert werden kann, wenn als ers tes das Wellenmuster mit großer Amplitude hergestellt wird, als dann, wenn zuerst ein Wellenmuster mit kleinerer Ampli tude hergestellt wird.

Anstatt den Vergrößerungsfaktor zu variieren, ist es mög lich, verschiedene Masken zum Abbilden einzelner sinusförmi ger Wellenmuster auf derselben Oberfläche eines Werkstücks abzubilden. Z. B. werden drei Masken dazu verwendet, drei Wellenmuster, nämlich W1 mit einer Schrittweite von 30 µm und einer Höhe von 9 µm, W2 mit einer Schrittweite von 12 µm und einer Höhe von 3 µm sowie W3 mit einer Schrittweite von 5 µm und einer Höhe von 1,3 µm auf dem Werkstück 1 auszubil den, die dabei so kombiniert werden, dass ein kompliziertes Profil entsteht. Die erste Maske umfasst eine Anordnung kreisförmiger Maskierungseinheiten mit jeweils einem Durch messer von 240 µm, wobei jede Einheit von der benachbarten Einheit, gemessen zwischen den Mitten der Einheiten, 300 µm beabstandet ist. Jede Maskierungseinheit hat dieselbe Konfi guration wie diejenige von Fig. 4. Die zweite Maske umfasst eine Anordnung ähnlicher Maskierungseinheiten mit einem Durchmesser von 96 µm, die von Mitte zu Mitte 120 µm beab standet sind. Die dritte Maske umfasst eine Anordnung ähnli cher Maskierungseinheiten mit einem Durchmesser von 40 µm, die von Mitte zu Mitte 50 µm beabstandet sind. Durch die erste Maske hindurch werden 30 Impulse des Laserstrahls von 5,0 mJ/mm² auf die Oberfläche des Werkstücks gestrahlt, dann 10 Impulse durch die zweite Maske sowie 4 Impulse durch die dritte Maske, jeweils mit einem Vergrößerungsfaktor von 1/10.

Die Fig. 9A und 9B veranschaulichen ein anderes Beispiel zum Herstellen eines ähnlichen komplizierten Profils unter Ver wendung zweier gesonderter Masken 31 und 32 mit Anordnungen kreisförmiger Öffnungen 34 mit verschiedenen Durchmessern, die jedoch mit denselben gegenseitigen Abständen angeordnet sind. Die erste und die zweite Maske 31 und 32 sind alleine für das Herstellen des ersten und zweiten Wellenmusters zu ständig, die in Fig. 9B unmittelbar unter den jeweiligen, in Fig. 9A dargestellten Masken dargestellt sind. Die sich erg ebende Oberflächenkonfiguration des komplizierten Profils ist rechts in Fig. 9B dargestellt.

Die Fig. 10A und 10B veranschaulichen ein weiteres Beispiel zum Herstellen eines ähnlichen komplizierten Profils unter Verwendung zweier gesonderter Masken 31A und 32A mit Anord nungen kreisförmiger Öffnungen 34A mit demselben Durchmes ser, die jedoch in Querrichtung um 180° versetzt sind. Die erste und die zweite Maske 31A und 32A sind alleine für die Herstellung des ersten und zweiten Wellenmusters zuständig, wie sie in Fig. 10B unmittelbar unter den jeweiligen, in Fig. 10A dargestellten Masken dargestellt sind. Rechts in Fig. 10B ist die sich ergebende Oberflächenkonfiguration eines komplizierten Profils dargestellt. Die kreisförmigen Öffnungen 34 und 34A weisen einen Durchmesser auf, der be trächtlich kleiner als derjenige des einfallenden Laser strahls ist, um in der Oberfläche des Werkstücks durch Ver stellen des Laserstrahls über die Öffnungen abgerundete Ver tiefungen auszubilden. Da die Stärke des über die Öffnungen laufenden Laserstrahls zur Mitte einer Öffnung hin größer ist als am Rand, weisen die sich ergebenden, durch Laserab lation hergestellten Vertiefungen Querschnitte mit im we sentlichen sinusförmigem Wellenmuster auf. Es ist auch mög lich, statt der einzelnen kreisförmigen Öffnungen 34 und 34A die in Fig. 4 dargestellte Maske 20 zu verwenden.

