DE10328534A1

DE10328534A1 - Laser removal of materials transparent for the laser beam used comprises contacting an incident laser beam after penetrating the transparent material with surface of the transparent material, and further processing

Info

Publication number: DE10328534A1
Application number: DE10328534A
Authority: DE
Inventors: Klaus Zimmer; Rico Böhme
Original assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: DE10328534B4

Abstract

Process for the laser removal of materials transparent for the laser beam used comprises contacting an incident laser beam after penetrating the transparent material, which is tempered on the side of the inlet of the laser beam, with surface of the transparent material lying opposite the inlet side on a layer absorbed on this surface, renewing the adsorbate layer, sufficiently absorbing the laser beam and removing the transparent material by the absorbed laser beam. An independent claim is also included for a device for carrying out the process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum präzisen Abtrag von lichtdurchlässigen Materialien mittels eines gepulsten Laserstrahles durch die Bestrahlung einer adsorbierten Schicht, die auf der gegenüber der Eintrittsseite des Laserstrahls liegenden Materialoberfläche zur Wirkung kommt.The The invention relates to a method for the precise removal of translucent materials by means of a pulsed laser beam by the irradiation of a adsorbed layer on the opposite side of the inlet Laser beam lying material surface comes into effect.

Der laserinduzierte Materialabtrag durch Bestrahlung einer Festkörperoberfläche ist gut bekannt und kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Der Abtrag kann dabei auf physikalischem und/oder chemischem Wege erfolgen. Tragen überwiegend chemische Reaktionen unter Stoffwandlung zum Abtrag bei, spricht man von Laserätzen. Bei der Laserablation überwiegt ein oftmals physikalisch wirkender Abtrag, bei dem durch die Einstrahlung gepulster Laserstrahlung das Material explosionsartig entfernt wird.Of the laser-induced material removal by irradiation of a solid surface is well known and can be realized in different ways. The removal can be done physically and / or chemically respectively. Wear predominantly chemical reactions under metabolic conversion to, speaks one from laser etching. In laser ablation predominates an often physically acting removal, in which by the irradiation pulsed laser radiation, the material is removed explosively.

Es ist bekannt, dass Polymere (z. B. Polyimid) mit ultraviolettem Licht abgetragen werden können und dabei vor allem gepulste Lichtquellen mit üblichen Pulslängen kürzer als 1 μs, so beispielsweise Excimer-Laser und frequenzvervielfachte Nd-YAG-Laser, eingesetzt werden. Bei gepulster Laserbestrahlung muss üblicherweise eine Schwellenergiedichte aufgebracht und überschritten werden, um einen merklichen Materialabtrag, der in diesem Zusammenhang als Ablation bezeichnet wird, zu erreichen, wie in R. Srinivasan in J.C. Miller (Ed.), Laser Ablation, Springer Series in Mat. Science 28, 107–133 (1994) dargestellt ist. Die Schwellenergiedichte für übliche Polymere mit ausreichender Absorption liegt im Bereich von 10 bis 300 mJ/cm² pro Laserimpuls. In 1 ist beispielhaft die Ablationsrate Ra als Funktion der eingestrahlten Laserenergiedichte H für ein typisches Polymer dargestellt und die Schwellenenergiedichte H_th, gekennzeichnet. Wie zu erkennen ist, nimmt die Ablationsrate mit steigender Laserfluenz stetig zu. Für anorganische Materialien ist ein ähnliches Verhalten des Ablationsprozesses bekannt, bei dem jedoch die Schwellenenergiedichten wesentlich über 1 J/cm² liegen.It is known that polymers (for example polyimide) can be removed with ultraviolet light and, above all, pulsed light sources with standard pulse lengths shorter than 1 μs, for example excimer lasers and frequency-multiplied Nd-YAG lasers, are used. In pulsed laser irradiation, it is usually necessary to apply and exceed a threshold energy density to achieve significant ablation, referred to herein as ablation, as described in R. Srinivasan in JC Miller (Ed.), Laser Ablation, Springer Series in Mat. Science 28, 107-133 (1994). The threshold energy density for conventional polymers with sufficient absorption is in the range of 10 to 300 mJ / cm ² per laser pulse. In 1 For example, the ablation rate Ra is shown as a function of the irradiated laser energy density H for a typical polymer and the threshold energy density H _th . As can be seen, the ablation rate increases steadily with increasing laser fluence. For inorganic materials, a similar behavior of the ablation process is known, but in which the threshold energy densities are substantially greater than 1 J / cm ² .

