EP4662018A1 - Reinigungsvorrichtung und verfahren zum reinigen einer oberfläche - Google Patents

Reinigungsvorrichtung und verfahren zum reinigen einer oberfläche

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Publication number
EP4662018A1
EP4662018A1 EP24703516.5A EP24703516A EP4662018A1 EP 4662018 A1 EP4662018 A1 EP 4662018A1 EP 24703516 A EP24703516 A EP 24703516A EP 4662018 A1 EP4662018 A1 EP 4662018A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cleaning
laser
cleaning device
chamber
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24703516.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fabian Reuter
Claus-Dieter Ohl
Dominik GEBENSLEBEN
Fabian Denner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Original Assignee
Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg filed Critical Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Publication of EP4662018A1 publication Critical patent/EP4662018A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/02—Cleaning by the force of jets or sprays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B9/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent material, without essentially mixing with gas or vapour
    • B05B9/002—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent material, without essentially mixing with gas or vapour incorporating means for heating or cooling, e.g. the material to be sprayed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B9/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent material, without essentially mixing with gas or vapour
    • B05B9/03—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent material, without essentially mixing with gas or vapour characterised by means for supplying liquid or other fluent material
    • B05B9/04—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent material, without essentially mixing with gas or vapour characterised by means for supplying liquid or other fluent material with pressurised or compressible container; with pump
    • B05B9/0403—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent material, without essentially mixing with gas or vapour characterised by means for supplying liquid or other fluent material with pressurised or compressible container; with pump with pumps for liquids or other fluent material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3402—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to avoid or reduce turbulence, e.g. with fluid flow straightening means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/04—Apparatus for manufacture or treatment
    • H10P72/0402—Apparatus for fluid treatment
    • H10P72/0406—Apparatus for fluid treatment for cleaning followed by drying, rinsing, stripping, blasting or the like

Definitions

  • the invention relates to a cleaning device for cleaning a surface and a method for cleaning a surface.
  • Surfaces can be cleaned in different ways. Mechanical, chemical or combined methods are known for this. Particularly high demands are placed on the quality of cleaning when used in the semiconductor industry, for example, where surfaces of glass or semiconductor materials are cleaned.
  • the invention relates to a cleaning device for cleaning a surface by means of laser-induced single-bubble cavitation.
  • the cleaning device has an inlet for a cleaning liquid.
  • the cleaning device has an outlet for the cleaning liquid.
  • the cleaning device has a chamber which is fluidically arranged between the inlet and the outlet.
  • the cleaning device has a laser device which is designed to emit a laser beam.
  • the cleaning device also has a light-conducting fiber with a first end and a second end. The first end is coupled to the laser device for receiving the laser beam.
  • the light-conducting fiber extends into the chamber, in particular for emitting the laser beam and/or for laser-induced generation of single bubbles.
  • the inlet can be designed in particular as an inlet connection for supplying the cleaning fluid.
  • the outlet can be used in particular for dispensing the cleaning fluid, in particular in the direction of an object to be cleaned.
  • Inlet and outlet are in particular different from one another, for example designed as separate openings that can be demarcated from one another. In particular, a continuous material demarcation is formed between inlet and outlet. Inlet and outlet are therefore typically not two sections of an opening that can only be delimited in thought.
  • the cleaning fluid can in particular be supplied continuously at the inlet, so that the chamber is at least essentially always filled with cleaning fluid.
  • the cleaning fluid supplied at the inlet can in particular leave the chamber again through the separate outlet. A fluid flow is thus created in the chamber from the inlet to the outlet.
  • the light-conducting fiber typically receives the laser beam at its first end and guides it to its second end.
  • the laser beam exits at the second end and thus enters the area of the chamber or a volume occupied by the cleaning fluid that is not occupied by the fiber.
  • the light-conducting fiber can in particular have a constant cross-section. This can apply in particular to a section that extends into the chamber.
  • the second end arranged in the chamber can also be designed with this cross-section. Elements that expand the light-conducting material at this point can advantageously be dispensed with.
  • the laser beam enters this cleaning fluid.
  • the cleaning fluid is typically of a type that absorbs the laser beam used and This makes it possible to create bubbles. Individual bubbles are created, which can produce the cleaning effect described above.
  • an aqueous liquid with surfactants, acids and/or bases can be used as the cleaning liquid.
  • the effect of the laser beam in the embodiment described here is the generation of bubbles.
  • the laser beam is typically not intended to have a direct machining effect on the surface to be cleaned.
  • the light-conducting fiber extends far enough into the chamber that the second end is located in the chamber or is still in the chamber. According to one embodiment, the light-conducting fiber extends far enough into the chamber that it protrudes from the outlet and the second end is thus outside the chamber.
  • optical fibers can be used. The statements made here for the optical fiber apply to each of these.
  • the laser device is preferably designed as a continuous wave laser and/or modulated laser, particularly preferably as a modulated continuous wave laser.
  • the use of a continuous wave laser has the particular advantage over the use of pulsed lasers that continuous wave lasers are significantly less complex and therefore also significantly cheaper.
  • a continuous wave laser can be modulated in particular by only switching it on during certain periods of time and switching it off otherwise. This distinguishes a modulated continuous wave laser from a pulsed laser, which only generates individual pulses due to its internal physical structure. In principle, however, the use of a pulsed laser is also possible as an alternative.
  • the cleaning device has a tube, wherein the tube extends into the chamber and is preferably fluidically sealed to the chamber.
  • an interior of the tube can be fluidically sealed to the chamber.
  • the light-conducting fiber can in particular run partially in the tube and be connected to an end of the tube located in the chamber, or to an end through the Outlet from the end of the tube protruding from the chamber, exiting the tube. This can facilitate sealing at the fiber inlet into the nozzle structure or chamber as well as clamping at the nozzle outlet or outlet.
  • the tube can stabilize the fiber and/or position the second end of the fiber, whereby such positioning can be done closer to the outlet through the tube and is thus more precise than positioning the fiber without the tube.
  • the fiber can be protected and/or mechanically stabilized.
  • the tube it is possible for the tube to end in the chamber and for the second end of the optical fiber to be arranged in the chamber.
  • the tube can end in the chamber and the second end of the optical fiber can protrude from the chamber through the outlet.
  • the tube can protrude from the chamber through the outlet, in which case the second end of the optical fiber is also typically arranged outside the chamber.
  • the chamber is part of a head which can be freely positioned, at least to a limited extent, relative to the laser device and/or other components of the cleaning device, in particular a pump described below. This enables different cleaning positions to be easily approached.
  • the second end of the optical fiber can be arranged such that, in typical use or during use, a contactless distance of the second end of the optical fiber to a surface to be cleaned corresponds to a maximum of five times the bubble diameter. This is a value which enables the generation of a single bubble at a particularly advantageous distance from the surface, this single bubble producing an advantageous cleaning effect.
  • the cleaning device can in particular have a control device which can in particular be configured to control the laser device in such a way that the laser beam is only emitted in respective emission periods between which there are pause periods. No laser beam is therefore emitted in the pause periods.
  • the emission periods are advantageously long enough that the water can boil with boiling delay taken into account. This is a function of the absorbed laser power and the fiber diameter.
  • the release periods can advantageously be at least 5 ps or at least 10 ps long. They can advantageously be at most 1 ms or at most 5 ms long.
  • the pause periods can advantageously be at least 10 ps, at least 25 ps, at least 5 ms or at least 10 ms long. Such values have proven to be advantageous for typical applications.
  • the laser device can in particular emit a wavelength or laser radiation with a wavelength of at least 1.5 pm and/or of at most 2.5 pm. This corresponds to a wavelength in the infrared range, which enables advantageous generation of individual bubbles when using typical cleaning fluids.
  • the instantaneous power density of the laser device at the second end of the fiber can in particular be at least 50 MW/m 2 . In principle, other values can also be used.
  • the second end of the light-conducting fiber can be designed to be flat and/or planar and/or level. This can mean in particular that an end face at the second end lies entirely or partially, for example at least 50% or at least 90% of the area, in a plane which can in particular be aligned transversely to the longitudinal direction of the fiber or can assume an angle of at most 1°, at most 2°, at most 5°, at most 10°, at most 20° or at most 45° to the longitudinal direction of the fiber.
