WO2013010713A1 - Laser head - Google Patents

Laser head Download PDF

Info

Publication number
WO2013010713A1
WO2013010713A1 PCT/EP2012/060535 EP2012060535W WO2013010713A1 WO 2013010713 A1 WO2013010713 A1 WO 2013010713A1 EP 2012060535 W EP2012060535 W EP 2012060535W WO 2013010713 A1 WO2013010713 A1 WO 2013010713A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
nozzle
laser beam
workpiece
workpiece surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/060535
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Armin TRAEGER
Paul PHILIPP
Andreas LOESEL
Daniel Kray
Sven Kleinschmidt
Original Assignee
Rena Gmbh
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 Rena Gmbh filed Critical Rena Gmbh
Publication of WO2013010713A1 publication Critical patent/WO2013010713A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046Automatically focusing the laser beam
    • B23K26/048Automatically focusing the laser beam by controlling the distance between laser head and workpiece
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working 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
    • B23K26/146Working 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

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for the laser and liquid-based processing of materials.
  • the invention relates to a method and apparatus in which the laser beam is directed to the workpiece within a fluid jet and to an apparatus and method for protecting the fluid jet.
  • the processing of materials by means of laser radiation has long been state of the art in many areas of material processing.
  • the energy needed to process the material is provided by a high energy, focused and coherent light radiation of a particular wavelength on the workpiece, where it causes a strong superficial heating.
  • the heat treatment may consist of a surface modification or a melt of material to be ablated.
  • liquid-based liquid-based.
  • the liquid can only serve to cool the immediate environment of the site of action.
  • the laser can only heat up supportive, whereas the actual process takes place due to a heat-induced chemical reaction.
  • the heat energy can then lead to a localized chemical reaction of the material with a treatment liquid, for example in the context of laser-assisted chemical treatment (LCP, Laser Chemical Processing).
  • Another object of the liquid may be to guide the laser beam, similar to an optical fiber. From the prior art, various devices for Processing of materials by means of a liquid-guided laser beam known.
  • the guiding of a focused laser beam through a liquid jet is shown for example in document EP 0 762 947 B1.
  • the liquid serves as a medium for guiding the laser beam, which allows the processing of a workpiece due to its high energy.
  • the liquid jet must be laminar according to the teaching of this document in order to obtain a good treatment result. Otherwise, the laser beam to disturbances of the outer shell, where locally and temporarily no total reflection occurs, leave the same radially.
  • the pressure and thus the flow velocity of the jet is set high. Due to the high speed, however, the beam sucks perturbations such as e.g. at the outlet forming droplets or particles, downright. This in turn has a negative effect on the uniformity of the outer shell.
  • the document DE 10 2006 003606 and the document DE 10 2006 003607 which is based on the same applicant, disclose a device suitable for chemical treatment and a method in which a laser beam is guided by means of a laminar flowing liquid jet.
  • the laser is coupled through a window into the liquid.
  • the liquid includes a process medium, for example an etching liquid or a dopant dissolved in liquid. Due to the total reflection, the laser beam does not leave the liquid jet and heats it up at the site of action, that is to say the surface of the substrate, so that the desired chemical reaction can either take place at all or accelerate at any rate.
  • This solution also has the disadvantage that the liquid jet is "free", ie laterally adjacent to the ambient air.
  • Droplets that form when the liquid exits the nozzle can affect its shape when recombined with the jet. Inhomogeneities in the beam, as can be caused by particles or concentration fluctuations of the etching medium, also have an unfavorable effect on the beam shape. This results in energy losses due to an early exit of the laser light from the liquid jet, so that at the site of action only insufficient energy for the process is available for a short time.
  • the European publication EP 1 657 020 proposes the additional use of an "admission gas" which surrounds the liquid flow on the shell side and thus protects it against environmental influences.
  • the gas accompanies the liquid jet on a dependent of the gas pressure route.
  • a protective gas such as helium is used as the gas.
  • Investigations have shown, however, that the surrounding of the liquid jet with a gas jacket solves the above-described problems only inadequately.
  • the pressure in the gas supply must not be too high, otherwise the gas flow disturbs the liquid jet. A lower pressure leads to a short reach of the gas mantle, which is thus limited in both directions.
  • the object of the present invention is therefore to avoid the problems known from the prior art.
  • the invention is intended to ensure that a liquid jet which encloses a laser beam is insensitive to external disturbances, such as, for example, droplet formation when leaving the liquid from the nozzle or against particles of ambient air entering the surface of the liquid jet.
  • High costs due to the use of a protective gas should be avoided.
  • the flow velocity of the liquid jet should be largely independent of its beam quality.
  • the size of the site of action on the surface of the workpiece should be as independent as possible of the size, in particular the cross section, of the liquid jet.
  • the method according to the invention serves for the laser-based and liquid-based heat treatment of a workpiece with a tool head which is arranged at a machining distance from the workpiece surface. For this it includes the following steps:
  • the irradiation of the laser beam preferably takes place through a transparent separating layer which separates the dry area from the wet area.
  • the axis of the laser beam runs parallel, and particularly preferably collinear with the axis of the liquid ⁇ beam and with the longitudinal axis of the nozzle.
  • the machining distance is further adjusted such that a machining gap is formed between the nozzle end face and the workpiece surface, which is filled with a liquid film at least in the area of the at least one laser beam, so that the liquid jet is surrounded and protected on its remaining portion by this liquid film is, wherein the machining distance (3) on the pressure of the liquid (F) is regulated.
  • the gap is completely filled with a liquid film. In other words, there is no free jet of liquid between the nozzle end face and the surface of the workpiece, but the liquid jet is completely guided to and surrounded by the nozzle until immediately before the site of action.
  • the liquid film according to the invention typically has an extension in the beam direction that is significantly smaller than perpendicular to the beam direction.
  • a "free jet" has a On the outer surface, which is more or less precisely defined, whereas the film has no clearly defined lateral surface.
  • the invention thus also relates to a method for protecting a liquid jet from environmental influences in the context of the laser and liquid-based treatment of the workpiece surface of a workpiece with at least one focused laser beam.
  • This is passed through a nozzle of a tool head as described above in the direction of the workpiece surface through the liquid jet.
  • the term “directed” must be delimited from the term “led”.
  • the laser beam uses the walls of the liquid jet, where it is reflected by total reflection.
  • the laser beam passes through the liquid column of the liquid jet, without its walls to interact. Accordingly, the quality of the walls, unlike in the prior art, also irrelevant to the treatment result, if the laser beam is always surrounded on all sides by liquid. Therefore, it is envisaged that the protection in the area of the tool head is provided by the walls of the nozzle, and beyond the tool head by the liquid film surrounding the liquid jet.
  • the protection is thus initially achieved by a nozzle which is so long that it comes as close as possible to the workpiece surface. Thus, no "free jet” is formed, as known from the prior art. An influence of the protected by the nozzle walls lateral surface of the liquid ⁇ jet by splashes is excluded.
  • the protection outside the nozzle is provided by the liquid jet itself.
  • the outflowing liquid in the machining gap forms a liquid film which encloses the laser beam on all sides in the area of the action location, ie on the workpiece surface.
  • a gas to protect the lateral surface of the liquid jet is obsolete, since the exact geometry of the lateral surface of the liquid film is irrelevant.
  • the protection is provided beyond the nozzle solely by liquid which has flowed through the nozzle, more preferably by the treatment liquid itself.
  • the method according to the invention has the following steps:
  • the focal plane of the laser beam is adjusted so that the laser beam passes directly to the action surface lying on the workpiece surface without reflection on the liquid jet.
  • the cross-section of the active site is independent of the cross-section of the liquid jet.
  • the quality of the guided laser beam in the liquid jet does not depend on the quality of the lateral surface of the liquid ⁇ beam, as it no longer interacts with this.
  • the focal plane of the laser beam is adjusted so that it lies on the workpiece surface.
  • the laser beam and the liquid jet are independent in their cross-section, as long as the former is not larger (wider) than the latter.
  • a galvo head is preferably to be used.
  • the adjustment of the laser energy, and in particular of the energy which the laser unfolds at the site of action by means of variation of the pulse length of the laser beam.
  • a setting is particularly easy to implement.
  • the setting can also be effected by means of a change in the focal plane, a weakening of the beam path, or an adaptation of the electrical power generated by the laser beam generating laser.
  • the invention can be implemented particularly advantageously if the following dimensions are maintained: width of the machining gap between 0.01 and 5 mm, preferably between 0.1 and 0.5 mm, particularly preferably 0.2 mm; or width of the machining gap between 5% and 500%, preferably between 20% and 100%, particularly preferably 50% of the smallest nozzle cross-sectional dimension, measured at the nozzle outlet.
  • width of the machining gap between 0.01 and 5 mm, preferably between 0.1 and 0.5 mm, particularly preferably 0.2 mm; or width of the machining gap between 5% and 500%, preferably between 20% and 100%, particularly preferably 50% of the smallest nozzle cross-sectional dimension, measured at the nozzle outlet.
  • This is for the case of a round nozzle the diameter, and in the case of a slit-shaped nozzle, the shorter of the two sides, which form the rectangle of the cross section.
  • the invention can also be realized with other values. It is only essential that the above-mentioned, at least partially filled with liquid machining gap can
  • the machining distance automatically adjusts, for example when an uneven surface is processed.
  • the density of the liquid is regulated by the pressure of the liquid. This means that as the pressure increases, the machining distance increases and decreases with decreasing pressure. As the machining distance changes, so will the backpressure with which the tool head seeks to repel the workpiece surface. If the tool head is suspended, for example, by means of springs, it will automatically approach the workpiece surface as far as it will go or be removed from it until counter-pressure and spring pressure hold the balance.