In DE 69 113 845 T2 wird ein Verfahren vorgeschlagen, dass die beim Kollaps von Gasblasen entstehende mechanische Energie für den Materialabtrag nutzt, gleichzeitig aber die Herausbildung großer Blasen sowie die Veränderungen der Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials durch die geeignete Wahl der Laserenergie vermeidet. Es wird dabei vorausgesetzt, dass das zu ätzende Material die Laserstrahlung absorbiert, aber die verwendete Flüssigkeit hingegen transparent ist. DE 199 128 79 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ätzen eines durchsichtigen Stoffes mit einem gepulsten Laserstrahl, bei dem die der laserbestrahlten Oberfläche gegenüberliegende Seite des Materials, die in Kontakt mit einem die Laserstrahlung absorbierenden Fluid ist, durch Absorption der Laserstrahlung durch das Fluid abgetragen wird. Als Fluid wird ein Bad einer Lösung oder Dispersion von organischen Stoffen und anorganischen Pigmenten vorgeschlagen. DE 101 303 49 A1 schlägt ebenfalls die Nutzung von Flüssigkeiten zum Ätzen von Feststoffen vor. Allerdings sollen bei der Anwendung von gepulster Laserstrahlung nicht einfache Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, sondern es werden fluorhaltige Kohlenwasserstoffe verwendet, die bei Laserbestrahlung der Fest-Flüssig-Grenzfläche ätzende Fluorkomponenten liefern, die das Material angreifen und abtragen. Diese Fluorkohlenwasserstoffe können auch in überkritischer Phase bereitgestellt werden. Um ausreichend hohe Absorptionskoeffizienten zu erreichen, können Hilfsstoffe (I₂, Br) beigefügt werden.In DE 69 113 845 T2 A method is proposed which uses the mechanical energy generated during the collapse of gas bubbles to remove material, while at the same time avoiding the formation of large bubbles and the changes in the properties of the material to be processed by a suitable choice of the laser energy. It is assumed that the material to be etched absorbs the laser radiation, but the liquid used is transparent. DE 199 128 79 A1 describes a method for etching a transparent substance with a pulsed laser beam, in which the side of the material opposite the laser-irradiated surface, which is in contact with a fluid absorbing the laser radiation, is ablated by absorption of the laser radiation by the fluid. As the fluid, a bath of a solution or dispersion of organic matter and inorganic pigments is proposed. DE 101 303 49 A1 also suggests the use of liquids to etch solids. However, in the application of pulsed laser radiation not simple hydrocarbons are used, but there are fluorine-containing hydrocarbons used which deliver laser etching of the solid-liquid interface corrosive fluorine components that attack and ablate the material. These fluorocarbons can also be provided in supercritical phase. In order to achieve sufficiently high absorption coefficients, adjuvants (I ₂ , Br) can be added.

Die Anwendung von Adsorbatschichten zur Abscheidung von dünnen Filmen mittels Laserstrahls ist bekannt, beispielsweise D. Bäuerle, Laser processing and chemistry, 2^nd Ed. Springer Berlin 1996. Dabei führt eine chemische Reaktion zur Abscheidung einer Schicht, deren Bestandteile aus der Adsorbatschicht hervorgehen. Die Anwendung von Adsorbatschichten zum Laserätzen ist ebenfalls bekannt. In T. Meguro and Y. Aoyagi: Digital etching of GaAs, Appl. Surf. Sci. 112, 55 (1997) wird ein Schichtabtrag von GaAs unter Einwirkung von Chlorgas und pulsförmiger Laserbestrahlung beschrieben. Hierbei führt jedoch die Bestrahlung des absorbierenden Substrates durch die Gasphase zum Abtrag des Materials auf der Seite der Laserbestrahlung.The use of adsorbate layers to deposit thin films by laser beam is known, for example, D. Bäuerle, Laser Processing and Chemistry, 2 ^nd Ed. Springer Berlin 1996. In this case, a chemical reaction leads to the deposition of a layer, the components of which emerge from the adsorbate layer. The use of adsorbate layers for laser etching is also known. In T. Meguro and Y. Aoyagi: Digital etching of GaAs, Appl. Surf. Sci. 112, 55 (1997) describes a layer removal of GaAs under the influence of chlorine gas and pulsed laser irradiation. In this case, however, the irradiation of the absorbent substrate by the gas phase leads to the removal of the material on the side of the laser irradiation.

Übliche Lasermethoden weisen eine hohe Abtragsrate auf, die aber keine präzise Materialbearbeitung ermöglichen. Dabei kommt es zur Ausbildung von Oberflächenveränderungen im Bereich des Laserabtrags. Auch die den bestrahlten Bereich umgebenden Gebiete können Veränderungen durch den Abtragsprozess ausgesetzt sein. Bei vielen Verfahren verbleiben Rückstände des abgetragenen Materials auf der Oberfläche oder in verwendeten Hilfsmitteln zurück. Diese Veränderungen der Oberfläche sind für technische Anwendungen oftmals nicht erwünscht und können lokal zu einer Prozessveränderung führen. Die Wechselwirkungsprozesse mit dem Laserstrahl werden eben durch diese veränderten Umgebungsbedingungen beeinflusst und vermindern die Genauigkeit der Bearbeitung und können auch zu Rauigkeiten führen.Usual laser methods have a high removal rate, but no precise material processing enable. This leads to the formation of surface changes in the area of laser ablation. The areas surrounding the irradiated area can also be changed be exposed by the removal process. For many procedures remain Residues of the eroded material on the surface or in auxiliaries used back. These changes the surface are for Technical applications are often undesirable and can be local to a process change to lead. The interaction processes with the laser beam are just going through these changed Ambient conditions affect and reduce the accuracy of editing and can also lead to roughness.

