Die Erfindung betrifft Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen (Debris) an wenigstens einer geometrischen und mittels einer Mikrotechnik und/oder einer Nanotechnik hergestellten Struktur wenigtsens eines Körpers, wobei die Schmutzablagerungen bei der Erzeugung der geometrischen Struktur durch eine Ablation oder eine Verdampfung von Material entstandene Schmutzablagerungen sind, und Verwendungen eines ultrakurz gepulsten Lasers mit Pulsen im Burst-Modus.

Bei der Erzeugung von geometrischen Strukturen durch eine Ablation oder eine Verdampfung von Material können Schmutzablagerungen an den geometrischen Strukturen entstehen. Diese können durch eine Trockeneis- Bestrahlung, eine Glasperlen-Bestrahlung, Plasma-Polieren oder nasschemisches Ätzen entfernt werden. Bei Verwendung der Trockeneis- Bestrahlung besteht die Möglichkeit, dass nicht alle erzeugten Debris entfernt werden können. Bei der Verwendung der Glasperlen-Bestrahlung, dem Plasma- Polieren und dem nasschemischen Ätzen kann auch das unter den Debris befindliche Material teilweise abgetragen werden, wodurch Konturen der geometrischen Strukturen abgerundet oder nicht erhalten bleiben. Bei Verwendung des Plasma-Polierens und des nasschemischen Ätzens treten insbesondere auch chemische Abprodukte auf. Weiterhin funktioniert das Plasma-Polieren nur bei Metallen und Metalllegierungen.

Durch die Druckschrift US 2001/0 009 250 A1 ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung oder Lasermodifikation von Materialien bekannt, wobei eine Kombination aus ultraschnellen Laserpulsen und Bursts mit einer hohen Wiederholungsrate zur Materialbearbeitung verwendet werden. Eine aufgeführte Anwendung ist ein Bohren eines Durchgangsloches in eine Folie mit einem einzigen Burst, gefolgt von einem zusätzlichen Schuss, um das Bohrloch von Schutt zu reinigen. Das Entfernen des Schuttes und damit die Reinigung erfolgt aber nicht durch Abtrag des genannten Schuttes, sondern durch Vergrößerung des Durchmessers des Durchgangsloches. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass über eine geeignete Wahl der Laserparameter in Abhängigkeit der Lochdurchmesser erhebliche Schmelztrümmer durch einen Materialauswurf vermeidbar sind. Ein Reinigen durch Entfernung von Schmutzablagerungen (Debris) an wenigstens einer geometrischen und mittels einer Mikrotechnik und/oder einer Nanotechnik hergestellten Struktur wenigstens eines Körpers ist nicht Gegenstand dieser Druckschrift.

Die Druckschrift US 2007/0 272 667 A1 offenbart eine Mikrobearbeitung mit kurz gepulster ultravioletter Laserstrahlung, um den Durchsatz für die Lasermikrobearbeitung von mikroelektronischen Fertigungsmaterialien zu erhöhen. Unter anderem betrifft das die Reinigung von Lötpads durch ein gezieltes Entfernen einer Epoxid-Harz-Schicht auf Lötstellen. Dazu wird einfach gepulste Laserstrahlung im UV-Bereich genutzt, um diese Schichten abzutragen. Die Schichten resultieren aus Lötstoppmasken, welche so entfernt werden, dass die Lötstelle nicht beschädigt wird. Damit kann nachträglich an dieser Lötstelle wieder gelötet werden. Die jeweilige Schicht wird dabei durch Verdampfen ablatiert. Eine Entfernung von Schmutzablagerungen ist nicht Gegenstand dieser Druckschrift.

Die Druckschrift DE 10 2019 219 121 A1 betrifft ein Verfahren zum Abtragen von Material von einer Oberfläche. Die Druckschrift bezieht sich auf ein Glätten von unerwünschten Oberflächenstrukturen, die bei hohen Fluenzen als konusähnliche Vorsprünge entstehen. Diese bilden eine schaumartige Struktur und vermindern somit die Güte einer behandelten Oberfläche. Mittels Hochfrequenz-Pulspaketen wird die Oberfläche beaufschlagt, wobei durch thermische Effekte und/oder Schmelzeffekten eine Glättung der Oberfläche erfolgt. Ein Entfernen von Ablagerungen ist aus dieser Druckschrift nicht ableitbar.

