WO2000006511A1 - Verfahren zur grossflächigen präzisionsstrukturierung von oberflächen sprödbrüchiger werkstoffe und zugehörige vorrichtung - Google Patents

Verfahren zur grossflächigen präzisionsstrukturierung von oberflächen sprödbrüchiger werkstoffe und zugehörige vorrichtung Download PDF

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WO2000006511A1
WO2000006511A1 PCT/EP1999/004530 EP9904530W WO0006511A1 WO 2000006511 A1 WO2000006511 A1 WO 2000006511A1 EP 9904530 W EP9904530 W EP 9904530W WO 0006511 A1 WO0006511 A1 WO 0006511A1
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laser
structuring
structured
diaphragm
area
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PCT/EP1999/004530
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Inventor
Andreas Berndt
Original Assignee
Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025—Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam
    • 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
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/066—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms by using masks

Definitions

  • the invention relates to a method for large-area precision structuring of surfaces of brittle materials, in particular glass, by gradual, material removal.
  • the invention further relates to a method for performing this method.
  • brittle materials are used that have to be precisely structured over a large area.
  • glass bodies that are provided with such structures are used in the area of glasses with optical functions.
  • flat glasses with a large-area, high-precision channel-shaped microstructuring, so-called channel plates, are required in the production of flat screens of the new generation, which have become known under the names PDP (Plasma Display Panel) and PALC (Plasma Addressed Liquid Crystal).
  • PDP Plasma Display Panel
  • PALC Pasma Addressed Liquid Crystal
  • the width Z is 30 - 50 ⁇ m
  • the distance between the bars (pitch) is 200 - 500 ⁇ m.
  • the The height Y of these webs must be significantly larger than their width.
  • the web height is approx. 150 ⁇ m.
  • one or two electrodes are installed in each of these channels, between which a discharge is ignited. The positioning of the electrodes requires a dimensionally accurate structuring with very small tolerances ( ⁇ 10 ⁇ m).
  • Hot molding processes are known in which shaping tools are used, the surface of which is mechanically designed in accordance with the structure to be applied.
  • Grinding processes are basically suitable for the production of the structures; However, the grinding tools are subject to continuous wear, resulting in a time-decreasing shape and dimensional accuracy results. In addition, in the marginal areas of the volume of material to be removed, shells are produced which reduce the dimensional stability of the structures produced. Post-processing of the structures is also necessary to achieve a high surface quality. In addition, the same restrictions apply to the grinding tools to be used as to the tools for hot forming.
  • the prior art also includes methods for structuring glass surfaces by ablation using a laser beam.
  • CO 2 or excimer lasers are preferably used, since glass for the wavelength of these lasers has a particularly high degree of absorption.
  • the jet / material interaction is based on the heating of the glass up to the evaporation threshold, an expansion of the glass vapor and a melting (melting portion) of the workpiece in the edge areas of the interaction zone or by heat conduction.
  • Laser-assisted etching processes are known in two variants. With laser-assisted etching in gaseous media, the workpiece is placed in a vacuum vessel that is filled with an etching-selective medium. By applying this medium by means of laser radiation, the etching effect in spatially definable partial areas is additionally increased. Because of the low removal rates, this method is also unsuitable for the application described above.
  • Laser-assisted etching in liquid media is based on covering the workpiece with an etching solution, the etching effect of which is increased by approximately 2 orders of magnitude by local heating using a laser beam.
  • the required topographies can only be produced in a form-retaining manner to a very limited extent.
  • the removal rates that can be achieved with this method are too low to economically produce the structures described above.
  • the invention has for its object to operate the method described at the outset or to design the associated device in such a way that large-area substrates made of brittle-brittle materials can be precisely structured in a relatively simple and inexpensive manner while maintaining the processing quality.
  • the invention describes a method that enables structuring by inducing stresses by means of high-energy radiation and the resulting cracking and subsequent chip formation.
  • the principle of operation of the method is based on the defined heating of the workpiece surface in a temperature range in the order of magnitude of the softening temperature of the materials by an intensity distribution adapted to the process. In other words: up to a certain depth of the workpiece, a mechanical stress is locally induced according to the desired structure, which exceeds the breaking strength of the glass.
  • Part A shows the temperature distribution over the depth of the workpiece when heated by means of the laser beam
  • part B shows the temperature distribution over the depth of the workpiece during self-quenching after irradiation.
  • the schematically indicated temperature profile during the heating phase results in compressive stresses in the surface area, which are compensated for by tensile stresses in lower layers.