  • the second end of the light-conducting fiber is designed without refractive and/or focusing elements.
  • the light-conducting fiber does not focus the laser beam.
  • the optical fiber can be designed for collimated or divergent emission of the laser beam, in particular for emission into the cleaning fluid.
  • a divergent emission can mean, for example, emission with an opening angle (in particular numerical aperture) of the laser beam of at most 15°. This means that focusing is not necessary. Not focusing avoids high power densities at a focus that would otherwise be formed. In particular, it can be provided that no other element focusing the laser beam is present.
  • the chamber can in particular be designed as a nozzle. This can taper in particular in the direction of flow from the inlet to the outlet. This can accelerate the cleaning fluid flowing through the chamber.
  • the cleaning device can in particular have a pump for supplying cleaning liquid to the inlet. This enables the reliable maintenance of a continuous volume flow of cleaning liquid which enters the chamber and exits through its outlet.
  • the light-conducting fiber can be designed as a glass fiber.
  • a glass fiber has advantageous light-conducting properties and guides the light from the laser device to the second end and then further into the cleaning fluid.
  • other materials such as plastic can also be used.
  • the invention further relates to a method for cleaning a surface by means of laser-induced single bubble cavitation. The method comprises the following steps:
  • Activating the laser device thereby expediently generating one or more bubbles or individual bubbles in the cleaning liquid at the second end of the light-conducting fiber by means of the laser beam.
  • the cleaning device already described can be used advantageously by means of such a method.
  • it can be used to clean a surface by means of laser-induced single bubble cavitation.
  • the cleaning fluid used is in particular such that it absorbs the wavelength used. This allows individual bubbles to be generated advantageously.
  • the cleaning device in particular, all of the designs and variants described can be used. The statements made with reference to the device apply accordingly to the method.
  • Generation at the second end can also be understood as generation near the second end.
  • Cleaning fluid emerging from the outlet can flow in particular in such a way that it directly hits the surface.
  • the cleaning device can be arranged and aligned in the room accordingly.
  • the introduction of cleaning fluid into the inlet can be continuous.
  • Activating the laser device can lead in particular to the emission patterns of a laser beam described above. In particular, the durations for pulses and pauses mentioned above can be used.
  • a radius of the one or more bubbles or individual bubbles generated can in particular be at least 50 pm or at least 100 pm.
  • the radius of the one or more bubbles generated can be at most 2,000 pm or at most 3,000 pm.
  • a radius or individual bubbles of the one or more bubbles or individual bubbles generated correspond to at least one radius of the light-conducting fiber.
  • a radius of the one or more bubbles or individual bubbles generated can be a maximum of five or ten times as large as a radius of the light-conducting fiber.
  • the bubbles or individual bubbles can take on ellipsoidal, or in projection elliptical, shapes in which the longer axis is, for example, parallel to the direction of the fiber.
  • Such values have proven to be advantageous for typical cleaning applications. However, other values can in principle also be used.
  • the values apply per bubble or individual bubble.
  • operating parameters such as laser power, wavelength, pulse durations, cleaning fluid and/or flow rate of the cleaning fluid can be set so that such bubble sizes are achieved.
  • the second end of the optical fiber can be positioned at a distance from the surface of at most three times or five times the maximum diameter of bubbles or individual bubbles generated. This has proven to be advantageous for typical applications.
  • a flow velocity of the cleaning liquid at the outlet can be at least 0.5 m/s or at least 1 m/s or at least 4 m/s. It has been shown that in at least some embodiments, the shape of a bubble or individual bubble is then suitably influenced by the flow.
  • the cleaning device and the method described here can be used in particular for surface cleaning.
  • wafers in the chip industry components in medical technology or high-precision mechanics can be cleaned.
  • oily production residues on components of precision scales can be removed. It is also possible to pre-treat adhesive joints.
  • the cleaning effect can take place outside the chamber described. Bubbles are thus generated which produce a cleaning effect outside the chamber, in particular after exiting the outlet.
  • wet cleaning of surfaces is widely used in industrial and scientific processes. This includes, for example, the cleaning of medical equipment, parts that carry process media in industrial process engineering and the food industry, as well as the repeated cleaning of semiconductor wafers during the production process. Cleaning is carried out, for example, by combining chemical and physical processes. Chemical processes are based in particular on etching the surface contamination and reducing the adhesion forces. However, chemical processes have three major disadvantages. These include the sometimes high procurement and consumption costs and the potentially problematic disposal of the chemicals as well as potential damage to the surfaces. Physical processes can overcome these difficulties.
  • Ultrasonic cleaning works via microcurrents through acoustically generated cavitation bubbles. In ultrasonic baths, however, these appear in the form of cavitation bubble clouds in which the individual bubbles exhibit chaotic behavior and thus have hardly controllable properties. Such bubbles can, under certain circumstances, cause cavitation erosion even on very hard materials. In contrast, it is possible, for example, to obtain precise control over the forces on the surface using the mechanisms of physical wet cleaning processes described here. The forces are mediated via transient microcurrents generated by the collapse of the individual bubbles. Control and adjustability of the forces over a certain range are essentially determined by three parameters, namely bubble size, normalized bubble-wall distance and velocity of a background flow. In particular, the background flow is adjustable in order to influence the bubble dynamics.
  • a bubble can be generated by a continuous wave infrared laser.
  • the laser output power can be modulated, for example, in the range 0 to 100% in the range of 100 Hz or several 100 Hz or in the kilohertz range and allows the generation of a thermocavity bubble of configurable size by adjusting the temporal modulation pattern.
  • the bubble first oscillates and then collapses.
  • the maximum achievable bubble radius can be used to describe the bubble size. This is, for example, in the range 100 pm to 2,000 pm or 3,000 pm.
  • a bubble is generated in particular at the output tip of a glass fiber of suitable diameter. Such a structure achieves portability, low maintenance and robustness.
  • a wavelength with high absorption in the cleaning medium allows the use of lower power densities in contrast to plasma-induced bubble generation, for example with nanosecond pulsed lasers in the visible or very near infrared range.
  • a laser in a wavelength range of 2 pm may be suitable.
  • the absorption coefficient of water is approximately 10 5 cm -1 .
  • Optical decoupling can, for example, prevent damage from back reflections on optics.
  • the use of a glass fiber allows flexible movement of the cleaning head. The glass fiber is located axially in a nozzle with a round cross-section, for example, which generates a background flow with an adjustable volume flow.
  • the cleaning medium for example water, is flowed out of the nozzle.
  • the resulting stagnation point flow allows control over tailor-made bubble dynamics, in which, for example, gravitational forces can be increased, while in contrast to bubble dynamics without background flow, the potentially erosive bubble collapse takes place at a certain distance from the surface and thus the probability of erosion is substantially reduced or completely eliminated.
  • the adjustable volume flow results in an average flow velocity at the nozzle outlet.
  • the technically relevant range of the average flow velocity at the nozzle is, for example, in the range from 0 to 20 m/s. Such values can be used, for example, in the context of the method described here.
  • Constant flow conditions can be achieved, for example, by actively controlling the pumping rate using a flow sensor and flow rectification using a honeycomb grid on the nozzle.
  • the second crucial parameter for controlling the bubble dynamics is the distance from the location of bubble generation, typically the second end of the fiber, to the item to be cleaned, normalized to the bubble radius. This can be achieved by precisely moving a cleaning head to the surface. The accuracy here is about 5% to 10% of the maximum radius.
  • the relevant distance of an opening or a second end of the light-conducting fiber is, for example, 0 to 3 times or 0 to 5 times the maximum radius of the bubble and is adjustable.
  • the nozzle can, for example, have a diameter of approximately one to ten times the maximum radius of a bubble.
  • bubble radii or bubble diameters When reference is made herein to bubble radii or bubble diameters, it should be noted that in typical implementations there is a totality of bubbles, in which there are typically also bubbles that are larger or smaller than specified. The information contained herein can then be understood to mean that at least half, at least three quarters, at least 90% or at least 95% of the energy of the laser beam emerging from the optical fiber, if used to generate bubbles, is used to generate bubbles that have the specified property.
