DE10237732B4

DE10237732B4 - Laserstrahlmarkierungsverfahren sowie Markierungsvorrichtung zur Laserstrahlmarkierung eines Zielsubstrats

Info

Publication number: DE10237732B4
Application number: DE2002137732
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr. Esser; Michael Dr. Schmidt
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Priority date: 2002-08-17
Filing date: 2002-08-17
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2022-08-18
Also published as: DE10237732A1

Abstract

Laserstrahlmarkierungsverfahren mit folgenden Verfahrensschritten:
– Aufgingen eines Markierungsmaterials (4) auf einer Seite eines Trägersubstrats (5);
– Anordnen des Trägersubstrats (5) relativ zu einem zu markierenden Zielsubstrat (2) derart, dass die Seite des Trägersubstrats (5), die das Markierungsmaterial (4) trägt, dem Zielsubstrat (2) zugewandt ist;
– Bestrahlen des Markierungsmaterials (4) mit mindestens einem Transfer/Konversions-Laserstrahl (3) derart, dass das Markierungsmaterial (4) vom Trägersubstrat (5) zum Zielsubstrat (2) transferiert und mit dem Zielsubstrat (2) verbunden wird, dadurch gekenn zeichnet, dass
– das Markierungsmaterial (4) derart in Ausnehmungen (19) des Trägersubstrats (5) aufgenommen ist, dass der Transfer in einer Vorzugsrichtung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlmarkierungsverfahren. Ferner betrifft die Erfindung eine Markierungsvorrichtung zur Laserstrahlmarkierung eines Zielsubstrats.

Aus dem Fachartikel von S. Kasch „Rissfreies und spannungsarmes Beschriften von Glas mit Nd: YAG-Laserstrahlen" in: Laser Magazin 4/1999, Seiten 8 bis 11, ist ein Verfahren zum Markieren mittels Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben, bei dem eine mit einem Markierungsmaterial versehene Substratfolie relativ zu einem Zielsubstrat angeordnet und das Markierungsmaterial mit einem Transfer- und Konversionsstrahl bestrahlt wird. Das Markierungsmaterial wird auf diese Weise zum Zielsubstrat transferiert und mit diesem haftfest verbunden.

Das Markierungsmaterial wird mit dem Transfer/Konversions-Laserstrahl nicht nur auf das Zielsubstrat transferiert, sondern auch mit dem Zielsubstrat verbunden. Das Markierungsmaterial liegt somit nach dem Transferschritt nicht im Wesentlichen lose auf dem Zielsubstrat auf und muss daher nicht bis zu einem gegebenenfalls erst später erfolgenden Fixierungsschritt für das transferierte Markierungsmaterial mit größter Vorsicht gehandhabt werden, um die beim Transfer erreichte Ortsauflösung nicht nachträglich noch durch zum Beispiel ein laterales Verwischen des transferierten Markierungsmaterials zu gefährden. Auf diese Weise ist neben einer Ortauflösung, die zum Beispiel derjenigen des bekannten Verfahrens nach der US 6 177 151 B1 vergleichbar ist, auch eine gute Handhabbarkeit des Zielsubstrates gegeben. Es können nicht nur Sichtmarkierungen, also zum Beispiel Beschriftungen, sondern auch Funktionsmarkierungen erzeugt wer den. Derartige Funktionsmarkierungen können zum Beispiel eine besonderes hohe Leitfähigkeit aufweisen, so dass hierdurch Leiterbahnen auf dem Zielsubstrat erzeugt werden können. Funktionsmarkierungen können sich zum Beispiel auch durch Materialeigenschaften wie einen definierten elektrischen Widerstand, bestimmte magnetische Eigenschaften oder besondere katalytische Eigenschaften auszeichnen.

Aus dem Fachartikel von D. B. Crisey „Direct writing of conformal mesoscopic electronic devices by MAPLE DW" in: Applied Surface Science, 2000, S. 345–352 ist ein Transfer- und Konversionsverfahren bekannt, bei dem das zu transferierende Material auf einer Seite eines Trägersubstrats aufgebracht und dem Zielsubstrat zugewandt angeordnet wird. Dieses Verfahren dient nicht zum Markieren.

