DE19833367A1

DE19833367A1 - Process for large-scale precision structuring of brittle materials

Info

Publication number: DE19833367A1
Application number: DE19833367A
Authority: DE
Inventors: Andreas Berndt
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-07-25
Also published as: WO2000006511A1; DE19833367C2

Abstract

Brittle fracture materials, e.g. glass, which have to be provided with a large-surface precision structuring are used in certain technical applications, for example, in optical glasses or channel plates for flat display screens. In order to especially avoid the disadvantages of hot forming methods, the invention provides that the structures are removed by chipping, preferably by using a laser beam comprising a determined intensity profile, without the supply of foreign gas.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur großflächigen Präzisionsstrukturierung von sprödbrüchigen Werkstoffen, insbesondere von Glas.The invention relates to a method for large-area Precision structuring of brittle materials, especially of Glass.

Bei bestimmten technischen Anwendungen kommen sprödbrüchige Werkstoffe zum Einsatz, die großflächig eine präzise Strukturierung aufweisen müssen. So werden z. B. Glaskörper, die mit derartigen Strukturen versehen sind, im Bereich der Gläser mit optischen Funktionen eingesetzt. Des weiteren werden Flachgläser mit einer großflächigen hochpräzisen kanalförmigen Mikrostrukturierung, sogenannte Kanalplatten, bei der Herstellung von Flachbildschirmen der neuen Generation benötigt, die unter der Bezeichnung PDP (Plasma Display Panel) und PALC (Plasma Adressed Liqid Crystal) bekannt geworden sind. In diese Kanalplatten werden, wie die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, Mikrokanalstrukturen für die Ansteuerung einzelner Zeilen oder Spalten eingebracht, in denen über eine elektrische Entladung ein Plasma gezündet wird. Die Begrenzung der Kanäle, auch Kerben genannt, erfolgt über Stege S, deren Breite Z möglichst gering ist. Die Breite Z liegt, je nach Bildschirmabmessung, bei 30-50 µm, der Abstand der Stege (Pitch) bei 200- 500 µm. Zur Erzielung eines ausreichenden Entladungsvolumens muß die Höhe Y dieser Stege deutlich größer als deren Breite sein. Die Steghöhe liegt bei ca. 150 µm. In jedem dieser so ausgebildeten Kanäle werden je nach Verfahren ein bis zwei Elektroden angebracht, zwischen denen eine Entladung gezündet wird. Die Positionierung der Elektroden erfordert eine maßhaltige Strukturierung mit sehr kleinen Toleranzen (± 10 µm).For certain technical applications, brittle materials are used that have to be precisely structured over a large area. So z. B. glass body, which are provided with such structures, used in the field of glasses with optical functions. Furthermore, flat glasses with a large-area, high-precision channel-shaped microstructuring, so-called channel plates, are required for the production of new-generation flat screens, which have become known as PDP (Plasma Display Panel) and PALC (Plasma Addressed Liqid Crystal). As shown in FIG. 1 of the drawing, microchannel structures for driving individual rows or columns are introduced into these channel plates, in which a plasma is ignited via an electrical discharge. The channels, also called notches, are delimited via webs S, the width Z of which is as small as possible. The width Z is, depending on the screen size, 30-50 µm, the distance between the bars (pitch) is 200-500 µm. In order to achieve a sufficient discharge volume, the height Y of these webs must be significantly greater than their width. The web height is approx. 150 µm. Depending on the method, one or two electrodes are installed in each of these channels, between which a discharge is ignited. The positioning of the electrodes requires a dimensionally accurate structuring with very small tolerances (± 10 µm).

Um derartige Präzisionsstrukturen auf dem Glas aufzubringen, sind verschiedene Verfahren zum Einsatz gekommen.In order to apply such precision structures to the glass, different processes were used.

Es sind Heißformgebungsverfahren bekannt, bei denen Formgebungswerkzeuge zum Einsatz kommen, deren Oberfläche entsprechend der aufzubringenden Struktur mechanisch ausgebildet ist.Hot molding processes are known in which molding tools are used, the surface of which is to be applied Structure is mechanically formed.

