DE4342764A1

DE4342764A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mikrooptischen, mikromechanischen und mikroelektrischen Bauteilen

Info

Publication number: DE4342764A1
Application number: DE4342764A
Authority: DE
Inventors: Ludger Overmeyer; Jens Mommsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-15
Filing date: 1993-12-15
Publication date: 1995-06-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Herstellung von mikrooptischen, mikromechanischen und mikroelektrischen Bauteilen aus einem Werkstück.

Beim Aufbau beispielsweise von optischen Mikrosystemen muß zwischen monolithischer Integration (integrierte Op tik) und Hybridaufbau (Faseroptik, integrierte Optik und konventionelle optische Komponente) unterschieden werden. Für unterschiedlichste Anwendungen sind nur einzelne opti sche Funktionen relevant, so daß eine voll integrierte Lösung zu aufwendig ist. Hier ist ein Bedarf an Mikrolin sen, Spiegeln usw. festzustellen.

Derzeit werden mikroop tische Komponenten durch aus der konventionellen Ferti gungstechnik für Optiken abgeleitete Verfahren herge stellt. Das konventionelle Verfahren setzt sich im wesent lichen aus drei Schritten zusammen: Vorschleifen, Fein schleifen und Polieren. Die konventionellen Verfahren sind in ihrer erreichbaren Auflösung begrenzt und ermöglichen derzeit die Herstellung minimaler Linsendurchmesser bei extrem aufwendiger Fertigung von ca. 0,5 mm (vgl. W. Feld kamp, Wireless Focal Planes "On the road to Amacronic Sen sors" IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol., 29 Nr. 2 Februar 1993; R. Mandler, Mikrooptik in einem geschlossenen Fertigungssystem herstellen Feinwerktechnik und Meßtechnik 98 (1990) 9, Carl Hanser Verlag; J. Jahns, Integrated Mi crooptics for Computing and Switching Applications SPIE Vol. 1544 Miniature and Microoptics: Fabrication and Sy stem Applications (1991); P. Deimel, Micromachining pro cesses and structures in microoptics and optoelectronics J. Micromech. Microeng. 1 (1991) S. 199-222; W. Feldkamp, Overview Of Microoptics: Past, Present, and Future, SPIE Vol. 1544 Miniature and Microoptics: Fabrication and Sy stem Applications (1991); K. Hamanaka, Integration of Free-Space Interconnections Using Selfoc Lenses: Image Transmission Properties, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31 (1992), Seiten 1656-1662, Teil 1, Nr. 5B, Mai 1992; S. Asako, B. Toshihiko, I. Kenichi, Focussing Characteristics of Convex Shaped Distributed-Index Microlens Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31 (1992), Seiten 1611-1617, Teil 1, Nr. 5B, Mai 1992).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mi krooptischen, mikromechanischen und mikroelektrischen Bau teilen anzugeben, durch das bzw. durch die mikrooptische, mikromechanische und mikroelektrische Bauteile bei höherer Auflösung und mit geringerem Fertigungsaufwand herstellbar sind.

Ein Verfahren zur Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 10 angegeben.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind wesent lich größere Auflösungen erreichbar als mit den herkömm lichen, bekannten Verfahren. So lassen sich beispielsweise wesentlich geringere Linsendurchmesser als mit herkömmli chen Verfahren und Vorrichtungen realisieren. Es lassen sich auch komplexe mikrooptische, mikromechanische und mikroelektrische Systeme bei höherer Auflösung erzeugen. Der Fertigungsaufwand ist geringer als bei den bekannten Verfahren.

In vorteilhafter Weise kann durch eine Überlappung von Einzelabträgen in unterschiedlichen Schichtebenen gleich zeitig abgetragen werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich tung zur Herstellung von mikrooptischen, mi kromechanischen und mikroelektrischen Bau teilen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines aus ei nem Werkstück zu formenden Bauteiles,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Dar stellung nach Fig. 2,

Fig. 4a beispielhaft zwei vorgebbare Abtragsquer schnitte,

Fig. 4b schematisch eine Draufsicht auf eine abzu tragende Schicht mit den Positionen der Ein zelabträge,

Fig. 4c ein der abzutragenden Schicht nach Fig. 4b zugeordnetes Abtragsraster und

Fig. 4d eine dem Abtragsraster nach Fig. 4c zugeord nete Triggermatrix.