  • the tool head moves during the treatment along the Maschinen Swissoberflä ⁇ che.
  • the liquid is an etching liquid.
  • the method can be used particularly advantageously for structuring a surface comprising silicon.
  • the method is for example advantageous for microstructuring of thin silicon nitride layers, which serve as an antireflection coating in commercial solar cells used.
  • layers which can be processed, for example, with phosphoric acid are preferably processable by the process according to the invention.
  • the corresponding substrate may for example consist of silicon, glass, metal, ceramic or plastic and optionally be provided with a wet-processable layer.
  • the liquid contains at least one dopant, and the method according to the invention is used for doping a surface comprising silicon.
  • the surface of the substrate can thus be doped locally in a simple manner.
  • a metal-containing liquid By using a metal-containing liquid, a thin metal layer on the workpiece upper surface ⁇ can be generated which for example can serve as a seed layer for subsequent electroplating.
  • the invention further discloses a tool head for carrying out the method according to the invention for the laser and liquid-based treatment of a workpiece according to the above embodiments.
  • a tool head for carrying out the method according to the invention for the laser and liquid-based treatment of a workpiece according to the above embodiments.
  • the invention provides a liquid jet which encloses a laser beam, the liquid jet being insensitive to external disturbances, such as droplet formation upon exiting the liquid from the nozzle. High costs due to the use of an inert gas are effectively avoided because a corresponding gas is not needed.
  • the flow rate of the liquid jet is largely independent of its jet quality, that is, the flow rate can be varied within wide limits without affecting the quality of the liquid jet.
  • the size of the site of action on the surface of the workpiece is practically independent of the size, in particular the cross section, of the liquid jet.
  • the tool head 1 serves for the laser and liquid-based treatment of a workpiece 2. It is clear that the workpiece 2 itself is not part of the device. Typically, it is arranged on a transport device in a transport plane (not shown in each case). This transport device is not a mandatory part of the invention, this but possibly assigned functionally. Optionally, this transport device provides a transport direction into which the workpiece 2 can be transported. As transporting means are in particular tapes, belts, holders or even based on air or liquid flow fluid cushion into consideration.
  • the beam axis of the laser beam L and thus typically the liquid jet is perpendicular to the workpiece surface 2 '.
  • the beam axes are thus also perpendicular to the transport plane.
  • the tool head 1 is arranged at a machining distance 3 from the workpiece surface 2 '. Furthermore, it is divided into a wet area 4 lying in the picture below and a dry area 5 lying in the picture above.
  • liquid F indicated in the picture by a wavy hatching, by a diesstechnikszu melt 6 with a liquid chamber 10 can be entered. This is shown open on both sides in the figure, it being understood that the openings are only the inflow of liquid F.
  • the exact arrangement of the liquid chamber is irrelevant; Thus, according to an embodiment not shown, it can also be arranged directly at the end of the nozzle 7 and / or formed from a plurality of smaller chambers or channels.
  • the liquid F leaves the wet area 4 again by a likewise arranged in the wet area 4 nozzle 7 in the direction of the workpiece surface 2 '. In cases not shown, more than one nozzle may be present in the tool head 1.
  • At least one focused laser beam L can be introduced into the nozzle 7.
  • the irradiation preferably takes place through a transparent separating layer 8 separating the drying area 5 from the wet area 4.
  • the separating layer 8 consists of air or another gas (mixture).
  • An arrangement of the laser source within the wet area 4 is conceivable.
  • the contour of the laser beam L is indicated in the figure by the dashed line.
  • the axis of the laser beam runs parallel, and particularly preferably collinear with the axis of the liquid jet and with the longitudinal axis of the nozzle.
  • the contour of the laser beam L should be adapted to the cross section of the nozzle 7. Accordingly, in the case of a round nozzle 7, the laser beam may be round or fan-shaped in the case of a slot-shaped nozzle, with a galvo head preferably being used to form a linear laser beam L. In the case of a slot-shaped nozzle, the same can preferably also transmit through a plurality of laser beams L (not shown) standing parallel to one another, for example.
  • the transparent material of the separating layer 8 is indicated by the dotted hatching. It is clear that the separating layer 8 does not have to be horizontally formed horizontally but, as shown, can be incorporated into the beam path as an insert in a non-transparent frame.
  • the focusing takes place in the illustrated embodiment by means of a lens 9. This can be part of the tool head 1, or this only be assigned functionally. It is clear that in addition corresponding holding devices must be present to the lens 9 to fix, which are not shown for reasons of clarity.
  • liquid F flows through the nozzle 7, a liquid jet can be formed therewith, by means of which the laser beam L can be enclosed within the nozzle 7.
  • the length of the nozzle 7 is dimensioned such that the liquid jet is enclosed on a first portion of its entire length by the nozzle 7, so that it can extend largely in its interior.
  • the laser beam L does not leave the liquid inside the nozzle 7 at any time, nor does it come into contact with the surface of the liquid jet.
  • the invention provides that at machining distance 3 between nozzle end face 7 'and workpiece surface 2', a machining gap 3 'is formed, which is completely filled during operation of the tool head 1 of a liquid film F', so that the liquid jet on its remaining portion of this liquid film 'F' is umbaren and protectable.
  • the machining distance 3 is adjustable by means of variation of the liquid pulse, which results from the liquid F flowing out of the nozzle 7.
  • the vertical height of the machining gap 3 'to be measured in the image corresponds to the machining distance 3.
  • the liquid film F' typically extends, as indicated, beyond the width of the tool head 1 or at least the nozzle end face 7 '. However, it can also be smaller than the nozzle end face 7 ', as long as it is ensured that there is a sufficient, overall minimum distance between the laser beam (s) and the lateral edge of the liquid film.
  • a gas jet which encloses the liquid jet, in particular in the remaining section, ie beyond the nozzle end face 7 ', is neither necessary nor provided. This eliminates both the additional design effort and the media costs.
  • the flow velocity of the liquid jet no longer plays a significant role in the quality of the jet. In particular, even low flow velocities are possible, which would result in a "free jet", ie a liquid jet extending at least partially outside, to no stable or very easily disturbing jet. At the same time, unnecessarily high media consumption or throughput is avoided.
  • the device additionally has a workpiece support.
  • the workpiece support serves to receive the workpiece 2.
  • the workpiece 2 can be positioned such that the liquid film F 'can form in the machining gap 3' between its workpiece surface 2 'and the nozzle end face 7'.
  • the support distance between the nozzle end face 7 'and workpiece support is preferably adjustable. The support distance is therefore, at least for a flat, flat workpiece 2, the sum of the workpiece thickness and thickness of the liquid film F 'or machining gap 3'.
  • the nozzle 7 is dimensioned according to the preferred embodiment shown in the figure such that it can be irradiated by the laser beam L in a direct way and thus without reflection thereof on its inner wall.
  • Size means that the geometry of the nozzle, ie its length and cross section, and the geometry of the symbolized by the dashed thin line laser beam L are coordinated so that the "lateral surface" of the laser beam L in the nozzle 7 not with the lateral surface of the liquid jet interacts. It is clear that this can be done both by adjusting the nozzle geometry and the beam geometry. The exact configuration depends on the respective desired parameters such as flow velocity, viscosity, flow rate, cross section in the focal point, etc. It must therefore be adapted by the expert, but this will not pose any problems.
  • the nozzle 7 is dimensioned such that the focal plane, ie the plane in which the "focal spot" of the laser beam L lies, is positioned on the workpiece surface 2 '.
  • the focal plane ie the plane in which the "focal spot" of the laser beam L lies
  • the laser beam L leads to a maximum heat development at the site of action.
  • the term "measured” also refers here to a tuning of the nozzle geometry and laser beam, as already described above.
  • the nozzle 7 is round or slit-shaped, and / or it has a plate-shaped end face 7 '.
  • the alternative slot-shaped configuration has an elongated channel with a rectangular cross-section, which has a short and a long side.
  • the optional plate-shaped configuration of the end face 7 'of the nozzle 7, the formation of the homogeneous liquid film F' is supported.
  • a (not shown) slit-shaped configuration of the nozzle 7 it is preferred that not only a single, but that a plurality of laser beams L are coupled into the nozzle 7. These can fan out, similar to the tines of a rake, from a common location, which is located at the beginning of the nozzle 7, or which is arranged in the region of the lens 9 or a more complex optical unit. Alternatively, however, the laser beams L can also run parallel to one another through the nozzle 7, similar to the tines of a comb. In this way, it is possible to generate a line pattern in one operation and / or to achieve a surface treatment. By coupling the individual laser beams L with galvo heads (not shown), both non-linear line patterns can be generated in a simple manner, as can surfaces of variable width on the workpiece surface 2 '.
  • the wet area 4 comprises a disk-shaped liquid chamber 10. It is preferably fed by a supply line (not shown) which surrounds this in a circular manner, via which the liquid F can flow symmetrically out of the liquid feed region 6 into the nozzle 7 beginning in the center of the liquid chamber 10 under the same pressure. In this way, a uniform, laminar as possible flow of the liquid jet can be achieved.
  • the machining distance 3 is adjustable by means of variation of the liquid pulse, which results from the liquid F flowing out of the nozzle 7 and impinging on the workpiece surface 2 '.
  • the hydrodynamic paradox known as the "Bernoulli effect” may occur. After this effect will be below a minimum distance streamed body in the direction of him flowing nozzle moves. However, if desired, this effect can be used just to stabilize the machining distance 3. It is readily possible for the person skilled in the art to set the geometry and pressure conditions in such a way that the invention can be realized in the manner described, for which reason a detailed description of the corresponding possibilities is dispensed with.
  • the tool head 1 comprises a spring 11 shown symbolically in the figure above the separating layer 8 or an equivalent means which is fixed to an abutment (also not shown) likewise shown symbolically.
  • On the spring 11 of the tool head is resiliently mounted. In this way it is particularly easy to realize the adjustability of the machining distance 3 described in the preceding paragraph.
  • FIG. 1 also shows schematically a preferred lens 9 which is used to focus the laser beam L. It is clear that, if necessary, corresponding holders are necessary, and that in addition to a simple lens 9, even more complex optical units can be part of the tool head 1. Alternatively, the optical components can be assigned functionally to the tool head 1 and coupled to it.