Konventionelle Heißformgebungsverfahren erfordern jedoch eine sehr präzise Temperaturkontrolle der Formgebungswerkzeuge. Die Verwendung von Walzen oder Pressen wird durch diese Anforderungen stark eingeschränkt. Weiterhin erfordert die Herstellung von Kerbenbreiten im Bereich von wenigen 100 µm den Einsatz von entsprechend strukturierten Werkzeugen, die nur mit beträtlichen Kostenaufwand hergestellt werden können bzw. deren Festigkeit nicht ausreichend ist.Conventional hot forming processes, however, require a very precise one Temperature control of the shaping tools. The use of Rolling or pressing is severely restricted by these requirements. Furthermore, the production of notch widths in the range of a few requires 100 µm the use of appropriately structured tools that can only be used with substantial costs can be produced or their strength is not sufficient.

Es ist auch bekannt, die Stege der in der Zeichnung dargestellten Kanalplatte nach druckähnlichen Verfahren auf eine flache Glasplatte aufzubringen, was entsprechend fein strukturierte Druckwerkzeuge bedingt.It is also known the webs of the channel plate shown in the drawing to apply to a flat glass plate after printing-like processes, what correspondingly finely structured printing tools.

Es ist ferner bekannt, die Kanäle in den Kanalplatten unter Ausbildung der Stege durch einen Schleifprozeß auszubilden.It is also known to form the channels in the channel plates Form webs by a grinding process.

Schleifverfahren sind für die Herstellung der Strukturen der Strukturen zwar grundsätzlich geeignet; die Schleifwerkzeuge unterliegen jedoch einem kontinuierlichen Verschleiß aus dem eine zeitlich abnehmende Form- und Maßhaltigkeit resultiert. Zudem werden in den Randbereichen dem zu entfernenden Werkstoffvolumens Ausmuschelungen erzeugt die die Formbarkeit der erzeugten Strukturen vermindern. Weiterhin ist eine Nachbearbeitung der Strukturen zur Erzielung einer hohen Oberflächenqualität erforderlich. Darüber hinaus gelten für die zu verwendenden Schleifwerkzeuge die gleichen Einschränkungen wie für die Werkzeuge zur Heißformgebung.Grinding processes are fundamental for the production of the structures of the structures suitable; however, the grinding tools are subject to continuous Wear from which a temporally decreasing form and dimensional accuracy results. In addition, the area to be removed will be removed Shell volume creates the malleability of the reduce structures created. Postprocessing of the Structures required to achieve a high surface quality. About that the same applies to the grinding tools to be used Restrictions as for the hot forming tools.

Zum Stand der Technik gehören auch Verfahren zur Strukturierung von Glasflächen durch Abtrag mittels eines Laserstrahles. Dabei ist zwischen einem thermischen Abtragen mittels CO₂- oder Excimerlaser und einem laserunterstützten Ätzprozeß zu unterscheiden.The prior art also includes methods for structuring glass surfaces by ablation using a laser beam. A distinction must be made between thermal ablation using a CO ₂ or excimer laser and a laser-assisted etching process.

Beim thermischen Abtragen mittels Laserstrahl werden vorzugsweise CO₂- oder Excimerlaser eingesetzt, da Glas für die Wellenlänge dieser Laser einen besonders hohen Absorptionsgrad aufweist. Die Strahl/Stoff-Wechselwirkung beruht auf dem Aufheizen des Glases bis zur Verdampfungsschwelle, einer Expansion des Glasdampfes und einer Aufschmelzung (Schmelzanteil) des Werkstückes in Randbereichen der Wechselwirkungszone oder durch Wärmeleitung. Insbesondere durch die Verwendung von Excimer-Lasern mit einer sehr kurzen Wellenlänge (λ = 193 nm) lassen sich rißfreie und kantenscharfe Abtraggeometrien erzeugen. Aufgrund der geringen Abtragrate können diese Laser aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nicht für die oben beschriebene Anwendung eingesetzt werden.For thermal ablation using a laser beam, CO ₂ or excimer lasers are preferably used, since glass for the wavelength of these lasers has a particularly high degree of absorption. The jet / material interaction is based on the heating of the glass up to the evaporation threshold, an expansion of the glass vapor and a melting (melting part) of the workpiece in the edge areas of the interaction zone or by heat conduction. In particular, by using excimer lasers with a very short wavelength (λ = 193 nm), crack-free and sharp-edged removal geometries can be generated. Due to the low ablation rate, these lasers cannot be used for the application described above for economic reasons.

