DE4142855A1 - Preferentially etching metal coatings on plastic or paper foil - using pulsed laser beam operating in ultraviolet range - Google Patents

Preferentially etching metal coatings on plastic or paper foil - using pulsed laser beam operating in ultraviolet range

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Abstract

Etching figures and lines in a coating made of a vaporisable material e.g. Al consists of exposing the coating to a pulsed laser beam operating in the UV spectral range. The wavelength of the beam is chosen so that the energy of the beam is completely absorbed by the coating and exceeds the threshold energy density for vaporisation. USE/ADVANTAGE - Structuring the metal coating on foil made of polymer of paper. This coating is preferentially removed without heating and thereby harming the surrounding areas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abätzen von auf Folien, vorzugsweise aus Polymeren und Papier, aufgebrachten Schichten, vorzugsweise aus Metallen und -legierungen, in Form beliebiger flächenhafter Figuren mittels gepulster UV-Laserstrahlung.The invention relates to a method for etching on Films, preferably of polymers and paper, applied Layers, preferably of metals and alloys, in the form of any planar figures using pulsed UV laser radiation.

Das Verfahren kann vorteilhaft dort angewendet werden, wo auf dünnen Trägerfolien Schichten in Form beliebiger Struk­ turen abgetragen werden sollen, ohne die Struktur der Trä­ gerfolie in irgendeiner Weise bzw. deren Materialeigen­ schaften zu verändern.The method can be advantageously applied where on thin carrier films layers in the form of any struk should be removed without the structure of the Trä gerfolie in any way or their Materialeigen changes.

Als Beispiel sei das Einbringen von Freistreifen in alu­ miniummetallisierten Polypropylenfolien durch Absätzen in Form von Streifen zu nennen.As an example, the introduction of free strips in alu miniummetallisierten polypropylene films by paragraphs in To call form of stripes.

Aus der Literatur sind verschiedene Verfahren zum Abtrag dünner Schichten hinreichend bekannt.From the literature are various methods of removal Well known thin layers.

Darunter sind verschiedene Verfahren zum Abtrag dünner Schichten ohne Laserstrahleinwirkung. Ein Verfahren verwendet zum Abtrag kreisrunde Ausbrennscheiben in der Breite der auszubrennenden Streifen. Die Ausbrennscheiben werden als Ausbrennelektrode federnd gegen die zu entfernende Me­ tallisierung gedrückt und dadurch eine örtlich begrenzte Zerstörung der Metallisierung durch den elektrischen Strom bewirkt.Among them are various methods of removing thinner Layers without laser beam effect. A method used For removing circular burn-off discs in width the strip to be burned out. The burnout discs are as Ausbrennelektrode resiliently against the Me to be removed pressed and thus a localized Destruction of metallization by the electric current causes.

Daneben sind rein mechanische Verfahren bekannt, bei denen die Metallschicht von Substraten, insbesondere Folien, durch runde Schleifscheiben, die entweder aus gebundenen, scharfkantigen, harten Körnern oder aus Gummi bzw. Silikon­ gummi bestehen, abgeschliffen wird.In addition, purely mechanical methods are known in which  the metal layer of substrates, in particular films, through round grinding wheels, which are either made of sharp-edged, hard grains or made of rubber or silicone consist of rubber, is abraded.

Ihre Nachteile sind in der DE-OS 35 14 824 ausführlich be­ schrieben. Der wesentliche Nachteil besteht dabei darin, daß diese Verfahren nicht berührungsfrei arbeiten und somit die Substrate, insbesondere bei der Bearbeitung von Folien, beschädigt werden. Weiterhin werden Verfahren zum Abtrag dünner Metallschichten von Kunststoffolien mit der Strahlung von cw- und Impulslasern in der DE-OS 28 24 802 sowie der US-PS 44 62 062 beschrieben. Zur Anwendung kommen als Strah­ lungsquellen üblicherweise Dünnschichtabgleichlaser. Obwohl die in o. g. Patentschriften beschriebenen Verfahren ein be­ rührungsfreies Abtragen von Metallschichten mittels Laser­ strahlen ermöglichen, treten auch hier einige Nachteile auf. So kommt es infolge mehr oder weniger starker lokaler Er­ wärmung zur Schädigung der Substratoberfläche. Dies erweist sich als besonders nachteilig bei der Bearbeitung beschicht­ teter thermoplastischer Kunststoffolien, da diese durch die Erwärmung zerstört werden bzw. deren nötige Zugfestigkeit stark herabgesetzt wird.Their disadvantages are described in DE-OS 35 14 824 be detailed wrote. The main disadvantage is that these methods do not work without contact and thus the substrates, in particular in the processing of films, to be damaged. Furthermore, methods for removal thin metal layers of plastic films with the radiation of cw and pulsed lasers in DE-OS 28 24 802 and the US-PS 44 62 062 described. To be used as a ray usually sources of thin film alignment lasers. Even though the in o. g. Patents described method be a Non-contact removal of metal layers by laser enable radiation, there are some disadvantages here as well. So it comes as a result of more or less strong local Er heating to damage the substrate surface. This proves is particularly disadvantageous during processing Teter thermoplastic films, as these by the Heating be destroyed or their necessary tensile strength is greatly reduced.

