WO2018234192A1 - Vorrichtung und verfahren zur bearbeitung einer oberfläche - Google Patents

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WO2018234192A1
WO2018234192A1 PCT/EP2018/065985 EP2018065985W WO2018234192A1 WO 2018234192 A1 WO2018234192 A1 WO 2018234192A1 EP 2018065985 W EP2018065985 W EP 2018065985W WO 2018234192 A1 WO2018234192 A1 WO 2018234192A1
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plasma
workpiece
generating device
laser radiation
khz
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PCT/EP2018/065985
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Günter Flachenecker
Wolfgang Schade
Thomas Gimpel
Christoph GERHARD
Wolfgang Viöl
Daniel Tasche
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst
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    • B23K26/36—Removing material

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for processing a surface of a workpiece with a Plasmaer ⁇ generating means and a laser beam generating means which are adapted to at least act on a partial area of the surface of the workpiece to laser radiation and plasma. Furthermore, the concerns
  • Invention a method for machining a surface of a workpiece with such a device.
  • laser radiation to the material ⁇ removal and for processing the surface of a work piece ⁇ .
  • continuous wave lasers or pulsed laser radiation with a pulse duration of a few nanoseconds or more are generally used.
  • the effect of laser radiation is usually due to the fact that the upper ⁇ surface is heated locally at the point of incidence of the laser radiation and evaporation of the material of the workpiece thereby.
  • comparatively powerful lasers with output powers of a few watts to a few kilowatts are required.
  • This laser radiation has the advantage that the material removal is not based on thermal effects. Rather, the energy input from the laser radiation is stopped before a noticeable heating of the surface of the workpiece occurs. This can damage the surrounding crystal structure can be avoided, so that the surface quality of the machined workpiece can be improved.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for material processing, which on the one hand avoids thermal damage to the workpiece to be machined and on the other hand enables rapid processing.
  • a device for processing a surface of a workpiece which combines pulsed laser radiation with the action of a plasma.
  • the removal rate of very short laser pulses can be considerably increased if the surface is exposed to a plasma before, during or after the action of the laser radiation.
  • the workpiece may be any material that Contain or consist of alloy.
  • the workpiece may be any material that Contain or consist of alloy.
  • the workpiece may be any material that Contain or consist of alloy.
  • the workpiece may be any material that Contain or consist of alloy.
  • the workpiece may be any material that Contain or consist of alloy.
  • the workpiece may be any material that Contain or consist of alloy.
  • the workpiece may be any material
  • the workpiece may contain or consist of an insulator or a dielectric, for example glass, ceramic or plastic.
  • the workpiece can be homogeneous be constructed, so consist of a material, or have a coating which is processed by the proposed method.
  • the workpiece can be monocrystalline. In other embodiments of the invention, the workpiece may be polycrystalline or amorphous.
  • Machining the surface of the workpiece may be to remove material from the surface. This can be full-surface
  • the surface can be prepared for subsequent processing steps,
  • a microstructured elec ⁇ tronic or mechanical or electromechanical By a removal of material with the inventive method from a semi-finished
  • Such a micromechanical and / or microelectronic component can be used for example for energy generation, energy storage, as a sensor for pressure or acceleration or in microfluidics (lab-on-chip) or in micro-optics.
  • a laser beam generating device for material removal, which is set up to emit pulsed laser radiation having a pulse length of less than about 100 fs.
  • a laser beam generating device may, in some embodiments of the invention, include a titanium sapphire laser or a fiber laser.
  • this laser beam generating device may comprise further components, for example light-focusing or -defocussing elements or mirrors, around the beam spot to focus or to direct to a predeterminable place or part ⁇ surface of the surface of the workpiece.
  • the upper ⁇ surface quality of the machined surface with the laser beam and / or the removal rate can be increased considerably if at the same time, acts on the part surface before or after the impingement of the laser beam, a plasma.
  • the plasma is generated according to the invention with a plasma generating device, so that in one embodiment of the
  • the Invention acts directly on the surface of the workpiece.
  • the plasma may be located above the surface of the workpiece, so that the plasma does not act directly on the work ⁇ piece, but this continues to get in contact with charged particles and / or photons from the plasma.
  • the plasma may be a non-thermal plasma, ie the plasma generation device selectively heats the electron gas, so that the ion bodies of the plasma remain comparatively cold.
  • the plasma generator may include an ECR source.
  • the plasma generating device may use a dielectrically impeded discharge. In this case, the electric field is through
  • Electrode gap which, however, do not allow high currents due to the Di ⁇ electrics in the discharge gap. As a result, too high an energy input into the surface of the workpiece is avoided, which leads to a Destruction of the microstructure generated by the laser radiation could result.
  • the laser beam generating device may be configured to emit pulsed laser radiation at a repetition rate of about 5 kHz to about 35 kHz, or from about 8 kHz to about 20 kHz, or from about 10 kHz to about 15 kHz.
  • pulsed laser radiation can be phase-locked coupled with a likewise pulsed plasma generating device, so that the time lead or lag of the laser ⁇ radiation and the plasma can be synchronized.
  • the laser radiation then always hits the surface at the same time relative to the plasma.
  • the laser radiation can be delivered unsynchronized to the plasma generating device. In this case, several laser pulses can interact within a plasma cycle with the surface of the workpiece.
  • the laser radiation may hit the surface in time after the plasma.
  • the plasma can excite the surface of the workpiece and / or remove loosely adhering particles or adsorbates, whereupon the laser radiation strikes the correspondingly excited or cleaned or otherwise prepared surface.
  • the laser radiation may impinge on the surface of the workpiece at the same time as the plasma.
  • the plasma can additionally bring about a focusing of the laser radiation, so that smaller structures can be produced.
  • the laser radiation from the surface of the workpiece removed particles directly in the
  • the laser radiation may act on the surface in time prior to the plasma. This can be done by the laser beam
  • ablated material is deposited again on the surface of the substrate and subsequently etched through the plasma, so that this is finally and permanently removed.