Ein Laserstrahlmarkierungsverfahren sowie eine hierfür geeignete Markierungsvorrichtung sind aus der US 6 177 151 B1 bekannt. Dort wird Markierungsmaterial auf einer Seite eines Trägersubstrats aufgebracht, das Trägersubstrat wird relativ zum Zielsubstrat derart angeordnet, dass die Trägersubstratseite, die das Markierungsmaterial trägt, dem Zielsubstrat zugewandt ist, und schließlich wird zur Transferierung des Markierungsmaterials dieses mit einem Transfer-Laserstrahl bestrahlt. Ein weiteres Laserstrahlmarkierungsverfahren ist aus dem Fachartikel „Metal deposition from a supported metal film using an excimer Laser" von J. Bohandy et al., J. Appl. Phys., 60 (4), 1538, 1986, bekannt. Auch hier wird durch Bestrahlung eines Markierungsmaterials mit einem Transfer-Laserstrahl dieses hin zu einem Zielsubstrat transferiert. Aus der US 6 075 223 A sind ein Markierungsverfahren sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung bekannt, bei dem ein Markierungsmaterial, welches Stoffe enthält, die für die Strahlung eines Lasers absorbierend sind, als dünne Schicht auf ein zu markierendes Substrat aufgebracht und anschließend durch direkte Bestrahlung mit Laserstrahlung mit dem Substrat verbunden wird. Zur Markierungstechnik nach der US 6 075 223 A existiert eine Reihe von Alternativen zur Verbindung eines Markierungsmaterial-Pulvers mit einem Zielsubstrat durch Laserbestrahlung. Beispiele derartiger Markierungsverfahren finden sich im Fachartikel „Two novel additive procecces to create circuitry: direct laser writing and direct electrostatic transfer deposition" von P. Soszek, Circuit World, 19 (4), 12, 1993, in der EP 0 277 325 A1 , in der US 4 853 252 A sowie im Fachartikel „Selective metallization of ceramic substrates" von G. Kaus, IBM Technical Disclosure Bulletin, 15 (9), 2855 (1973). Diese bekannten Verfahren haben hinsichtlich der erreichbaren Ortsauflösung für die aufzubringende Markierung beziehungsweise hinsichtlich der Handhabung des Zielsubstrates nach dem Transferschritt noch Verbesserungspotential.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserstrahlmarkierungsverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass neben einer hohen Ortsauflösung auch eine ausreichend problemlose Handhabung des Zielsubstrates nach dem Transferschritt möglich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserstrahlmarkierungsverfahren mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Das Markierungsmaterial ist derart in Ausnehmungen des Trägersubstrats aufgenommen, dass der Transfer in einer Vorzugsrichtung erfolgt. Dies erhöht die Flexibilität bei der Auswahl des Markierungsmaterials, da auch derartiges Markierungsmaterial zum Einsatz kommen kann, welches zu einem Transfer mit in Bezug auf die Strahlrichtung des Transfer-Laserstrahls, die im Regelfall mit der Transferrichtung übereinstimmt, lateraler Bewegungskomponente neigt. Zudem kann bei entsprechender Anordnung des Transfersubstrats zum Zielsubstrat das Transfersubstrat die Funktion „Verbinden des Markierungsmaterials" zumindest teilweise mit übernehmen. Der typische Durchmesser der Ausnehmungen kann hierbei an die gewünschte oder die erreichbare Ortsauflösung des Laserstrahlsmarkierungsverfahrens angepasst sein.

Die Bestrahlung kann beim erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierungsverfahren von der dem Markierungsmaterial abgewandten Seite des Trägersubstrats her erfolgen. Dies vereinfacht die baulichen Anforderungen an eine Vorrichtung zur Erzeugung des Transfer-Laserstrahls. Trägersubstratmaterialien, welche für den Transfer-Laserstrahl ausreichend transparent sind, sind aus der US 6 177 151 B1 bekannt.

Die Bestrahlung des Markierungsmaterials kann scannend erfolgen. Dies erhöht die Prozessgeschwindigkeit und -genauigkeit bei der Durchführung des Laserstrahlmarkierungsverfahrens. Die Weite des Scan-Rasters kann hierbei abhängig von der gewünschten beziehungsweise der erreichbaren Ortsauflösung der Markierung gewählt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Laserstrahlmarkierungsverfahrens wird das Markierungsmaterial erst mit einem Transfer-Laserstrahl und dann mit einem Konversions-Laserstrahl bestrahlt. Mit dem Transfer-Laserstrahl wird das Markierungsmaterial vom Trägersubstrat zum Zielsubstrat transferiert. Mit dem Konversions-Laserstrahl kann das Markierungsmaterial anschließend mit dem Zielsubstrat verbunden werden. Die erreichbare Ortsauflösung ist bei einem derartigen Laserstrahlmarkierungsverfahren gegeben durch die bessere Ortsauflösung desjenigen der beiden Schritte „Transfer" und „Verbinden". Gegebenenfalls können also beide Schritte ortsaufgelöst, zum Beispiel durch eine entsprechende Einstrahlung eines fokussierten Transfer-Laserstrahls und/oder Konversions-Laserstrahls erfolgen. Alternativ kann aber auch nur ein Laserstrahl ortsaufgelöst eingestrahlt werden. Mit dem Transfer-Laserstrahl und/oder dem Konversions-Laserstrahl können hierbei insbesondere Materialeigenschaften des Markierungsmaterials verändert werden. Ein Beispiel für eine derartige Materialeigenschaft ist die Substrathaftfähigkeit des Markierungsmaterials, die im Zuge des Transfers zunächst herabgesetzt und nach dem Transfer wieder erhöht werden muss. Auch andere Materialeigenschaften, wie zum Beispiel die oben genannten oder auch die Farbe des Markierungsmaterials, können geändert werden.

