DE19919009B4

DE19919009B4 - Mask and its application in laser ablation

Info

Publication number: DE19919009B4
Application number: DE19919009A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl.-Phys. Braun; Klaus Dipl.-Ing. Dr. Zimmer; Frieder Prof. Dipl.-Phys. Dr. Bigl
Original assignee: INST OBERFLAECHENMODIFIZIERUNG; Institut fur Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: INST OBERFLAECHENMODIFIZIERUNG; Institut fur Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: DE19919009A1

Abstract

Maske für die Ablation mit Laserstrahlen, eingesetzt in der abbildenden, ablativ scannenden Oberflächenbearbeitung mit einem gepulsten Laser und/oder diskontinuierlich bewegtem Werkstück, auf der Kontur- oder Grauwertmasken vorliegen, wobei die Konturmaske einen ersten außenliegenden Flächenanteil mit 0% Transmission aufweist und zusammenhängende Flächenanteile mit 100% Transmission beinhaltet und die Grautonmaske aus mindestens aus einer Fläche besteht, deren Transmission zwischen 0% und 100% liegt, dadurch gekennzeichnet, dass
– definierte Kontur- und Grauwertmasken kombiniert auf einer abzubildenden Maske vorliegen,
– die Grauwertmaske einen zweiten Flächenanteil der Konturmaske mit 100% Transmission teilweise oder vollständig umschließt und
– die örtliche Ausdehnung der abgebildeten, zusammenhängenden Grauwertflächen innerhalb der Grauwertmaske in Scanrichtung größer oder gleich den örtlichen Laserpulsabständen auf dem Werkstück ist.Mask for ablation with laser beams, used in the imaging, ablative scanning surface treatment with a pulsed laser and / or discontinuously moving workpiece on which contour or gray value masks are present, wherein the contour mask has a first outer surface portion with 0% transmission and contiguous surface portions with Contains 100% transmission and the gray tone mask consists of at least one surface whose transmission is between 0% and 100%, characterized in that
- defined contour and gray scale masks combined exist on a mask to be imaged,
- The gray mask partially or completely encloses a second area portion of the contour mask with 100% transmission, and
- The local extent of the mapped, contiguous gray value areas within the gray value mask in the scanning direction is greater than or equal to the local laser pulse intervals on the workpiece.

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Maske zur Verwendung bei der gepulsten Laserablation in der scannenden Materialbearbeitung. Die Maske erlaubt glattere bearbeitete Oberflächenstrukturen bei beibehaltener oder erhöhter Bearbeitungsgeschwindigkeit.The The invention relates to an improved mask for use in the pulsed laser ablation in scanning material processing. The Mask allows smoother machined surface textures while preserving or increased Processing speed.

Es ist bekannt, daß eine Reihe kommerziell bedeutender Polymere (z. B. Polyimid) mit dem Ziel der Oberflächenformgebung mittels ultravioletten Lichts bearbeitet werden können. Als Lichtquellen kommen gepulste Lichtquellen mit üblichen Pulslängen kürzer als 1 μs (z. B. Excimer-Laser und frequenzvervielfachte Nd-YAG-Laser) und kontinuierlich emittierende Strahler (z. B. Excimer-Lampen und Quecksilberdampflampen) in Frage. Während bei gepulsten Lichtquellen üblicherweise eine Schwellenergiedichte aufgebracht und überschritten werden muß, um einen merklichen Materialabtrag (im weiteren Ablation genannt) zu erreichen [R. Srinivasan in J.C. Miller (Ed.), Laser Ablation, Springer Series in Mat. Science 28, 107-133 (1994)], ist dieser für kontinuierlich emittierende Strahler nicht bekannt [U. Kogelschatz, Appl. Surf. Sci. 54, 410-423 (1992)]. Diese Patentschrift bezieht sich auf das Arbeiten mit gepulsten UV-Strahlungsquellen. Die Schwellenergiedichte für übliche Polymere liegt im Bereich von 10 bis 300 mJ/cm² pro Laserimpuls. Mit Energiedichten größer als die der Schwellenergiedichte wird die Größe des Materialabtrags, mit anderen Worten die Ablationstiefe pro Laserimpuls, eingestellt. Deren Verlauf ist funktional bzw. durch die Eindringtiefe der Photonen im zu bearbeitenden Material bestimmt [R. Srinivasan, B. Braren, J. Polymer Sci., Vol.22, 2601-2609, (1984)]. In 1 ist beispielhaft die Ablationsrate Ra als Funktion der eingestrahlten Laserenergiedichte H dargestellt und die Schwellenenergiedichte H_th gekennzeichnet. Deutlich zu erkennen ist der Einsatz der Ablation an der Ablationsschwelle H_th. Bei konstant gehaltener Laserenergiedichte entscheidet die Anzahl der aufeinander folgenden Laserimpulse über die Abtragstiefe.It is known that a number of commercially important polymers (e.g., polyimide) can be processed with the goal of ultraviolet light surface shaping. Suitable light sources are pulsed light sources with customary pulse lengths shorter than 1 μs (eg, excimer lasers and frequency-multiplied Nd-YAG lasers) and continuously emitting radiators (eg, excimer lamps and mercury vapor lamps). While pulsed light sources usually a threshold energy density must be applied and exceeded in order to achieve a significant material removal (called ablation in the following) [R. Srinivasan in JC Miller (Ed.), Laser Ablation, Springer Series in Mat. Science 28, 107-133 (1994)], this is not known for continuously emitting emitters [U. Kogelschatz, Appl. Surf. Sci. 54, 410-423 (1992)]. This patent relates to working with pulsed UV radiation sources. The threshold energy density for common polymers is in the range of 10 to 300 mJ / cm ² per laser pulse. With energy densities greater than the threshold energy density, the size of the material removal, in other words the ablation depth per laser pulse, is set. Their course is functional or determined by the penetration depth of the photons in the material to be processed [R. Srinivasan, B. Braren, J. Polymer Sci., Vol.22, 2601-2609, (1984)]. In 1 For example, the ablation rate Ra is shown as a function of the irradiated laser energy density H and the threshold energy density H _{th is} identified. Clearly visible is the use of ablation at the ablation threshold H _th . When the laser energy density is kept constant, the number of successive laser pulses determines the removal depth.

