DE10029110B4

DE10029110B4 - Verfahren für die Materialbearbeitung und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE10029110B4
Application number: DE10029110A
Authority: DE
Inventors: Keming Dr. Du; Peter Dr. Loosen; Reinhart Prof.-Dr. Poprawe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: DE10029110A1

Abstract

Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, bei dem die Oberseite (1) eines optisch homogenen Werkstücks (2) mit Laserstrahlung (3) beaufschlagt wird, bei dem die Strahlung (3) unterhalb einer Schwellenintensität nur vernachlässigbar vom Werkstück (2) absorbiert wird, bei dem oberhalb der Schwellenintensität Strahlung (3) absorbiert wird, welche zu einer Materialabtragung führt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Fokussierung der Laserstrahlung (3) sich der Querschnitt des Laserstrahls entlang des Durchlaufs durch das Werkstück (2) derart verjüngt, dass die Schwellenintensität lediglich in der Nähe der Werkstückunterseite (4) überschritten wird, wodurch die Materialabtragung in der Nähe der Werkstückunterseite (4) initiiert wird und dadurch das Material weitgehend in Strahlrichtung abgetragen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Bohren, Schneiden, Konturschneiden, Schweißen und die Oberflächenstrukturierung von Werkstücken.
Stand der Technik
Der Einsatz von Lasern bei der Materialbearbeitung ist inzwischen fest etabliert. Insbesondere beim Schweißen, Bohren, Schneiden, Konturschneiden, und der Strukturierung von Werkstücken werden Laser eingesetzt. Allen Lasermaterialbearbeitungsverfahren ist gemeinsam, dass durch die Einkopplung der Strahlungsenergie in das Werkstück die entsprechenden strukturellen Veränderungen des Werkstückmaterials hervorgerufen werden. Diese thermischen Effekte setzen eine hinreichend starke Absorption der Laserstrahlung durch das Material, zum Beispiel Metalle oder Kunststoffe, voraus. Das Material darf somit in der Regel für die Laserwellenlänge nicht transparent sein. Typischerweise muss der Werkstoff einen Absorptionskoeffizienten von mehr als 2% aufweisen. Da die Absorption von der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung abhängig ist, gilt diese Aussage selbstverständlich bezogen auf die jeweilige im Bearbeitungsverfahren eingesetzte Laserstrahlung.
Der Laserstrahl wird so konditioniert, dass der Fokus in der Nähe der Werkstückoberfläche liegt. Die Strahlungsabsorption wird auf der strahlungsbeaufschlagten Seite des Werkstücks initiiert, da auch dort strahlungsabsorbierendes Material vorliegt. Dies gilt insbesondere für optisch homogene Materialien. Das Material wird von der Oberfläche her erwärmt und wird zunehmend viskoser. Bei entsprechender Dynamik des aufgeschmolzenen Materials kann es zu Materialauswürfen kommen wie sie zum Beispiel beim Laserschweißen allgemein bekannt sind. Wird die Strahlungsintensität hinreichend hoch gewählt, so kann es auch zur Ausbildung eines Plasmas im Bereich der Strahlungseintrittsfläche kommen. Der Abtrag des aufgeschmolzenen Materials erfolgt weitgehend entgegengesetzt zur Strahlungsrichtung. Dies soll nachfolgend so verstanden werden, dass das abgetragene Material in einen Raumbereich zwischen seinem Abtragungsort und der Strahlquelle transportiert wird.
Durch diese Art der Materialabtragung kann es sogar zur Ausbildung einer Wolke aus abgetragenem Material zwischen Werkstück und Laserstrahlquelle kommen. Die Strahlung muss dann durch diese Wolke hindurch progagieren, was im Zusammenspiel mit eventuell eingesetztem Prozessgas zur Instabilität des Prozesses führen kann. Ein Beispiel hierfür ist die Unterbrechung des Laserstrahls bei hinreichend dichter Materiewolke. Ein instabiler Prozess begrenzt jedoch die erreichbare Präzision beim jeweiligen Be- oder Verarbeitungsprozess wie zum Beispiel das Schneiden oder Schweißen. Weiterhin schlägt sich abgetragenes Material häufig auf die Fokussieroptik nieder was die Strahlqualität mindert. Auch bei eingesetztem cross-jet ist dann ein Austausch bzw. eine Reinigung der relevanten Optik in gewissen Zeitabständen erforderlich. Weiterhin schlägt sich das abgetragene Material häufig auf der bearbeiteten Werkstückseite nieder was oft eine Nachbearbeitung erforderlich macht.

