DE102012010635A1 - Three dimensional structuring or shaping of hard, brittle, and optical materials, comprises patterning surface of a hard, brittle and optical material with an ultra-short pulse laser, where surface of structure is smoothed by plasma jet - Google Patents

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Abstract

Three dimensional (3D) structuring or shaping of hard, brittle, and optical materials, comprises patterning a surface of a hard, brittle, and optical material with an ultra-short pulse laser (5), where a 3D structure or mold is introduced into the surface by direct ablation, and then structured or shaped such that the surface is smoothed by a plasma jet (7). Independent claims are also included for: (1) a workpiece (1) which is made from a hard, brittle, or optical material for the transmission of 3D structures or molds and produced by molding, where the workpiece surfaces (2) to be molded have 3D structures and shapes; (2) use of workpiece for the transmission of 3D structures or shapes by molding; and (3) a device for performing the above mentioned method, comprises a patterning unit for patterning a workpiece surface and a smoothing unit for smoothing the surface of the workpiece, where the alignment of both units to each other with respect to the workpiece surface has a high degree of coverage accuracy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten 3D-Strukturierung und Formgebung der Oberfläche von harten, spröden und optischen Materialien, die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung definierter dreidimensionaler Strukturen an der Oberfläche zylinder- oder walzenförmiger Werkzeuge aus solchen Materialien, derartig hergestellte Werkzeuge und die Verwendung derartiger Werkzeuge beispielsweise zur Übertragung dieser Strukturen in weiche organische Materialien, z. B. in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess.The invention relates to a method for direct 3D structuring and shaping of the surface of hard, brittle and optical materials, the use of this method for producing defined three-dimensional structures on the surface of cylindrical or cylindrical tools made of such materials, tools produced in this way and the use of such For example, tools for transferring these structures into soft organic materials, e.g. In a roll-to-roll process.

Stand der Technik und Nachteile des Standes der Technik:Prior art and disadvantages of the prior art:

Zur Mikrostrukturierung von Oberflächen aus harten, spröden und optischen Materialien stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen.For the microstructuring of surfaces of hard, brittle and optical materials, various methods are available that are based on different principles.

Überwiegend werden indirekte, mehrstufige und damit aufwendige Verfahren eingesetzt, wobei eine dreidimensionale Maskenstruktur durch Ätzen auf die eigentlich zu strukturierende Oberfläche übertragen wird.For the most part, indirect, multi-stage and therefore expensive methods are used, wherein a three-dimensional mask structure is transferred by etching to the actual surface to be structured.

Ein typisches Beispiel dafür ist die Übertragung von lithographisch in einer Photoresistschicht erzeugten Strukturen durch naßchemische oder Trockenätz-Prozesse. Neben der aufwendigen Lithographie, die standardmäßig nur auf Plansubstraten angewendet werden kann, sind die Ätzprozesse kostenintensiv (Trockenätzen) oder umweltschädlich (nasschemisches Ätzen).A typical example of this is the transfer of structures lithographically formed in a photoresist layer by wet chemical or dry etching processes. In addition to the elaborate lithography, which can be applied by default only to plano substrates, the etching processes are cost-intensive (dry etching) or environmentally harmful (wet-chemical etching).

In DE 42 34 740 C2 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Glasoberfläche auf diese Weise vorstrukturiert und anschließend mit Hilfe eines aufwendigen Elektronenstrahlprozesses im Vakuum aufgeschmolzen und dabei geglättet wird.In DE 42 34 740 C2 describes a method in which a glass surface pre-structured in this way and then melted using a complex electron beam process in a vacuum and thereby smoothed.

Ein anderes Beispiel für ein indirektes Verfahren ist die mechanische Strukturierung (z. B. durch Ritzen) einer geeigneten, zumeist weicheren Hilfsschicht mit anschließendem Atzübertrag. Weiterhin werden verschiedene Verfahren zur Strukturierung von Werkstückoberflächen durch Materialablation infolge indirekter oberflächennaher Absorption von Laserstrahlung in geeigneten Hilfsmedien (Flüssigkeiten, Gase, Schichten) beschrieben ( DE3326571 A1 „Verfahren zur Strukturierung von Materialoberflächen mittels Laserstrahlung”, DE10328559 B4 „Verfahren zur Präzisionsbearbeitung von transparenten Materialien mit gepulster Laserstrahlung”).Another example of an indirect method is the mechanical structuring (eg by scribing) of a suitable, mostly softer auxiliary layer with subsequent transfer of etching. Furthermore, various methods for structuring workpiece surfaces by material ablation due to indirect near-surface absorption of laser radiation in suitable auxiliary media (liquids, gases, layers) are described ( DE3326571 A1 "Process for structuring material surfaces by means of laser radiation", DE10328559 B4 "Method for precision machining of transparent materials with pulsed laser radiation").

Eine höhere Flexibilität und geringeren Aufwand versprechen direkte Strukturierungsverfahren.Higher flexibility and lower costs promise direct structuring methods.

Direkte Methoden zur Strukturerzeugung können unter anderem abtragende Verfahren wie Ritzen, Schleifen oder Feilen sein, wobei allerdings die Oberfläche und unmittelbar darunter befindliches Material mikromechanisch geschädigt werden können (Bildung von Mikrorissen sowie deren Wachstum, Erhöhung der Oberflächenrauigkeit, Veränderungen im Gefüge).Direct methods for the structure production can be, among other things, ablative methods such as scribing, grinding or filing, although the surface and immediately underlying material can be micro-mechanically damaged (formation of microcracks and their growth, increase in surface roughness, changes in the microstructure).