Weiterhin ist bekannt, dass es bei Zuführung von Energie in Flüssigkeiten zur Ausbildung von Blasen und in der Folge auch von Kavitäten kommt. Die Kavitätenbildung kann auch in der Nähe von Festkörpern bei der Einstrahlung von gepulster Laserstrahlung in angrenzende Flüssigkeiten auftreten, wodurch starke mechanische Belastungen auf Oberflächen auftreten und deswegen diese zerstört oder in nicht definierter Weise abgetragen werden. Durch die normalerweise kugelförmige Gestalt der entstehenden Gasblasen und deren konzentrische Kontraktion ist eine definierte Materialbearbeitung sowohl in lateraler Richtung wie auch bezüglich der Abtragstiefe nicht möglich.Furthermore, it is known that when energy is introduced into liquids, bubbles and, as a consequence, cavities are formed. The formation of cavities can also occur in the vicinity of solids in the irradiation of pulsed laser radiation in adjacent liquids, whereby strong mechanical stress on surfaces occur and therefore destroyed or in not defined way to be removed. Due to the normally spherical shape of the resulting gas bubbles and their concentric contraction, a defined material processing in both the lateral direction as well as with respect to the removal depth is not possible.

Der hohe Energieeintrag bei Lasereinstrahlung kann zu einer veränderten Zusammensetzung der Flüssigkeit führen. Auch die Produkte des Materialabtrags verbleiben in der Flüssigkeit. Beide Veränderungen wirken sich nachteilig auf den Materialabtrag aus. Gleichartiges gilt für gasförmige Medien, durch die der Laserstrahl zum Zwecke des Materialabtrages geführt wird. Hier beeinflusst die Zusammensetzung des Gasmediums ebenfalls den Laserstrahl und damit den Abtragsprozess.Of the high energy input with laser irradiation can be changed Composition of the liquid to lead. The products of the material removal remain in the liquid. Both changes adversely affect the removal of material. DC-like applies to gaseous Media through which the laser beam for the purpose of material removal guided becomes. Here the composition of the gas medium also influences the laser beam and thus the removal process.

Ein besonderer Nachteil des gegenwärtigen Standes der Technik ist der große Einfluss der Laserfluenz auf die Abtragsrate, wie er in 1 beispielhaft für die Polymerablation dargestellt ist. Dies hat in der Regel zur Folge, dass sich alle Veränderungen der Laserenergie, also zufällige wie systematische Schwankungen, signifikant in der Abtragsrate niederschlagen, wodurch die Genauigkeit der Bearbeitung herabgesetzt werden kann.A particular disadvantage of the current state of the art is the great influence of laser fluence on the removal rate, as it is known in US Pat 1 is exemplified for the polymer ablation. As a rule, this results in all changes in the laser energy, ie random and systematic fluctuations, being significantly reflected in the removal rate, whereby the accuracy of the processing can be reduced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abtrag von transparenten Materialien mittels Pulslasers zu schaffen, das den genauen Abtrag von Oberflächen mit Laserstrahlung geringer Laserfluenz, mit geringem Aufwand und mit einfachen Mitteln ermöglicht, ohne die Eigenschaften des Materials im bearbeiteten Oberflächenbereich wesentlich zu verändern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur großflächigen präzisen Strukturierung transparenter Materialien unter Verwendung einer sich ständig regenerierenden Absorptionsschicht. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, geeignete Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 ausgeführte Verfahren gelöst. Das Verfahren wird in den Ansprüchen 2 bis 14 weiter ausgestaltet. Im Anspruch 15 wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beansprucht, die in den Ansprüchen 16 bis 19 weiter ausgeführt ist.Of the Invention is based on the object, a method for removal of to create transparent materials by means of pulse laser, the exact removal of surfaces with laser radiation low laser fluence, with little effort and with simple means, without the properties of the material in the machined surface area substantially to change. Another object of the invention is to provide a method for large-scale precise structuring transparent materials using a constantly regenerating Absorption layer. Furthermore, the invention is based on the object to provide suitable devices for carrying out the method. The object is achieved by that carried out in claim 1 Procedure solved. The method is described in the claims 2 to 14 further designed. In claim 15, a device to carry out of the method claimed in claims 16 to 19 further.

Es ist ein Abtragsverfahren für transparente Materialien vorgesehen, bei dem ein Laserstrahl auf einen transparenten Körper gerichtet wird, das Material durchdringt und beim Austritt aus diesem auf eine Adsorbatschicht, die sich ständig aus dem den Festkörper auf der Strahlaustrittsseite umgebenden Medium regeneriert, trifft und durch diese Adsorbatschicht absorbiert wird und es hierdurch zum Abtrag des Materials kommt. Zur Durchführung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung verwendet, die die Aufnahme des zu bearbeitenden transparenten Materials so ermöglicht, dass die ungehinderte Zuführung des Laserstrahles zur Vorderseite des transparenten Körpers erlaubt, die abzutragende Rückseite des transparenten Materials derart in ständigem Kontakt mit einem Material zur Ausbildung der Adsorbatschicht gehalten wird, dass in einem Gefäß das die Adsorbatschicht bildende Material bevorzugt in die Dampfphase überführt wird und gerichtet oder ungerichtet zur Rückseite des transparenten Materials gebracht wird und dort ständig die Adsorbatschicht bildet.It is a removal process for provided transparent materials, in which a laser beam on a transparent body is directed, the material penetrates and at the exit from this on an adsorbate layer, which is constantly emerging from the solid on the medium surrounding the jet exit side regenerates, hits and is absorbed by this Adsorbatschicht and thereby to the Removal of the material comes. For carrying out the method, a device according to the invention used, which is the inclusion of the transparent material to be processed so allows that the unimpeded feed the laser beam to the front of the transparent body allows the back to be removed of the transparent material so in constant contact with a material is held to form the Adsorbatschicht that in one Vessel that the Adsorbatschichtschicht forming material is preferably converted into the vapor phase and directed or undirected to the back of the transparent material is brought and there constantly forms the Adsorbatschicht.