Die DE 695 00 997 T2 offenbart ein Verfahren zum Bearbeiten von Materialien mit Laserstrahlung, zum Beispiel transparentem SiO₂, bei dem die Strahlungsintensität so hoch gewählt wird dass eine laserinduzierte Zerstörung des Werkstückes einsetzt. Die dort eingesetzte gepulste Strahlung wird auf einen Punkt an oder unter der Oberfläche des Materials fokussiert und ist so bemessen, dass die Breite der Pulse kleiner oder gleich einer charakteristischen Laserpulsbreite ist. Für diesen Fall ist die laterale thermische Diffusion so klein, dass die Strahlungsenergie räumlich innerhalb des Strahlflecks konzentriert bleibt und sich so ultrafeine Bohrungen realisieren lassen. Auch bei diesem Verfahren wird die Materialabtragung auf der Oberseite des Werkstücks initiiert was zu den oben beschriebenen Problemen führen kann.

Die US 5, 614, 339 reinigt Papier mit einem laserinduzierten Ablationsverfahren. Ein gerichteteter Laserstrahl durchdringt zunächst ohne Absorption das Papier, trifft anschließend auf auf der Rückseite befindlichem Text oder Grafiken, und entfernt diese durch eine Schockwelle. Diese Schrift lehrt somit die Entfernung einer Oberflächenschicht (Tinte oder dergleichen) von einem Substrat aus Papier. Das Substrat selbst soll nicht beschädigt werden. Demgemäß wird die bei der Abtragung eingesetzte Strahlung vom Papier nicht absorbiert, sondern induziert in der Oberflächenschicht eine Schockwelle.

Die JP 62267094 A zeigt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlung, bei dem das Werkstück mit einer dünnen, für die Laserstrahlung transparenten dielektrischen Schicht bedeckt wird, welche die Verunreinigung der Werkstückoberfläche verhindert.

Die US 5,728,994 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Masken für die Erzeugung spezieller Lichteffekte, beispielsweise zur Bühnenausleuchtung. Dabei durchläuft Laserstrahlung ein für ihre Wellenlänge transparentes Substrat und sprengt eine auf der Rückseite des Substrates befindliche reflektive Beschichtung in den von der Laserstrahlung erfassten Bereichen ab.

Die EP 0536431 A1 offenbart ein Verfahren zur Strukturierung der Rückseitenelektrode von Dünnschichtsolarzellen. Wie in der vorgenannten Druckschrift wird dabei die abzutragende Dünnschicht durch eine anliegende für die Laserwellenlänge transparente Schicht hindurch bestrahlt, was zur Absprengung des von der Laserstrahlung erfassten Bereichs der Dünnschicht führt.

Die drei letztgenannten Druckschriften setzen somit voraus, dass das zu behandelne Werkstück optisch inhomogen ist, bzw. Bereiche mit unterschiedlichen Transmissions- bzw. Absorptionseogenschaften aufweist.

Dagegen beschreibt die US 4,473,737 ein Verfahren zum Bohren von Löchern der Größenordnung von einem Millimeter in dünne Wafer, welche optisch homogen sein können, mittels Laserstrahlung. Das Verfahren basiert auf Interferenzeffekten des ursprünglichen Laserstrahls mit den an der Werkstückunter- und -oberseite reflektierten Laserstrahlen. Aufgrund destruktiver Interferenz an der Werkstückoberseite und konstruktiver Interferenz an der Werkstückunterseite wird lediglich an der Werkstückunterseite eine für eine Materialabtragung hinreichende Lichtabsorption durch das Material erreicht. Vorausgesetzt ist dabei, dass Werkstückunter- und -oberseite parallel zueinander und jeweils senkrecht zum Laserstrahl ausgerichtet sind. Außerdem ist das Verfahren auf die Bearbeitung dünner Werkstücke begrenzt.

Im Übrigen ist aus der DE 4020535 A1 bekannt, abgetragenes Material durch eine Pumpeinheit abzusaugen und aus der DE 3809211 A1 bekannt Werkstückoberflächen vor dem Abtragungsprozess zu polieren.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben mit einem möglichst stabilen Laserbearbeitungsprozess und optimaler Genauigkeit des Bearbeitungsverfahrens, bei dem der störende Einfluss der Beschaffenheit des Werkstücks sowie der störende Einfluss des abgetragenen Materials auf den Bearbeitungsprozess minimiert wird.