Sollen mehrere ausgewählte Elemente von Markierungsmaterial transferiert werden, sind zwei Strategien der sequentiellen Bestrahlung möglich: die ausgewählten Elemente des Markierungsmaterials können bei einer ersten Strategie erst jeweils mit dem Transfer- und dann mit dem Konversions-Laserstrahl bestrahlt werden, bevor das jeweils nächste Element des Markierungsmaterials bestrahlt wird. Eine derartige Sequenz minimiert den Zeitraum, während dem das transferierte Markierungselement auf dem Zielsubstrat vorliegt, ohne mit diesem bereits ausreichend fest verbunden zu sein.

Alternativ hierzu können bei einer zweiten Strategie zunächst alle ausgewählten Elemente mit dem Transfer-Laserstrahl und dann mit dein Konversions-Laserstrahl bestrahlt werden. Eine derartige Sequenz ist prozesstechnisch insbesondere dann einfach zu realisieren, wenn sich der Transfer- und der Konversions-Laserstrahl unterscheiden, da bei einer derartigen Se quenz dann nicht ständig zwischen dem Transfer- und dem Konversions-Laserstrahl umgeschaltet werden muss.

Der Transfer-Laserstrahl und der Konversions-Laserstrahl können von der gleichen Strahlungsquelle erzeugt werden. Hierdurch wird nicht nur das Laserstrahlmarkierungsverfahren vereinfacht, sondern es werden auch die Anforderungen an eine hierzu benötigte Vorrichtung herabgesetzt. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Transfer-Laserstrahl und der Konversions-Laserstrahl identisch sind, da dann ein Umschalten zwischen diesen beiden Laserstrahlen entfällt.

Der Transfer-Laserstrahl kann eine höhere Intensität haben als der Konversions-Laserstrahl. Eine hochintensive Bestrahlung des Markierungsmaterials führt zu Effekten, die den Transfer eher begünstigen als die Bestrahlung mit geringerer Intensität aber vergleichbarer mittlerer Leistung. Insbesondere kann der Transfer-Laserstrahl durch eine Güteschaltung erzeugt werden, die bei der Erzeugung des Konversions-Laserstrahls nicht zum Einsatz kommt. Mit einem Laseraufbau können auf diese Weise sowohl der Transfer-Laserstrahl als auch der Konversions-Laserstrahl erzeugt werden.

Als Markierungsmaterial kann ein Polymer-Komposit-Material mit einer polymeren Matrix und einem metallischen Füller eingesetzt sein. Prinzipiell kann als Markierungsmaterial jedes Material eingesetzt werden, mit dein gleichzeitig ein Transfer zum Zielsubstrat sowie eine Verbindung mit diesem möglich sind. Da die Strahlparameter für den Transfer-Laserstrahl einerseits und den Konversions-Laserstrahl andererseits mit entsprechendem Aufwand nahezu beliebig unabhängig voneinander eingestellt werden können, lassen sich praktisch für jede der dort genannten Markierungsmaterialien Transfer- und Konversions-Laserstrahleigenschaften angeben, die das erfindungsgemäße Laserstrahlmarkierungsverfahren ermöglichen. Das genannte Polymer-Komposit-Material, bei dem als polymere Matrix zum Beispiel ABS, als metallischer Füller zum Beispiel Ag zum Einsatz kommen können, stellt in diesem Zusammenhang relativ geringe Strahlparameteranforderungen an eine Kombination aus Transfer-Laserstrahl und Konversions-Laserstrahl. Prinzipiell ist es bei der Verwendung eines derartigen Markierungsmaterials möglich, denselben Laserstrahl als Transfer-Laserstrahl einerseits und als Konversions-Laserstrahl andererseits einzusetzen. Vorzugsweise weist das Markierungsmaterial Zusatzstoffe auf, welche die Laserstrahl-Wellenlänge des Transfer-Laserstrahls und/oder des Konversions-Laserstrahls absorbieren. Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend genannten Markierungsmaterial-Varianten kann auch ein Markierungsmaterial mit einem Basismaterial aus Glas, Keramik oder Metall eingesetzt sein. Beispiele derartiger Markierungsmaterialien finden sich in der US 6 075 223 A .

Bevorzugt haben die Ausnehmungen folgende alternative Formen: zylinderförmig, wabenförmig oder rechteckig. Derartige Formen lassen sich dicht auf dem Trägersubstrat packen.