Durch die Verwendung eines CO₂-Lasers lassen sich zwar grundsätzlich höhere Abtragraten erzielen. Wegen der geringen Absorptionslänge werden jedoch starke Temperaturgradienten erzeugt, die zu einer unerwünschten Beschädigung des Werkstückes führen können. Der Einsatz von CO₂-Lasern erfordert daher eine thermische Vor- bzw. Nachbearbeitung der Bauteile. Aufgrund der rein thermischen Wechselwirkung entsteht eine Oberflächenqualität, die keinesfalls den Anforderungen optischer Bauteile genügt. Für die großflächige Strukturierung von optischen Bauteilen ist daher das Schmelz bzw. Sublimationsabtragen mittels CO₂- oder Excimerlaser ungeeignet. In principle, higher removal rates can be achieved by using a CO ₂ laser. Because of the short absorption length, however, strong temperature gradients are generated, which can lead to undesired damage to the workpiece. The use of CO ₂ lasers therefore requires thermal pre- and post-processing of the components. The purely thermal interaction creates a surface quality that in no way meets the requirements of optical components. For the large-scale structuring of optical components, melting or sublimation removal using CO ₂ or excimer lasers is therefore unsuitable.

Eine weitere Strahl/Stoff-Wechselwirkung beschreibt die DE 42 00 656 C1, bei dem auf den heißen Brennfleck, der einen schmelzflüssigen Bereich in dem Glas erzeugt, ein Reaktionsgas geleitet wird, das einen bogenförmigen, sich vom Grund ablösenden Span erzeugt. Dieses bekannte Verfahren erfordert daher die Zufuhr eines Reaktionsgases für die Durchführung der Reaktion in dem in der Brennfleckebene aufgeschmolzenen Werkstoffvolumen. Die Anwendungsbereiche liegen in der Strukturierung von reaktionsfähigen Werkstoffen, wobei durch das Verfahren im Oberflächenbereich durch Sauerstoffzufuhr eine Oxidschicht erzeugt wird. Da Glas sich äußerst reaktionsträge bzw. chemisch inert verhält, kann mit diesem Verfahren keine Strukturierung durchgeführt werden.Another jet / substance interaction is described in DE 42 00 656 C1, on the hot focal spot that has a molten area in the Glass is produced, a reaction gas is passed, which is an arcuate, itself chip that separates from the bottom. This known method requires hence the supply of a reaction gas for carrying out the reaction in the material volume melted in the focal plane. The Areas of application are in the structuring of reactive Materials, whereby through the process in the surface area Oxygen supply creates an oxide layer. Because glass is extremely Inert or chemically inert behaves with this method Structuring can be carried out.

Lasergestützte Ätzprozesse sind in zwei Varianten bekannt. Beim laserunterstützten Ätzen in gasförmigen Medien wird das Werkstück in ein Vakuumgefaß eingebracht, das mit einem ätzselektiven Medium gefüllt wird. Durch die Beaufschlagung dieses Mediums mittels Laserstrahlung wird die Ätzwirkung in räumlich definierbaren Teilbereichen zusätzlich gesteigert. Aufgrund der geringen Abtragraten ist dieses Verfahren ebenfalls für die oben beschriebene Anwendung nicht geeignet.Laser-assisted etching processes are known in two variants. At the Laser-assisted etching in gaseous media turns the workpiece into one Vacuum vessel introduced, which is filled with an etching-selective medium. By applying this medium with laser radiation, the Corrosivity in spatially definable sub-areas additionally increased. Due to the low removal rates, this process is also suitable for the above described application not suitable.

Das laserunterstützte Ätzen in flüssigen Medien basiert auf der Bedeckung des Werkstückes mit einer Ätzlösung, deren Ätzwirkung durch die lokale Aufheizung mittels Laserstrahl um ca. 2 Größenordnungen erhöht wird. Da jedoch durch Wärmeleitung des Ätzmediums auch an die Wechselwirkungszone angrenzende Bereiche aufgeheizt werden, ist eine formhaltige Herstellung der geforderten Topographien nur stark eingeschränkt möglich. Weiterhin sind bei diesem Verfahren die erzielbaren Abtragraten zu gering, um die oben beschriebenen Strukturen wirtschaftlich herzustellen.Laser-assisted etching in liquid media is based on the coverage of the Workpiece with an etching solution, the etching effect of the local Heating by means of a laser beam is increased by approximately 2 orders of magnitude. There however, by thermal conduction of the etching medium also to the interaction zone adjacent areas are heated is a shape-retaining production of required topographies only possible to a very limited extent. Furthermore, at this method, the achievable removal rates are too low to match the above structures described economically.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so zu führen daß auf relativ einfache und kostengünstige Weise bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität großflächige Substrate aus sprödbrüchigen Werkstoffen präzise strukturiert werden können.The object of the invention is the method described at the outset so that in a relatively simple and inexpensive manner consistent processing quality from large substrates brittle materials can be structured precisely.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Schritten:
This task can be solved with the following steps:

- generation of a high-energy electromagnetic radiation beam,
- Generate a relative movement between the beam and Material,
- Forming such an intensity profile of the beam under Guide and align this beam of rays on the Material surface along the intended structure that a defined material area heated and without the supply of gas thermal stresses are induced, which lead to the formation of cracks in the Surface area and thus to replace geometric defined chips from the workpiece surface with formation of Make notches in the material.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, das eine Strukturierung über die Induzierung von Spannungen mittels energiereicher Strahlung und der daraus resultierenden Riß und anschließenden Spanbildung ermöglicht. Das Wirkprinzip des Verfahrens beruht auf der definierten Aufheizung der Werkstuckoberfläche in einen Temperaturbereich in der Größenordnung der Erweichungstemperatur der Werkstoffe durch eine an den Prozeß angepaßte Intensitätsverteilung. Mit anderen Worten: Es wird bis zu einer bestimmten Tiefe des Werkstückes örtlich entsprechend der gewünschten Struktur eine mechanische Spannung thermisch induziert, die die Bruchfestigkeit des Glases überschreitet.The invention describes a method that uses a structuring Induction of voltages by means of high-energy radiation and the resulting radiation resulting crack and subsequent chip formation. The The principle of operation of the method is based on the defined heating of the Workpiece surface in a temperature range of the order of magnitude Softening temperature of the materials by a temperature adapted to the process Intensity distribution. In other words, it gets up to a certain one Depth of the workpiece locally according to the desired structure mechanical stress thermally induced the breaking strength of the glass exceeds.

In der Fig. 3 ist der Tiefenverlauf der Temperatur schematisch dargestellt. Der Figurenteil A zeigt dabei die Temperaturverteilung über die Werkstücktiefe beim Aufheizen mittels des Laserstrahles, während der Figurenteil B die Temperaturverteilung über die Werkstücktiefe bei der Selbstabschreckung nach dem Bestrahlen zeigt.The depth profile of the temperature is shown schematically in FIG. 3. Part A shows the temperature distribution over the depth of the workpiece when heated by means of the laser beam, while part B shows the temperature distribution over the depth of the workpiece during self-quenching after irradiation.

Aus dem schematisch angedeutete Temperaturverlauf während der Aufheizphase resultieren Druckspannungen im Oberflächenbereich, die durch Zugspannungen in tieferliegenden Schichten kompensiert werden. Bei der Abkühlung durch Selbstabschreckung findet an der Oberfläche eine deutlich schnellere Abkühlung statt, als in den tiefer gelegenen Schichten. Hieraus entstehen sehr große Zugspannungen in der oberflächennahen Schicht. Wenn diese Spannungen die Zugfestigkeit des Werkstoffes überschreiten, kommt es zur Ablösung eines Spanes. Eine Verstärkung dieses Effektes tritt dann auf, wenn beim Aufheizen lokal Temperaturen erreicht werden, bei denen das Glas zur plastischen Verformung, d. h. zum Aufbau der Druckeigenspannungen, fähig ist. Bei der dann anschließenden Abkühlung werden besonders hohe Zugspannungen erzeugt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt daher die Spanbildung ausschließlich aufgrund der Temperaturführung und nicht aufgrund einer chemischen Reaktion mit dem zugeführten Prozeßgas wie im Fall der zitierten DE 42 00 058 C1.From the schematically indicated temperature profile during the Heating phase results in compressive stresses in the surface area that are caused by Tensile stresses in lower layers can be compensated. In the Cooling through self-quenching is clearly evident on the surface cooling takes place faster than in the lower layers. Out of this Very large tensile stresses arise in the layer near the surface. If these tensions exceed the tensile strength of the material, it happens to replace a chip. An intensification of this effect then occurs if, when heating up, local temperatures are reached at which the glass for plastic deformation, d. H. to build up the residual compressive stresses is capable. During the subsequent cooling process, particularly high temperatures are reached Tensile stresses generated. In the method according to the invention therefore takes place the chip formation solely due to the temperature control and not due to a chemical reaction with the supplied process gas as in Case of the cited DE 42 00 058 C1.