Abstract

The invention relates to a method and a device for the heat-based and fluid-based treatment of a workpiece. The method comprises the following steps: - introducing fluid (F) through a fluid feed zone (6) arranged in a wet zone (4); - creating a fluid jet by discharging the fluid (F) through a nozzle (7), likewise arranged in the wet zone (4), in the direction of the workpiece surface (2'); - emitting a focused laser beam (L) from a dry zone (5) through a transparent separation layer separating the dry zone (5) from the wet zone (4) into the nozzle (7) in the direction of the workpiece surface (2'); - adjusting the machining distance (3) between tool head (1) and workpiece surface (2'); the fluid jet being surrounded, over a first portion of the entire length thereof, by the nozzle (7), and the machining distance (3) being adjusted such that a machining gap (3') forms between the nozzle end face (7') and workpiece surface (2'), which gap is filled at least in the region of the at least one laser beam (L) with a fluid film (F'), such that the fluid jet is surrounded and protected over the remaining portion thereof by said fluid film (F'), characterised in that the processing distance (3) is controlled by the pressure of the fluid (F).

Description

LASERKOPF  LASER HEAD
Einleitung introduction
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum laser- und flüssigkeitsbasierten Bearbeiten von Materialien. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei welcher der Laserstrahl innerhalb eines Flüssigkeitsstrahls zum Werkstück geleitet wird, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schutz des Flüssigkeitsstrahls. The invention relates to an apparatus and a method for the laser and liquid-based processing of materials. In particular, the invention relates to a method and apparatus in which the laser beam is directed to the workpiece within a fluid jet and to an apparatus and method for protecting the fluid jet.
Stand der Technik und Nachteile Die Bearbeitung von Materialien mittels Laserstrahlung ist in vielen Gebieten der Materialbearbeitung seit langer Zeit Stand der Technik. Die zum Bearbeiten des Materials benötigte Energie wird durch eine hochenergetische, gebündelte und kohärente Lichtstrahlung einer bestimmten Wellenlänge am Werkstück bereitgestellt, wo sie eine starke oberflächliche Erwärmung herbeiführt. Je nach Menge der am Wirkort bereitgestellten Energie kann die Wärmebehandlung in einer Oberflächenveränderung oder einem Schmelzen abzutragenden Materials bestehen. State of the Art and Disadvantages The processing of materials by means of laser radiation has long been state of the art in many areas of material processing. The energy needed to process the material is provided by a high energy, focused and coherent light radiation of a particular wavelength on the workpiece, where it causes a strong superficial heating. Depending on the amount of energy provided at the site of action, the heat treatment may consist of a surface modification or a melt of material to be ablated.
Häufig kann es hilfreich sein, wenn eine solche Bearbeitung flüssigkeitsgestützt erfolgt. Die Flüssigkeit kann dabei lediglich dem Kühlen der unmittelbaren Umgebung des Wirkorts dienen. Der Laser kann lediglich unterstützend erwärmen, wohingegen der eigentliche Prozess aufgrund einer wärmeinduzierten chemischen Reaktion abläuft. Die Wärmeenergie kann dann zu einer lokal begrenzten chemischen Reaktion des Materials mit einer Behandlungsflüssigkeit führen, beispielsweise im Rahmen der laserunterstützten chemischen Behandlung (LCP, Laser Chemical Processing) . Eine weitere Aufgabe der Flüssigkeit kann in einem Führen des Laserstrahls, ähnlich einer Lichtleitfaser, bestehen. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Bearbeitung von Materialien mittels eines flüssigkeitsgeführten Laserstrahls bekannt. Often it can be helpful if such a treatment is liquid-based. The liquid can only serve to cool the immediate environment of the site of action. The laser can only heat up supportive, whereas the actual process takes place due to a heat-induced chemical reaction. The heat energy can then lead to a localized chemical reaction of the material with a treatment liquid, for example in the context of laser-assisted chemical treatment (LCP, Laser Chemical Processing). Another object of the liquid may be to guide the laser beam, similar to an optical fiber. From the prior art, various devices for Processing of materials by means of a liquid-guided laser beam known.
Das Führen eines fokussierten Laserstrahls durch einen Flüssigkeitsstrahl ist beispielsweise in der Druckschrift EP 0 762 947 Bl gezeigt. Hierbei dient die Flüssigkeit als Medium zum Führen des Laserstrahls, der aufgrund seiner hohen Energie die Bearbeitung eines Werkstücks erlaubt. The guiding of a focused laser beam through a liquid jet is shown for example in document EP 0 762 947 B1. Here, the liquid serves as a medium for guiding the laser beam, which allows the processing of a workpiece due to its high energy.
Der Flüssigkeitsstrahl muss dabei gemäß der Lehre dieser Druckschrift laminar sein, um ein gutes Behandlungsergebnis zu erhalten. Andernfalls kann der Laserstrahl an Störungen der Außenhülle, an welchen lokal und temporär keine Totalreflexion auftritt, dieselbe radial verlassen. Um einen laminaren Flüssigkeitsstrahl zu erhalten, wird der Druck und somit die Strömungsgeschwindigkeit des Strahls hoch eingestellt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit saugt der Strahl jedoch Störeinflüsse, wie z.B. sich beim Austritt bildende Tröpfchen oder Partikel, regelrecht an. Dies wirkt sich wiederum negativ auf die Gleichmäßigkeit der Außenhülle aus. The liquid jet must be laminar according to the teaching of this document in order to obtain a good treatment result. Otherwise, the laser beam to disturbances of the outer shell, where locally and temporarily no total reflection occurs, leave the same radially. In order to obtain a laminar liquid jet, the pressure and thus the flow velocity of the jet is set high. Due to the high speed, however, the beam sucks perturbations such as e.g. at the outlet forming droplets or particles, downright. This in turn has a negative effect on the uniformity of the outer shell.
Die Druckschrift DE 10 2006 003606 sowie die auf denselben Anmelder zurückgehende Druckschrift DE 10 2006 003607 offenbaren eine zur chemischen Behandlung geeignete Vorrichtung und ein Verfahren, bei welcher bzw. bei welchem ein Laserstrahl mittels eines laminar strömenden Flüssigkeitsstrahls geführt wird. Der Laser wird dabei durch ein Fenster in die Flüssigkeit eingekoppelt. Die Flüssigkeit beinhaltet ein Prozessmedium, z.B. eine Ätzflüssigkeit oder einen in Flüssigkeit gelösten Dotierstoff. Der Laserstrahl verlässt aufgrund der Totalreflexion den Flüssigkeitsstrahl nicht und heizt am Wirkort, also der Oberfläche des Substrats, dasselbe auf, so dass die erwünschte chemische Reaktion entweder überhaupt erst statt finden kann, oder jedenfalls beschleunigt abläuft. Auch diese Lösung hat den Nachteil, dass der Flüssigkeitsstrahl "frei" ist, also lateral an die Umgebungsluft angrenzt. Tröpfchen, die sich beim Austritt der Flüssigkeit aus der Düse bilden, können beim Rekombinieren mit dem Strahl dessen Form beeinträchtigen. Inhomogenitäten im Strahl, wie sie durch Partikel oder Konzentrationsschwankungen des Ätzmediums hervorgerufen werden können, wirken sich ebenfalls ungünstig auf die Strahlform aus. Es resultieren Energieverluste aufgrund eines zu frühen Austritts des Laserlichtes aus dem Flüssigkeitsstrahl, so dass am Wirkort kurzzeitig nur unzureichende Energie für den Prozess zur Verfügung steht. The document DE 10 2006 003606 and the document DE 10 2006 003607, which is based on the same applicant, disclose a device suitable for chemical treatment and a method in which a laser beam is guided by means of a laminar flowing liquid jet. The laser is coupled through a window into the liquid. The liquid includes a process medium, for example an etching liquid or a dopant dissolved in liquid. Due to the total reflection, the laser beam does not leave the liquid jet and heats it up at the site of action, that is to say the surface of the substrate, so that the desired chemical reaction can either take place at all or accelerate at any rate. This solution also has the disadvantage that the liquid jet is "free", ie laterally adjacent to the ambient air. Droplets that form when the liquid exits the nozzle can affect its shape when recombined with the jet. Inhomogeneities in the beam, as can be caused by particles or concentration fluctuations of the etching medium, also have an unfavorable effect on the beam shape. This results in energy losses due to an early exit of the laser light from the liquid jet, so that at the site of action only insufficient energy for the process is available for a short time.
Die europäische Druckschrift EP 1 657 020 schlägt zur Verbesserung der Strahlqualität eines einen Laser führenden Flüssigkeitsstrahls die zusätzliche Verwendung eines "Beaufschlagungsgases" vor, das den Flüssigkeitsstrom mantel- seitig umgibt und so vor Umwelteinflüssen schützen soll. Das Gas begleitet dabei den Flüssigkeitsstrahl auf einer vom Gasdruck abhängigen Strecke. Bevorzugt wird als Gas ein Schutzgas wie z.B. Helium eingesetzt. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass das Umgeben des Flüssigkeitsstrahls mit einem Gasmantel die vorbeschriebenen Probleme nur unzureichend löst. Der Druck in der Gasversorgung darf nicht zu hoch sein, da andernfalls der Gasfluss den Flüssigkeitsstrahl stört. Ein geringerer Druck führt zu einer geringen Reichweite des Gasmantels, die somit in beide Richtungen limitiert ist. Im Bereich der Gaseinkopplung können zusätzliche Störungen entstehen, da der Flüssigkeitsstrahl bereits beim Austritt aus der Düse Tröpfchen bilden kann, welche dann im Bereich der Gaseinkopplung zu noch größeren Tropfen kumulieren. Eine mögliche Folge ist der vorübergehende Totalausfall des Strahls, wenn solche Tropfen in den Ausgang der Gaseinkopplung gelangen. Zudem entstehen bei der Verwendung eines Schutzgases als Mantelgas hohe Kosten. Einem anderen Problem bei der Verwendung flüssigkeitsgeführter Laserstrahlung widmet sich die Druckschrift EP 1 940 579 Bl . Sie schlägt zur Erhöhung der Bearbeitungsenergie am Wirkort vor, den Laserstrahl nicht ausschließlich mittels Totalreflexion zu diesem zu leiten, sondern zunächst mittels einer optischen Einrichtung so zu fokussieren, dass seine Fokusebene ausreichend weit von der Düsenöffnung des ihn umgebenden Flüssigkeitsstrahls liegt. Besonderes Augenmerk gilt auch dem genauen Ort, an welchem die Fokussierebene des in die Flüssigkeit eingekoppelten Laserstrahls liegen soll. An dieser Stelle muss gemäß der Druckschrift eine laminare Strömung vorhanden sein. Die Fokussierebene liegt jedoch auch hier nicht in der Ebene des Wirkorts, also auf der Werkstückoberfläche, sondern wird im weiteren Verlauf wiederum mittels Totalreflexion durch den Flüssigkeitsstrahl geführt. Gemäß der Druckschrift wird auch ein Gasmantel erzeugt, welcher den Flüssigkeitsstrahl umgibt und dessen Mantelfläche glatter halten soll. Lösungsvorschläge für die weiter oben angesprochenen Probleme bietet auch diese Druckschrift nicht. In order to improve the beam quality of a liquid jet carrying a laser, the European publication EP 1 657 020 proposes the additional use of an "admission gas" which surrounds the liquid flow on the shell side and thus protects it against environmental influences. The gas accompanies the liquid jet on a dependent of the gas pressure route. Preferably, a protective gas such as helium is used as the gas. Investigations have shown, however, that the surrounding of the liquid jet with a gas jacket solves the above-described problems only inadequately. The pressure in the gas supply must not be too high, otherwise the gas flow disturbs the liquid jet. A lower pressure leads to a short reach of the gas mantle, which is thus limited in both directions. In the field of gas injection, additional disturbances can arise, since the liquid jet can form droplets already on leaving the nozzle, which then accumulate in the area of the gas injection to form even larger droplets. One possible consequence is the temporary total failure of the jet when such drops enter the exit of the gas injection. In addition, high costs arise when using a protective gas as jacket gas. Another problem in the use of liquid-guided laser radiation is the document EP 1 940 579 B1. It proposes to increase the machining energy at the site of action to direct the laser beam not exclusively by total reflection to this, but first by means of an optical device to focus so that its focal plane is sufficiently far from the nozzle opening of the surrounding liquid jet. Particular attention is also paid to the exact location at which the focal plane of the laser beam coupled into the liquid should lie. At this point according to the document a laminar flow must be present. However, the focusing plane is also not in the plane of the active site, ie on the workpiece surface, but will be guided in the further course again by total reflection through the liquid jet. According to the document, a gas jacket is generated, which surrounds the liquid jet and to keep the lateral surface smoother. Proposed solutions to the above-mentioned problems does not offer this document.
Aufgabe der Erfindung und Lösung Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt demnach in der Vermeidung der aus dem Stand der Technik bekannten Probleme. OBJECT OF THE INVENTION AND SOLUTION The object of the present invention is therefore to avoid the problems known from the prior art.