Die Druckschrift US 2010/0 096 371 A1 beinhaltet ein Verfahren zum kontinuierlichen Reinigen von flexiblen Blechen, die auf einem Band transportiert werden. Um große Flächen realisieren zu können, wird der Laserstrahl mittels Strahlteiler geometrisch getrennt und somit ein großflächiges Raster erzeugt. Dabei wird großflächig eine Schicht durch Spallation abgetragen, wobei der Puls selbst Stoßwellen zum Abtragen der Schicht erzeugt. Das Verfahren beschränkt sich auf flache und flexible Bleche, die auf einem Fließband transportiert werden. Als Laser ein Nd:YAG Laser mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich verwendet.

Durch die Druckschrift US 2007/0 251 543 A1 ist ein Verfahren zum Reinigen von Materialoberflächen bekannt, welches auf das Reinigen von lithografischen Apparaturen oder zur Substratreinigung fokussiert ist. Die Durchführung des Verfahrens erfolgt in einer Vakuumkammer. Zur Reinigung wird eine Stoßwelle durch thermische Expansion im Material erzeugt, so dass ein thermisch induzierter Materialabtrag eingeleitet wird. Dazu werden insbesondere Pulse im Nanosekundenbereich genutzt, um eine Schockwelle im Material zu erzeugen. Eine Vielzahl an Pulsen im Nanosekundenbereich kann so genutzt werden, um eine Fläche zu bearbeiten.

Die Druckschrift US 2006/0 108 330 A1 betrifft eine Reinigung von Oberflächen durch eine plasmainduzierte Stoßwelle. Dazu wird ein Plasma nahe der Materialoberfläche gezündet und die ausgesendete Stoßwelle reinigt die Oberfläche. Dabei wird durch den maßgeblich thermischen Prozess eine Schutzschicht beispielsweise aus Gold, Silber, Platin oder Rhodium zwischen dem Plasma und der zu reinigenden Oberfläche verwendet.

Der in den Patentansprüchen 1 und 6 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schmutzablagerungen, welche bei der Erzeugung geometrischer Strukturen mittels einer Mikrotechnik und/oder Nanotechnik durch eine Ablation oder einer Verdampfung von Material entstanden, einfach zu entfernen.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 6 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen (Debris) an wenigstens einer geometrischen und mittels einer Mikrotechnik und/oder einer Nanotechnik hergestellten Struktur wenigstens eines Körpers, wobei die Schmutzablagerungen bei der Erzeugung der geometrischen Struktur durch eine Ablation oder eine Verdampfung von Material entstandene Schmutzablagerungen sind, und die Verwendungen eines ultrakurz gepulsten Lasers mit Pulsen im Burst-Modus zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die entstandenen Schmutzablagerungen einfach entfernbar sind.

Dazu wird zur Entfernung der Schmutzablagerungen die geometrische Struktur des Körpers mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung eines Lasers mit Pulsen im Burst-Modus beaufschlagt.

Die ultrakurz gepulste Laserstrahlung des Lasers mit Pulsen im Burst-Modus wird zur Entfernung von Schmutzablagerungen (Debris) an wenigstens einer geometrischen und mittels einer Mikrotechnik und/oder einer Nanotechnik hergestellten Struktur verwendet, wobei die Schmutzablagerungen bei der Erzeugung der geometrischen Struktur durch eine Ablation oder eine Verdampfung von Material entstandene Schmutzablagerungen sind.

