特表 2024-509506 液体中のワークピースのレーザー加工のためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-04

(54)【発明の名称】液体中のワークピースのレーザー加工のためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/122 20140101AFI20240226BHJP

   B23K 26/38 20140101ALI20240226BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20240226BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240226BHJP

【ＦＩ】

B23K26/122

B23K26/38

B23K26/082

B23K26/00 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023549632

(86)(22)【出願日】2022-02-24

(85)【翻訳文提出日】2023-09-11

(86)【国際出願番号】 EP2022054702

(87)【国際公開番号】W WO2022180178

(87)【国際公開日】2022-09-01

(31)【優先権主張番号】102021104475.8

(32)【優先日】2021-02-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523310859

【氏名又は名称】リドロテック ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＬＩＤＲＯＴＥＣ ＧＭＢＨ

【住所又は居所原語表記】Ｌｏｔｈｒｉｎｇｅｒ Ａｌｌｅｅ ２，４４８０５ Ｂｏｃｈｕｍ Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】カーニッツ，アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ホピウス，ヤン シュテファン

(72)【発明者】

【氏名】ケーラー，ヤニス

(72)【発明者】

【氏名】イーゲルマン，アレクサンダー

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AA02

4E168AD07

4E168AD11

4E168AD18

4E168CA06

4E168CA13

4E168CA14

4E168CB01

4E168CB04

4E168CB07

4E168DA46

4E168DA47

4E168EA05

4E168EA06

4E168EA15

4E168FB09

4E168FC04

4E168FC05

4E168KB04

(57)【要約】

パルスレーザー照射を発生させるためのレーザー光源と、レーザー照射をワークピース上に集束させる集束ユニットと、ワークピースを受け入れるための処理チャンバと、を含み、前記処理チャンバは、レーザー照射を通過させるための透明なプロセスウィンドウを有する第１の側面と、第１の側面に対向して配置された第２の側面と、前記処理チャンバの内部を囲むチャンバ壁と、処理チャンバの内部で流れを生成するための流れ発生器と、ワークピース上のレーザー照射の位置を調整するための位置決めユニットと、を含み、前記流れ発生器は、第１の流れ軸に沿って第１の流れを生成するための第１の流れ発生器ユニットと、第２の流れ軸に沿って第２の流れを生成するための第２の流れ発生器ユニットとを備える、液体中のワークピースをレーザー加工するためのシステム。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルスレーザー照射（１４）を発生させるためのレーザー光源（１２）と、
レーザー照射をワークピース（２２）上に集束させる集束ユニット（１４）と、
ワークピース（２２）を受け入れるための処理チャンバ（２０）と、
ワークピース（２２）上のレーザー照射（１４）の位置を調整するための位置決めユニット（１６）と、を含み、
前記処理チャンバ（２０）は、
レーザー照射（１４）を通過させるための透明なプロセスウィンドウ（２８）を有する第１の側面（２４）と、
第１の側面（２４）に対向して配置された第２の側面（２６）と、
前記処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）を囲むチャンバ壁（３０）と、
処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）で流れを生成するための流れ発生器と、を含み、前記流れ発生器は、第１の流れ軸に沿って第１の流れを生成するための第１の流れ発生器ユニット（３２）と、第２の流れ軸に沿って第２の流れを生成するための第２の流れ発生器ユニット（３２）とを備える、液体中のワークピースをレーザー加工するためのシステム（１０）。

【請求項2】

第１の流れ軸および第２の流れ軸が共に、８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは９０°の角度を形成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム（１０）。

【請求項3】

前記第１の流れ発生器ユニット（３２）または前記第２の流れ発生器ユニット（３２）は、吸引ポンプおよび／または加圧ポンプを備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のシステム（１０）。

【請求項4】

前記第１の流れ発生器ユニット（３２）または前記第２の流れ発生器ユニット（３２）は、吸引ポンプおよび加圧ポンプを備え、前記吸引ポンプは前記加圧ポンプに対向する前記処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）の側面に配置され、特に、前記加圧ポンプによって前記液体が導入されるのと同じ速度で前記処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）から液体を排出するように構成されることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項5】

前記処理チャンバ（２０）の前記第２の側面（２６）は、開放設計であることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（３０）。

【請求項6】

前記処理チャンバ（２０）は、前記第２の側面（２６）に配置され、前記処理チャンバ（２０）を開状態から閉状態に移行するように構成された閉鎖フラップを備えることを特徴とする、請求項５に記載のシステム（１０）。

【請求項7】

前記処理チャンバ（２０）の前記第２の側面（２６）は、閉鎖設計であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項8】

前記ワークピース（２２）上の前記レーザー照射（１４）の位置を調整するための前記位置決めユニット（１６）は、前記レーザー照射（１４）を偏向させるためのレーザースキャナおよび／または前記ワークピース（２２）を位置決めするための位置決めテーブル（４０）を備え、前記位置決めテーブル（４０）は特に、水平面内に、さらに鉛直方向内に前記ワークピース（２２）を位置決めするように構成されることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項9】

前記集束ユニットは、集光レンズ、顕微鏡の対物レンズ、および／または凹面鏡を備えることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項10】

前記処理チャンバ（２０）は、ガス供給装置および／またはガス排出装置を備えることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項11】

パルスレーザー照射（１４）を生成するためのレーザー光源（１２）は、１０ｆｓ～３００ｐｓ、好ましくは１００ｆｓ～２００ｐｓのパルス持続時間を有するパルスレーザー照射を生成するように構成されることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項12】

空間光変調器または回折光学素子によって特徴付けられ、前記空間光変調器または回折光学素子は、ワークピース（２２）の平行レーザー加工のための複数のレーザー光（１４）を提供するように構成されることを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項13】

処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）の記録を行うように構成されたカメラシステムを特徴とする、先の請求項のいずれか１つに記載のシステム（１０）。

【請求項14】

処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）にワークピース（２２）を提供すること（１１０）と、
処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）を液体で満たすこと（１２０）と、
集束ユニットを使用して、ワークピースの表面上（２２ａ）にパルスレーザー照射（１４）を集束すること（１３０）と、
位置決めユニット（１６）を使用して、ワークピース表面上（２２ａ）に集束されたレーザー照射（１４）の相対移動を生成すること（１４０）と、
流れ発生器を使用して処理チャンバ（２０）の内部（２０ａ）に液流を生成すること（１５０）と、
液流の流れ方向を、ワークピースの表面上（２２ａ）の集束されたレーザー照射（１４）の相対的な移動方向に応じて調整すること（１６０）と、
を含む液体中でワークピースをレーザー加工するための方法（１００）。

【請求項15】

前記流れ方向を調整することは、前記ワークピース表面上（２２ａ）の前記レーザー照射（１４）の相対的な移動方向に対して直角に配向された流れ方向を調整することを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の方法（１００）。