Die Lösung dieses Problems wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angegeben werden.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich dieses technische Problem dadurch lösen lässt, dass die Oberseite eines optisch homogenen Werkstücks mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, wobei die Strahlung unterhalb einer Schwellenintensität nur vernachlässigbar vom Werkstück absorbiert wird und oberhalb der Schwellenintensität Strahlung absorbiert wird, welche zu einer Materialabtragung führt, wobei durch eine Fokussierung der Laserstrahlung sich der Querschnitt dews Laserstrahls entlang des Durchlaufs durch das Werkstück derart verjüngt, dass die Schwellenintensität lediglich in der Nähe der Werkstückunterseite überschritten wird, somit die Materialabtragung in der Nähe der Werkstückunterseite initiiert wird, und dadurch das Material weitgehend in Strahlrichtung abgetragen wird.

Bei dieser Vorgehensweise wird die Werkstückoberseite mit Strahlung beaufschlagt, d.h. die der Strahlungsquelle zugewandte Seite des Werkstücks. Der Abtragungsprozess wird auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite des Werkstücks, also der Werkstückunterseite, initiiert. Beginnt dort die Abtragung des Materials, so kann sich dieses nur von der Strahlungsquelle wegbewegen. Eine Bewegung in Richtung der Strahlungsquelle ist ausgeschlossen, da sich zwischen dem sich ablösenden Material und der Strahlungsquelle noch das Werkstück selbst befindet. Zusammengefasst wird durch diese Vorgehensweise das Material weitgehend entgegengesetzt zur Strahlrichtung abgetragen.

Natürlich kann sich durch den Bearbeitungsprozess auf der Werkstückunterseite eine Materiewolke ausbilden die meist keine wohldefinierte Ausbreitungsrichtung hat. Auch in diesem Fall kann jedoch von einer weitgehend in Strahlrichtung abtragenden Bearbeitung gesprochen werden, da die Partikel dieser Materiewolke zumindest eine Geschwindigkeitsvorzugsrichtung aufweisen sollten, die weitgehend in Richtung der Strahlungsrichtung liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Materialien eingesetzt, welche die Laserwellenlänge bei hinreichend kleinen Intensitäten nicht absorbieren, also für sie transparent sind. Damit kann sichergestellt werden, dass keine Prozessinitiierung auf der Werkstückoberseite erfolgen kann. Erst bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Intensität wird die Strahlung vom Material absorbiert. Der Schwellenwert hängt vom Werkstückmaterial ab und kann durch eine Abstimmung von Laserleistung, Fokussierung und Pulsverlauf erreicht werden. Die Strahlungsabsorption beruht dann auf nichtlinearen Effekten und wird auch nicht durch Multiphoton-Prozesse verursacht. Experimentell muss lediglich sichergestellt werden, dass das Überschreiten der Schwellenintensität örtlich nahe der Strahlaustrittsfläche erfolgt.

Um die für das Erreichen der Schwellenbedingung erforderlichen Intensitäten bereitstellen zu können ist es vorteilhaft gepulste Laser einzusetzen. So bieten sich gütegeschaltete Laser für die Schaffung relativ grober Strukturen an. Für sehr feine und präzise Abtragungen eignen sich besonders modengekoppelte Laser die Pulse mit Pulsdauern von Femto- bis Picosekunden aufweisen und zudem sehr hohe Spitzenleistungen zeigen. Bei derartigen Lasern wird die Pulsdauer durch Dispersion in der Luft und im Werkstück verlängert, und damit die im Fokus verfügbare Intensität gemindert. Zur Kompensation kann der Laserpuls so gechirpt werden, dass im räumlichen Fokus des Strahls die Pulsdauer etwa der Pulsdauer des ursprünglichen Laserstrahls ist. Auch möglich ist der Einsatz von Oszillator-Verstärkersystemen.

Für die Realisierung der Abtragungsinitiierung auf der Werkstückunterseite wird der Laserstrahl auf einen Punkt fokussiert, welcher in der Nähe der Strahlungsaustrittsstelle liegt. Dieser Punkt kann auf der Werkstückoberfläche liegen, im Werkstück in der Nähe der Austrittsstelle, oder sogar außerhalb des Werkstücks in der Nähe der Austrittsstelle. Der Laserstrahl wird somit weitgehend durch das Werkstück hindurch fokussiert.