Wenn das Trägersubstrat aus einem flexiblen Material ist, kann das Trägersubstrat räumlich optimal an das Zielsubstrat angepasst sein. Dies ist insbesondere bei einem unebenen Zielsubstrat von Vorteil. Das flexible Trägersubstrat kann dann, wenn es Ausnehmungen zur Aufnahme des Markierungsmaterials aufweist, zum Beispiel direkt auf das Zielsubstrat aufgeklebt werden. Beispiele für das flexible Material des Trägersubstrats sind ein amorpher Kunststoff wie PS, SAN, PC, PMMA oder PVC oder ein teilkristalliner Standardkunststoff wie PP oder PE. Andere Materialbeispiele für das Trägersubstrat, die insbesondere für den Transfer hochschmelzender Materialkombinationen zum Einsatz kommen können, sind Gläser oder einkristalline Verbindungen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Markierungsvorrichtung zur Laserstrahlmarkierung eines Zielsubstrats zu schaffen, welche neben einer hohen Markierungs-Ortsauflösung auch eine gute Handhabbarkeit des Zielsubstrats im Zuge des Laserstrahlmarkierungsverfahrens gewährleistet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Markierungsvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 12.

Die Vorteile der Markierungsvorrichtung entsprechen im Wesentlichen denjenigen des Laserstrahlmarkierungsverfahrens.

Eine Fokussier-Einrichtung der Führungseinrichtung erhöht die erreichbare Ortsauflösung der Markierungsvorrichtung. Beim Einsatz eines Konversi ons-Laserstrahls, der vom Transfer-Laserstrahl verschieden ist, können verschiedene Fokussiereinrichtungen für den Transfer-Laserstrahl einerseits und den Konversions-Laserstrahl andererseits vorgesehen sein. Wenn der Transfer-Laserstrahl und der Konversions-Laserstrahl von der gleichen Fokussiereinrichtung fokussiert werden, kann eine Fokalebene für beide Laserstrahlen im Bereich des zu transferierenden Markierungsmaterials so gewählt werden, dass sowohl für den Transfer als auch für die Verbindung des Markierungsmaterials ausreichende Strahlparameter vorliegen. Alternativ kann die Fokussiereinrichtung auch so ausgelegt sein, dass der Transfer-Laserstrahl in einer anderen Fokalebene fokussiert wird als der Konversions-Laserstrahl.