  • tensile stresses in lower layers When self-quenching cools down, the surface cools much faster than in the deeper layers. This results in very large tensile stresses in the layer near the surface. If these tensions exceed the tensile strength of the material, a chip will come off.
  • An intensification of this effect occurs when local temperatures are reached during heating, at which the glass is capable of plastic deformation, ie of the build-up of the residual compressive stresses. Particularly high tensile stresses are generated during the subsequent cooling.
  • chip formation therefore takes place exclusively on the basis of the temperature control and not due to a chemical reaction with the supplied process gas as in the case of the cited DE 42 000 58 C 1.
  • the intensity distribution preferably consists of two parallel line foci in connection with self-quenching in the ambient air following the irradiation or by heat conduction into the surrounding material volume according to an embodiment of the invention.
  • a focal spot consisting of two line focuses 6 on a substrate 4, which is fed in the direction of the arrow, is shown in FIG. 2 and is known in principle from DE 43 05 107 for laser beam cutting.
  • This document describes the separation of brittle bodies using the example of the separation of blow caps in the production of drinking glasses, whereas the method according to the invention is about structuring the surface of a brittle body. The two procedures therefore differ fundamentally with regard to the objectives of the processing.
  • a major advantage of this method compared to hot forming is that the "tool" "beam” is not subject to any wear, so that a consistently high processing quality can be achieved.
  • a component that has been structured using this method has extremely low roughness on the machined surface and thus high transparency.
  • a further advantage of the method lies in the removal of the structuring volume in the form of band chips or flat helix chips, as a result of which contamination or surface damage to the component is avoided by subsequent processing steps.
  • the notches produced with this process have a width that can be freely adjusted between a few 100 ⁇ m and several millimeters.
  • the depth of the notches is between a few micrometers and well over a millimeter.
  • the laser powers set are typically under 50 watts, the feed speeds in the order of up to a few tens of meters per minute.
  • the electromagnetic beam is a laser beam, preferably a CO or CO 2 laser.
  • This CO 2 laser emits light in the far infrared range at a wavelength of 10.6 ⁇ m.
  • This heat radiation shows considerable peculiarities in the effect on matter. It is strongly absorbed by most materials that are transparent in visible light.
  • the strong absorption in glass is used here to heat the glass. With an absorption coefficient of 10 3 cm “1 , 95% of the power is absorbed in a 30 ⁇ m thick layer.
  • the CO 2 laser is suitable for the final fusion and rounding of the sharp-edged notch.
  • a wavelength-tunable laser is preferably used.
  • the wavelength at which this exhibits the strongest absorption can thus be set for each material, so that the energy losses are minimized.
  • the absorption in the glass is very much dependent on the wavelength of the laser, since the radiation used lies on the shoulder of a vibration band of the oxidic bond.
  • CO 2 lasers that can change the emitted wavelength from 9.4 to 11.8 ⁇ m with the help of an interference grating.
  • the absorption spectrum is also very sensitive to the chemical composition of the glass. A higher or lower absorption edge becomes different depending on the thermal and mechanical properties of the glass mixture Get results when blasting off. Therefore, the wavelength should be optimized for the type of glass.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of an optical arrangement for generating a beam intensity distribution according to FIG. 2 using the example of a laser beam 1 which comes from a laser, not shown, preferably a CO 2 laser.
  • a diaphragm 2 is introduced in the center of the laser beam path, two typical embodiments of which are shown in the two partial views A and B of FIG. 5.
  • a deflection mirror 3 which deflects the laser beam onto a workpiece 4 made of brittle material, for example glass, which is moved in the direction of the arrow at a certain feed rate.
  • a focusing unit 5 is located between the deflecting mirror 3 and the workpiece 4. This focusing unit can be a lens or a mirror, which can be cylindrical.
  • optical elements generate a focal spot 6 on the workpiece 4 with a double-focus intensity distribution in the laser beam, which is largely determined by the aperture 2.
  • the structure of the optical arrangement described and the mode of operation are known in principle, with the exception of the specially designed diaphragm 2, so that the function need not be described in more detail at this point.
  • the construction of the diaphragm 2 in FIG. 1 is carried out in the simplest case according to FIG. 5, part A by a wire or also a tube 2 a with the diameter D. This results in an inner rotationally symmetrical shading of the laser beam 1 corresponding to the dimension D, which under the action of the focusing unit 5 leads to a focusing geometry, a double focus, corresponding to FIG. 6, part A, which is shown schematically in FIG. 2.
  • the aperture 2 a therefore produces a constriction of the intensity distribution in connection with the focusing unit 5, which produces the described double focus 6 on the workpiece 4 with two laser beam peaks 6 a and 6 b arranged next to one another.