【請求項16】

ワークピースの表面（２２ａ）に沿った集束されたレーザー照射（１４）の相対移動は、０．６～１．４ｍｍ／ｓ、特に０．８～１．２ｍｍ／ｓ、特に好ましくは１ｍｍ／ｓの速度で行われることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の方法（１００）。

【請求項17】

流速が１～１０ｍ／ｓ、特に４～６ｍ／ｓ、特に好ましくは５ｍ／ｓであることを特徴とする、請求項１４～１６のいずれか１つに記載の方法（１００）。

【請求項18】

カメラシステムを用いてレーザー照射（１４）の相対移動方向を検出し、
レーザー照射（１４）の検出された相対的な移動方向に直交する流れ方向を調整することを特徴とする、請求項１４～１７のいずれか１つに記載の方法（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体中のワークピースをレーザー加工するためのシステムおよび対応する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー加工システムは、様々な実施形態において従来技術から知られている。これに関連して、レーザー加工方法は、多くの場合、材料アブレーション法と材料添加法とに分けられる。材料アブレーションレーザー加工法は特に、レーザー切断およびレーザー穿孔を含む。材料添加レーザー加工法は、とりわけ、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）およびレーザー金属蒸着（ＬＭＤ）を含む。本発明は、材料アブレーションレーザー加工、特にレーザー切断に関する。

【0003】

ワークピースのレーザー加工では、使用されるレーザー照射は通常、集束ユニットによって加工対象のワークピースに集束される。集束された照射はワークピースを局所的に加熱し、その結果、適切なプロセスパラメータを使用して、材料がワークピースの照射領域で溶融または直接蒸発する。ワークピース表面に沿ってレーザー照射を移動させることによって、ワークピース表面の修正または切削端のいずれかを生成することができる。ワークピース表面に沿った集束されたレーザー照射の相対移動は、通常、レーザー照射の方向を変えるように構成されたレーザースキャナを使用することによって達成される。または、集束されたレーザー照射の絶対的な向きが一定のままであり、代わりに位置決めテーブルを使用してワークピースが前進するようにしてもよい。

【0004】

さらに、従来技術から、上述のプロセスを改善するために、液体中でレーザー加工動作を実行することが知られている。これはワークピースが使用される液体によって直接冷却されるという特別な利点を有し、一方では望ましくない熱的影響を回避または少なくとも低減し、他方ではアブレーションされた材料が表面上に戻ることを防止する。特に、これは、より良好な切削および表面品質を達成することを可能にする。液体中でのレーザー加工のために、例えば、ワークピースおよび液体を受け入れるために設けられた処理チャンバを使用することができる。

【0005】

しかしながら、上述の液体中でのレーザー加工に関する１つの問題は、アブレーションプロセスによるワークピースの加工中にマイクロおよびナノ粒子が生成され、この粒子が望ましくない方法でビーム経路に影響を及ぼすことである。集束されたレーザー照射は、生成された粒子で散乱され、ワークピース表面上のビームプロファイルを所望のプロファイルから逸脱させる。加えて、キャビテーション気泡は、多くの場合、処理中に形成され、さらなる干渉効果をもたらす。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の問題に基づいて、本発明の目的は液体中のワークピースのレーザー加工のためのシステム、および対応する液体中のワークピースのレーザー加工のための方法を提供することであり、これは、ワークピースの改善されたレーザー加工を可能にする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述の問題は、液体中のワークピースの材料アブレーションレーザー加工、特に、液体中のワークピースの材料アブレーションレーザー切断のためのシステムを提案する本発明によって達成され、
前記システムは、
パルスレーザー照射を発生させるためのレーザー光源と、
レーザー照射をワークピース上に集束させる集束ユニットと、
ワークピースを受け入れるための処理チャンバと、
ワークピース上のレーザー照射の位置を調整するための位置決めユニットと、を含み、
前記処理チャンバは、
レーザー照射を通過させるための透明なプロセスウィンドウを有する第１の側面と、
第１の側面に対向して配置された第２の側面と、
前記処理チャンバの内部を囲むチャンバ壁と、
処理チャンバの内部で流れを生成するための流れ発生器と、を含み、前記流れ発生器は、第１の流れ軸に沿って第１の流れを生成するための第１の流れ発生器ユニットと、第２の流れ軸に沿って第２の流れを生成するための第２の流れ発生器ユニットと、を備える。

【0008】

本発明はワークピースのレーザー加工中に生成された粒子およびキャビテーション気泡を処理チャンバの内部から効果的に除去することを可能にし、それによって、加工中に生じ得る任意の干渉効果を大幅に低減する。加えて、本発明は処理チャンバ内の液体の永続的な交換を可能にし、それによって、処理されたワークピースの冷却を改善する。さらに、本発明は、処理チャンバ内の流れ方向の調整を可能にする。これは、処理チャンバ内の可変の流れ方向がレーザー照射の移動方向に対する流れ方向の特定の適合を可能にするので、特に有利である。実験的研究は、流れ方向がレーザー照射の運動方向（「書き込み方向」とも呼ばれる）に直交するように調整される場合、切削端の質が著しく改善され得ることを示した。

【0009】

使用されるレーザー照射は、特に超短パルスで有り得る。ここで、集束ユニットは、レーザー光源と処理チャンバとの間に配置される。集束ユニットは、レーザー照射がワークピース表面上に集束されることを可能にするように構成される。プロセスウィンドウは、特にガラスから形成することができる。この点において、パルスレーザー照射とプロセスウィンドウとの間の相互作用をできるだけ最小限に抑えるために、比較的薄いガラスを使用することができる。位置決めユニットは、レーザー照射の方向を変更して生成されるレーザースポットの絶対位置を変更するか、またはワークピースの絶対位置を変更するように構成することができる。チャンバ壁は、矩形または円形の形状で処理チャンバの内部を囲むように設けられてもよい。チャンバ壁は、特に金属から形成することができる。流れ発生器ユニットは特に、処理チャンバの内部に液体を導入するように、または処理チャンバの内部から液体を排出するように構成することができる。

【0010】

第１および第２の流れ軸は特に、ゼロに等しくない共通の角度を形成するように設けられる。さらに、流れ発生器は、好ましくはチャンバ壁面に沿って等間隔に配置された２つ以上の流れ発生器ユニットを有するようにしてもよい。

【0011】

例えば、処理チャンバの内部の周囲に配置され、４方向に流れを生成するように構成された、合計４つの流れ発生器ユニットが設けられてもよい。

【0012】

本発明の一実施形態によれば、チャンバ壁は処理チャンバの内部を円形に囲み、処理チャンバは内部の周囲に円形に配置され、第１の流れ軸、第２の流れ軸、第３の流れ軸、および第４の流れ軸に沿って流れを生成するように構成された４つ、６つ、８つ、または１２の流れ発生器ユニットを備え、それぞれの隣り合う流れ軸は９０°、６０°、４５°、または３０°の角を形成する。この点に関して、それぞれの流れ発生器ユニットは処理チャンバ内に液体を導入するために、または処理チャンバから液体を排出するために提供される別個のポンプを有することができる。