  • the radius or diameter of the light-conducting fiber in the case of designs of light-conducting fibers which have a core with a sheath, the core of the light-conducting fiber which guides the laser light and at whose radially outer boundary the laser light is reflected is to be considered in particular.
  • the sheath is typically made of a material with a higher refractive index.
  • Moving the cleaning head relative to the object to be cleaned, especially in a lateral direction, allows the scanning of entire surfaces at high bubble generation frequencies.
  • Several glass fibers can be combined in a cleaning head at a sufficient distance, for example around five maximum bubble radii. to achieve the higher surface cleaning rate.
  • the nozzle can be widened or divided accordingly.
  • Automatic distance detection and control can be integrated into a cleaning head, which adjusts the distances if necessary, especially if the surface is displaced laterally relative to the cleaning head.
  • the cleaning device described here can basically be used in any orientation.
  • the bubble generation is controlled in such a way that the orientation is determined by the flow of the cleaning liquid, which is independent of the orientation of the cleaning device relative to gravity.
  • Fig. 1 shows a cleaning device.
  • Fig. 1 shows a cleaning device 10 according to an embodiment of the invention.
  • the cleaning device 10 serves to clean a surface 16 of an object 15.
  • the object 15 is a pane of glass in the present case, although other objects 15 can also be cleaned.
  • On the surface 16 there are dirt particles 17 which are to be removed by means of the cleaning described here.
  • the cleaning device 10 has a chamber 20.
  • the chamber 20 has an inlet 22 through which cleaning liquid 12 can be supplied.
  • the Chamber 20 also has an outlet 24 through which the cleaning liquid exits.
  • a flow straightener 26 In between there is a flow straightener 26 through which the cleaning liquid 12 in the chamber 20 is made uniform in terms of its flow.
  • the flow straightener 26 can, for example, have a honeycomb structure.
  • a supply line 30 is provided for supplying cleaning liquid 12. This is connected to the inlet 22.
  • a pump 32 pumps the cleaning liquid 12 in the direction of the inlet 22.
  • a flow sensor 34 measures the flow.
  • the cleaning device 10 has a laser device 40 for generating a laser beam. This is coupled to a coupling device 42, which serves to emit the laser beam to a light-conducting fiber described below.
  • a control device 44 is used for control.
  • the cleaning device 10 has a light-conducting fiber 50.
  • the light-conducting fiber 50 has a first end 51 and a second end 52.
  • the first end 51 is connected to the coupling device 42 as shown in order to ultimately couple the first end 51 to the laser device 40.
  • the light-conducting fiber 50 then runs into a tube 28 which is hollow on the inside and extends into the chamber 20. The majority of the light-conducting fiber 50 is thus shielded from the cleaning liquid 12.
  • the light-conducting fiber 50 protrudes beyond the tube 28 and thus enters the chamber 20 outside the tube 28.
  • the second end 52 is thus located in the cleaning liquid 12.
  • An exiting laser beam which is generated by the laser device 40 and guided via the light-conducting fiber 50 to its second end 52, thus exits the second end 52 and into the cleaning liquid 12. There it is possible to generate a single bubble 14 which is at a defined distance from the surface 16.
  • the chamber 20 forms a head 11, which can be positioned independently of other components, in particular the laser device 40 and the pump 32, at least within predetermined limits.
  • the light-conducting fiber 50 and the feed line 30 are designed to be flexible. This enables movement of the head 11 to move to different positions without having to move other components.
  • the laser device 40 is a modulated continuous wave laser. This can generate pulse widths of several hundred microseconds with pauses of several hundred microseconds in between. While a respective pulse is active, a single bubble 14 is generated, which then detaches and is moved towards the surface 16 due to the flow of the cleaning liquid 12 through the chamber 20. The forces acting on the single bubble 14 due to the flow of the cleaning liquid 12 are considerably greater than the force of gravity, which would move the single bubble 14 vertically upwards.
  • the cleaning device 10 can therefore be used in any orientation and functions independently of the influence of gravity.
  • the light-conducting fiber 50 By using the light-conducting fiber 50, it is possible in particular to achieve free positioning of the chamber 20 relative to the laser device 40.
  • the light-conducting fiber 50 can be designed to be at least partially or completely flexible. This makes a cleaning process much easier, since the laser device 40 can be placed stationary and only the chamber 20 is positioned flexibly.
  • the second end 52 of the light-conducting fiber 50 has no curvature. Rather, it forms a smooth end of the light-conducting fiber 50, which thus has a flat end surface in a plane transverse to the longitudinal extent of the light-conducting fiber 50. This prevents focusing of the emerging laser beam.
  • the individual bubble 14 is thus generated directly adjacent to the second end 52.
  • damage to the surface 16 is avoided, which would otherwise be possible due to possible tunnel formation within the cleaning liquid 12. If tunneling were to occur, the cleaning liquid 12 evaporates along a tunnel, which would thus enable the laser beam to reach the surface 16 without being absorbed by the cleaning liquid 12. The high energy that then occurs at the surface 16 can damage the surface 16.
  • the distance d can be measured in particular from the center of the individual bubble 14. To simplify matters, the distance of the second end 52 to the surface 16 can also be used for this purpose.
  • the distance d is preferably a maximum of about three times the diameter of the individual bubble 14.
  • the distance s is typically somewhat larger and is a maximum of about five times the diameter of the individual bubble 14. Suitable operating parameters can thus be set, which have proven to be advantageous for typical applications.
  • steps of the method according to the invention can be carried out in the order given. However, they can also be carried out in a different order, as long as this is technically reasonable.
  • the method according to the invention can be carried out in one of its embodiments, for example with a certain combination of steps, in such a way that no further steps are carried out. However, in principle, further steps can also be carried out, including those which are not mentioned.

Landscapes

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Abstract

Reinigungsvorrichtung (10) zur Reinigung einer Oberfläche (16) mittels laserinduzierter Einzelblasenkavitation, wobei die Reinigungsvorrichtung (10) einen Einlass (22), einen Auslass (24), eine fluidisch zwischen Einlass und Auslass angeordnete Kammer (20), eine Laservorrichtung (40) zur Abgabe eines Laserstrahls und eine lichtleitende Faser (50) zum Leiten des Laserstrahls in die Kammer (20) aufweist. Des Weiteren ein zugehöriges Verfahren.

Description

Reinigungsvorrichtung und Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche
Die Erfindung betrifft eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung einer Oberfläche sowie ein Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche.
Oberflächen können auf unterschiedliche Arten gereinigt werden. Beispielsweise sind hierfür mechanische, chemische oder kombinierte Verfahren bekannt. Besonders hohe Anforderungen an die Qualität einer Reinigung werden beispielsweise bei Verwendungen im Bereich der Halbleiterindustrie gestellt, in welcher beispielsweise Oberflächen von Glas oder Halbleitermatenalien gereinigt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung einer Oberfläche bereitzustellen, welche im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser ausgeführt ist. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung, ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen. Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der Hauptansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft eine Reinigungsvorrichtung zur Reinigung einer Oberfläche mittels laserinduzierter Einzelblasenkavitation. Die Reinigungsvorrichtung weist einen Einlass für eine Reinigungsflüssigkeit auf. Die Reinigungsvorrichtung weist einen Auslass für die Reinigungsflüssigkeit auf. Die Reinigungsvorrichtung weist eine Kammer auf, welche fluidisch zwischen Einlass und Auslass angeordnet ist. Die Reinigungsvorrichtung weist eine Laservorrichtung auf, welche zur Abgabe eines Laserstrahls ausgebildet ist. Ferner weist die Reinigungsvorrichtung eine lichtleitende Faser mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf. Das erste Ende ist mit der Laservorrichtung zur Aufnahme des Laserstrahls gekoppelt. Die lichtleitende Faser reicht in die Kammer hinein, und zwar insbesondere zur Abgabe des Laserstrahls und/oder zur laserinduzierten Erzeugung von Einzelblasen.
