DE3718323A1 - Verfahren zur oberflaechenbearbeitung, zum schneiden und dgl. von koerpern aus oxidwerkstoff - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bearbeitungs­ verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Aus der DE-OS 34 37 056 ist ein Ätzverfahren zur Herstellung von Strukturen in der Oberfläche eines Körpers aus Oxidkeramik und oxidischem (Ein-)Kristallmaterial mit dielektrischen Eigen­ schaften und dgl. bekannt. Diesem bekannten Verfahren nach wird der betreffende Oxidwerkstoff mit Laserstrahl-Intensität beaufschlagt, und zwar in einer Atmosphäre, die bei höheren Temperaturen auf den Oxidwerkstoff reduzierend wirkt. Es handelt sich dabei um solche höhere Temperaturen, die ohne weiteres durch die Beaufschlagung mit dem Laserstrahl in dem Werkstoff erzeugt werden.

Für Oxidkeramik, z.B. piezo- und/oder pyroelektrisches Material und vorzugsweise für Material des Typs Blei-/Kalzium-/ Barium-/-Titanat/-Zirkonat-/ -Tantalat und dgl. eignet sich insbesondere Wasserstoff als bei höheren Temperaturen redu­ zierend wirkende Atmosphäre oder wenigstens als Bestandteil einer solchen Atmosphäre.

Bekannt ist die Verwendung insbesondere eines Ionenlasers des Argons, des Kryptons und dgl. oder auch die Strahlung eines CO₂- oder Nd:YAG-Lasers. Es handelt sich bei diesen Lasern um sehr leistungsfähige Typen.

Mit dem bekannten Verfahren lassen sich insbesondere sehr kleine Körper aus diesem Werkstoff bearbeiten, z.B. sehr kleine piezoelektrische Wandlerelemente. Insbesondere kann diese Bearbeitung ein Schneiden des Werkstoffes sein, wobei Schnittbreiten im µm-Bereich und großer Schnitt-Tiefe ohne weiteres realisierbar sind. Mit dieser bekanten Bearbeitungs­ methode lassen sich im Vergleich zu mechanischer Bearbeitung relativ glatte Bearbeitungsflächen, z.B. Schnittflächen, herstellen.

Eigentlich läßt das bekannte Verfahren hinsichtlich der erzielten Bearbeitungsleistung keine Wünsche mehr offen. Vergleichsweise zu rein mechanischer Bearbeitung wie Sägen ist auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit bei Anwendung des aus der obengenannten DE-OS bekannten Verfahrens um ein Wesentliches höher.

Die dielektrischen, piezoelektrischen und pyroelektrischen Eigenschaften der einzelnen Oxidwerkstoffe sind hinlänglich bekannt. Es wurde aber inzwischen festgestellt, daß speziell bei bearbeiteten Körpern aus solchen Werkstoffen, deren chemische Verbindungen weniger stabil ist (etwa vergleichs­ weise zum dielektrischen Werkstoff Aluminiumoxidkeramik), die Standardwerte des jeweiligen Werkstoffes nicht eingehalten sind, und zwar in jeweils unterschiedlich abweichendem Maße. Es wurde festgestellt, daß diese Abweichungen in Verbindung gebracht werden können mit dem jeweiligen Ausmaß der Bearbeitung. Daraus wurde der Schluß gezogen, daß das bekannte Bearbeitungsverfahren zu einer Materialänderung führt, und zwar im Nahbereich der Bearbeitungsflächen, z.B. im Bereich angrenzend an die Schnittfläche.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen zu finden, mit deren Hilfe dieser Nachteil zu beheben ist bzw. durch deren Anwendung Stabilität bzw. Reproduzierbarkeit der physikalischen Eigenschaften des betreffenden Werkstoffes ge­ währleistet bleibt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er­ findung gehen aus den Ünteransprüchen hervor.