  • the laser radiation may have a pulse length less than about 80 fs or less than about 50 fs or less than about 40 fs
  • Laser pulses of said length or duration ensure that the workpiece is not thermal
  • the laser beam generating device is configured to emit pulsed laser radiation having a pulse energy of from about 50 yy to about 250 yy, or from about 80 yy to about 150 yy, or from about 90 yy to about 120 yy.
  • pulsed laser radiation having a pulse energy of from about 50 yy to about 250 yy, or from about 80 yy to about 150 yy, or from about 90 yy to about 120 yy.
  • the plasma generating device may be configured to
  • the plasma generating device may be configured to provide a
  • the plasma generating device thus has a small space and allows the simple implementation of the method according to the invention.
  • At least one electrode of the plasma generating device may be provided with a bore through which the laser radiation of the laser beam generating device can be confocally directed to the plasma on the surface of the workpiece.
  • the plasma may contain or consist of an inert gas.
  • the working gas of the plasma may be a noble gas.
  • the working gas of the plasma may be or contain argon.
  • An inert gas may in some embodiments of the invention have the advantage of avoiding unwanted layer deposition from the plasma on the surface of the workpiece.
  • argon plasma in particular can efficiently remove unwanted adhesions from the surface by etching.
  • between about 200 and about 8000 individual pulses of laser radiation may impinge on a partial surface of the surface of the workpiece. In other embodiments of the invention, between about 400 and about 2000 individual pulses may impinge on a partial surface of the surface. This causes a larger number of single pulses of laser radiation a larger
  • the partial area irradiated by the laser radiation is determined by relative
  • Moving the workpiece and the laser beam generating ⁇ device varies. In this way, either a larger area can be edited or a
  • Structuring of the surface can be made by exposing some surfaces of the laser radiation and other surfaces of the laser radiation are not exposed to or to a greater or lesser extent.
  • the relative displacement takes place in such a way that first a first partial area is irradiated with a prescribable number of pulses and subsequently a second partial area is irradiated with a prescribable number of pulses, the second partial area partially overlapping with the first partial area ,
  • the surface areas are repeatedly run over by the laser beam, which can bring about improved surface quality and / or greater removal of material.
  • the overlap of the first sub-area and the second sub-area may be between about 30% and about 70%, or between about 45% and about 55% of the diameter of the sub-area.
  • Figure 1 is a schematic representation of a
  • FIG. 2 shows the ablation depth of a known one
  • FIG. 3 shows the ablation depth and the line width of one with a known method
  • Embodiment machined surface Embodiment machined surface.
  • FIGS. 4A and 4B show the resulting surface quality of a known machining method and the machining method according to the invention in a first exemplary embodiment in comparison.
  • FIG. 5 shows the ablation depth of a known one
  • FIGS. 6A and 6B show the resulting surface finish of the known method and of the
  • Figure 1 shows schematically an apparatus for processing a surface of a workpiece according to the present invention.
  • the device 1 contains a laser beam generating device 3 and a plasma generating device 4.
  • the laser beam 35 and the plasma 45 can act on the partial surface 25 of a surface 21 of a workpiece 2 at the same time or with a time offset. This may effect a material modification or, in some embodiments, a material removal.
  • the workpiece 2 may, for example, contain a metal or an alloy or a semiconductor material.
  • the workpiece 2 may be a be microelectronic or a micromechanical device, wherein at least some steps of its
  • the workpiece 2 is a flat plate or a wafer in the illustrated embodiment. In other execution ⁇ embodiments of the invention, the workpiece 2 can also have a different geometry. The illustrated embodiment of the workpiece 2 is therefore to be understood as exemplary only.
  • the workpiece 2 is located on a counter electrode 41, which is made of a conductive material, for example ⁇ a metal or an alloy. At least the side of the counterelectrode 41 facing the working electrode 44 is provided with a dielectric or an insulator 42. This prevents that between the working electrode 44 and the counter electrode 41, a hot arc is ignited, which causes a high energy input into the workpiece 2 and could destroy it. If the workpiece 2 contains or consists of an insulator, for example glass, ceramic or plastic, the insulator 42 may also be dispensed with in some embodiments of the invention.
  • the counter electrode 41, the optional insulator 42 and the workpiece 2 are located on a manipulator 5, with which the relative position between the laser beam generating device 3 and the plasma generating device 4 on the one hand and the workpiece 2 on the other can be changed.
  • the manipulator 5 may be at least one linear drive in some embodiments of the invention, so that the workpiece ⁇ piece 2 is displaceable in one direction.
  • two linear drives may be used to separate the face 25 in two dimensions to move on the surface 21 of the workpiece 2.
  • three linear drives or a hexapod can be used, so that in addition the focus position and / or the angle of incidence of the laser beam 35 can be varied.
  • the work piece 2 opposite a working electrode 44 is arranged.
  • this is a tapered hollow mold with an opening, so that the laser beam 35 confocally through the
  • Working electrode 44 can be directed onto the surface 21 of the workpiece 2.
  • the hollow mold may be adapted to receive a working gas 46, which subsequently flows through the working electrode 44 and is thereby flooded in the discharge gap and forms the essential constituent of the plasma 45.
  • an insulating body 43 is additionally present, which surrounds the working electrode 44 approximately concentric. In this case, that will
  • Working gas for example, a noble gas such as argon, introduced via the gas supply 46, so that the working gas flows in the gap between the working electrode 44 and the insulating body 43 and from there to the discharge gap is fed to form the plasma 45.
  • a noble gas such as argon
  • a high voltage source having a first pole 471 and a second pole 472. Each pole is connected to the working electrode 44 and the counter electrode 41.
  • the second pole 472 may be at a ground potential and the first pole 471 may supply a high voltage to the working electrode 44.
  • the voltage source in some embodiments of the invention, may generate a voltage between about 4 kV and about 15 kV, or between about 8 kV and about 14 kV, or between about 9 kV and about 12 kV.