Insbesondere werden die optimalen Bedingungen der Wechselwirkung an der Grenzfläche zum adsorbierten Film ständig aufrechterhalten, da durch die ständig wiedererfolgende Adsorption von Substanz aus der Gasphase die Adsorbatschicht in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften aufrechterhalten bleibt.Especially the optimal conditions of interaction at the interface are adsorbed to Movie constantly Maintained by the constantly recurring adsorption of substance from the gas phase the adsorbate layer in their chemical and physical properties is maintained.

Im Vergleich zur Laserablation von absorbierenden Materialien wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine geringere Abtragsrate pro Laserpuls erzielt. Dies geht aus dem Vergleich der Abtragsraten der üblichen Laserablation aus 1 mit der in 5 dargestellten Abtragsrate des erfindungsgemäßen Verfahrens hervor. Hierdurch ist eine höhere Präzision der Bearbeitung zu erreichen. Weiterhin werden die optimalen Prozessbedingungen durch die einfache Nutzung von Massentransportprozessen aufrechterhalten, wodurch eine Verbesserung der Genauigkeit möglich ist. Unerwünschte Nebeneffekte treten infolge des gewählten Verfahrens weitgehend in den Hintergrund. Beispielgebend sei hier bemerkt, dass die Kavitätenbildung, d. h. die Blasenbildung und deren Kontraktion, die im Zusammenhang mit der Einkopplung von mechanischer oder thermischer Energie in Flüssigkeiten auftreten, nicht erfolgen kann, da die Voraussetzungen zu deren Bildung fehlen. Durch die in Bezug zur Absorptionslänge der Laserstrahlung geringere Dicke der Adsorbatschicht kann die Abtragsrate durch die Eigenschaften der Adsorbatschicht einfach gesteuert werden.In comparison to the laser ablation of absorbent materials, a lower removal rate per laser pulse is achieved by the method according to the invention. This is based on the comparison of the removal rates of the usual laser ablation 1 with the in 5 Shown ablation rate of the method according to the invention. As a result, a higher precision of the machining can be achieved. Furthermore, the optimal process conditions are maintained by the simple use of mass transport processes, thereby allowing for an improvement in accuracy. As a result of the chosen method, undesirable side effects are largely lost in the background. By way of example, it should be noted that the formation of cavities, ie the formation of bubbles and their contraction, which occur in connection with the coupling of mechanical or thermal energy into liquids, can not take place because the conditions for their formation are lacking. Due to the lower thickness of the adsorbate layer in relation to the absorption length of the laser radiation, the removal rate can be easily controlled by the properties of the adsorbate layer.

Gleichfalls ist eine präzisere Bearbeitung der Oberfläche möglich. Dies kann sowohl die Oberflächentopographie als auch die Materialeigenschaften des bearbeiteten Materials betreffen. Durch die gewählte Adsorptionskonfiguration ist die Lage der zu bearbeitenden Fläche nicht festgelegt, so dass die üblicherweise angewendete Bestrahlungskonfiguration, d. h. Laserstrahl senkrecht von oben, angewendet werden kann. Dadurch wird der technische Aufwand zur Durchführung des Verfahrens gering gehalten. Darüber hinaus ist die Bearbeitung von beliebig geformten Oberflächen (3D-Bearbeitung) einfach durchführbar. Insbesondere ist zu bemerken, dass die Gestaltung von Gefäßen einfach erfolgen kann. Die verwendeten Materialien zur Ausbildung der Adsorbatschicht sind gegenüber dem abzutragenden, transparenten Material oder anderen Materialien der technischen Vorrichtung im normalen Gebrauchszustand nicht ätzend, wodurch keine Korrosion oder ähnliche Effekte bei dem beschriebenen Verfahren zu befürchten sind.Likewise, a more precise machining of the surface is possible. This can affect both the surface topography and the material properties of the material being processed. Due to the selected adsorption configuration, the position of the surface to be processed is not fixed, so that the usually applied irradiation configuration, ie laser beam perpendicularly from above, can be used. As a result, the technical complexity for carrying out the method is kept low. In addition, the machining of arbitrarily shaped surfaces (3D processing) is easy to carry out. In particular, it should be noted that the design of vessels can be done easily. The materials used to form the adsorbate layer are not corrosive to the ablative, transparent material or other materials of the technical device in the normal use state, whereby no corrosion or similar effects are to be feared in the described method.

Durch den geringen Einfluss der Laserfluenz auf die Abtragsrate ist eine höhere Präzision der Bearbeitung zu erreichen, da Veränderungen der Laserpulsenergie einen deutlich verminderten Einfluss auf die Abtragstiefe haben.By the small influence of laser fluence on the removal rate is one higher precision to achieve the processing, since changes in the laser pulse energy have a significantly reduced influence on the excavation depth.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to drawings and embodiments be explained in more detail.

1 zeigt die Abhängigkeit der Ablationsrate von der eingestrahlten Laserfluenz für die Ablation eines typischen Polymers entsprechend des Standes der Technik. 1 Figure 3 shows the dependency of ablation rate on irradiated laser fluence for ablation of a typical prior art polymer.