Insbesondere soll die Erfindung sicherstellen, dass ein Flüssigkeitsstrahl, welcher einen Laserstrahl umschließt, unempfindlich gegenüber äußeren Störungen ist, wie zum Beispiel gegen die Tröpfchenbildung beim Verlassen der Flüssigkeit aus der Düse, oder gegen Partikel der Umgebungsluft, die in die Mantelfläche des Flüssigkeitsstrahls eintreten. Hohe Kosten aufgrund der Verwendung eines Schutzgases sollen vermieden werden. Die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls soll weitgehend unabhängig von seiner Strahlqualität sein. Ferner soll die Größe des Wirkorts auf der Oberfläche des Werkstücks möglichst unabhängig von der Größe, insbesondere dem Querschnitt, des Flüssigkeitsstrahls sein. In particular, the invention is intended to ensure that a liquid jet which encloses a laser beam is insensitive to external disturbances, such as, for example, droplet formation when leaving the liquid from the nozzle or against particles of ambient air entering the surface of the liquid jet. High costs due to the use of a protective gas should be avoided. The flow velocity of the liquid jet should be largely independent of its beam quality. Furthermore, the size of the site of action on the surface of the workpiece should be as independent as possible of the size, in particular the cross section, of the liquid jet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Figur zu entnehmen. The object is achieved by a method according to the main claim and by a device according to claim 7. Preferred embodiments are given in the respective subclaims, the following description and the figure.
Beschreibung description
Nachfolgend wird zunächst das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Im Anschluss daran erfolgt eine detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter direkter Bezugnahme auf die Figur 1. The process according to the invention will first be described below. This is followed by a detailed description of the device according to the invention with direct reference to FIG. 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der laser- und flüssigkeitsbasierten Wärmebehandlung eines Werkstücks mit einem Werkzeugkopf, der in einem Bearbeitungsabstand von der Werkstückoberfläche angeordnet ist. Hierzu umfasst es die folgenden Schritte: The method according to the invention serves for the laser-based and liquid-based heat treatment of a workpiece with a tool head which is arranged at a machining distance from the workpiece surface. For this it includes the following steps:
- Eingeben von Flüssigkeit durch einen in einem Nassbereich angeordneten Flüssigkeitszuführbereich; - Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles durch Ausgeben der Flüssigkeit durch eine ebenfalls im Nassbereich angeordnete Düse in Richtung der Werkstückoberfläche; - introducing liquid through a liquid feed area arranged in a wet area; - Generating a liquid jet by discharging the liquid through a likewise arranged in the wet area nozzle in the direction of the workpiece surface;
- Einstrahlen mindestens eines fokussierten Laserstrahls von einem Trockenbereich aus in die Düse in Richtung der Werkstückoberfläche; - Injecting at least one focused laser beam from a drying area in the nozzle in the direction of the workpiece surface;
- Einstellen des Bearbeitungsabstandes zwischen Werkzeugkopf und Werkstückoberfläche . - Setting the machining distance between the tool head and workpiece surface.
Das Einstrahlen des Laserstrahls erfolgt bevorzugt durch eine den Trocken- vom Nassbereich trennende transparente Trennschicht hindurch. Die Achse des Laserstrahls verläuft dabei parallel, und besonders bevorzugt kollinear mit der Achse des Flüssigkeits¬ strahls sowie mit der Längsachse der Düse. The irradiation of the laser beam preferably takes place through a transparent separating layer which separates the dry area from the wet area. The axis of the laser beam runs parallel, and particularly preferably collinear with the axis of the liquid ¬ beam and with the longitudinal axis of the nozzle.
Erfindungsgemäß wird sichergestellt, dass der Flüssigkeitsstrahl auf einem ersten Abschnitt seiner gesamten Länge von der Düse umschlossen ist. Erfindungsgemäß wird ferner der Bearbeitungsab¬ stand dergestalt eingestellt, dass sich zwischen Düsen- Stirnfläche und Werkstückoberfläche ein Bearbeitungsspalt bildet, welcher zumindest im Bereich des mindestens einen Laserstrahls mit einem Flüssigkeitsfilm ausgefüllt ist, so dass der Flüssigkeitsstrahl auf seinem restlichen Abschnitt von diesem Flüssigkeitsfilm umgeben und geschützt ist, wobei der Bearbeitungsabstand (3) über den Druck der Flüssigkeit (F) reguliert wird. Nach einer anderen Ausführungsform ist der Spalt vollständig mit einem Flüssigkeitsfilm ausgefüllt. Mit anderen Worten, zwischen der Düsen-Stirnfläche und der Oberfläche des Werkstücks existiert kein Freistrahl aus Flüssigkeit, sondern der Flüssigkeitsstrahl wird vollständig bis unmittelbar vor den Wirkort mittels der Düse geführt und von dieser umschlossen. Das letzte Stück des Flüssigkeitsstrahls wird dann durch den Flüssigkeitsfilm umschlossen und somit geschützt. Im Ergebnis schirmt die Düse die Mantelfläche des Flüssigkeitsstrahls effektiv von Umgebungseinflüssen ab. Zwischen der Düsen- Stirnfläche und der Werkstückoberfläche bildet sich ein jedenfalls im Bereich des Laserstrahls mit einem Flüssigkeitsfilm ausgefüllter Bearbeitungsspalt. Auch an dieser Stelle kann somit keine Beeinträchtigung der Bearbeitung durch Umgebungseinflüsse entstehen. Es sei angemerkt, dass der erfindungsgemäße Flüssigkeitsfilm typischerweise eine Ausdehnung in Strahlrichtung aufweist, die deutlich kleiner ist als senkrecht zur Strahlrichtung. Ein aus dem Stand der Technik bekannter "Freistrahl" hingegen weist eine Ausdehnung in Strahlrichtung auf, die deutlich größer oder gleich mit der Ausdehnung senkrecht zur Strahlrichtung ist. Zudem weist ein "Freistrahl" eine Mantelfläche auf, die mehr oder weniger genau definiert ist, wohingegen der Film keine klar umgrenzbare Mantelfläche aufweist. According to the invention it is ensured that the liquid jet is enclosed on a first portion of its entire length from the nozzle. According to the invention, the machining distance is further adjusted such that a machining gap is formed between the nozzle end face and the workpiece surface, which is filled with a liquid film at least in the area of the at least one laser beam, so that the liquid jet is surrounded and protected on its remaining portion by this liquid film is, wherein the machining distance (3) on the pressure of the liquid (F) is regulated. According to another embodiment, the gap is completely filled with a liquid film. In other words, there is no free jet of liquid between the nozzle end face and the surface of the workpiece, but the liquid jet is completely guided to and surrounded by the nozzle until immediately before the site of action. The last piece of the liquid jet is then enclosed by the liquid film and thus protected. As a result, the nozzle effectively shields the surface of the liquid jet from environmental influences. Between the nozzle end face and the workpiece surface, a machining gap filled with a liquid film forms in any case in the region of the laser beam. Thus, at this point, no impairment of the processing caused by environmental influences. It should be noted that the liquid film according to the invention typically has an extension in the beam direction that is significantly smaller than perpendicular to the beam direction. A known from the prior art "free jet", however, has an extension in the beam direction, which is significantly greater than or equal to the extension perpendicular to the beam direction. In addition, a "free jet" has a On the outer surface, which is more or less precisely defined, whereas the film has no clearly defined lateral surface.
Eine alternative Formulierung wäre daher auch der Begriff einer "Flüssigkeitssäule", die den in der Düse befindlichen Strahl sowie dessen jenseits der Düsen-Stirnfläche befindlichen Endabschnitts umfasst, und die jederzeit allseitig durch Düse bzw. Flüssigkeitsfilm vor Umgebungseinflüssen geschützt ist. Der Laserstrahl wird demnach durch die Flüssigkeitssäule geleitet. An alternative formulation would therefore also be the concept of a "liquid column" which comprises the jet located in the nozzle and its end section located beyond the nozzle end face, and which is always protected on all sides by nozzle or liquid film from environmental influences. The laser beam is therefore passed through the liquid column.
Insbesondere auch für den typischen Fall, dass sich der Werkzeugkopf parallel zur Werkstückoberfläche bewegt, muss jederzeit sichergestellt sein, dass allumfänglich ein genügend großer seitlicher Abstand zwischen Laserstrahl (en) und seitlichem Rand des den Endabschnitt des Flüssigkeitsstrahls schützenden Flüssigkeitsfilms besteht. Als ausreichender Wert gilt ein Abstand von 1 bis 2 mm vom Laserstrahl. Dabei ist es unerheblich, wenn die Außenkante der vom Flüssigkeitsfilm beschriebenen Fläche nicht auf einer Kreisbahn liegt, und/oder der Laserstrahl nicht genau durch den Flächenmittelpunkt dieser Fläche hindurchtritt. In particular, even for the typical case that the tool head moves parallel to the workpiece surface, it must always be ensured that there is a sufficiently large lateral distance between the laser beam (s) and lateral edge of the liquid film protecting the end section of the liquid jet. A sufficient value is a distance of 1 to 2 mm from the laser beam. It is irrelevant if the outer edge of the surface described by the liquid film is not on a circular path, and / or the laser beam does not pass through exactly the center of area of this surface.
Für weitere Informationen wird auf die Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der Figur verwiesen. For further information, reference is made to the description of the device according to the invention and the figure.
Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zum Schützen eines Flüssigkeitsstrahls vor Umgebungseinflüssen im Rahmen der laser- und flüssigkeitsbasierten Behandlung der Werkstückoberfläche eines Werkstücks mit mindestens einem fokussierten Laserstrahl. Dieser wird durch eine Düse eines wie vorstehend beschriebenen Werkzeugkopfes in Richtung der Werkstückoberfläche durch den Flüssigkeitsstrahl geleitet. Der Begriff "geleitet" muss hierbei von dem Begriff "geführt" abgegrenzt werden. Beim "Führen" nutzt der Laserstrahl die Wandungen des Flüssigkeits- Strahls, an denen er durch Totalreflexion reflektiert wird. Beim "Leiten" hingegen tritt der Laserstrahl durch die Flüssigkeitssäule des Flüssigkeitsstrahls hindurch, ohne mit dessen Wandungen zu interagieren . Demnach ist die Qualität der Wandungen, anders als im Stand der Technik, auch unerheblich für das Behandlungsergebnis, sofern der Laserstrahl jederzeit allseitig von Flüssigkeit umgeben ist. Daher ist vorgesehen, dass der Schutz im Bereich des Werkzeugkopfes durch die Wandungen der Düse, und jenseits des Werkzeugkopfes durch den Flüssigkeitsfilm, der den Flüssigkeitsstrahl umgibt, bereitgestellt wird. The invention thus also relates to a method for protecting a liquid jet from environmental influences in the context of the laser and liquid-based treatment of the workpiece surface of a workpiece with at least one focused laser beam. This is passed through a nozzle of a tool head as described above in the direction of the workpiece surface through the liquid jet. The term "directed" must be delimited from the term "led". When "guiding" the laser beam uses the walls of the liquid jet, where it is reflected by total reflection. By contrast, in the case of "conduction", the laser beam passes through the liquid column of the liquid jet, without its walls to interact. Accordingly, the quality of the walls, unlike in the prior art, also irrelevant to the treatment result, if the laser beam is always surrounded on all sides by liquid. Therefore, it is envisaged that the protection in the area of the tool head is provided by the walls of the nozzle, and beyond the tool head by the liquid film surrounding the liquid jet.
Der Schutz wird demnach zunächst durch eine Düse erzielt, die so lang ist, dass sie möglichst nah an die Werkstückoberfläche heranreicht. Somit bildet sich kein "Freistrahl" aus, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine Beeinflussung der durch die Düsenwandungen geschützten Mantelfläche des Flüssigkeits¬ strahls durch Spritzer ist ausgeschlossen. The protection is thus initially achieved by a nozzle which is so long that it comes as close as possible to the workpiece surface. Thus, no "free jet" is formed, as known from the prior art. An influence of the protected by the nozzle walls lateral surface of the liquid ¬ jet by splashes is excluded.
Ferner wird der Schutz außerhalb der Düse, genauer, jenseits der Düsenstirnfläche, durch den Flüssigkeitsstrahl selber bereitgestellt bzw. ermöglicht. Um die Problematik eines Freistrahls (s.o.) zu vermeiden, bildet die ausströmende Flüssigkeit im Bearbeitungsspalt einen Flüssigkeitsfilm, der den Laserstrahl auch im Bereich des Wirkorts, also an der Werkstückoberfläche, allseitig umschließt. Ein Gas zum Schutz der Mantelfläche des Flüssigkeitsstrahls ist obsolet, da die genaue Geometrie der Mantelfläche des Flüssigkeitsfilms unerheblich ist. Der Schutz wird jenseits der Düse ausschließlich durch Flüssigkeit bereitgestellt, die durch die Düse geströmt ist, und zwar besonders bevorzugt durch die Behandlungsflüssigkeit selber. Further, the protection outside the nozzle, more specifically, beyond the nozzle face, is provided by the liquid jet itself. In order to avoid the problem of a free jet (see above), the outflowing liquid in the machining gap forms a liquid film which encloses the laser beam on all sides in the area of the action location, ie on the workpiece surface. A gas to protect the lateral surface of the liquid jet is obsolete, since the exact geometry of the lateral surface of the liquid film is irrelevant. The protection is provided beyond the nozzle solely by liquid which has flowed through the nozzle, more preferably by the treatment liquid itself.
Zusammengefasst weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte auf: In summary, the method according to the invention has the following steps:
- Eingeben der Behandlungsflüssigkeit in die Düse, Introducing the treatment liquid into the nozzle,
- Formen eines innerhalb der Düse verlaufenden ersten Abschnitts eines Flüssigkeitsstrahls, - Formen eines im Bearbeitungsspalt zwischen Düsenstirnfläche und Werkstückoberfläche angeordneten Flüssigkeitsfilms, Shaping a first section of a liquid jet running inside the nozzle, Shaping a liquid film arranged in the machining gap between the nozzle end face and the workpiece surface,
- Formen eines restlichen Abschnitts des Flüssigkeitsstrahls im Bearbeitungsspalt, so dass dieser Abschnitt vom Flüssigkeits- film umschlossen ist, Forming a remaining section of the liquid jet in the machining gap, so that this section is enclosed by the liquid film,