  • the high voltage can be a
  • the repetition rate of the pulsed voltage may be between about 5 kHz and about 9 kHz, with individual high voltage pulses having a duration between about 20 ys and about 200 ys, or between about 70 ys and about 90 ys. Since the elec ⁇ tric field in the discharge gap by the ignition of a
  • Discharge filament of the plasma 45 breaks, can ignite several discharges within a high voltage pulse.
  • the effective discharge frequency of the plasma 45 may be greater than the nominally applied pulse frequency of the high voltage in a factor of approximately 3 to a factor of 6.
  • Fig. 1 shows a laser beam generating device 3 which includes, for example, a titanium sapphire laser adapted to emit laser radiation having a pulse length of less than about 100 fs or less than about 80 fs or less than about 50 fs or less about 40 fs.
  • the energy of individual pulses may be between about 50 yJ to about 250 yJ.
  • the laser beam generating device 3 may further include focusing elements 31, for example a lens with which the beam diameter of the laser radiation 35 can be reduced.
  • focusing elements 31 for example a lens with which the beam diameter of the laser radiation 35 can be reduced.
  • a lens system of a plurality of focusing and defocusing elements may also be used.
  • a reflective optical system can be considered, if this is more advantageous than the transmission optics illustrated with light ⁇ refractive elements.
  • the laser beam generating device 3 and the plasma generation direction 4 are also operated unsynchronized, so there is no fixed temporal correlation between the action of the plasma 45 and the laser radiation 35.
  • FIG. 2 shows the cross section or the ablation depth of a line which has been produced by linear displacement of the workpiece 2 in the device 1.
  • a line can be introduced into the surface 21 of the workpiece 2.
  • FIG. 2 shows in curve A the use of a short-pulse laser known per se, and in curve B the simultaneous use according to the invention of the laser with a plasma which is in a pulsed, dielectrically impeded manner
  • Discharge was generated.
  • the field strength in the discharge gap was about 1.1 kV / mm at a repetition rate of 7 kHz and a pulse duration of 80 ys.
  • the ordinate shows the ablation depth in microns, whereas on the
  • Varying the feed rate were at the local coordinate ⁇ 300 ym about 400 laser pulses to a part surface 25 applied. This corresponds to the leftmost maximum of the ablation depth. From left to right, the number of laser pulses applied to a single sub-area 25 decreases from 200 to 133, 100 and 80. As FIG. 2 shows, the ablation depth runs approximately linearly with the number of applied laser pulses.
  • Figure 3 shows in the left part of the image once the ablation depth against the deposited in a partial surface 25 Radiation ⁇ energy, which is equivalent to the number on ⁇ impinging laser pulses.
  • Radiation ⁇ energy which is equivalent to the number on ⁇ impinging laser pulses.
  • the ablation depth with the number of laser pulses is approximately linear increases.
  • no significant difference in ablation depth occurs through the activation of the plasma.
  • Ablation depth is thus the amount of removed material increased by the inventive combination of short pulse laser radiation and plasma.
  • FIG. 4 shows scanning electron micrographs of the line engraved in the surface 21 of the workpiece 2.
  • 4A shows the result after the action of the short-pulse laser according to the prior art
  • FIG. 4B shows the combination of laser radiation and plasma according to the present invention.
  • the surface quality in the method according to the invention is significantly better, expressed as less roughness.
  • the inventive method can provide significantly improved surface quality.
  • a workpiece 2 is machined from an aluminum alloy, once with a known short-pulse laser and on the other with the combination of the invention
  • Short pulse laser and plasma Processing takes place in each case such that the irradiated part by the laser radiation ⁇ area is varied by relative displacement of the workpiece at constant laser beam generating means and the plasma generating apparatus.
  • the relative Displacement is carried out in such a way that initially a first partial area is irradiated with a prescribable number of pulses and subsequently a second partial area is irradiated with a prescribable number of pulses, the second partial area overlapping the first partial area by 50% of the diameter of the partial area 25 ,
  • the diameter of the surface 25 is used as the beam diameter of
  • Figure 5 shows the depth of ablation to the place where 5500 laser pulses were radiated on a single surface portion 25 in the left part of the figure, whereas 1600 laser pulses were radiated on a single part ⁇ surface 25 in the right part, before the workpiece 2
  • FIG. 5 also shows the ablation depth, which can be achieved with a short-pulse laser according to the prior art.
  • Curve B shows the ablation depth which results in the inventive combination of laser radiation and plasma, wherein the plasma is generated as described above by means of a dielectrically impeded discharge.
  • the short-pulse laser alone is not able to effect a significant material removal. Only the combination according to the invention with a plasma ensures a removal of material of about 20 ⁇ m or about 250 ⁇ m as a function of the energy introduced by the laser radiation.
  • FIG. 6 again shows scanning electron microscopic images
  • Figure 6B shows a workpiece 2, which was treated according to the invention with plasma and laser radiation
  • Figure 6A a Workpiece which has been treated exclusively with laser radiation.
  • the method according to the invention in accordance with the second embodiment becomes a roughening of the surface, which can advantageously be used, for example, in the production of solar absorbers for solar cells or solar collectors.
  • the height and diameter of the individual structures formed amount to about 10 ym to about 20 ym, so that long-wave infrared radiation can be absorbed with great efficiency.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung einer Oberfläche (21) eines Werkstückes (2) mit einer Plasmaerzeugungs-einrichtung (4) und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3), welche dazu eingerichtet sind, zumindest eine Teilfläche (25) der Oberfläche (21) des Werkstückes (2) mit Laserstrahlung (35) und Plasma (45) zu beaufschlagen, wobei die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (35) abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 30 fs aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (21) eines Werkstückes (2) mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung (4) und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer Plasmaer¬ zeugungseinrichtung und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung, welche dazu eingerichtet sind, zumindest eine Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes mit Laserstrahlung und Plasma zu beaufschlagen. Weiterhin betrifft die
Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes mit einer solchen Vorrichtung.