2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausführungsform. 2 shows an apparatus for performing the method according to the invention in one embodiment.

3 ist eine Detaildarstellung des Auftreffpunktes des Laserstrahles entsprechend dem in 2 eingezeichneten und mit 20 bezeichneten Bereich. 3 is a detailed representation of the point of impact of the laser beam according to the in 2 marked and with 20 designated area.

4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der zwei Laserstrahlen zur Anwendung kommen. 4 shows a further embodiment of the apparatus for performing the method according to the invention, in which two laser beams are used.

5 gibt die Abtragsrate pro Laserpuls von Quarzglas bei der Bearbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wieder. 5 indicates the removal rate per laser pulse of quartz glass during processing with the method according to the invention.

6 zeigt eine Vorrichtung zur gerichteten Zuführung der die Adsorptionsschicht bildenden Substanz. 6 shows a device for directional supply of the adsorption layer-forming substance.

7 zeigt als Detail einer Vorrichtung die Möglichkeit der gerichteten Temperierung der Vorder- oder Strahleintrittsseite des transparenten Materials. 7 shows as a detail of a device, the possibility of directional temperature control of the front or beam entrance side of the transparent material.

Die in einer Ausführungsform in 2 dargestellte Apparatur zur Durchführung des Verfahrens zeigt ein Vorratsgefäß 15, dass eine Substanz 14 enthält, die auf der Strahlaustrittsseite 16 des abzutragenden, transparenten Körpers 12 eine Adsorbatschicht bildet. Der Transport der Substanz, die schließlich die Adsorbatschicht an der Oberfläche des abzutragenden Körpers bildet, erfolgt über den Hohlraum 18, der durch das mit 13 gekennzeichnete Gefäß und den zu bearbeitenden Körper gebildet wird. Der Laserstrahl 11 durchdringt das transparente Material 12, ohne auf der Eintrittsseite 17 das Material oder dessen Oberfläche 19 zu verändern. Nach Durchdringung des transparenten Materials wird der Laserstrahl durch die adsorbierte Schicht absorbiert, wobei hierdurch die Laserenergie in die zur Absorption der Laserstrahlung befähigte, adsorbierte Schicht eingebracht und dadurch der Materialabtrag bewirkt wird. Zur besseren Darstellung der Oberfläche wird der mit 20 gekennzeichnete Bereich in 3 vergrößert dargestellt.The in one embodiment in 2 shown apparatus for carrying out the method shows a storage vessel 15 that a substance 14 contains that on the beam exit side 16 the ablated, transparent body 12 forms an adsorbate layer. The transport of the substance, which finally forms the adsorbate layer on the surface of the ablated body, takes place via the cavity 18 who by with that 13 characterized vessel and the body to be processed is formed. The laser beam 11 penetrates the transparent material 12 without on the entrance side 17 the material or its surface 19 to change. After penetration of the transparent material, the laser beam is absorbed by the adsorbed layer, whereby the laser energy is introduced into the adsorbed layer capable of absorbing the laser radiation, thereby causing material removal. For better representation of the surface of the 20 marked area in 3 shown enlarged.

3 zeigt ein Detail des laserbestrahlten Bereiches der Materialoberfläche, in dem die Anordnung der Adsorbatschicht 21 und der aus dem transparenten Material austretende Laserstrahl 22 genauer dargestellt ist. Dabei durchdringt der Laserstrahl das transparente Material 23 und trifft an der Austrittsstelle 24 auf die Adsorbatschicht 21 und wird in dieser absorbiert. Die Adsorbatschicht wird laufend durch den Materialtransport 25 aus dem hinter dem Auftreffpunkt des Laserstrahls liegenden Halbraum regeneriert. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass infolge des thermodynamischen Gleichgewichtes Teilchen aus der Umgebung zu der Oberfläche transportiert werden und an der Oberfläche haften bleiben. Die Ausdehnung und die Geschwindigkeit, mit der die Adsorbatschicht entsteht, kann beispielsweise durch die Temperatur und den Druck der in dem dahinter liegenden Halbraum befindlichen Teilchen, die zur Bildung der Adsorbatschicht befähigt sind, gesteuert werden. Hierzu wird das Material, das zur Bildung einer Adsorbatschicht verwendet wird, mittels eines temperierten oder geheizten Gefäßes in einen Zustand gebracht, der die Ausbildung der besagten Adsorbatschicht erlaubt. Das transparente Material wird auf natürlichem Wege nach außen, d. h. auf der mit 26 gekennzeichneten Seite des abzutragenden Körpers, von auch der aus der Laserstrahl einfällt, gekühlt. Dieser Mechanismus der Kühlung kann durch technische Mittel gezielt unterstützt werden. Hier bieten sich einerseits die Unterstützung durch unterschiedliche Arten des Materialtransportes, beispielsweise die Anwendung einer gezielten Strömung zur Oberfläche, an. Andererseits kann auch durch die geeignete Wahl des Kühlmediums 27 auf der Seite der Laserstrahleinstrahlung die Adsorbatschichtbildung verbessert werden. 3 shows a detail of the laser-irradiated area of the material surface, in which the arrangement of the adsorbate layer 21 and the laser beam emerging from the transparent material 22 is shown in more detail. The laser beam penetrates the transparent material 23 and hits the exit point 24 on the adsorbate layer 21 and is absorbed in this. The Adsorbatschicht is continuously through the material transport 25 regenerated from the lying behind the point of incidence of the laser beam half space. This can be done, for example, that due to the thermodynamic equilibrium particles are transported from the environment to the surface and adhere to the surface. The extent and speed with which the adsorbate layer is formed can be controlled, for example, by the temperature and pressure of the particles located in the hemisphere behind that are capable of forming the adsorbate layer. For this purpose, the material used to form an adsorbate layer is brought by means of a tempered or heated vessel in a state which allows the formation of said Adsorbatschicht. The transparent material is cooled in a natural way to the outside, ie on the 26 marked side of the ablated body, also incident from the laser beam. This cooling mechanism can be specifically supported by technical means. Here, on the one hand, the support offered by different types of material transport, for example, the application of a targeted flow to the surface to. On the other hand, by the appropriate choice of the cooling medium 27 On the side of the laser beam irradiation Adsorbatschichtbildung be improved.