Zur Lasermaterialbearbeitung bzw. zur Oberflächenformgebung bieten sich eine Reihe von Verfahren bzw. deren technische Umsetzung an. Die einfachste Anwendung ist das Lochbohren [B. Braren, R. Srinivasan, J. Vac. Sci. Technol. B3(3), 913-917, (1985)]. Hierbei wird bis zur Fertigstellung des Lochs weder Werkstück noch Laserstrahl örtlich verändert. Der Laser wird gestoppt, wenn die Austrittsöffnung des Laserstrahls einen vorher bestimmten Radius aufweist. In einer Variation dieser Technik werden Werkstück und Laser zueinander bewegt, im folgenden Scan genannt. Dies kann zum Trennen oder Ausschneiden von Werkstückteilen führen. Wird der Laser gestoppt, bevor die Laseraustrittsöffnung einen bestimmten Radius erreicht, oder ist eine Durchbohrung nicht erwünscht, spricht man vom Sacklochbohren. Wird wiederum Werkstück gegen Laserstrahl verfahren, können Gräben erzeugt werden. Oftmals ist zum Erreichen genügend hoher Laserenergiedichten eine Fokussierung des Laserstrahls nötig. Wird ein Teil des Laserstrahls durch eine Konturmaske ausgeblendet und gelangt nur der transmittierte Teil in die fokussierende Abbildungsoptik, wird die Konturmaske auf dem Werkstück abgebildet. Wird das Werkstück gegenüber dem teilausgeblendeten Laserstrahl bewegt und in konstantem Abstand über die Oberfläche des Werkstücks geführt, kann in Abhängigkeit von der Konturmaskengestalt das Profil des erzeugten Grabens beeinflußt werden. Dies wird erreicht, indem sich aufeinander folgende Impulse partiell überlappen. Die Form der Konturmaske und die Geschwindigkeit des gegenseitigen Verfahrens steuern dabei die Anzahl der Überlappungen. An Orten häufiger Überlappungen werden große Ablationstiefen erzielt, an Orten mit nur wenigen Überlappungen werden geringe Ablationstiefen erzielt.to Laser material processing or for surface shaping are available a series of procedures or their technical implementation. The The simplest application is hole drilling [B. Braren, R. Srinivasan, J. Vac. Sci. Technol. B3 (3), 913-917, (1985)]. This will be up to finish the hole neither workpiece nor laser beam changed locally. Of the Laser is stopped when the exit opening of the laser beam previously determined radius. In a variation of this technique become a workpiece and laser moves to each other, called in the following scan. This can lead to the cutting or cutting of workpiece parts. If the laser is stopped, before the laser exit opening reaches a certain radius, or is not a puncture he wishes, one speaks of the blind hole drilling. Will again workpiece against Laser beam process, can trenches be generated. Often, to achieve sufficiently high laser energy densities a focusing of the laser beam necessary. Becomes a part of the laser beam hidden by a contour mask and only reaches the transmitted Part of the focusing imaging optics, the contour mask on the workpiece displayed. Will the workpiece across from the partially blanked laser beam moves and at a constant distance over the surface of the workpiece guided, can depend on be influenced by the contour mask shape the profile of the generated trench. This is achieved by partially overlapping successive pulses. The shape of the contour mask and the speed of mutual The method controls the number of overlaps. In places of frequent overlaps be great Ablation depths are achieved in places with only a few overlaps achieved low ablation depths.

Der Aufbau und Einsatz von Konturmasken ist vielfach beschrieben worden [Patente: US5160823 , US5296673 ]. Sie bestehen aus zusammenhängenden Gebieten hoher Transparenz, im folgenden Flächen mit 100% Transparenz genannt, und aus zusammenhängenden Gebieten mit äußerst schwacher oder keiner Transparenz, im folgenden Flächen mit 0% Transparenz genannt. 2 zeigt eine derartige Konturmaske. Während die Fläche 21 0% Transmission aufweist, transmittiert nur die geöffnete Fläche 22 zu 100%. Entlang der Linie 23 bildet sich ein Intensitätsprofil 24 aus, welches nach dem Abtrag durch einen einzelnen Laserimpuls das Oberflächenprofil 25 zur Folge hat. Diese kann beispielsweise technisch dergestalt realisiert werden, indem ein Material geringer oder ohne Transparenz an den Flächen hoher Transparenz geöffnet wird. Die mechanische Stabilität des Materials mit geringer oder ohne Transparenz entscheidet, ob ein Trägermaterial benötigt wird. Das Trägermaterial, z. B. Quarz, weist dann eine hohe Transparenz für die verwendeten Wellenlängen auf.The structure and use of contour masks has been described many times [patents: US5160823 . US5296673 ]. They consist of coherent areas of high transparency, hereinafter referred to as areas of 100% transparency, and of interconnected areas of very low or no transparency, hereinafter referred to as areas of 0% transparency. 2 shows such a contour mask. While the area 21 0% transmission, transmits only the opened area 22 to 100%. Along the line 23 An intensity profile is formed 24 which, after removal by a single laser pulse, the surface profile 25 entails. This can for example be technically realized by a material is opened less or without transparency on the surfaces of high transparency. The mechanical stability of the material with little or no transparency decides whether a carrier material is needed. The carrier material, for. As quartz, then has a high transparency for the wavelengths used.

Die Flächen hoher Transparenz tragen über die gesamte Fläche vollständig zur Ablation bei. Die Flächen mit schwacher oder keiner Transparenz tragen nicht zur Ablation bei.The surfaces high transparency carry over the whole area Completely for ablation. The surfaces with weak or no transparency do not contribute to ablation at.

