WO2018234192A1

WO2018234192A1 - SYSTEM AND METHOD FOR MACHINING A SURFACE

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Publication number: WO2018234192A1
Application number: PCT/EP2018/065985
Authority: WO
Inventors: Günter Flachenecker; Wolfgang Schade; Thomas Gimpel; Christoph GERHARD; Wolfgang Viöl; Daniel Tasche
Original assignee: HAWK Hochschule fur angewandte Wissenschaft und Kunst; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: HAWK Hochschule fur angewandte Wissenschaft und Kunst; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2019-12-19
Also published as: DE112018003114A5; DE102017210167A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung einer Oberfläche (21) eines Werkstückes (2) mit einer Plasmaerzeugungs-einrichtung (4) und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3), welche dazu eingerichtet sind, zumindest eine Teilfläche (25) der Oberfläche (21) des Werkstückes (2) mit Laserstrahlung (35) und Plasma (45) zu beaufschlagen, wobei die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (35) abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 30 fs aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (21) eines Werkstückes (2) mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung (4) und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3).The invention relates to a device (1) for processing a surface (21) of a workpiece (2) with a plasma generating device (4) and a laser beam generating device (3), which are adapted to at least a partial surface (25) of the surface (21 ) of the workpiece (2) with laser radiation (35) and plasma (45), wherein the laser beam generating means (3) is adapted to emit pulsed laser radiation (35) having a pulse length of less than about 100 fs or less than about 80 fs or less than about 50 fs or less than about 30 fs. Furthermore, the invention relates to a method for processing a surface (21) of a workpiece (2) with a plasma generating device (4) and a laser beam generating device (3).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche Device and method for processing a surface

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer Plasmaer^¬ zeugungseinrichtung und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung, welche dazu eingerichtet sind, zumindest eine Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes mit Laserstrahlung und Plasma zu beaufschlagen. Weiterhin betrifft die The invention relates to an apparatus for processing a surface of a workpiece with a Plasmaer ^¬ generating means and a laser beam generating means which are adapted to at least act on a partial area of the surface of the workpiece to laser radiation and plasma. Furthermore, the concerns

Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer solchen Vorrichtung. Invention a method for machining a surface of a workpiece with such a device.

Aus der Praxis ist bekannt, Laserstrahlung zum Material^¬ abtrag und damit zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werk^¬ stückes einzusetzen. Hierzu werden in der Regel Dauerstrichlaser oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von einigen Nanosekunden oder mehr verwendet. Die Wirkung der Laserstrahlung beruht in der Regel darauf, dass die Ober^¬ fläche am Auftreffort der Laserstrahlung lokal erwärmt wird und das Material des Werkstückes dadurch verdampft. Hierzu sind vergleichsweise leistungsfähige Laser mit Ausgangs^¬ leistungen von einigen Watt bis einigen Kilowatt erforderlich. From the practice is known to use laser radiation to the material ^¬ removal and for processing the surface of a work piece ^¬. For this purpose, continuous wave lasers or pulsed laser radiation with a pulse duration of a few nanoseconds or more are generally used. The effect of laser radiation is usually due to the fact that the upper ^¬ surface is heated locally at the point of incidence of the laser radiation and evaporation of the material of the workpiece thereby. For this purpose comparatively powerful lasers with output ^powers of a few watts to a few kilowatts are required.

Darüber hinaus ist bekannt, zur Materialbearbeitung In addition, it is known for material processing

Kurzpulslaser mit einer Pulslänge von wenigen Pikosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden einzusetzen. Diese Laserstrahlung weist den Vorteil auf, dass der Materialabtrag nicht auf thermischen Effekten basiert. Vielmehr wird der Energieeintrag aus der Laserstrahlung gestoppt, ehe eine merkliche Erwärmung der Oberfläche des Werkstückes eintritt. Hierdurch kann eine Schädigung der umgebenden Kristall- struktur vermieden werden, so dass die Oberflächengüte des Bearbeiteten Werkstückes verbessert sein kann. Use short-pulse laser with a pulse length of a few picoseconds to a few femtoseconds. This laser radiation has the advantage that the material removal is not based on thermal effects. Rather, the energy input from the laser radiation is stopped before a noticeable heating of the surface of the workpiece occurs. This can damage the surrounding crystal structure can be avoided, so that the surface quality of the machined workpiece can be improved.

Die Materialbearbeitung mit solchen Kurzpulslasern weist jedoch den Nachteil auf, dass die Abtragrate nur sehr gering ist und daher die Bearbeitung des Werkstückes sehr The material processing with such short-pulse lasers, however, has the disadvantage that the removal rate is very low and therefore the processing of the workpiece very

langwierig und dadurch teuer ist. tedious and therefore expensive.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung anzugeben, welche einerseits thermische Schäden an dem zu bearbeitenden Werkstück vermeidet und andererseits eine rasche Bearbeitung ermöglicht. Based on the prior art, the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for material processing, which on the one hand avoids thermal damage to the workpiece to be machined and on the other hand enables rapid processing.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 5. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes vorgeschlagen, welche gepulste Laserstrahlung mit der Einwirkung eines Plasmas kombiniert. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die Abtragleistung sehr kurzer Laserpulse erheblich steigern lässt, wenn die Oberfläche vor, während oder nach der Einwirkung der Laserstrahlung einem Plasma ausgesetzt wird. According to the invention, a device for processing a surface of a workpiece is proposed which combines pulsed laser radiation with the action of a plasma. According to the invention, it has been recognized that the removal rate of very short laser pulses can be considerably increased if the surface is exposed to a plasma before, during or after the action of the laser radiation.

Das erfindungsgemäß bearbeitete Werkstück kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Metall oder eine The workpiece machined according to the invention may in some embodiments of the invention comprise a metal or a metal

Legierung enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück ein Contain or consist of alloy. In other embodiments of the invention, the workpiece may be

Halbleitermaterial enthalten oder daraus bestehen, bei^¬ spielsweise Silizium, Germanium oder einen III-V-Verbin- dungshalbleiter . In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Werkstück einen Isolator bzw. ein Dielektrikum enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff. Das Werkstück kann homogen aufgebaut sein, also aus einem Material bestehen, oder aber eine Beschichtung aufweisen, welche mit dem vorgeschlagenen Verfahren bearbeitet wird. Das Werkstück kann einkristallin sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück polykristallin oder amorph sein. Include semiconductor material or consist of at ^¬ game as silicon, germanium, or a III-V compound semiconductor. In yet another embodiment of the invention, the workpiece may contain or consist of an insulator or a dielectric, for example glass, ceramic or plastic. The workpiece can be homogeneous be constructed, so consist of a material, or have a coating which is processed by the proposed method. The workpiece can be monocrystalline. In other embodiments of the invention, the workpiece may be polycrystalline or amorphous.