  • the black-bordered zones represent zones of decreasing intensity.
  • a strip-shaped diaphragm 2 b according to FIG. 5 B that can be rotated perpendicular to the beam direction can also be used.
  • the aperture 2 b By turning the aperture 2 b, its effective width can be adjusted continuously. This results in a variation in the distance between the two intensity sections and a change in the laser power at the site of action.
  • the exact lateral adjustment of the diaphragms 2 a and 2 b to the laser beam center is carried out by shifting them. The aperture is shifted in such a way that the power of the transmitted radiation reaches a minimum value.
  • cover material made of a metal (e.g. copper, aluminum or steel) prevents wear on the cover and at the same time prevents thermal distortion due to good heat dissipation.
  • a metal e.g. copper, aluminum or steel
  • the intensity distribution generated can be done in this way modify that instead of the pronounced double focus according to FIG. 6 A, two elongated parallel line foci 6 ′ a, b corresponding to the focal spot geometry 6 ′ according to FIG. 6 B arise, which approach the idealized focal spot shape according to FIG. 2 more closely.
  • the width of the intensity distribution generated is preferably between 0.5 and 5 mm.
  • the length of the site of action on the workpiece surface can be up to 40 mm.
  • the geometry of the notches produced can be varied within wide limits by setting the laser power, the feed rate and the laser intensity distribution, or can be maintained with small tolerances after the construction of a controller system.
  • the structured workpieces are characterized by a high mechanical strength.
  • the method described can be used for all brittle materials that can be broken by thermal stress (e.g. ceramics, stones, glass, crystals).
  • the wavelength of the radiation source must be adapted to the absorption properties of the materials.

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Abstract

Bei bestimmten technischen Anwendungen, z.B. bei optischen Gläsern oder Kanalplatten für Flachbildschirme, kommen sprödbrüchige Werkstoffe, z.B. Glas, zur Anwendung, die mit einer grossflächigen Präzisionsstrukturierung versehen werden müssen. Um insbesondere die Nachteile von Verfahren der Heissformgebung zu vermeiden, sieht die Erfindung ein spanablösendes Abtragen der Strukturen durch vorzugsweise einen Laserstrahl mit einem bestimmten Intensitätsprofil ohne Fremdgas-Zufuhr vor.

Description

Verfahren zur großflächigen Präzisionsstrukturierung von Oberflächen sprödbrüchiger Werkstoffe und zugehörige Vorrichtung
Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur großflächigen Präzisionsstrukturierung von Oberflächen sprödbrüchiger Werkstoffe, insbesondere von Glas, durch schrittweisen, spanabhebenden Materialabtrag.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei bestimmten technischen Anwendungen kommen sprödbrüchige Werkstoffe zum Einsatz, die großflächig eine präzise Strukturierung aufweisen müssen. So werden z.B. Glaskörper, die mit derartigen Strukturen versehen sind, im Bereich der Gläser mit optischen Funktionen eingesetzt. Des weiteren werden Flachgläser mit einer großflächigen hochpräzisen kanalförmigen Mikrostrukturierung, sogenannte Kanalplatten, bei der Herstellung von Flachbildschirmen der neuen Generation benötigt, die unter der Bezeichnung PDP (Plasma Display Panel) und PALC (Plasma Adressed Liqid Crystal) bekannt geworden sind. In diese Kanalplatten werden, wie die Fig. 1 der Zeichnung zeigt, Mikrokanalstrukturen für die Ansteuerung einzelner Zeilen oder Spalten eingebracht, in denen über eine elektrische Entladung ein Plasma gezündet wird. Die Begrenzung der Kanäle, auch Kerben genannt, erfolgt über Stege S, deren Breite Z möglichst gering ist. Die Breite Z liegt, je nach Bildschirmabmessung, bei 30 - 50 μm, der Abstand der Stege (Pitch) bei 200 - 500 μm. Zur Erzielung eines ausreichenden Entladungsvolumens muß die Höhe Y dieser Stege deutlich größer als deren Breite sein. Die Steghöhe liegt bei ca. 150 μm. In jedem dieser so ausgebildeten Kanäle werden je nach Verfahren ein bis zwei Elektroden angebracht, zwischen denen eine Entladung gezündet wird. Die Positionierung der Elektroden erfordert eine maßhaltige Strukturierung mit sehr kleinen Toleranzen (± 10 μm).
Um derartige Präzisionsstrukturen auf dem Glas aufzubringen, sind verschiedene Verfahren zum Einsatz gekommen.