Um die Wellenmuster und damit das sich ergebende komplizier te Profil über einen großen Bereich herzustellen, kann der Laserstrahl in einer Richtung und danach in der dazu recht winkligen Richtung durchgerastert werden, wie es in den Fig. 11A und 11B dargestellt ist. Nach dem Herstellen der Muster über einen großen Bereich, z. B. über einen Weg, der mehre ren Zyklen des Signalverlaufs entspricht, wird das Werkstück 1 relativ zur Optik verschoben. Alternativ ist es möglich, das Werkstück in einer horizontalen Ebene zu verschieben, während der Laserstrahl mit feststehender Optik auf das Werkstück gestrahlt wird, wie dies in den Fig. 12A und 12B dargestellt ist. Gemäß diesem Schema wird der das Werkstück 1 tragende Tisch 2 synchron mit dem Pulsbetrieb des Laser strahls verschoben. Z. B. wird der Tisch mit einer Geschwin digkeit von 13 mm/Min. verschoben, während der Laserstrahl mit einer Impulsfrequenz von 150 Hz eingestrahlt wird. Das Schema einer Verschiebung des Tischs ist zum Reproduzieren eines genauen, komplizierten Profils von Vorteil, ohne dass es zu wesentlicher Aberration in der Optik kommt.

Fig. 13 zeigt eine abgeschiedene Maske 40, wie sie beim er findungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Die Maske 40 wird auf einer ebenen Oberfläche des Werkstücks 1 abge schieden, bevor sie zum Abbilden eines der regelmäßigen Wel lenmuster durch den Laserstrahl bestrahlt wird. Die Maske 40 umfasst eine Anordnung von Maskierungseinheiten 41, von de nen jede über zwei benachbarte Maskierungskreisringe 43 und 44 verschiedener Transparenzgrade verfügt, die konzentrisch um eine mittlere Öffnung 42 mit 30 µm Durchmesser angeordnet sind. Der innere Kreisring 43 wird dadurch hergestellt, dass Ag mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) so abgeschieden wird, dass es sich über einen Bereich mit einem Durchmesser zwi schen 30 µm und 70 µm erstreckt, und der äußere Kreisring 44 wird durch Abscheiden von Cu mit einer Dicke von 100 nm in solcher Weise, dass er sich über einen Bereich zwischen 70 µm und 100 µm erstreckt, hergestellt. Der restliche Be reich 45 wird dadurch hergestellt, dass Al mit einer Dicke von 500 nm abgeschieden wird. Die so hergestellten Maskie rungseinheiten 41 sind mit einem Abstand von 100 µm von Mit te zu Mitte angeordnet. Der innere Kreisring 43 aus Ag, der äußere Kreisring 44 aus Cu und der restliche Bereich 45 aus Al weisen verschiedene Transparenzgrade von 72%, 59% bzw. 9% für einen KrF-Laserstrahl auf, so dass durch Einstrah lung des Laserstrahls mit gleichmäßiger Intensität über den gesamten Bereich der abgeschiedenen Maske zu einer Abbildung eines ersten sinusförmigen Wellenmusters mit einer Schrittweite von 100 µm und einer Höhe von 3 µm in der Oberfläche des Werkstücks 1 sorgt, wie es links in Fig. 14 dargestellt ist. Tatsächlich wird der auftreffende Laserstrahl, dessen Intensität so eingestellt wird, dass er ansonsten ein zwei tes Wellenmuster mit einer Schrittweite von 50 µm und einer Höhe von 1 µm abbildet, durch die abgeschiedene Maske 40 eingestrahlt, um das komplizierte Profil auszubilden, das aus dem ersten und zweiten Wellenmuster besteht, wie es rechts in Fig. 14 dargestellt ist. Durch diese Technik kann das komplizierte Profil durch einmalige Einstrahlung des Laserstrahls auf die mit der abgeschiedenen Maske 40 bedeck te Fläche erhalten werden. Der einfallende Laserstrahl va riabler Intensität kann unter Verwendung einer Maske, einer Speziallinse oder irgendeines anderen Systems in der Optik ausgebildet werden.