Das Bearbeiten der Oberfläche des Werkstückes kann in einigen Ausführungsformen darin bestehen, dass Material von der Oberfläche entfernt wird. Dies kann vollflächig Machining the surface of the workpiece, in some embodiments, may be to remove material from the surface. This can be full-surface

geschehen oder in einer Teilfläche der Oberfläche. Bei^¬ spielsweise kann auf diese Weise eine Bestellnummer, eine Marke, eine Chargennummer oder eine sonstige Herstellerangabe in die Oberfläche eingraviert werden. In anderen Aus^¬ führungsformen der Erfindung kann die Oberfläche für nachfolgende Verarbeitungsschritte vorbereitet werden, done or in a partial surface of the surface. In ^¬ example, can be engraved in this way an order number, a brand, a batch number or any other manufacturer's information in the surface. In other ^{embodiments of} the invention, the surface can be prepared for subsequent processing steps,

beispielsweise für ein Fügeverfahren oder eine Lackierung. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann durch einen Materialabtrag mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Halbzeug ein mikrostrukturiertes elek^¬ tronisches oder mechanisches oder elektromechanisches for example, for a joining process or a paint job. In still other embodiments of the invention, a microstructured elec ^¬ tronic or mechanical or electromechanical. By a removal of material with the inventive method from a semi-finished

Bauteil erzeugt werden. Ein solches mikromechanisches und/oder mikroelektronisches Bauelement kann beispielsweise zu Energiegewinnung, zur Energiespeicherung, als Sensor für Druck oder Beschleunigung oder auch in der Mikrofluidik (lab-on-chip) oder in der Mikrooptik eingesetzt werden. Component are generated. Such a micromechanical and / or microelectronic component can be used for example for energy generation, energy storage, as a sensor for pressure or acceleration or in microfluidics (lab-on-chip) or in micro-optics.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zum Materialabtrag eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung einzusetzen, welche dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs aufweist. Eine solche Laserstrahlerzeugungseinrichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Titan-Saphir-Laser oder einen Faserlaser enthalten. Neben der eigentlichen Lichtquelle kann diese Laserstrahlerzeugungseinrichtung weitere Komponenten umfassen, beispielsweise lichtfokussierende oder -defokussierende Elemente oder Spiegel, um den Strahlfleck zu fokussieren oder auf eine vorgebbare Stelle bzw. Teil^¬ fläche der Oberfläche des Werkstückes zu lenken. According to the invention it is proposed to use a laser beam generating device for material removal, which is set up to emit pulsed laser radiation having a pulse length of less than about 100 fs. Such a laser beam generating device may, in some embodiments of the invention, include a titanium sapphire laser or a fiber laser. In addition to the actual light source, this laser beam generating device may comprise further components, for example light-focusing or -defocussing elements or mirrors, around the beam spot to focus or to direct to a predeterminable place or part ^¬ surface of the surface of the workpiece.

Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass sich die Ober^¬ flächengüte der mit dem Laserstrahl bearbeiteten Fläche und/oder die Abtragleistung erheblich steigern lässt, wenn zeitgleich, vor oder nach dem Auftreffen des Laserstrahls ein Plasma auf die Teilfläche einwirkt. Das Plasma wird erfindungsgemäß mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt, sodass dieses in einer Ausführungsform der According to the invention it has now been recognized that the upper ^¬ surface quality of the machined surface with the laser beam and / or the removal rate can be increased considerably if at the same time, acts on the part surface before or after the impingement of the laser beam, a plasma. The plasma is generated according to the invention with a plasma generating device, so that in one embodiment of the

Erfindung unmittelbar auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann sich das Plasma oberhalb der Oberfläche des Werkstückes befinden, sodass das Plasma nicht unmittelbar auf das Werk^¬ stück einwirkt, dieses aber weiterhin mit geladenen Teilchen und/oder Photonen aus dem Plasma in Kontakt gerät. Invention acts directly on the surface of the workpiece. In other embodiments of the invention, the plasma may be located above the surface of the workpiece, so that the plasma does not act directly on the work ^¬ piece, but this continues to get in contact with charged particles and / or photons from the plasma.

Das Plasma kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein nichtthermisches Plasma sein, d.h. die Plasmaerzeugungs^¬ einrichtung heizt selektiv das Elektronengas, sodass die Ionenrümpfe des Plasmas vergleichsweise kalt bleiben. Hierzu kann die Plasmaerzeugungseinrichtung in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine ECR-Quelle enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung eine dielektrisch behinderte Entladung verwenden. In diesem Fall wird das elektrische Feld durch In some embodiments of the invention, the plasma may be a non-thermal plasma, ie the plasma generation ^device selectively heats the electron gas, so that the ion bodies of the plasma remain comparatively cold. To this end, in some embodiments of the invention, the plasma generator may include an ECR source. In other embodiments of the invention, the plasma generating device may use a dielectrically impeded discharge. In this case, the electric field is through

Anlegen einer Hochspannung an zwei beabstandete Elektroden erzeugt, wobei zumindest eine Elektrode mit einem Dielek^¬ trikum bzw. einem Isolator beschichtet ist und/oder ein Dielektrikum im Entladungsspalt vorhanden ist. Dies Creation of a high voltage to two spaced electrodes generated, wherein at least one electrode is coated with a Dielek ^¬ tric or an insulator and / or a dielectric in the discharge gap is present. This

verhindert das Zünden eines heißen Lichtbogens zwischen den Elektroden. Stattdessen bilden sich einzelne Entladungs- filamente durch die Ionisierung des Arbeitsgases im prevents the ignition of a hot arc between the electrodes. Instead, individual discharge filaments are formed by the ionization of the working gas in the atmosphere