Es sind Heiß formgebungsverfahren bekannt, bei denen Formgebungswerkzeuge zum Einsatz kommen, deren Oberfläche entsprechend der aufzubringenden Struktur mechanisch ausgebildet ist.
Konventionelle Heiß formgebungsverfahren erfordern jedoch eine sehr präzise Temperatur kontrolle der Formgebungswerkzeuge. Die Verwendung von Walzen oder Pressen wird durch diese Anforderungen stark eingeschränkt. Weiterhin erfordert die Herstellung von Kerbenbreiten im Bereich von wenigen 100 μm den Einsatz von entsprechend strukturierten Werkzeugen, die nur mit beträchtlichem Kostenaufwand hergestellt werden können bzw. deren Festigkeit nicht ausreichend ist.
Es ist auch bekannt, die Stege der in der Zeichnung dargestellten Kanalplatte nach druckähnlichen Verfahren auf eine flache Glasplatte aufzubringen, was entsprechend fein strukturierte Druckwerkzeuge bedingt.
Es ist ferner bekannt, die Kanäle in den Kanalplatten unter Ausbildung der Stege durch einen Schleifprozeß auszubilden.
Schleifverfahren sind für die Herstellung der Strukturen zwar grundsätzlich geeignet; die Schleifwerkzeuge unterliegen jedoch einem kontinuierlichen Verschleiß, aus dem eine zeitlich abnehmende Form- und Maßhaltigkeit resultiert. Zudem werden in den Randbereichen des zu entfernenden Werkstoffvolumens Ausmuschelungen erzeugt, die die Formhaltigkeit der erzeugten Strukturen vermindern. Weiterhin ist eine Nachbearbeitung der Strukturen zur Erzielung einer hohen Oberflächenqualität erforderlich. Darüber hinaus gelten für die zu verwendenden Schleifwerkzeuge die gleichen Einschränkungen wie für die Werkzeuge zur Heißformgebung.
Zum Stand der Technik gehören auch Verfahren zur Strukturierung von Glasflächen durch Abtrag mittels eines Laserstrahles. Dabei ist zwischen einem thermischen Abtragen mittels CO2- oder Excimerlaser und einem laserunterstützten Ätzprozeß zu unterscheiden.
Beim thermischen Abtragen mittels Laserstrahl werden vorzugsweise CO2- oder Excimerlaser eingesetzt, da Glas für die Wellenlänge dieser Laser einen besonders hohen Absorptionsgrad aufweist. Die Strahl/Stoff- Wechselwirkung beruht auf dem Aufheizen des Glases bis zur Verdampfungsschwelle, einer Expansion des Glasdampfes und einer Aufschmelzung (Schmelzanteil) des Werkstückes in Randbereichen der Wechselwirkungszone oder durch Wärmeleitung. Insbesondere durch die Verwendung von Excimer-Lasern mit einer sehr kurzen Wellenlänge (λ = 193 nm) lassen sich riß freie und kantenscharfe Abtraggeometrien erzeugen. Aufgrund der geringen Abtragrate können diese Laser aus wirtschaftlichen Gründen jedoch nicht für die oben beschriebene Anwendung eingesetzt werden.
Durch die Verwendung eines CO2-Lasers lassen sich zwar grundsätzlich höhere Abtragraten erzielen. Wegen der geringen Absorptionslänge werden jedoch starke Temperaturgradienten erzeugt, die zu einer unerwünschten Beschädigung des Werkstückes führen können. Der Einsatz von CO2-Lasern erfordert daher eine thermische Vor- bzw. Nachbearbeitung der Bauteile. Aufgrund der rein thermischen Wechselwirkung entsteht eine Oberflächenqualität, die keinesfalls den Anforderungen optischer Bauteile genügt. Für die großflächige Strukturierung von optischen Bauteilen ist daher das Schmelz- bzw. Sublimationsabtragen mittels CO2- oder Excimerlaser ungeeignet.
Eine weitere Strahl/Stoff- Wechselwirkung beschreibt die DE 42 00 656 C 1, bei dem auf den heißen Brennfleck, der einen schmelzflüssigen Bereich in dem Glas erzeugt, ein Reaktionsgas geleitet wird, das einen bogenförmigen, sich vom Grund ablösenden Span erzeugt. Dieses bekannte Verfahren erfordert daher die Zufuhr eines Reaktionsgases für die Durchführung der Reaktion in dem in der Brennfleckebene aufgeschmolzenen Werkstoffvolumen. Die Anwendungsbereiche liegen in der Strukturierung von reaktionsfähigen Werkstoffen, wobei durch das Verfahren im Oberflächenbereich durch Sauerstofizufuhr eine Oxidschicht erzeugt wird. Da Glas sich äußerst reaktionsträge bzw. chemisch inert verhält, kann mit diesem Verfahren keine Strukturierung durchgeführt werden.