In der DE-OS 35 14 824 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die metallisierte Kunststoffolie während zweier Laserim­ pulse zur Abkühlung über eine Umwegstrecke geführt wird. Der Nachteil dieses Verfahren ist seine Kompliziertheit, da die Folien auf Grund ihrer hohen Zerreißwahrscheinlichkeit span­ nungsfrei geführt werden müssen und dies einen hohen tech­ nischen Aufwand erfordert. In DE-OS 35 14 824 a method is described at the metallized plastic film during two Laserim pulse is passed to cool down a detour. The Disadvantage of this procedure is its complexity, since the Foils due to their high tear probability span free of charge and this requires a high tech niche effort requires.  

Gemäß DE 33 00 041 wird die Strahlung eines gütegeschalteten Nd-YAG-Lasers (Wellenlänge 1,06 µm) mittels spezieller kurz­ brennweitiger Objektive so fokussiert, daß die effektive Fo­ kuslänge der Dicke der Metallschicht entspricht, um somit eine Beschädigung der Substratfolien zu vermeiden. Nachteilig an dieser Lösung ist ihre äußerst komplizierte Reali­ sierbarkeit, da die Dicke der Metallschichten üblicherweise im Bereich von 0,01 µm bis 0,05 µm liegt und die Fokuslänge jedoch bestenfalls im Bereich der Wellenlänge liegen. Gleichzeitig werden bei der o. g. Lösung Folien verwendet, die bei der Laserwellenlänge durchsichtig sind. Nachteilig wirkt sich hierbei die erhebliche Einschränkung der Mate­ rialauswahl bezüglich der bearbeitbaren Substrate aus.According to DE 33 00 041 the radiation of a Q-switched Nd-YAG laser (wavelength 1.06 μm) by means of special short focused focal lenses so that the effective Fo The thickness of the metal layer corresponds to the thickness, thus to avoid damage to the substrate films. adversely At this solution is their extremely complicated reality sierbarkeit, since the thickness of the metal layers usually in the range of 0.01 microns to 0.05 microns and the focal length but at best in the range of the wavelength. At the same time, the o. G. Solution slides used which are transparent at the laser wavelength. adversely This affects the significant limitation of the mate selection with respect to the workable substrates.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abätzen beliebiger flächenhafter Figuren in Schichten zu schaffen, das gegenüber bereits bekannten Lösungen einen wesentlich ge­ ringeren technischen Aufwand erfordert, ohne größere Ein­ schränkungen bei der Auswahl des Substratmaterials auskommt, d. h. weitestgehend universell einsetzbar ist sowie zu kei­ nerlei Veränderungen bzw. Zerstörung der an die abzuätzende Schicht angrenzenden Oberfläche und des darunterliegenden Untergrundes führt.The aim of the invention is a method for etching any to create planar figures in layers that compared to already known solutions a much ge requires less technical effort, without a larger one restricts the choice of substrate material, d. H. is universally applicable as well as to kei Any changes or destruction of those to be etched Layer adjacent surface and underlying Underground leads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abätzen dünner Schichten zu schaffen, bei dem es zu keinerlei Erwärmung außerhalb der bearbeiteten Schicht kommt. Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß der Ätzprozeß durch Bestrahlung mittels hinreichend kurzen La­ serlichtimpulse bewerkstelligt wird, wobei die in der weg­ zuätzenden Schicht absorbierte Strahlungsenergie zum Ver­ dampfen oder zur Ablation der Schicht führt. Dabei müssen die Laserlichtimpulse hinsichtlich der Parameter Wellenlänge λ, Impulsenergie pro Flächeneinheit F und Impulsdauer T folgenden Bedingungen genügen:
Die Fluenz F und die Wellenlänge λ müssen so eingestellt werden, daß die in der Schicht pro Volumeneinheit deponierte Energie α (λ) F, wobei α (λ) der Absorptionskoeffizient des Schichtmaterials bei der Laserwellenlänge λ ist, größer als die nötige Schwellenenergiedichte E₁ für das Verdampfen bzw. für die Ablation des Schichtmaterials sind.The invention has for its object to provide a method for Etching thin layers to create, where there is no Heating outside of the processed layer comes. The Solution of the problem succeeds according to the invention in that the Etching process by irradiation by means of sufficiently short La serlichtimpulse is accomplished, taking in the way To be etched layer absorbed radiant energy Ver evaporate or ablate the layer leads. It must the laser light pulses with respect to the parameter wavelength  λ, pulse energy per unit area F and pulse duration T satisfy the following conditions:
The fluence F and the wavelength λ must be set in this way be that deposited in the layer per unit volume Energy α (λ) F, where α (λ) is the absorption coefficient of Layer material at the laser wavelength λ is greater than the required threshold energy density E₁ for evaporation or for the ablation of the layer material.