Die Zeichnung zeigt in der Fig. 1 einen UV-Laser 1, dessen Lichtstrahl 2 über eine flexible Maske 4 und ein flexibles Strahlführungssystem 6 (Linsen, Spiegel) auf ein zu bearbeitendes Werkstück 8 gerichtet ist. Das Werkstück 8 befindet sich auf einer Werkstückhandhabungsvorrichtung 10.

Der Laser 1, die Maske 4, das Strahlführungssystem 6 und die Werkstückshandhabungsvorrichtung 10 werden durch eine NC-Steuereinrichtung 12 gesteuert.

Ein Rechner 14 errechnet aus den Oberflächendaten des Werkstückes und eines daraus zu formenden Bauteiles 16 die NC-Daten und überträgt diese auf die NC-Steuereinrichtung 12. Die Generierung der Oberflächendaten erfolgt in einer X-, Y-, Z-Matrix rechnerisch oder meßtechnisch.

Mit Hilfe des Laserstrahles 2 des Lasers 1 erfolgt nun - gesteuert durch die NC-Steuereinrichtung 12 - entspre chend der gewünschten Oberflächentopographie ein definier ter Volumenabtrag, um beispielsweise aus dem Werkstück 8 das Bauteil 16 mit der in der Fig. 2 schematisch darge stellten Oberflächenform 18 zu erzeugen.

Der Volumenabtrag erfolgt dabei angenähert durch Ab trag endlich kleiner Volumenelemente 20, vgl. Fig. 3, wo bei das kleinste Volumenelement beispielsweise ein Quader mit lateraler Kantenlänge von 1 µm und einer Tiefe von 10 nm bis 2 µm ist. Größere Volumenelemente sind Vielfache oder nahezu Vielfache dieses kleinsten Volumenelementes.

Ein Volumenelement ist definiert durch das Produkt der Abtragungsfläche F mit der vom Werkstoff und der Laserim pulsenergie abhängigen Abtragsrate H, die die Abtragstiefe pro Puls ist. Die Abtragsfläche wird dabei durch den Quer schnitt der flexiblen Maske 4 sowie durch das Abbildungs verhältnis des flexiblen Strahlführungssystems 6 bestimmt.

Der Abtragungsvorgang kann statisch oder dynamisch erfolgen. Bei einem statischen Abtragungsvorgang ruht das Werkstück während des Abtrages.

Bei einem dynamischen Abtragungsvorgang erfolgt der Abtrag weggesteuert, d. h. in Abhängigkeit von Positions zählern von das Werkstück 8 bewegenden Achsen. Durch digi tale Informationen können mehrere Abträge auf einem Weg von A nach B ohne einen Positioniervorgang gesetzt werden, was nachfolgend noch etwas näher anhand der Fig. 4a bis 4d erläutert wird.