Daneben existieren laserbasierte Verfahren zur direkten Bearbeitung von Oberflächen. So wird etwa in der PCT-Anmeldung WO2011/116968 A2 „System and method for laser-beam based processing” eine Vorrichtung beschrieben, die direkt mittels gepulsten Laserstrahlen die Oberfläche von großen Werkstücken bearbeitet.In addition, there are laser-based methods for the direct processing of surfaces. For example, in the PCT application WO2011 / 116968 A2 "System and method for laser-beam based processing" describes a device that directly processes the surface of large workpieces by means of pulsed laser beams.

Dabei wird eine Vielzahl von Laserspots erzeugt und arrayartig angeordnet. Dieses Array wird dann mit dem Ziel, großflächig Muster zu erzeugen, über das Werkstück geführt. Muster bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Vielzahl von Strukturen einer Art, wie beispielsweise Nuten oder Rillen, in einem Arbeitsschritt gleichzeitig erzeugt werden können. Die Anwendung beschränkt sich dadurch auf plane, großflächige Werkstücke.In this case, a large number of laser spots is generated and arranged like an array. This array is then passed over the workpiece with the aim of producing large-scale patterns. Pattern in this context means that a plurality of structures of one type, such as grooves or grooves, can be generated simultaneously in one step. The application is limited to flat, large-scale workpieces.

In der PCT-Anmeldung WO2009/128893 A1 „Methods and systems for forming microstructures in glass substrates” werden mittels zweier, nacheinander zum Einsatz kommender Laserstrahlen konische Kavitäten auf der Oberfläche von Glas erzeugt, die sich überlappen. In dem europäischen Patent EP1016634 B1 „A laser processing method for a glass substrate, and a microlens array obtained thereby” werden Kavitäten direkt und einzeln durch Laserstrahlung in Form eines Strahls erzeugt. Die direkte Strukturierung von harten, spröden und optischen Materialien mit Hilfe von Kurzpulslasern hat jedoch den entscheidenden Nachteil einer signifikanten Aufrauhung der bearbeiteten Flächen.In the PCT application WO2009 / 128893 A1 By means of two successive laser beams, conical cavities are produced on the surface of glass that overlap each other. In the European patent EP1016634 B1 Cavities are generated directly and individually by laser radiation in the form of a beam. The direct structuring of hard, brittle and optical materials by means of short-pulse lasers, however, has the decisive disadvantage of a significant roughening of the machined surfaces.

Im Gegensatz dazu eignet sich die Bestrahlung von Gläsern mittels Hochleistungs-Lasern (z. B. CO2-Lasern) auch für das Polieren oder Glätten von Oberflächen beziehungsweise für das Brechen von Kanten. Ein Beispiel dafür wird in der europäischen Patentschrift EP1871566 B1 „Verfahren zum Feinpolieren/-strukturieren wärmeempfindlicher dielektrischer Materialien mittels Laserstrahlung” offenbart. Größere Flächen müssen jedoch durch sehr feines Abrastern mit dem Laserstrahlspot bearbeitet werden, wodurch es infolge von Überlappungseffekten zur Ausbildung von Überstrukturen und damit einhergehenden Welligkeiten kommen kann.In contrast, the irradiation of glasses by means of high-power lasers (eg CO2 lasers) is also suitable for polishing or smoothing surfaces or for breaking edges. An example of this is in the European patent specification EP1871566 B1 "Method for fine polishing / structuring of heat-sensitive dielectric materials by means of laser radiation" disclosed. Larger areas, however, must be machined by very fine laser beam spot scanning, which can lead to the formation of superstructures and consequent waviness due to overlap effects.

In der deutschen Patentanmeldung DE10328250 A1 „Verfahren zur Oberflächenbearbeitung” wird eine Plasmabehandlung von Oberflächen beschrieben, die eine Veränderung der Oberflächenform bei Erhalt oder Verbesserung der Oberflächenrauheit propagiert. Das entsprechende Verfahren eignet sich damit prinzipiell auch zum Glätten von rauen oder strukturierten Oberflächen.In the German patent application DE10328250 A1 "Surface Treatment Process" describes a plasma treatment of surfaces which is a modification of the Surface shape propagated while maintaining or improving the surface roughness. The corresponding method is thus also suitable in principle for smoothing rough or structured surfaces.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur direkten, flexiblen und wirtschaftlichen 3D-Strukturierung von Oberflächen aus harten, spröden und optischen Materialien wie beispielsweise Quarzglas.The object of the invention is to provide a method for direct, flexible and economical 3D structuring of surfaces of hard, brittle and optical materials such as quartz glass.

Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Vorteile der direkten Strukturerzeugung mittels Laserprozessen mit den Vorzügen einer lokalen Plasmabehandlung für die flexible Herstellung von Mikrostrukturen insbesondere auch auf stark gekrümmten Substraten zu nutzen.In particular, the object of the invention is to utilize the advantages of direct structure generation by means of laser processes with the advantages of a local plasma treatment for the flexible production of microstructures, in particular also on strongly curved substrates.

Weiterhin besteht die Aufgabe in der Bereitstellung von mit diesem Verfahren hergestellten Werkstücken beispielsweise in Form von strukturierten Zylindern oder Walzen, vorzugsweise aus Quarzglas, die insbesondere zur Strukturierung von weichen organischen Schichten durch Abformung in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess eingesetzt werden können.Furthermore, the object is the provision of workpieces produced by this method, for example in the form of structured cylinders or rollers, preferably of quartz glass, which can be used in particular for structuring soft organic layers by molding in a roll-to-roll process.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur direkten 3D-Strukturierung und Formgebung der Oberfläche von harten, spröden und optischen Materialien nach Anspruch 1 gelöst.The stated object is achieved with a method for direct 3D structuring and shaping of the surface of hard, brittle and optical materials according to claim 1.

