DE4405203A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung von Glas, Kunststoff, Halbleitern, Holz oder Keramik mittels Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Glas, Kunststoff, Halbleitern, Holz oder Keramik mittels Laserstrahlung, bei dem man ein aus einem dieser Stoffe bestehendes und zu bearbeitendes Werkstückteil mit einem Laserstrahl beaufschlägt und dadurch die Beschaffenheit des Werkstückteils verändert.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Laserstrahlungs­ quelle, die Laserstrahlung in Form eines Laserstrahles emittiert, und mit einer Fokussierungsoptik, die die La­ serstrahlung auf ein aus Glas, Kunststoff, Halbleiter, Holz oder Keramik bestehendes Werkstückteil fokussiert.

Vorrichtungen zur Materialbearbeitung, bei denen ein Werk­ stückteil mit Hilfe von Laserstrahlung bearbeitet wird, werden insbesondere im Falle metallischer Werkstückteile zum Schweißen, Schneiden oder Härten verwendet. Dabei fin­ den vor allem leistungsstarke Kohlendioxyd-Laser Anwen­ dung, die Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 µm emittieren.

Kohlendioxyd-Laser werden auch zur Bearbeitung von Dielektrika oder Naturstoffen eingesetzt. Die Bearbeitung dieser Stoffe mit einem Kohlendioxyd-Laser hat allerdings in vielen Fällen eine thermische Schädigung in Form einer Verkohlung der Ränder der bearbeiteten Bereiche zur Folge. Aufgrund dieser schädlichen Nebenwirkung des Kohlen­ dioxyd-Lasers läßt sich dieser für eine präzise Bear­ beitung von nicht-metallischen Werkstoffen nur sehr be­ dingt einsetzen.

Neben dem Kohlendioxyd-Laser ist in der Materialbear­ beitung der Nd : YAG-Laser sehr verbreitet. Mit Hilfe dieses Lasers läßt sich Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,064 µm erzeugen. Der Nd : YAG-Laser hat gegenüber dem Koh­ lendioxyd-Laser den Vorteil, daß seine Strahlung von den meisten Metallen besser absorbiert wird und daß diese Strahlung über Lichtleitfasern übertragen werden kann. Zur Bearbeitung nichtmetallischer Werkstoffe ist jedoch der Nd : YAG-Laser nur beschränkt geeignet, da seine Strahlung insbesondere von Kunststoffen und von organischen Ma­ terialien nur zu einem geringen Teil absorbiert wird, so daß die Anwendung des Nd : YAG-Lasers für die Materialbear­ beitung dieser Stoffe ineffizient ist.