【0013】

本発明によるシステムの一実施形態によれば、第１の流れ軸および第２の流れ軸は共に、８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは９０°の角度を形成することができる。このようにして、レーザー光の現在の書き込み方向に応じて、書き込み方向に適合された流れを生成することができる。流れ方向は、手動または自動のいずれかで調整することができる。手動の流れ方向調節により、ユーザは、制御部を使用して、電流の流れ方向が書き込み方向に対して実質的に直交するように構成された流れを提供するためにどのように調節されなければならないかを調節することができる。または、流れ方向は、自動的に調整され得る。この目的のために、書き込み方向が自動的に検出または定義され、書き込み方向に応じて流れ方向を調整することが提供されてもよい。また、書き込み処理のパラメータが、予め定められていてもよい。そうすることで、レーザー照射が移動する書き込み経路、ならびに書き込み経路に適合された流れの挙動を、書き込みプロセスの開始前に定義することができる。実験研究では、流れ方向と書き込み方向が直交する方が好ましいことが示されているが、ほぼ直交する配向でも、例えば、液体の流れと書き込み方向が同じ方向である場合よりも良好な結果が得られる。

【0014】

本発明の一実施形態によれば、第１の流れ発生器ユニットおよび第２の流れ発生器ユニットは、吸引ポンプおよび／または加圧ポンプを備えることができる。これにより、処理チャンバ内に液体を導入したり、処理チャンバ内から液体を排出したりすることができる。流れ発生器ユニットはまた、液体入口チャネルおよび／または液体出口チャネルを備えてもよい。対応するチャネルは、それぞれ１つの流れ発生器ユニットが一方向の流れを生成するように構成されるように設計することができる。ここで、液体チャネルは例えば、円形の断面またはスリット形状の断面を有することができる。

【0015】

本発明によれば、第１の流れ発生器ユニットまたは第２の流れ発生器ユニットは、吸引ポンプおよび加圧ポンプを備え、吸引ポンプは加圧ポンプに対向する処理チャンバの内部の側面に配置され、特に、加圧ポンプによって液体が導入されるのと同じ速度で処理チャンバの内部から液体を排出するように構成されてもよい。これは、処理チャンバ内に特に均一な流れを提供することを可能にする。これにより、処理中に生成された粒子およびキャビテーション気泡を効率的かつ均一に処理容積の外に輸送する一方で、処理チャンバの内部における任意の破壊的な乱流を低減することによって、書き込みプロセスがさらに改善される。

【0016】

さらに、本発明によれば、処理チャンバの第２の側面が開放設計であってもよい。言い換えれば、本実施形態によれば、処理チャンバの第２の側面は、チャンバ壁またはチャンバ床によってそれぞれ第２の側面で閉鎖されない。処理チャンバのこの実施形態は、比較的大きなワークピースが処理される場合に特に有利である。閉鎖設計の従来の処理チャンバでは、処理されるワークピースのサイズが処理チャンバの内部によって制限される。処理チャンバの開放された実施形態により、ワークピース自体は処理チャンバの内部に隣接するチャンバ壁を形成し、ワークピースはまた、数デシメートルまたは数メートルにわたって移動することができ、その結果、特に大きなワークピースは、処理チャンバの構造的な設計により処理されることができる。加えて、この構造設計は処理チャンバを比較的小さく保つことを可能にし、これは、必要な液体消費を著しく減少させる。また、それは、大きな処理チャンバに典型的に必要とされる比較的厚いプロセスウィンドウの必要性を排除する。これは、パルスレーザー照射とプロセスウィンドウとの間の相互作用（特に、レーザー照射の吸収および散乱）が低減され、それによって干渉効果も低減されるという追加の利点を有する。

【0017】

好ましい実施形態によれば、処理チャンバは、第２の側面に配置され、処理チャンバを開状態から閉状態に移行するように構成された閉鎖フラップを備えることもできる。閉鎖フラップは、例えばヒンジを介して処理チャンバに接続することができる。具体的には、閉鎖フラップがチャンバの第２の側面が開状態または閉状態に容易かつ柔軟に移行され得るように、チャンバ壁に旋回可能に接続され得る。したがって、本発明による処理チャンバは、特定の用途への柔軟な適応を可能にする。このようにして、処理チャンバは、小さいワークピースおよび大きいワークピースに適している。代替的に、例えば、閉鎖フラップは、スライド機構によって、開位置と閉位置との間で並進移動できるようにしてもよい。閉鎖フラップはまた、処理チャンバの内部を密封するように機能するシール要素を有していてもよい。シール要素は、例えばＯリングとして設計することができる。さらに、閉鎖フラップは円形ディスクの形態であり、シール要素はＯリングの形態であり、Ｏリングは、閉鎖フラップの表面上の中心に固定されてもよい。

【0018】

本発明のさらなる実施形態によれば、処理チャンバの第２の側面が閉鎖設計であってもよい。チャンバの閉鎖された実施形態は、小さなワークピースが処理されるときに有利であり得る。閉鎖された処理チャンバでは、ワークピースを処理チャンバ床に容易に固定することができる。その場合、追加のホルダは必ずしも必要ではない。この場合、集束されたレーザー光の相対移動は、レーザースキャナを用いてビームを偏向させることによって行われてもよい。加えて、閉鎖された処理チャンバの使用は、チャンバから流出する液体の量を処理チャンバの閉鎖された実施形態においてより容易に制御することができるので、水の消費を低減することができる。

【0019】

本発明のさらなる実施形態によれば、ワークピース上のレーザー照射の位置を調整するための位置決めユニットは、レーザー照射を偏向させるためのレーザースキャナおよび／またはワークピースを位置決めするための位置決めテーブルを備え、位置決めテーブルはレーザー光軸に対して半径方向に延在する平面内に、さらにレーザー光軸に対して軸方向に延在する方向にもワークピースを位置決めするように特に構成されてもよい。位置決めテーブルはワークピースを水平面内に、また鉛直方向内に位置決めするように構成することができる。レーザースキャナを使用する利点は、集束されたレーザー光を非常に高速に偏向できるため、その結果非常に高速な処理速度を可能にすることである。位置決めテーブルを使用する利点は、レーザー光軸に対して軸方向である方向にワークピースを位置決めすることも可能にすることである。これにより、例えば、ワークピース上のフォーカスポイントまたはビームウェストを調整することが可能になる。これはまた、ワークピース上の有効ビーム直径を調整し、ワークピース上の放射束密度が変更されることを可能にする。