In der nachfolgenden Zeichnung zeigen:
1 eine Markierungsvorrichtung zur Laserstrahlmarkierung eines Zielsubstrats ausgehend. von einem Trägersubstrat in einer schematischen und teils perspektivischen Darstellung, die, was den Transfer von Markierungsmaterial vom Trägersubstrat zum Zielsubstrat angeht, Stand der Technik darstellt und dem Verständnis des grundsätzlichen Aufbaus bei der Laserstrahlbeschriftung dienen soll; und
2 ein Trägersubstrat, welches ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
Eine in 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Markierungsvorrichtung dient zur Laserstrahlmarkierung eines Zielsubstrats 2. Hierzu wird mittels eines Laserstrahls 3 eine Markierungsmaterialschicht 4, welche von einem Trägersubstrat 5 getragen ist, hoch ortsaufgelöst auf das Zielsubstrat 2 übertragen. Sowohl das Zielsubstrat 2 als auch das Träger substrat 5 sind eben und rechteckig, können im Prinzip aber auch jede andere Form annehmen. Das Trägersubstrat 5 kann alternativ auch aus einem flexiblen Material sein. Hierzu gehören zum Beispiel amorphe Kunststoffe wie PS, SAN, PC, PMMA, PVC sowie teilkristalline Standardkunststoffe wie PP oder PE.
Das Markierungsmaterial, welches die Markierungsmaterialschicht 4 aufbaut, ist ein Polymer-Komposit-Material und besteht aus einer polymeren Matrix und einem metallischen Füller. Als polymere Matrix kann zum Beispiel ABS vorgesehen sein. Ein metallisches Füllmaterial ist zum Beispiel Silber. Zudem kann das Markierungsmaterial einen den Laserstrahl 3 absorbierenden Zusatzstoff enthalten.
Zur Veranschaulichung dieser ortsaufgelösten Übertragung ist das Zielsubstrat 2 in 1 durch ein gestricheltes Liniennetz schematisch schachbrettartig in Zielzonen Z_ij unterteilt. Der Index i bezeichnet hierbei die in der perspektivischen Darstellung der 1 horizontal verlaufenden „Zeilen" der Zielzonen und der Index j bezeichnet die in der perspektivischen Darstellung der 1 schräg von links unten nach rechts oben verlaufenden „Spalten" der Zielzonen. Die Zielzone in 1 links unten ist demnach mit Z₁₁ bezeichnet und die in 1 rechts oben liegende Zielzone mit Z₄₈. Die Zielzonen haben eine typische Ausdehnung von 50 μm × 50 μm.
Auf der Zielzone Z₃₄ liegt ein in 1 schematisch als quaderförmiger Block dargestelltes Markierungselement 6, welches aus Markierungsmaterial besteht und von der Markierungsmaterialschicht 4 hin zum Zielsubstrat 2 transferiert ist. Alle anderen Zielzonen auf dein Zielsubstrat 2 sind leer.
In gleicher Weise wie das Zielsubstrat 2 in Zielzonen Z_ij unterteilt ist, ist auch die Markierungsmaterialschicht 4 in Markierungselement-Zonen ME_ij unterteilt. Der Zielzone Z₁₁ ist also ein dieser benachbart angeordnetes Markierungselement ME₁₁ zugeordnet. Die Markierungsmaterialschicht 4 ist komplett bis auf das fehlende Markierungselement ME₃₄, welches als Markierungselement 6 auf das Zielsubstrat 2 übertragen ist. Zur Veranschaulichung ist das fehlende Markierungselement ME₃₄ der Markierungsmaterialschicht 4 in 1 mit durchgezogenen Linien dargestellt.
Zur Erzeugung des Laserstrahls 3 dient ein in 1 stark schematisch wiedergegebener Laser 7. Dieser weist zwei Endspiegel 8, 9 auf. Der in 1 linke Endspiegel 8 ist für den Laserstrahl 3 vollständig reflektierend ausgeführt. Der in 1 rechte Endspiegel 9 ist für den Laserstrahl 3 teildurchlässig. Zwischen den Endspiegeln 8, 9 ist ein Festkörper-Lasermedium 10 angeordnet. Zwischen dem Festkörper-Lasermedium 10 und dem in 1 rechten Endspiegel 9 ist als Güteschaltungsmedium ein Q-Switch-Element 11 angeordnet. Der Laser 7 ist ein Festkörperlaser. Als Festkörper-Lasermedium 10 kommen in Frage: Nd:YAG, Nd:YLF oder Nd:YVO₄.
Alternative Laser 7 sind zudem frequenzkonvertierte gütegeschaltete Festkörperlaser, zum Beispiel ein frequenzverdreifachter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm. Weitere Alternativen sind ein Diodenlaser oder ein Faserlaser.
Typische Wellenlängen für den Laserstrahl 3 liegen zwischen 800 und 1800 nm. Alternativ können auch Wellenlängen im Bereich zwischen 400 und 800 nm oder im Bereich zwischen 200 und 400 nm vorgesehen sein.