Mittels einer solchen Reinigungsvorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, Einzelblasen in der Reinigungsflüssigkeit zu erzeugen, wobei die Einzelblasen eine Reinigungswirkung an der Oberfläche erzeugen. Insbesondere können Einzelblasen benachbart zur Oberfläche kollabieren und dabei einen Flüssigkeitsstrom zwischen der Blase und der Oberfläche induzieren. Dieser Flüssigkeitsstrom ist im Wesentlichen parallel zur Oberfläche und sorgt somit dafür, dass eine mechanische Reinigungswirkung an der Oberfläche erzeugt wird. Dadurch kann eine besonders gute Reinigung der Oberfläche erreicht werden. Durch die Verwendung einer lichtleitenden Faser, welche in die Kammer hineinreicht, kann der Laserstrahl sehr exakt in der Reinigungsflüssigkeit geführt werden und die Erzeugung von Einzelblasen kann besonders exakt kontrolliert werden.
Der Einlass kann insbesondere als Einlassanschluss zum Zuführen der Reinigungsflüssigkeit ausgebildet sein. Der Auslass kann insbesondere zur Abgabe der Reinigungsflüssigkeit verwendet werden, insbesondere in Richtung eines zu reinigenden Objekts. Einlass und Auslass sind insbesondere zueinander unterschiedlich, beispielsweise als separate, gegeneinander abgrenzbare Öffnungen ausgeführt. Insbesondere ist eine durchgängige materialmäßige Abgrenzung zwischen Einlass und Auslass ausgebildet. Es handelt sich bei Einlass und Auslass also typischerweise nicht um zwei nur gedanklich abgrenzbare Abschnitte einer Öffnung. Die Reinigungsflüssigkeit kann insbesondere kontinuierlich am Einlass zugeführt werden, so dass die Kammer zumindest im Wesentlichen immer mit Reinigungsflüssigkeit gefüllt ist. Die am Einlass zugeführte Reinigungsflüssigkeit kann insbesondere durch den dazu separaten Auslass die Kammer wieder verlassen. In der Kammer entsteht somit ein Flüssigkeitsstrom vom Einlass zum Auslass. Die lichtleitende Faser nimmt typischerweise an ihrem ersten Ende den Laserstrahl auf und führt ihn zu ihrem zweiten Ende. Am zweiten Ende tritt der Laserstrahl aus und tritt somit in denjenigen Bereich der Kammer oder eines von der Reinigungsflüssigkeit eingenommenen Volumens ein, welcher bzw. welches nicht von der Faser eingenommen wird. Die lichtleitende Faser kann insbesondere einen konstanten Querschnitt haben. Insbesondere kann dies für einen Abschnitt gelten, welcher in die Kammer hineinreicht. Auch das in der Kammer angeordnete zweite Ende kann insbesondere mit diesem Querschnitt ausgebildet sein. Auf Elemente, welche an dieser Stelle das lichtleitende Material aufweiten, kann vorteilhaft verzichtet werden. Ist die Kammer mit Reinigungsflüssigkeit gefüllt, so tritt der Laserstrahl somit in diese Reinigungsflüssigkeit ein. Die Reinigungsflüssigkeit ist typischerweise von einer Art, dass der verwendete Laserstrahl absorbiert wird und somit eine Blasenerzeugung möglich ist. Dabei werden Einzelblasen erzeugt, welche die bereits beschriebene Reinigungswirkung erzeugen können. Insbesondere kann als Reinigungsflüssigkeit eine wässrige Flüssigkeit mit Tensiden, Säuren und/oder Basen verwendet werden.
Die Wirkung des Laserstrahls ist bei der hierin beschriebenen Ausführung die Erzeugung von Blasen. Es ist typischerweise nicht vorgesehen, dass der Laserstrahl eine unmittelbare bearbeitende Wirkung auf der zu reinigenden Oberfläche hat.
Gemäß einer Ausführung reicht die lichtleitende Faser soweit in die Kammer hinein, dass sich das zweite Ende in der Kammer befindet bzw. noch in der Kammer befindet. Gemäß einer Ausführung reicht die lichtleitende Faser soweit in die Kammer hinein, dass sie aus dem Auslass hervorsteht und sich das zweite Ende somit außerhalb der Kammer befindet.
Es können grundsätzlich auch mehrere lichtleitende Fasern verwendet werden. Für diese gelten jeweils die hierin für die lichtleitende Faser getroffenen Aussagen.
Bevorzugt ist die Laservorrichtung als Dauerstrichlaser und/oder modulierter Laser, besonders bevorzugt als modulierter Dauerstrichlaser ausgebildet. Die Verwendung eines Dauerstrichlasers hat im Vergleich zur Verwendung von gepulsten Lasern insbesondere den Vorteil, dass Dauerstrichlaser wesentlich weniger aufwändig und damit auch wesentlich günstiger sind. Eine Modulierung eines Dauerstrichlasers kann insbesondere dadurch erfolgen, dass dieser nur in bestimmten Zeiträumen angeschaltet wird und ansonsten ausgeschaltet wird. Damit unterscheidet sich ein modulierter Dauerstrichlaser von einem gepulsten Laser, welcher aufgrund seiner internen physikalischen Struktur nur einzelne Pulse erzeugt. Grundsätzlich ist jedoch alternativ auch die Verwendung eines gepulsten Lasers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung weist die Reinigungsvorrichtung ein Rohr auf, wobei sich das Rohr in die Kammer hinein erstreckt und vorzugsweise zur Kammer fluidisch dicht ist. Insbesondere kann ein Innenraum des Rohrs zur Kammer fluidisch dicht sein. Die lichtleitende Faser kann insbesondere teilweise in dem Rohr verlaufen und an einem in der Kammer liegenden Ende des Rohrs, oder an einem durch den Auslass aus der Kammer hervorstehenden Ende des Rohrs, aus dem Rohr austreten. Dadurch kann eine Abdichtung am Fasereintritt in die Düsenkonstruktion bzw. Kammer sowie die Einspannung am Düsenausgang bzw. Auslass erleichtert werden.
Insbesondere kann das Rohr die Faser stabilisieren und/oder das zweite Ende der Faser positionieren, wobei eine solche Positionierung durch das Rohr näher am Auslass erfolgen kann und damit exakter ist als eine Positionierung der Faser ohne das Rohr. Außerdem kann die Faser geschützt und/oder mechanisch stabilisiert werden.
Grundsätzlich ist es möglich, dass das Rohr in der Kammer endet und auch das zweite Ende der lichtleitenden Faser in der Kammer angeordnet ist. Alternativ kann das Rohr in der Kammer enden und das zweite Ende der lichtleitenden Faser durch den Auslass aus der Kammer hervorstehen. Nochmal alternativ kann das Rohr durch den Auslass aus der Kammer hervorstehen, wobei in diesem Fall auch das zweite Ende der lichtleitenden Faser typischerweise außerhalb der Kammer angeordnet ist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kammer Teil eines Kopfs ist, welcher relativ zur Laservorrichtung und/oder weiteren Komponenten der Reinigungsvorrichtung, insbesondere einer nachfolgend beschriebenen Pumpe, zumindest begrenzt frei positionierbar ist. Dies ermöglicht ein einfaches Anfahren unterschiedlicher Reinigungspositionen.
Insbesondere kann das zweite Ende der lichtleitenden Faser so angeordnet sein, dass bei typischer Verwendung bzw. bei Verwendung ein kontaktloser Abstand des zweiten Endes der lichtleitenden Faser zu einer zu reinigenden Oberfläche maximal dem fünffachen Blasendurchmesser entspricht. Dabei handelt es sich um einen Wert, welcher die Erzeugung einer Einzelblase in einem besonders vorteilhaften Abstand zur Oberfläche ermöglicht, wobei diese Einzelblase eine vorteilhafte Reinigungswirkung erzeugt.