Zur Strukturierung von Halbleitern und Kunststoffen werden als Laserstrahlungsquellen Excimerlaser eingesetzt, die ultraviolette Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,308 µm, 0,248 µm oder 0,193 µm emittieren. Die Anwendung dieser Laserstrahlung in der Materialbearbeitung hat den Vorteil, daß sich damit sehr feine Abtragungsstrukturen mit Ablationsraten im Bereich kleiner als 1 µm erzielen lassen, ohne daß dabei die Randbereiche beeinflußt werden. Die Abtragung erfolgt dabei allerdings durch Photoablation an der unmittelbaren Oberfläche des zu bearbeitenden Werk­ stückteiles, so daß sich mit Hilfe des Excimerlasers le­ diglich geringe Abtragungsraten erzielen lassen. Der Ex­ cimerlaser hat außerdem den Nachteil, daß er einen hohen Wartungsaufwand erfordert, insbesondere deshalb, da zu seinem Betrieb sehr reine Gase erforderlich sind, die zu­ dem aufgrund ihrer toxischen Wirkung ein hohes Gefähr­ dungspotential für das Betriebspersonal darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bearbei­ tung von Glas, Kunststoff, Halbleitern, Holz oder Keramik mittels Laserstrahlung anzugeben, mit dem eine qualitativ hochwertige und effiziente Bearbeitung mit relativ ge­ ringem technischem Aufwand erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1,4 µm bis 3,0 µm verwendet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Bearbeitung der genannten Stoffe Laserstrahlung im mittleren Infrarot­ bereich verwendet, die von diesen Stoffen stark absorbiert wird und einen effektiven Abtragungsmechanismus bewirkt. Die Eindringtiefe der Laserstrahlung läßt sich dabei von einem Bereich kleiner als 1 µm bis in den Millimeterbe­ reich durch Anpassung der Wellenlänge der Laserstrahlung an die Grundabsorption des zu bearbeitenden Stoffes variieren, wobei die verwendeten Wellenlängen jedoch immer im Bereich von ungefähr 1,4 µm bis 3,0 µm liegen. Die Ab­ tragung erfolgt durch einen thermo-mechanischen Effekt, indem der zu bearbeitende Stoff durch die Wirkung der La­ serstrahlung lokal sehr stark aufgeheizt wird, so daß es zu sogenannten Mikroexplosionen kommt. Im Gegensatz zu Kohlendioxyd-Lasern ist mit der Einwirkung der Laser­ strahlung im mittleren Infrarotgebiet auf die genannten Stoffe keine Verkohlung der Ränder der bearbeiteten Be­ reiche verbunden, so daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine präzise Bearbeitung dieser Materialien möglich ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die Beschaffenheit des Werkstückteiles durch Struk­ turieren verändert. Da eine thermische Schädigung der Randbereiche, wie sie bei der Anwendung von Kohlendioxyd- Lasern beobachtet wird, praktisch nicht auftritt, lassen sich mit der Laserstrahlung im mittleren Infrarot-Gebiet Glas, Kunststoff, Halbleiter, Holz oder Keramik präzise strukturieren, beispielsweise beschriften oder auch schneiden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß man die Laserstrahlung auf das Werkstückteil fokussiert und Strukturen mit einer Aus­ dehnung von etwa 1 µm bis 500 µm aufbringt. Dadurch lassen sich beispielsweise in Folien aus Kapton oder Mylar Boh­ rungen im Mikrometerbereich einbringen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, daß man ein Glasteil mit dem Laserstrahl be­ aufschlägt, lokalisiert aufschmilzt und anschließend ab­ kühlt. Durch das Aufschmelzen und anschließende Abkühlen des Glasteils in einem eng begrenzten Gebiet, beispiels­ weise in einem Brennpunkt des Laserstrahles, werden in dem Glasteil mechanische Spannungen induziert, die eine Soll­ bruchstelle bewirken, wie dies beim mechanischen Einritzen bekannt ist. Das Glasteil kann anschließend leicht, bei­ spielsweise manuell, gebrochen werden kann, wobei die Ein­ wirkung der Laserstrahlung zur Folge hat, daß das Glasteil beim Aufbrechen nicht - wie beim Brechen mit Hilfe eines Glasschneiders üblich - an den Randbereichen der Bruch­ stelle aufsplittert. Auf diese Weise lassen sich bei­ spielsweise Glasrohre, Glasstäbe oder Glasfasern präzise auftrennen, ohne daß es zu einer Randsplitterung kommt, so daß eine Nachbearbeitung, wie zum Beispiel eine Abrundung der Kanten, oder eine Reinigungsprozedur zur Beseitigung von Restsplittern entfallen können.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Ver­ fahrens ist vorgesehen, daß man zum Öffnen einer Glas­ ampulle die Wand der Glasampulle lokalisiert aufschmilzt und nach erfolgter Abkühlung mechanisch aufbricht. Dadurch lassen sich insbesondere in der Medizin Ampullen, die bei­ spielsweise sterile Lösungen zum Einspritzen beinhalten, leicht öffnen, indem durch die Wirkung der Laserstrahlung Sollbruchstellen erzeugt werden, so daß die Glasampullen ohne Randsplitterung sauber aufgebrochen werden können. Die Wellenlänge der Laserstrahlung kann dabei an die Grundabsorption des Glases angepaßt sein, so daß bei­ spielsweise je nach Dicke der verwendeten Glasampulle die Sollbruchstellen in vordefinierter Tiefe erzeugt werden.

Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung so auszugestalten, daß das beschriebene Ver­ fahren mit ihr durchführbar ist. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Laserstrahlung eine Wellenlänge von etwa 1,4 µm bis 3,0 µm aufweist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vor­ richtung ist vorgesehen, daß die Vorrichtung eine den La­ serstrahl und das Werkstückteil relativ zueinander bewe­ gende Bewegungseinrichtung umfaßt. Beispielsweise kann der Laserstrahl über Umlenkelemente auf das Werkstückteil ge­ lenkt werden, wobei die Umlenkelemente verschwenkbar sind, so daß der Laserstrahl über die Oberfläche des ortsfesten Werkstückteiles geführt werden kann. Die Bewegungsein­ richtung kann beispielsweise von einer Steuereinrichtung gesteuert werden, so daß an vorbestimmten Stellen zum Bei­ spiel eine Reihe von Bohrungen angebracht werden können oder das Werkstückteil beschriftet werden kann.

Die Laserstrahlungsquelle kann gepulste Laserstrahlung emittieren mit einer Pulsdauer von etwa 1 ps bis 10 ms und mit einer Energie von etwa 1 mJ bis 100 J. Die gepulste Laserstrahlung ist insbesondere zur Mikrostrukturierung geeignet, d. h. zum Aufbringen von Strukturen im Mikrome­ terbereich, da dadurch in einem kurzen Zeitintervall eine verhältnismäßig große Strahlungsenergie appliziert werden kann und es aufgrund der kurzen Einwirkungszeit nicht zu einer Strukturvergrößerung dadurch kommt, daß die appli­ zierte Energie bei andauernder Bestrahlung in benachbarte Bereiche weitergeleitet wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vor­ richtung, die sich insbesondere zum Beschriften oder zum Aufschmelzen eines ausgedehnten Bereiches des Werkstück­ teiles eignet, ist vorgesehen, daß die Laserstrahlungs­ quelle kontinuierliche oder kontinuierlich modulierte La­ serstrahlung emittiert mit einer Leistung von etwa 1 mW bis 100 W.

Um Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1,4 µm bis 3,0 µm zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die La­ serstrahlungsquelle ein laseraktives Material umfaßt, das mit Erbium, Holmium, Chrom, Neodym oder Thulium dotiert ist.

Die Laserstrahlungsquelle kann beispielsweise als Festkör­ perlaser ausgebildet sein, der in einer vorteilhaften Aus­ führungsform einen YAG-, einen YAP- oder einen YSGG-Kri­ stall umfaßt.

Die nachfolgende Beschreibung vorteilhafter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegen­ der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beschriften von Glas, Kunststoff, Halblei­ tern, Holz oder Keramik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Sollbruchstellen in Glasroh­ ren.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung emittiert ein Er : YAG-Laser 10 einen Laserstrahl 12, der mit Hilfe einer Aufweitoptik 14 aufgeweitet und mit Hilfe eines ersten Um­ lenkspiegels 16 und eines zweiten Umlenkspiegels 18 auf ein Werkstück in Form einer Glasplatte 20 gelenkt wird. Zwischen dem zweiten Umlenkspiegel 18 und der Glasplatte 20 ist im Strahlengang des Laserstrahles 12 eine Fo­ kussierungsoptik 22 angeordnet, durch die der Laserstrahl 12 auf die Oberfläche der Glasplatte 20 fokussiert wird.