Elektrodenspalt aus, welche jedoch aufgrund des Di^¬ elektrikums im Entladungsspalt keine hohen Stromstärken zulassen. Hierdurch wird ein zu hoher Energieeintrag in die Oberfläche des Werkstückes vermieden, welcher zu einer Zerstörung der durch die Laserstrahlung erzeugten Mikrostruktur führen könnte. Electrode gap, which, however, do not allow high currents due to the Di ^¬ electrics in the discharge gap. As a result, too high an energy input into the surface of the workpiece is avoided, which leads to a Destruction of the microstructure generated by the laser radiation could result.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, gepulste Laserstrahlung mit einer Repetitionsrate von etwa 5 kHz bis etwa 35 kHz oder von etwa 8 kHz bis etwa 20 kHz oder von etwa 10 kHz bis etwa 15 kHz abzugeben. Eine solchermaßen gepulste Laserstrahlung kann mit einer ebenfalls gepulsten Plasmaerzeugungseinrichtung phasenstarr gekoppelt werden, sodass der zeitliche Vorlauf bzw. Nachlauf der Laser^¬ strahlung und des Plasmas synchronisiert sein können. Die Laserstrahlung trifft dann immer zeitgleich relativ zum Plasma auf die Oberfläche auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung unsynchronisiert zur Plasmaerzeugungseinrichtung abgegeben werden. In diesem Fall können auch mehrere Laserpulse innerhalb eines Plasmazyklus mit der Oberfläche des Werkstückes wechselwirken. In some embodiments of the invention, the laser beam generating device may be configured to emit pulsed laser radiation at a repetition rate of about 5 kHz to about 35 kHz, or from about 8 kHz to about 20 kHz, or from about 10 kHz to about 15 kHz. Such pulsed laser radiation can be phase-locked coupled with a likewise pulsed plasma generating device, so that the time lead or lag of the laser ^¬ radiation and the plasma can be synchronized. The laser radiation then always hits the surface at the same time relative to the plasma. In other embodiments of the invention, the laser radiation can be delivered unsynchronized to the plasma generating device. In this case, several laser pulses can interact within a plasma cycle with the surface of the workpiece.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung zeitlich nach dem Plasma auf die Oberfläche treffen. In diesem Fall kann das Plasma die Oberfläche des Werkstückes anregen und/oder lose anhaftende Partikel oder Adsorbate entfernen, woraufhin die Laserstrahlung auf die entsprechend angeregte bzw. gereinigte oder anderweitig vorbereitete Oberfläche trifft. In some embodiments of the invention, the laser radiation may hit the surface in time after the plasma. In this case, the plasma can excite the surface of the workpiece and / or remove loosely adhering particles or adsorbates, whereupon the laser radiation strikes the correspondingly excited or cleaned or otherwise prepared surface.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung zeitgleich mit dem Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffen. In diesem Fall kann das Plasma zusätzlich eine Fokussierung der Laserstrahlung bewirken, sodass kleinere Strukturen erzeugt werden können. Darüber hinaus können durch die Laserstrahlung von der Oberfläche des Werkstückes entfernte Teilchen unmittelbar in der In some embodiments of the invention, the laser radiation may impinge on the surface of the workpiece at the same time as the plasma. In this case, the plasma can additionally bring about a focusing of the laser radiation, so that smaller structures can be produced. In addition, by the laser radiation from the surface of the workpiece removed particles directly in the

Plasmawolke aufgenommen werden, sodass vermieden wird, diese Partikel erneut auf der Oberfläche des Werkstückes abzu^¬ scheiden, sodass diese dort haften bleiben. Schließlich kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Laserstrahlung zeitlich vor dem Plasma auf die Oberfläche einwirken. Hierdurch kann das vom Laserstrahl Plasma cloud are taken, so as to avoid, again ERS these particles on the surface of the workpiece divorce ^¬ so they stick there. Finally, in some embodiments of the invention, the laser radiation may act on the surface in time prior to the plasma. This can be done by the laser beam

ablatierte Material wieder auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden und nachfolgend durch das Plasma geätzt werden, so dass dieses endgültig und dauerhaft entfernt wird. ablated material is deposited again on the surface of the substrate and subsequently etched through the plasma, so that this is finally and permanently removed.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung eine Pulslänge von weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs In some embodiments of the invention, the laser radiation may have a pulse length less than about 80 fs or less than about 50 fs or less than about 40 fs

aufweisen. Laserpulse der genannten Länge bzw. Zeitdauer stellen sicher, dass das Werkstück nicht thermisch respectively. Laser pulses of said length or duration ensure that the workpiece is not thermal

geschädigt wird. Vielmehr erfolgt der Materialabtrag durch nichtlineare optische Effekte. is damaged. Rather, the material is removed by non-linear optical effects.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Laserstrahlerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsenergie von etwa 50 yJ bis etwa 250 yJ oder von etwa 80 yJ bis etwa 150 yJ oder von etwa 90 yJ bis etwa 120 yJ abzugeben. Solche Laserstrahlerzeugungseinrichtungen sind einfach und kostengünstig In some embodiments of the invention, the laser beam generating device is configured to emit pulsed laser radiation having a pulse energy of from about 50 yy to about 250 yy, or from about 80 yy to about 150 yy, or from about 90 yy to about 120 yy. Such laser beam generating devices are simple and inexpensive

verfügbar und können aufgrund ihres geringen Bauraumes leicht in bestehende Produktionsanlagen integriert werden. Völlig überraschend wurde erkannt, dass trotz der geringen Energie, welche eine geringe Abtragleistung erwarten lässt, durch die Verbindung mit einem Plasma die Abtragleistung erheblich gesteigert werden kann, sodass das Verfahren zum Materialabtrag wirtschaftlich eingesetzt werden kann. available and can be easily integrated into existing production facilities due to their small installation space. It has surprisingly been found that, despite the low energy which can be expected for a low removal rate, the removal rate can be considerably increased by the connection with a plasma, so that the method for material removal can be used economically.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, ein In some embodiments of the invention, the plasma generating device may be configured to

Atmosphärendruckplasma zu erzeugen. Ein solches Atmosphären^¬ druckplasma vermeidet die Verwendung aufwendiger Vakuumtechnik, sodass der apparative Aufwand weiter verringert wird . In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, eine To generate atmospheric pressure plasma. Such atmospheres ^¬ pressure plasma avoids the use of expensive vacuum technology, so that the apparatus required is further reduced. In some embodiments of the invention, the plasma generating device may be configured to provide a