- Durchleiten eines fokussierten Laserstrahls durch beide Abschnitte des durch Düsenwandungen bzw. Flüssigkeitsfilm geschützten Flüssigkeitsstrahls auf die Werkstückoberfläche.- Passing a focused laser beam through both portions of the nozzle walls or liquid film protected liquid jet to the workpiece surface.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Fokusebene des Laserstrahls derart eingestellt, dass der Laserstrahl auf direktem Wege ohne Reflexion am Flüssigkeitsstrahl zum auf der Werkstückoberfläche liegenden Wirkort gelangt. Das bedeutet, dass der Querschnitt des Wirkorts unabhängig von dem Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Qualität des im Flüssigkeitsstrahl geführten Laserstrahls nicht mehr von der Qualität der Mantelfläche des Flüssigkeits¬ strahls abhängt, da er mit dieser nicht mehr interagiert. According to a preferred embodiment, the focal plane of the laser beam is adjusted so that the laser beam passes directly to the action surface lying on the workpiece surface without reflection on the liquid jet. This means that the cross-section of the active site is independent of the cross-section of the liquid jet. A further advantage is that the quality of the guided laser beam in the liquid jet does not depend on the quality of the lateral surface of the liquid ¬ beam, as it no longer interacts with this.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Fokusebene des Laserstrahls derart eingestellt, dass sie auf der Werkstückoberfläche liegt. Das bedeutet, dass die maximal zur Verfügung stehende Laserenergie gerade auf der Werkstückoberflä¬ che konzentriert ist. Auf diese Weise ist eine möglichst effiziente Ausnutzung des Lasers als Energiequelle am Wirkort gewährleistet . Dies bedeutet auch, dass die Einstellung der Größe des Wirkorts auf der Werkstückoberfläche ausschließlich mittels der Fokussierung des Laserstrahls erfolgen kann. Wie bereits erwähnt ist dies möglich, weil erfindungsgemäß Laserstrahl und Flüssigkeitsstrahl in ihrem Querschnitt unabhängig voneinander sind, solange Ersterer nicht größer (breiter) als Letzterer ist. Für den Fall eines nicht-runden, insbesondere schlitzförmigen Querschnitts der Düse kann die Anpassung der Größe des Wirkorts zusätzlich oder alternativ auch durch eine abtastende, "scannende" Bewegung des Laserstrahls erfolgen. Hierzu ist bevorzugt ein Galvokopf zu verwenden. According to a particularly preferred embodiment, the focal plane of the laser beam is adjusted so that it lies on the workpiece surface. This means that the maximum available laser energy is currently focused on the Werkstückoberflä ¬ che. In this way, the most efficient utilization of the laser as an energy source at the site of action is ensured. This also means that the adjustment of the size of the action location on the workpiece surface can be done exclusively by means of the focusing of the laser beam. As already mentioned, this is possible because, according to the invention, the laser beam and the liquid jet are independent in their cross-section, as long as the former is not larger (wider) than the latter. In the case of a non-round, in particular slit-shaped cross section of the nozzle, the adaptation of the size of the site of action additionally or alternatively also by a scanning, "scanning" movement of the laser beam. For this purpose, a galvo head is preferably to be used.
Bevorzugt erfolgt die Einstellung der Laserenergie, und dabei insbesondere der Energie, welche der Laser am Wirkort entfaltet, mittels Variation der Pulslänge des Laserstrahls. Eine derartige Einstellung ist besonders leicht realisierbar. Zusätzlich oder alternativ kann die Einstellung auch mittels einer Veränderung der Fokusebene, einer Abschwächung des Strahlengang, oder einer Anpassung der vom den Laserstrahl erzeugenden Laser aufgenommenen elektrischen Leistung erfolgen. Preferably, the adjustment of the laser energy, and in particular of the energy which the laser unfolds at the site of action, by means of variation of the pulse length of the laser beam. Such a setting is particularly easy to implement. Additionally or alternatively, the setting can also be effected by means of a change in the focal plane, a weakening of the beam path, or an adaptation of the electrical power generated by the laser beam generating laser.
Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung realisieren, wenn folgende Maße eingehalten werden: Breite des Bearbeitungsspalts zwischen 0,01 und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 mm, besonders bevorzugt 0,2 mm; oder Breite des Bearbeitungsspalts zwischen 5% und 500%, bevorzugt zwischen 20% und 100%, besonders bevorzugt 50% des kleinsten Düsenquerschnittsmaßes, gemessen am Düsenausgang. Dieses ist für den Fall einer runden Düse der Durchmesser, und für den Fall einer schlitzförmigen Düse die kürzere der beiden Seiten, welche das Rechteck des Querschnitts bilden. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung auch mit anderen Werten realisierbar ist. Wesentlich ist lediglich, dass sich während des Betriebs der oben erwähnte, mindestens teilweise mit Flüssigkeit gefüllte Bearbeitungsspalt bilden kann. Ferner bevorzugt ist, dass die Flüssigkeit unter allseits gleichem Druck aus dem Flüssigkeitszuführbereich in die Düse einströmt. Auf diese Weise lässt sich ein gleichmäßiger und nach Möglichkeit laminarer Flüssigkeitsstrahl realisieren. The invention can be implemented particularly advantageously if the following dimensions are maintained: width of the machining gap between 0.01 and 5 mm, preferably between 0.1 and 0.5 mm, particularly preferably 0.2 mm; or width of the machining gap between 5% and 500%, preferably between 20% and 100%, particularly preferably 50% of the smallest nozzle cross-sectional dimension, measured at the nozzle outlet. This is for the case of a round nozzle the diameter, and in the case of a slit-shaped nozzle, the shorter of the two sides, which form the rectangle of the cross section. However, it is clear that the invention can also be realized with other values. It is only essential that the above-mentioned, at least partially filled with liquid machining gap can form during operation. It is further preferred that the liquid flows in from all sides under the same pressure from the liquid feed area into the nozzle. In this way, a uniform and possibly laminar liquid jet can be realized.
Wie bereits erwähnt, ist die Einhaltung des korrekten Bearbei- tungsabstands für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich. Im Prinzip können zur Abstandsregelung aktive, d.h. messende Verfahren zum Einsatz kommen. Bevorzugt sind jedoch passive Verfahren, bei welchen sich der Bearbeitungsabstand selbsttätig nachregelt, wenn beispielsweise eine unebene Oberfläche bearbeitet wird. Erfindungsgemäß wird daher der Bearbeitungsab¬ stand über den Druck der Flüssigkeit reguliert. Das bedeutet, dass bei zunehmendem Druck der Bearbeitungsabstand steigt, und bei abnehmendem Druck sinkt. Ändert sich der Bearbeitungsabstand, wird sich auch der Gegendruck ändern, mit welchem sich der Werkzeugkopf von der Werkstückoberfläche abzustoßen sucht. Ist der Werkzeugkopf beispielsweise mittels Federn aufgehängt, so wird er sich selbsttätig soweit an die Werkstückoberfläche annähern beziehungsweise von ihr entfernen, bis sich Gegendruck und Federdruck die Waage halten. Durch Verändern der Federspannung oder des Ausströmdruckes kann der Bearbeitungsab¬ stand aktiv verändert werden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform bewegt sich der Werkzeugkopf während der Behandlung entlang der Werkstückoberflä¬ che. Eine derartige Bewegung ist aus dem stand der Technik hinlänglich bekannt und braucht daher nicht weiter ausgeführt zu werden . Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für eine nasschemische Bearbeitung von Werkstückoberflächen vorgesehen. Demnach ist die Flüssigkeit eine Ätzflüssigkeit. Besonders vorteilhaft kann das Verfahren zur Strukturierung einer Silizium umfassenden Oberfläche verwendet werden. Somit ist das Verfahren beispielsweise vorteilhaft zur Mikrostrukturierung von dünnen Siliziumnitridschichten, welche als Antireflexbeschichtung bei kommerziellen Solarzellen dienen, einsetzbar. Aber auch Schichten, welche sich z.B. mit Phosphorsäure bearbeiten lassen, sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt bearbeitbar. Das entsprechende Substrat kann beispielsweise aus Silizium, Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff bestehen und gegebenenfalls mit einer nasschemisch bearbeitbaren Schicht versehen sein. Nach einer anderen Ausführungsform enthält die Flüssigkeit mindestens einen Dotierstoff, und das erfindungsgemäße Verfahren wird zum Dotieren von einer Silizium umfassenden Oberfläche verwendet. Die Oberfläche des Substrats kann somit auf einfache Weise lokal dotiert werden. Durch Verwendung einer metallhaltigen Flüssigkeit kann eine dünne Metallschicht auf der Werkstückober¬ fläche erzeugt werden, welche beispielsweise als Keimschicht für eine nachfolgende Galvanik dienen kann. As already mentioned, compliance with the correct processing distance is essential for the method according to the invention. In principle, active, ie measuring, methods can be used for distance control. However, preferred are passive Method in which the machining distance automatically adjusts, for example when an uneven surface is processed. According to the invention therefore the Bearbeitungsab ¬ is regulated by the pressure of the liquid. This means that as the pressure increases, the machining distance increases and decreases with decreasing pressure. As the machining distance changes, so will the backpressure with which the tool head seeks to repel the workpiece surface. If the tool head is suspended, for example, by means of springs, it will automatically approach the workpiece surface as far as it will go or be removed from it until counter-pressure and spring pressure hold the balance. By changing the spring tension or the Ausströmdruckes the Bearbeitungsab ¬ stand can be actively changed. According to a particularly preferred embodiment, the tool head moves during the treatment along the Werkstückoberflä ¬ che. Such a movement is well known from the prior art and therefore need not be further elaborated. The method according to the invention is provided in particular for wet-chemical processing of workpiece surfaces. Accordingly, the liquid is an etching liquid. The method can be used particularly advantageously for structuring a surface comprising silicon. Thus, the method is for example advantageous for microstructuring of thin silicon nitride layers, which serve as an antireflection coating in commercial solar cells used. However, layers which can be processed, for example, with phosphoric acid are preferably processable by the process according to the invention. The corresponding substrate may for example consist of silicon, glass, metal, ceramic or plastic and optionally be provided with a wet-processable layer. According to another embodiment, the liquid contains at least one dopant, and the method according to the invention is used for doping a surface comprising silicon. The surface of the substrate can thus be doped locally in a simple manner. By using a metal-containing liquid, a thin metal layer on the workpiece upper surface ¬ can be generated which for example can serve as a seed layer for subsequent electroplating.
Die Erfindung offenbart ferner einen Werkzeugkopf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur laser- und flüssigkeitsbasierten Behandlung eines Werkstücks gemäß vorstehender Ausführungsformen. Zur Erläuterung wird auf die nachfolgende, auf die Figur 1 Bezug nehmende Beschreibung verwiesen . Zusammengefasst stellt die Erfindung einen Flüssigkeitsstrahl, welcher einen Laserstrahl umschließt, bereit, wobei der Flüssigkeitsstrahl unempfindlich gegenüber äußeren Störungen, wie zum Beispiel der Tröpfchenbildung beim Verlassen der Flüssigkeit aus der Düse, ist. Hohe Kosten aufgrund der Verwendung eines Schutzgases werden effektiv vermieden, da ein entsprechendes Gas nicht benötigt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls ist weitgehend unabhängig von seiner Strahlqualität, d.h., die Strömungsgeschwindigkeit kann in weiten Bereichen variiert werden, ohne dass die Qualität des Flüssigkeitsstrahls davon beeinflusst wird. The invention further discloses a tool head for carrying out the method according to the invention for the laser and liquid-based treatment of a workpiece according to the above embodiments. For explanation, reference is made to the following, with reference to FIG 1 Description. In summary, the invention provides a liquid jet which encloses a laser beam, the liquid jet being insensitive to external disturbances, such as droplet formation upon exiting the liquid from the nozzle. High costs due to the use of an inert gas are effectively avoided because a corresponding gas is not needed. The flow rate of the liquid jet is largely independent of its jet quality, that is, the flow rate can be varied within wide limits without affecting the quality of the liquid jet.
Zudem ist die Größe des Wirkorts auf der Oberfläche des Werkstücks praktisch unabhängig von der Größe, insbesondere dem Querschnitt, des Flüssigkeitsstrahls. In addition, the size of the site of action on the surface of the workpiece is practically independent of the size, in particular the cross section, of the liquid jet.
Figurenbeschreibung Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Werkzeugkopf unter Bezugnahme auf die einzige Figur 1 detailliert erläutert, in welcher seine wesentlichen Komponenten grob schematisch dargestellt sind. DESCRIPTION OF THE FIGURES The tool head according to the invention is explained in detail below with reference to the single FIGURE 1, in FIG which its essential components are shown roughly schematically.