Während die Glasplatte 20 auf einer Halteplatte 24 orts­ fest angeordnet ist, sind der erste Umlenkspiegel 16 und der zweite Umlenkspiegel 18 verschwenkbar gehalten. Dabei steht die Verschwenkachse des ersten Umlenkspiegels 16, die durch eine Haltestange 26 des ersten Umlenkspiegels 16 definiert wird, senkrecht zur Verschwenkachse des zweiten Umlenkspiegels 18, die ihrerseits durch eine Haltestange 28 definiert wird. Während die Haltestange 26 eine Verbin­ dung herstellt zwischen dem ersten Umlenkspiegel 16 und einem Motor 36, stellt die Haltestange 26 eine Verbindung her zwischen dem zweiten Umlenkspiegel 28 und einem Motor 38.

Die Motoren 36 und 38 bilden einen Antrieb für die Umlenk­ spiegel 16 bzw. 18 und werden von einer gemeinsamen Steuerungseinrichtung 40 gesteuert.

Mit Hilfe der Steuerungseinrichtung 40 und der Motoren 36 und 38 lassen sich die Umlenkspiegel 16 und 18 in vorbe­ stimmter Weise verschwenken, so daß der Laserstrahl 12 entlang einer definierten Strecke über die Oberfläche der Glasplatte 20 geführt wird und diese beispielsweise be­ schriftet werden kann.

In gleicher Weise kann statt der Glasplatte 20 ein Werk­ stück aus einem Dielektrikum, beispielsweise ein Kunst­ stoffteil, oder ein Naturstoff wie Holz, Keramik, Stein oder auch ein Halbleitermaterial mit Hilfe des Laserstrah­ les 12 bearbeitet werden.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Soll­ bruchstellen in Glasteilen dargestellt, bei der ein von einem Er : YAG-Laser 50 erzeugter Laserstrahl 52 mit Hilfe eines Umlenkspiegels 54 auf ein Glasrohr 56 gerichtet wird. Der Laserstrahl 52 wird mit Hilfe einer zwischen dem Umlenkspiegel 54 und dem Glasrohr 56 im Strahlengang des Laserstrahles 52 positionierten Fokussierungsoptik 58 auf die Wand 60 des Glasrohres 56 gebündelt.

Das Glasrohr 56 wird von einem Transportband 62 getragen, das um eine Antriebswalze 64 und eine Mitläuferwalze 66 geführt ist. Die Antriebswalze 64 ist über eine Antriebs­ stange 68 mit einem Elektromotor 70 verbunden und wird von diesem in Drehung versetzt, so daß das Transportband 62 und das von ihm gehaltene Glasrohr 56 quer zur Ausbrei­ tungsrichtung des Laserstrahles 52 verschoben werden.

Der Elektromotor 70 ist ebenso wie der Er : YAG-Laser 50 über eine Steuerleitung 72 mit einer Steuereinheit 74 ver­ bunden.

Der Er : YAG-Laser emittiert Laserimpulse mit einer Puls­ dauer von etwa 50 µs bis 1 ms. Durch die Einwirkung der Laserstrahlung, deren Energie im Bereich von etwa 10 mJ bis 20 J liegt, wird das Glasrohr 56 im Brennpunkt des La­ serstrahles 52 lokal aufgeschmolzen. Die Eindringtiefe des Laserstrahles 52 ist abhängig von der Grundabsorption des verwendeten Glases und der Laserstrahlenergie, so daß sich durch Wahl der Energie des Laserstrahles 52 die Eindring­ tiefe und damit die Ausdehnung der lokalen Aufschmelzzone variieren läßt.