Lasergestützte Ätzprozesse sind in zwei Varianten bekannt. Beim laserunterstützten Ätzen in gasförmigen Medien wird das Werkstück in ein Vakuumgefäß eingebracht, das mit einem ätzselektiven Medium gefüllt wird. Durch die Beaufschlagung dieses Mediums mittels Laserstrahlung wird die Ätzwirkung in räumlich definierbaren Teilbereichen zusätzlich gesteigert. Aufgrund der geringen Abtragraten ist dieses Verfahren ebenfalls für die oben beschriebene Anwendung nicht geeignet.
Das laserunterstützte Ätzen in flüssigen Medien basiert auf der Bedeckung des Werkstückes mit einer Ätzlösung, deren Ätzwirkung durch die lokale Aufheizung mittels Laserstrahl um ca. 2 Größenordnungen erhöht wird. Da jedoch durch Wärmeleitung des Ätzmediums auch an die Wechselwirkungszone angrenzende Bereiche aufgeheizt werden, ist eine formhaltige Herstellung der geforderten Topographien nur stark eingeschränkt möglich. Weiterhin sind bei diesem Verfahren die erzielbaren Abtragraten zu gering, um die oben beschriebenen Strukturen wirtschaftlich herzustellen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete Verfahren so zu fuhren bzw. die zugehörige Vorrichtung so auszubilden, daß auf relativ einfache und kostengünstige Weise bei gleichbleibender Bearbeitungsqualität großflächige Substrate aus sprödbrüchigen Werkstoffen präzise strukturiert werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt für das Verfahren mit den Schritten:
Erzeugen eines hochenergetischen elektromagnetischen Strahlenbündels, Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Strahlenbündel und Werkstoff,
Ausbilden eines derartigen Intensitätsprofils des Strahlenbündels unter Führen sowie Ausrichten dieses Strahlenbündels auf die Werkstoffoberfläche entlang der vorgesehenen Struktur, daß ein definierter Werkstoffbereich aufgeheizt und ohne die Zufuhr von Gas thermisch Spannungen induziert werden, die zur Bildung von Rissen im Oberflächenbereich und damit zur Ablösung von geometrisch definierten Spänen aus der Werkstückoberfläche unter Ausbildung von Kerben in dem Werkstoff fuhren.
Hinsichtlich der Vorrichtung gelingt die Lösung der Aufgabe mit:
einer Strahlquelle zur Erzeugung eines hochenergetischen elektromagnetischen Strahles, optischen Mitteln zum Führen dieses Strahles fokussiert auf den zu strukturierenden Bereich des Bauteils, und einer im Strahl angeordneten Blendenanordnung zur Vorgabe einer bestimmten Intensitätsverteilung im Strahl durch mindestens eine rotationssymmetrische innere Abschattung des Strahles. Die Erfindung beschreibt eine Methode, die eine Strukturierung über die Induzierung von Spannungen mittels energiereicher Strahlung und der daraus resultierenden Riß- und anschließenden Spanbildung ermöglicht. Das Wirkprinzip der Methode beruht auf der definierten Aufheizung der Werkstückoberfläche in einen Temperaturbereich in der Größenordnung der Erweichungstemperatur der Werkstoffe durch eine an den Prozeß angepaßte Intensitätsverteilung. Mit anderen Worten: Es wird bis zu einer bestimmten Tiefe des Werkstückes örtlich entsprechend der gewünschten Struktur eine mechanische Spannung thermisch induziert, die die Bruchfestigkeit des Glases überschreitet.
In der Fig. 3 ist der Tiefenverlauf der Temperatur schematisch dargestellt. Der Figurenteil A zeigt dabei die Temperaturverteilung über die Werkstücktiefe beim Aufheizen mittels des Laserstrahles, während der Figurenteil B die Temperaturverteilung über die Werkstücktiefe bei der Selbstabschreckung nach dem Bestrahlen zeigt.