Dem mit der Erfindung erzielten Erfolg liegt anscheinend der Effekt zugrunde, daß die beim bekannten Verfahren vorzusehende reduzierende Wirkung hier vermieden ist. Dies basiert auf der Verwendung von Laserstrahlung des (Luft-)Wellenlängenbereiches kleiner als etwa 0,35 µm bzw. größer etwa 3 eV. Handelt es sich bei dieser Laserstrahlung um gepulste Strahlung mit einer Pulsdauer von einigen Nanosekunden bis Mikrosekunden, so läßt sich an den angegebenen Werkstoffen eine solche Bearbeitung durchführen, die keine Damageschichten zurückläßt.

Für den angegebenen, erfindungsgemäß vorzusehenden Wellen­ längenbereich eignen sich die folgenden Laser:

Bei den Nd:YAG-Lasern der Wellenlängen 354.7 und 266 nm handelt es sich um frequenzverdoppelte bzw. verdreifachte Linien. Diese Frequenzvervielfachung erfolgt bekanntermaßen durch Verwendung einer optisch nicht-linearen Substanz im Strahlengang des Laserresonators.

Bei Anwendung der Erfindung wird mit Impulslängen im Bereich von einigen Nanosekunden bis Mikrosekunden gearbeitet. Die Wiederholungsrate der Impulse, die Pulslänge und die Puls­ leistung werden zueinander so bemessen, daß kein wesentlicher, insbesondere kein schädigender Wärmestau im Material des zu bearbeitenden Körpers, insbesondere im Nahbereich der Be­ arbeitungszone auftritt. Mit dieser nicht kontinuierlichen, sondern nur mit kurzzeitigen, intensiven Impulsen erfolgenden Laserstrahleinwirkung auf den Werkstoff lassen sich Damage­ schichten und andere Störeffekte ausschließen. Eine Ein­ wirkungszeit der Laserstrahlung von einigen Nanosekunden bis Mikrosekunden kann auch durch entsprechend schnelle Ab­ lenkung kontinuierlicher Laserstrahlung erzielt werden.

Die Bearbeitung, z.B. Strukturierung des Werkstoffes bzw. des betreffenden Körpers, kann durch eine Relativbewegung von fokussiertem Laserstrahl und Körper zueinander erfolgen. Es kann auch maskierte Kontaktbestrahlung oder Projektions­ bestrahlung durchgeführt werden. Die Tiefe und Querschnitts­ form der im Körper herzustellenden Struktur läßt sich durch die Bearbeitungsparameter, insbesondere die Laserintensität, Im­ pulsfolge und Impulszahl in so weiten Bereichen variieren, daß alle und insbesondere mechanisch überhaupt nicht durchführbare Bearbeitungsbemessungen realisiert bzw. ausgeführt werden können.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann an Luft gearbeitet werden. Es kann aber auch zweckmäßiger sein, im Vakuum oder in einer ausgewählten Atmosphäre zu arbeiten, z.B. in mit Sauerstoff zu­ mindest angereicherter Atmosphäre. Mit der letzteren Maßnahme kann störende Reduktion der chemischen Verbindung des be­ arbeiteten Werkstoffes ausgeschlossen werden. Den Werkstoff bzw. den Ort der Bearbeitung hinsichtlich der Atmosphäre gegenüber der Umgebung abzuschließen, ist dann zu empfehlen, wenn mit er­ heblichen Abdampfungen, z.B. einer Bleikomponente, des Werk­ stoffes zu rechnen ist. Eine solche Maßnahme ist an sich von der Herstellung von Bleititanat-Keramik hinlänglich bekannt.

Mit der Erfindung können z.B. derzeit noch meistenteils durch mechanisches Feinsägen strukturierte Körper aus piezoelektri­ scher Keramik hergestellt werden, die für Ultraschall-Arrays Verwendung finden. Bei Anwendung der Erfindung ist man, ver­ gleichsweise zur mechanischen Bearbeitung, praktisch nicht mehr hinsichtlich der Schnittbreite, des Schnittprofils und/oder der Oberflächenqualität der Schnittflächen eingeschränkt.