Die Reinigungsvorrichtung kann insbesondere eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, welche insbesondere dazu konfiguriert sein kann, die Laservorrichtung derart anzusteuern, dass der Laserstrahl nur in jeweiligen Abgabezeiträumen abgegeben wird, zwischen welchen sich Pausenzeiträume befinden. In den Pausenzeiträumen wird somit kein Laserstrahl abgegeben. Die Abgabezeiträume sind vorteilhaft so lange, dass ein Sieden des Wassers mit berücksichtigtem Siedeverzug stattfinden kann. Dies ist eine Funktion von der absorbierten Laserleistung und des Faserdurchmessers. Vorteilhaft können die Abgabezeiträume mindestens 5 ps oder mindestens 10 ps lang sein. Sie können vorteilhaft höchstens 1 ms oder höchstens 5 ms lang sein. Die Pausenzeiträume können vorteilhaft mindestens 10 ps, mindestens 25 ps, mindestens 5 ms oder mindestens 10 ms lang sein. Derartige Werte haben sich für typische Anwendungsfälle als vorteilhaft herausgestellt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Werte möglich. Derartige Werte können beispielsweise mit dem bereits weiter oben erwähnten modulierbaren Dauerstrichlaser erreicht werden. Die Pulslängen sind dabei typischerweise länger als bei gepulsten Lasern, wobei herausgefunden wurde, dass insbesondere bei der Verwendung der hierin offenbarten Faser, welche eine besonders gute Steuerung des Lichtstrahls ermöglicht, auf die Verwendung eines teuren gepulsten Lasers verzichtet werden kann. Die genannten Zeiträume können insbesondere auch für das hierin beschriebene Verfahren verwendet werden.
Die Laservorrichtung kann insbesondere eine Wellenlänge bzw. eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von mindestens 1 ,5 pm und/oder von höchstens 2,5 pm emittieren. Diese entspricht einer Wellenlänge im Infrarotbereich, welche bei der Verwendung typischer Reinigungsflüssigkeiten eine vorteilhafte Erzeugung von Einzelblasen ermöglicht. Die Momentan-Leistungsdichte der Laservorrichtung am zweiten Ende der Faser kann insbesondere mindestens 50 MW/m2 betragen. Grundsätzlich sind auch andere Werte verwendbar.
Insbesondere kann das zweite Ende der lichtleitenden Faser flach und/oder plan und/oder eben ausgeführt sein. Dies kann insbesondere bedeuten, dass eine Stirnfläche an dem zweiten Ende ganz oder teilweise, beispielsweise zu mindestens 50 % oder mindestens 90 % der Fläche, in einer Ebene liegt, welche insbesondere quer zur Längsrichtung der Faser ausgerichtet sein kann oder einen Winkel von höchstens 1 °, höchstens 2°, höchstens 5°, höchstens 10°, höchstens 20° oder höchstens 45° zur Längsrichtung der Faser einnehmen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das zweite Ende der lichtleitenden Faser ohne brechende und/oder fokussierende Elemente ausgeführt ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die lichtleitende Faser den Laserstrahl nicht fokussiert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sich in der Kammer kein fokussierendes Element befindet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die lichtleitende Faser zur kollimierten oder divergenten Abgabe des Laserstrahls ausgebildet ist, insbesondere zur Abgabe in die Reinigungsflüssigkeit. Eine divergente Abgabe kann beispielsweise eine Abgabe mit einem Öffnungswinkel (insbesondere numerische Apertur) des Laserstrahlbündels von höchstens 15° bedeuten. Dadurch kann auf eine Fokussierung verzichtet werden. Der Verzicht auf eine Fokussierung vermeidet hohe Leistungsdichten an einem ansonsten auszubildenden Fokus. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass auch sonst kein den Laserstrahl fokussierendes Element vorhanden ist.
Die Kammer kann insbesondere als Düse ausgebildet sein. Diese kann sich insbesondere in Strömungsrichtung vom Einlass zum Auslass verjüngen. Dadurch kann eine Beschleunigung der durch die Kammer fließenden Reinigungsflüssigkeit erreicht werden.
Die Reinigungsvorrichtung kann insbesondere eine Pumpe zum Zuführen von Reinigungsflüssigkeit zum Einlass aufweisen. Dies ermöglicht das zuverlässige Aufrechterhalten eines kontinuierlichen Volumenstroms an Reinigungsflüssigkeit, welche in die Kammer eintritt und durch deren Auslass austritt.
Der Auslass kann insbesondere als in einer Ebene liegende Öffnung ausgebildet sein. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Anpassung an eine Oberfläche, welche typischerweise ebenfalls eben ist. Der Auslass kann insbesondere als runde, ovale oder ellipsenförmige Öffnung ausgebildet sein. Dadurch kann ein geeignetes Strömungsprofil am Auslass eingestellt werden. Auch andere Ausführungen sind hier jedoch möglich.
Insbesondere kann die lichtleitende Faser als Glasfaser ausgebildet sein. Eine derartige Glasfaser hat vorteilhafte Lichtleiteigenschaften und leitet das Licht von der Laservorrichtung zum zweiten Ende und dann weiter in die Reinigungsflüssigkeit. Auch andere Materialien wie beispielsweise Kunststoff sind jedoch verwendbar. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche mittels laserinduzierter Einzelblasenkavitation. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
Positionieren einer Reinigungsvorrichtung, insbesondere einer Reinigungsvorrichtung wie hierin beschrieben, derart, dass deren Auslass auf die Oberfläche gerichtet ist,
Einleiten von Reinigungsflüssigkeit in den Einlass, und
Aktivieren der Laservorrichtung, dabei zweckmäßig Erzeugen einer oder mehrerer Blasen bzw. Einzelblasen in der Reinigungsflüssigkeit am zweiten Ende der lichtleitenden Faser mittels des Laserstrahls.
Mittels eines solchen Verfahrens kann die bereits beschriebene Reinigungsvorrichtung in vorteilhafter Weise verwendet werden. Insbesondere kann sie zur Reinigung einer Oberfläche mittels laserinduzierter Einzelblasenkavitation verwendet werden. Die verwendete Reinigungsflüssigkeit ist insbesondere derart, dass sie die verwendete Wellenlänge absorbiert. Dadurch können in vorteilhafter Weise Einzelblasen erzeugt werden. Bezüglich der Reinigungsvorrichtung kann insbesondere auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Die mit Bezug auf die Vorrichtung gegebenen Aussagen geltend entsprechend für das Verfahren.
Unter einer Erzeugung am zweiten Ende kann auch eine Erzeugung in der Nähe zum zweiten Ende verstanden werden.
Aus dem Auslass austretende Reinigungsflüssigkeit kann insbesondere so fließen, dass sie unmittelbar auf die Oberfläche trifft. Entsprechend kann insbesondere die Reinigungsvorrichtung im Raum angeordnet und ausgerichtet werden. Das Einleiten von Reinigungsflüssigkeit in den Einlass kann insbesondere kontinuierlich erfolgen. Das Aktivieren der Laservorrichtung kann insbesondere zu den bereits beschriebenen Abgabemustern eines Laserstrahls führen. Insbesondere können die weiter oben bereits erwähnten Dauern für Pulse und Pausenzeiten verwendet werden.
Ein Radius der einen oder mehreren erzeugten Blasen bzw. Einzelblasen kann insbesondere mindestens 50 pm oder mindestens 100 pm betragen. Insbesondere kann der Radius der einen oder mehreren erzeugten Blasen höchstens 2.000 pm oder höchstens 3.000 pm betragen. Insbesondere kann ein Radius bzw. Einzelblasen der einen oder mehreren erzeugten Blasen bzw. Einzelblasen mindestens einem Radius der lichtleitenden Faser entsprechen. Insbesondere kann ein Radius der einen oder mehreren erzeugten Blasen bzw. Einzelblasen höchsten fünfmal oder zehnmal so groß sein wie ein Radius der lichtleitenden Faser. Die Blasen bzw. Einzelblasen können ellipsoide, oder in Projektion elliptische, Formen annehmen, bei denen die längere Achse beispielsweise parallel zur Faserverlaufsrichtung liegt. Derartige Werte haben sich für typische Reinigungsanwendungen als vorteilhaft erwiesen. Jedoch können grundsätzlich auch andere Werte verwendet werden. Die Werte gelten pro Blase bzw. Einzelblase. Insbesondere können Betriebsparameter wie Laserleistung, Wellenlänge, Pulsdauern, Reinigungsflüssigkeit und/oder Strömungsgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit so eingestellt werden, dass derartige Blasengrößen erreicht werden.