α (λ) · F<E₁α (λ) · F <E₁

Weiterhin muß die in der Trägerfolie absorbierte Energie pro Volumeneinheit unterhalb einer charakteristischen Schwellen­ energiedichte E₂ für Strukturveränderungen der Folie liegen, d. h.Furthermore, the absorbed energy in the carrier film must pro Volume unit below a characteristic threshold energy density E₂ are for structural changes of the film, d. H.

F · exp{-α (λ) · d} · β (λ)<E₂F · exp {-α (λ) · d} · β (λ) <E₂

Dabei sind d die Dicke der wegzuätzenden Schichten und β (λ) de Absorptionskoeffizient der Trägerfolie bei der Laserwellen­ länge λ.Where d is the thickness of the layers to be etched and β (λ) the absorption coefficient of the carrier foil at the laser waves length λ.

Weiterhin darf die Länge des Lichtimpulses T nur so kurz sein, daß die ablatierten oder weggedampften Schichtbestand­ teile noch eine effektive Abschirmung der Folie gegen die Laserbestrahlung bewirken.Furthermore, the length of the light pulse T may only be so short be that the ablated or weggedampften layer inventory still share an effective shielding of the film against the Cause laser irradiation.

T<τ und
F · exp{-γ (λ) · v · τ}<E₂T <τ and
F · exp {-γ (λ) · v · τ} <E₂

Dabei sind τ die effektive Lebensdauer (∼10 ns), die Expan­ sionsgeschwindigkeit (∼10³ m/s) und γ (λ) der effektive Absorptionskoeffizient der infolge Laserlichteinwirkung entstandenen Dampfwolken aus Schichtbestandteilen. Die Schwellenenergiedichten E₁ und E₂ sowie die Ab­ sorptionskoeffizienten α, β, γ, sind bekannte materialspe­ zifische Größen, bzw. können durch Absorptions- oder Dama­ gemessungen bestimmt werden. Davon ausgehend ist die Laser­ strahlung hinsichtlich Fluence F, Wellenlänge λ, und Im­ pulsdauer T auswählbar.Where τ is the effective lifetime (~10 ns), the expan sion velocity (~10³ m / s) and γ (λ) the effective Absorption coefficient of laser light exposure  resulting vapor clouds from layer constituents. The threshold energy densities E₁ and E₂ and the Ab sorption coefficients α, β, γ are known materialspe cifical sizes, respectively, can be due to absorption or dama be determined. On the basis of this is the laser radiation with respect to fluence F, wavelength λ, and Im pulse duration T selectable.

Das Abätzen in Form beliebiger flächenhafter Struktur ge­ schieht durch Abbildung einer entsprechenden strukturierten Maske auf die Targetoberfläche bzw. Strahlformung.The etching in the form of any areal structure ge goes by illustration of a corresponding structured Mask on the target surface or beam forming.

Typische Prozeßdaten für eine 150 nm dicke Metallegierung (Al/Zn) auf ca. 5 µm dicken Polypropylenfilm in der folgenden Tabelle angegeben:Typical process data for a 150 nm thick metal alloy (Al / Zn) to about 5 micron thick polypropylene film in the given the following table:

Wellenlänge λ (nm)Wavelength λ (nm) Fluenzintervall F (mJ/cm²)Fluence interval F (mJ / cm²) 193193 70F10070F100 248248 100F200100F200 308308 150F300150F300

Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen anhand nachfolgender Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Figur einer Anordnung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrah­ lung. The invention is based on two embodiments explained in more detail below. It shows the figure an arrangement for material processing by means of laser beam development.  

