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Lasermikrobearbeitung
Lasertechnologien
Lasermikrobearbeitung
Die präzise Bearbeitung von Werkstücken im Mikro- bzw. Nanometerbereich gewinnt in unserer kompakten, miniaturisierten Technikwelt immer mehr an Bedeutung. Den Anforderungen dieser Technologie genügen nur wenige physikalische Verfahren. Eines davon ist die Lasermaterialbearbeitung. Sie bietet die Möglichkeit, Bauteile im Mikrometer- und teilweise im Nanometerbereich modifizieren, abtragen oder generieren zu können. Die unterschiedlichen Lasermikrobearbeitungsverfahren sind dabei genauso vielfältig wie die möglichen Anwendungsgebiete. Durch die Lasermikrostrukturierung von technischen Oberflächen können deren Eigenschaften gezielt verändert werden (Stichwort: Oberflächenfunktionalisierung). Dies wird genutzt, um beispielsweise Benetzungs- oder Reibeigenschaften von Werkzeugen zu modifizieren oder um die Haftfestigkeit von aufgebrachten Verschleißschutzschichten zu erhöhen. Ein besonderer Schwerpunkt der Forschung am LHM bildet diesbezüglich die Hochrate-Laserbearbeitung. Denn für die technische Anwendung gilt: Die Mikrostruktursysteme müssen sowohl hinreichend genau als auch mit genügend hoher Prozessgeschwindigkeit gefertigt werden können, damit sie in der Praxis auch genutzt werden können.
Prozess der großflächigen Lasermikrostrukturierung.
Lasermikrostrukturierung von Edelstahl mit Ultrakurzpulslaser im MHz-Burst-Modus und anschließende Glättung im GHz-Burst-Modus.
Mit Femtosekundenlaser mikrostrukturiertes Logo des LHM in Edelstahl (Strukturgröße: 2 x 2 mm², Strukturtiefe: ca. 25 µm).
Lasermikrostruktur in Edelstahl: Hintergrund: parallele Direktstrukturierung (Phasenmaskenprojektion), Motiv: 2,5D-Struktur.
Selektiver Schichtabtrag einer Aluminiumschicht auf Glas.
Mikro-Fresnel-Linse mit zwei Zonen in Schott D263T.
Großflächige Innenbearbeitung von Glas mittels Ultrakurzpulslaserbearbeitung.
Vorder- und Rückseite einer mittels Ultrakurzpulslaser gefertigten Gitterstruktur: Material: Silizium, Materialdicke: 100 µm, Bohrlochabstand: 50 µm, Bohrungsanzahl: 104.838, Bohr-Rate: 1.000/s.
Lasermikrostrukturierung
Die Lasermikrostrukturierung ist ein kontaktloses und verschleißfreies Verfahren, das von der hochpräzisen Oberflächenstrukturierung bis hin zur definierten Herstellung dreidimensionaler Bauelemente mit Strukturauflösungen bis in den Submikrometerbereich Anwendung findet. Am LHM kommen hierfür Ultrakurzpuls-, Kurzpuls-, Excimer- sowie ein Fluorlaser zum Einsatz. Die eingesetzten Laserwellenlängen reichen hierbei vom infraroten bis in den vakuum-ultravioletten Bereich, wodurch es möglich ist, nahezu jedes Material zu bearbeiten.
Kenngrößen: Auflösung 5 µm, Abtragraten von 0,1 mm³/min (für µm-Auflösung) bis 1.000 mm³/min (Hochrate-Mikrostrukturierung)
Werkstoffe: Metalle (allgemein), Gläser (u.a. Borosilikatglas, Floatglas), Quarzgläser (u.a. Corning 7980, SQ1), Edelsteine (u.a. Saphir, Diamant), wide-bandgap Materialien (u.a. CaF2, MgF2), Kunststoffe (u.a. PTFE, TOPAS 5013), Keramiken (u.a. Al2O3, SiC), Verbundmaterialien (u.a. WC, GFK, CFK) und Hartstoffschichten (u.a. DLC, ta-C, c-BN, TiN, TiAlN, AlCrN)
Prozess der großflächigen Lasermikrostrukturierung.
Lasermikrostruktur in Edelstahl: Hintergrund: parallele Direktstrukturierung (Phasenmaskenprojektion), Motiv: 2,5D-Struktur.
Mit Femtosekundenlaser mikrostrukturiertes Logo des LHM in Edelstahl (Strukturgröße: 2 x 2 mm², Strukturtiefe: ca. 25 µm).
Lasermikrostrukturierung von Edelstahl mit Ultrakurzpulslaser im MHz-Burst-Modus und anschließende Glättung im GHz-Burst-Modus.
Mikro-Fresnel-Linse mit zwei Zonen in Schott D263T.
Hochrate-Laserstrukturierung von Stahl (St37, Ø25 mm).
Reibwerterhöhende Lasermikrostruktur.
Mikrostruktur (Pillars) in Yttrium-stabilisierter Zirkonoxidkeramik.
Mikrostruktur (Dimples) in Bronze.
Lasermikrostrukturierung von Edelstahl mit Pikosekundenlaser im Burst-Modus.
Lasermikrostrukturierung von Edelstahl mit Pikosekundenlaser im Burst-Modus.