Der vom in 1 rechten Endspiegel 9 durchgelassene Laserstrahl 3 durchtritt zunächst eine ebenfalls stark schematisch wiedergegebene Bündelformungsoptik 12. Diese passt den Durchmesser sowie die Divergenz des Laserstrahls 3 an die Erfordernisse der nachfolgenden Strahlführung an. Bei der Bündelführungsoptik 12 kann es sich zum Beispiel um ein Objektiv handeln. Nach Durchtritt durch die Bündelführungsoptik 12 wird der Laserstrahl 3 von einem galvanischen Scannerspiegel 13 um circa 90° umgelenkt. Der galvanische Scannerspiegel 13 ist um eine in einer Spiegelebene des galvanischen Scannerspiegels 13 und gleichzeitig in der Zeichenebene der 1 liegende erste Schwenkachse 14 sowie um eine ebenfalls in der Spiegelebene liegende und senkrecht auf der Zeichenebene der 1 stehende zweite Schwenkachse 15 schwenkbar, wie durch die Pfeile 14a, 15a angedeutet.
Nach der Reflexion am galvanischen Scannerspiegel 13 durchtritt der Laserstrahl 3 eine Planfeldoptik 17, die im einfachsten Fall als Plankonvexlinse ausgebildet sein kann. Im Anschluss daran durchtritt der Laserstrahl 3 zunächst das Trägersubstrat 5 und danach an der Stelle des Markierungselements ME₃₄ die Markierungsmaterialschicht 4. Anschließend trifft der Laserstrahl 3 das Zielsubstrat 2 im Bereich der Zielzone Z₃₄. Die Bündelformungsoptik 12, der galvanische Scanner 13 und die Planfeldoptik 17 bilden eine optische Führungseinrichtung zur Führung des Laserstrahls 3 vom Laser 7 zum Trägersubstrat 5.
Die Fokussierwirkung der Planfeldoptik 17 ist derart, dass der Fokus des Laserstrahls 3 in guter Näherung mittig zwischen der Markierungsmaterialschicht 4 und dein Markierungselement 6 auf der Zielzone Z₃₄ in einer Fokalebene 18 liegt. Im Bereich des fehlenden Markierungselements ME₃₄ und im Bereich des Markierungselements 6 auf der Zielzone Z₃₄ hat der Laserstrahl 3 daher im Wesentlichen den gleichen Durchmesser und damit die gleiche Intensität.
Die Markierungsvorrichtung 1 arbeitet folgendermaßen:
Zunächst wird die Markierungsmaterialschicht 4 in an sich bekannter Weise auf das Trägersubstrat 5 aufgebracht. Anschließend wird das Trägersubstrat 5 relativ zum Zielsubstrat 2 so angeordnet, dass die Seite des Trägersubstrats 5, die das Markierungsmaterial 4 trägt, dem Zielsubstrat 2 zugewandt ist. Die Substrate 2 und 5 werden hierbei aneinander so angenähert, dass der Luftspalt zwischen der Markierungsmaterialschicht 4 und dem Zielsubstrat 2 senkrecht zu den Substraten 2, 5 nur eine sehr geringe Ausdehnung im Bereich einiger 10 bis einiger 100 μm hat.
Anschließend wird mit dem Laser 7 zunächst ein Transfer-Laserstrahl 3 erzeugt. Hierbei arbeitet das Q-Switch-Element 11, sodass der Transfer-Laserstrahl als eine intermittierende Strahlung mit einer Impulsdauer unterhalb 1 μs vorliegt. Der galvanische Scannerspiegel 13 wird von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Steuereinrichtung angesteuert, sodass der Transfer-Laserstrahl 3 in vorgegebener Weise die Markierungsmaterialschicht 4 derart abrastert, dass vorgegebene Markierungselemente ME_ij von einer ebenfalls vorgegebenen Anzahl von Impulsen des Transfer-Laserstrahls 3 getroffen werden. Dies führt dazu, dass die Haftung der vom Transfer-Laserstrahl 3 getroffenen Markierungselemente ME_ij am Trägersubstrat 5 aufgehoben wird und im Anschluss daran auf die jeweiligen Zielzonen Z_ij des Zielsubstrats 2 transferiert werden. Nach Abschluss des Scan-Vorgangs für den Transfer-Laserstrahl 3 liegt daher ein vorgegebenes Muster von Markierungselementen 6 auf den vorgegebenen Zielzonen Z_ij des Zielsubstrats 2 vor.
Im Anschluss hieran wird das Q-Switch-Element 11 im Laser 7 deaktiviert und somit ein Konversions-Laserstrahl erzeugt, der, da er in 1 den gleichen Weg zurücklegt, wie der vorstehend beschriebene Transfer-Laserstrahl, ebenfalls mit dein Bezugszeichen 3 bezeichnet wird. Der Kon versions-Laserstrahl 3 ist ein ew-Strahl. Alternativ ist es auch möglich, einen Konversions-Laserstrahl als Impulsfolge einzelner Laserstrahlungsimpulse mit im Vergleich zum Transfer-Laserstrahl langen Impulsdauern und mit einer Impulsfolgefrequenz zum Beispiel in einer Größenordnung von 10 kHz oder darüber vorzusehen.
Anschließend wird mit Hilfe des galvanischen Scannerspiegels 13 das Zielsubstrat 2 in der gleichen Weise mit dem Konversions-Laserstrahl 3 abgerastert, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit dem Transfer-Laserstrahl 3 beschrieben wurde. Auf diese Weise werden alle auf das Zielsubstrat 2 transferierten Markierungselemente 6 mit dem Konversions-Laserstrahl 3 bestrahlt. Aufgrund der höheren mittleren Leistung des Konversions-Laserstrahls 3 erwärmen sich die mit dem Konversions-Laserstrahl 3 bestrahlten Markierungselemente 6 derart, dass sie aufgrund der hierbei stattfindenden Änderung ihrer Materialeigenschaften, insbesondere ihrer Haftfähigkeit, fest mit dem Zielsubstrat 2 verbunden werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer derartigen, vom Konversions-Laserstrahl 3 initiierten Bindung der Markierungselemente 6 an das Zielsubstrat 2 kann der Konversions-Laserstrahl 3 auch die Änderung anderer Materialeigenschaften der Markierungselemente 6 herbeiführen. Eine derartige Materialeigenschaft kann zum Beispiel die Farbe des Markierungsmaterials sein.