Beispiel 1Example 1

Zur Herstellung von Kondensatoren muß auf einer Al- oder Al/Zn-bedampften Kunststoffolie die Metallschicht in Form von 0,1 mm breiten Streifen quer zum Folienband 1 abgeätzt werden. Um die Materialeigenschaften der Folie nicht zu ver­ ändern, darf deren Oberfläche nicht geschädigt werden. Dazu wird die gepulste Laserstrahlung 3 eines KrF-Excimerlasers (Wellenlänge 248 nm, Impulsdauer ca. 30 ns, mittlere Lei­ stung 45 kW) mittels einer Zylinderlinsenoptik auf die Me­ tallschicht fokussiert. Auf Grund der Zylinderlinsenoptik 4 ist es möglich, beliebige flächenhafte Figuren abzuätzen. Ist das zu bearbeitende Material dabei fest, d. h. unbeweg­ lich, angebracht, so wird nur ein Streifen 2 abgetragen.For the production of capacitors, the metal layer in the form of 0.1 mm wide strips must be etched across the foil strip 1 on an Al or Al / Zn-vapor-deposited plastic film. In order not to change the material properties of the film, its surface must not be damaged. For this purpose, the pulsed laser radiation 3 of a KrF excimer laser (wavelength 248 nm, pulse duration about 30 ns, average Lei Stung 45 kW) by means of a cylindrical lens optics on the Me tallschicht focused. Due to the cylindrical lens optics 4 , it is possible to etch any planar figures. If the material to be processed is fixed, ie immovable, attached, only one strip 2 is removed.

Beispiel 2example 2

Da die im Beispiel 1 genannten Streifen 2 nicht nur einmal pro Folienband 1 benötigt werden, ergänzend zum Bei­ spiel 1, das zu bearbeitende Material so geführt, daß es eine Relativbewegung senkrecht zur gepulsten Laserstrahlung 3 ausführt. Gleichzeitig arbeitet der KrF-Excimerlaser im Folgefrequenzbetrieb, so daß sich auf diese Weise das Ab­ ätzen der Streifen 2 periodisch wiederholt. Dabei bestimmen die Folgefrequenz des KrF-Excimerlasers sowie die Vorschub­ geschwindigkeit des Folienbandes 1 die Zahl der pro Längen­ einheit abgeätzten Streifen 2.Since the strip 2 mentioned in Example 1 are required not only once per foil strip 1 , in addition to the case of game 1, the material to be processed so guided that it performs a relative movement perpendicular to the pulsed laser radiation 3 . At the same time, the KrF excimer laser operates in repetition frequency mode, so that the etching of the strips 2 is periodically repeated in this way. In this case, determine the repetition frequency of the KrF excimer laser and the feed rate of the film strip 1, the number of units per unit length etched strip. 2

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bisher bekannten Lösungen.The process of the invention offers a number of advantages compared to the previously known solutions.

So kommt es außerhalb der bearbeiteten Streifen 2 zu keiner­ lei lokaler Erwärmung und somit zu keiner Veränderung oder Zerstörung des die Streifen 2 umgebenden Materials. So it comes outside the processed strip 2 to lei no local heating and thus no change or destruction of the strip 2 surrounding material.

Außerdem ist das Verfahren ohne größere Einschränkungen bei der Auswahl des Substratmaterials durchführbar und trägt weiterhin zur Reduzierung des notwendigen technischen Auf­ wandes bei.In addition, the process is without major restrictions the selection of the substrate material feasible and contributes continue to reduce the necessary technical Auf wall at.

Claims (3)

1. Verfahren zum Abätzen dünner, auf Materialoberflächen, insbesondere auf Folien befindlicher Schichten aus ver­ dampfbaren oder ablatierbaren Stoffen, z. B. Aluminium, mittels einer gepulsten Laserstrahlung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im ultravioletten Spektralbereich gearbeitet wird und die Wellenlänge der gepulsten Laserstrah­ lung (3) so gewählt wird, daß die gepulste Laserstrahlung (3) vollständig von der abzuätzenden Schicht (2) absor­ biert wird, wobei die Impulsenergie so hoch gewählt werden muß, daß die mit der Wellenlänge beaufschlagte Schicht (2) vollständig verdampft oder ablatiert wird.1. A method for etching thin, on material surfaces, especially on films befindlicher layers of ver vaporisable or ablatierbaren substances, eg. B. aluminum, by means of a pulsed laser radiation, characterized in that the ultraviolet spectral range is used and the wavelength of the pulsed Laserstrah treatment ( 3 ) is selected so that the pulsed laser radiation ( 3 ) completely biert of the abzuätzenden layer ( 2 ) , wherein the pulse energy must be chosen so high that the acted upon with the wavelength layer ( 2 ) is completely evaporated or ablated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abätzen in Form beliebiger flächenhafter Figuren pro Laserimpuls erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the etching in the form of any planar figures per Laser pulse takes place. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Relativbewegung senkrecht zur ge­ pulsten Laserstrahlung (3) ausführt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the material performs a relative movement perpendicular to the pulsed laser radiation GE ( 3 ).
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