Lasermikroschneiden
Das Lasermikroschneiden ist ein hochpräzises Trennverfahren, was für die Bearbeitung von dünnen Folien und Blechen mit Dicken von bis zu 50 µm eingesetzt wird. Damit können beispielsweise Masken, Blenden, Distanz- und Abdeckfolien gefertigt werden. Durch die Verwendung von Ultrakurzpulslasern werden wärmebeeinflusste Materialveränderungen nahezu vermieden. So können Strukturgrößen im Bereich weniger Mikrometer hergestellt werden.
Kenngrößen: Kantenrauheit < 0,5 µm, absolute Konturtreue ± 1 µm
Werkstoffe: Metalle (u.a. Molybdän, Tantal)
Lasermikroschnitt in Molybdän (Material zuvor auf 20 µm abgedünnt).
Schnittkante eines Lasermikroschnitts in Molybdän (Materialdicke: 20 µm).
Lasergeschnittene Blendengeometrie in Tantalfolie (Materialdicke: 50 µm).
Lasermikrobohren
Um Mikrobohrungen ins Material einzubringen, wird am LHM das Perkussionsbohren mittels Nanosekunden- und Ultrakurzpuls-Laserstrahlung eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird die Bohrlochgeometrie erzeugt, indem eine definierte Anzahl an Pulsen immer an der gleichen Stelle auf das Werkstück trifft. Mit der Lasertechnologie können Mikrolochstrukturen generiert werden, die u.a. für die Mikrosystemtechnik relevant sind.
Kenngrößen: bis 10.000 Bohrungen/s, Lochdurchmesser 10 – 50 µm
Werkstoffe: Metalle (Stahl, Aluminium), Halbmetalle (Silizium), Glas und Keramik
Vorder- und Rückseite einer mittels Ultrakurzpulslaser gefertigten Gitterstruktur: Material: Silizium, Materialdicke: 100 µm, Bohrlochabstand: 50 µm, Bohrungsanzahl: 104.838, Bohr-Rate: 1.000/s.
Großflächige Lochstruktur in einem hochdotierten Si-Chip erzeugt mit Nanosekunden-Laserstrahlung: Materialdicke: 525 µm, Bohrlochabstand: 27,5 µm, Bohrungsanzahl: 480.000, Bohr-Rate: 50/s.
Bohrlochentwicklung: Pulsanzahl N = 500, 1.000, 1.500, 2.000, 2.500 (v.l.n.r.), Material: Edelstahl AISI 304, Materialdicke: 100 µm.
Selektiver Schichtabtrag
Beim selektiven Schichtabtrag wird gezielt eine Oberflächenschicht von einem Substratmaterial entfernt, ohne das darunterliegende Grundmaterial zu schädigen. Diese Entfernung der Deckschicht kann entweder flächig oder auch mit hoher räumlicher Auflösung mit Strukturauflösungen im Mikrometerbereich erfolgen. Durch die sehr selektive Bearbeitung ist es möglich entweder die komplette Schicht oder bei Mehrschichtsystemen einzelne funktionelle Schichten lagenweise abzutragen.
Kenngrößen: Schichtdicken von wenigen nm bis zu einigen 100 µm, min. Strukturauflösung 1 µm, Flächenraten von 0,3 mm²/min (für µm-Auflösung) bis 10.000 cm²/min (Hochrate-Schichtabtrag mit Polygon)
Grundwerkstoffe: Gläser (u.a. Borosilikatglas, Floatglas, Quarz), Metalle, Kunststoffe und Siliziumwafer (auch mit SiO2-Schicht)
Schichtmaterialien (Einzelschicht oder Schichtsysteme): Metalle (u.a. Kupfer, Gold, Wolfram, Aluminium), Oxidschichten und Kunststoffe
Selektiver Schichtabtrag einer Aluminiumschicht auf Glas.
Selektiver Schichtabtrag einer 20 nm Wolfram-Schicht auf einem Silizium-Wafer mit 100 nm SiO2.
Selektiver Schichtabtrag von Kunststoff zur Freilegung von Leiterbahnen.
Innenbearbeitung
Mittels Innenbearbeitung können für die verwendete Laserstrahlung transparente Materialien bearbeitet werden. Mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen hoher Intensität und dem Einsatz von Mikroskopobjektiven zur Fokussierung der Laserstrahlung im Materialinneren werden durch nichtlineare Absorptionseffekte Mikromaterialmodifikationen/-defekte hervorgerufen. So können zum Beispiel definierte Bereiche im Materialinneren modifiziert (Erzeugung von Brechungsunterschieden) oder gezielt Schadebenen (für Trennprozesse) erzeugt werden.
Kenngrößen: minimale Schädigungszone 1 - 1,5 µm, Bearbeitungsgeschwindigkeit bis 1 m/s
Werkstoffe: Gläser, Kunststoffe und spezielle Wafermaterialien
Großflächige Innenbearbeitung von Glas mittels Ultrakurzpulslaserbearbeitung.
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Hochrate Ultrakurzpuls Lasermaterialbearbeitung
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Hochrate Lasermikrostrukturieren mit Pikosekundenpulsen
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Mikrostrukturieren mit einem Femtosekundenlaser
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Laser - Hochratebohren von 10 µm dicker Metallfolie mit 2D Polygonscanner
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Innenbearbeitung von Quarzglas mit Femtosekundenlaser
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Hochrate Abtragen mit Polygonspiegelscanner und Hochleistungsultrakurzpulslaser
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Laser - Hochratebearbeitung mit 2D Polygonscanner an eloxiertem Aluminiumblech
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Laser - Hochratebearbeitung mit 2D Polygonscanner an Siliziumwafern
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