Vorzugsweise besteht die Intensitätsverteilung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aus zwei parallelen Linienfokussen in Verbindung mit einer an die Bestrahlung anschließenden Selbstabschreckung an der Umgebungsluft bzw. durch Wärmeleitung in das umgebende Werkstoffvolumen gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Ein solcher Brennfleck aus zwei Linienfokussen 6 auf einem Substrat 4, das in Pfeilrichtung einen Vorschub erfährt, ist in Fig. 2 dargestellt und prinzipiell aus der DE 43 05 107 für das Laserstrahlschneiden bekannt. Diese Schrift beschreibt das Trennen von spröden Körpern am Beispiel des Abtrennens von Blaskappen bei der Herstellung von Trinkgläsern, wogegen es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um die Strukturierung der Oberfläche eines spröden Körpers geht. Die beiden Verfahren unterscheiden sich daher grundsätzlich hinsichtlich der Ziele der Bearbeitung. According to a development of the invention, the intensity distribution preferably consists of two parallel line foci in connection with self-quenching in the ambient air following the irradiation or by heat conduction into the surrounding material volume according to an embodiment of the invention. Such a focal spot consisting of two line focuses 6 on a substrate 4 , which is fed in the direction of the arrow, is shown in FIG. 2 and is known in principle from DE 43 05 107 for laser beam cutting. This document describes the separation of brittle bodies using the example of the separation of blow caps in the production of drinking glasses, whereas the method according to the invention is about structuring the surface of a brittle body. The two procedures therefore differ fundamentally with regard to the objectives of the processing.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der Heißformgebung ist, daß das "Werkzeug" "Strahlenbündel" keinerlei Verschleiß unterliegt, so daß eine gleichbleibend hohe Bearbeitungsqualität erzielt werden kann. Darüber hinaus weist ein Bauteil, welches mit diesem Verfahren strukturiert wurde, eine extrem geringe Rauheit der bearbeiteten Oberfläche und somit eine hohe Transparenz auf. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der Entfernung des Strukturierungsvolumens in Form von Bandspänen oder Flachwendelspänen, wodurch eine Verunreinigung oder eine Oberflächenschädigung des Bauteiles durch anschließende Bearbeitungsschritte vermieden wird.A major advantage of this process compared to hot forming is that that the "tool" "beam" is not subject to wear, so that a consistently high processing quality can be achieved. About that In addition, a component that has been structured using this method has an extremely low roughness of the machined surface and thus a high one Transparency. Another advantage of the method is the distance the structuring volume in the form of swarf or Flat spiral chips, causing contamination or a Damage to the surface of the component due to subsequent processing steps is avoided.

Die mit diesem Verfahren hergestellten Kerben haben eine Breite, die zwischen wenigen 100 µm und mehreren Millimetern frei eingestellt werden kann. Die erzeugte Tiefe der Kerben liegt hierbei zwischen wenigen Mikrometern und deutlich über einem Millimeter. Die eingestellten Laserleistungen liegen typischerweise unter 50 Watt, die Vorschubgeschwindigkeiten in der Größenordnung von bis zu einigen zehn Metern pro Minute.The notches made with this method have a width that is between a few 100 µm and several millimeters can be freely set. The The depth of the notches generated is between a few micrometers and well over a millimeter. The laser powers set are typically under 50 watts, the feed speeds in the On the order of up to a few tens of meters per minute.

Die vorgenannten Vorteile werden besonders ausgeprägt erzielt, wenn das elektromagnetische Strahlenbündel ein Laserstrahl, vorzugsweise eines CO oder CO₂-Lasers, ist. Dieser CO₂-Laser emittiert Licht im fernen infraroten Bereich bei einer Wellenlänge von 10,6 µm. Diese Wärmestrahlung zeigt erhebliche Besonderheiten bei der Wirkung auf Materie. So wird sie von den meisten, im sichtbaren Licht transparenten Materialien stark absorbiert.The aforementioned advantages are particularly pronounced if the electromagnetic beam is a laser beam, preferably a CO or CO ₂ laser. This CO ₂ laser emits light in the far infrared range at a wavelength of 10.6 µm. This heat radiation shows considerable peculiarities in the effect on matter. It is strongly absorbed by most materials that are transparent in visible light.

Der Umstand der starken Absorption in Glas wird hier verwendet, um das Glas zu erhitzen. Bei einem Absorptionskoeffizienten von 10³ cm^-1 wird 95% der Leistung in einer 30 µm dicken Schicht absorbiert. The strong absorption in glass is used here to heat the glass. With an absorption coefficient of 10 ³ cm ^-1 , 95% of the power is absorbed in a 30 µm thick layer.