Der erfindungsgemäße Werkzeugkopf 1 dient der laser- und flüssigkeitsbasierten Behandlung eines Werkstücks 2. Es ist klar, dass das Werkstück 2 selbst nicht Teil der Vorrichtung ist. Typischerweise ist es auf einer Transportvorrichtung in einer Transportebene angeordnet (jeweils nicht dargestellt) . Diese Transportvorrichtung ist nicht zwingender Bestandteil der Erfindung, dieser ggf. jedoch funktional zugeordnet. Optional stellt diese Transportvorrichtung eine Transportrichtung bereit, in welche das Werkstück 2 transportierbar ist. Als transportierende Mittel kommen insbesondere Bänder, Riemen, Halter oder auch auf Luft- oder Flüssigkeitsströmung basierende Fluidkissen in Betracht. Bevorzugt steht die Strahlachse des Laserstrahls L und somit typischerweise des Flüssigkeitsstrahls senkrecht auf der Werkstückoberfläche 2'. Für den typischen Fall, dass das Werkstück 2 als flaches Substrat vorliegt, stehen die Strahlachsen somit auch senkrecht auf der Transportebene. Der Werkzeugkopf 1 ist in einem Bearbeitungsabstand 3 von der Werkstückoberfläche 2' angeordnet. Ferner ist er in einen im Bild unten liegenden Nassbereich 4 und einen im Bild oben liegenden Trockenbereich 5 aufgeteilt. The tool head 1 according to the invention serves for the laser and liquid-based treatment of a workpiece 2. It is clear that the workpiece 2 itself is not part of the device. Typically, it is arranged on a transport device in a transport plane (not shown in each case). This transport device is not a mandatory part of the invention, this but possibly assigned functionally. Optionally, this transport device provides a transport direction into which the workpiece 2 can be transported. As transporting means are in particular tapes, belts, holders or even based on air or liquid flow fluid cushion into consideration. Preferably, the beam axis of the laser beam L and thus typically the liquid jet is perpendicular to the workpiece surface 2 '. For the typical case that the workpiece 2 is present as a flat substrate, the beam axes are thus also perpendicular to the transport plane. The tool head 1 is arranged at a machining distance 3 from the workpiece surface 2 '. Furthermore, it is divided into a wet area 4 lying in the picture below and a dry area 5 lying in the picture above.
In den Nassbereich 4 ist Flüssigkeit F, im Bild angedeutet durch eine wellenförmige Schraffur, durch einen Flüssigkeitszuführbe¬ reich 6 mit einer Flüssigkeitskammer 10 eingebbar. Diese ist in der Figur beidseitig offen dargestellt, wobei klar ist, dass die Öffnungen lediglich dem Einströmen der Flüssigkeit F dienen. Die genaue Anordnung der Flüssigkeitskammer ist unerheblich; so kann sie nach einer nicht gezeigten Ausführungsform auch unmittelbar am Ende der Düse 7 angeordnet und/oder aus einer Mehrzahl kleinerer Kammern oder Kanäle gebildet sein. Die Flüssigkeit F verlässt den Nassbereich 4 wieder durch eine ebenfalls im Nassbereich 4 angeordnete Düse 7 in Richtung der Werkstückoberfläche 2 ' . In nicht dargestellten Fällen können auch mehr als eine Düse im Werkzeugkopf 1 vorhanden sein. Vom Trockenbereich 5 aus ist mindestens ein fokussierter Laserstrahl L in die Düse 7 einstrahlbar. Vorzugsweise erfolgt das Einstrahlen, wie dargestellt, durch eine den Trockenbereich 5 vom Nassbereich 4 separierende transparente Trennschicht 8 hindurch. In bestimmten, nicht gezeigten Fällen kann hingegen auf die Trennschicht 8 verzichtet werden, bzw. die Trennschicht 8 besteht aus Luft oder einem anderen Gas (gemisch) . Auch eine Anordnung der Laserquelle innerhalb des Nassbereiches 4 ist denkbar. Die Kontur des Laserstrahls L ist in der Figur durch die gestrichelte Linie angedeutet. Die Achse des Laserstrahls verläuft dabei parallel, und besonders bevorzugt kollinear mit der Achse des Flüssigkeitsstrahls sowie mit der Längsachse der Düse. Es ist klar, dass die Kontur des Laserstrahls L an den Querschnitt der Düse 7 angepasst sein sollte. Demnach kann der Laserstrahl im Falle einer runden Düse 7 rund oder im Falle einer schlitzförmigen Düse linien- oder fächerförmig ausgebildet sein, wobei zur Ausbildung eines linienförmigen Laserstrahls L bevorzugt ein Galvokopf verwendet wird. Für den Fall einer schlitzförmigen Düse können bevorzugt dieselbe auch mehrere, beispielsweise parallel zueinander stehende, Laserstrahlen L (nicht gezeigt) durchstrahlen. Das transparente Material der Trennschicht 8 ist durch die punktierte Schraffur angedeutet. Es ist klar, dass die Trennschicht 8 horizontal nicht durchgängig ausgebildet sein muss, sondern, wie dargestellt, als Einsatz in einem nicht transparenten Rahmen in den Strahlengang eingebracht sein kann. Die Fokussierung erfolgt in der dargestellten Ausführungsform mittels einer Linse 9. Diese kann Bestandteil des Werkzeugkopfes 1 sein, oder diesem lediglich funktionell zugeordnet sein. Es ist klar, dass zusätzlich entsprechende Haltevorrichtungen vorhanden sein müssen, um die Linse 9 zu fixieren, die jedoch aus Übersichtsgründen nicht dargestellt sind . In the wet area 4 liquid F, indicated in the picture by a wavy hatching, by a Flüssigkeitszuführbe ¬ rich 6 with a liquid chamber 10 can be entered. This is shown open on both sides in the figure, it being understood that the openings are only the inflow of liquid F. The exact arrangement of the liquid chamber is irrelevant; Thus, according to an embodiment not shown, it can also be arranged directly at the end of the nozzle 7 and / or formed from a plurality of smaller chambers or channels. The liquid F leaves the wet area 4 again by a likewise arranged in the wet area 4 nozzle 7 in the direction of the workpiece surface 2 '. In cases not shown, more than one nozzle may be present in the tool head 1. From the drying area 5, at least one focused laser beam L can be introduced into the nozzle 7. The irradiation, as shown, preferably takes place through a transparent separating layer 8 separating the drying area 5 from the wet area 4. In certain cases, not shown, on the other hand, it is possible to dispense with the separating layer 8, or the separating layer 8 consists of air or another gas (mixture). An arrangement of the laser source within the wet area 4 is conceivable. The contour of the laser beam L is indicated in the figure by the dashed line. The axis of the laser beam runs parallel, and particularly preferably collinear with the axis of the liquid jet and with the longitudinal axis of the nozzle. It is clear that the contour of the laser beam L should be adapted to the cross section of the nozzle 7. Accordingly, in the case of a round nozzle 7, the laser beam may be round or fan-shaped in the case of a slot-shaped nozzle, with a galvo head preferably being used to form a linear laser beam L. In the case of a slot-shaped nozzle, the same can preferably also transmit through a plurality of laser beams L (not shown) standing parallel to one another, for example. The transparent material of the separating layer 8 is indicated by the dotted hatching. It is clear that the separating layer 8 does not have to be horizontally formed horizontally but, as shown, can be incorporated into the beam path as an insert in a non-transparent frame. The focusing takes place in the illustrated embodiment by means of a lens 9. This can be part of the tool head 1, or this only be assigned functionally. It is clear that in addition corresponding holding devices must be present to the lens 9 to fix, which are not shown for reasons of clarity.
Sofern, wie dargestellt, Flüssigkeit F durch die Düse 7 strömt, ist mit dieser ein Flüssigkeitsstrahl formbar, mittels welchem der Laserstrahl L innerhalb der Düse 7 umschließbar ist. If, as shown, liquid F flows through the nozzle 7, a liquid jet can be formed therewith, by means of which the laser beam L can be enclosed within the nozzle 7.
Erfindungsgemäß ist die Länge der Düse 7 derart bemessen, dass der Flüssigkeitsstrahl auf einem ersten Abschnitt seiner gesamten Länge von der Düse 7 umschlossen ist, so dass er weitgehend in ihrem Inneren verlaufen kann. Somit verlässt der Laserstrahl L die Flüssigkeit im Inneren der Düse 7 zu keinem Zeitpunkt, und er kommt auch nicht mit der Mantelfläche des Flüssigkeitsstrahls in Berührung. Ferner sieht die Erfindung vor, dass im Bearbeitungsabstand 3 zwischen Düsen-Stirnfläche 7 ' und Werkstückoberfläche 2 ' ein Bearbeitungsspalt 3 ' geformt wird, welcher beim Betrieb des Werkzeugkopfes 1 vollständig von einem Flüssigkeitsfilm F' ausgefüllt ist, so dass der Flüssigkeitsstrahl auf seinem restlichen Abschnitt von diesem Flüssigkeitsfilm 'F' umgebbar und schützbar ist. Der Bearbeitungsabstand 3 ist mittels Variation des Flüssigkeitsimpulses, der sich aufgrund der aus der Düse 7 ausströmenden Flüssigkeit F ergibt, einstellbar. Die im Bild vertikal zu messende Höhe des Bearbeitungsspalts 3' entspricht dem Bearbeitungsabstand 3. Der Flüssigkeitsfilm F' reicht typischerweise, wie angedeutet, über die Breite des Werkzeugkopfes 1 oder zumindest der Düsen-Stirnfläche 7' hinaus. Er kann jedoch auch kleiner als die Düsen-Stirnfläche 7' sein, sofern sichergestellt ist, dass ein ausreichender, allumfänglicher Mindestabstand zwischen Laserstrahl (en) und seitlichem Rand des Flüssigkeitsfilms besteht. According to the invention, the length of the nozzle 7 is dimensioned such that the liquid jet is enclosed on a first portion of its entire length by the nozzle 7, so that it can extend largely in its interior. Thus, the laser beam L does not leave the liquid inside the nozzle 7 at any time, nor does it come into contact with the surface of the liquid jet. Furthermore, the invention provides that at machining distance 3 between nozzle end face 7 'and workpiece surface 2', a machining gap 3 'is formed, which is completely filled during operation of the tool head 1 of a liquid film F', so that the liquid jet on its remaining portion of this liquid film 'F' is umbaren and protectable. The machining distance 3 is adjustable by means of variation of the liquid pulse, which results from the liquid F flowing out of the nozzle 7. The vertical height of the machining gap 3 'to be measured in the image corresponds to the machining distance 3. The liquid film F' typically extends, as indicated, beyond the width of the tool head 1 or at least the nozzle end face 7 '. However, it can also be smaller than the nozzle end face 7 ', as long as it is ensured that there is a sufficient, overall minimum distance between the laser beam (s) and the lateral edge of the liquid film.
Durch die Verwendung einer Düse 7, welche den Flüssigkeitsstrahl allseitig und über seine gesamte Länge hinweg umschließt, wird dieser vollkommen unempfindlich gegenüber äußeren Störungen und löst somit aufgrund dieser Konfiguration ein wesentliches Problem, welches der Erfindung zugrunde liegt. Tröpfchen können gar nicht erst entstehen, da die Düsen-Stirnfläche 7 ' im Unterschied zu den bekannten Vorrichtungen dazu geeignet ist, bis nahezu unmittelbar an die Werkstückoberfläche 2' zu reichen. Der erste Abschnitt des Flüssigkeitsstrahls endet somit am Ausgang der Düse 7, also an ihrer Düsen-Stirnfläche 7'. Auch dort kommt der restliche Abschnitt des Flüssigkeitsstrahls nicht mit der Umgebungsluft in Kontakt, sondern zerfließt im Bearbeitungsspalt 3' in alle Richtungen und bildet somit selber den ihn schützenden Flüssigkeitsfilm F'. Auf diese Weise werden auch Gasbläschen oder Bearbeitungsrückstände, die beispielsweise bei einem Ätzvorgang anfallen, wirksam ausgespült. Ein Gasstrahl, der den Flüssigkeitsstrahl insbesondere im restlichen Abschnitt, also jenseits der Düsen-Stirnfläche 7', umschließt, ist weder notwendig noch vorgesehen. Somit entfallen sowohl der zusätzliche konstruktive Aufwand als auch die Medienkosten. Die Strömungsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsstrahls spielt für die Strahlqualität keine wesentliche Rolle mehr. Insbesondere sind auch geringe Strömungsgeschwindigkeiten möglich, die bei einem "Freistrahl", also einem mindestens teilweise im Freien verlaufenden Flüssigkeitsstrahl, zu keinem stabilen oder sehr leicht störbarem Strahl führen würden. Zugleich wird ein unnötig hoher Medienverbrauch bzw. -durchsatz vermieden. By using a nozzle 7, which encloses the liquid jet on all sides and over its entire length, this is completely insensitive to external disturbances and thus solves due to this configuration, a significant problem, which is the basis of the invention. Droplets can not arise at all, since the nozzle end face 7 'in contrast to the known devices is suitable to reach almost directly to the workpiece surface 2'. The first section of the liquid jet thus ends at the outlet of the nozzle 7, ie at its nozzle end face 7 '. Also there, the remaining portion of the liquid jet does not come into contact with the ambient air, but dissolves in the machining gap 3 'in all directions and thus forms itself the liquid film F' protecting it. In this way, gas bubbles or processing residues that occur, for example, during an etching process, effectively rinsed. A gas jet, which encloses the liquid jet, in particular in the remaining section, ie beyond the nozzle end face 7 ', is neither necessary nor provided. This eliminates both the additional design effort and the media costs. The flow velocity of the liquid jet no longer plays a significant role in the quality of the jet. In particular, even low flow velocities are possible, which would result in a "free jet", ie a liquid jet extending at least partially outside, to no stable or very easily disturbing jet. At the same time, unnecessarily high media consumption or throughput is avoided.