Plasmaleistung von etwa 0,7 W bis etwa 2 W oder von etwa 1 W bis etwa 1,5 W zu erzeugen. Bei diesen Werten handelt es sich um die mittlere Leistung eines gepulst betriebenen Plasmas, welche beispielsweise durch Integration des im Plasma fließenden Stromes über einen Messkondensator To produce plasma power of about 0.7 W to about 2 W or from about 1 W to about 1.5 W. These values are the average power of a pulsed-operated plasma, which can be integrated, for example, by integration of the current flowing in the plasma via a measuring capacitor

bestimmt werden kann. Auch die Plasmaerzeugungseinrichtung weist somit einen geringen Bauraum auf und ermöglicht die einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. can be determined. The plasma generating device thus has a small space and allows the simple implementation of the method according to the invention.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Elektrode der Plasmaerzeugungseinrichtung mit einer Bohrung versehen sein, durch welche die Laserstrahlung der Laserstrahlerzeugungseinrichtung konfokal zum Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes gelenkt werden kann. Hierdurch kann eine verbesserte Präzision der Materialbearbeitung ermöglicht werden. In some embodiments of the invention, at least one electrode of the plasma generating device may be provided with a bore through which the laser radiation of the laser beam generating device can be confocally directed to the plasma on the surface of the workpiece. As a result, an improved precision of the material processing can be made possible.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Plasma ein Inertgas enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas des Plasmas ein Edelgas sein. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas des Plasmas Argon sein oder enthalten. Ein Inertgas kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung den Vorteil aufweisen, dass eine unerwünschte Schichtabscheidung aus dem Plasma auf der Oberfläche des Werkstückes vermieden wird. Darüber hinaus kann insbesondere ein Argonplasma effizient unerwünschte Anhaftungen von der Oberfläche durch Ätzen entfernen. In some embodiments of the invention, the plasma may contain or consist of an inert gas. In some embodiments of the invention, the working gas of the plasma may be a noble gas. In still other embodiments of the invention, the working gas of the plasma may be or contain argon. An inert gas may in some embodiments of the invention have the advantage of avoiding unwanted layer deposition from the plasma on the surface of the workpiece. In addition, argon plasma in particular can efficiently remove unwanted adhesions from the surface by etching.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen etwa 200 und etwa 8000 Einzelpulse der Laserstrahlung auf eine Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes auftreffen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen etwa 400 und etwa 2000 Einzelpulse auf eine Teilfläche der Oberfläche auftreffen. Hierbei bewirkt eine größere Anzahl von Einzelpulsen der Laserstrahlung einen größeren In some embodiments of the invention, between about 200 and about 8000 individual pulses of laser radiation may impinge on a partial surface of the surface of the workpiece. In other embodiments of the invention, between about 400 and about 2000 individual pulses may impinge on a partial surface of the surface. This causes a larger number of single pulses of laser radiation a larger

Materialabtrag . Material removal.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die von der Laserstrahlung bestrahlte Teilfläche durch relatives In some embodiments of the invention, the partial area irradiated by the laser radiation is determined by relative

Verschieben des Werkstückes und der Laserstrahlerzeugungs^¬ einrichtung variiert. Auf diese Weise kann entweder eine größere Fläche bearbeitet werden oder aber eine Moving the workpiece and the laser beam ^{generating ¬ device} varies. In this way, either a larger area can be edited or a

Strukturierung der Oberfläche vorgenommen werden, indem einige Teilflächen der Laserstrahlung ausgesetzt werden und andere Teilflächen der Laserstrahlung nicht oder in größerem oder geringerem Umfang ausgesetzt werden. Structuring of the surface can be made by exposing some surfaces of the laser radiation and other surfaces of the laser radiation are not exposed to or to a greater or lesser extent.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das relative Verschieben in der Weise, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche teilweise überlappt. Durch diese Überlappung werden die Flächenbereiche mehrfach vom Laserstrahl überfahren, was eine verbesserte Oberflächenqualität und/oder einen größeren Materialabtrag bewirken kann. In some embodiments of the invention, the relative displacement takes place in such a way that first a first partial area is irradiated with a prescribable number of pulses and subsequently a second partial area is irradiated with a prescribable number of pulses, the second partial area partially overlapping with the first partial area , As a result of this overlap, the surface areas are repeatedly run over by the laser beam, which can bring about improved surface quality and / or greater removal of material.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Überlappung der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche zwischen etwa 30 % und etwa 70 % oder zwischen etwa 45 % und etwa 55 % des Durchmessers der Teilfläche betragen. In some embodiments of the invention, the overlap of the first sub-area and the second sub-area may be between about 30% and about 70%, or between about 45% and about 55% of the diameter of the sub-area.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne The invention is based on figures without

Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt Restriction of the general inventive concept will be explained in more detail. It shows

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Figure 1 is a schematic representation of a

erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 2 zeigt die Ablationstiefe eines bekannten Device according to the invention. FIG. 2 shows the ablation depth of a known one

Bearbeitungsverfahrens und des erfindungsgemäßen Processing method and the invention

Bearbeitungsverfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich. Processing method in a first embodiment in comparison.

Figur 3 zeigt die Ablationstiefe und die Linienbreite einer mit einem bekannten Verfahren und dem FIG. 3 shows the ablation depth and the line width of one with a known method and the

erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten inventive method in a first

Ausführungsbeispiel bearbeiteten Oberfläche. Embodiment machined surface.

Figur 4A und Figur 4B zeigen die sich ergebende Oberflächengüte eines bekannten Bearbeitungsverfahren und des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich. FIGS. 4A and 4B show the resulting surface quality of a known machining method and the machining method according to the invention in a first exemplary embodiment in comparison.

Figur 5 zeigt die Ablationstiefe eines bekannten FIG. 5 shows the ablation depth of a known one

Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich. Method and the inventive method in a second embodiment in comparison.

Figur 6A und Figur 6B zeigen die sich ergebende Oberflächengüte des bekannten Verfahrens und des FIGS. 6A and 6B show the resulting surface finish of the known method and of the

erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem zweiten inventive method according to the second

Ausführungsbeispiel . Embodiment.

Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 enthält eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 sowie eine Plasmaerzeugungseinrichtung 4. Der Laserstrahl 35 sowie das Plasma 45 können gleichzeitig oder zeitlich versetzt auf die Teilfläche 25 einer Oberfläche 21 eines Werkstückes 2 einwirken. Dies kann eine Materialmodifikation oder in einigen Ausführungsformen einen Materialabtrag bewirken. Figure 1 shows schematically an apparatus for processing a surface of a workpiece according to the present invention. The device 1 contains a laser beam generating device 3 and a plasma generating device 4. The laser beam 35 and the plasma 45 can act on the partial surface 25 of a surface 21 of a workpiece 2 at the same time or with a time offset. This may effect a material modification or, in some embodiments, a material removal.