【0020】

本発明のさらなる実施形態によれば、集束ユニットは、集光レンズ、顕微鏡の対物レンズ、および／または凹面鏡を備えていてもよい。集束ユニットの焦点距離は、レーザー光を所望のビーム直径に集束させるように選択することができる。さらに、集束ユニットは、加工対象のワークピース表面が集束ユニットの焦点に位置するように位置決めされ得る。

【0021】

また、ガス供給装置および／またはガス排出装置が設けられていてもよい。このガス供給装置によれば、処理チャンバ内に液体が充填される前または後に、ワークピースまたは加工対象のワークピース表面をガスで洗浄することができる。したがって、有利な方法では、チャンバが液体で満たされる前、または処理後にサンプルが乾燥する前に、それぞれワークピース表面上に存在する粒子を除去することができる。

【0022】

さらに、パルスレーザー照射を生成するためのレーザー光源は、１０ｆｓ～３００ｐｓ、好ましくは１００ｆｓ～２００ｐｓのパルス持続時間を有するパルスレーザー照射を生成するように構成されてもよい。

【0023】

本発明の一実施例によれば、０．２～３００Ｗのレーザーパワー、１０ｋＨｚ～８０ＭＨｚの繰り返し率、２５８ｎｍ、２６６ｎｍ、３４４ｎｍ、３５５ｎｍ、５１５ｎｍ、５３２ｎｍ、１０３０ｎｍ、または１，０６４ｎｍの波長、０．５ｍｍ／ｓ～２００００ｍｍ／ｓの書き込み速度が使用される。

【0024】

本発明の一実施形態によれば、空間光変調器または回折光学素子を設けることもでき、空間光変調器または回折光学素子は、ワークピースの平行レーザー加工のための複数のレーザー光を提供するように構成される。空間光変調器は、反射型または半透明の空間光変調器を使用することができる。空間光変調器または回折光学素子は、それぞれ、レーザー光源と処理チャンバとの間に配置される。複数のレーザー光を提供することによって、より速い処理速度が可能になることが有利に達成される。

【0025】

さらに、本発明のさらなる実施形態によれば、処理チャンバの内部を記録するように構成されたカメラシステムが提供されてもよい。ここで、カメラは、プロセスウィンドウを介して記録を行うようにしてもよい。これにより、レーザー光の現在の書き込み方向を検出することができる。これは、例えば、表面上のレーザー光フォーカスを検出することによって、または粒子雲が生成されるワークピースの表面上の領域を検出することによって行うことができる。処理から生じる粒子雲は通常、肉眼で見ることができ、カメラによって確実に検出することができる。または、カメラシステムが、処理チャンバの内部の周囲の２つの異なる位置に配置された２つのカメラを備えることも提供され得る。例えば、２つのカメラが２つの方向での記録を可能にし、記録方向が互いに直交するようにすることができる。カメラは、一方向におけるレーザー光の位置を独立して検出することができる。カメラ記録を評価することによって、書き込み速度を決定することができる。そして、検出された書き込み方向に応じて、流れ方向を調整することができる。特に、流れ方向は、書き込み方向に対して直角に調整することができる。

【0026】

処理チャンバは、１～６バール、特に３～４バールの動作圧力を提供するように構成されていてもよい。

【0027】

また、上記課題を解決するために、本発明は液体中でレーザー加工するためのワークピースを受け入れるための処理チャンバを提案し、前記処理チャンバは、
レーザー照射を通過させるための透明なプロセスウィンドウを有する第１の側面と、
第１の側面に対向して配置された第２の側面と、
前記処理チャンバの内部を囲むチャンバ壁と、
処理チャンバの内部で流れを生成するための流れ発生器であって、第１の流れ軸に沿って第１の流れを生成するための第１の流れ発生器ユニットと、第２の流れ軸に沿って第２の流れを生成するための第２の流れ発生器ユニットとを備える流れ発生器と、を備える。

【0028】

冒頭に記載した目的はまた、本発明が、液体中のワークピースの材料アブレーションレーザー加工、特に液体中のワークピースのレーザー切断のためのシステムを提案することによっても達成され、
前記システムは、
パルスレーザー照射を発生させるためのレーザー光源と、
レーザー照射をワークピース上に集束させる集束ユニットと、
ワークピースを受け入れるための処理チャンバと、
ワークピース上のレーザー照射の位置を調整するための位置決めユニットと、を含み、
前記処理チャンバは、
レーザー照射を通過させるための透明なプロセスウィンドウを有する第１の側面と、
第１の側面に対向して配置された第２の側面であって、第２の側面は開放設計である第２の側面と、
前記処理チャンバの内部を囲むチャンバ壁と、を備える。

【0029】

さらに、上述の目的は、液体中のワークピースの材料アブレーションレーザー加工のための、特に液体中のワークピースのレーザー切断のための提案された方法で達成され、この方法は、
処理チャンバの内部におけるワークピースを提供することと、
処理チャンバの内部を液体で満たすことと、
集束ユニットを使用してワークピースの表面上にパルスレーザー照射を集束させることと、
位置決めユニットを使用して、ワークピース表面上に集束されたレーザー照射の相対移動を生成することと、
流れ発生器を使用して処理チャンバの内部に液流を生成することと、
液流の流れ方向を、ワークピースの表面上の集束されたレーザー照射の相対的な移動方向に応じて調整することと、を含む。

【0030】

好ましくは、本方法は、ワークピースが処理された後にチャンバがガスで満たされることをさらに提供することができる。

【0031】

本発明による方法は、マイクロおよびナノ粒子、ならびに加工動作中に生成されるキャビテーション気泡および持続性気泡の効率的な除去を可能にする。上述の粒子および気泡は、処理チャンバの内部から効率的に除去され、その結果、レーザー照射と粒子および気泡との相互作用から生じる干渉効果が著しく低減される。加えて、本発明による方法は、レーザー加工中のワークピースのより効率的な冷却を可能にする。

【0032】

本発明による方法の一実施形態によれば、流れ方向を調整することは、ワークピース表面上のレーザー照射の相対的な移動方向に対して直角に配向された流れ方向を提供することを含んでもよい。実験テストでは、レーザー照射の相対的な移動方向に対して直交する流れ方向がレーザー加工の品質の向上につながることが示されている。

【0033】

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、生成された流れの強度が、プロセスパラメータの関数としてさらに調整されることがさらに提供されてもよい。ここで、流れの強度は比較的高いレーザーパワーが設定されたときに増加させることができ、流れの強度は、比較的低いレーザーパワーが設定されたときに減少させることができる。同様に、例えば、書き込み速度が比較的速い場合には、流れの強度を低減できるようにすることができる。代替的にまたは追加的に、比較的低い書き込み方向が設定されたときに流れ強度が低減されるようにしてもよい。したがって、生成される流れは、予想される粒子の量に応じて最適化することができる。