Fig. 15 veranschaulicht ein anderes System zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses System umfasst eine Quelle 100 für einen energiereichen Strahl zum Erzeugen ei nes Laserstrahls in Form kurzer Impulse, und ein Paar fester Spiegel 111 und 112, die den Laserstrahl B von der Quelle 100 so lenken, dass er durch ein Paar Abschwächungseinrich tungen 115 und 116 zu einem Abrasterspiegel 117 läuft. Da nach wird der Laserstrahl durch ein Paar Zylinderlinsen 113 und 114 gelenkt, die den Laserstrahl von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt (25 mm × 8 mm) auf quadratischen Querschnitt (25 mm × 25 mm) formen. Der so geformte Laser strahl B wird durch eine Fliegenaugenlinse 120 auf die Ober fläche eines auf einem Tisch montierten Werkstücks 1 ge strahlt. Die Fliegenaugenlinse 120 umfasst eine Anordnung von 25 feinen Konvexlinsen zum Aufteilen des einfallenden Laserstrahls mit im wesentlichen quadratischem Querschnitt in ein entsprechendes Array von Strahlflecken, die identisch mit den in Fig. 7 dargestellten sind, die unter Verwendung der Maske 30 von Fig. 6 erhalten werden, und die jeweils regelmäßig variierende Strahlintensität aufweisen, um in der Oberfläche des Werkstücks für ein sinusförmiges Wellenmuster zu sorgen. So kann die Fliegenaugenlinse 120 verschiedene sinusförmige Wellenmuster dadurch auf der Oberfläche des Werkstücks abbilden, dass der Vergrößerungsfaktor der Optik variiert wird. Der Laserstrahl wird durch die Abschwächungs einrichtungen 115 und 116 so eingestellt, dass sich eine Energiedichte von 5,0 mJ/mm² ergibt, um in der Oberfläche eines Werkstücks 1 aus Polycarbonat ein kompliziertes Profil herzustellen, das aus einem ersten Wellenmuster mit einer Schrittweite von 1000 µm und einer Höhe von 50 µm, einem zweiten Wellenmuster mit einer Schrittweite von 500 µm und einer Höhe von 30 µm sowie einem dritten Wellenmuster mit einer Schrittweite von 250 µm und einer Höhe von 5 µm be steht. Das erste Muster wird dadurch hergestellt, dass durch die Fliegenaugenlinse 120 170 Impulse des Laserstrahls bei einem Vergrößerungsfaktor von 1/5 eingestrahlt werden. Dann wird das zweite Muster dem ersten Muster dadurch überlagert, dass 100 Impulse des Laserstrahls bei einem Vergrößerungs faktor von 1/10 durch die Linse 120 gestrahlt werden. Schließlich wird das dritte Muster dem erhaltenen kompli zierten Muster dadurch überlagert, dass 17 Impulse des La serstrahls bei einem Vergrößerungsfaktor von 1/20 durch die Linse 120 gestrahlt werden, um dadurch das komplizierte Pro fil nach Wunsch zu realisieren. Die Abbildung des ersten, zweiten und dritten Musters erfolgt durch Durchrastern des Laserstrahls durch die Fliegenaugenlinse 120 durch Betreiben des Abrasterspiegels 117, und sie werden durch jeweils einen Abrastervorgang in quadratischen Bereichen von 25 mm², 6,25 mm² bzw. 1,5625 mm² ausgebildet. Demgemäß wird der Tisch, auf dem das Werkstück 1 montiert ist, in einer hori zontalen Ebene in bezug auf die Optik verschoben, um das komplizierte Profil über einen ausgedehnten Bereich des Werkstücks herzustellen.

Anstatt eine Maske oder eine Fliegenaugenlinse zu verwenden, wie hier offenbart, ist es leicht möglich, einen Laserstrahl unmittelbar auf die Oberfläche eines Werkstücks zu strahlen, um ein sinusförmiges Wellenmuster zu erhalten, und zwar durch Variieren der Intensität des Laserstrahls während der Strahlfleck über die Oberfläche des Werkstücks verschoben wird. Fig. 16A veranschaulicht eine einfache Vorgehensweise zum Herstellen eines sinusförmigen Wellenmusters durch di rektes Einstrahlen eines Laserstrahls. Ein Zyklus des vorge sehenen Sinusverlaufs ist in 8 Segmente S1 bis S8 unter teilt, wobei für jedes die Ablationstiefe durch die Laser intensität entsprechend einer mittleren Amplitude innerhalb jedes Segments eingestellt wird. So kann ein aus zwei oder mehr sinusförmigen Wellenmustern bestehendes kompliziertes Profil dadurch erhalten werden, dass einfach die Schritte des Einstrahlens des Laserstrahls bei variabler Strahlinten sität sowie des Verschiebens des Werkstücks relativ zum Strahl auf solche Weise, dass einfachen sinusförmigen Wel lenmustern nachgefahren wird, wiederholt werden. Obwohl ein Laserstrahl leicht so eingestellt werden kann, dass seine Intensität variiert, um variable Strahlflecke zu erzielen, wenn ein sinusförmiges Wellenmuster hergestellt wird, ist es zum Verbessern des Wirkungsgrads beim Herstellen eines kom plizierten Profils von Vorteil, die Maske 20 von Fig. 4 zum Herstellen eines Zyklus des sinusförmigen Wellenverlaufs zu einem Zeitpunkt zu verwenden, wie in Fig. 16B dargestellt, oder die Maske 30 von Fig. 6 oder die Fliegenaugenlinse 120 von Fig. 15 zum Herstellen von zwei oder mehr Zyklen des sinusförmigen Wellenverlaufs zu verwenden, wie in Fig. 16C dargestellt.