Das Werkstück 2 kann beispielsweise ein Metall oder eine Legierung oder ein Halbleitermaterial enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück 2 ein mikroelektronisches oder ein mikromechanisches Bauelement sein, wobei zumindest einige Verfahrensschritte seiner The workpiece 2 may, for example, contain a metal or an alloy or a semiconductor material. In some embodiments of the invention, the workpiece 2 may be a be microelectronic or a micromechanical device, wherein at least some steps of its

Herstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Production with the device according to the invention

durchgeführt werden. be performed.

Das Werkstück 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine plane Platte bzw. ein Wafer. In anderen Ausführungs^¬ formen der Erfindung kann das Werkstück 2 auch eine andere Geometrie aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform des Werkstückes 2 ist daher lediglich beispielhaft zu verstehen. The workpiece 2 is a flat plate or a wafer in the illustrated embodiment. In other execution ^¬ embodiments of the invention, the workpiece 2 can also have a different geometry. The illustrated embodiment of the workpiece 2 is therefore to be understood as exemplary only.

Das Werkstück 2 liegt auf einer Gegenelektrode 41, welche aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, beispiels^¬ weise einem Metall oder einer Legierung. Zumindest die der Arbeitselektrode 44 zugewandte Seite der Gegenelektrode 41 ist mit einem Dielektrikum bzw. einem Isolator 42 versehen. Dies verhindert, dass zwischen der Arbeitselektrode 44 und der Gegenelektrode 41 ein heißer Lichtbogen gezündet wird, welcher einen hohen Energieeintrag in das Werkstück 2 bewirkt und dieses zerstören könnte. Sofern das Werkstück 2 einen Isolator enthält bzw. daraus besteht, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, kann der Isolator 42 in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen. The workpiece 2 is located on a counter electrode 41, which is made of a conductive material, for example ^¬ a metal or an alloy. At least the side of the counterelectrode 41 facing the working electrode 44 is provided with a dielectric or an insulator 42. This prevents that between the working electrode 44 and the counter electrode 41, a hot arc is ignited, which causes a high energy input into the workpiece 2 and could destroy it. If the workpiece 2 contains or consists of an insulator, for example glass, ceramic or plastic, the insulator 42 may also be dispensed with in some embodiments of the invention.

Die Gegenelektrode 41, der optionale Isolator 42 und das Werkstück 2 befinden sich auf einem Manipulator 5, mit welchem die relative Position zwischen der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 und der Plasmaerzeugungseinrichtung 4 einerseits sowie dem Werkstück 2 andererseits verändert werden kann. Hierdurch kann die Lage der Teilfläche 25 variiert werden, sodass vorgebbare Strukturen in die Ober^¬ fläche 21 des Werkstückes 2 eingeschrieben werden können. Der Manipulator 5 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zumindest ein Linearantrieb sein, sodass das Werk^¬ stück 2 in einer Richtung verschiebbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwei Linearantriebe verwendet werden, um die Teilfläche 25 in zwei Dimensionen auf der Oberfläche 21 des Werkstückes 2 verschieben zu können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können auch drei Linearantriebe oder ein Hexapod verwendet werden, sodass zusätzlich die Fokuslage und/oder der Auftreffwinkel des Laserstrahls 35 variiert werden können. The counter electrode 41, the optional insulator 42 and the workpiece 2 are located on a manipulator 5, with which the relative position between the laser beam generating device 3 and the plasma generating device 4 on the one hand and the workpiece 2 on the other can be changed. Thereby, the position of the partial surface 25 can be varied, so that predeterminable structures may be inscribed in the top surface 21 of the workpiece ^¬. 2 The manipulator 5 may be at least one linear drive in some embodiments of the invention, so that the workpiece ^¬ piece 2 is displaceable in one direction. In other embodiments of the invention, two linear drives may be used to separate the face 25 in two dimensions to move on the surface 21 of the workpiece 2. In other embodiments of the invention, three linear drives or a hexapod can be used, so that in addition the focus position and / or the angle of incidence of the laser beam 35 can be varied.

Dem Werkstück 2 gegenüberliegend ist eine Arbeitselektrode 44 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine konisch zulaufende Hohlform mit einer Öffnung, sodass der Laserstrahl 35 konfokal durch die The work piece 2 opposite a working electrode 44 is arranged. In the illustrated embodiment, this is a tapered hollow mold with an opening, so that the laser beam 35 confocally through the

Arbeitselektrode 44 auf die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 gelenkt werden kann. Darüber hinaus kann die Hohlform dazu eingerichtet sein, ein Arbeitsgas 46 aufzunehmen, welches nachfolgend die Arbeitselektrode 44 durchströmt und dadurch im Entladungsspalt angeflutet wird und den wesentlichen Bestandteil des Plasmas 45 bildet. Working electrode 44 can be directed onto the surface 21 of the workpiece 2. In addition, the hollow mold may be adapted to receive a working gas 46, which subsequently flows through the working electrode 44 and is thereby flooded in the discharge gap and forms the essential constituent of the plasma 45.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Isolierkörper 43 vorhanden, welcher die Arbeitselektrode 44 in etwa konzentrisch umgibt. In diesem Fall wird das In the illustrated embodiment, an insulating body 43 is additionally present, which surrounds the working electrode 44 approximately concentric. In this case, that will

Arbeitsgas, beispielsweise ein Edelgas wie Argon, über die Gaszufuhr 46 eingeleitet, sodass das Arbeitsgas im Spalt zwischen der Arbeitselektrode 44 und dem Isolierkörper 43 strömt und von dort dem Entladungsspalt zugeführt wird, um das Plasma 45 zu bilden. Working gas, for example, a noble gas such as argon, introduced via the gas supply 46, so that the working gas flows in the gap between the working electrode 44 and the insulating body 43 and from there to the discharge gap is fed to form the plasma 45.