Aus der Praxis ist bekannt, Laserstrahlung zum Material¬ abtrag und damit zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werk¬ stückes einzusetzen. Hierzu werden in der Regel Dauerstrichlaser oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von einigen Nanosekunden oder mehr verwendet. Die Wirkung der Laserstrahlung beruht in der Regel darauf, dass die Ober¬ fläche am Auftreffort der Laserstrahlung lokal erwärmt wird und das Material des Werkstückes dadurch verdampft. Hierzu sind vergleichsweise leistungsfähige Laser mit Ausgangs¬ leistungen von einigen Watt bis einigen Kilowatt erforderlich.
Darüber hinaus ist bekannt, zur Materialbearbeitung
Kurzpulslaser mit einer Pulslänge von wenigen Pikosekunden bis hin zu einigen Femtosekunden einzusetzen. Diese Laserstrahlung weist den Vorteil auf, dass der Materialabtrag nicht auf thermischen Effekten basiert. Vielmehr wird der Energieeintrag aus der Laserstrahlung gestoppt, ehe eine merkliche Erwärmung der Oberfläche des Werkstückes eintritt. Hierdurch kann eine Schädigung der umgebenden Kristall- struktur vermieden werden, so dass die Oberflächengüte des Bearbeiteten Werkstückes verbessert sein kann.
Die Materialbearbeitung mit solchen Kurzpulslasern weist jedoch den Nachteil auf, dass die Abtragrate nur sehr gering ist und daher die Bearbeitung des Werkstückes sehr
langwierig und dadurch teuer ist.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung anzugeben, welche einerseits thermische Schäden an dem zu bearbeitenden Werkstück vermeidet und andererseits eine rasche Bearbeitung ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes vorgeschlagen, welche gepulste Laserstrahlung mit der Einwirkung eines Plasmas kombiniert. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die Abtragleistung sehr kurzer Laserpulse erheblich steigern lässt, wenn die Oberfläche vor, während oder nach der Einwirkung der Laserstrahlung einem Plasma ausgesetzt wird.
Das erfindungsgemäß bearbeitete Werkstück kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Metall oder eine
Legierung enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück ein
Halbleitermaterial enthalten oder daraus bestehen, bei¬ spielsweise Silizium, Germanium oder einen III-V-Verbin- dungshalbleiter . In wiederum einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann das Werkstück einen Isolator bzw. ein Dielektrikum enthalten oder daraus bestehen, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff. Das Werkstück kann homogen aufgebaut sein, also aus einem Material bestehen, oder aber eine Beschichtung aufweisen, welche mit dem vorgeschlagenen Verfahren bearbeitet wird. Das Werkstück kann einkristallin sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück polykristallin oder amorph sein.
Das Bearbeiten der Oberfläche des Werkstückes kann in einigen Ausführungsformen darin bestehen, dass Material von der Oberfläche entfernt wird. Dies kann vollflächig
geschehen oder in einer Teilfläche der Oberfläche. Bei¬ spielsweise kann auf diese Weise eine Bestellnummer, eine Marke, eine Chargennummer oder eine sonstige Herstellerangabe in die Oberfläche eingraviert werden. In anderen Aus¬ führungsformen der Erfindung kann die Oberfläche für nachfolgende Verarbeitungsschritte vorbereitet werden,
beispielsweise für ein Fügeverfahren oder eine Lackierung. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann durch einen Materialabtrag mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem Halbzeug ein mikrostrukturiertes elek¬ tronisches oder mechanisches oder elektromechanisches
Bauteil erzeugt werden. Ein solches mikromechanisches und/oder mikroelektronisches Bauelement kann beispielsweise zu Energiegewinnung, zur Energiespeicherung, als Sensor für Druck oder Beschleunigung oder auch in der Mikrofluidik (lab-on-chip) oder in der Mikrooptik eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zum Materialabtrag eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung einzusetzen, welche dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs aufweist. Eine solche Laserstrahlerzeugungseinrichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Titan-Saphir-Laser oder einen Faserlaser enthalten. Neben der eigentlichen Lichtquelle kann diese Laserstrahlerzeugungseinrichtung weitere Komponenten umfassen, beispielsweise lichtfokussierende oder -defokussierende Elemente oder Spiegel, um den Strahlfleck zu fokussieren oder auf eine vorgebbare Stelle bzw. Teil¬ fläche der Oberfläche des Werkstückes zu lenken.
Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass sich die Ober¬ flächengüte der mit dem Laserstrahl bearbeiteten Fläche und/oder die Abtragleistung erheblich steigern lässt, wenn zeitgleich, vor oder nach dem Auftreffen des Laserstrahls ein Plasma auf die Teilfläche einwirkt. Das Plasma wird erfindungsgemäß mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt, sodass dieses in einer Ausführungsform der
Erfindung unmittelbar auf die Oberfläche des Werkstückes einwirkt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann sich das Plasma oberhalb der Oberfläche des Werkstückes befinden, sodass das Plasma nicht unmittelbar auf das Werk¬ stück einwirkt, dieses aber weiterhin mit geladenen Teilchen und/oder Photonen aus dem Plasma in Kontakt gerät.