Wenn das sinusförmige Wellenmuster durch Laserablation her gestellt wird, kann die Vertiefung des Musters Seitenwände aufweisen, deren Konfiguration nicht genau mit einem Sinus verlauf übereinstimmt, wie es durch eine gestrichelte Linie in Fig. 3 dargestellt ist, und zwar wegen einer Verringerung der Intensität des Laserstrahls, der auf die schrägen Sei tenwände fällt. Um diesen unerwünschten Effekt zu vermeiden und ein sinusförmiges Wellenmuster genauer herzustellen, kann ein auf die Seitenwände gelenkter Laserstrahl so einge stellt werden, dass seine Intensität in solchem Ausmaß er höht ist, dass sich das genaue Wellenmuster ergibt. Wenn so vorgegangen wird, ist es wirkungsvoll, die Schritte des Her stellens desselben Wellenmusters doppelt auszuführen. Wenn z. B. das gewünschte Sinusmuster durch die folgende Funktion repräsentiert ist:

g(x) = 15sin[(2π/30)x],

werden die Schritte des Herstellens des durch die folgende Funktion f(x) repräsentierten sinusförmigen Wellenmusters wiederholt, um eine Annäherung an den Wellenverlauf g(x) zu erzielen:

f(x) = 7,5sin[(2π/30)x]

Eine genauere Annäherung an einen sinusförmigen Wellenver lauf kann dadurch erhalten werden, dass die Anzahl der Schritte zum Herstellen desselben Wellenmusters erhöht wird. Ein sinusförmiger Wellenverlauf f(x) wird unter Verwendung einer Maske und einer Fliegenaugenlinse oder durch Steuern der Intensität des Laserstrahls bei variablen Strahlflecken erzielt. Ferner kann ein einzelnes sinusförmiges Wellenmus ter unter Verwendung von zwei oder mehr Masken oder Fliegen augenlinsen hergestellt werden, die so konzipiert sind, dass die Verringerung der Intensität des auf die Seitenwände der herzustellenden Vertiefung gestrahlten Strahls kompensiert ist.