Zum Ausbilden des Plasmas 45 dient eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle mit einem ersten Pol 471 und einem zweiten Pol 472. Je ein Pol ist mit der Arbeitselektrode 44 und der Gegenelektrode 41 verbunden. Beispielsweise kann der zweite Pol 472 auf einem Erdpotential liegen und der erste Pol 471 eine Hochspannung zur Arbeitselektrode 44 zuführen. Die Spannungsquelle kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Spannung zwischen etwa 4 kV und etwa 15 kV oder zwischen etwa 8 kV und etwa 14 kV oder zwischen etwa 9 kV und etwa 12 kV erzeugen. Die Hochspannung kann eine To form the plasma 45 is a high voltage source, not shown, having a first pole 471 and a second pole 472. Each pole is connected to the working electrode 44 and the counter electrode 41. For example, the second pole 472 may be at a ground potential and the first pole 471 may supply a high voltage to the working electrode 44. The voltage source, in some embodiments of the invention, may generate a voltage between about 4 kV and about 15 kV, or between about 8 kV and about 14 kV, or between about 9 kV and about 12 kV. The high voltage can be a

Wechselspannung oder eine gepulste Spannung sein. Die Wiederholrate der gepulsten Spannung kann zwischen etwa 5 kHz und etwa 9 kHz liegen, wobei einzelne Hochspannungspulse eine Dauer zwischen etwa 20 ys und etwa 200 ys oder zwischen etwa 70 ys und etwa 90 ys aufweisen können. Da das elek^¬ trische Feld im Entladungsspalt durch das Zünden eines Be AC voltage or a pulsed voltage. The The repetition rate of the pulsed voltage may be between about 5 kHz and about 9 kHz, with individual high voltage pulses having a duration between about 20 ys and about 200 ys, or between about 70 ys and about 90 ys. Since the elec ^¬ tric field in the discharge gap by the ignition of a

Entladungsfilamentes des Plasmas 45 zusammenbricht, können innerhalb eines Hochspannungspulses mehrere Entladungen zünden. Hierdurch kann die effektive Entladungsfrequenz des Plasmas 45 in etwa einem Faktor 3 bis Faktor 6 größer sein als die nominal angelegte Pulsfrequenz der Hochspannung. Discharge filament of the plasma 45 breaks, can ignite several discharges within a high voltage pulse. As a result, the effective discharge frequency of the plasma 45 may be greater than the nominally applied pulse frequency of the high voltage in a factor of approximately 3 to a factor of 6.

Weiterhin zeigt Figur 1 eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3, welche beispielsweise einen Titan-Saphir-Laser enthält, welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs aufweist. Die Energie einzelner Pulse kann zwischen etwa 50 yJ bis etwa 250 yJ betragen. Further, Fig. 1 shows a laser beam generating device 3 which includes, for example, a titanium sapphire laser adapted to emit laser radiation having a pulse length of less than about 100 fs or less than about 80 fs or less than about 50 fs or less about 40 fs. The energy of individual pulses may be between about 50 yJ to about 250 yJ.

Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 kann darüber hinaus fokussierende Elemente 31 enthalten, beispielsweise eine Linse, mit welcher der Strahldurchmesser der Laserstrahlung 35 verringert werden kann. Selbstverständlich kann statt einer einzelnen Linse 31 auch ein Linsensystem aus einer Mehrzahl von fokussierenden und defokussierenden Elementen verwendet werden. In gleicher Weise kann eine reflektierende Optik in Betracht gezogen werden, wenn dies vorteilhafter ist als die dargestellte Transmissionsoptik mit licht^¬ brechenden Elementen. The laser beam generating device 3 may further include focusing elements 31, for example a lens with which the beam diameter of the laser radiation 35 can be reduced. Of course, instead of a single lens 31, a lens system of a plurality of focusing and defocusing elements may also be used. Similarly, a reflective optical system can be considered, if this is more advantageous than the transmission optics illustrated with light ^¬ refractive elements.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, durchläuft die Laser^¬ strahlung 35 das Plasma 45 und trifft gemeinsam in der Teil^¬ fläche 25 der Oberfläche 21 des Werkstücks 2 auf. Die Laser^¬ strahlung kann dabei gleichzeitig, zeitlich vor oder As can be seen from Figure 1, passes through the laser radiation ^¬ 35, the plasma 45, and applies in common to the part in ^¬ surface 25 of the surface 21 of the workpiece. 2 The laser ^¬ radiation can simultaneously, temporally before or

zeitlich nach dem Plasma auf die Oberfläche 21 auftreffen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 und die Plasmaerzeugungsein- richtung 4 auch unsynchronisiert betrieben werden, sodass keine feste zeitliche Korrelation zwischen der Einwirkung des Plasmas 45 und der Laserstrahlung 35 besteht. in time after the plasma hit the surface 21. In some embodiments of the invention, the laser beam generating device 3 and the plasma generation direction 4 are also operated unsynchronized, so there is no fixed temporal correlation between the action of the plasma 45 and the laser radiation 35.

Nachfolgend soll die Anwendung der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt Figur 2 den Querschnitt bzw. die Ablationstiefe einer Linie, welche durch lineares Verschieben des Werkstückes 2 in der Vorrichtung 1 erzeugt wurde. Auf diese Weise kann in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Linie in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 eingebracht werden. The application of the device shown in Figure 1 will be explained in more detail by way of examples. Here, FIG. 2 shows the cross section or the ablation depth of a line which has been produced by linear displacement of the workpiece 2 in the device 1. In this way, in a first embodiment, a line can be introduced into the surface 21 of the workpiece 2.

Figur 2 zeigt in Kurve A die Verwendung eines an sich bekannten Kurzpulslasers und in Kurve B die erfindungsgemäße gleichzeitige Verwendung des Lasers mit einem Plasma, welches in einer gepulsten, dielektrisch behinderten FIG. 2 shows in curve A the use of a short-pulse laser known per se, and in curve B the simultaneous use according to the invention of the laser with a plasma which is in a pulsed, dielectrically impeded manner

Entladung erzeugt wurde. Die Feldstärke im Entladungsspalt betrug dabei etwa 1,1 kV/mm bei einer Repetitionsrate von 7 kHz und einer Pulsdauer von 80 ys . Die Ordinate zeigt dabei die Ablationstiefe in Mikrometern, wohingegen auf der Discharge was generated. The field strength in the discharge gap was about 1.1 kV / mm at a repetition rate of 7 kHz and a pulse duration of 80 ys. The ordinate shows the ablation depth in microns, whereas on the

Abszisse der Ort der Messung aufgetragen ist. Durch Abscissa the place of measurement is plotted. By

Variation der Vorschubgeschwindigkeit wurden an der Orts^¬ koordinate 300 ym etwa 400 Laserpulse auf eine Teilfläche 25 appliziert. Dies entspricht dem am weitesten links gelegenen Maximum der Ablationstiefe . Von links nach rechts nimmt die Anzahl der Laserpulse, welche auf einer einzelnen Teilfläche 25 appliziert wurde, von 200 auf 133, 100 und 80 ab. Wie Figur 2 zeigt, verläuft die Ablationstiefe in etwa linear mit der Anzahl der applizierten Laserpulse. Die Varying the feed rate were at the local coordinate ^¬ 300 ym about 400 laser pulses to a part surface 25 applied. This corresponds to the leftmost maximum of the ablation depth. From left to right, the number of laser pulses applied to a single sub-area 25 decreases from 200 to 133, 100 and 80. As FIG. 2 shows, the ablation depth runs approximately linearly with the number of applied laser pulses. The

Ablationstiefe ändert sich durch die erfindungsgemäße Ablation depth changes through the invention

Kombination von Laserstrahlung und Plasmaeinwirkung nicht. Combination of laser radiation and plasma action is not.