Das Plasma kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein nichtthermisches Plasma sein, d.h. die Plasmaerzeugungs¬ einrichtung heizt selektiv das Elektronengas, sodass die Ionenrümpfe des Plasmas vergleichsweise kalt bleiben. Hierzu kann die Plasmaerzeugungseinrichtung in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine ECR-Quelle enthalten. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung eine dielektrisch behinderte Entladung verwenden. In diesem Fall wird das elektrische Feld durch
Anlegen einer Hochspannung an zwei beabstandete Elektroden erzeugt, wobei zumindest eine Elektrode mit einem Dielek¬ trikum bzw. einem Isolator beschichtet ist und/oder ein Dielektrikum im Entladungsspalt vorhanden ist. Dies
verhindert das Zünden eines heißen Lichtbogens zwischen den Elektroden. Stattdessen bilden sich einzelne Entladungs- filamente durch die Ionisierung des Arbeitsgases im
Elektrodenspalt aus, welche jedoch aufgrund des Di¬ elektrikums im Entladungsspalt keine hohen Stromstärken zulassen. Hierdurch wird ein zu hoher Energieeintrag in die Oberfläche des Werkstückes vermieden, welcher zu einer Zerstörung der durch die Laserstrahlung erzeugten Mikrostruktur führen könnte.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, gepulste Laserstrahlung mit einer Repetitionsrate von etwa 5 kHz bis etwa 35 kHz oder von etwa 8 kHz bis etwa 20 kHz oder von etwa 10 kHz bis etwa 15 kHz abzugeben. Eine solchermaßen gepulste Laserstrahlung kann mit einer ebenfalls gepulsten Plasmaerzeugungseinrichtung phasenstarr gekoppelt werden, sodass der zeitliche Vorlauf bzw. Nachlauf der Laser¬ strahlung und des Plasmas synchronisiert sein können. Die Laserstrahlung trifft dann immer zeitgleich relativ zum Plasma auf die Oberfläche auf. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung unsynchronisiert zur Plasmaerzeugungseinrichtung abgegeben werden. In diesem Fall können auch mehrere Laserpulse innerhalb eines Plasmazyklus mit der Oberfläche des Werkstückes wechselwirken.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung zeitlich nach dem Plasma auf die Oberfläche treffen. In diesem Fall kann das Plasma die Oberfläche des Werkstückes anregen und/oder lose anhaftende Partikel oder Adsorbate entfernen, woraufhin die Laserstrahlung auf die entsprechend angeregte bzw. gereinigte oder anderweitig vorbereitete Oberfläche trifft.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung zeitgleich mit dem Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes auftreffen. In diesem Fall kann das Plasma zusätzlich eine Fokussierung der Laserstrahlung bewirken, sodass kleinere Strukturen erzeugt werden können. Darüber hinaus können durch die Laserstrahlung von der Oberfläche des Werkstückes entfernte Teilchen unmittelbar in der
Plasmawolke aufgenommen werden, sodass vermieden wird, diese Partikel erneut auf der Oberfläche des Werkstückes abzu¬ scheiden, sodass diese dort haften bleiben. Schließlich kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Laserstrahlung zeitlich vor dem Plasma auf die Oberfläche einwirken. Hierdurch kann das vom Laserstrahl
ablatierte Material wieder auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden und nachfolgend durch das Plasma geätzt werden, so dass dieses endgültig und dauerhaft entfernt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Laserstrahlung eine Pulslänge von weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs
aufweisen. Laserpulse der genannten Länge bzw. Zeitdauer stellen sicher, dass das Werkstück nicht thermisch
geschädigt wird. Vielmehr erfolgt der Materialabtrag durch nichtlineare optische Effekte.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Laserstrahlerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet, gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsenergie von etwa 50 yJ bis etwa 250 yJ oder von etwa 80 yJ bis etwa 150 yJ oder von etwa 90 yJ bis etwa 120 yJ abzugeben. Solche Laserstrahlerzeugungseinrichtungen sind einfach und kostengünstig
verfügbar und können aufgrund ihres geringen Bauraumes leicht in bestehende Produktionsanlagen integriert werden. Völlig überraschend wurde erkannt, dass trotz der geringen Energie, welche eine geringe Abtragleistung erwarten lässt, durch die Verbindung mit einem Plasma die Abtragleistung erheblich gesteigert werden kann, sodass das Verfahren zum Materialabtrag wirtschaftlich eingesetzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, ein
Atmosphärendruckplasma zu erzeugen. Ein solches Atmosphären¬ druckplasma vermeidet die Verwendung aufwendiger Vakuumtechnik, sodass der apparative Aufwand weiter verringert wird . In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Plasmaerzeugungseinrichtung dazu eingerichtet sein, eine
Plasmaleistung von etwa 0,7 W bis etwa 2 W oder von etwa 1 W bis etwa 1,5 W zu erzeugen. Bei diesen Werten handelt es sich um die mittlere Leistung eines gepulst betriebenen Plasmas, welche beispielsweise durch Integration des im Plasma fließenden Stromes über einen Messkondensator
bestimmt werden kann. Auch die Plasmaerzeugungseinrichtung weist somit einen geringen Bauraum auf und ermöglicht die einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine Elektrode der Plasmaerzeugungseinrichtung mit einer Bohrung versehen sein, durch welche die Laserstrahlung der Laserstrahlerzeugungseinrichtung konfokal zum Plasma auf die Oberfläche des Werkstückes gelenkt werden kann. Hierdurch kann eine verbesserte Präzision der Materialbearbeitung ermöglicht werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Plasma ein Inertgas enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas des Plasmas ein Edelgas sein. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsgas des Plasmas Argon sein oder enthalten. Ein Inertgas kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung den Vorteil aufweisen, dass eine unerwünschte Schichtabscheidung aus dem Plasma auf der Oberfläche des Werkstückes vermieden wird. Darüber hinaus kann insbesondere ein Argonplasma effizient unerwünschte Anhaftungen von der Oberfläche durch Ätzen entfernen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen etwa 200 und etwa 8000 Einzelpulse der Laserstrahlung auf eine Teilfläche der Oberfläche des Werkstückes auftreffen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwischen etwa 400 und etwa 2000 Einzelpulse auf eine Teilfläche der Oberfläche auftreffen. Hierbei bewirkt eine größere Anzahl von Einzelpulsen der Laserstrahlung einen größeren
Materialabtrag .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die von der Laserstrahlung bestrahlte Teilfläche durch relatives
Verschieben des Werkstückes und der Laserstrahlerzeugungs¬ einrichtung variiert. Auf diese Weise kann entweder eine größere Fläche bearbeitet werden oder aber eine
Strukturierung der Oberfläche vorgenommen werden, indem einige Teilflächen der Laserstrahlung ausgesetzt werden und andere Teilflächen der Laserstrahlung nicht oder in größerem oder geringerem Umfang ausgesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt das relative Verschieben in der Weise, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche teilweise überlappt. Durch diese Überlappung werden die Flächenbereiche mehrfach vom Laserstrahl überfahren, was eine verbesserte Oberflächenqualität und/oder einen größeren Materialabtrag bewirken kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Überlappung der ersten Teilfläche und der zweiten Teilfläche zwischen etwa 30 % und etwa 70 % oder zwischen etwa 45 % und etwa 55 % des Durchmessers der Teilfläche betragen.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Figur 2 zeigt die Ablationstiefe eines bekannten
Bearbeitungsverfahrens und des erfindungsgemäßen
Bearbeitungsverfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich.