Insbesondere kann das zweite Ende der lichtleitenden Faser in einem Abstand zur Oberfläche von höchstens dem Dreifachen oder dem Fünffachen des maximalen Durchmessers von erzeugten Blasen bzw. Einzelblasen positioniert werden. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere kann eine Strömungsgeschwindigkeit der Reinigungsflüssigkeit am Auslass mindestens 0,5 m/s oder mindestens 1 m/s oder mindestens 4 m/s betragen. Es hat sich gezeigt, dass dann in zumindest einigen Ausführungen eine geeignete Beeinflussung der Form einer Blase bzw. Einzelblase durch die Strömung erfolgt.
Anwendung können die hierin beschriebene Reinigungsvorrichtung und das hierin beschriebene Verfahren insbesondere in der Oberflächenreinigung erfahren. Beispielsweise können Wafer in der Chipindustrie, Komponenten der Medizintechnik oder der Hochpräzisionsmechanik gereinigt werden. Beispielsweise können ölige Produktionsrückstände an Komponenten von Feinwaagen entfernt werden. Ebenso ist es möglich, Klebestellen vorzubehandeln.
Insbesondere kann die Reinigungswirkung außerhalb der beschriebenen Kammer stattfinden. Es werden also Blasen erzeugt, die außerhalb der Kammer, insbesondere nach Austritt aus dem Auslass, eine Reinigungswirkung erzeugen. Mit anderen Worten findet die Nassreinigung von Oberflächen breite Anwendung in industriellen und wissenschaftlichen Prozessen. Dazu gehören beispielsweise die Reinigung von medizinischem Gerät, der prozessmedienführenden Teile in der industriellen Prozesstechnik und der Lebensmittelindustrie, sowie die wiederholte Reinigung von Halbleiterwafern während des Produktionsprozesses. Die Reinigung erfolgt beispielsweise durch Kombination chemischer und physikalischer Verfahren. Die chemischen Verfahren beruhen insbesondere darauf, die Oberflächenverschmutzung zu ätzen und die Anhaftungskräfte zu reduzieren. Allerdings besitzen chemische Verfahren drei wesentliche Nachteile. Dazu gehören die teilweise hohen Beschaffungsund Verbrauchskosten und die potentiell problematische Entsorgung der Chemikalien sowie potentielle Beschädigungen der Oberflächen. Physikalische Verfahren können diese Schwierigkeiten überwinden. Sie wirken über Kräfte auf die anhaftende Verschmutzung, die die Anhaftungskräfte überwinden müssen. Im Bereich der Nassreinigung kleiner Verschmutzungspartikel sind dies meist Scherkräfte. Jedoch sollen typischerweise auch mechanische Verfahren in einem bestimmten Prozessfenster stattfinden, in dem die Kräfte ausreichend zur Entfernung der Verschmutzung sind, ohne die Oberfläche des Reinigungsguts zu beschädigen. Im Allgemeinen ist die mechanische Abreinigung umso schwieriger, je kleiner die Verschmutzungspartikel sind. Dies liegt insbesondere am relativ großen Einfluss der Oberflächenkräfte, die für die Partikelhaftung verantwortlich sind, und der Schwierigkeit, ausreichende (Scher-)Kräfte in ausreichender Nähe zur Oberfläche für kleine Partikel zu erreichen, die sich in der hydrodynamischen Grenzschicht befinden. Verbreitete physikalische Verfahren erlauben jedoch keine präzise Kontrolle über die an der Oberfläche angreifenden Kräfte. Neben Tangentialkräften, welche auch als Scherkräfte bezeichnet werden können, wirken bei den Verfahren typischerweise auch Kräfte senkrecht zur Oberfläche. Ultraschallreinigung wirkt beispielsweise über Mikroströmungen durch akustisch erzeugte Kavitationsblasen. In Ultraschallbädern treten diese jedoch in Form von Kavitationsblasenwolken auf, in denen die einzelnen Blasen chaotisches Verhalten zeigen und damit kaum kontrollierbare Eigenschaften besitzen. Derartige Blasen können unter Umständen Kavitationserosion selbst auf sehr harten Materialien hervorrufen. Im Gegensatz dazu ist es mit den hierin beschriebenen Mechanismen physikalischer Nassreinigungsverfahren beispielsweise möglich, eine präzise Kontrolle über die Kräfte an der Oberfläche zu erhalten. Die Kräfte werden über transiente Mikroströmungen vermittelt, die durch Kollabieren der Einzelblasen erzeugt werden. Kontrolle und Einstellbarkeit der Kräfte werden über einen gewissen Bereich im Wesentlichen durch drei Parameter bestimmt, nämlich Blasengröße, normierter Blasen- Wandabstand und Geschwindigkeit einer Hintergrundströmung. Insbesondere ist die Hintergrundströmung einstellbar, um die Blasendynamik zu beeinflussen.
Insbesondere kann eine Blase durch einen Dauerstrich-Infrarotlaser erzeugt werden. Die Laserausgangsleistung kann beispielsweise im Bereich 0 bis 100 % im Bereich von 100 Hz oder mehreren 100 Hz oder im Kilohertz-Bereich modulierbar sein und erlaubt durch Einstellung des zeitlichen Modulationsmusters die Erzeugung einer thermokavitätischen Blase konfigurierbarer Größe. Die Blase schwingt zunächst auf und kollabiert dann. Zur Beschreibung der Blasengröße kann man den maximalen erreichbaren Blasenradius verwenden. Dieser liegt beispielsweise im Bereich 100 pm bis 2.000 pm oder 3.000 pm. Die Erzeugung einer Blase erfolgt insbesondere an der Ausgangsspitze einer Glasfaser geeigneten Durchmessers. Durch einen solchen Aufbau werden Portabilität, Wartungsarmut und Robustheit erzielt. Die Verwendung einer Wellenlänge mit hoher Absorption im Reinigungsmedium erlaubt die Verwendung niedrigerer Leistungsdichten im Gegensatz zur plasmainduzierten Blasenerzeugung etwa mit nanosekundengepulsten Lasern im sichtbaren oder sehr nahen Infrarotbereich. Für den wichtigen Anwendungsfall von Wasser als Reinigungsmedium kann beispielsweise ein Laser in einem Wellenlängenbereich von 2 pm geeignet sein. Dabei beträgt der Absorptionskoeffizient von Wasser ungefähr 105 cm-1. Eine optische Entkopplung kann beispielsweise Beschädigungen aus Rückreflexionen an Optiken verhindern. Die Verwendung einer Glasfaser erlaubt insbesondere eine flexible Bewegung des Reinigungskopfs. Die Glasfaser befindet sich beispielsweise axial in einer Düse mit rundem Querschnitt, die eine Hintergrundströmung mit einstellbarem Volumenfluss erzeugt. Aus der Düse wird das Reinigungsmedium, beispielsweise Wasser, geströmt. Die sich ergebende Staupunktströmung erlaubt die Kontrolle über eine maßgeschneiderte Blasendynamik, bei der zum Beispiel Schwerkräfte vergrößert werden können, während im Gegensatz zur Blasendynamik ohne Hintergrundströmung gleichzeitig der potenziell erosive Blasenkollaps in gewisser Entfernung von der Oberfläche stattfindet und somit die Erosionswahrscheinlichkeit substanziell reduziert oder ganz ausgeschlossen wird. Aus dem einstellbaren Volumenfluss ergibt sich eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit am Düsenauslass. Der technisch relevante Bereich der mittleren Strömungsgeschwindigkeit an der Düse liegt beispielsweise im Bereich von 0 bis 20 m/s. Derartige Werte können beispielsweise im Rahmen des hierin beschriebenen Verfahrens verwendet werden. Konstante Strömungsbedingungen können beispielsweise über eine aktive Regelung der Pumprate mithilfe eines Durchflusssensors und einer Strömungsgleichrichtung mithilfe eines Wabengitters an der Düse erzielt werden. Der zweite entscheidende Parameter zur Steuerung der Blasendynamik ist der Abstand des Ortes der Blasenerzeugung, typischerweise das zweite Ende der Faser, zum Reinigungsgut, normiert auf den Blasenradius. Dieser kann durch präzise Verschiebung eines Reinigungskopfs zur Oberfläche erzielt werden. Die Genauigkeit liegt hier bei etwa 5 % bis 10 % des maximalen Radius. Der relevante Abstand einer Öffnung oder eines zweiten Endes der lichtleitenden Faser liegt bei beispielsweise 0 bis 3-mal oder 0 bis 5-mal des maximalen Radius der Blase und ist einstellbar. Die Düse kann beispielsweise einen Durchmesser von ca. dem Einfachen bis Zehnfachen des maximalen Radius einer Blase haben.