Figur 3 zeigt im linken Bildteil nochmals die Ablationstiefe gegen die in einer Teilfläche 25 deponierte Strahlungs^¬ energie, welche gleichbedeutend mit der Anzahl der auf^¬ treffenden Laserpulse ist. Auch hier ist ersichtlich, dass die Ablationstiefe mit Anzahl der Laserpulse in etwa linear zunimmt. Weiterhin ist ersichtlich, dass kein wesentlicher Unterschied der Ablationstiefe durch das Zuschalten des Plasmas eintritt. Figure 3 shows in the left part of the image once the ablation depth against the deposited in a partial surface 25 Radiation ^¬ energy, which is equivalent to the number on ^¬ impinging laser pulses. Here, too, it can be seen that the ablation depth with the number of laser pulses is approximately linear increases. Furthermore, it can be seen that no significant difference in ablation depth occurs through the activation of the plasma.

Der rechte Bildteil der Figur 3 zeigt die Linienbreite an der Oberfläche gegen die Energie bzw. die Anzahl der The right part of Figure 3 shows the line width at the surface against the energy or the number of

Laserpulse in einer einzelnen Teilfläche 25. Hier ist ersichtlich, dass durch Verwendung der erfindungsgemäßen Kombination aus Kurzpulslaserstrahlung und Plasma die Laser pulses in a single sub-area 25. It can be seen here that by using the combination of short-pulse laser radiation and plasma according to the invention

Linienbreite zunimmt. Aufgrund der in etwa identischen Line width increases. Because of the approximately identical

Ablationstiefe ist somit die Menge des entfernten Materials durch die erfindungsgemäße Kombination aus Kurzpulslaserstrahlung und Plasma vergrößert. Ablation depth is thus the amount of removed material increased by the inventive combination of short pulse laser radiation and plasma.

Figur 4 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 gravierten Linie. Dabei zeigt Figur 4A das Ergebnis nach der Einwirkung des Kurzpulslasers gemäß dem Stand der Technik sowie Figur 4B die Kombination von Laserstrahlung und Plasma gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie Figur 4B zeigt, ist die Oberflächenqualität beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich besser, ausgedrückt als geringere Rauheit. Obgleich somit die Ablationstiefe nicht wesentlich zunimmt, kann das erfindungsgemäße Verfahren beim Gravieren einzelner Linien in die Oberfläche 21 eines Werkstückes 2 eine erheblich verbesserte Oberflächenqualität bereitstellen. FIG. 4 shows scanning electron micrographs of the line engraved in the surface 21 of the workpiece 2. 4A shows the result after the action of the short-pulse laser according to the prior art, and FIG. 4B shows the combination of laser radiation and plasma according to the present invention. As FIG. 4B shows, the surface quality in the method according to the invention is significantly better, expressed as less roughness. Thus, although the depth of ablation does not increase significantly, when engraving individual lines into the surface 21 of a workpiece 2, the inventive method can provide significantly improved surface quality.

Anhand der Figuren 5 und 6 wird ein zweites Ausführungs^¬ beispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Wiederum wird ein Werkstück 2 aus einer Aluminiumlegierung bearbeitet, und zwar einmal mit einem bekannten Kurzpulslaser und zum anderen mit der erfindungsgemäßen Kombination aus Reference to the figures 5 and 6, a second embodiment ^¬ example of the present invention will be explained. Again, a workpiece 2 is machined from an aluminum alloy, once with a known short-pulse laser and on the other with the combination of the invention

Kurzpulslaser und Plasma. Die Bearbeitung erfolgt jeweils dergestalt, dass die von der Laserstrahlung bestrahlte Teil^¬ fläche durch relatives Verschieben des Werkstückes bei konstant gehaltener Laserstrahlerzeugungseinrichtung und Plasmaerzeugungseinrichtung variiert wird. Das relative Verschieben wird dabei so ausgeführt, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche um 50 % des Durchmessers der Teilfläche 25 überlappt. Der Durchmesser der Teilfläche 25 wird dabei als Strahldurchmesser der Short pulse laser and plasma. Processing takes place in each case such that the irradiated part by the laser radiation ^¬ area is varied by relative displacement of the workpiece at constant laser beam generating means and the plasma generating apparatus. The relative Displacement is carried out in such a way that initially a first partial area is irradiated with a prescribable number of pulses and subsequently a second partial area is irradiated with a prescribable number of pulses, the second partial area overlapping the first partial area by 50% of the diameter of the partial area 25 , The diameter of the surface 25 is used as the beam diameter of

Laserstrahlung 35 auf der Oberfläche 21 des Werkstückes 2 definiert . Laser radiation 35 defined on the surface 21 of the workpiece 2.

Figur 5 zeigt wiederum die Ablationstiefe gegen den Ort, wobei im linken Bildteil der Figur 5 500 Laserpulse auf eine einzelne Teilfläche 25 eingestrahlt wurden, wohingegen im rechten Bildteil 1600 Laserpulse auf eine einzelne Teil^¬ fläche 25 eingestrahlt wurden, ehe das Werkstück 2 In turn, Figure 5 shows the depth of ablation to the place where 5500 laser pulses were radiated on a single surface portion 25 in the left part of the figure, whereas 1600 laser pulses were radiated on a single part ^¬ surface 25 in the right part, before the workpiece 2

weiterbewegt wurde, um die nächste Teilfläche 25 zu was moved to the next part of 25 to

bestrahlen . irradiate.