Aus dem schematisch angedeutete Temperaturverlauf während der Aufheizphase resultieren Druckspannungen im Oberflächenbereich, die durch Zugspannungen in tieferliegenden Schichten kompensiert werden. Bei der Abkühlung durch Selbstabschreckung findet an der Oberfläche eine deutlich schnellere Abkühlung statt, als in den tiefer gelegenen Schichten. Hieraus entstehen sehr große Zugspannungen in der oberflächennahen Schicht. Wenn diese Spannungen die Zugfestigkeit des Werkstoffes überschreiten, kommt es zur Ablösung eines Spanes. Eine Verstärkung dieses Effektes tritt dann auf, wenn beim Aufheizen lokal Temperaturen erreicht werden, bei denen das Glas zur plastischen Verformung, d.h. zum Aufbau der Druckeigenspannungen, fähig ist. Bei der dann anschließenden Abkühlung werden besonders hohe Zugspannungen erzeugt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt daher die Spanbildung ausschließlich aufgrund der Temperaturführung und nicht aufgrund einer chemischen Reaktion mit dem zugeführten Prozeßgas wie im Fall der zitierten DE 42 000 58 C 1.
Vorzugsweise besteht die Intensitätsverteilung gemäß einer Weiterbildung der Erfindung aus zwei parallelen Linienfokussen in Verbindung mit einer an die Bestrahlung anschließenden Selbstabschreckung an der Umgebungsluft bzw. durch Wärmeleitung in das umgebende Werkstoffvolumen gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Ein solcher Brennfleck aus zwei Linienfokussen 6 auf einem Substrat 4, das in Pfeilrichtung einen Vorschub erfährt, ist in Fig. 2 dargestellt und prinzipiell aus der DE 43 05 107 für das Laserstrahlschneiden bekannt. Diese Schrift beschreibt das Trennen von spröden Körpern am Beispiel des Abtrennens von Blaskappen bei der Herstellung von Trinkgläsern, wogegen es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um die Strukturierung der Oberfläche eines spröden Körpers geht. Die beiden Verfahren unterscheiden sich daher grundsätzlich hinsichtlich der Ziele der Bearbeitung.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens gegenüber der Heißformgebung ist, daß das "Werkzeug" "Strahlenbündel" keinerlei Verschleiß unterliegt, so daß eine gleichbleibend hohe Bearbeitungsqualität erzielt werden kann. Darüber hinaus weist ein Bauteil, welches mit diesem Verfahren strukturiert wurde, eine extrem geringe Rauheit der bearbeiteten Oberfläche und somit eine hohe Transparenz auf. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der Entfernung des Strukturierungsvolumens in Form von Bandspänen oder Flachwendelspänen, wodurch eine Verunreinigung oder eine Oberflächenschädigung des Bauteiles durch anschließende Bearbeitungsschritte vermieden wird.
Die mit diesem Verfahren hergestellten Kerben haben eine Breite, die zwischen wenigen 100 μm und mehreren Millimetern frei eingestellt werden kann. Die erzeugte Tiefe der Kerben liegt hierbei zwischen wenigen Mikrometern und deutlich über einem Millimeter. Die eingestellten Laserleistungen liegen typischerweise unter 50 Watt, die Vörschubgeschwindigkeiten in der Größenordnung von bis zu einigen zehn Metern pro Minute.
Die vorgenannten Vorteile werden besonders ausgeprägt erzielt, wenn das elektromagnetische Strahlenbündel ein Laserstrahl, vorzugsweise eines CO oder CO2-Lasers, ist. Dieser CO2-Laser emittiert Licht im fernen infraroten Bereich bei einer Wellenlänge von 10,6 μm. Diese Wärmestrahlung zeigt erhebliche Besonderheiten bei der Wirkung auf Materie. So wird sie von den meisten, im sichtbaren Licht transparenten Materialien stark absorbiert.
Der Umstand der starken Absorption in Glas wird hier verwendet, um das Glas zu erhitzen. Bei einem Absorptionskoeffizienten von 103 cm"1 wird 95 % der Leistung in einer 30 μm dicken Schicht absorbiert.
Darüber hinaus eignet sich der CO2-Laser, wie auch jeder andere Laser, der vom Material genügend stark absorbiert wird, zum abschließenden Verschmelzen und Verrunden der scharfkantig gebrochenen Kerbe.
Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionsbanden der einzelnen Materialien wird vorzugsweise ein in der Wellenlänge abstimmbarer Laser eingesetzt. So kann für jedes Material die Wellenlänge eingestellt werden, bei der dieses die stärkste Absorption zeigt, so daß die Energieverluste minimiert werden.