Andere vorteilhafte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die herstellung relativ komplexer Strukturierungen, z.B. mit eng benachbarten Bohrungen, und von Kreis- und Winkel­ segmenten. Die vorliegende Erfindung erlaubt eine definierte Einstellung der Querschnittsprofile. Zu den mit der Erfindung durchführbaren Bearbeitungsmethoden gehört auch das bloße Ab­ tragen von Oberflächenschichten des Körpers.

Mit der Erfindung ist das von der mechanischen Bearbeitung her gefürchtete Auftreten von Mikrorissen vermieden, die insbe­ sondere bei Ultraschall-Anwendungen des bearbeiteten Körpers erst nach längerer Betriebszeit des Wandlers erkennbar werden, nämlich weil durch die ständige Schwingungsbelastung solche zuvor kaum zu entdeckenden Mikrorisse in gefährlichem Umfange größer werden.

Die beigefügte Figur zeigt das Prinzip einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit 1 ist der zu bearbeitende Körper aus einem Keramik- oder (Ein-)Kristall- Oxidwerkstoff bezeichnet, wie z.B. piezoelektrisches Blei­ zirkonat-Titanat und dgl. Solche piezoelektrischen, pyro­ elektrischen und/oder dielektrischen Werkstoffe finden als Piezowandler in Ultraschallgeräten, als Pyrosensoren in Strahlungsdetektoren und als Dielektrikum in Kondensatoren sehr verbreitete Anwendung.

Mit 2 ist die zu bearbeitende Oberfläche des Körpers 1 be­ zeichnet, in die beim Beispiel der Figur eine mit 3 bezeichne­ te Struktur (Vertiefung) hereinzuarbeiten ist. Mit 4 ist der vorzugsweise gepulste Laserstrahl des Lasers 40, z.B. eines Excimerlasers oder eines Nd:YAG-Lasers bezeichnet. Mit 5 ist ein umgebendes Gehäuse angedeutet, das wahlweise Verwendung finden kann, z.B. um Abdampfungen zurückzuhalten.

Bei der Anwendung der Erfindung, insbesondere bei Verwendung von Excimerlasern kann auf eine wie im Stand der Technik vorge­ sehene Vorheizung vorteilhafterweise verzichtet werden.

Der Übersichtlichkeit halber ist in der Darstellung der Figur auf die Bewegungsmechanik bzw. auf die optischen Einrichtungen für die strukturierte Maskierung der Strahlung bzw. die Pro­ jektion der Struktur verzichtet, da solche Einrichtungen in vielfältiger Ausführungsform bei bekannten Bearbeitungsverfahren schon verwendet werden.

Als ein Beispiel sei das Ätzen des Werkstoffes Bleizirkonat- Titanat mit Strahlung eines 308 nm XeCl-Excimerlasers ange­ geben. Die Schwelle für das Ätzen in Luft liegt bei etwa 2J/cm². Mit 10 J/cm² läßt sich eine Ätzrate von 0.1 µm pro Laserimpuls erreichen. Es würde mit einer Wiederholungsrate von 10 Hz gearbeitet.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bearbeitung von Körpern aus Oxidwerkstoff, wobei der Körper mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, gekennzeichnet dadurch,

• -daß Laserstrahlung (4) mit einer (Luft-)Wellenlänge kleiner als etwa 350 nm verwendet wird,
• - daß nur impulsweise Beaufschlagung durch die Laserstrahlung (4) durchgeführt wird und
• - Impulsdauer, Pulswiederholungsrate und Pulsenergie derart aufeinander abgestimmt bemessen werden, daß im bearbeiteten Werkstoff des Körpers (1) wesentlicher Wärmestau vermieden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Excimerlaser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Nd:YAG-Laser mit Frequenzvervielfachung verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Werkstoffbearbeitung in einem Abdampfung behindernden Gehäuse (5) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff Perowskitmaterial ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff eine Blei und Titan enthaltende Verbindung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff Bleizirkonat-Titanat ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch , daß der Werkstoff ein piezoelektrisches Material mit Spinell­ struktur ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Werkstoff Lithiumniobat (LiNbO₃) ist.