Zudem gibt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe Werkstücke, vorzugsweise zylinder- oder walzenförmiger Werkstücke, mit einer definierten dreidimensionaler Strukturen an der Oberfläche, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahrens gemäß Anspruch 4 an sowie die Verwendung derartiger Werkstücke gemäß Anspruch 7, vorzugsweise zur Übertragung von Strukturen in weiche organische Materialien, insbesondere in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess und dessen Unteransprüche an.In addition, the invention to solve the task workpieces, preferably cylindrical or cylindrical workpieces, with a defined three-dimensional structures on the surface produced by the inventive method according to claim 4 and the use of such workpieces according to claim 7, preferably for the transmission of structures in soft organic materials, especially in a roll-to-roll process and its subclaims.

Des Weiteren gibt die Erfindung eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an, die eine Strukturierungseinheit zur Strukturierung einer Werkstückoberfläche und eine Glättungseinheit zur Glättung der Werkstückoberfläche aufweist, wobei insbesondere die Einstellung beider Einheiten zueinander eine hochgradige Überdeckungsgenauigkeiten aufweist, d. h. die Strukturierungseinheit und die Glättungseinheit mit nur geringer lokaler Abweichung voneinander die gleichen Bereiche der Oberfläche bearbeiten.Furthermore, the invention provides a device according to claim 10 for carrying out the method according to the invention, comprising a structuring unit for structuring a workpiece surface and a smoothing unit for smoothing the workpiece surface, wherein in particular the adjustment of both units to each other has a high degree of overlap accuracy, d. H. the structuring unit and the smoothing unit process the same areas of the surface with little local deviation from each other.

Eine Strukturierungseinheit ist definitionsgemäß ein Laser, vorzugsweise ein Ultrakurzpulslaser, insbesondere ein Femtosekundenlaser.By definition, a structuring unit is a laser, preferably an ultrashort pulse laser, in particular a femtosecond laser.

Eine Glättungseinheit umfasst definitionsgemäß eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls, vorzugsweise eines atmosphärischen Plasmastrahls, insbesondere ein durch Mikrowellen angeregten Plasmastrahl.By definition, a smoothing unit comprises a device for producing a plasma jet, preferably an atmospheric plasma jet, in particular a plasma jet excited by microwaves.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der angeschlossenen Unteransprüche zeichnet sich dadurch aus, dass eine durch direkte Ablation mittels Ultrakurzpulslasern strukturierte Oberfläche aus hartem, spröden und optischem Material wie vorzugsweise dielektrisches Material, insbesondere Quarzglas, durch einen Plasmastrahlprozess, vorzugsweise einen atmosphärischen Plasmastrahlprozess, geglättet wird.The inventive method according to claim 1 and the appended subclaims is characterized in that a structured by direct ablation using ultrashort pulse lasers surface of hard, brittle and optical material such as preferably dielectric material, in particular quartz glass, by a plasma jet process, preferably an atmospheric plasma jet process is smoothed ,

Der Einsatz des Lasers zur Strukturierung (Laserstrukturierung) und des Plasmastrahls zur Glättung (Plasmastrahlglättung), im Weiteren auch als Werkzeug oder Werkzeuge benannt, kann parallel somit gleichzeitig oder seriell somit nacheinander erfolgen. Je nach Größe der zu strukturierenden oder zu formenden Fläche erfolgt die Bearbeitung stationär oder durch relative Bewegung der Werkzeuge in Bezug zur Oberfläche des Materials oder vice versa.The use of the laser for structuring (laser structuring) and the plasma jet for smoothing (plasma jet smoothing), also referred to below as a tool or tools, can thus be carried out simultaneously in parallel or serially in succession. Depending on the size of the surface to be structured or shaped, the processing takes place stationary or by relative movement of the tools in relation to the surface of the material or vice versa.

Die Vorteile der Erfindung bestehen in der hohen Wirtschaftlichkeit des einfachen, an Atmosphäre durchführbaren 2-Schritt-Verfahrens ohne Beteiligung von Hilfsschichten sowie der daraus resultierenden hohen Flexibilität bei der 3D-Strukturierung und Formgebung von Substratoberflächen aus hartem, sprödem und optischem Material.The advantages of the invention are the high economic efficiency of the simple 2-step process which can be carried out on the atmosphere without the involvement of auxiliary layers and the resulting high flexibility in the 3D structuring and shaping of substrate surfaces of hard, brittle and optical material.

Da sowohl die Laserstrukturierung als auch die Plasmastrahlglättung hochgradig lokal arbeiten, ist dieses Verfahren problemlos auch auf gekrümmten oder unebenen Substratoberflächen wie vorzugsweise zylinder- oder walzenförmige Oberfläche anwendbar.Since both the laser structuring and the plasma jet smoothing work highly local, this method is easily applicable to curved or uneven substrate surfaces such as preferably cylindrical or cylindrical surface.