Eine weitere Möglichkeit zur Unterstützung der Bildung besagter Adsorbatschichten ist das Anlegen elektrischer, magnetischer oder elektromagnetischer Felder. Dadurch wird unter Einsatz spezieller Adsorbatquellen die gerichtete Zuführung ermöglicht. Insbesondere kann durch die Steuerung eines Feldverlaufs der Massentransport von der Adsorbatquelle zum abzutragenden Material gezielt beeinflusst werden. Auch ist hiermit eine lokale Beeinflussung der Adsorbatschichtdicke und, falls mehrere verschiedene Adsorbatquellen eingesetzt werden, der Zusammensetzung der Schicht möglich.Another possibility for supporting the formation of said adsorbate layers is the application of electrical, magnetic or electromagnetic fields. As a result, the directional feed is made possible by using special adsorbate sources. In particular, the mass transport from the adsorbate source to the material to be removed can be specifically influenced by the control of a field profile. Also hereby is a local influence on the Adsorbatschichtdicke and, if several different adsorbate sources are used, the co composition of the layer possible.

Eine weitere Möglichkeit, den Laserabtrag über die Adsorbatschicht zu steuern, ist das Bereitstellen mehrerer Adsorbatquellen. Somit können durch Temperaturregelung, Anlegen eines Feldes und geschickte Materialwahl und Positionierung der Adsorbatquellen die Zusammensetzung und damit die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Adsorbatschicht auf der abzutragenden Materialoberfläche gesteuert werden.A another possibility the laser ablation over Controlling the adsorbate layer is to provide multiple adsorbate sources. Thus, through Temperature control, creating a field and skillful choice of materials and positioning the Adsorbatquellen the composition and thus the physical and chemical properties of the adsorbate layer be controlled on the ablated material surface.

In weiterer Ausbildung der vorliegenden Erfindung können ein oder auch mehrere Laserstrahlen einer oder auch unterschiedlicher Wellenlängen angewendet werden. Diese ist in 4 an einem Beispiel schematisch so dargestellt, dass die verwendeten Laserstrahlen 31 und 32 aus zwei unterschiedlichen Richtungen eingestrahlt werden. Dabei ist die Lage des Gefäßes 33 mit dem zur Bildung der Adsorbatschicht befähigten Material 34 weniger kritisch. Dieses Gefäß mit dem Material, dass auch anders angeordnet oder genutzt werden kann, kann auch als Adsorbatschichtquelle aufgefasst werden. In der dargestellten Ausführungsform umfasst der zu abzutragende Körper 35 zu großen Teilen den zum Transport des die Adsorbatschicht bildenden Materials notwendigen Hohlraum 36 und wird an den Stellen 37 und 38 abgetragen.In a further embodiment of the present invention, one or more laser beams of one or even different wavelengths can be used. This is in 4 schematically represented by an example, that the laser beams used 31 and 32 be irradiated from two different directions. Here is the location of the vessel 33 with the material capable of forming the adsorbate layer 34 less critical. This vessel with the material that can also be arranged or used differently, can also be understood as Adsorbatschichtquelle. In the illustrated embodiment, the body to be ablated comprises 35 in large part necessary for the transport of the adsorbate layer forming material cavity 36 and will be in the places 37 and 38 ablated.

Im Gegensatz hierzu zeigt 6 eine Möglichkeit der gerichteten Zuführung des Materials zur Ausbildung der Adsorbatschicht. Dabei wird der Auftreffpunkt 46 des Laserstrahls 41 auf der Strahlaustrittsseite des abzutragenden Körpers 42 gegenüber der Öffnung 43 des Gefäßes 44, das das die Adsorbatschicht bildende Materials 45 liefert, angeordnet. Dadurch ist ein direkter Transport des Materials zur abzutragenden Oberfläche 46 gesichert. Das kann vor allem für Materialien, die eine feste oder partikelförmige Adsorbatschicht bilden, wichtig sein. Zusätzlich kann die Zuführung eines Gases über eine Leitung 47 den Abtragsvorgang unterstützen.In contrast, shows 6 a possibility of directed feeding of the material for forming the adsorbate layer. This is the impact point 46 of the laser beam 41 on the beam exit side of the ablated body 42 opposite the opening 43 of the vessel 44 , which is the material forming the adsorbate layer 45 supplies, arranged. This is a direct transport of the material to be removed surface 46 secured. This may be especially important for materials that form a solid or particulate adsorbate layer. In addition, the supply of a gas via a line 47 support the removal process.