Figur 3 zeigt die Ablationstiefe und die Linienbreite einer mit einem bekannten Verfahren und dem
erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten
Ausführungsbeispiel bearbeiteten Oberfläche.
Figur 4A und Figur 4B zeigen die sich ergebende Oberflächengüte eines bekannten Bearbeitungsverfahren und des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel im Vergleich.
Figur 5 zeigt die Ablationstiefe eines bekannten
Verfahrens und des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem zweiten Ausführungsbeispiel im Vergleich.
Figur 6A und Figur 6B zeigen die sich ergebende Oberflächengüte des bekannten Verfahrens und des
erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem zweiten
Ausführungsbeispiel .
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstückes gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 enthält eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 sowie eine Plasmaerzeugungseinrichtung 4. Der Laserstrahl 35 sowie das Plasma 45 können gleichzeitig oder zeitlich versetzt auf die Teilfläche 25 einer Oberfläche 21 eines Werkstückes 2 einwirken. Dies kann eine Materialmodifikation oder in einigen Ausführungsformen einen Materialabtrag bewirken.
Das Werkstück 2 kann beispielsweise ein Metall oder eine Legierung oder ein Halbleitermaterial enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Werkstück 2 ein mikroelektronisches oder ein mikromechanisches Bauelement sein, wobei zumindest einige Verfahrensschritte seiner
Herstellung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchgeführt werden.
Das Werkstück 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine plane Platte bzw. ein Wafer. In anderen Ausführungs¬ formen der Erfindung kann das Werkstück 2 auch eine andere Geometrie aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform des Werkstückes 2 ist daher lediglich beispielhaft zu verstehen.
Das Werkstück 2 liegt auf einer Gegenelektrode 41, welche aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, beispiels¬ weise einem Metall oder einer Legierung. Zumindest die der Arbeitselektrode 44 zugewandte Seite der Gegenelektrode 41 ist mit einem Dielektrikum bzw. einem Isolator 42 versehen. Dies verhindert, dass zwischen der Arbeitselektrode 44 und der Gegenelektrode 41 ein heißer Lichtbogen gezündet wird, welcher einen hohen Energieeintrag in das Werkstück 2 bewirkt und dieses zerstören könnte. Sofern das Werkstück 2 einen Isolator enthält bzw. daraus besteht, beispielsweise Glas, Keramik oder Kunststoff, kann der Isolator 42 in einigen Ausführungsformen der Erfindung auch entfallen.
Die Gegenelektrode 41, der optionale Isolator 42 und das Werkstück 2 befinden sich auf einem Manipulator 5, mit welchem die relative Position zwischen der Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 und der Plasmaerzeugungseinrichtung 4 einerseits sowie dem Werkstück 2 andererseits verändert werden kann. Hierdurch kann die Lage der Teilfläche 25 variiert werden, sodass vorgebbare Strukturen in die Ober¬ fläche 21 des Werkstückes 2 eingeschrieben werden können. Der Manipulator 5 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zumindest ein Linearantrieb sein, sodass das Werk¬ stück 2 in einer Richtung verschiebbar ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können zwei Linearantriebe verwendet werden, um die Teilfläche 25 in zwei Dimensionen auf der Oberfläche 21 des Werkstückes 2 verschieben zu können. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können auch drei Linearantriebe oder ein Hexapod verwendet werden, sodass zusätzlich die Fokuslage und/oder der Auftreffwinkel des Laserstrahls 35 variiert werden können.
Dem Werkstück 2 gegenüberliegend ist eine Arbeitselektrode 44 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine konisch zulaufende Hohlform mit einer Öffnung, sodass der Laserstrahl 35 konfokal durch die
Arbeitselektrode 44 auf die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 gelenkt werden kann. Darüber hinaus kann die Hohlform dazu eingerichtet sein, ein Arbeitsgas 46 aufzunehmen, welches nachfolgend die Arbeitselektrode 44 durchströmt und dadurch im Entladungsspalt angeflutet wird und den wesentlichen Bestandteil des Plasmas 45 bildet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Isolierkörper 43 vorhanden, welcher die Arbeitselektrode 44 in etwa konzentrisch umgibt. In diesem Fall wird das
Arbeitsgas, beispielsweise ein Edelgas wie Argon, über die Gaszufuhr 46 eingeleitet, sodass das Arbeitsgas im Spalt zwischen der Arbeitselektrode 44 und dem Isolierkörper 43 strömt und von dort dem Entladungsspalt zugeführt wird, um das Plasma 45 zu bilden.
Zum Ausbilden des Plasmas 45 dient eine nicht dargestellte Hochspannungsquelle mit einem ersten Pol 471 und einem zweiten Pol 472. Je ein Pol ist mit der Arbeitselektrode 44 und der Gegenelektrode 41 verbunden. Beispielsweise kann der zweite Pol 472 auf einem Erdpotential liegen und der erste Pol 471 eine Hochspannung zur Arbeitselektrode 44 zuführen. Die Spannungsquelle kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Spannung zwischen etwa 4 kV und etwa 15 kV oder zwischen etwa 8 kV und etwa 14 kV oder zwischen etwa 9 kV und etwa 12 kV erzeugen. Die Hochspannung kann eine
Wechselspannung oder eine gepulste Spannung sein. Die Wiederholrate der gepulsten Spannung kann zwischen etwa 5 kHz und etwa 9 kHz liegen, wobei einzelne Hochspannungspulse eine Dauer zwischen etwa 20 ys und etwa 200 ys oder zwischen etwa 70 ys und etwa 90 ys aufweisen können. Da das elek¬ trische Feld im Entladungsspalt durch das Zünden eines
Entladungsfilamentes des Plasmas 45 zusammenbricht, können innerhalb eines Hochspannungspulses mehrere Entladungen zünden. Hierdurch kann die effektive Entladungsfrequenz des Plasmas 45 in etwa einem Faktor 3 bis Faktor 6 größer sein als die nominal angelegte Pulsfrequenz der Hochspannung.