Darüber hinaus eignet sich der CO₂-Laser, wie auch jeder andere Laser, der vom Material genügend stark absorbiert wird, zum abschließenden Verschmelzen und Verrunden der scharfkantig gebrochenen Kerbe.In addition, like any other laser that is sufficiently absorbed by the material, the CO ₂ laser is suitable for the final fusion and rounding of the sharp-edged notch.

Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionsbanden der einzelnen Materialien wird vorzugsweise ein in der Wellenlänge abstimmbarer Laser eingesetzt. So kann für jedes Material die Wellenlänge eingestellt werden, bei der dieses die stärkste Absorption zeigt, so daß die Energieverluste minimiert werden.Due to the different absorption bands of the individual materials a wavelength-tunable laser is preferably used. So the wavelength can be set for each material at which this shows strongest absorption, so that the energy losses are minimized.

Z.B. ist die Absorption im Glas sehr stark von der Wellenlänge des Lasers abhängig, da die verwendete Strahlung an der Schulter einer Vibrationsbande der oxidischen Bindung liegt. Es gibt spezielle CO₂-Laser, die mit Hilfe eines Interferenzgitters die emittierte Wellenlänge von 9,4 bis 11,8 µm verändern können. Das Absorptionsspektrum hängt auch sehr empfindlich von der chemischen Zusammensetzung des Glases ab. Eine höhere oder niedrigere Absorptionskante wird abhängig von den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Glasmischung zu unterschiedlichen Ergebnissen beim Absprengen führen. Deshalb sollte die Wellenlänge auf die Glassorte optimiert werden.For example, the absorption in the glass is very much dependent on the wavelength of the laser, since the radiation used lies on the shoulder of a vibration band of the oxidic bond. There are special CO ₂ lasers that can change the emitted wavelength from 9.4 to 11.8 µm using an interference grating. The absorption spectrum is also very sensitive to the chemical composition of the glass. A higher or lower absorption edge will lead to different results when blasting, depending on the thermal and mechanical properties of the glass mixture. Therefore, the wavelength should be optimized for the type of glass.

Im Gegensatz zu anderen Laserstrahlverfahren, die auf der Zufuhr eines Gases beruhen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Gas zugeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer deutlich vereinfachten Vorrichtung durchgeführt und bedingt daher weniger Justageaufwand und reduzierte Betriebsmittelkosten. Ein Ausführungsbeispiel für diese Vorrichtung ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt mit dabei erzeugten Brennfleckgeometrien nach Fig. 6.In contrast to other laser beam processes, which are based on the supply of a gas, no gas is supplied in the process according to the invention. The method according to the invention is carried out with a significantly simplified device and therefore requires less adjustment effort and reduced equipment costs. An exemplary embodiment of this device is shown in FIGS. 4 and 5 with the focal spot geometries generated in accordance with FIG. 6.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung zur Erzeugung einer Strahl-Intensitätsverteilung gemäß Fig. 2 am Beispiel eines Laserstrahles 1, der aus einem nicht dargestellten Laser, vorzugsweise einem CO₂-Laser, kommt. Im Laserstrahlengang ist mittig eine Blende 2 eingebracht, von der zwei typische Ausführungsformen in den beiden Teilansichten A und B der Fig. 5 dargestellt sind. Im Strahlengang befindet sich weiterhin ein Umlenkspiegel 3, der den Laserstrahl auf ein Werkstück 4 aus sprödbrüchigem Material, z. B. Glas, umlenkt, das mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit in Pfeilrichtung bewegt wird. Zwischen dem Umlenkspiegel 3 und dem Werkstück 4 befindet sich eine Fokussiereinheit 5. Diese Fokussiereinheit kann eine Linse oder ein Spiegel sein, die zylindrisch ausgebildet sein kann. FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an optical arrangement for generating a beam intensity distribution according to FIG. 2 using the example of a laser beam 1 which comes from a laser, not shown, preferably a CO ₂ laser. A diaphragm 2 is introduced in the center of the laser beam path, two typical embodiments of which are shown in the two partial views A and B of FIG. 5. In the beam path there is also a deflecting mirror 3 which directs the laser beam onto a workpiece 4 made of brittle material, e.g. B. glass, which is moved at a certain feed speed in the direction of the arrow. A focusing unit 5 is located between the deflecting mirror 3 and the workpiece 4 . This focusing unit can be a lens or a mirror, which can be cylindrical.