【0034】

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、ワークピースの表面に沿った集束されたレーザー照射の相対移動は、０．６～１．４ｍｍ／ｓ、特に０．８～１．２ｍｍ／ｓ、特に好ましくは１ｍｍ／ｓの速度で行われる。実験テストでは、書き込み速度の関数として切削品質を調べた。これは、特に良好な切削端が特定の書き込み速度において達成され得ることを示した。切削の品質は例えば、アスペクト比、すなわち切削深さと切削幅との比によって評価することができる。アスペクト比が高ければ高いほど、切断品質をより良好に評価することができる。約０．１ｍｍ／ｓ～１０ｍ／ｓの書き込み速度を評価した実験では、最高アスペクト比は約１ｍｍ／ｓの書き込み速度で達成できることが示された。４ｍ／ｓの書き込み速度では４～６のアスペクト比しか達成できなかったが、１ｍｍ／ｓの値まで書き込み速度を低減すると１５までのアスペクト比を達成できた。

【0035】

実施された実験では、１ｍｍ／ｓの書き込み速度が使用されたとき、特に高いアスペクト比が達成され得る。実験は、３５０ｆｓのレーザーパルス持続時間、２００ｋＨｚの繰り返し率、１，０３０ｎｍの波長、３６０ｍＷの平均出力、７０ｍｍの焦点距離を有するＦθ対物レンズ、１０μｍの焦点におけるビーム直径、および１．５ｍ／ｓの流速を使用した。

【0036】

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、流速が１～１０ｍ／ｓ、特に４～６ｍ／ｓ、特に好ましくは５ｍ／ｓであってもよい。さらなる代替実施形態によれば、流速が２～３ｍ／ｓであってもよい。

【0037】

さらに、本発明による方法のさらなる例示的な実施形態によれば、
カメラシステムを用いてレーザー照射の相対移動方向を検出することと、
レーザー照射の相対移動の検出された方向に直交する流れ方向を調整することと、を提供することができる。

【0038】

さらに、カメラシステムから画像信号を受信し、これらの画像信号を評価する制御部が提供されてもよい。ワークピース表面上のレーザー光の位置は、個々の画像信号から決定することができる。したがって、画像信号を評価することによって、レーザー照射の移動方向を決定することができる。レーザー光の決定された相対移動方向に応じて、流れ方向を調整することができる。例えば、制御部は入力でイメージ信号を受信し、出力で個々の流れ発生器ユニットを制御するための制御信号を提供するマイクロコントローラとして設計することができる。さらに、マイクロコントローラは書き込みプロセスのためのプロセスパラメータを提供し、それによって書き込みプロセスを制御するように構成することもできる。

【図面の簡単な説明】

【0039】

以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

【0040】

【図1】従来技術による液体中でワークピースを加工するためのレーザー加工システムを示す。

【図2】本発明に係るレーザー加工システムの一実施形態を示す。

【図3】本実施形態に係る処理チャンバの平面図を示す図である。

【図4】本発明に係る処理チャンバの一実施形態の側面図を示す。

【図5】図４に示す処理チャンバの平面図を第１の動作形態で示す。

【図6】図４に示す処理チャンバの平面図を第２の動作形態で示す。

【図7】本発明に係る処理チャンバの異なる実施形態を示す。

【図8】本発明に係る方法のフローチャートを示す。

【発明を実施するための形態】

【0041】

図１は、液体中のワークピース２２のレーザー加工のためのシステム１０を示す。システム１０は、パルスレーザー照射１４を生成するように特に構成されたレーザー光源１２を備える。生成されたレーザー照射１４は、位置決めユニット１６によって偏向される。図１に示す例示的な実施形態では、位置決めユニット１６がレーザースキャナとして設計され、集束レーザー光１４をワークピースの表面上に位置決めするように設けられる。偏向されたレーザー照射１４は、集束ユニット１８に向けられる。図示の例示的な実施形態では、集束ユニット１８が集光レンズとして設計される。あるいは、集束ユニット１８は顕微鏡の対物レンズまたは凹面鏡として設計することもできる。集束ユニット１８は、レーザー照射１４を処理チャンバ２０内に集束させる。処理チャンバ２０は、ワークピース２２を受け入れるように構成された内部２０ａを備える。また、処理チャンバ２０の内部２０ａは、液体で満たされている。液体は、水または他の液体であり得る。特に、この目的のために水を使用することができる。レーザー照射１４は、集束ユニット１８によってワークピース２２の表面２２ａ上に集束される。結果として、ワークピース表面２２ａは、１，０００℃を超える温度まで加熱され、ワークピース材料の一部を蒸発させる。蒸発した材料は、液体によって冷却され、液体中の粒子雲３１として見えるナノ粒子およびマイクロ粒子を形成する。しかしながら、前記粒子雲３１は、集束されたレーザー照射１４の伝播に影響を及ぼす。レーザー照射１４と粒子雲３１との望ましくない相互作用は、通常、レーザー切断の品質を低下させる。

【0042】

処理チャンバ２０は、通常、第１の側面２４と、第１の側面２４の反対側に配置された第２の側面２６とを備えるように構成される。プロセスウィンドウ２８はレーザー照射１４を処理チャンバ２０の内部に向けることができるように、処理チャンバ２０の第１の側面２４上に凹んでいる。従来技術によれば、処理チャンバ２０の第２の側面２６は、処理チャンバ２０の内部２０ａから液体が漏れ出ることができないように閉鎖設計されている。処理チャンバ２０の内部２０ａは、チャンバ壁３０によって囲まれている。

【0043】

液体中のワークピース２２のレーザー加工のための従来技術において知られているシステム１０の欠点は、ワークピース２２の加工から生じる粒子雲３１がレーザー加工動作に悪影響を及ぼし得るという事実に特に見られる。液体中でレーザー加工するための既知のシステム１０の別の欠点は、加工可能なワークピース２２のサイズが処理チャンバ２０の寸法によって制限されることである。したがって、実際には、より大きなワークピースまたはより大きな表面をそれぞれ処理することはしばしば不可能である。したがって、異なるサイズのワークピース２２を処理する場合、異なるサイズの処理チャンバを設ける必要があることが多いが、これはワークピース２２を処理する労力およびコストを増大させる。