Bei der Bearbeitung derartiger Flächen zeigt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass der Ultrakurzpulslaser zur Strukturierung und der Plasmastrahl zur Glättung der Oberfläche des harten, spröden und optischen Materials während der Strukturierung und Glättung entsprechend, vorzugsweise parallel, der Formgebung der Oberfläche des harten, spröden und optischen Materials geführt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise gewährleistet werden, dass der lokale Auftreffwinkel des Laser- und/oder Plasmastrahls in Bezug auf die lokale Tangentialebene des jeweils zu bearbeitenden Punktes einer Bahnkurve auf der Oberfläche nahezu gleichbleibt. Auch können andere Laser- oder Plasmastrahlparameter wie der lokale Abstand des Laser- bzw. Plasmastrahls zur Oberfläche und/oder der jeweilige Leistungseintrag durch diese Verfahrensweise konstant gehalten werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht insbesondere die Herstellung strukturierter Quarzglaszylinder oder -walzen als Werkstücke zur Strukturübertragung in Rolle-zu-Rolle-Abformprozessen.In the processing of such surfaces, the inventive method has the advantage that the ultrashort pulse laser for structuring and the plasma jet for smoothing the surface of the hard, brittle and optical material during structuring and smoothing accordingly, preferably in parallel, the shape of the surface of the hard, brittle and optical material can be performed. In this way, it can be ensured, for example, that the local angle of incidence of the laser and / or plasma beam with respect to the local tangential plane of the respective point to be processed of a trajectory on the surface remains almost constant. Also, other laser or plasma beam parameters such as the local distance of the laser or plasma jet to the surface and / or the respective power input can be kept constant by this procedure. This procedure allows in particular the production structured quartz glass cylinder or rollers as workpieces for structure transfer in roll-to-roll molding processes.

Die Laserstrukturierung wird insbesondere mit Ultrakurzpulslasern durchgeführt, wobei das Werkstück vorzugsweise mit einem Femtosekundenlaser (α = 775 nm, tp = 150 fs, f = 1 kHz, Pmax = 1 W) strukturiert wird. Diese Parameter finden auch in den Ausführungsbeispielen der Erfindung Anwendung.The laser structuring is carried out in particular with ultrashort pulse lasers, wherein the workpiece is preferably structured with a femtosecond laser (α = 775 nm, t p = 150 fs, f = 1 kHz, P max = 1 W). These parameters are also used in the embodiments of the invention.

Der Laserstrahl wird in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer 60 mm-Linse fokussiert und durch Bewegung des Werkstücks relativ zum Laserstrahl kontrolliert über die Oberfläche des Werkstücks geführt. Die Laserleistung ist so eingestellt, dass die Schwelle des Abtrags um das Dreifache überschritten wird. Durch die Einstellung der Geschwindigkeit wird die örtliche Abtragtiefe eingestellt. Infolge der Kontrolle und Steuerung aller wichtigen Parameter mit einem Steuerrechner lassen sich definierte Oberflächenformen durch die Wahl der Bahnkurve und der Geschwindigkeit sowie der Überlappung von Bahnkurvenanteilen einstellen.The laser beam is focused in a preferred embodiment with a 60 mm lens and controlled by movement of the workpiece relative to the laser beam over the surface of the workpiece. The laser power is set so that the threshold of the removal is exceeded by three times. By adjusting the speed, the local excavation depth is set. As a result of the control and control of all important parameters with a control computer, defined surface shapes can be set by selecting the trajectory and the speed as well as the overlap of trajectory components.

Gleichzeitig oder anschließend erfolgt die Glättung mittels eines, vorzugsweise atmosphärischen, Plasmastrahls, der ebenfalls gezielt, vorzugsweise mäanderförmig, über die Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Ein solcher Plasmastrahl wird vorzugsweise durch Anregung des Plasmagases Argon mit einer Anregungsfrequenz von 2,45 GHz und einer Leistung Pmax = 300 W erzeugt.Simultaneously or subsequently, the smoothing takes place by means of a, preferably atmospheric, plasma jet, which is likewise moved selectively, preferably meander-shaped, over the surface of the workpiece. Such a plasma jet is preferably generated by exciting the plasma gas argon with an excitation frequency of 2.45 GHz and a power P max = 300 W.

Durch die Einstellung der Plasmastrahlparameter lassen sich der Glättfaktor sowie die Glättrate beeinflussen. Typische Werte für den Glättfaktor, definiert als das Verhältnis aus der Rauheit vor und nach der Glättung, liegen zwischen 100 und 1000. Die Glättraten betragen bei typischer Ausführung je nach Glättfaktor 0,1–10 cm2/min.By adjusting the plasma jet parameters, the smoothing factor and the smoothness rate can be influenced. Typical values for the smoothing factor, defined as the ratio of the roughness before and after the smoothing, are between 100 and 1000. The smoothness rates are typically 0.1-10 cm 2 / min depending on the smoothing factor.

Durch die erfindungsgemäßen Prozeduren kann ebenso ein Master in Quarzglas hergestellt werden, bei dem in dessen Oberfläche verschiedene 3D-Strukturen und Formgebungen, insbesondere Graben- und Funktionsstrukturen eingearbeitet sind. Dieser kann in einem erfindungsgemäßen Abformverfahren eingesetzt werden, bei dem die Oberflächenstruktur des Masters auf ein Replikat übertragen wird.The procedures according to the invention also make it possible to produce a master in quartz glass in which different 3D structures and shapes, in particular trench and functional structures, are incorporated in the surface thereof. This can be used in a molding method according to the invention, in which the surface structure of the master is transferred to a replica.