Z.B. ist die Absorption im Glas sehr stark von der Wellenlänge des Lasers abhängig, da die verwendete Strahlung an der Schulter einer Vibrationsbande der oxidischen Bindung liegt. Es gibt spezielle CO2-Laser, die mit Hilfe eines Interferenzgitters die emittierte Wellenlänge von 9,4 bis 11,8 μm verändern können. Das Absorptionsspektrum hängt auch sehr empfindlich von der chemischen Zusammensetzung des Glases ab. Eine höhere oder niedrigere Absorptionskante wird abhängig von den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Glasmischung zu unterschiedlichen Ergebnissen beim Absprengen führen. Deshalb sollte die Wellenlänge auf die Glassorte optimiert werden.
Im Gegensatz zu anderen Laserstrahl verfahren, die auf der Zufuhr eines Gases beruhen, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Gas zugeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer deutlich vereinfachten Vorrichtung durchgeführt und bedingt daher weniger Justageaufwand und reduzierte Betriebsmittelkosten. Ein Ausführungsbeispiel für diese Vorrichtung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt mit dabei erzeugten Brennfleckgeometrien nach Fig. 6
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine optische Anordnung zur Erzeugung einer Strahl-Intensitätsverteilung gemäß Fig. 2 am Beispiel eines Laserstrahles 1 , der aus einem nicht dargestellten Laser, vorzugsweise einem CO2-Laser, kommt. Im Laserstrahlengang ist mittig eine Blende 2 eingebracht, von der zwei typische Ausführungsformen in den beiden Teilansichten A und B der Fig. 5 dargestellt sind. Im Strahlengang befindet sich weiterhin ein Umlenkspiegel 3, der den Laserstrahl auf ein Werkstück 4 aus sprödbrüchigem Material, z.B. Glas, umlenkt, das mit einer bestimmten Vorschubgeschwindigkeit in Pfeilrichtung bewegt wird. Zwischen dem Umlenkspiegel 3 und dem Werkstück 4 befindet sich eine Fokussiereinheit 5. Diese Fokussiereinheit kann eine Linse oder ein Spiegel sein, die zylindrisch ausgebildet sein kann.
Diese optischen Elemente erzeugen auf dem Werkstück 4 einen Brennfleck 6 mit einer Doppelfokus-Intensitätsverteilung im Laserstrahl, die maßgebend durch die Blende 2 bestimmt wird.
Der Aufbau der beschriebenen optischen Anordnung und die Wirkungsweise ist grundsätzlich bekannt, mit Ausnahme der speziell ausgebildeten Blende 2, so daß an dieser Stelle die Funktion nicht näher beschrieben werden muß. Der Aufbau der Blende 2 in Fig. 1 erfolgt im einfachsten Fall gemäß Fig. 5, Teil A durch einen Draht oder auch ein Rohr 2 a mit dem Durchmesser D. Dadurch tritt eine innere rotationssymmetrische Abschattung des Laserstrahles 1 entsprechend dem Maß D ein, was unter Einwirkung der Fokussiereinheit 5 zu einer Fokussiergeometrie, einem Doppelfokus, entsprechend Fig. 6, Teil A führt, der in Fig. 2 schematisiert dargestellt ist. Die Blende 2 a erzeugt daher in Verbindung mit der Fokussiereinheit 5 eine Einschnürung der Intensiätsverteilung, was auf dem Werkstück 4 den beschriebenen Doppelfokus 6 mit zwei nebeneinander angeordneten Laserstrahl-Peaks 6 a und 6 b erzeugt. Die schwarzumrandeten Zonen stellen dabei Zonen abnehmender Intensität dar.
Anstelle des Drahtes bzw. Rohres 2 a in Fig. 5 A kann auch eine senkrecht zur Strahlrichtung drehbare streifenförmige Blende 2 b gemäß Fig. 5 B verwendet werden. Ein Verstellwinkel Δφ aus der Strahlmitte heraus bewirkt dabei eine Abschattung Δx, was ebenfalls, wie anhand der Blende nach Fig. 5 A bereits beschrieben, zu dem Doppelfokus nach Fig. 6 A führt.
Durch die Drehung der Blende 2 b läßt sich deren effektive Breite stufenlos einstellen. Hieraus ergibt sich eine Variation des Abstandes der beiden Intensitätsabschnitte und eine Änderung der Laserleistung am Wirkort. Die exakte laterale Justage der Blenden 2 a und 2 b zur Laserstrahlmitte erfolgt durch deren Verschiebung. Die Blende wird hierbei derart verschoben, daß die Leistung der transmittierten Strahlung einen Minimal wert erreicht.
Durch die Verwendung eines Blendenmateriales aus einem Metall (z.B. Kupfer, Aluminium oder Stahl) wird ein Verschleiß der Blende verhindert und gleichzeitig durch eine gute Wärmeableitung ein thermisch bedingter Verzug vermieden.