【0044】

図２は、本発明による液体中のワークピース２２のレーザー加工のためのシステムの例示的な実施形態を示す。図１に記載されたシステム１０と同様に、本発明によるレーザー加工システム１０はまた、位置決めユニット１６を介して集束ユニット１８に向けられるパルスレーザー照射１４を生成するためのレーザー光源１２を備え、集束ユニット１８は、レーザー照射１４を処理チャンバ２０内に集束させる。ワークピース２２は処理チャンバ２０の内部２０ａに配置され、集束ユニット１８はレーザー照射１４をワークピース２２の表面２２ａ上に集束させるように選択され、構成される。図２に示すシステム１０では、処理チャンバ２０が第１の側面２４を有し、処理チャンバ２０の第１の側面２４にプロセスウィンドウ２８が配置され、これにより、レーザー照射１４が処理チャンバ２０の内部２０ａに入ることができる。ここに示される例示的な実施形態では、図１０に記載されるシステム１０とは異なり、処理チャンバ２０の第２の側面２６が開放設計である。処理チャンバ２０の第２の側面２６の閉鎖設計と比較して、これは、チャンバ２０の開放設計のために、任意のサイズのワークピースを処理することができるという利点を有する。処理チャンバ２０の開放設計は、ワークピース２２またはワークピース２２が位置決めされる位置決めテーブル４０が処理チャンバ２０の底部を形成し、チャンバ２０の内部２０ａを閉鎖することを可能にする。その結果、図２に示す処理チャンバ２０は、有利には処理チャンバ２０の内部２０ａよりも著しく大きいワークピース２２の処理を可能にする。

【0045】

図２に示される本発明によるシステム１０の実施形態では、チャンバ壁３０が処理チャンバ２０の内部２０ａを取り囲む。処理チャンバ２０はまた、流れ発生器ユニット３２を備える。ここで、流れ発生器ユニット３２は、加圧ポンプ（図２には図示せず）と、液体入口チャネル３４とを備える。液体入口チャネル３４は、チャンバ壁３０内に形成される。さらに、流れ発生器ユニットは、吸引ポンプ（図２にも示されている）と、液体入口チャネル３４に対向するチャンバ２０の内部２０ａの側面に配置された液体出口チャネル３６とを備える。流れ発生器ユニット３２は、流れ軸に沿って流れを生成するように構成される。この例示的な実施形態では、流れ軸が図２に示されるｘ軸に対応する。生成された流れは、処理チャンバ２０の内部２０ａからワークピース表面２２ａの処理中に形成された粒子雲３１を効果的に除去することができる。これは、粒子雲３１によって引き起こされるレーザー加工中の干渉効果を回避するか、または少なくとも大幅に低減することを可能にする。流れ発生器ユニット３２は、粒子雲３１が形成されるときはいつでも、処理チャンバ２０内に液体を導入するように構成することができる。加圧ポンプおよび吸引ポンプを用いることにより、処理チャンバ２０の内部２０ａに導入された液体を処理チャンバ２０の反対側から同時に排出することができ、処理チャンバ２０の内部２０ａのより均一な流れを調整することができる。あるいは、流れ発生器ユニットが加圧ポンプのみ、または吸引ポンプのみを備えるようにしてもよい。

【0046】

図２から分かるように、本明細書に示す実施形態は、処理チャンバ２０の内部２０ａにガスを導入するように構成されたガス入口３８も含む。特に、ガスは、高圧で内部２０ａに導入することができる。その結果、レーザー加工動作が開始する前および／または加工動作が完了した後に、ワークピース２２の表面２２ａから粒子を除去することができる。これは、いくつかのプロセスステップが１つの同じチャンバ内で実行されることを可能にし、全体的な加工動作をより効率的にする。加えて、ガス入口３８は有利には処理が完了した後に、処理されたワークピースを乾燥させるために使用され得る。さらに、１つ以上のガス出口が、処理チャンバ２０内に設けられてもよい。

【0047】

図２に示す例示的な実施形態では、位置決めユニット１６は、ｘ／ｙ平面内でワークピース２２の表面２２ａ上にレーザー光を位置決めするように構成されたレーザースキャナとして設計されているが、特にｚ軸に沿ってワークピース２２を位置決めするように構成された位置決めテーブル４０が代替的にまたは追加的に設けられてもよい。これにより、一方ではレーザー光１４の焦点位置を調整することができ、他方では処理チャンバ２０と位置決めテーブル４０との間の距離を画定することができる。したがって、第２の側面２６において処理チャンバ２０から液体を漏出することができるか、またどれだけの量の液体を漏出することができるかを調整することができる。例えば、レーザー加工動作中に比較的多量の粒子が形成されることが予想される場合、例えば、処理チャンバ２０と位置決めテーブル４０との間の間隔が増大され、流れ発生器ユニット３２が比較的高圧で処理チャンバ２０の内部２０ａに液体を導入し、その結果、大量の液体が処理チャンバ２０に導入され、また、適時に排出されるようにしてもよい。このようにして、内部２０ａに形成された粒子雲３１の特に効率的な除去が可能になる。

【0048】

図３は、図２に示される処理チャンバ２０の平面図を示す。この図に見られるように、処理チャンバ２０の図示の実施形態には複数の流れ発生器ユニットが設けられ、そのうちの液体入口チャネル３４および液体出口チャネル３６がこの図にそれぞれ示されている。本明細書に示される処理チャンバ２０の実施形態には合計６つの流れ発生器ユニットが設けられており、６つの流れ軸に沿って処理チャンバ内に流れを生成するように構成されている。流れ軸は、互いに６０°の角度を形成する。図２に示されるように、液体入口チャネル３４および液体出口チャネル３６はそれぞれ、環状チャンバ壁３０に形成され、処理チャンバ２０の内部２０ａの周囲に円形に配置される。６つの異なる方向における流れを調整できることにより、書き込み方向に応じて液体の流れ方向を調整することができ、これにより、粒子雲３１および任意のキャビテーション気泡を特に効率的に除去することができる。

【0049】

図４は、本発明による処理チャンバ２０のさらなる例示的な実施形態を示す。ここに示す例示的な実施形態では、集束ユニット１８がｚ軸に沿って配置することができる集光レンズとして設計されている。このようにして、レーザー照射１４の焦点位置を位置決めすることが可能である。これにより、ビーム直径をワークピース表面２２ａ上で調整することができる。加えて、図４に示される例示的な実施形態では、処理チャンバ２０がｚ軸に沿って配置されるように適合されることが提供される。これにより、処理チャンバ２０と位置決めテーブル４０との間の位置を調整することができ、このようにして、処理チャンバ２０の第２の側面２６からどれだけの量の液体を漏出することができるかを調整することができる。

【0050】

図５は、図４に示した処理チャンバ２０の平面図を第１の動作形態で示している。ここに示すレーザー加工動作では、レーザー照射１４の焦点が正のｘ軸に沿って移動する。処理チャンバ２０の内部２０ａに生成された粒子の効果的な除去を確実にするために、流れ発生器ユニットは、正のｙ軸の向きに液流を生成するように動作される。この例示的な実施形態に示されるように、ｙ軸方向の流れを生成するために、流れ発生器は、合計３つのポンプおよび３つの液体入口チャネル３４によって提供される複数の液流を生成することができる。処理チャンバ２０の内部２０ａの液体入口チャネル３４に対向する側には３つの液体出口チャネル３６が設けられており、これらは吸引ポンプによって処理チャンバ２０の内部２０ａから液体を排出する。このようにして、チャンバ２０の内部２０ａに液流が生成され、この液流は、書き込み方向に対して直角に配向される。図５に示す処理チャンバ２０は異なる方向の液流を簡単な方法で発生させることができ、その結果、それぞれの処理方向または書き込み方向に最適な液流方向を調整することができることを示している。