Grauwertmasken eigenen sich besonders zur lokalen Einstellung der Laserintensität, die auf dem Werkstück die Ablation und damit die Bearbeitungstiefe steuert. Deren Aufbau und Einsatz ist ebenfalls anderswo beschrieben [Patente: US5126006 , US5334467 , US5538817 , US5539175 , US5573875 ]. Der Vorteil von Grauwertmasken besteht darin, daß auf einer Maske verschiedene Bereiche mit verschiedenen Transmissionsgraden angeordnet werden können, die auf dem Werkstück verschiedene Bearbeitungstiefen hervorrufen. Während in US5126006 und US5334467 die Einstellung der Grauwerte über die Durchstrahlung einer verschiedenen Anzahl von Schichten eines moderaten Absorbers erfolgt, realisiert US5538817 die Einstellung von Grauwerten auf der Maske durch im Durchmesser kleine Vertiefungen, die bei fester Wellenlänge lokal eine n-Phasenverschiebung hervorrufen. US5539175 beschreibt die Erzeugung von konkaven und konvexen Wandprofilen, ohne auf die technisch-optische Realisierung des Intensitätsprofils durch die Maske einzugehen. In US5573875 sind auf der Maske Streuzentren dergestalt angeordnet, daß der Anteil der gestreuten Intensität nicht zur Ablation beiträgt. Alle genannten zum Stand der Technik gehörenden Anwendungen beschreiben den stationären, nicht-scannenden Einsatz von Grauwertmasken.Gray value masks are particularly suitable for locally setting the laser intensity, which controls the ablation on the workpiece and thus the machining depth. Their construction and use is also described elsewhere [patents: US5126006 . US5334467 . US5538817 . US5539175 . US5573875 ]. The advantage of gray value masks is that on a mask different Berei can be arranged with different degrees of transmission, which cause different working depths on the workpiece. While in US5126006 and US5334467 the adjustment of the gray values on the irradiation of a different number of layers of a moderate absorber, realized US5538817 the adjustment of gray values on the mask by means of small-diameter depressions, which locally cause an n-phase shift at a fixed wavelength. US5539175 describes the generation of concave and convex wall profiles, without going into the technical-optical realization of the intensity profile through the mask. In US5573875 are arranged on the mask scattering centers such that the proportion of the scattered intensity does not contribute to the ablation. All mentioned prior art applications describe the stationary, non-scanning use of gray value masks.

Das Verfahren zur Profilerzeugung mittels einer über das Werkstück gescannten Konturmaske bringt sowohl hinsichtlich der Qualität des erzeugten Profils als auch fertigungsökonomische Probleme mit sich.The Method for profiling by means of a scanned over the workpiece Contour mask brings both in terms of quality of the generated profile as well as manufacturing economics Problems with yourself.

Da die Anzahl der sich örtlich verschiedentlich überlappenden Konturmaskenabbilder die Tiefe der örtlich erzielten Ablation bestimmt, sind nur diskrete Bearbeitungstiefen einstellbar. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Überlagerung sich überlappender Konturmaskenabbilder 31–35 entlang der Scanrichtung 36. Die Form der Konturmaskenabbilder ergibt sich aus der Konturmaskengestalt. In 3 weisen Flächen intensiverer Tönung auf eine 2fache bzw. 3fache Bestrahlung und entsprechende Abtragstiefen hin. Nach dem Laserabtrag mit einfacher Konturmaske entsprechend dem Stand der Technik ergibt sich entlang der Linie 37 ein kantiges Oberflächenprofil 38. Soll diese Diskretisierung möglichst fein sein, muß mittels der Laserintensität pro Laserimpuls eine geringe Abtragstiefe eingestellt werden. Dies verfeinert die zu erstellende Struktur, erhöht jedoch bei gleicher Laserimpulswiederholfrequenz die Bearbeitungszeit, da zum Erreichen gesetzter Zieltiefen eine höhere Anzahl an Laserimpulsen nötig wird. Hierzu sei auf 4 verwiesen, in welcher ebenfalls schematisch die Überlagerung von überlappenden Konturmaskenabbildern 41–49 entlang der Scanrichtung 410 dargestellt ist, jedoch von einer geringeren Abtragsrate ausgegangen wird, die eine höhere Anzahl von Laserpulsen zum Erreichen der Zieltiefe notwendig macht. Die Form der Konturmaskenabbilder ergibt sich aus der Konturmaskengestalt. Flächen intensiverer Tönung in 4 weisen entsprechend auf 2fache, 3fache, 4fache, ... usw. Abtragstiefen hin. Nach dem Laserabtrag mit einfacher Konturmaske ergibt sich entlang der Linie 411 ein kantiges Oberflächenprofil 412. Entgegen dem Konzept der Verringerung der Abtragsrate durch die Verringerung der Laserenergiedichte steht jedoch der experimentelle Fakt, daß für einige Anwendungen hohe Laserenergiedichten erforderlich sind, da nur mit hohen Laserenergiedichten steile Wandneigung in der ablatierten Grube bzw. im ablatierten Graben erreichbar sind [H.-J. Kahlert, U. Sarbach, B. Burghardt, B. Klimt, SPIE Vol. 1835 Excimer Lasers, 110-118, (1992)].Since the number of spatially different overlapping contour mask images determines the depth of the locally achieved ablation, only discrete processing depths are adjustable. 3 shows a schematic representation of the superimposition of overlapping contour mask images 31 - 35 along the scanning direction 36 , The shape of the contour mask images results from the contour mask shape. In 3 areas of intense tinting indicate a 2-fold or 3-fold irradiation and corresponding removal depths. After laser removal with a simple contour mask according to the prior art results along the line 37 an edgy surface profile 38 , If this discretization is to be as fine as possible, a small removal depth must be set by means of the laser intensity per laser pulse. This refines the structure to be created, but increases the processing time with the same laser pulse repetition frequency, since a higher number of laser pulses is required to reach set target depths. Be on this 4 referenced, in which also schematically the superposition of overlapping contour mask images 41 - 49 along the scanning direction 410 is shown, but is assumed by a lower Abtragsrate that makes a higher number of laser pulses necessary to reach the target depth. The shape of the contour mask images results from the contour mask shape. Areas of intense tint in 4 indicate accordingly 2, 3, 4, ..., etc. removal depths. After laser removal with a simple contour mask results along the line 411 an edgy surface profile 412 , Contrary to the concept of reducing the removal rate by reducing the laser energy density, however, there is the experimental fact that high laser energy densities are required for some applications, since only with high laser energy densities steep wall inclination can be achieved in the ablated pit or in the ablated trench [H.-J , Kahlert, U. Sarbach, B. Burghardt, B. Klimt, SPIE Vol. 1835 Excimer Lasers, 110-118, (1992)].