Die Fig. 4 zeigt beispielhaft den Abtragsquerschnitt eines vorgegebenen minimalen Volumenelementes 30 mit bei spielsweise der erwähnten lateralen Kantenlänge von 1 µm und daneben den möglichen, um ein Vielfaches (hier Vierfa ches) größeren, aufgrund der gegebenen Verhältnisse (Werk stück, Oberflächentopographie etc.) berechenbaren und vor gebbaren Abtragungsquerschnitt eines Volumenelementes 32. In Abhängigkeit vom Werkstück, der zu erzeugenden Oberflä chentopographie des zu erzeugenden mikrooptischen, mikro mechanischen oder mikroelektrischen Bauteiles und der Pulsenergie des Lasers wird die abzutragende Schichtenzahl ermittelt. Unter Berücksichtigung möglicher Abtragsquer schnitte und der einzelnen Schichtenquerschnitte werden dann im Rechner die Koordinaten der Einzelabtragungen und die linearen Verfahrwege der Werkstückshandhabungsvorrich tung 10 berechnet, vgl. Fig. 4b und 4c, wobei Optimie rungskriterien, wie längere Diagonale (beispielsweise die Strecken A-B und C-D in Fig. 4c) mit mehreren Abtragungs vorgängen (durchgezogene Linien) und kurze Verfahrwege (gestrichelte Linien) zwischen den Diagonalen sowie Ein zelabträge, beispielsweise Punkte 2 und 8, zusätzlich be rücksichtigt werden, vgl. Fig. 4c. Die dem Abtragsraster nach Fig. 4c zugeordnete Trigger-Matrix ist in der Fig. 4d dargestellt und in Verbindung mit der Fig. 4c ohne weite res aus sich verständlich. Auf diese Weise können durch digitale Informationen mehrere Abträge, beispielsweise auf dem diagonalen Weg von A nach B (Fig. 4c), ohne einen Po sitioniervorgang gesetzt werden. Während eines Verfahrwe ges, beispielsweise von A nach B (Fig. 4c), wird vorzugs weis durch Überlappung der Einzelabträge bzw. der Abtrags fläche in unterschiedlichen Schichtebenen gleichzeitig abgetragen.

Der Abtrag aller Volumenelemente mittels Laserstrah lung ergibt die definierte Oberfläche des herzustellenden Bauteiles. Das zu formende Bauteil kann dabei als Positiv oder als Negativ aus dem Basismaterial erzeugt werden. Drei D-Bearbeitungen sind durch mehrere Aufspannungen oder eine definierte Bewegung des Werkstückes durch die Werk stückhandhabungsvorrichtung möglich. Es können beliebige 2 1/2- oder 3 D-Formen erzeugt werden, beispielsweise als einzelne Prismen, Kegeln, Fokonen, Spiegeln und Linsen oder Matrixen von Prismen, Kegeln, Fokonen, Spiegeln und Linsen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von mikrooptischen, mikrome chanischen und mikroelektrischen Bauteilen aus einem Werk stück, dadurch gekennzeichnet, daß Material aus dem Werk stück (8) mittels Laserstrahlung rechnergesteuert in Ab hängigkeit von den Oberflächendaten des Werkstückes und des daraus herzustellenden Bauteiles abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den Oberflächendaten errechnete Gesamtabtrag ange nähert durch aufeinanderfolgende diskrete Einzelabtragun gen kleiner Volumenelemente abgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenelemente Vielfache oder nahezu Vielfache eines vorgegebenen kleinsten Volumenelementes sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kleinste Volumenelement ein Quader ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quader laterale Abmessungen von 1 µm und eine Tiefe von 10 nm bis 2 µm aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Volumenelement definiert ist durch das Produkt der Abtragsfläche (Laserstrahlquerschnittsflä che am Abtragsort) mit der vom Werkstoff und der Pulsener gie der Laserstrahlung abhängigen Abtragsrate (Abtragstie fe pro Laserpuls).

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächendaten rechnerisch oder meßtechnisch in ei ner X,Y,Z-Matrix generiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Volumenelemente schrittweise entlang berechneter optimierter Verfahrwege abgetragen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Volumenelemente schrittweise und/oder durch Überlappung der Einzelabträge bzw. der Ab tragsflächen in unterschiedlichen Schichtebenen gleichzei tig abgetragen werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Laser (1), dessen Strahlung (2) über eine Maske (4) und eine Strahlführungseinrichtung (6) auf ein zu bearbeitendes Werkstück (8) gerichtet ist, und eine Steuereinrichtung (12) zur Steuerung des Lasers (1), des Querschnitts der Maske (4), des Abbildungsverhältnisses der Strahlführungs einrichtung (6) und der Bewegung einer Werkstückhandha bungseinrichtung (10) und damit des Abtrages des Werk stückes (8) durch die Laserstrahlung in Abhängigkeit von den Daten der Oberflächentopographie eines aus dem Werk stück herzustellenden Bauteiles (16).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die als NC-Steuerung ausgebildete Steuereinrichtung (12) an einen Rechner (14) angeschlossen ist, der NC-Daten aus den Oberflächentopographie-Daten errechnet und diese auf die NC-Steuerung überträgt.