7 zeigt im Detail eine Möglichkeit der definierten Temperierung der Vorderseite 51 des transparenten Materials 52, das auch durch die Bildung der Adsorptionsschicht 53 mit einem Wärmestrom beaufschlagt wird. Das Medium zur Oberflächentemperierung 55 wird in dem gezeigten Fall durch eine Führung 54 in Richtung der Oberfläche oder darüber geleitet. Das zur Temperierung eingesetzte Medium muss für die Laserstrahlung transparent sein und kann in flüssiger oder gasförmiger Phase vorliegen. Die Geschwindigkeit und Art der Zuführung kann zur Steuerung des Abtragsprozesses genutzt werden. 7 shows in detail a possibility of the defined temperature control of the front 51 of the transparent material 52 that is also due to the formation of the adsorption layer 53 is subjected to a heat flow. The medium for surface temperature control 55 is in the case shown by a guide 54 directed towards the surface or above. The medium used for tempering must be transparent to the laser radiation and can be in the liquid or gaseous phase. The speed and type of feed can be used to control the removal process.

Die Wellenlänge der angewendeten Laserstrahlung kann in einem großen Bereich gewählt werden. Auch können die Pulslängen sowie die Pulsform der verwendeten Laser unterschiedlich sein. Unter anderem eignen sich Gas-, Festkörper-, Halbleiterlaser mit oder ohne nachfolgende Elemente zur Strahlungsbeeinflussung, wie beispielsweise Elemente zur Veränderung der Wellenlänge, der Pulszeit, der Pulsform oder der Form und Energiedichteverteilung des Laserstrahls. Die Anwendung der Laserstrahlung kann beispielsweise durch Fokussierung oder Maskenabbildung erfolgen. Interferenzverfahren der Strahlungsapplikation, so z. B. die Interferenz von einem oder mehrer Teile des Laserstrahls, sind anwendbar. Andere Verfahren der Strahlungsapplikation sind ebenfalls möglich.The wavelength The applied laser radiation can be in a wide range chosen become. Also can the pulse lengths as well as the pulse shape of the lasers used to be different. Amongst other things are gas, solid state, Semiconductor laser with or without subsequent radiation-influencing elements, such as elements for changing the wavelength, the Pulse time, pulse shape or shape and energy density distribution of the laser beam. The application of laser radiation, for example done by focusing or mask imaging. interference method the radiation application, such. B. the interference of one or Several parts of the laser beam are applicable. Other procedures the radiation application are also possible.

Beispiel 1example 1

Eine transparente, beidseitig polierte Scheibe aus amorphem Quarzglas mit einer Dicke von 380 μm wurde als transparente Probe in eine geeignete Kammer so eingebaut, dass diese eine an der Oberseite angebrachte Öffnung vollständig und dicht verschließt. Diese Versuchskammer besteht aus Edelstahl und ist durch eine elektrisch beheizbare Fläche gekennzeichnet. Ein KrF-Excimer-Laser vom Typ LPX 220i (Lambda Physik) mit einer Laserwellenlänge von λ = 248 nm wurde zum Materialabtrag verwendet. Die Zuführung der Laserenergie erfolgte über ein Maskenprojektionssystem nach vorheriger Strahlformung und -homogenisierung. Die Laserenergie wurde mit einem dielektrischen Strahlabschwächer gesteuert. Die Laserstrahlung wurde senkrecht von außen auf die transparente Probe gebracht, die mit der gegenüberliegenden Seite das Prozesskammervolumen abschließt. Als Adsorbatquelle diente ein mit 40 ml Toluol befülltes Glasgefäß. Das Glasgefäß wurde indirekt mit einer Heizleistung von 1500 W beheizt. Das erhitzte Toluol wurde dadurch so teilweise verdampft und bildete die Adsorbatschicht auf der Quarzglasscheibe. Die gesamte Prozesskammer wurde ebenfalls erwärmt. Die Abtragsuntersuchungen erfolgten bei einer Pulswiederholfrequenz von 2 Hz in einem Laserfluenzbereich von 700 mJ/cm² bis 7600 mJ/cm² mit jeweils 300 Laserpulsen. Als Maske wurde eine motorisierte Apertur verwendet, welche so eingestellt war, dass auf der Rückseite der Quarzscheibe ein quadratischer Laserstrahl mit einer Kantenlänge von 100 μm × 100 μm abgebildet wurde. Die Tiefen des Materialabtrags wurden mittels eines Interferenzmikroskops gemessen und daraus die Abtragsraten pro Laserpuls in Abhängigkeit von der Energiefluenz des Lasers ermittelt. Die Abhängigkeit der Abtragsrate, die in 5 dargestellt ist, ist untypisch für Laserabtragsprozesse. Insbesondere ist die konstante Abtragsrate über einen weiten Energiefluenzbereich auffällig. Damit ist ein geringer Einfluss der Laserenergiedichte im Laserspot auf die Abtragstiefe verbundenen, wodurch eine hohe Prozessstabilität und hohe Bearbeitungspräzision bewirkt wird. Die Abtragsstellen weisen eine sehr gute Oberflächen- und Bearbeitungsqualität auf. Nach der einfachen Reinigung durch Abwischen der Quarzscheibe mit einem mit Ethanol befeuchtetem Tuch konnten keinerlei Ablagerungen von Prozessprodukten festgestellt werden. Die Größe der abgetragenen Bereiche mit den Abmessungen von 100 μm × 100 μm entspricht der verwendeten Maske. Die abgetragenen Materialbereiche weisen scharte Ecken und Kanten auf. Eine Abtragstiefe von bis zu 12 μm konnte erreicht werden. Die Flächen der Abtragsstellen waren eben und hatten Rauheiten von ca. 3 nm RMS.A transparent, double-sided polished amorphous quartz glass disk with a thickness of 380 μm was installed as a transparent sample in a suitable chamber so that it completely and tightly seals an opening attached to the top. This test chamber is made of stainless steel and is characterized by an electrically heated surface. An LPX 220i KrF excimer laser (Lambda physics) with a laser wavelength of λ = 248 nm was used for material removal. The laser energy was supplied via a mask projection system after previous beam shaping and homogenization. The laser energy was controlled by a dielectric beam attenuator. The laser radiation was brought vertically from the outside onto the transparent sample, which terminates the process chamber volume with the opposite side. The adsorbate used was a glass vessel filled with 40 ml of toluene. The glass vessel was heated indirectly with a heating power of 1500 W. The heated toluene was thereby partially evaporated and formed the adsorbate layer on the quartz glass disk. The entire process chamber was also heated. The ablation investigations were carried out at a pulse repetition frequency of 2 Hz in a laser fluence range from 700 mJ / cm ² to 7600 mJ / cm ² , each with 300 laser pulses. As a mask, a motorized aperture was used, which was adjusted so that on the back of the quartz disk, a square laser beam with an edge length of 100 microns × 100 microns was imaged. The depths of material removal were measured by means of an interference microscope and the removal rates per laser pulse were determined as a function of the energy fluence of the laser. The dependence of the removal rate, which in 5 is not typical for laser ablation processes. In particular, the constant removal rate is noticeable over a wide range of energy fluences. Thus, a small influence of the laser energy density in the laser spot is related to the removal depth, whereby a high process stability and high processing precision is effected. The Abtragsstellen have a very good Oberflä processing and editing quality. After simple cleaning by wiping the quartz disk with a cloth moistened with ethanol, no deposits of process products could be detected. The size of the ablated areas with dimensions of 100 .mu.m.times.100 .mu.m corresponds to the mask used. The removed material areas have sharp corners and edges. An excavation depth of up to 12 μm could be achieved. The surfaces of the ablation sites were flat and had roughness of about 3 nm RMS.