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem gepulsten Betrieb der verfügbaren UV-Laser. In einem gescannten Graben folgen die einzelnen Laserimpulse aufgereiht aufeinander. Ihr räumlicher Abstand ist über die Scangeschwindigkeit und die Pulsfolgefrequenz steuerbar und beeinflußt direkt die gescannte Oberflächenqualität. Bei räumlich dichter Laserimpulsfolge sind in der Regel glattere Oberflächen erreichbar als mit weit auseinander liegenden Konturmaskenabbildern. Bei genügend kleinen örtlichen Laserimpulsabständen kann die eigentlich digitale Charakteristik des gepulsten Scans und der damit verbundene diskrete Materialabtrag durch das Verlaufen örtlich benachbarter Konturmaskenabbilder unterdrückt werden [K. Zimmer, D. Hirsch, F. Bigl, Appl. Surf. Sci. 96-98, 425 (1996)]. Bei größeren örtlichen Pulsabständen sind häufig einzelne aufgereihte Maskenabbilder, einzeln abgebildete Maskenränder bzw. deren Überlagerungen erkennbar. Hierin besteht der Hauptnachteil des gegenwärtigen Stands der Technik, da hierdurch die Oberflächenstruktur des gefertigten Produkts in ungewünschter Weise beeinträchtigt wird. Hohe örtliche Laserimpulsdichten erfordern eine langsame Relativbewegung Laserstrahl zu Werkstück, was sich in erhöhten Bearbeitungszeiten pro Werkstück niederschlägt. Durch die heutige laserbautechnische Begrenzung der Laserpulsfolgefrequenz kann eine erhöhte Pulsfolgefrequenz diesen Nachteil allein nicht kompensieren und zu höheren Durchsätzen führen.One Another disadvantage arises from the pulsed operation of the available UV laser. In a scanned trench follow the individual laser pulses lined up each other. Your spatial Distance is over the scan speed and the pulse repetition frequency can be controlled and affected directly the scanned surface quality. In spatially denser Laser pulse trains are usually achievable smoother surfaces as with far apart contour mask images. With enough small local Laser pulse intervals may be the actual digital characteristic of the pulsed scan and the associated discrete material removal by the passing of locally adjacent Contour mask images are suppressed [K. Zimmer, D. Hirsch, F. Bigl, Appl. Surf. Sci. 96-98, 425 (1996)]. For larger local pulse intervals are often individual strung mask images, individually masked edges or their overlays recognizable. This is the main drawback of the current state the technique, since thereby the surface structure of the manufactured Product in unwanted Way impaired becomes. High local Laser pulse densities require a slow relative motion laser beam to workpiece, which increased in Processing times per workpiece reflected. Due to today's laser-technical limitation of the laser pulse repetition frequency can be an increased Pulse rate not compensate for this disadvantage alone and to higher throughputs to lead.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maske sowie ein Verfahren zu schaffen, mit deren Hilfe eine verbesserte Oberflächenqualität ablativ geätzter Strukturen erreichbar wird.task The invention is to provide a mask and a method, with their help an improved surface quality of ablative etched structures becomes attainable.

Diese Maske und das damit durchzuführende Verfahren sollen es ermöglichen, unter Beibehaltung der übrigen Anlagentechnik qualitativ höherwertige Oberflächenstrukturen zu ätzen. Darüber hinaus soll bei gleicher bzw. erhöhter Produktqualität ein schnellerer Werkstückdurchsatz realisierbar sein.These Mask and the one to be done with it Procedures should make it possible while keeping the rest Plant engineering of higher quality surface structures to etch. About that In addition, with the same or increased product quality, a faster Workpiece throughput be feasible.

Die oben beschriebenen qualitativen Mängel ablativ gescannter Oberflächenstrukturen rühren von einzelnen Konturmaskenabbildern, einzelnen Maskenrändern bzw. deren Überlagerungen her. Gründe hierfür liegen in der Maskengestalt und im ablativen Ätzprozeß. Hinter der vom Laserstrahl ausgeleuchteten Maske fällt am Konturmaskenrand die Laserintensität von 100% auf 0% bzw. steigt von 0% auf 100%. Unter Vernachlässigung von Beugungserscheinungen wird dieser Intensitätssprung auf das Werkstück abgebildet und spiegelt sich in einer ebenfalls örtlich sprunghaft veränderlichen Bearbeitungstiefe wieder. Die sprunghaft veränderliche Intensität kann an der Maske durch einen graduierten Übergang zwischen Bereichen von 0- und 100%iger Transmission unterdrückt werden. Nötig dafür sind Konturmasken mit Maskenrändern, welche einen graduierten Übergang (auch Grauwerte genannt) zwischen Flächen mit 100% Transmission und Flächen mit 0% Transmission realisieren und auf das Werkstück abbilden. Technisch umsetzbar ist dies in einer Kombination aus Kontur- und Grauwertmaske (im weiteren auch vereinfacht Kombimaske genannt) auf einer einzelnen Maske (5).The above-described qualitative deficiencies of ablatively scanned surface structures stem from individual contour mask images, individual mask edges or their superimpositions. Reasons for this lie in the mask shape and in the ablative etching process. Behind the illuminated by the laser beam At the edge of the contour mask the laser intensity drops from 100% to 0% or increases from 0% to 100%. Neglecting diffraction phenomena, this jump in intensity is imaged on the workpiece and is reflected in an equally spatially variable machining depth. The erratic variable intensity can be suppressed at the mask by a graded transition between ranges of 0 and 100% transmission. Necessary for this are contour masks with mask edges, which realize a graduated transition (also called gray values) between surfaces with 100% transmission and surfaces with 0% transmission and map them onto the workpiece. Technically feasible this is in a combination of contour and gray value mask (in the following also simplified called combination mask) on a single mask ( 5 ).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, aus denen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen, näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below by means of embodiments, from which Further advantages and features emerge, explained in more detail. Show it:

1 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der Ablationsrate, wobei H die eingesetzte Laserenergiedichte und Ra die erzielte Ablations- bzw. Abtragstiefe bezeichnen. 1 a schematic representation of the dependence of the ablation rate, where H denote the laser energy density used and Ra denote the ablation or Abtragstiefe achieved.

2 eine beispielhafte Darstellung einer dreieckigen Konturmaske, die entlang der Linie 23 ein Intensitätsprofil 24 aufweist, das bei Anwendung eines Laserimpulses ein Oberflächenprofil 25 zur Folge hat. 2 an exemplary illustration of a triangular contour mask along the line 23 an intensity profile 24 has, when using a laser pulse, a surface profile 25 entails.

3 eine schematische Darstellung sich überlappender Konturmaskenabbilder 31–35 entlang der Scanrichtung 36. 3 a schematic representation of overlapping contour mask images 31 - 35 along the scanning direction 36 ,

4 eine weitere schematische Darstellung sich überlappender Einzelimpulse 41–49 entlang der Scanrichtung 410 bei geringerer Laserpulsenergiedichte. 4 a further schematic representation of overlapping individual pulses 41 - 49 along the scanning direction 410 at lower laser pulse energy density.

5 eine beispielhafte Darstellung einer dreieckigen Konturmaske partiell kombiniert mit Elementen einer Grauwertmaske. 5 an exemplary representation of a triangular contour mask partially combined with elements of a gray value mask.

6 eine beispielhafte Darstellung einer viereckigen Konturmaske partiell kombiniert mit Elementen einer Grauwertmaske. 6 an exemplary representation of a square contour mask partially combined with elements of a gray value mask.

7 eine beispielhafte Darstellung einer kombinierten Kontur-/Grauwermaske, ausgeführt als Chrommaske 71. 7 an exemplary representation of a combined contour / gray scale mask, designed as a chrome mask 71 ,

8 eine beispielhafte Darstellung einer kombinierten Kontur-/Grauwermaske, ausgeführt als Maske 81 aus photosensitivem Material. 8th an exemplary representation of a combined contour / gray scale mask, executed as a mask 81 made of photosensitive material.

9 eine beispielhafte Darstellung einer kombinierten Kontur-/Grauwertmaske, ausgeführt als dickenabhängige Maske 91. 9 an exemplary representation of a combined contour / gray value mask, designed as a thickness-dependent mask 91 ,

10 eine beispielhafte Darstellung einer runden Konturmaske, kombiniert mit geschlossenen Elementen einer Grauwertmaske. 10 an exemplary representation of a round contour mask, combined with closed elements of a gray value mask.

Die in 5 gezeigte dreieckige Konturmaske ist partiell, d. h. hier nicht an allen Begrenzungen, mit Elementen einer Grauwertmaske kombiniert. Während die Fläche 51 0% Transmission aufweist, transmittiert nur die vollständig geöffnete Fläche 52 zu 100%. Die Bereiche 53 realisieren als Grauwertelemente den graduierten Übergang zwischen den Bereichen von 0% und 100% Transmission. Entlang der Linie 54 bildet sich abhängig vom Grauwertverlauf ein Intensitätsprofil 55, das hier linear ausgebildet ist, aus, was nach dem Materialabtrag durch einen einzelnen Laserimpuls im Oberflächenprofil 56, das u. a. ebenfalls vom Grauwertverlauf abhängig ist, resultiert. Zur Ausnutzung der Vorteile der Erfindung muß der Scan in Richtung der Linie 54 erfolgen. Durch die 100% Transmission in den Punkten 57 und 58 werden die Ränder des Scans mit maximaler Intensität ablatiert und es bildet sich im Scan ein V-förmiges Oberflächenprofil 59 aus. In dieser Kombination ist die ursprüngliche Konturmaske von einer entsprechend angepaßten partiellen Grauwertmaske umgeben.In the 5 shown triangular contour mask is partial, ie not here at all boundaries, combined with elements of a gray value mask. While the area 51 0% transmission, transmits only the fully open area 52 to 100%. The areas 53 realize as greyscale elements the graduated transition between the ranges of 0% and 100% transmission. Along the line 54 Depending on the gray value curve, an intensity profile is formed 55 , which is formed here linear, from what after the material removal by a single laser pulse in the surface profile 56 , which, among other things, also depends on the gray value curve, results. To take advantage of the advantages of the invention, the scan must be in the direction of the line 54 respectively. Through the 100% transmission in the points 57 and 58 The edges of the scan are ablated with maximum intensity and a V-shaped surface profile is formed in the scan 59 out. In this combination, the original contour mask is surrounded by a correspondingly adapted partial gray value mask.

Bei der Gestaltung und beim Einsatz der Kombimaske ist die Scanrichtung des Werkstücks relativ zur Ausrichtung der Maske zu beachten. Sollen steile Wandwinkel in der gescannten Struktur entlang der Scanrichtung erzielt werden, dürfen die entsprechenden Maskenpositionen nicht mit einem Grauwertmaskenabschluß versehen werden, wie in 5 an den mit 57 und 58 gekennzeichnete Maskenrändern zu sehen ist.When designing and using the combination mask, the scanning direction of the workpiece relative to the orientation of the mask must be taken into account. If steep wall angles are to be achieved in the scanned structure along the scan direction, the corresponding mask positions may not be provided with a gray scale mask termination, as in 5 to the with 57 and 58 marked mask edges can be seen.