Auf diesen Master wird hierzu eine Antihaftschicht appliziert, vorzugsweise bestehend aus einem fluorfunktionalisierten Silan, und anschließend für die Replikation mit Replikatmaterial, vorzugsweise einem handelsüblichen Acrylatmonomergemisch, versehen, welches in einer vorteilhaften Ausgestaltung 3% Photoinitiator enthält. Dieses Acrylatmonomergemisch wird in flüssiger Form auf den Master aufgetragen. Nach Auflegen eines Replikatträgers auf den Master wird das System durch den Quarzglasmaster hindurch bestrahlt und dadurch das Acrylat gehärtet. Anschließend wird der Replikatträger inklusive des Replikats von der Oberfläche des Masters abgezogen.For this purpose, an anti-adhesion layer is applied to this master, preferably consisting of a fluorine-functionalized silane, and then provided for replication with replicate material, preferably a commercially available acrylate monomer mixture, which contains 3% photoinitiator in an advantageous embodiment. This acrylate monomer mixture is applied in liquid form to the master. After placing a replica carrier on the master, the system is irradiated through the quartz glass microscope, thereby hardening the acrylate. Then the replica carrier including the replica is removed from the surface of the master.

Nachstehend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to several embodiments.

Die Figuren zeigenThe figures show

1 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, 1 Schematic representation of the method according to the invention,

2 Rasterelektronenmikroskopische Abbildungen einer Quarzglasoberfläche, die mit Grabenstrukturen versehen ist, 2 Scanning electron micrographs of a quartz glass surface provided with trench structures

3 Höhenprofil des Querschnitts durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierte Oberfläche vor und nach der Plasmastrahlglättung, 3 Height profile of the cross section through a surface structured by the method according to the invention before and after the plasma jet smoothing,

4 AFM-Rauheitsmessung der Mikrooptik nach der Plasmastrahlglättung, 4 AFM roughness measurement of the micro-optics after the plasma jet smoothing,

5 Topographie eines in ein Acrylatgemisch replizierten Grabens. 5 Topography of a trench replicated in an acrylate mixture.

Die Ausführungsbeispiele betreffen insbesondere Quarzglas als Substrat bzw. Material des Werkstücks.The exemplary embodiments relate in particular to quartz glass as substrate or material of the workpiece.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. The 1 shows a schematic representation of the method according to the invention.

Entsprechend den in 1 schematisch dargestellten Bearbeitungsschritten

  • I) Bereitstellung eines geeigneten Substrates,
  • II) Lasermaterialabtrag mittels Ultrakurzpulslaserbestrahlung,
  • III) Glätten der laserstrukturierten Oberfläche durch Plasmastrahlbehandlung in spezieller Ausführung und
  • IV) Fertigstellung und Charakterisierung der Werkstückoberfläche
sind anhand der Ausführungsbeispiele beispielhaft typische Parameter und Vorgehensweisen für die Strukturierung und Formgebung von Werkstücken, insbesondere aus Quarzglas, dargelegt.According to the in 1 schematically illustrated processing steps
  • I) providing a suitable substrate,
  • II) laser material removal by means of ultrashort pulse laser irradiation,
  • III) Smoothing of the laser-structured surface by plasma jet treatment in a special design and
  • IV) Completion and characterization of the workpiece surface
exemplary parameters and procedures for the structuring and shaping of workpieces, in particular of quartz glass, are exemplified by means of the exemplary embodiments.

In Verfahrensschritt I) wird das Substrat in Form eines Werkstücks 1 bereitgestellt. Vorzugsweise besteht dieses aus einer beidseitig polierten Quarzglasplatte, die geschnitten und nochmals gereinigt ist.In method step I), the substrate is in the form of a workpiece 1 provided. Preferably, this consists of a polished quartz glass plate on both sides, which is cut and cleaned again.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Werkstück 1 eine ebene Oberfläche 2 auf, deren Form im Sinne der Profilhöhe entsprechend dem makroskopischen Erscheinungsbild der Oberfläche 4 farblich durch Grauwerte codiert ist. Dieses Werkstück 1 mit einer Oberfläche 2 wird in den Prozess eingespeist.At the in 1 illustrated embodiment, the workpiece 1 a level surface 2 whose shape in terms of profile height according to the macroscopic appearance of the surface 4 color coded by gray values. This workpiece 1 with a surface 2 is fed into the process.

Die hierzu eingesetzte Vorrichtung weist eine Strukturierungseinheit zur Strukturierung einer Werkstückoberfläche und eine Glättungseinheit zur Glättung der Werkstückoberfläche auf, wobei die Ausrichtung beider Einheiten zueinander in Bezug auf die Werkstückoberfläche vorzugsweise eine hochgradige Überdeckungsgenauigkeit aufweist. Die Strukturierungseinheit umfasst einen Laser 5 zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, die Glättungseinheit eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls 7.The apparatus used for this purpose has a structuring unit for structuring a workpiece surface and a smoothing unit for smoothing the workpiece surface, wherein the alignment of both units with respect to the workpiece surface preferably has a high degree of registration accuracy. The structuring unit comprises a laser 5 for generating a pulsed laser beam, the smoothing unit, a device for generating a plasma jet 7 ,

Während der Laserstrukturierung II) mittels der Strukturierungseinheit wird durch die Wechselwirkung des gepulsten Laserstrahls 5, der auf einer definierten Bahn 6 über die Oberfläche 2 geführt wird, Material von der Oberfläche 2 abgetragen und dadurch eine strukturierte Oberflächenform 2a erzeugt. Allerdings ist das mikroskopische Erscheinungsbild 3a nach der Laserstrukturierung noch stark durch Unebenheiten und Rauheiten gekennzeichnet.During the laser structuring II) by means of the structuring unit becomes by the interaction of the pulsed laser beam 5 who is on a defined track 6 over the surface 2 is guided, material from the surface 2 removed and thus a structured surface shape 2a generated. However, this is the microscopic appearance 3a after laser structuring still strongly characterized by unevenness and roughness.