Nach einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich eine Werkstückauflage auf. Die Werkstückauflage dient der Aufnahme des Werkstücks 2. Mit ihr ist das Werkstück 2 derart positionierbar, dass sich zwischen seiner Werkstückoberfläche 2 ' und der Düsenstirnfläche 7 ' der Flüssigkeitsfilm F' in erfindungsgemäßer Weise im Bearbeitungsspalt 3' bilden kann. Dazu ist der Auflageabstand zwischen Düsen- Stirnfläche 7' und Werkstückauflage vorzugsweise einstellbar. Der Auflageabstand ist demnach, jedenfalls für ein ebenes, flaches Werkstück 2, die Summe aus Werkstückdicke und Dicke des Flüssigkeitsfilms F' bzw. Bearbeitungsspalt 3'. Wie ersichtlich, ist die Düse 7 nach der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform derart bemessen, dass sie vom Laserstrahl L auf direktem Wege und somit ohne Reflexion desselben an ihrer Innenwand durchstrahlbar ist. "Bemessen" bedeutet, dass die Geometrie der Düse, also ihre Länge und ihr Querschnitt, und die Geometrie des durch die gestrichelte dünne Linie symbolisierten Laserstrahls L so aufeinander abgestimmt sind, dass die "Mantelfläche" des Laserstrahls L im Bereich der Düse 7 nicht mit der Mantelfläche des Flüssigkeitsstrahls interagiert. Es ist klar, dass dies sowohl durch Anpassung der Düsengeometrie als auch der Strahlgeometrie erfolgen kann. Die genaue Ausgestaltung hängt von den jeweiligen gewünschten Parametern wie Strömungsgeschwindigkeit, Viskosität, Flussrate, Querschnitt im Fokuspunkt etc. ab. Sie muss demnach vom Fachmann angepasst werden, was denselben jedoch vor keinerlei Probleme stellen wird. According to a further, not shown embodiment, the device additionally has a workpiece support. The workpiece support serves to receive the workpiece 2. With it, the workpiece 2 can be positioned such that the liquid film F 'can form in the machining gap 3' between its workpiece surface 2 'and the nozzle end face 7'. For this purpose, the support distance between the nozzle end face 7 'and workpiece support is preferably adjustable. The support distance is therefore, at least for a flat, flat workpiece 2, the sum of the workpiece thickness and thickness of the liquid film F 'or machining gap 3'. As can be seen, the nozzle 7 is dimensioned according to the preferred embodiment shown in the figure such that it can be irradiated by the laser beam L in a direct way and thus without reflection thereof on its inner wall. "Sizing" means that the geometry of the nozzle, ie its length and cross section, and the geometry of the symbolized by the dashed thin line laser beam L are coordinated so that the "lateral surface" of the laser beam L in the nozzle 7 not with the lateral surface of the liquid jet interacts. It is clear that this can be done both by adjusting the nozzle geometry and the beam geometry. The exact configuration depends on the respective desired parameters such as flow velocity, viscosity, flow rate, cross section in the focal point, etc. It must therefore be adapted by the expert, but this will not pose any problems.
Nach der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist die Düse 7 derart bemessen, dass die Fokusebene, also die Ebene, in welcher der "Brennfleck" des Laserstrahls L liegt, auf der Werkstückoberfläche 2' positioniert ist. Das bedeutet, dass der Laserstrahl L zu einer maximalen Wärmeentwicklung am Wirkort führt. Es ist klar, dass sich auch hier der Begriff "bemessen" auf eine Abstimmung von Düsengeometrie und Laserstrahl bezieht, wie sie bereits weiter oben beschrieben wurde. Durch die Verwendung eines Laserstrahls L, dessen Fokusebene am Wirkort, also der Werkstückoberfläche 2', liegt, ist es möglich, dass die Einstellung der Größe des Wirkorts auf der Werkstückoberfläche 2 ' ausschließlich mittels der Fokussierung des Laserstrahls L erfolgt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren aus dem Stand der Technik, bei denen ein Laserstrahl mittels an den Innenseiten eines Flüssigkeitsstrahls auftretender Totalreflexion geführt wird, da hier Breite des Flüssigkeits- und Laserstrahls miteinander korrelieren oder sich gegenseitig beeinflussen. Sind kleine Wirkort-Abmessungen gewünscht, müssen auch dünne Flüssigkeitsstrahlen verwendet werden. Dünne Flüssigkeitsstrahlen müssen jedoch zur Erreichung einer ausreichenden Stabilität schnell strömen, was aber zu einer erhöhten Tröpfchenbildung an der (mit Luft in Kontakt kommenden) Düsenspitze führt. Da die Größe derartiger Tröpfchen nicht proportional mit steigender Strömungsgeschwindigkeit abnimmt, sondern im Wesentlichen unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit gleich bleibt, nimmt die Größe der Tröpfchen und somit ihre Störwirkung relativ zum dünner werdenden Flüssigkeitsstrahl zu, was zu einer Verschlechterung der Strahlqualität des Flüssigkeits- und somit des Laserstrahls am Wirkort führt. Diese Problematik wird mit der vorliegenden Vorrichtung wirksam vermieden. Nach der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Düse 7 rund oder schlitzförmig ausgebildet, und/oder sie weist eine plattenförmige Stirnfläche 7' auf. Untersuchungen haben ergeben, dass schon die sehr einfache und einfach herzustellende runde (zylindrische oder kegelförmig sich verjüngende) Düsenform zu guten Ergebnissen führt, und dass insbesondere Düsenformen, welche ein sich zum Ausgang hin aufweitendes Ende aufweisen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, zu keinen besseren oder gar zu schlechteren Ergebnissen führen können. Die alternative schlitzförmige Ausgestaltung weist einen lang gestreckten Kanal mit einem rechteckigen Querschnitt auf, der eine kurze und eine lange Seite hat. Durch die optional plattenförmige Ausgestaltung der Stirnfläche 7 ' der Düse 7 wird die Bildung des homogenen Flüssigkeitsfilms F' unterstützt. Dieser soll nicht nur den unmittelbaren Wirkort (Brennfleck des Laserstrahls L) bedecken, sondern mindestens die Querschnittsflä¬ che der Düse 7 und somit des Flüssigkeitsstrahls aufweisen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass auch der Spitzenbereich des Laserstrahls L, welcher sich nicht mehr im (weitgehend innerhalb der Düse 7 verlaufenden) Flüssigkeitsstrahl, sondern bereits im Bearbeitungsspalt 3' befindet (restlicher Abschnitt des Flüssigkeitsstrahls), vor Umgebungseinflüssen geschützt ist. According to the illustrated, preferred embodiment, the nozzle 7 is dimensioned such that the focal plane, ie the plane in which the "focal spot" of the laser beam L lies, is positioned on the workpiece surface 2 '. This means that the laser beam L leads to a maximum heat development at the site of action. It is clear that the term "measured" also refers here to a tuning of the nozzle geometry and laser beam, as already described above. By using a laser beam L whose focal plane is at the site of action, ie the workpiece surface 2 ', it is possible that the adjustment of the size of the active site on the workpiece surface 2' exclusively by means of focusing the laser beam L. This is a significant advantage over known devices and methods of the prior art, in which a laser beam is guided by means occurring on the insides of a liquid jet total reflection, since here width of the liquid and laser beam Correlate or influence each other. If small site dimensions are desired, thin liquid jets must also be used. However, thin jets of liquid must flow rapidly to achieve sufficient stability, but this results in increased droplet formation on the (air contacting) nozzle tip. Since the size of such droplets does not decrease proportionally with increasing flow velocity, but remains essentially independent of the flow velocity, the size of the droplets and thus their interference increases relative to the thinning liquid jet, resulting in a deterioration of the beam quality of the liquid and thus the Laser beam leads at the site of action. This problem is effectively avoided with the present device. According to the illustrated preferred embodiment, the nozzle 7 is round or slit-shaped, and / or it has a plate-shaped end face 7 '. Studies have shown that even the very simple and easy to produce round (cylindrical or conically tapered) nozzle shape leads to good results, and that in particular nozzle shapes, which have a widening towards the output end, as are known in the prior art , can not lead to better or even worse results. The alternative slot-shaped configuration has an elongated channel with a rectangular cross-section, which has a short and a long side. The optional plate-shaped configuration of the end face 7 'of the nozzle 7, the formation of the homogeneous liquid film F' is supported. This should not only cover the immediate site of action (focal spot of the laser beam L), but at least the Querschnittsflä ¬ surface of the nozzle 7 and thus the liquid jet have. In this way, it is ensured that the tip region of the laser beam L, which is no longer in the (substantially within the nozzle 7) liquid jet, but already in Machining gap 3 'is located (remaining portion of the liquid jet), protected from environmental influences.
Insbesondere für den Fall einer (nicht gezeigten) schlitzförmigen Ausgestaltung der Düse 7 ist es bevorzugt, dass nicht nur ein einziger, sondern dass mehrere Laserstrahlen L in die Düse 7 eingekoppelt werden. Diese können fächerartig, ähnlich den Zinken eines Rechens, von einem gemeinsamen Ort ausgehen, der am Beginn der Düse 7 liegt, oder der im Bereich der Linse 9 oder einer komplexeren optischen Einheit angeordnet ist. Alternativ können die Laserstrahlen L aber auch parallel, ähnlich den Zinken eines Kamms, zueinander durch die Düse 7 laufen. Auf diese Weise lässt sich in einem Arbeitsgang ein Linienmuster erzeugen, und/oder eine flächige Bearbeitung erzielen. Durch Kopplung der einzelnen Laserstrahlen L mit Galvoköpfen (nicht dargerstellt ) lassen sich auf einfache Weise sowohl nicht-lineare Linienmuster erzeugen, als auch Flächen variabler Breite auf der Werkstückoberfläche 2 ' bearbeiten . In particular, in the case of a (not shown) slit-shaped configuration of the nozzle 7, it is preferred that not only a single, but that a plurality of laser beams L are coupled into the nozzle 7. These can fan out, similar to the tines of a rake, from a common location, which is located at the beginning of the nozzle 7, or which is arranged in the region of the lens 9 or a more complex optical unit. Alternatively, however, the laser beams L can also run parallel to one another through the nozzle 7, similar to the tines of a comb. In this way, it is possible to generate a line pattern in one operation and / or to achieve a surface treatment. By coupling the individual laser beams L with galvo heads (not shown), both non-linear line patterns can be generated in a simple manner, as can surfaces of variable width on the workpiece surface 2 '.
Die in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform zeigt, dass der Nassbereich 4 eine scheibenförmige Flüssigkeitskammer 10 umfasst. Sie wird vorzugsweise durch eine diese ringförmig umgebende Versorgungsleitung (nicht dargestellt) gespeist, über welche die Flüssigkeit F unter allseits gleichem Druck aus dem Flüssigkeitszuführbereich 6 symmetrisch in die im Zentrum der Flüssigkeitskammer 10 beginnende Düse 7 einströmen kann. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige, möglichst laminare Strömung des Flüssigkeitsstrahls erreichbar. The preferred embodiment shown in the figure shows that the wet area 4 comprises a disk-shaped liquid chamber 10. It is preferably fed by a supply line (not shown) which surrounds this in a circular manner, via which the liquid F can flow symmetrically out of the liquid feed region 6 into the nozzle 7 beginning in the center of the liquid chamber 10 under the same pressure. In this way, a uniform, laminar as possible flow of the liquid jet can be achieved.
Wie zuvor erwähnt, ist der Bearbeitungsabstand 3 mittels Variation des Flüssigkeitsimpulses, welcher sich aufgrund der aus der Düse 7 ausströmenden und auf die Werkstückoberfläche 2 ' auftreffenden Flüssigkeit F ergibt, einstellbar. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass sich unter Umständen das unter dem Namen "Bernoulli-Effekt " bekannte hydrodynamische Paradoxon einstellt. Nach diesem Effekt wird unterhalb eines Mindestabstandes ein angeströmter Körper in Richtung der ihn anströmenden Düse bewegt. Dieser Effekt kann jedoch gewünschtenfalls gerade zur Stabilisierung des Bearbeitungsabstandes 3 eingesetzt werden. Dem Fachmann ist es ohne weiteres möglich, die Geometrie- und Druckverhältnisse so einzustellen, dass sich die Erfindung in beschriebener Weise verwirklichen lässt, weswegen auf eine detaillierte Beschreibung der entsprechenden Möglichkeiten verzichtet wird. As mentioned above, the machining distance 3 is adjustable by means of variation of the liquid pulse, which results from the liquid F flowing out of the nozzle 7 and impinging on the workpiece surface 2 '. However, it must be ensured that the hydrodynamic paradox known as the "Bernoulli effect" may occur. After this effect will be below a minimum distance streamed body in the direction of him flowing nozzle moves. However, if desired, this effect can be used just to stabilize the machining distance 3. It is readily possible for the person skilled in the art to set the geometry and pressure conditions in such a way that the invention can be realized in the manner described, for which reason a detailed description of the corresponding possibilities is dispensed with.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkzeugkopf 1 eine in der Figur rechts oberhalb der Trennschicht 8 symbolisch dargestellte Feder 11 oder ein gleichwirkendes Mittel, welche bzw. welches an einem ebenfalls symbolisch gezeigten Widerlager (ohne Bezugszeichen) fixiert ist. An der Feder 11 ist der Werkzeugkopf federnd gelagert. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach die im vorhergehenden Absatz beschriebene Einstellbarkeit des Bearbeitungsabstandes 3 realisieren . According to a particularly preferred embodiment, the tool head 1 comprises a spring 11 shown symbolically in the figure above the separating layer 8 or an equivalent means which is fixed to an abutment (also not shown) likewise shown symbolically. On the spring 11 of the tool head is resiliently mounted. In this way it is particularly easy to realize the adjustability of the machining distance 3 described in the preceding paragraph.
Die Figur 1 zeigt außerdem schematisch eine bevorzugt vorhandene Linse 9, welche zur Fokussierung des Laserstrahls L eingesetzt wird. Es ist klar, dass ggf. entsprechende Halterungen notwendig sind, und dass neben einer einfachen Linse 9 auch komplexere optische Einheiten Teil des Werkzeugkopfes 1 sein können. Alternativ können die optischen Komponenten dem Werkzeugkopf 1 funktional zugeordnet und an ihn ankoppelbar sein. FIG. 1 also shows schematically a preferred lens 9 which is used to focus the laser beam L. It is clear that, if necessary, corresponding holders are necessary, and that in addition to a simple lens 9, even more complex optical units can be part of the tool head 1. Alternatively, the optical components can be assigned functionally to the tool head 1 and coupled to it.
Bezugs zeichenlisteReference sign list
1 Werkzeugkopf 1 tool head
2 Werkstück  2 workpiece
2 ' Werkstückoberfläche  2 'workpiece surface
3 Bearbeitungsabstand 3 machining distance
3' Bearbeitungsspalt  3 'machining gap
4 Nassbereich  4 wet area
5 Trockenbereich  5 dry area
6 Flüssigkeitszuführbereich  6 liquid feed area
7 Düse 7 nozzle
7' Düsen-Stirnfläche, Stirnfläche 7 'nozzle face, face
8 Trennschicht 8 separating layer
9 Linse  9 lens
10 Flüssigkeitskammer  10 fluid chamber
11 Feder 11 spring
F Flüssigkeit  F liquid
F' Flüssigkeitsfilm  F 'liquid film
L Laserstrahl  L laser beam