Weiterhin zeigt Figur 1 eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3, welche beispielsweise einen Titan-Saphir-Laser enthält, welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs aufweist. Die Energie einzelner Pulse kann zwischen etwa 50 yJ bis etwa 250 yJ betragen.
Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 kann darüber hinaus fokussierende Elemente 31 enthalten, beispielsweise eine Linse, mit welcher der Strahldurchmesser der Laserstrahlung 35 verringert werden kann. Selbstverständlich kann statt einer einzelnen Linse 31 auch ein Linsensystem aus einer Mehrzahl von fokussierenden und defokussierenden Elementen verwendet werden. In gleicher Weise kann eine reflektierende Optik in Betracht gezogen werden, wenn dies vorteilhafter ist als die dargestellte Transmissionsoptik mit licht¬ brechenden Elementen.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, durchläuft die Laser¬ strahlung 35 das Plasma 45 und trifft gemeinsam in der Teil¬ fläche 25 der Oberfläche 21 des Werkstücks 2 auf. Die Laser¬ strahlung kann dabei gleichzeitig, zeitlich vor oder
zeitlich nach dem Plasma auf die Oberfläche 21 auftreffen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 3 und die Plasmaerzeugungsein- richtung 4 auch unsynchronisiert betrieben werden, sodass keine feste zeitliche Korrelation zwischen der Einwirkung des Plasmas 45 und der Laserstrahlung 35 besteht.
Nachfolgend soll die Anwendung der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt Figur 2 den Querschnitt bzw. die Ablationstiefe einer Linie, welche durch lineares Verschieben des Werkstückes 2 in der Vorrichtung 1 erzeugt wurde. Auf diese Weise kann in einem ersten Ausführungsbeispiel eine Linie in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 eingebracht werden.
Figur 2 zeigt in Kurve A die Verwendung eines an sich bekannten Kurzpulslasers und in Kurve B die erfindungsgemäße gleichzeitige Verwendung des Lasers mit einem Plasma, welches in einer gepulsten, dielektrisch behinderten
Entladung erzeugt wurde. Die Feldstärke im Entladungsspalt betrug dabei etwa 1,1 kV/mm bei einer Repetitionsrate von 7 kHz und einer Pulsdauer von 80 ys . Die Ordinate zeigt dabei die Ablationstiefe in Mikrometern, wohingegen auf der
Abszisse der Ort der Messung aufgetragen ist. Durch
Variation der Vorschubgeschwindigkeit wurden an der Orts¬ koordinate 300 ym etwa 400 Laserpulse auf eine Teilfläche 25 appliziert. Dies entspricht dem am weitesten links gelegenen Maximum der Ablationstiefe . Von links nach rechts nimmt die Anzahl der Laserpulse, welche auf einer einzelnen Teilfläche 25 appliziert wurde, von 200 auf 133, 100 und 80 ab. Wie Figur 2 zeigt, verläuft die Ablationstiefe in etwa linear mit der Anzahl der applizierten Laserpulse. Die
Ablationstiefe ändert sich durch die erfindungsgemäße
Kombination von Laserstrahlung und Plasmaeinwirkung nicht.
Figur 3 zeigt im linken Bildteil nochmals die Ablationstiefe gegen die in einer Teilfläche 25 deponierte Strahlungs¬ energie, welche gleichbedeutend mit der Anzahl der auf¬ treffenden Laserpulse ist. Auch hier ist ersichtlich, dass die Ablationstiefe mit Anzahl der Laserpulse in etwa linear zunimmt. Weiterhin ist ersichtlich, dass kein wesentlicher Unterschied der Ablationstiefe durch das Zuschalten des Plasmas eintritt.
Der rechte Bildteil der Figur 3 zeigt die Linienbreite an der Oberfläche gegen die Energie bzw. die Anzahl der
Laserpulse in einer einzelnen Teilfläche 25. Hier ist ersichtlich, dass durch Verwendung der erfindungsgemäßen Kombination aus Kurzpulslaserstrahlung und Plasma die
Linienbreite zunimmt. Aufgrund der in etwa identischen
Ablationstiefe ist somit die Menge des entfernten Materials durch die erfindungsgemäße Kombination aus Kurzpulslaserstrahlung und Plasma vergrößert.
Figur 4 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der in die Oberfläche 21 des Werkstückes 2 gravierten Linie. Dabei zeigt Figur 4A das Ergebnis nach der Einwirkung des Kurzpulslasers gemäß dem Stand der Technik sowie Figur 4B die Kombination von Laserstrahlung und Plasma gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie Figur 4B zeigt, ist die Oberflächenqualität beim erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich besser, ausgedrückt als geringere Rauheit. Obgleich somit die Ablationstiefe nicht wesentlich zunimmt, kann das erfindungsgemäße Verfahren beim Gravieren einzelner Linien in die Oberfläche 21 eines Werkstückes 2 eine erheblich verbesserte Oberflächenqualität bereitstellen.
Anhand der Figuren 5 und 6 wird ein zweites Ausführungs¬ beispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Wiederum wird ein Werkstück 2 aus einer Aluminiumlegierung bearbeitet, und zwar einmal mit einem bekannten Kurzpulslaser und zum anderen mit der erfindungsgemäßen Kombination aus
Kurzpulslaser und Plasma. Die Bearbeitung erfolgt jeweils dergestalt, dass die von der Laserstrahlung bestrahlte Teil¬ fläche durch relatives Verschieben des Werkstückes bei konstant gehaltener Laserstrahlerzeugungseinrichtung und Plasmaerzeugungseinrichtung variiert wird. Das relative Verschieben wird dabei so ausgeführt, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche um 50 % des Durchmessers der Teilfläche 25 überlappt. Der Durchmesser der Teilfläche 25 wird dabei als Strahldurchmesser der
Laserstrahlung 35 auf der Oberfläche 21 des Werkstückes 2 definiert .