Durch die nachfolgende Behandlung III) mit dem Plasmastrahl 7, der ebenfalls auf einer vorbestimmten Bahnkurve 8 über die strukturierte Oberfläche 2a geführt wird, wird das mikroskopische Erscheinungsbild 3a, insbesondere die Rauheit der Oberfläche 2, geglättet. Bei diesem Verfahrensschritt wurde darauf verzichtet, dass die vorbestimmten Bahnkurve 8 des Plasmastrahls 7 mit der Bahnkurve 6 des Laserstrahls 5 exakt übereinstimmt.By the subsequent treatment III) with the plasma jet 7 also on a predetermined trajectory 8th over the structured surface 2a is guided, the microscopic appearance becomes 3a , in particular the roughness of the surface 2 , smoothed. In this process step was waived that the predetermined trajectory 8th of the plasma jet 7 with the trajectory 6 of the laser beam 5 exactly matches.

Durch die Plasmaglättung wird ein mikroskopisches Erscheinungsbild der Oberfläche 3b ausgebildet, welches sich durch eine geringere Rauheit gegenüber dem Erscheinungsbild der nur laserstrukturierten Oberfläche 3a auszeichnet, wobei die Form der Oberfläche 2 und damit das makroskopische Erscheinungsbild 4 der Oberfläche 2 weitgehend beibehalten wird.The plasma smoothing becomes a microscopic appearance of the surface 3b formed, which is characterized by a lower roughness compared to the appearance of only laser-structured surface 3a characterized, with the shape of the surface 2 and thus the macroscopic appearance 4 the surface 2 is largely retained.

Das nachstehende Ausführungsbeispiel beschreibt beispielhaft die Glättung von Grabenstrukturen.The following example describes by way of example the smoothing of trench structures.

Die 2 zeigt rasterelektronenmikroskopische Abbildungen einer erfindungsgemäß bearbeiteten Quarzglasoberfläche, die mit Grabenstrukturen versehen wurde.The 2 shows scanning electron micrographs of an inventively processed quartz glass surface, which was provided with trench structures.

Die 2a zeigt einen Graben nach der Laserstrukturierung, die 2b den gleichen Graben nach Laserstrukturierung und Plasmaglätten.The 2a shows a trench after laser structuring, the 2 B the same trench after laser structuring and plasma smoothing.

Die abgebildeten Quarzglasoberflächen wurden hergestellt, indem mittels eines fs-Lasers (Femtosekundenlaser) in die Quarzglasprobe (Werkstück) mit einer Dicke von 2,4 mm Gräben unterschiedlicher Tiefe durch die Veränderung der relativen Bewegungsgeschwindigkeiten des Laserspots zur Oberfläche des Werkstücks gefertigt wurden. Hierzu wurde der Laserstrahl auf die Oberfläche des Quarzglases fokussiert, die Schwellenleistung bestimmt und der dreifache Wert dessen eingestellt. Danach wurden parallele Gräben in die Oberfläche des Quarzglases gezogen, deren Tiefe im Bereich von ca. 1 μm bis 20 um liegen.The imaged quartz glass surfaces were prepared by making fins of different depths by changing the relative movement speeds of the laser spot to the surface of the workpiece by means of an fs laser (femtosecond laser) into the 2.4 mm thick quartz glass sample (workpiece). For this purpose, the laser beam was focused on the surface of the quartz glass, the threshold power was determined and set to three times the value thereof. Thereafter, parallel trenches were drawn into the surface of the quartz glass, the depth of which is in the range of about 1 μm to 20 μm.

Diese Gräben wurden anschließend an Atmosphäre mit einem durch Mikrowelle angeregten Plasmastrahl geglättet, wobei dieser quer zu den Lasergräben mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 mm/s bewegt wurde.These trenches were then smoothed in the atmosphere with a plasma jet excited by microwave, which was moved transversely to the laser trenches at a speed of about 1 mm / s.

Im Ergebnis konnte im Bereich der Plasmaeinwirkung die Glättung der Oberfläche des Quarzglases erreicht werden. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Rauigkeiten im Oberflächenbereich durch eine Bearbeitung der Oberfläche mittels eines Plasmastrahls drastisch reduziert werden kann.As a result, the smoothing of the surface of the quartz glass could be achieved in the area of the plasma action. From this representation, it can be seen that the roughness in the surface area can be drastically reduced by machining the surface by means of a plasma jet.

Solche Grabenstrukturen können in der Mikrofluidik vorteilhaft angewendet werden, da nicht nur das Strömungsverhalten von Flüssigkeiten verbessert wird, sondern auch die Grenzfläche weniger streut und somit bessere optische Transparenzen, beispielsweise für eine Analytik, ermöglicht wird.Such trench structures can be advantageously used in microfluidics, since not only the flow behavior of liquids is improved, but also less scattering of the interface and thus better optical transparency, for example, for analytics, is made possible.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Herstellung von Mikrooptiken erläutert. Es beschreibt die Erzeugung einer Mikrooptik aus Quarzglas.In a further embodiment, the production of micro-optics is explained. It describes the production of a micro-optic made of quartz glass.