Sofern hierin auf Blasenradien oder Blasendurchmesser Bezug genommen wird sei angemerkt, dass es in typischen Implementierungen eine Gesamtheit von Blasen gibt, in welchen es typischerweise auch Blasen gibt, welche größer oder kleiner sind als angegeben. Die hierin befindlichen Angaben können dann derart verstanden werden, dass mindestens die Hälfte, mindestens drei Viertel, mindestens 90 % oder mindestens 95 % der aus der lichtleitenden Faser austretenden Energie des Laserstrahls, sofern sie zur Blasenerzeugung verwendet wird, zur Erzeugung von Blasen verwendet wird, welche die angegebene Eigenschaft haben.
Sofern auf den Radius oder Durchmesser der lichtleitenden Faser Bezug genommen wird, ist bei Ausführungen von lichtleitenden Fasern, welche einen Kem mit Ummantelung aufweisen, insbesondere der Kem der lichtleitenden Faser zu betrachten, der das Laserlicht leitet und an dessen radial außenliegender Begrenzung das Laserlicht reflektiert wird. Die Ummantelung ist typischerweise aus einem Material mit höherem Brechungsindex ausgebildet.
Ein Verschieben des Reinigungskopfs relativ zum Reinigungsgut, insbesondere in lateraler Richtung, erlaubt die Abrasterung ganzer Oberflächen bei hohen Blasenerzeugungsfrequenzen. Mehrere Glasfasern können in ausreichendem Abstand, beispielsweise etwa fünf maximale Blasenradien, in einem Reinigungskopf kombiniert werden, um die höhere Oberflächenreinigungsrate zu erzielen. Dazu kann beispielsweise die Düse entsprechend verbreitert oder unterteilt werden. In einem Reinigungskopf kann eine automatische Abstandsdetektion und -kontrolle integriert werden, die insbesondere bei lateraler Verschiebung der Oberfläche zum Reinigungskopf gegebenenfalls die Abstände nachführt.
Durch den Verzicht auf eine Fokussierung ist es insbesondere möglich, eine Blase an der Ausgangsspitze, beispielsweise an dem zweiten Ende, einer optischen Faser zu erzeugen. Dies ermöglicht eine genauere Kontrolle über den Ort der Erzeugung der Blase und verhindert, dass der Laserstrahl über einen längeren Bereich bis zum Fokus durch die Reinigungsflüssigkeit verläuft. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass ein sich länger in der Reinigungsflüssigkeit ausbreitender Laserstrahl einen tunnelförmigen Kanal aus verdampfter Reinigungsflüssigkeit bildet und somit mangels Abschwächung direkt bis zur zu reinigenden Oberfläche gelangt, welche dadurch beschädigt werden kann.
Die hierin beschriebene Reinigungsvorrichtung kann grundsätzlich in jeder Orientierung eingesetzt werden. Die Blasenerzeugung erfolgt kontrolliert derart, dass die Orientierung durch die Strömung der Reinigungsflüssigkeit vorgegeben wird, welche unabhängig ist von der Orientierung der Reinigungsvorrichtung relativ zur Schwerkraft.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigt: Fig. 1 : eine Reinigungsvorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Reinigungsvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Reinigungsvorrichtung 10 dient dazu, eine Oberfläche 16 eines Objekts 15 zu reinigen. Bei dem Objekt 15 handelt es sich vorliegend um eine Glasscheibe, wobei auch andere Objekte 15 gereinigt werden können. Auf der Oberfläche 16 befinden sich Schmutzpartikel 17, welche mittels der hierin beschriebenen Reinigung entfernt werden sollen.
Die Reinigungsvorrichtung 10 weist eine Kammer 20 auf. Die Kammer 20 weist einen Einlass 22 auf, durch welchen Reinigungsflüssigkeit 12 zugeführt werden kann. Die Kammer 20 weist ferner einen Auslass 24 auf, durch welchen die Reinigungsflüssigkeit austritt. Dazwischen befindet sich ein Strömungsgleichrichter 26, durch welchen die in der Kammer 20 befindliche Reinigungsflüssigkeit 12 bezüglich ihrer Strömung vergleichmäßigt wird. Der Strömungsgleichrichter 26 kann beispielsweise eine wabenförmige Struktur haben.
Zur Zuführung von Reinigungsflüssigkeit 12 ist eine Zuführleitung 30 vorhanden. Diese ist an dem Einlass 22 angeschlossen. Eine Pumpe 32 pumpt die Reinigungsflüssigkeit 12 in Richtung des Einlasses 22. Ein Durchflusssensor 34 misst den Durchfluss.
Die Reinigungsvorrichtung 10 weist eine Laservorrichtung 40 zum Erzeugen eines Laserstrahls auf. Diese ist mit einer Kopplungseinrichtung 42 gekoppelt, welche zum Abgeben des Laserstrahls an eine nachfolgend beschriebene lichtleitende Faser dient. Zur Steuerung dient eine Steuerungsvorrichtung 44.
Die Reinigungsvorrichtung 10 weist eine lichtleitende Faser 50 auf. Die lichtleitende Faser 50 weist ein erstes Ende 51 und ein zweites Ende 52 auf. Das erste Ende 51 ist wie gezeigt mit der Kopplungseinrichtung 42 verbunden, um das erste Ende 51 letztlich an die Laservorrichtung 40 zu koppeln. Die lichtleitende Faser 50 verläuft dann in ein Rohr 28, welches im Inneren hohl ist und in die Kammer 20 hineinreicht. Damit wird der überwiegende Teil der lichtleitenden Faser 50 von der Reinigungsflüssigkeit 12 abgeschirmt. An der in Fig. 1 rechts dargestellten Seite des Rohrs 28 ragt die lichtleitende Faser 50 über das Rohr 28 hinaus und tritt somit in die Kammer 20 außerhalb des Rohrs 28 ein. Das zweite Ende 52 befindet sich somit in der Reinigungsflüssigkeit 12. Ein austretender Laserstrahl, welcher von der Laservorrichtung 40 erzeugt und über die lichtleitende Faser 50 zu deren zweitem Ende 52 geleitet wird, tritt somit aus dem zweiten Ende 52 aus und in die Reinigungsflüssigkeit 12 ein. Dort ist es möglich, eine Einzelblase 14 zu erzeugen, welche in einem definierten Abstand zur Oberfläche 16 ist.
Die Kammer 20 bildet einen Kopf 11 , welcher unabhängig von weiteren Komponenten, insbesondere der Laservorrichtung 40 und der Pumpe 32, positioniert werden kann, zumindest innerhalb vorgegebener Grenzen. Hierzu sind die lichtleitende Faser 50 und die Zuführleitung 30 flexibel ausgeführt. Dies ermöglicht eine Bewegung des Kopfs 11 zum Anfahren unterschiedlicher Positionen, ohne die weiteren Komponenten verschieben zu müssen.
Bei der Laservorrichtung 40 handelt es sich vorliegend um einen modulierten Dauerstrichlaser. Dieser kann vorliegend Pulsweiten von einigen Hundert Mikrosekunden mit dazwischenliegenden Pausen von ebenfalls einigen Hundert Mikrosekunden erzeugen. Während ein jeweiliger Puls aktiv ist, wird eine Einzelblase 14 erzeugt, welche sich dann ablöst und aufgrund der Strömung der Reinigungsflüssigkeit 12 durch die Kammer 20 auf die Oberfläche 16 zubewegt wird. Die Kräfte, welche aufgrund der Strömung der Reinigungsflüssigkeit 12 auf die Einzelblase 14 wirken, sind erheblich größer als die Schwerkraft, welche die Einzelblase 14 vertikal nach oben bewegen würde. Die Reinigungsvorrichtung 10 kann somit in jeder beliebigen Orientierung verwendet werden und funktioniert unabhängig vom Einfluss der Schwerkraft.