Durch die Variation des Einfallswinkels des modifizierten Laserstrahles 1 auf das Werkstück 4 läßt sich die erzeugte Intensiätsverteilung dahingehend modifizieren, daß anstelle des ausgeprägten Doppelfokus nach Fig. 6 A zwei längliche parallele Linienfokusse 6' a, b entsprechend der Brennfleckgeometrie 6' nach Fig. 6 B entstehen, die sich stärker in die idealisierte Brennfleckform nach Fig. 2 annähern.
Die Breite der erzeugten Intensitätsverteilung liegt vorzugsweise zwischen 0,5 bis 5 mm. Die Länge des Wirkortes auf der Werkstückoberfläche kann bis zu 40 mm betragen.
Die Geometrie der erzeugten Kerben kann durch die Einstellung der Laserleistung, der Vörschubgeschwindigkeit und der Laserintensitätsverteilung in weiten Grenzen variiert bzw. nach Aufbau eines Reglersystemes mit geringen Toleranzen eingehalten werden.
Da bei der Strukturierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weder Mikrorisse noch Ausmuschelungen erzeugt werden, zeichnen sich die strukturierten Werkstücke durch eine hohe mechanische Festigkeit aus.
Das beschriebene Verfahren läßt sich für alle spröden Materialien verwenden, die sich durch thermische Spannung brechen lassen (z.B. Keramik, Steine, Glas, Kristalle). Die Strahlungsquelle muß dabei in der Wellenlänge den Absorptionseigenschaften der Materialien angepaßt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Präzisionsstrukturierung von Oberflächen sprödbrüchiger Werkstoffe durch schrittweisen, spanabhebenden Materialabtrag, mit den Schritten:
Erzeugen eines hochenergetischen elektromagnetischen
Strahlenbündels,
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen Strahlenbündel und
Werkstoff,
Ausbilden eines derartigen Intensitätsprofils des Strahlenbündels unter Führen sowie Ausrichten dieses Strahlenbündels auf die
Werkstoffoberfläche entlang der vorgesehenen Struktur, daß ein definierter Werkstoffbereich definiert aufgeheizt und ohne die
Zufuhr von Gas thermisch Spannungen induziert werden, die zur
Bildung von Rissen im Oberflächenbereich und damit zur
Ablösung von geometrisch definierten Spänen aus der
Werkstückoberfläche unter Ausbildung von Kerben in dem
Werkstoff führen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Strahlenbündel ein Laserstrahl, vorzugsweise eines CO oder CO2-Lasers ist, dessen Wellenlänge dem spektralen Absorptionsmaximum des zu strukturierenden Werkstoffes entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Bestrahlung eine Selbstabschreckung an der Umgebungsluft und durch Wärmeleitung in das den aufgeheizten Bereich umgebende Werkstoffvolumen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie der erzeugten Kerben durch Variation von Laserleistung, Intensitätsverteilung und Geschwindigkeit der Relativbewegung eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitätsprofil des Strahlenbündels so ausgebildet ist, daß auf dem Werkstoff ein Brennfleck, bestehend aus zwei parallelen Linienfokussen, entsteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Strukturierung einer Kanalplatte für Flachbildschirme.
7. Vorrichtung zur Präzisionsstrukturierung von Oberflächen von Bauteilen (4) aus sprödbrüchigen Werkstoffen durch schrittweisen, spanabhebenden Materialabtrag mit:
einer Strahlquelle zur Erzeugung eines hochenergetischen elektromagnetischen Strahles (1), optischen Mitteln (3,5) zum Führen dieses Strahles fokussiert auf den zu strukturierenden Bereich des Bauteils, und einer im Strahl (1) angeordneten Blendenanordnung (2, 2 a, 2b) zur Vorgabe einer bestimmten Intensitätsverteilung im Strahl (1) durch mindestens eine rotationssymmetrische innere Abschattung des Strahles (1).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle ein Laser ist, vorzugsweise ein CO2-Laser, dessen Wellenlänge auf das spektrale Absorptionsmaximum des zu bearbeitenden Bauteils abgestimmt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung aus einem Draht oder Rohr (20) besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung aus einer streifenförmigen Blende (2 b) besteht, die drehbar quer im Strahlengang angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Blendenanordnungen nebeneinander im Strahl angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlführenden optischen Mittel (3,5) so angeordnet sind, daß der Strahl (1) schräg auf das zu strukturierende Bauteil (4) auftrifft.
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