Das auf diese Weise mit am Zielsubstrat 2 haftenden Markierungselementen 6 markierte Zielsubstrat 2 kann dann entnommen werden.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung des Trägersubstrats 5 mit einer Markierungsmaterialschicht 4, wobei diese Komponenten die gleiche Funktion haben wie bei der Ausführungsform der Markierungsvorrichtung 1 nach 1 und daher mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Das Trägersubstrat 5 weist eine Vielzahl matrixartig angeordneter Näpfe N_ij auf, die als zylinderförmige Sackausnehmungen 19 im Trägersubstrat 5 ausgeführt sind. Wenn das Trägersubstrat 5 in der Markierungsvorrichtung 1 montiert ist, öffnen sich die Näpfe N_ij in Richtung auf das Zielsubstrat 2. Einzelne Näpfe N_ij sind in gleicher Weise indiziert wie die Zielzonen Z_ij und die Markierungselemente ME_ij. Insgesamt liegen drei Zeilen und sechs Spalten von Näpfen N_ij vor, deren Abstand zueinander dem Abstand der Markierungselemente ME_ij nach 1 entspricht. Den Boden der Näpfe N_ij bedeckt die Markierungsmaterialschicht 4. Alternative Querschnittsformen der Näpfe N_ij können sein: wabenförmig, das heißt insbesondere symmetrisch sechseckig, rechteckig oder quadratisch.
Nachfolgend wird ein Markierungsverfahren beschrieben, bei welchem das Trägersubstrat 5 nach 2 zum Einsatz kommt. Erläutert werden hierbei nur Unterschiede zum oben beschriebenen Verfahren in Zusammenhang mit der Markierungsvorrichtung 1 der 1.
Beim Bestrahlen der Markierungsmaterialschicht 4 in ausgewählten Näpfen N_ij des Trägersubstrats 5 nach 2 ergibt sich aufgrund der zur Ebene des Trägersubstrats 5 senkrechten Zylinderwände der Näpfe N_ij eine Transfer-Vorzugsrichtung senkrecht zur Ebene des Trägersubstrats 5. Diese Transfer-Vorzugsrichtung verringert die Gefahr, dass Markierungselemente ME_ij beim Transfer vom Trägersubstrat 5 hin zum Zielsubstrat 2 auseinanderlaufen, das heißt, dass die Ortsauflösung im Zuge des Markierungsverfahrens beeinträchtigt wird. Es können daher beim Einsatz des Trägersubstrats 5 nach 2 auch Markierungsmaterialien zum Einsatz koimmen, die aus relativ leichten Einzelpartikeln aufgebaut sind. Derartige Markierungsmaterialien würden ohne den Einsatz von Näpfen 19 beim Transfer zum Auseinanderlaufen senkrecht zur Transfer-Vorzugsrichtung neigen. Alternativ kann dank der Transfer-Vorzugsrichtung beim Einsatz des Trägersubstrats 5 nach 2 auch ein größerer Abstand zwischen dem Trägersubstrat 5 und dem Zielsubstrat 2 vorgesehen sein, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Ortsauflösung beim Markieren kommt.
Auf der Seite des Trägersubstrats 5, die während des Markierungsverfahrens dem Zielsubstrat zugewandt ist, kann das Trägersubstrat 5 nach 2 eine dünne adhäsive Schicht 20 aufweisen. Mit Hilfe der adhäsiven Schicht 20 kann das Trägersubstrat 5 vor der Beaufschlagung der Näpfe N_ij mit dem Laserstrahl 3 mit dem Zielsubstrat 2 lösbar haftend verbunden werden. In diesem Fall schließt das Zielsubstrat 2 die Näpfe N_ij an der dem Napfboden gegenüberliegenden Seite ab, sodass der Durchmesser der Näpfe _Nij eine untere Grenze für die Ortsauflösung darstellt, die mit einem Laserstrahlmarkierungsverfahren, welches ein derartig haftfähiges Trägersubstrat 5 einsetzt, erzielt werden kann. Nach der Bestrahlung des Markierungsmaterials mit dem Transfer-Laserstrahl 3 ist das transferierte Markierungsmaterial auch dann in den Näpfen N_ij eingeschlossen, wenn es nicht vollständig auf dem Zielsubstrat 2 haftet. In dieser Hinsicht übernimmt das Transfersubstrat 5 nach 2 zumindest teilweise die Funktion „Verbinden des Markierungsmaterials", die ansonsten dein Konversions-Laserstrahl 3 zukommt. Das haftfähige Trägersubstrat 5 wird nach Abschluss des Laserstrahlmarkierungsverfahrens einfach vorn Zielsubstrat 2 wieder abgezogen, wobei nicht transferierte Anteile der Markierungsmaterialschicht 4 in den Näpfen N_ij verbleiben.