Diese optischen Elemente erzeugen auf dem Werkstück 4 einen Brennfleck 6 mit einer Doppelfokus-Intensitätsverteilung im Laserstrahl, die maßgebend durch die Blende 2 bestimmt wird.These optical elements generate a focal spot 6 on the workpiece 4 with a double-focus intensity distribution in the laser beam, which is largely determined by the aperture 2 .

Der Aufbau der beschriebenen optischen Anordnung und die Wirkungsweise ist grundsätzlich bekannt, mit Ausnahme der speziell ausgebildeten Blende 2, so daß an dieser Stelle die Funktion nicht näher beschrieben werden muß.The structure of the optical arrangement described and the mode of operation are known in principle, with the exception of the specially designed diaphragm 2 , so that the function need not be described in more detail at this point.

Der Aufbau der Blende 2 in Fig. 1 erfolgt im einfachsten Fall gemäß Fig. 5, Teil A durch einen Draht oder auch ein Rohr 2a mit dem Durchmesser D. Dadurch tritt eine innere rotationssymmetrische Abschattung des Laserstrahles 1 entsprechend dem Maß D ein, was unter Einwirkung der Fokussiereinheit 5 zu einer Fokussiergeometrie, einem Doppelfokus, entsprechend Fig. 6, Teil A führt, der in Fig. 2 schematisiert dargestellt ist. Die Blende 2a erzeugt daher in Verbindung mit der Fokussiereinheit 5 eine Einschnürung der Intensitätsverteilung, was auf dem Werkstück 4 den beschriebenen Doppelfokus 6 mit zwei nebeneinander angeordneten Laserstrahl-Peaks 6a und 6b erzeugt. Die schwarzumrandeten Zonen stellen dabei Zonen abnehmender Intensität dar.The structure of the diaphragm 2 in FIG. 1 is carried out in the simplest case according to FIG. 5, part A by a wire or also a tube 2 a with the diameter D. This results in an inner rotationally symmetrical shading of the laser beam 1 corresponding to the dimension D, which under the action of the focusing unit 5 leads to a focusing geometry, a double focus, corresponding to FIG. 6, part A, which is shown schematically in FIG. 2. The aperture 2 a therefore produces a constriction of the intensity distribution in connection with the focusing unit 5 , which produces the described double focus 6 on the workpiece 4 with two laser beam peaks 6 a and 6 b arranged next to one another. The black-bordered zones represent zones of decreasing intensity.

Anstelle des Drahtes bzw. Rohres 2a in Fig. 5A kann auch eine senkrecht zur Strahlrichtung drehbare streifenförmige Blende 2b gemäß Fig. 5B verwendet werden. Ein Verstellwinkel Δ∅ aus der Strahlmitte heraus bewirkt dabei eine Abschattung Δx, was ebenfalls, wie anhand der Blende nach Fig. 5 A bereits beschrieben, zu dem Doppelfokus nach Fig. 6A führt.Instead of the wire or tube 2 a in Fig. 5A can also have a rotatable perpendicular to the beam direction strip-shaped panel 2 b in Fig. 5B are used. A displacement of the beam center Δ∅ out causes a shadowing Ax, which also, as already described with reference to the aperture of FIG. 5 A, results in the double focus lens of Fig. 6A.

Durch die Drehung der Blende 2b läßt sich deren effektive Breite stufenlos einstellen. Hieraus ergibt sich eine Variation des Abstandes der beiden Intensitätsabschnitte und eine Änderung der Laserleistung am Wirkort. Die exakte laterale Justage der Blenden 2a und 2b zur Laserstrahlmitte erfolgt durch deren Verschiebung. Die Blende wird hierbei derart verschoben, daß die Leistung der transmittierten Strahlung einen Minimalwert erreicht.By turning the aperture 2 b, its effective width can be adjusted continuously. This results in a variation in the distance between the two intensity sections and a change in the laser power at the site of action. The exact lateral adjustment of the diaphragms 2 a and 2 b to the laser beam center is carried out by shifting them. The aperture is shifted in such a way that the power of the transmitted radiation reaches a minimum value.

Durch die Verwendung eines Blendenmateriales aus einem Metall (z. B. Kupfer, Aluminium oder Stahl) wird ein Verschleiß der Blende verhindert und gleichzeitig durch eine gute Wärmeableitung ein thermisch bedingter Verzug vermieden.By using a panel material made of a metal (e.g. Copper, aluminum or steel), wear of the panel is prevented and at the same time, due to good heat dissipation, a thermal delay avoided.