Auch in Figur 5 zeigt Figur A die Ablationstiefe, welche mit einem Kurzpulslaser gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist. Kurve B zeigt die Ablationstiefe, welche sich bei der erfindungsgemäßen Kombination aus Laserstrahlung und Plasma ergibt, wobei das Plasma wie vorstehend beschrieben mittels einer dielektrisch behinderten Entladung erzeugt wird. FIG. 5 also shows the ablation depth, which can be achieved with a short-pulse laser according to the prior art. Curve B shows the ablation depth which results in the inventive combination of laser radiation and plasma, wherein the plasma is generated as described above by means of a dielectrically impeded discharge.

Wie Figur 5 zeigt, ist der Kurzpulslaser allein nicht in der Lage, einen nennenswerten Materialabtrag zu bewirken. Erst die erfindungsgemäße Kombination mit einem Plasma sorgt für einen Materialabtrag von etwa 20 ym bzw. etwa 250 ym in Abhängigkeit der durch die Laserstrahlung eingebrachten Energie . As FIG. 5 shows, the short-pulse laser alone is not able to effect a significant material removal. Only the combination according to the invention with a plasma ensures a removal of material of about 20 μm or about 250 μm as a function of the energy introduced by the laser radiation.

Figur 6 zeigt wiederum rasterelektronenmikroskopische FIG. 6 again shows scanning electron microscopic images

Aufnahmen der Oberfläche des Werkstückes 2, wobei Figur 6B ein Werkstück 2 zeigt, welches erfindungsgemäß mit Plasma und Laserstrahlung behandelt wurde, wohingegen Figur 6A ein Werkstück zeigt, welches ausschließlich mit Laserstrahlung behandelt wurde. Shooting of the surface of the workpiece 2, wherein Figure 6B shows a workpiece 2, which was treated according to the invention with plasma and laser radiation, whereas Figure 6A a Workpiece which has been treated exclusively with laser radiation.

Wie Figur 6B zeigt, wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform zu einer Aufrauung der Oberfläche, welche beispielsweise bei der Herstellung solarer Absorber für Solarzellen oder Sonnenkollektoren vorteilhaft eingesetzt werden kann. Höhe und Durchmesser der einzelnen entstehenden Strukturen betragen dabei etwa 10 ym bis etwa 20 ym, sodass auch langwellige Infrarotstrahlung mit großer Effizienz absorbiert werden kann. As FIG. 6B shows, the method according to the invention in accordance with the second embodiment becomes a roughening of the surface, which can advantageously be used, for example, in the production of solar absorbers for solar cells or solar collectors. The height and diameter of the individual structures formed amount to about 10 ym to about 20 ym, so that long-wave infrared radiation can be absorbed with great efficiency.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be^¬ schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. The foregoing Be ^¬ scription is therefore not to be considered as limiting, but as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. As long as the claims and the above description define "first" and "second" embodiments, this serves

Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen. Designation of the distinction between two similar embodiments without defining a ranking.

Claims

claims

1. Device (1) for processing a surface (21) of a workpiece (2) with a plasma generating means (4) and a laser beam generating means (3) which are adapted to at least one part ^¬ surface (25) of the surface (21) of the Workpiece (2) to apply laser radiation (35) and plasma (45), characterized in that

the laser beam generating device (3) is adapted to emit pulsed laser radiation (35) having a pulse length of less than about 100 fs or less than about 80 fs or less than about 50 fs or less than about 40 fs.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the laser beam generating means (3) thereto

is arranged to deliver pulsed laser radiation (35) at a repetition rate of about 5 kHz to about 35 kHz or from about 8 kHz to about 20 kHz or from about 10 kHz to about 15 kHz and / or

in that the laser beam generating device (3) is adapted to emit pulsed laser radiation (35) with a pulse energy of about 50 yy to about 250 yy or of about 80 yy to about 150 yy or of about 90 yy to about 120 yy.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the plasma generating device (4) is adapted to generate a dielectrically impeded discharge and / or

that the plasma generating device (4) to

is set up to generate an atmospheric pressure plasma and / or

that the plasma generating device (4) to is configured to produce a plasma power of about 0.7 W to about 2 W or from about 1 W to about 1.5 W.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the plasma generating device (4) has at least one first electrode (471) and at least one second electrode (472), wherein at least one electrode (471) is provided with a bore, by which the laser radiation (35) of the laser beam ^{generation device} (3) can be ^guided onto the surface (21) of the workpiece (2).

5. A method for processing a surface (21) of a

Workpiece (2) with a plasma generating device (4) and a laser beam generating device (3) which at least a partial surface (25) of the surface (21) of the workpiece (2) with laser radiation (35) and plasma (45) acted upon, characterized in that

the laser beam generating device (3) emits pulsed laser radiation (35) having a pulse length of less than about 100 fs or less than about 80 fs or less than about 50 fs or less than about 40 fs.

6. The method according to claim 5, characterized in that the plasma generating device (4) generates a dielectrically impeded discharge and / or

that the plasma generating device (4) a

Atmospheric pressure plasma generated and / or

in that the plasma generating device (4) has a

Plasma power from about 0.7 W to about 2 W or from about 1 W to about 1.5 W generated and / or

that the plasma generating device (4) argon as

Working gas is supplied.

7. The method according to any one of claims 5 to 6, characterized in that between about 200 and about 8,000

Single pulses of laser radiation (35) impinge on a partial surface (25) of the surface (21) of the workpiece (2).

8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the laser beam generating means (3) pulsed laser radiation (35) with a repetition rate of about 5 kHz to about 30 kHz or from about 8 kHz to about 20 kHz or about 10 kHz to about 15 kHz and / or

in that the laser beam generating device (3) emits pulsed laser radiation (35) with a pulse energy of about 50 yJ to about 250 yJ or of about 80 yJ to about 150 yJ or of about 90 yJ to about 120 yJ.

9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that the workpiece (s) or its surface (21) is a metal or an alloy or a

Contains or consists of semiconductor material.

10. The method according to any one of claims 5 to 9, characterized in that the of the laser radiation (35) irradiated partial surface (25) by relative displacement of the workpiece (2) and the laser beam generating means (3) is varied.

11. The method according to claim 10, characterized in that the relative displacement is carried out so that first a first partial surface is irradiated with a predetermined number of pulses and subsequently a second partial surface is irradiated with a predetermined number of pulses, wherein the second partial surface with partially overlaps the first partial area.

12. The method according to claim 11, characterized in that the overlap between about 30% and about 70% of

Diameter of the partial surface (25) is.