Claims

Laserstrahlmarkierungsverfahren mit folgenden Verfahrensschritten: – Aufgingen eines Markierungsmaterials (4) auf einer Seite eines Trägersubstrats (5); – Anordnen des Trägersubstrats (5) relativ zu einem zu markierenden Zielsubstrat (2) derart, dass die Seite des Trägersubstrats (5), die das Markierungsmaterial (4) trägt, dem Zielsubstrat (2) zugewandt ist; – Bestrahlen des Markierungsmaterials (4) mit mindestens einem Transfer/Konversions-Laserstrahl (3) derart, dass das Markierungsmaterial (4) vom Trägersubstrat (5) zum Zielsubstrat (2) transferiert und mit dem Zielsubstrat (2) verbunden wird, dadurch gekenn zeichnet, dass – das Markierungsmaterial (4) derart in Ausnehmungen (19) des Trägersubstrats (5) aufgenommen ist, dass der Transfer in einer Vorzugsrichtung erfolgt.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen von der dem Markierungsmaterial (4) abgewandten Seite des Trägersubstrats (5) her erfolgt.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestrahlen des Markierungsmaterials (4) scannend erfolgt.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Bestrahlen des Markierungsmaterials (4) erst mit einem Transfer-Laserstrahl (3) und dann mit einem Konversions-Laserstrahl (3) insbesondere derart, dass Materialeigenschaften des Markierungsmaterials (4) verändert werden, insbesondere dass das Markierungsmaterial (4) mit dem Zielsubstrat (2) verbunden wird.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte Elemente (ME_ij) des Markierungsmaterials (4) erst mit dem Transfer-Laserstrahl (3) und dann mit dem Konversions-Laserstrahl (3) bestrahlt werden, bevor das jeweils nächste Element (ME_ij) des Markierungsmaterials (4) bestrahlt wird.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte Elemente (ME_ij) des Markierungsmaterials (4) zunächst alle mit dem Transfer-Laserstrahl (3) und danach alle mit dem Konversions-Laserstrahl (3) bestrahlt werden.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transfer-Laserstrahl (3) und der Konversions-Laserstrahl (3) von der gleichen Strahlungsquelle (7) erzeugt werden, insbesondere dass der Transfer-Laserstrahl (3) und der Konversions-Laserstrahl (3) identisch sind.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transfer-Laserstrahl (3) eine höhere Intensität hat als der Konversions-Laserstrahl (3), wobei insbesondere der Transfer-Laserstrahl (3 ) durch eine Güteschaltung (11) erzeugt wird, die bei der Erzeugung des Konversions-Laserstrahls (3) nicht zum Einsatz kommt.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Markierungsmaterial (4) ein Polymer-Komposit-Material eingesetzt wird, welches umfasst: eine polymere Matrix, einen metallischen Füller und vorzugsweise Zusatzstoffe, welche die Laserstrahl-Wellenlänge absorbieren.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (19) folgende Form haben: zylinderförmig, wabenförmig, rechteckig.
Laserstrahlmarkierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägersubstrat (5) ein flexibles Material eingesetzt wird, welches insbesondere aus einem amorphen Kunststoff oder aus einem teilkristallinen Kunststoff besteht.
Markierungsvorrichtung (1) zur Laserstrahlmarkierung eines Zielsubstrats (2) – mit einem Trägersubstrat (5), – welches einseitig ein Markierungsmaterial (4) trägt, – und relativ zum Zielsubstrat (2) derart angeordnet ist, dass die Seite des Trägersubstrats (5), die das Markierungsmaterial (4) trägt, dem Zielsubstrat (2) zugewandt ist, – mit mindestens einem Laser (7) zur Erzeugung mindestens eines Konversions/Transfer-Laserstrahls (3) derart, dass das Markierungsmaterial (4) vom Trägersubstrat (5) zum Zielsubstrat (2) transferierbar und mit diesem verbindbar ist, und – mit einer optischen Führungseinrichtung (12, 13, 17) zur Führung des Transfer-Laserstrahls (3) vom Laser (7) zum Trägersubstrat (5), dadurch gekennzeichnet, dass – das Trägersubstrat (5) Ausnehmungen (19) zur Aufnahme des Markierungsmaterials (4) aufweist, welche insbesondere folgende Form haben: zylinderförmig, wabenförmig, rechteckig.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12, 13, 17) derart ausgeführt ist, dass die Bestrahlung von der dem Markierungsmaterial (4) abgewandten Seite des Trägersubstrats (4) her erfolgt.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12, 13, 17) eine Scan-Einrichtung (13) zur Führung des Transfer-Laserstrahls (13) umfasst.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12, 13, 17) eine Fokussier-Einrichtung (17) zur Fokussierung des Transfer-Laserstrahls in eine Fokalebene (18) im Bereich des Markierungsmaterials (4) umfasst.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch mindestens einen Laser (7) zur Erzeugung eines Konversions-Laserstrahls (3) derart, dass das Markierungsmaterial (4) mit dem Zielsubstrat (2) verbindbar ist.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (12, 13, 17) derart ausgeführt ist, dass sie sowohl den Transfer-Laserstrahl (3) als auch den Konversions-Laserstrahl (3) mit denselben Führungskomponenten (12, 13, 17) führt.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Transfer-Laserstrahl (3) und der Konversionslaserstrahl (3) von der gleichen Strahlungsquelle (7) erzeugt werden, insbesondere dass der Transfer-Laserstrahl (3) und der Konversions-Laserstrahl (3) identisch sind.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (7) zur Erzeugung des Transfer- Laserstrahls (3) eine Güteschaltungsvorrichtung (11) aufweist.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Markierungsmaterial (4) ein Polymer-Komposit-Material ist, welches umfasst: eine polymere Matrix, einen metallischen Füller und vorzugsweise Zusatzstoffe, welche die Laserstrahl-Wellenlänge absorbieren.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (5) aus einem flexiblen Material ist, insbesondere aus einem amorphen Kunststoff oder aus einem teilkristallinen Kunststoff.
Markierungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (5) eine adhäsive Schicht (20) aufweist, mit welcher es mit dem Zielsubstrat (2) lösbar verbunden werden kann.