Durch die Variation des Einfallswinkels des modifizierten Laserstrahles 1 auf das Werkstück 4 läßt sich die erzeugte Intensitätsverteilung dahingehend modifizieren, daß anstelle des ausgeprägten Doppelfokus nach Fig. 6A zwei längliche parallele Linienfokusse 6'a, b entsprechend der Brennfleckgeometrie 6' nach Fig. 6B entstehen, die sich stärker an die idealisierte Brennfleckform nach Fig. 2 annähern.By varying the angle of incidence of the modified laser beam 1 on the workpiece 4 , the generated intensity distribution can be modified in such a way that instead of the pronounced double focus according to FIG. 6A, two elongated parallel line focuses 6 'a, b corresponding to the focal spot geometry 6 ' according to FIG. 6B are produced, which come closer to the idealized focal spot shape according to FIG. 2.

Die Breite der erzeugten Intensitätsverteilung liegt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 5 mm. Die Länge des Wirkortes auf der Werkstückoberfläche kann bis zu 40 mm betragen.The width of the intensity distribution generated is preferably between 0.5 up to 5 mm. The length of the site of action on the workpiece surface can be up to 40 mm.

Die Geometrie der erzeugten Kerben kann durch die Einstellung der Laserleistung, der Vorschubgeschwindigkeit und der Laserintensitätsverteilung in weiten Grenzen variiert bzw. nach Aufbau eines Reglersystemes mit geringen Toleranzen eingehalten werden. The geometry of the notches created can be adjusted by setting the Laser power, the feed rate and the laser intensity distribution varies within wide limits or with a controller system low tolerances are observed.

Da bei der Strukturierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weder Mikrorisse noch Ausmuschelungen erzeugt werden, zeichnen sich die strukturierten Werkstücke durch eine hohe mechanische Festigkeit aus.Since neither when structuring with the inventive method Micro cracks are still generated, the structured workpieces with high mechanical strength.

Das beschriebene Verfahren läßt sich für alle spröden Materialien verwenden, die sich durch thermische Spannung brechen lassen (z. B. Keramik, Steine, Glas, Kristalle). Die Strahlungsquelle muß dabei in der Wellenlänge den Absorptionseigenschaften der Materialien angepaßt werden.The process described can be used for all brittle materials, that can be broken by thermal stress (e.g. ceramics, stones, Glass, crystals). The radiation source must be in the wavelength Absorption properties of the materials can be adjusted.

Claims

1. Procedure for the precision structuring of brittle materials, with the following steps:

- generation of a high-energy electromagnetic radiation beam,
Generating a relative movement between the beam and the material,
- Forming such an intensity profile of the bundle of rays while guiding and aligning this bundle of rays on the surface of the material along the intended structure that a defined area of material is heated in a defined manner and thermal stresses are induced without the supply of gas, which lead to the formation of cracks in the surface area and thus to the detachment of geometrically defined chips from the workpiece surface with the formation of notches in the material.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electromagnetic beam is a laser beam, preferably a CO or CO ₂ laser, the wavelength of which corresponds to the spectral absorption maximum of the material to be structured.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that after radiation self-deterrence in the ambient air and by conduction into the area surrounding the heated area Material volume takes place.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the Geometry of the notches generated by variation of laser power, Intensity distribution and speed of the relative movement is set.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the intensity profile of the beam of rays so is formed that a focal spot consisting of two parallel line focuses.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized by the application for structuring a channel plate for Flat screens.

7. Device for the precision structuring of components ( 4 ) made of brittle materials, with:

- a beam source for generating a high-energy electromagnetic beam ( 1 ),
- Optical means ( 3 , 5 ) for guiding this beam focused on the area of the component to be structured, and
- A diaphragm arrangement ( 2 , 2 a, 2 b) arranged in the beam ( 1 ) for specifying a specific intensity distribution in the beam ( 1 ) by at least one rotationally symmetrical inner shadowing of the beam ( 1 ).

8. The device according to claim 7, characterized in that the beam source is a laser, preferably a CO ₂ laser, the wavelength of which is matched to the spectral absorption maximum of the component to be processed.

9. Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that the diaphragm arrangement consists of a wire or tube ( 20 ).

10. The device according to claim 7 or 8, characterized in that the diaphragm arrangement consists of a strip-shaped diaphragm ( 2 b) which is rotatably arranged transversely in the beam path.

11. The device according to one of claims 7 to 10, characterized characterized in that several diaphragm arrangements side by side in Beam are arranged.

12. Device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the beam-guiding optical means ( 3 , 5 ) are arranged such that the beam ( 1 ) strikes the component to be structured ( 4 ) obliquely.