Entsprechend der bereits dargestellten Vorgehensweise werden die Laserparameter derart gewählt, dass die Abtragsschwellenleistung signifikant überschritten wird und der Laserstrahl die Oberfläche im Bereich der herzustellenden Struktur maänderförmig abrastert. Der Abstand der Lasergräben liegt bei ca. 2/3 des Laserstrahlfokusdurchmessers. Durch die lokale Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit wird die Abtragtiefe entsprechend der Zieloberflächenform vorgegeben.In accordance with the procedure already described, the laser parameters are selected such that the removal threshold power is significantly exceeded and the laser beam scans the surface in the region of the structure to be produced. The distance between the laser trenches is about 2/3 of the laser beam focus diameter. Due to the local change in the movement speed, the removal depth is specified according to the target surface shape.

Die 3 zeigt ein Höhenprofil des Querschnitts durch eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierte Oberfläche in verschiedenen Zuständen, nämlich vor und nach der Plasmastrahlglättung.The 3 shows a height profile of the cross section through a surface structured by the method according to the invention in various states, namely before and after the plasma jet smoothing.

In 3a ist das Höhenprofil nach der Laserstrukturierung dargestellt. Neben der Form sind deutlich die durch den Materialabtrag mittels Laser erzeugten Rauheiten zu sehen.In 3a the height profile after the laser structuring is shown. In addition to the form are clearly see the roughness generated by the material removal by laser.

Zum Vergleich ist in 3b das Höhenprofil nach dem Plasmaglätten dargestellt. Deutlich ist die Verringerung der Rauheit zu erkennen.For comparison, in 3b the elevation profile after the plasma smoothing is shown. Significantly, the reduction in roughness can be seen.

Die 4 zeigt eine AFM-Abbildung der Oberflächenmikrorauheit einer mit Kurzpulslaser im Zeilenverfahren direkt strukturierten und anschließend mit Hilfe eines atmosphärischen Plasmastrahls bis in den Bereich hoher optischer Qualität geglätteten Quarzglasoberfläche, wobei ein Rauheitswert unter 1 nm Rq bei einer Messfläche von 5 μm × 5 μm festgestellt wurde.The 4 shows an AFM image of the surface micro-roughness of a short pulse laser in the line method directly structured and then smoothed with the aid of an atmospheric plasma jet into the range of high optical quality quartz glass surface, wherein a roughness value below 1 nm Rq was detected at a measuring surface of 5 microns × 5 microns.

Die Abformung von Lasergrabenstrukturen wird mit nachstehendem Ausführungsbeispiel beschrieben.The impression of laser trench structures will be described with the following embodiment.

Durch die oben aufgeführten Prozeduren kann ein Master in Quarzglas derart hergestellt werden, dass in dessen Oberfläche verschiedene Graben- und Funktionsstrukturen enthalten sind.By the procedures listed above, a master can be made in quartz glass such that different trench and functional structures are contained in its surface.

Dieser Master wird mittels eines fluorfunktionalisierten Silans mit einer Antihaftschicht versehen und anschließend für die Replikation in ein handelsübliches Acrylatmonomergemisch eingesetzt. Hierzu werden 3% Photoinitiator in das Acrylatgemisch eingerührt und in flüssiger Form auf den Master aufgetragen. Nach Auflegen eines Replikatträgers wird das System durch den Quarzglasmaster bestrahlt und dadurch das Acrylat gehärtet.This master is provided with a non-stick layer by means of a fluorine-functionalized silane and then used for replication in a commercially available acrylate monomer mixture. For this purpose, 3% photoinitiator are stirred into the acrylate mixture and applied in liquid form to the master. After placing a replica carrier, the system is irradiated by the quartz glass masher, thereby hardening the acrylate.

Die 5 zeigt die Topographie eines in ein Acrylatgemisch replizierten Grabens. Der Master wurde durch Laserdirektstrukturierung und Plasmaglättung hergestellt und mit einer Antihaftbeschichtung vor der Abformung mittels UV-Härtung versehen, wobei die UV-Strahlung durch den Master hindurch appliziert wurde.The 5 shows the topography of a trench replicated in an acrylate mixture. The master was prepared by laser direct structuring and plasma smoothing and provided with a non-stick coating prior to imaging by UV curing with the UV radiation applied through the master.

In 5a) ist ausschnittsweise eine Interferenzmikroskop-Aufnahme der Topographie eines Replikats von einem Graben unter Messung der positiven Höhen dargestellt. Die glatte Oberfläche mit Welligkeiten in Grabenrichtung ist zu erkennen.In 5a ) is a detail of an interference micrograph of the topography of a replica of a trench, measuring positive heights. The smooth surface with ripples in the trench direction can be seen.

In 5b) ist vergleichend von Master und Replikat das Profil eines laserstrukturierten Grabens mit nachfolgender Plasmaglättung dargestellt, wobei die jeweiligen Oberflächen nach dem Abziehen des Replikatträgers vermessen wurden. Die Entformbarkeit wird durch die Oberflächenfunktionalisierung gut gesichert. Die Unterschiede in der Form können durch die Volumenveränderung bei der Härtung von Monomeren hervorgerufen werden oder sind infolge unterschiedlicher Messpositionen entlang des Grabens zu verstehen.In 5b ), the profile of a laser-structured trench with subsequent plasma smoothing is shown, comparing the master and replica, with the respective surfaces being measured after the removal of the replicate carrier. The mold release is well secured by the surface functionalization. The differences in shape may be due to the volume change in the curing of monomers or to be understood as a result of different measurement positions along the trench.