Im Idealfall würde die Schwellenbedingung für die Strahlungsabsorption nur in diesem gewählten Fokuspunkt nahe der Oberfläche der Werkstückunterseite erreicht. In diesem Fall würde der Prozess kontrolliert von einem Punkt aus gestartet.

In der Praxis bildet sich bei der Fokussierung des Laserstrahls auf einen Punkt in der Nähe der Werkstückunterseite im Bereich der Brennebene eine Fokuskaustik aus. Der Fokus ist nicht punktförmig, sondern weist eine von systembedingten Parametern abhängige Unschärfe auf. Diese Unschärfe äußert sich auch in einer gewissen Ausdehnung Δz des Fokus in z-Richtung, d.h. der Strahlrichtung. Steht zum Beispiel die Bearbeitungsoptik innerhalb der Rayleighlänge, so kann diese Ausdehnung in Nahfeldnäherung durch das Produkt von Strahldivergenz θ und Objektivbrennweite f angegeben werden: Δz = θ·f. Damit wird der Abtragungsprozess in einem Bereich ± Δz initiiert was die Abtragspäzision mindert. Zur Gewährleistung eines stabilen Arbeitsprozesses und zur Erhöhung der Abtragungs-präzision ist es daher vorteilhaft, den Laser auf einen Punkt innerhalb eines Bereichs ± Δz, gerechnet ab der Oberfläche der Werkstückunterseite, zu fokussieren. In diesem Fall ist im Material der Unschärfebereich entlang der z-Richtung kleiner und wird der Abtragungsprozess in einem kleinerem Bereich initiiert.

Maßgeblich für den Abtragungsprozess ist die Intensität im Fokus und dessen Ausdehnung. Für die mit dem vorliegenden Verfahren bearbeiteten optisch homogenen Werkstoffe tritt keine zusätzliche Fokusunschärfe durch lokal unterschiedliches Absorptionsvermögen des Werkstücks hinzu.

Für die erzielbare Größe des Laserfokus und damit für die Frage, mit welcher Ortsauflösung die Bearbeitung erfolgen kann, ist die optische Qualität von Bedeutung. Hierzu zählen maßgeblich die Form, die Krümmung und die Rauheit des Werkstücks. Wenn es das Werkstück zulässt kann es vorteilhaft sein die Strahleintrittsfläche zu polieren. Für ein komplizierter gestaltetes Werkstück mit rauher Eintrittsfläche bietet es sich an, zumindest einen Teil der Eintrittsfläche mit einem transparenten Medium formschlüssig abzudecken, da dann die Beeinträchtigung des Laserfokus durch die Beschaffenheit der Eintrittsstelle vernachlässigt werden kann. Als geeignetes transparentes Medium kann eine dicke (Dicke > 1 μm) Schicht einer Lackierung, eines Klebers oder einer mit einem spin-off-Verfahren hergestellten Schicht gewählt werden. Auch möglich ist die Wahl eines transparenten Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser. Die genannten Medien weisen recht glatte Oberflächen auf.

Bei der Bearbeitung des Werkstücks mit Laserstrahlung können gegebenenfalls durch die Strahlung mechanische Spannungen induziert werden, oder aber das Werkstück kann schon vorher derartige Spannungen aufweisen. Innere Spannungen machen jedoch den Prozess instabiler bzw. unkontrollierbarer und können zu einer unerwarteten Abtragung und auch zu Rissbildung führen. Dieser störenden Einfluss kann dadurch gemindert werden, dass das Werkstück vor der Laserstrahlbeaufschlagung in einem Ofen getempert, d.h. temperaturbehandelt wird. Durch die Temperung werden die Spannungen soweit abgebaut, das die verbleibende Innenspannung den Prozess nicht mehr nennenswert stören kann.