Claims

Patentansprüche  claims
Verfahren zur laser- und flüssigkeitsbasierten Behandlung eines Werkstücks (2) mit einem Werkzeugkopf (1), der in einem Bearbeitungsabstand (3) von der Werkstückoberfläche (2 ' ) angeordnet ist, umfassend die folgenden Schritte: Method for the laser and liquid-based treatment of a workpiece (2) with a tool head (1) which is arranged at a machining distance (3) from the workpiece surface (2 '), comprising the following steps:
- Eingeben von Flüssigkeit (F) durch einen in einem Nassbereich (4) angeordneten Flüssigkeitszuführbereich (6); - introducing liquid (F) through a liquid feed area (6) arranged in a wet area (4);
- Erzeugen eines Flüssigkeitsstrahles durch Ausgeben der Flüssigkeit (F) durch eine ebenfalls im Nassbereich (4) angeordnete Düse (7) in Richtung der Werkstückoberfläche (2') ; - Generating a liquid jet by discharging the liquid (F) by a likewise in the wet area (4) arranged nozzle (7) in the direction of the workpiece surface (2 ');
- Einstrahlen mindestens eines fokussierten Laserstrahls (L) von einem Trockenbereich (5) aus in die Düse (7) in Richtung der Werkstückoberfläche (2'); - irradiating at least one focused laser beam (L) from a drying area (5) into the nozzle (7) in the direction of the workpiece surface (2 ');
- Einstellen des Bearbeitungsabstandes (3) zwischen Werkzeugkopf (1) und Werkstückoberfläche (2'); - Setting the machining distance (3) between the tool head (1) and workpiece surface (2 ');
wobei der Flüssigkeitsstrahl auf einem ersten Abschnitt seiner gesamten Länge von der Düse (7) umschlossen ist, und der Bearbeitungsabstand (3) dergestalt eingestellt wird, dass sich zwischen Düsen-Stirnfläche (7') und Werkstückoberfläche (2') ein Bearbeitungsspalt (3') bildet, welcher zumindest im Bereich des mindestens einen Laserstrahls (L) mit einem Flüssigkeitsfilm (F') ausgefüllt ist, so dass der Flüssig¬ keitsstrahl auf seinem restlichen Abschnitt von diesem Flüssigkeitsfilm (F') umgeben und geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand (3) über den Druck der Flüssigkeit (F) reguliert wird. wherein the liquid jet is enclosed on a first portion of its entire length by the nozzle (7), and the processing distance (3) is adjusted such that between the nozzle end face (7 ') and workpiece surface (2') a machining gap (3 '; ), which is filled at least in the region of the at least one laser beam (L) with a liquid film (F '), so that the liquid ¬ keitsstrahl is surrounded on its remaining portion of this liquid film (F') and protected, characterized in that the machining distance (3) is regulated by the pressure of the liquid (F).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fokusebene des Laserstrahls (L) derart eingestellt ist, dass der Laserstrahl (L) auf direktem Wege ohne Reflexion am Flüssigkeitsstrahl zum auf der Werkstückoberfläche (2') liegenden Wirkort gelangt . The method of claim 1, wherein the focal plane of the laser beam (L) is set such that the laser beam (L) directly on the way without reflection on the liquid jet comes to the workpiece surface (2 ') lying action.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fokusebene des Laserstrahls (L) derart eingestellt ist, dass sie auf der Werkstückoberfläche (2') liegt.  The method of claim 1 or 2, wherein the focal plane of the laser beam (L) is set so that it lies on the workpiece surface (2 ').
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungsspalt (3') zwischen 0,01 und 5 mm, und bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt und besonders bevorzugt 0,2 mm beträgt, oder wobei er zwischen 5% und 500%, und bevorzugt zwischen 20% und 100% des kleinsten Düsenquerschnittsmaßes liegt und besonders bevorzugt 50% des kleinsten Düsenquer¬ schnittsmaßes beträgt. Method according to one of the preceding claims, wherein the machining gap (3 ') is between 0.01 and 5 mm, and preferably between 0.1 and 0.5 mm, and particularly preferably 0.2 mm, or between 5% and 500%, and preferably between 20% and 100% of the smallest Düsenquerschnittsmaßes and is particularly preferably 50% of the smallest Düsenquer ¬ cut measure.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit (F) unter allseits gleichem Druck aus dem Flüssigkeitszuführbereich (6) in die Düse (7) einströmt.  Method according to one of the preceding claims, wherein the liquid (F) flows from the liquid feed region (6) into the nozzle (7) under the same pressure.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Flüssigkeit (F) eine Ätzflüssigkeit ist und das Verfahren zur Strukturierung einer Silizium umfassenden Oberfläche verwendet wird, oder wobei die Flüssigkeit (F) mindestens einen Dotierstoff enthält und das Verfahren zum Dotieren von einer Silizium umfassenden Oberfläche verwendet wird. Method according to one of claims 1 to 5, wherein the liquid (F) is an etching liquid and the method is used to pattern a surface comprising silicon, or wherein the liquid (F) contains at least one dopant and the method for doping a silicon comprehensive surface is used.
Werkzeugkopf (1) zur Durchführung des Verfahrens zur laser¬ und flüssigkeitsbasierten Behandlung eines Werkstücks (2) gemäß Definition in einem der Ansprüche 1 bis 6. Tool head (1) for carrying out the method for the laser- and liquid-based treatment of a workpiece (2) as defined in any one of claims 1 to 6.
Werkzeugkopf (1) nach Anspruch 7, umfassend einen Nassbereich (4), in welchen Flüssigkeit (F) durch einen Flüssigkeitszu¬ führbereich (6) eingebbar und aus welchem diese Flüssigkeit (F) durch eine ebenfalls im Nassbereich (4) angeordnete Düse (7) ausgebbar ist, sowie einen Trockenbereich (5), von dem aus mindestens ein fokussierter Laserstrahl (L) in die Düse (7) einstrahlbar ist, so dass mit der Düse (7) ein Flüssig¬ keitsstrahl formbar ist, mittels welchem der Laserstrahl (L) umschließbar ist, wobei die Länge der Düse (7) derart bemessen ist, dass der Flüssigkeitsstrahl auf einem ersten Abschnitt seiner gesamten Länge von der Düse (7) umschließbar ist, so dass er vollständig in ihrem Inneren verlaufen kann, und wobei im Bearbeitungsabstand (3) zwischen Düsen- Stirnfläche (7') und Werkstückoberfläche (2') ein Bearbei¬ tungsspalt (3') formbar ist, welcher zumindest im Bereich des mindestens einen Laserstrahls (L) von einem Flüssigkeitsfilm (F') ausfüllbar ist, so dass der Flüssigkeitsstrahl auf seinem restlichen Abschnitt von diesem Flüssigkeitsfilm (F') umgebbar und schützbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsabstand (3) mittels Variation des Flüssigkeits¬ impulses, der sich aufgrund der aus der Düse (7) ausströmenden Flüssigkeit (F) ergibt, einstellbar ist. Tool head (1) according to claim 7, comprising a wet section (4) in which liquid (F) through a fluid supply ¬ lead-in area (6) entered and from which this liquid (F) by a likewise in the wet area (4) arranged nozzle (7 ) can be dispensed, and a drying area (5), from which at least one focused laser beam (L) in the nozzle (7) can be irradiated, so that with the nozzle (7) a liquid ¬ keitsstrahl is malleable, by means of which the laser beam ( L) is encompassable, wherein the length of the nozzle (7) in such a way is dimensioned so that the liquid jet on a first portion of its entire length from the nozzle (7) is encompassed so that it can run completely in its interior, and wherein at the machining distance (3) between the nozzle end face (7 ') and workpiece surface ( 2 ') a machining ¬ tung gap (3') is formable, which at least in the region of the at least one laser beam (L) from a liquid film (F 'can be filled), so that the liquid jet (on its remaining portion of this liquid film F') is umbar and protectable, characterized in that the machining distance (3) by means of variation of the liquid ¬ pulse, which results from the nozzle (7) effluent liquid (F), is adjustable.
Werkzeugkopf (1) nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend eine Werkstückauflage, wobei der Auflageabstand zwischen Düsen-Stirnfläche (7') und Werkstückauflage einstellbar ist. Tool head (1) according to claim 7 or 8, further comprising a workpiece support, wherein the support distance between the nozzle end face (7 ') and workpiece support is adjustable.
Werkzeugkopf (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Düse (7) eine plattenförmige Stirnfläche (7') aufweist. Tool head (1) according to one of claims 7 to 9, wherein the nozzle (7) has a plate-shaped end face (7 ').
Werkzeugkopf (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei dessen Nassbereich (4) eine scheibenförmige Flüssigkeitskammer (10) und eine diese ringförmig umgebende Versorgungslei¬ tung umfasst, über welche die Flüssigkeit (F) unter allseits gleichem Druck aus dem Flüssigkeitszuführbereich (6) symmetrisch in die im Zentrum der Flüssigkeitskammer (10) beginnende Düse (7) einströmen kann. Tool head (1) according to one of claims 7 to 10, wherein the wet area (4) comprises a disk-shaped liquid chamber (10) and this annularly surrounds Versorgungslei ¬ tung, through which the liquid (F) on all sides the same pressure from the Flüssigkeitszuführbereich (6 ) can flow symmetrically into the beginning in the center of the liquid chamber (10) nozzle (7).
Werkzeugkopf ( 1 ) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, welcher federnd gelagert ist. Tool head (1) according to one of claims 7 to 11, which is spring-mounted.
PCT/EP2012/060535 2011-07-20 2012-06-04 Laser head WO2013010713A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011107982A DE102011107982A1 (en) 2011-07-20 2011-07-20 Tool head (LCP head)
DE102011107982.7 2011-07-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013010713A1 true WO2013010713A1 (en) 2013-01-24

Family

ID=46275817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/060535 WO2013010713A1 (en) 2011-07-20 2012-06-04 Laser head

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE102011107982A1 (en)
TW (1) TW201313373A (en)
WO (1) WO2013010713A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6965094B2 (en) * 2017-10-17 2021-11-10 株式会社ディスコ Laser processing equipment
JP6907091B2 (en) * 2017-10-19 2021-07-21 株式会社ディスコ Laser processing equipment
JP6998178B2 (en) * 2017-11-07 2022-01-18 株式会社ディスコ Laser processing equipment
JP7201343B2 (en) * 2018-06-19 2023-01-10 株式会社ディスコ Laser processing equipment

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0762947B1 (en) 1994-05-30 2003-03-26 Synova S.A. Device for machining material with a laser
WO2005120763A2 (en) * 2004-06-11 2005-12-22 Exitech Limited Process and apparatus for ablation
EP1657020A1 (en) 2004-11-10 2006-05-17 Synova S.A. Process and device for optimising the coherence of a fluidjet used for materialworking and fluid flow nozzle for such a device
DE102006003606A1 (en) 2006-01-25 2007-07-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for structuring a surface layer on a substrate used in micro-structuring comprises guiding a liquid jet directed onto the surface layer over the regions of the layer to be removed
DE102006003607A1 (en) 2006-01-25 2007-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for localized doping of solid substrates, e.g. silicon substrates, comprises spraying surface of substrate with stream of liquid containing dopant, surface being treated locally before or during spraying with laser beam
EP1940579B1 (en) 2005-05-17 2010-06-23 Technikus Ag Method for material working by means of a laser guided in a water jet and device for carrying out said method
WO2011004437A1 (en) * 2009-07-10 2011-01-13 三菱電機株式会社 Laser processing method and apparatus

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS608147B2 (en) * 1982-06-18 1985-03-01 日本電信電話株式会社 Solid processing methods
JPS6130672A (en) * 1984-07-23 1986-02-12 Hitachi Ltd Selective processing method
JPH0399790A (en) * 1989-09-13 1991-04-24 Fujitsu Ltd Laser beam machine
JP2008006471A (en) * 2006-06-29 2008-01-17 Sugino Mach Ltd Laser beam machining device
US20080067159A1 (en) * 2006-09-19 2008-03-20 General Electric Company Laser processing system and method for material processing

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0762947B1 (en) 1994-05-30 2003-03-26 Synova S.A. Device for machining material with a laser
WO2005120763A2 (en) * 2004-06-11 2005-12-22 Exitech Limited Process and apparatus for ablation
EP1657020A1 (en) 2004-11-10 2006-05-17 Synova S.A. Process and device for optimising the coherence of a fluidjet used for materialworking and fluid flow nozzle for such a device
EP1940579B1 (en) 2005-05-17 2010-06-23 Technikus Ag Method for material working by means of a laser guided in a water jet and device for carrying out said method
DE102006003606A1 (en) 2006-01-25 2007-07-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for structuring a surface layer on a substrate used in micro-structuring comprises guiding a liquid jet directed onto the surface layer over the regions of the layer to be removed
DE102006003607A1 (en) 2006-01-25 2007-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method for localized doping of solid substrates, e.g. silicon substrates, comprises spraying surface of substrate with stream of liquid containing dopant, surface being treated locally before or during spraying with laser beam
WO2011004437A1 (en) * 2009-07-10 2011-01-13 三菱電機株式会社 Laser processing method and apparatus
US20120074105A1 (en) * 2009-07-10 2012-03-29 Mitsubishi Electric Corporation Laser machining method and apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
TW201313373A (en) 2013-04-01
DE102011107982A1 (en) 2013-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1750894B1 (en) Laser machining of a workpiece
DE602005005464T2 (en) Method and device for the laser cutting of articles, in particular sanitary products and their components, with a laser focus point diameter of 0.1 to 0.3 mm
DE102015202347A1 (en) Irradiation device, processing machine and method for producing a layer of a three-dimensional component
DE102009021448B3 (en) Device for peripheral processing of workpieces, comprises an optical system having an optical axis that emits a beam bundle along the optical axis, and/or a peripheral mirror system axis that has a workpiece axis around the workpiece
EP1860075A1 (en) Method and device for cutting edges of a float glass sheet
DE10045191A1 (en) Method and device for real-time control of the beam characteristics in a machine tool equipped with a laser
EP2699378B1 (en) Optical system for an installation for processing thin-film layers
DE112013005058T5 (en) Laser beam processing method and laser beam irradiation apparatus
WO2018219710A1 (en) Method for the deep welding of a workpiece, with distribution of the laser power over a number of focal points
WO2013010713A1 (en) Laser head
DE102018111543A1 (en) Method and device for thickness control of a material band
EP4013716A1 (en) Method for machining a workpiece
DE102016213802A1 (en) Disconnect with laser radiation
DE102004042337A1 (en) Apparatus and method for homogenizing laser radiation and a laser system using such a device and such a method
DE102017202426A1 (en) TLS method and TLS device
DE102019219121A1 (en) Process for removing material from a surface
EP2750891B1 (en) Method for producing a printing stencil for technical printing, and printing stencil for technical printing
EP2477568B1 (en) Laser beam aligning unit and laser treatment device for treating a material
WO2023110816A2 (en) Method and device for producing at least one hollow structure, mirror, euv lithography system, fluid supply device and method for supplying a fluid
DE102015212284A1 (en) Apparatus and method for powder-based laser deposition welding
WO2019180015A1 (en) Method for processing a workpiece by means of irradiation with laser radiation, and device therefor
WO2011124627A9 (en) Method for fracture splitting workpieces, workpiece and laser unit
WO2022033923A1 (en) Apparatus for generating a defined laser line on a working plane
DE102014117613A1 (en) Laser arrangement and method for examining an object
EP3342508B1 (en) Device for the generative production of workpieces

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12727353

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12727353

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1