Es sei darauf hingewiesen, dass die oben erläuterten Merkmale in geeigneter Weise kombiniert werden können, um ein kom pliziertes Profil zu reproduzieren. Ferner sei darauf hinge wiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Masterform zum Fertigen eines Gegenstands mit mikro strukturierter Oberfläche verwendet werden kann. Bei dieser Anwendung kann eine wohlbekannte Technik, die häufig als LIGA-Technik bezeichnet wird, dazu verwendet werden, zu nächst ein mikrostrukturiertes Werkstück herzustellen, wobei dann die Masterform durch Elektroformen hergestellt wird. Wenn die Vertiefungen des komplizierten Profils so winzig sind, dass sie eine mittlere Schrittweite von weniger als einigen Mikrometern und ein Längenverhältnis von 1,0 oder mehr aufweisen, kann es schwierig sein, eine derartige Mi krostruktur unter Verwendung einer Masterform zu reproduzie ren. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, dass die Mas terform dem Gegenstand ein Grund-Wellenmuster verleiht, das anschließend behandelt wird, um im Gegenstand ein weiteres Wellenmuster oder mehrere in überlagerter Weise auszubilden, damit er schließlich ein endgültiges kompliziertes Profil erhält.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines komplizierten Profils (P), das aus einer Anzahl ungleichmäßiger Vertiefungen in einer Oberfläche eines Werkstücks besteht, wobei zunächst das komplizierte Profil bestimmt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Aufteilen des komplizierten Profils in mehrere einfache und regelmäßige Wellenmuster (W1, W2) verschiedener Charak teristiken und
- Einstrahlen eines energiereichen Strahls auf die Oberflä che des Werkstücks, um die einzelnen regelmäßigen Wellenmus ter aufeinanderfolgend auf überlagerte Weise durch Ablation in der Oberfläche des Werkstücks auszubilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das komplizierte Profil durch Annäherung unter Verwendung einer orthogonalen Transformation in regelmäßige Wellenmus ter von Sinusform aufgeteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (20) verwendet wird, die mehrere konzentrische, undurchsichtige Kreisringe (22) aufweist, um einen Einfach zyklusanteil des regelmäßigen Wellenmusters durch Beugung des durch die Maske laufenden energiereichen Strahls auf dem Werkstück (1) abzubilden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer einzelnen, auf der Oberfläche des Werk stücks abgeschiedenen Maske (40), um eines der regelmäßigen Wellenmuster auf das Werkstück abzubilden, wobei die abge schiedene Maske ein Array von Maskierungseinheiten aufweist, von denen jede über mehrere aneinandergrenzende Maskierungs kreisringe verschiedener Transparenzgrade verfügt, die sich konzentrisch um eine mittlere Öffnung herum befinden, wobei der energiereiche Strahl, der andernfalls ein anderes der regelmäßigen Wellenmuster bildet, auf die abgeschiedene Mas ke fällt, um das komplizierte Profil auszubilden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Seitenwände der durch Ablation erzeugten Vertie fung gerichtete energiereiche Strahl so eingestellt wird, dass er dort eine größere Strahlintensität aufweist als an der Spitze und dem Boden der Vertiefung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der energiereiche Strahl in gesonderten Schritten unter Ver wendung verschiedener Arten von Masken auf die Oberfläche des Werkstücks gestrahlt wird, wobei jede Maske ein einzel nes der verschiedenen regelmäßigen Wellenmuster auf die Oberfläche des Werkstücks abbildet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Optik mit einer Speziallinse verwendet, die den energiereichen Strahl in mehrere Strahlflecke auf der Ober fläche des Werkstücks aufteilt, von denen jeder eine regel mäßig variierende Strahlintensität aufweist, und wobei die Strahlflecke gleichmäßig in einem Array angeordnet sind, um durch dieses Array ein beliebiges der regelmäßigen Wellen muster zu bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik mit variabler Vergrößerung eingestellt wird, um eines der regelmäßigen Wellenmuster mit einer ersten Vergrö ßerung als erstes auf die Oberfläche des Werkstücks abzubil den und dann ein anderes der regelmäßigen Wellenmuster mit einer zweiten Vergrößerung auf dieselbe Oberfläche abzubil den.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine einzelne Maske und eine einzelne Optik verwendet, die durch die einzelne Maske hindurch mittels des energie reichen Strahls auf der Oberfläche des Werkstücks ein Bild eines der verschiedenen regelmäßigen Wellenmuster erzeugt, wobei die Vergrößerung der Optik so eingestellt wird, dass sie eines der regelmäßigen Wellenmuster mit einer ersten Vergrößerung als erstes auf die Oberfläche abbildet und dann ein anderes der regelmäßigen Wellenmuster mit einer zweiten Vergrößerung auf dieselbe Oberfläche abbildet.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der energiereiche Strahl ein gepulster Laserstrahl ist, der mit einer gewünschten Impulsfrequenz auf die Oberfläche des Werkstücks gestrahlt wird und so betrieben wird, dass er die Oberfläche des Werkstücks synchron mit der Impulsfrequenz abrastert, um das komplizierte Profil über einen weiten Be reich in der Oberfläche des Werkstücks auszubilden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine kleine Wellenlänge und/oder eine kleine Impulsbreite aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik mit einer Einrichtung zum Abbilden des regelmäßi gen Wellenmusters auf die Oberfläche des Werkstücks fixiert wird, während das Werkstück relativ zur Optik verstellt wird, um das komplizierte Profil über einen weiten Bereich in der Oberfläche des Werkstücks auszubilden.

13. Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass er durch das Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche so herge stellt wurde, dass seine Oberfläche ein kompliziertes Profil mit ungleichmäßigen Vertiefungen aufweist, die mit einer Schrittweite von 0,01 µm bis 50 µm verteilt sind und ein Längenverhältnis von 0,1 bis 2,0 aufweisen.