Durch die Verwendung der lichtleitenden Faser 50 kann insbesondere eine freie Positionierbarkeit der Kammer 20 relativ zur Laservorrichtung 40 erreicht werden. Hierzu kann die lichtleitende Faser 50 zumindest teilweise oder auch ganz flexibel ausgeführt sein. Ein Reinigungsvorgang wird dadurch deutlich erleichtert, da die Laservorrichtung 40 stationär platziert werden kann und lediglich die Kammer 20 flexibel positioniert wird.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weist das zweite Ende 52 der lichtleitenden Faser 50 keine Wölbung auf. Es bildet vielmehr ein glattes Ende der lichtleitenden Faser 50, diese hat somit eine plane Endfläche in einer Ebene quer zur Längserstreckung der lichtleitenden Faser 50. Dadurch wird eine Fokussierung des austretenden Laserstrahls verhindert. Die Einzelblase 14 wird somit direkt benachbart zum zweiten Ende 52 erzeugt. Durch den Verzicht auf eine Fokussierung wird eine Beschädigung der Oberfläche 16 vermieden, welche ansonsten durch eine eventuelle Tunnelbildung innerhalb der Reinigungsflüssigkeit 12 möglich wäre. Bei einer solchen Tunnelbildung verdampft die Reinigungsflüssigkeit 12 entlang eines Tunnels, welcher somit dem Laserstrahl ermöglichen würde, ohne Absorption durch die Reinigungsflüssigkeit 12 bis zur Oberfläche 16 zu gelangen. Durch die dann auftretende hohe Energie an der Oberfläche 16 kann die Oberfläche 16 beschädigt werden. In Fig. 1 sind zwei Abstände eingezeichnet, nämlich ein Abstand s zwischen dem Auslass 24 und der Oberfläche 16, sowie ein Abstand d zwischen der Einzelblase 14 und der Oberfläche 16. Der Abstand d kann insbesondere vom Mittelpunkt der Einzelblase 14 aus gemessen werden. Vereinfachend kann dafür auch der Abstand des zweiten Endes 52 zur Oberfläche 16 verwendet werden. Der Abstand d liegt bevorzugt bei maximal etwa dem Dreifachen des Durchmessers der Einzelblase 14. Der Abstand s ist typischerweise etwas größer und liegt bei maximal etwa dem Fünffachen des Durchmessers der Einzelblase 14. Damit können geeignete Betriebsparameter eingestellt werden, welche sich für typische Anwendungsfälle als vorteilhaft herausgestellt haben.
Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus. Bezugszeichenliste
10 Reinigungsvorrichtung
11 Kopf
12 Reinigungsflüssigkeit
14 Einzelblase
15 Objekt
16 Oberfläche
17 Schmutzpartikel
20 Kammer
22 Einlass
24 Auslass
26 Strömungsgleichrichter
28 Rohr
30 Zuführleitung
32 Pumpe
34 Durchflusssensor
40 Laservorrichtung
42 Kopplungseinrichtung
44 Steuerungsvorrichtung
50 lichtleitende Faser
51 erstes Ende
52 zweites Ende d Abstand zwischen Einzelblase und Oberfläche s Abstand zwischen Auslass und Oberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Reinigungsvorrichtung (10) zur Reinigung einer Oberfläche (16) mittels laserinduzierter Einzelblasenkavitation, wobei die Reinigungsvorrichtung (10) folgendes aufweist: einen Einlass (22) für eine Reinigungsflüssigkeit (12), einen Auslass (24) für die Reinigungsflüssigkeit (12), eine Kammer (20), welche fluidisch zwischen Einlass (22) und Auslass (24) angeordnet ist, eine Laservorrichtung (40), welche zur Abgabe eines Laserstrahls ausgebildet ist, und eine lichtleitende Faser (50) mit einem ersten Ende (51 ) und einem zweiten Ende (52), wobei das erste Ende (51 ) mit der Laservorrichtung (40) zur Aufnahme des Laserstrahls gekoppelt ist und die lichtleitende Faser (50) zur Abgabe des Laserstrahls und zur laserinduzierten Erzeugung von Einzelblasen (14) in die Kammer (20) hineinreicht.
2. Reinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei die Laservorrichtung (40) als modulierbarer Dauerstrichlaser ausgebildet ist.
3. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ein Rohr (28) aufweist, wobei sich das Rohr (28) in die Kammer (20) hinein erstreckt, wobei die lichtleitende Faser (50) teilweise in dem Rohr (28) verläuft und an einem in der Kammer (20) liegenden Ende des Rohrs (28), oder an einem durch den Auslass (24) aus der Kammer (20) hervorstehenden Ende des Rohrs (28), aus dem Rohr (28) austritt.
4. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (20) Teil eines Kopfs (11 ) ist, welcher relativ zur Laservorrichtung (40) und/oder weiteren Komponenten der Reinigungsvorrichtung (10) zumindest begrenzt frei positionierbar ist.
5. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Steuerungsvorrichtung (44) aufweist, welche dazu konfiguriert ist, die Laservorrichtung (40) derart anzusteuern, dass der Laserstrahl nur in jeweiligen Abgabezeiträumen abgegeben wird, zwischen welchen sich Pausenzeiträume befinden.
6. Reinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die Abgabezeiträume mindestens 5 /zs oder mindestens 10 /zs lang sind, und/oder wobei die Abgabezeiträume höchstens 1 ms oder höchstens 5 ms lang sind, und/oder wobei die Pausenzeiträume mindestens 10 /zs oder mindestens 25 /zs lang sind, und/oder wobei die Pausenzeiträume mindestens 5 ms oder mindestens 10 ms lang sind.
7. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laservorrichtung (40) eine Wellenlänge von mindestens 1 ,5 /zm und/oder von höchstens 2,5 /zm emittiert, und/oder wobei eine Momentan-Leistungsdichte der Laservorrichtung (40) am zweiten Ende (52) der lichtleitenden Faser (50) mindestens 50 MW/m2 beträgt.
8. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Ende (52) der lichtleitenden Faser (50) flach ausgeführt ist, und/oder wobei die lichtleitende Faser (50) den Laserstrahl nicht fokussiert, und/oder wobei die lichtleitende Faser (50) zur kollimierten oder divergenten Abgabe des Laserstrahls ausgebildet ist.
9. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kammer (20) als Düse ausgebildet ist, welche sich in Strömungsrichtung vom Einlass (22) zum Auslass (24) verjüngt.
10. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine Pumpe (32) zum Zuführen von Reinigungsflüssigkeit (12) zum Einlass (22) aufweist.
11 . Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Auslass (24) als in einer Ebene liegende Öffnung ausgebildet ist, und/oder wobei der Auslass (24) als runde, ovale, ellipsenförmige oder eckige Öffnung ausgebildet ist.
12. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die lichtleitende Faser (50) als Glasfaser ausgebildet ist.
13. Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche (16) mittels laserinduzierter Einzelblasenkavitation, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Positionieren einer Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche derart, dass deren Auslass (24) auf die Oberfläche (16) gerichtet ist, Einleiten von Reinigungsflüssigkeit (12) in den Einlass (22), und
Aktivieren der Laservorrichtung (40), dabei Erzeugen einer oder mehrerer Einzelblasen (14) in der Reinigungsflüssigkeit (12) am zweiten Ende (52) der lichtleitenden Faser (50) mittels des Laserstrahls.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Radius der einen oder mehreren erzeugten Einzelblasen (14) mindestens 50 /zm oder mindestens 100/zm beträgt, und/oder wobei ein Radius der einen oder mehreren erzeugten Einzelblasen (14) höchstens 2.000 /zm oder höchstens 3.000 /zm beträgt, und/oder wobei ein Radius der einen oder mehreren erzeugten Einzelblasen (14) mindestens einem Radius der lichtleitenden Faser (50) entspricht, und/oder wobei ein Radius der einen oder mehreren erzeugten Einzelblasen (14) höchsten fünfmal oder zehnmal so groß ist wie ein Radius der lichtleitenden Faser (50).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das zweite Ende (52) der lichtleitenden Faser in einem Abstand zur Oberfläche (16) von höchstens dem Dreifachen oder dem Fünffachen des maximalen Durchmessers von erzeugten Einzelblasen (14) positioniert wird.
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