Während des Betriebes der in Fig. 2 dargestellten Vor­ richtung wird das Glasrohr 56 mit Hilfe des vom Elektro­ motor 70 angetriebenen Transportbandes 62 quer zur Aus­ breitungsrichtung des Laserstrahles 52 verschoben, wobei die Vorschubgeschwindigkeit des Transportbandes 62 und die Repetitionsrate des Er : YAG-Lasers mit Hilfe der Steuerein­ heit 74 so aufeinander abgestimmt werden können, daß je­ weils nur ein von der Steuereinheit 74 initiierter Laser­ impuls auf einen bestimmten Bereich der Wand 60 des Glas­ rohres 56 einwirkt und dort ein lokales Aufschmelzen be­ wirkt. Die Größe der Aufschmelzzone ist durch Veränderung der Laserenergie oder der Art der Fokussierung an den Durchmesser und die Wandstärke des Glasrohres 56 anpaßbar. Die Aufschmelzzone kühlt nach der Einwirkung des Laser­ strahles 52 wieder ab, und durch das Aufschmelzen und Ab­ kühlen werden in der Wand 60 des Glasrohres 56 mechanische Spannungen hervorgerufen. Dadurch läßt sich das Glasrohr 56 anschließend in Höhe der Aufschmelzzone mechanisch bre­ chen, ohne daß es dabei zu einer Randsplitterung des Glas­ rohres 56 kommt, wie dies beim mechanischen Einritzen mit Hilfe eines Glasschneiders in der Regel der Fall ist. Auf­ grund der fehlenden Randsplitterung kann eine mechanische Nachbehandlung des Glasrohres 56 ebenso entfallen wie ein Reinigungsprozeß zur Entfernung von Restsplittern.

Da für die Erzeugung von Sollbruchstellen im Glasrohr 56 nur eine kurzzeitige Einwirkung des Laserstrahles 52 er­ forderlich ist, kann das Transportband 62 kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden. Trotz einer even­ tuell sehr hohen Vorschubgeschwindigkeit lassen sich die gewünschten Sollbruchstellen exakt positionieren. Dies er­ folgt mit Hilfe der Steuereinheit 74, die über die Steuer­ leitung 72 den Betrieb des Elektromotors 70 und des Er : YAG-Lasers 50 so aufeinander abstimmt, daß zwischen zwei Laserimpulsen ein gewünschter Verschiebeweg des Transportbandes 52 und damit des Glasrohres 56 erzielt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bearbeitung von Glas, Kunststoff, Halbleitern, Holz oder Keramik mittels Laserstrah­ lung, wobei man ein aus einem dieser Stoffe beste­ hendes und zu bearbeitendes Werkstückteil mit einem Laserstrahl beaufschlägt und dadurch die Beschaffen­ heit des Werkstückteiles verändert, dadurch gekennzeichnet, daß man Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1,4 µm bis 3,0 µm verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Beschaffenheit des Werkstückteiles durch Strukturieren verändert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Laserstrahlung auf das Werkstückteil fo­ kussiert und Strukturen mit einer Ausdehnung von et­ wa 1 µm bis 500 µm aufbringt.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Glasteil mit dem Laserstrahl beaufschlägt, lokalisiert aufschmilzt und anschließend abkühlt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Öffnen einer Glasampulle die Wand der Glasampulle lokalisiert aufschmilzt, anschließend abkühlt und dann mechanisch aufbricht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einer Laser­ strahlungsquelle, die Laserstrahlung in Form eines Laserstrahles emittiert, und mit einer Fokussie­ rungsoptik, die die Laserstrahlung auf ein Werk­ stückteil fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung eine Wellenlänge von etwa 1,4 µm bis 3,0 µm aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine den Laserstrahl (12; 52) und das Werkstückteil (20; 56) relativ zueinander bewegende Bewegungseinrichtung (36, 38, 70,) umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laserstrahlungsquelle (50) ge­ pulste Laserstrahlung emittiert mit einer Pulsdauer von etwa 1 ps bis 10 ms und mit einer Energie von etwa 1 mJ bis 100 J.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Laserstrahlungsquelle (10) kontinuierliche oder kontinuierlich modulierte La­ serstrahlung emittiert mit einer Leistung von etwa 1 mW bis 100 W.