【0051】

図６は、図４に示される処理チャンバ２０のさらなる平面図を示す。ここで、描画モードでは、集束レーザー光１４がワークピースの表面に沿って斜めに移動することが分かる。この書き込みモードでは、流れ方向が３つの加圧ポンプを駆動することによって調整され、その結果、液体は３つの液体入口チャネル３４を通って、書き込み方向に対して実質的に直角に配向された流れ方向に、処理チャンバ２０の内部２０ａに流入する。加えて、３つの吸引ポンプが作動され、その結果、液体は、処理チャンバ２０の内部２０ａから、アクティブな液体入口チャネル３４の反対側にある３つの液体出口チャネル３６に排出される。このようにして、均一な流れが処理チャンバ２０の内部２０ａに生成され、この流れはレーザー照射の書き込み方向に対して直角に配向される。実験テストに示されるように、処理品質、特に切削品質は、液体の流れ方向が書き込み方向に対して直角に配向される処理チャンバ２０の内部２０ａにおいて調整される場合、改善され得る。

【0052】

すでに上述したように、本実施形態によれば、流れ発生器は第１の方向に流れを生成し、第２の方向に流れを生成するように構成された２つの流れ発生器ユニットのみを備えることもできる。例えば、処理チャンバ２０は、正のｘ軸の方向に液流を生成するように構成された第１の流れ発生器ユニットと、正のｙ軸の方向に液流を生成するように構成された第２の流れ発生器ユニットとを含むことができる。このようにして、処理チャンバ２０の内部２０ａにおいて、それぞれ１つの流れを調整することができ、この流れは、現在の書き込み方向に対して直交するか、または可能な限り直交する。したがって、レーザー照射がｘ軸の方向に進むと、ｙ軸の方向に液体の流れを発生させることができる。レーザー照射がｙ軸の方向に進むと、ｘ軸の方向に流れを発生させることができる。一方、レーザー照射が、ｘ軸に対して４５°未満の角度を形成する軸に沿って移動される場合、ｙ軸の方向に流れを生成することができる。一方、レーザー照射が、ｙ軸に対して４５°を超える角度を形成する軸に沿って移動される場合、ｘ軸の方向に流れを生成することができる。このようにして、書き込み方向に対して可能な限り直角に配向された流れを常に提供することができる。

【0053】

さらに、図７は、本発明による処理チャンバ２０の異なる実施形態を示す。図７（ａ）では、処理チャンバ２０は、比較的大量の液体が処理チャンバ２０の第２の側面２６から流出できるように調整される。これは、例えば、ｚ軸に沿って処理チャンバ２０の位置を調整することによって、またはｚ軸に沿って位置決めテーブル４０を調整することによって実現することができる。第２の側面２６上で開放設計の処理チャンバ２０と位置決めテーブル４０との間の相対距離によって、第２の側面２６においてどれだけの量の液体を漏出することができるかが決定する。すでに上述したように、特に大量の液体が処理チャンバ２０を通って流れる場合、処理チャンバ２０と位置決めテーブル４０との間の比較的大きな距離が有利となり得る。これは、比較的多量の粒子がレーザー加工中に生成されることが予想される場合に特に当てはまる。

【0054】

図７（ｂ）は、処理チャンバ２０と位置決めテーブル４０との間の距離が、処理チャンバ２０の第２の側面２６から比較的少ない量の液体が漏出することを可能にするように調整される、別の例示的な実施形態を示す。これは、処理チャンバ２０の内部２０ａ内で発生した粒子および任意のキャビテーション気泡を除去するのに、低流量でも十分であると予想される場合に特に有利であり得る。例を図に示す。７（ａ）および（ｂ）は、第２の側面２６が開放設計である処理チャンバ２０が、１つの同じ処理チャンバ２０を使用して任意のサイズのワークピースを処理できるという従来技術を超える利点を提供することを示す。処理チャンバ２０は比較的小さく設計されているが、この処理チャンバ２０を使用して、数十ｃｍ、さらには１ｍより大きい寸法を有するワークピースを処理することができる。

【0055】

図７（ｃ）は、本発明による処理チャンバ２０のさらなる例示的な実施形態を示す。この例示的な実施形態では、シール要素４２もまた、液体が処理チャンバ２０の第２の側面２６から漏出するのを防止するために設けられる。これにより、レーザー加工時の液体消費量を低く抑えることができる。加えて、密封された処理チャンバ２０は、チャンバ２０からどれだけの量の液体が排出されるかについての簡素化された制御を可能にする。

【0056】

図７（ｄ）では処理チャンバ２０がその第２の側面２６上に追加のカバー要素４４を有し、この実施形態ではカバープレートとして設計される。カバー要素４４は加工されるべきワークピースの領域のみが露出されるように、ワークピース２２をカバーする役割を果たす。一方では、これはワークピース２２が加工作業中にレーザー照射１４に実際に曝露される領域でのみ、液と接するという長所を有する。これは、使用される液体との望ましくない相互作用を示すワークピースを使用する場合に特に有利である。カバー要素４４を使用する別の利点は、図７（ｃ）に示される実施形態よりも必要な液体が少なくて済むことである。

【0057】

最後に、図８は、液体中のワークピースのレーザー加工のための、本発明による方法１００の例示的な実施形態を示す。ここに示される方法１００では、第１のステップ１１０において、ワークピースが処理チャンバ２０の内部に提供される。例えば、処理チャンバ２０は、図７に示される例示的な実施形態に従って形成されてもよい。第２のステップ１２０では、処理チャンバの内部が液体で満たされる。液体は、水または他の液体であり得る。次のステップ１３０では、パルスレーザー照射が集束ユニットを使用して、ワークピースの表面上に集束される。次に、ステップ１４０において、集束レーザー光の相対移動がワークピースの表面上に生成され、この目的のために位置決めユニットが使用される。位置決めユニットはレーザー光の絶対位置を変更するように、またはワークピースの絶対位置を変更するように構成することができる。別の工程１５０では、処理チャンバの内部の液流が生成され、その際、流れ発生器が使用される。特に、流れ発生器は第１の流れ発生器ユニットおよび第２の流れ発生器ユニットを含むことができ、各々は、第１の方向および第２の方向に流れを生成するように構成される。最後に、次の工程１６０において、液流の流れ方向は、ワークピースの表面上の集束されたレーザー照射の相対移動方向に応じて調整される。特に、ワークピース表面上のレーザー照射の相対移動方向に直交する流れ方向を調整することができる。これにより、チャンバ内で発生した粒子やキャビテーション気泡を効率よく除去することができ、レーザー加工時の干渉効果を大幅に低減し、切断品質を向上させることができる。