Figur 5 zeigt wiederum die Ablationstiefe gegen den Ort, wobei im linken Bildteil der Figur 5 500 Laserpulse auf eine einzelne Teilfläche 25 eingestrahlt wurden, wohingegen im rechten Bildteil 1600 Laserpulse auf eine einzelne Teil¬ fläche 25 eingestrahlt wurden, ehe das Werkstück 2
weiterbewegt wurde, um die nächste Teilfläche 25 zu
bestrahlen .
Auch in Figur 5 zeigt Figur A die Ablationstiefe, welche mit einem Kurzpulslaser gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist. Kurve B zeigt die Ablationstiefe, welche sich bei der erfindungsgemäßen Kombination aus Laserstrahlung und Plasma ergibt, wobei das Plasma wie vorstehend beschrieben mittels einer dielektrisch behinderten Entladung erzeugt wird.
Wie Figur 5 zeigt, ist der Kurzpulslaser allein nicht in der Lage, einen nennenswerten Materialabtrag zu bewirken. Erst die erfindungsgemäße Kombination mit einem Plasma sorgt für einen Materialabtrag von etwa 20 ym bzw. etwa 250 ym in Abhängigkeit der durch die Laserstrahlung eingebrachten Energie .
Figur 6 zeigt wiederum rasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen der Oberfläche des Werkstückes 2, wobei Figur 6B ein Werkstück 2 zeigt, welches erfindungsgemäß mit Plasma und Laserstrahlung behandelt wurde, wohingegen Figur 6A ein Werkstück zeigt, welches ausschließlich mit Laserstrahlung behandelt wurde.
Wie Figur 6B zeigt, wird das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform zu einer Aufrauung der Oberfläche, welche beispielsweise bei der Herstellung solarer Absorber für Solarzellen oder Sonnenkollektoren vorteilhaft eingesetzt werden kann. Höhe und Durchmesser der einzelnen entstehenden Strukturen betragen dabei etwa 10 ym bis etwa 20 ym, sodass auch langwellige Infrarotstrahlung mit großer Effizienz absorbiert werden kann.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be¬ schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese
Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Bearbeitung einer Oberfläche (21) eines Werkstückes (2) mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung (4) und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) , welche dazu eingerichtet sind, zumindest eine Teil¬ fläche (25) der Oberfläche (21) des Werkstückes (2) mit Laserstrahlung (35) und Plasma (45) zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (35) abzugeben, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) dazu
eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (35) mit einer Repititionsrate von etwa 5 kHz bis etwa 35 kHz oder von etwa 8 kHz bis etwa 20 kHz oder von etwa 10 kHz bis etwa 15 kHz abzugeben und/oder
dass die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (35) mit einer Pulsenergie von etwa 50 yJ bis etwa 250 yJ oder von etwa 80 yJ bis etwa 150 yJ oder von etwa 90 yJ bis etwa 120 yJ abzugeben .
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, eine dielektrisch behinderte Entladung zu erzeugen und/oder
dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) dazu
eingerichtet ist, ein Atmosphärendruckplasma zu erzeugen und/oder
dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, eine Plasmaleistung von etwa 0,7 W bis etwa 2 W oder von etwa 1 W bis etwa 1,5 W zu erzeugen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) zumindest eine erste Elektrode (471) und zumindest eine zweite Elektrode (472) aufweist, wobei zumindest eine Elektrode (471) mit einer Bohrung versehen ist, durch welche die Laserstrahlung (35) der Laserstrahlerzeugungs¬ einrichtung (3) auf die Oberfläche (21) des Werkstückes (2) lenkbar ist.
5. Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche (21) eines
Werkstückes (2) mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung (4) und einer Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) , welche zumindest eine Teilfläche (25) der Oberfläche (21) des Werkstückes (2) mit Laserstrahlung (35) und Plasma (45) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) gepulste Laserstrahlung (35) abgibt, welche eine Pulslänge von weniger als etwa 100 fs oder weniger als etwa 80 fs oder weniger als etwa 50 fs oder weniger als etwa 40 fs aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugt und/oder
dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) ein
Atmosphärendruckplasma erzeugt und/oder
dass die Plasmaerzeugungseinrichtung (4) eine
Plasmaleistung von etwa 0,7 W bis etwa 2 W oder von etwa 1 W bis etwa 1,5 W erzeugt und/oder
dass der Plasmaerzeugungseinrichtung (4) Argon als
Arbeitsgas zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen etwa 200 und etwa 8000
Einzelpulse der Laserstrahlung (35) auf eine Teilfläche (25) der Oberfläche (21) des Werkstückes (2) auftreffen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) gepulste Laserstrahlung (35) mit einer Repititions- rate von etwa 5 kHz bis etwa 30 kHz oder von etwa 8 kHz bis etwa 20 kHz oder von etwa 10 kHz bis etwa 15 kHz abgibt und/oder
dass die Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) gepulste Laserstrahlung (35) mit einer Pulsenergie von etwa 50 yJ bis etwa 250 yJ oder von etwa 80 yJ bis etwa 150 yJ oder von etwa 90 yJ bis etwa 120 yJ abgibt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (s) bzw. dessen Oberfläche (21) ein Metall oder eine Legierung oder ein
Halbleitermaterial enthält oder daraus besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Laserstrahlung (35) bestrahlte Teilfläche (25) durch relatives Verschieben des Werkstückes (2) und der Laserstrahlerzeugungseinrichtung (3) variiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das relative Verschieben so ausgeführt wird, dass zunächst eine erste Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird und nachfolgend eine zweite Teilfläche mit einer vorgebbaren Anzahl von Pulsen bestrahlt wird, wobei die zweite Teilfläche mit der ersten Teilfläche teilweise überlappt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappung zwischen etwa 30% und etwa 70% des
Durchmessers der Teilfläche (25) beträgt.
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CN112869209A (zh) * 2019-11-29 2021-06-01 西北农林科技大学 一种采后苹果果柄激光切除装置

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