Claims

Method for laser ablation of transparent materials for the laser radiation used by application of pulsed laser radiation to the incident laser radiation opposite side of the transparent material, characterized in that an incident laser beam after penetration of a transparent material which is tempered on the side of the entrance of the laser radiation to the surface of the transparent material lying opposite to the entrance side strikes a layer adsorbed on this surface, this adsorbate layer, which is continuously renewed from the surrounding space, absorbs the laser radiation sufficiently and the transparent material is removed by the absorbed laser irradiation.

Method according to claim 1, characterized in that that the Adsorbatschicht of several different materials is formed.

Method according to claim 1 or 2, characterized the adsorbate layer is formed from the gas phase.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the Adsorbatschicht of a material in liquid phase is formed.

Method according to claim 1 or 2, characterized the adsorbate layer is formed from a material in solid phase becomes.

Method according to Claims 1 to 5, characterized that the adsorbate layer of one or more organic or inorganic materials with a sufficiently high absorption coefficient is formed.

Method according to Claims 1 to 6, characterized the adsorbate layer is affected by the temperature of the adsorbate layer source is set.

Method according to claim 1 or 2, characterized the adsorbate layer composition is affected by the temperature of the individual Adsorbatschichtquellen is controlled.

Method according to claim 1, characterized in that the adsorbate layer is formed by the pressure of one or more adsorbate layer sources is set.

Method according to claim 1 or 2, characterized the adsorbate layer composition is characterized by the partial pressure of the the adsorbate layer forming substances is adjusted.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the adsorbate layer simultaneously by the temperature and the Pressure of Adsorbatschichtquellen is adjusted.

Method according to claim 1 or 2, characterized that the adsorbate layer composition by the temperature and the pressure is given.

Method according to claim 1, characterized in that that the Adsorbatschicht influenced by applying a field becomes.

Method according to claim 1, characterized in that that the tempering of the outside of the transparent material by contact with one in liquid or gaseous Phase is present medium.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1 to 14, characterized in that to be processed by the transparent material and a vessel at least partially enclosed Cavity is limited, this cavity contains a device that containing the material capable of forming an adsorbate layer, and the transparent material by a laser beam coming from the outside led the transparent material is being irradiated.

Device according to claim 15, characterized in that that enclosed by the transparent material and the vessel Device for receiving the material capable of forming an adsorbate layer defined tempered.

Apparatus according to claim 15 or 16, characterized that the opening the enclosed device for forming the Adsorbatschicht directed in the direction of the ablated surface.

Apparatus according to claim 15 to 17, characterized that the transparent material through which the laser beam enters, defined with a device is tempered.

Device according to claims 15 and 18, characterized that the temperature control device is designed such that on the entrance side of the laser beam over the surface of the transparent material, a medium in gaseous or liquid phase guided becomes.