Der Gegenstand der Erfindung, wie er beispielhaft in 5 dargestellt ist, ermöglicht, verglichen mit einfachen Konturmasken, ein konkav gewölbtes Abtragsprofil in Richtung des zuvor gesetzten bzw. in Richtung des nächsten zu setzenden Maskenabbildes. Das Abtragsprofil eines einzelnen Maskenabbildes kann somit in Scanrichtung verrundet werden. Die seitlichen Ränder des Scans können von dieser Wölbung ausgespart werden. Die konkave Wölbung einzelner Maskenabbilder bzw. einzelner Bearbeitungsflächen in Scanrichtung führt zu insgesamt verrundeten Strukturen der bearbeiteten Oberfläche im allgemeinen, wie in 3 bzw. in 4 unter den Bezugnummern 39 und 413 dargestellt ist. Nach dem Laserabtrag mit kombinierter Kontur-/Grauwertmaske ergibt sich ein konkav gewölbtes Oberflächenprofil 39. Im Vergleich zu 3 ergibt sich zudem nach 4 durch eine örtlich erhöhte Impulsanzahl mit geringerer Ablationstiefe ein glatteres Oberflächenprofil.The subject of the invention, as exemplified in 5 is shown, allows compared to simple contour masks, a concave arched Abtragsprofil in the direction of previously set or in the direction of the next to be set mask image. The removal profile of a single mask image can thus be rounded in the scan direction. The side edges of the scan can be recessed from this camber. The concave curvature of individual mask images or individual processing surfaces in the scan direction leads to overall rounded structures of the processed surface in general, as in 3 or in 4 under the reference numbers 39 and 413 is shown. After laser ablation with combined contour / gray mask, a concave curved surface profile results 39 , Compared to 3 results also after 4 a smoother surface profile due to a locally increased number of pulses with less ablation depth.

Somit kann die eigentlich digitale Charakteristik des gepulsten Scans unterdrückt werden, da benachbarte, ablatierte Maskenabbilder nicht mehr durch scharf lokalisierte hohe räumliche Gradienten im Material verbunden sind. Sie sind nunmehr verbunden durch räumlich ausgedehntere niedrigere Gradienten. Da benachbarte Maskenabbilder ineinander verlaufen, verringert sich die Ausbildung ungewünschter Oberflächenstrukturen. Die lasergeätzten Oberflächen werden glatter und somit qualitativ höherwertig.Consequently may be the actual digital characteristic of the pulsed scan repressed become, because adjacent, Ablatierte mask images through no more sharply located high spatial Gradients are connected in the material. You are now connected by spatially more extensive lower gradients. As neighboring mask images run into each other, the formation of unwanted decreases Surface structures. The laser etched surfaces become smoother and therefore of higher quality.

Die beschriebene Unterdrückung der eigentlich digitalen Charakteristik der gepulst gescannten Materialbearbeitung kann ohne die Anwendung von Kombimasken nur durch sehr dicht gesetzte Einzelimpulse erreicht werden. Dies geht zu Kosten der Produktivität. Da mit den beschriebenen Kombimasken ohne dichter gesetzte Einzelimpulse erfindungsgemäß glattere Oberflächen in der geätzten Struktur erreicht werden, kann bei gleichbleibender Produktqualität der örtliche Abstand einzelner Maskenabbilder größer gewählt werden. Bei konstant gehaltener zeitlicher Pulsfolgefrequenz ermöglicht dies erhöhte Geschwindigkeiten des Werkstücks während der Bearbeitung und letztlich einen höheren Durchsatz. Dieser wird auch durch ein erhöhtes Abtragsvolumen gefördert, welches sich einstellt, da Kontur- und Kombimaske gleichzeitig zum Abtrag beitragen.The described suppression the actually digital characteristic of pulsed scanned material processing can without the use of combination masks only by very dense Single pulses can be achieved. This is at the expense of productivity. In order to the combination masks described without densely set individual pulses Smoother according to the invention surfaces in the etched Structure can be achieved, while maintaining the same product quality of the local Distance of individual mask images can be selected larger. With a constant temporal Pulse rate allows this increased speeds of the workpiece while processing and ultimately higher throughput. This one will also by a heightened Abtragsvolumen promoted, which adjusts, because contour and combination mask simultaneously to Contribute to erosion.

Die in 5 beispielhaft dargestellten Grauwertelemente weisen eine lineare Graduierung und somit einen linearen Intensitätsverlauf hinter der Maske auf. Der lineare Intensitätsverlauf resultiert nach dem Laserabtrag in einem Oberflächenprofil, das exakt dem funktionalen Verlauf aus 1 entspricht. Durch eine angepaßte Graduierung kann über den damit veränderten Intensitätsverlauf der Laserabtrag dahingehend gesteuert werden, daß in Grenzen beliebige Umrandungsprofile erzeugt werden können. Damit kann gezielt das Profil im Übergangsbereich zwischen zwei benachbarten Maskenabbildern (das Übergangsprofil) gesteuert werden.In the 5 Grayscale elements shown by way of example have a linear graduation and thus a linear intensity profile behind the mask. The linear intensity profile results after the laser ablation in a surface profile that exactly corresponds to the functional course 1 equivalent. By means of an adapted graduation, the laser ablation can be controlled in such a way that any boundary profiles can be generated within limits by means of the intensity curve thus changed. Thus, the profile in the transition region between two adjacent mask images (the transition profile) can be controlled.