Werden durch die Laserstrahlung Spannungen in das Werkstück eingebracht, so können diese die Materialeigenschaften verändern. So reduzieren innere Spannungen häufig die mechanische Stabilität des Werkstücks. Daher ist es vorteilhaft, nach der Laserbehandlung eine Temperung des Werkstücks vorzunehmen. Selbstverständlich kann die Temperung sowohl vor als auch nach der Lasermaterial-bearbeitung erfolgen.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Abtragungsprozesses mit einem fokussierten Laserstrahl. Die Laserstrahlung 3 verläuft in -z-Richtung und wird durch eine Fokussieroptik 7 auf das Werkstück 2 fokussiert. Auf der Werkstückoberseite 1 wird im Bereich der Strahleintrittsfläche 8 kein Materialabtrag bewirkt. Nach dem Durchlaufen der Strahlung durch das transparente Medium wird bedingt durch die Fokussierung unmittelbar in der Nähe der Werkstückunterseite 4 die Schwellenintensität erreicht und es erfolgt eine Abtragung im Bereich 9. Das abgetragene Material verlässt den Abtragungsbereich und bildet dabei eine Art Fackel 10. Die Richtung der abgetragenen Teilchen ist dabei weitgehend die -z-Richtung, mithin weitgehend die Strahlrichtung. Das abgetragene Material kann zusätzlich durch eine Pumpeinheit abgesaugt werden um eine Verunreinigung der Unterseite zu vermeiden. Durch eine nicht dargestellte Verfahreinheit wird die Lage des Fokus in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, d.h. der xy-Ebene, durchgestimmt. In diesem Ausführungbeispiel wird die Fokuslage in x-Richtung verändert so dass es zur Ausbildung eines Schlitzes 10 in der Austrittsfläche kommt.
Durch ein Verfahren des Fokus in x- und y-Richtung kann gemäß 2 eine Schicht 11 abgetragen werden. Durch Variation der Fokuslage kann die Schichtdicke lokal verändert und somit eine vorgegebbare Oberflächenstruktur realisiert werden.
3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen einer Bohrung in einem transparenten Material. Hierzu wird zunächst der Fokus unmittelbar vor der Austrittsstelle gelegt und dort eine Scheibe der Dicke d abgetragen. Anschließend wird die Linse 7 durch eine Verfahreinheit entlang der z-Achse in eine Position 7' bewegt. Die Verschiebungsstrecke ist dabei ungefähr d. Auf diese Weise kann im Werkstück sequentiell eine Bohrung 12 geschaffen werden. Der Abtragungsprozess beim Bohren erfolgt dabei von der Werkstückunterseite 4 her und endet auf der Oberseite 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch das Einbringen von beliebig geformten dreidimensionalen Strukturen auf der Werkstückunterseite möglich. So zeigt 4 die Schaffung einer Pyramide 13. Hierbei wird der Laserfokus relativ zum Werkstück in allen drei Raumrichtungen bewegt. Vorteilhafterweise wird dieser Abtragungsprozess schichtweise vorgenommen. Hierbei wird zunächst der Laserfokus in der xy-Ebene variiert und eine Schicht abgetragen. Danach wird die Fokuslage in z-Richtung angepasst und eine neue Schicht abgetragen usw.

Claims

Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, bei dem die Oberseite (1) eines optisch homogenen Werkstücks (2) mit Laserstrahlung (3) beaufschlagt wird, bei dem die Strahlung (3) unterhalb einer Schwellenintensität nur vernachlässigbar vom Werkstück (2) absorbiert wird, bei dem oberhalb der Schwellenintensität Strahlung (3) absorbiert wird, welche zu einer Materialabtragung führt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Fokussierung der Laserstrahlung (3) sich der Querschnitt des Laserstrahls entlang des Durchlaufs durch das Werkstück (2) derart verjüngt, dass die Schwellenintensität lediglich in der Nähe der Werkstückunterseite (4) überschritten wird, wodurch die Materialabtragung in der Nähe der Werkstückunterseite (4) initiiert wird und dadurch das Material weitgehend in Strahlrichtung abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fokus nahe der Werkstückunterseite (4) gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Strahleintrittsbereichs (5) auf der Werkstückoberseite (1) formschlüssig durch ein transparentes Medium (6) abgedeckt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das abgetragene Material durch eine Pumpeinheit abgesaugt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Strahlungsbeaufschlagung der Strahleintrittsbereich (5) des Werkstücks (2) und/oder des transparenten Mediums (6) optisch poliert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Fokus senkrecht zur Werkstückoberfläche, d.h. in z-Richtung, durch eine Verfahreinheit durchgestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Fokus waagerecht zur Werkstückoberfläche, d.h. in der x-y-Ebene, durchgestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur oder Fläche abgetragen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück schichtweise abgetragen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor oder nach der Laserstrahlbeaufschlagung getempert wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) mit einem gütegeschalteten Laser, einem modengekoppelten Laser mit einer Pulsdauer im Bereich Femto- bis Pikosekunden, oder mit einem Oszillator-Verstärkersystem strahlungsbeaufschlagt wird.