Die in 5 wiedergegebenen Messwerte belegen, dass durch das erfindungsgemäße Abformverfahren die Grabenstrukturen gut abgeformt werden.In the 5 reproduced measurements show that the trench structures are well shaped by the molding method according to the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

[Werkstück][Workpiece]
11
hartes, spröde und optische Material/WerkstückHard, brittle and optical material / workpiece
22
Oberfläche des WerkstücksSurface of the workpiece
2a2a
nach der Laserstrukturierungafter laser structuring
2b2 B
nach der Plasmaglättungafter the plasma smoothing
2c2c
fertige Oberflächefinished surface
33
mikroskopisches Erscheinungsbild der Oberflächemicroscopic appearance of the surface
3a3a
nach der Laserstrukturierungafter laser structuring
3b3b
nach der Plasmaglättungafter the plasma smoothing
44
makroskopisches Erscheinungsbild der Oberfläche, insb. Die Oberflächenform oder deren StrukturMacroscopic appearance of the surface, esp. The surface shape or its structure
55
Laserstrahllaser beam
66
Bahnkurve des Laserstrahls über die WerkstücksoberflächeTrajectory of the laser beam over the workpiece surface
77
Plasmastrahl, PlasmajetPlasma jet, Plasmajet
88th
Bahnkurve des Plasmastrahls über die WerkstücksoberflächeTrajectory of the plasma jet over the workpiece surface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Verfahren zur 3D-Strukturierung oder Formgebung von harten, spröden und optischen Materialien, bei dem die Oberfläche (2) eines harten, spröden und optischen Materials (1) mit einem Ultrakurzpulslasers (5) strukturiert wird, wobei in die Oberfläche (2) durch direkte Ablation gezielt eine 3D-Struktur oder Form eingebracht wird und die auf diese Weise strukturierte oder geformte Oberfläche (2) mittels eines Plasmastrahls (7) geglättet wird.Method for 3D structuring or shaping of hard, brittle and optical materials, in which the surface ( 2 ) of a hard, brittle and optical material ( 1 ) with an ultrashort pulse laser ( 5 ), whereby in the surface ( 2 ) a 3D structure or shape is introduced by direct ablation and the surface structured or shaped in this way ( 2 ) by means of a plasma jet ( 7 ) is smoothed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das harte, spröde und optische Material (1) ein dielektrisches Material, vorzugsweise Quarzglas, ist.Method according to claim 1, characterized in that the hard, brittle and optical material ( 1 ) is a dielectric material, preferably quartz glass. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurzpulslaser (5) zur Strukturierung und der Plasmastrahl (7) zur Glättung der Oberfläche (2) des harten, spröden und optischen Materials (1) während der Strukturierung und Glättung entsprechend der Formgebung der Oberfläche (2) des harten, spröden und optischen Materials (1) geführt werden, wobei die Oberfläche (2) vorzugsweise eine zylinder- oder walzenförmige Oberfläche ist.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the ultrashort pulse laser ( 5 ) for structuring and the plasma jet ( 7 ) for smoothing the surface ( 2 ) of the hard, brittle and optical material ( 1 ) during structuring and smoothing according to the shape of the surface ( 2 ) of the hard, brittle and optical material ( 1 ), the surface ( 2 ) is preferably a cylindrical or cylindrical surface. Werkstück aus einem harten, spröden oder optischen Material (1) zur Übertragung von 3D-Strukturen oder Formen durch Abformung hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Oberfläche (2) des Werkstücks (1) die abzuformenden 3D-Strukturen und Formen aufweist.Workpiece made of a hard, brittle or optical material ( 1 ) for transferring 3D structures or molds by molding produced by a method according to one of claims 1 to 3, wherein the surface ( 2 ) of the workpiece ( 1 ) has the 3D structures and shapes to be molded. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) aus einem UV-transparenten Material, vorzugsweise aus Quarzglas, besteht.Workpiece according to claim 4, characterized in that the workpiece ( 1 ) consists of a UV-transparent material, preferably of quartz glass. Werkstück nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) zylinderförmig oder walzenförmig ausgestaltet ist.Workpiece according to claim 4 or 5, characterized in that the workpiece ( 1 ) Is designed cylindrical or cylindrical. Verwendung eines Werkstücks nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Übertragung von 3D-Strukturen oder Formen durch Abformung.Use of a workpiece according to any one of claims 4 to 6 for the transmission of 3D structures or shapes by molding. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Abformung durch das Werkstück (1) hindurch UV-Strahlung auf das auf die Oberfläche (2) des Werkstücks (1) aufgetragene Replikatmaterial appliziert wird.Use according to claim 7, characterized in that during the impression by the workpiece ( 1 UV radiation onto the surface ( 2 ) of the workpiece ( 1 ) Applied replica material is applied. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abformung in einem Rolle-zu-Rolle-Prozess erfolgt.Use according to claim 7 or 8, characterized in that the impression takes place in a roll-to-roll process. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Strukturierungseinheit zur Strukturierung (5) einer Werkstückoberfläche (2) und eine Glättungseinheit zur Glättung (7) der Werkstückoberfläche (2) aufweist, wobei die Ausrichtung beider Einheiten (5, 7) zueinander in Bezug auf die Werkstückoberfläche (2) eine hochgradige Überdeckungsgenauigkeit aufweist.Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the device has a structuring unit for structuring ( 5 ) of a workpiece surface ( 2 ) and a smoothing unit for smoothing ( 7 ) of the workpiece surface ( 2 ), wherein the alignment of both units ( 5 . 7 ) relative to each other with respect to the workpiece surface ( 2 ) has a high degree of registration accuracy.
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