6 zeigt eine viereckige Konturmaske kombiniert mit Grauwertelementen, welche die ursprüngliche Konturmaske nicht vollständig umschließen. Während die Fläche 61 0% Transmission aufweist, transmittiert nur die vollständig geöffnete Fläche 62 zu 100%. Die Bereiche 63 realisieren als Grauwertelemente den graduierten Übergang zwischen den Bereichen von 0% und 100% Transmission. Zur Ausnutzung der Vorteile der Erfindung muß der Scan in Richtung der Linie 64 erfolgen. Durch die 100% Transmission an den Linien 67 und 68 werden die Ränder des Scans mit maximaler Intensität ablatiert und es bildet sich im Scan ein U-förmiges Oberflächenprofil 69 aus. Somit sind steile Wandwinkel innerhalb eines Scans realisierbar. 6 shows a square contour mask combined with gray scale elements that do not completely enclose the original contour mask. While the area 61 0% transmission, transmits only the fully open area 62 to 100%. The areas 63 realize as greyscale elements the graduated transition between the ranges of 0% and 100% transmission. To take advantage of the advantages of the invention, the scan must be in the direction of the line 64 respectively. Due to the 100% transmission on the lines 67 and 68 The edges of the scan are ablated with maximum intensity and forms a U-shaped surface profile in the scan 69 out. Thus, steep wall angles can be realized within a scan.

Wird die Konturmaske vollständig mit graduierten Grauwertelementen umschlossen, kann durch eine angepaßte Graduierung der Wandwinkel oder auch das Wandprofil eingestellt werden.Becomes the contour mask completely enclosed with graduated gray scale elements, can be adjusted by a graduation the wall angle or the wall profile can be adjusted.

Die in 5 und 6 beispielhaft dargestellten Kombimasken werden nur im Sinne dieser Erfindung wirksam, wenn der Scan in Richtung der projizierten Linie 54 in 5 bzw. Linie 64 in 6 erfolgt. Muß die Scanrichtung aus fertigungstechnischen Gründen während der Bearbeitung geändert werden, muß die Maske entsprechend mitgedreht werden.In the 5 and 6 Combination masks illustrated by way of example only become effective in the sense of this invention when the scan is in the direction of the projected line 54 in 5 or line 64 in 6 he follows. If the scanning direction has to be changed during production for manufacturing reasons, the mask must be rotated accordingly.

Die kombinierte Kontur/Grauwertmaske kann beispielsweise als Chrommaske mit entsprechenden Reflexions- und Streuzentren auf einem Quarzträger ausgeführt sein, wie in 7 schematisch dargestellt ist. Die Beleuchtung der Chrommaske 71 entsprechend 7 erfolgt mit einem homogenen Strahlprofil 72. Die örtlich veränderliche Chromflächendichte realisiert einen graduierten Übergang 73 zwischen Flächen mit 0% Transparenz 74 und Flächen mit 100% Transparenz 75 und resultiert in einem, hier linear dargestellten Intensitätsverlauf 76, der sich auf dem Werkstück in lokal unterschiedlichen Ablationstiefen niederschlägt. Chrombedeckte Flächen dienen dabei als Flächen mit 0% Transmission. Flächen, an denen das Chrom ätztechnisch entfernt wurde, dienen als Flächen mit 100% Transmission. Betrachtet man Teilflächen, können Quarz und Chrom nebeneinander abwechselnd vorliegen. Das Verhältnis Quarz zu Chrom bzw. die Flächendichte des Chroms bestimmen die Transparenz dieser Teilfläche. Durch die örtliche Wahl der Chromflächendichte läßt sich die Transparenz lokal einstellen. Auf diesem Wege sind gezielte Grauwertverläufe einstellbar.The combined contour / gray value mask can be embodied, for example, as a chromium mask with corresponding reflection and scattering centers on a quartz substrate, as in FIG 7 is shown schematically. The lighting of the chrome mask 71 corresponding 7 takes place with a homogeneous beam profile 72 , The locally variable chrome area density realizes a graduated transition 73 between areas with 0% transparency 74 and areas with 100% transparency 75 and results in a, here linearly displayed intensity profile 76 which is deposited on the workpiece in locally different ablation depths. Chromium-covered surfaces serve as surfaces with 0% transmission. Areas where the chromium was etched away are surfaces with 100% transmission. Looking at partial surfaces, quartz and chromium can be present alternately next to each other. The ratio of quartz to chromium or the areal density of the chromium determine the transparency of this partial area. Due to the local choice of the chrome surface density, the transparency can be adjusted locally. In this way, targeted gray scale gradients are adjustable.

Die kombinierte Kontur/Grauwertmaske kann auch als Maske aus photosensitivem Material ausgeführt sein, wie in 8 dargestellt ist. Die Beleuchtung dieser Maske 81 erfolgt mit einem homogenen Strahlprofil 82. Die örtlich veränderliche Absorption realisiert einen graduierten Übergang 83 zwischen Flächen mit 0% Transparenz 84 und Flächen mit 100% Transparenz 85 und resultiert in einem, hier linear dargestellten Intensitätsverlauf 86, der sich auf dem Werkstück in lokal veränderlichen Ablationstiefen niederschlägt. Dieses Material bildet bei Beleuchtung mit geeigneter Wellenlänge oder Partikeln ein unsichtbares, latentes Bild aus und ändert somit seine lokalen Absorptionseigenschaften für eine nachfolgende UV-Durchstrahlung. Vorteil dieser Masken ist, daß Übergänge zwischen Flächen hoher und niedriger Transparenz mit nahezu beliebigen Gradienten herstellbar sind. Die im Vergleich zu Chrommasken an Chrom/Quarzübergängen auftretenden Beugungserscheinungen entfallen.The combined contour / gray value mask can also be designed as a mask of photosensitive material, as in 8th is shown. The lighting of this mask 81 takes place with a homogeneous beam profile 82 , The locally variable absorption realizes a graded transition 83 between areas with 0% transparency 84 and areas with 100% transparency 85 and results in a, here linearly displayed intensity profile 86 which deposits on the workpiece in locally variable ablation depths. When illuminated with appropriate wavelength or particles, this material forms an invisible, latent image and thus alters its local absorption properties for subsequent UV transmission. Advantage of these masks is that transitions between surfaces high and low transparency with almost any gradient can be produced. The diffraction phenomena occurring in comparison to chromium masks on chromium / quartz transitions are eliminated.