【0058】

個々の工程は理解を深めるために固定された順序で上述されているが、個々のステップは異なる順序で実行することもできることが当業者には明らかである。例えば、処理チャンバの内部の液流を最初に生成することができ、その後にのみパルスレーザー照射をワークピースの表面に集束させることができる。

【0059】

本発明はレーザー切断プロセスに関連して特に説明されてきたが、本発明が他のレーザー加工動作にも使用できることは当業者には明らかである。特に、本発明は、パルスレーザー照射を用いた液体中の表面のレーザーパターニングにも適用される。

【0060】

本発明はさらに、以下の態様を含む。

【0061】

１． パルスレーザー照射を発生させるためのレーザー光源と、
レーザー照射をワークピース上に集束させる集束ユニットと、
ワークピースを受け入れるための処理チャンバと、
ワークピース上のレーザー照射の位置を調整するための位置決めユニットと、を含み、
前記処理チャンバは、
レーザー照射を通過させるための透明なプロセスウィンドウを有する第１の側面と、
第１の側面に対向して配置された第２の側面と、
前記処理チャンバの内部を囲むチャンバ壁と、
処理チャンバの内部で流れを生成するための流れ発生器と、を含み、前記流れ発生器は、第１の流れ軸に沿って第１の流れを生成するための第１の流れ発生器ユニットと、第２の流れ軸に沿って第２の流れを生成するための第２の流れ発生器ユニットとを備える、液体中のワークピースをレーザー加工するためのシステム。

【0062】

２． 第１の流れ軸および第２の流れ軸が共に、８０°～１００°、好ましくは８５°～９５°、特に好ましくは９０°の角度を形成することを特徴とする、態様１に記載のシステム。

【0063】

３． 前記第１の流れ発生器ユニットまたは前記第２の流れ発生器ユニットは、吸引ポンプおよび／または加圧ポンプを備えることを特徴とする、態様１または２に記載のシステム。

【0064】

４． 前記第１の流れ発生器ユニットまたは前記第２の流れ発生器ユニットは、吸引ポンプおよび加圧ポンプを備え、前記吸引ポンプは前記加圧ポンプに対向する前記処理チャンバの内部の側面に配置され、特に、前記加圧ポンプによって前記液体が導入されるのと同じ速度で前記処理チャンバの内部から液体を排出するように構成されることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0065】

５． 前記処理チャンバの前記第２の側面は、開放設計であることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0066】

６． 前記処理チャンバは、前記第２の側面に配置され、前記処理チャンバを開状態から閉状態に移行するように構成された閉鎖フラップを備えることを特徴とする、態様５に記載のシステム。

【0067】

７． 前記処理チャンバの前記第２の側面は、閉鎖設計であることを特徴とする、態様１～４のいずれか１つに記載のシステム。

【0068】

８． 前記ワークピース上の前記レーザー照射の位置を調整するための前記位置決めユニットは、前記レーザー照射を偏向させるためのレーザースキャナおよび／または前記ワークピースを位置決めするための位置決めテーブルを備え、前記位置決めテーブルは特に、水平面内に、さらに鉛直方向内に前記ワークピースを位置決めするように構成されることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載の装置。

【0069】

９． 前記集束ユニットは、集光レンズ、顕微鏡の対物レンズ、および／または凹面鏡を備えることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0070】

１０． 前記処理チャンバは、ガス供給装置および／またはガス排出装置を備えることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0071】

１１． パルスレーザー照射を生成するためのレーザー光源は、１０ｆｓ～３００ｐｓ、好ましくは１００ｆｓ～２００ｐｓのパルス持続時間を有するパルスレーザー照射を生成するように構成されることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0072】

１２． 空間光変調器または回折光学素子によって特徴付けられ、前記空間光変調器または回折光学素子は、ワークピースの平行レーザー加工のための複数のレーザー光を提供するように構成されることを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0073】

１３． 処理チャンバの内部の記録を行うように構成されたカメラシステムを特徴とする、前記態様のいずれか１つに記載のシステム。

【0074】

１４． 処理チャンバの内部にワークピースを提供することと、
処理チャンバの内部を液体で満たすことと、
集束ユニットを使用して、ワークピースの表面上にパルスレーザー照射を集束し、
位置決めユニットを使用して、ワークピース表面上に集束されたレーザー照射の相対移動を生成することと、
流れ発生器を使用して処理チャンバの内部に液流を生成することと、
液流の流れ方向を、ワークピースの表面上の集束されたレーザー照射の相対的な移動方向に応じて調整することと、
を含む液体中でワークピースをレーザー加工するための方法。

【0075】

１５． 前記流れ方向を調整することは、前記ワークピース表面上の前記レーザー照射の相対的な移動方向に対して直角に配向された流れ方向を調整することを含むことを特徴とする、態様１４に記載の方法。

【0076】

１６． ワークピースの表面に沿った集束されたレーザー照射の相対移動は、０．６～１．４ｍｍ／ｓ、特に０．８～１．２ｍｍ／ｓ、特に好ましくは１ｍｍ／ｓの速度で行われることを特徴とする、態様１４または１５に記載の方法。

【0077】

１７． 流速が１～１０ｍ／ｓ、特に４～６ｍ／ｓ、特に好ましくは５ｍ／ｓであることを特徴とする、態様１４～１６のいずれか１つに記載の方法。

【0078】

１８． カメラシステムを用いてレーザー照射の相対移動方向を検出し、
レーザー照射の検出された相対的な移動方向に直交する流れ方向を調整することを特徴とする、態様１４～１７のいずれか１つに記載の方法。

【符号の説明】

【0079】

１０ レーザー加工システム
１２ レーザー光源
１４ レーザー照射
１６ 位置決めユニット
１８ 集束ユニット
２０ 処理チャンバ
２０ａ 処理チャンバの内部
２２ ワーク
２２ａ ワーク表面
２４ 処理チャンバの第１の側面
２６ 処理チャンバの第２の側面
２８ プロセスウィンドウ
３０ チャンバ壁
３１ 粒子雲
３２ 流れ発生器ユニット
３４ 液体入口チャネル
３６ 液体出口チャネル
３８ ガス入口
４０ 位置決めテーブル
４２ シール要素
４４ カバー要素
１００ 液体中のワークピースのレーザー加工のための本発明による方法
１１０ 第１の工程
１２０ 第２の工程
１３０ 第３の工程
１４０ 第４の工程
１５０ 第５の工程
１６０ 第６の工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】