Alternativ kann die kombinierte Kontur/Grauwertmaske auch als Quarzmaske ausgeführt werden, die mit einer dünnen, moderat UV-absorbierenden Schicht bedeckt ist. Zur Einstellung örtlich variabler Transmissionseigenschaften wird diese UV-absorbierende Schicht lokal definiert abgedünnt. Entsprechend 9 erfolgt die Beleuchtung einer solchen dickenabhängigen Maske 91 mit einem homogenen Strahlprofil 92. Die örtlich veränderliche Dicke eines moderaten Absorbers realisiert einen graduierten Übergang 93 zwischen Flächen mit 0% Transparenz 94 und Flächen mit 100% Transparenz 95 und resultiert in einem (hier linear dargestellten) Intensitätsverlauf 96, der sich auf dem Werkstück in lokal veränderlichen Ablationstiefen niederschlägt. Im nicht abgedünnten Zustand liegt 0% Transmission vor. Bei der Abdünnung auftretende räumliche Gradienten müssen niedrig gehalten werden, damit die auftretende Lichtbrechung so gering bleibt, daß das Gesamtergebnis unbeeinflußt bleibt. Andernfalls sind Korrekturen im Maskendesign notwendig.Alternatively, the combined contour / gray mask can also be implemented as a quartz mask covered with a thin, moderately UV-absorbing layer. For setting locally variable transmission properties, this UV-absorbing layer is thinned locally defined. Corresponding 9 the illumination of such a thickness-dependent mask takes place 91 with a homogeneous beam profile 92 , The locally variable thickness of a moderate absorber realizes a graduated transition 93 between areas with 0% transparency 94 and areas with 100% transparency 95 and results in a (linearly shown here) intensity profile 96 which deposits on the workpiece in locally variable ablation depths. When not thinned, 0% transmission is present. In the thinning occurring spatial gradients must be kept low, so that the occurring refraction of light remains so low that the overall result remains unaffected. Otherwise, corrections in the mask design are necessary.

Schließlich kann die kombinierte Kontur-/Grauwertmaske darüber hinaus auch als Maske ausgeführt sein, deren Konturmaskenkern vollständig von einer Grauwertmaske umschlossenen ist, wie beispielhaft in 10 dargestellt ist. Während die Fläche 101 0% Transmission aufweist, transmittiert nur die vollständig geöffnete Fläche 102 zu 100%. Die Bereiche 103 realisieren als Grauwertelemente den graduierten Übergang zwischen den Bereichen von 0% und 100% Transmission. Der Vorteil derartiger Masken ist die mögliche Änderung der Scanrichtung während der Laserbearbeitung. Der Grauwertmaskenanteil parallel zur Scanrichtung verhindert jedoch die Fertigung senkrechter Wände entlang eines Scans. Wie weiter oben ausgeführt, lassen sich nicht-senkrechte Wände jedoch mit Hilfe dieser Maske glatter und somit qualitativ höherwertig ausführen. Eine Maske mit diesem Design hat keine Vorzugsrichtung, in welche der Scan erfolgen muß.Finally, the combined contour / gray value mask can also be embodied as a mask whose contour mask kernel is completely surrounded by a gray scale mask, as exemplarily shown in FIG 10 is shown. While the area 101 0% transmission, transmits only the fully open area 102 to 100%. The areas 103 realize as greyscale elements the graduated transition between the ranges of 0% and 100% transmission. The advantage of such masks is the possible change of the scanning direction during the laser processing. However, the gray value mask portion parallel to the scan direction prevents the production of vertical walls along a scan. As explained above, however, non-vertical walls can be made smoother and therefore of higher quality with the aid of this mask. A mask with this design has no preferred direction in which the scan must be done.

Claims

Mask for ablation with laser beams, used in the imaging, ablative scanning surface treatment with a pulsed laser and / or discontinuously moving workpiece on which contour or gray value masks are present, wherein the contour mask has a first outer surface portion with 0% transmission and contiguous surface portions with 100% transmission and the gray tone mask consists of at least one surface whose transmission lies between 0% and 100%, characterized in that - defined contour and gray value masks are combined on a mask to be imaged, - the gray value mask includes a second area portion of the contour mask 100% transmission partially or completely surrounds and - the local extent of the imaged, contiguous gray value areas within the gray value mask in the scan direction is greater than or equal to the local laser pulse intervals on the workpiece.

Mask according to claim 1, characterized in that the second area share the contour mask spatially separated from the gray value mask, but in the scanning direction before and / or behind the surfaces of the Gray mask is arranged horizontally, is.

Mask according to claim 1 or 2, characterized that the mask at the positions where steep profiles parallel to the scanning direction on the workpiece to be generated, has no gray value areas.

Mask according to claim 1 or 2, characterized that the arrangement of the gray scale elements on the mask too corresponding graduated intensities the jet tool leads, what structures with desired Wall angles or wall profiles can be generated.

Mask according to claim 1 or 2, characterized that the mask is running is as chromium mask, on which the area proportions of the chrome surfaces the determine local transparency, as a photosensitive mask, on which the optical density of the material determines the local transparency, as thickness-dependent Mask on which the strength of a moderate absorber determines the local transparency or as dielectric layer system on which the local number of dielectric layers determines the local transparency.

Procedure for the imaging, ablative scanning surface treatment with a pulsed Laser and / or discontinuously moving workpiece, using a Mask according to one of the claims 1-5.

Method according to Claim 6, characterized that it is for a separating and non-separating material processing as well as for the surface structure is used.

Method according to claims 6 and 7, characterized that it also for post-processing of structures in material processing is used.

A method according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the mask according to the current scan direction is rotated during processing.