Der Burst-Modus ist eine Lasertechnik, bei der Pulsgruppen mit einer definierten Anzahl an Pulsen pro Gruppe (eine Pulsgruppe ist ein Burst) und einer definierten Anzahl an Pulsenergie pro Puls in einer Gruppe mit der Materialoberfläche wechselwirken. Die Pulswiederholfrequenz in einem Burst kann dabei größer/gleich 1 GHz sein. Die Pulsdauer eines Pulses in einer Gruppe kann gleich/kleiner 1 ns sein. Mittels einer Relativbewegung zwischen der Laserstrahlung und der Materialoberfläche können die Pulsgruppen mit einer definierten Burstwiederholfrequenz auf dem Material bewegt werden.

Der erste Puls der Pulsgruppe erzeugt auf der Schmutzablagerung (Debris) ein Plasma. Eine Pulsgruppe ist dabei ein Burst. Durch die sehr kurze Pulswiederholzeit von wenigen bis einigen Pikosekunden wechselwirkt der Folgepuls mit diesem Plasma. Dadurch wird eine starke Stoßwelle induziert und die Schmutzablagerungen (Debris) durch die Druckwelle entfernt. Die Anzahl an Stoßwellen kann mit der Anzahl an Pulsen im Burst reguliert werden. Die Kraft der Stoßwelle kann mit der Pulsdauer und der Fluenz pro Puls reguliert werden.

Das Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen und die Verwendung eines ultrakurz gepulsten Lasers mit Pulsen im Burst-Modus zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass nur ein geringer bis kein Betrag an Material abgetragen wird, wodurch die Sollwerte der geometrischen Struktur annähernd erhalten bleiben. Chemischen Abprodukte treten nicht auf.

Vorteilhafterweise entstehen während und nach dem Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen und der Verwendung eines ultrakurz gepulsten Lasers mit Pulsen im Burst-Modus sehr geringe bis keine wärmebeeinflussten Zonen in der geometrischen Struktur.

Damit kann das Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen oder die Verwendung eines ultrakurz gepulsten Lasers mit Pulsen im Burst-Modus vorteilhafterweise in der Mikroelektronik, der Mikrosystemtechnik und der Mikroverfahrenstechnik zur Reinigung der damit hergestellten geometrischen Strukturen angewandt werden. Geometrische Strukturen können bei der Mikrosystemtechnik insbesondere mechanische, optische, chemische oder biochemische Komponenten sein.

Das Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen oder die Verwendung eines ultrakurz gepulsten Lasers mit Pulsen im Burst-Modus sind ein hochselektives Reinigungsverfahren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Pulswiederholfrequenz in einem Burst kann in einer Ausführungsform gleich/größer 1 GHz und die Pulsdauer eines Pulses in einem Burst kleiner/gleich 1 ns sein. Mit einem ersten Puls des Burst (Pulsgruppe) wird in einer Ausführungsform auf der Debris ein Plasma erzeugt. Mit der Wechselwirkung wenigstens eines Folgepulses oder von Folgepulsen des Burst mit dem Plasma wird eine Stoßwelle als Druckwelle oder Stoßwellen als Druckwellen auf die wenigstens eine Schmutzablagerung induziert und die Schmutzablagerung entfernt.

Die Anzahl an Stoßwellen kann in einer Ausführungsform mit der Anzahl an Folgepulsen im Burst bestimmt werden.

Die Kraft der Stoßwelle kann in einer Ausführungsform mit der Pulsdauer und der Fluenz pro Folgepuls bestimmt werden.

Zur Entfernung von Schmutzablagerungen kann in einer Ausführungsform ultrakurz gepulste Laserstrahlung des Lasers mit Pulsen im Burst-Modus mit einer Pulswiederholfrequenz in einem Burst gleich/größer 1 GHz und einer Pulsdauer eines Pulses in einem Burst kleiner/gleich 1 ns verwendet werden.

Ein mit einem ersten Puls des Burst (Pulsgruppe, Pulszug) auf der Debris erzeugtes Plasma und eine mit der Wechselwirkung wenigstens eines Folgepulses oder von Folgepulsen des Burst mit dem Plasma induzierte und auf die wenigstens eine Schmutzablagerung wirkende Stoßwelle als Druckwelle wird in einer Ausführungsform zur Entfernung der Schmutzablagerung verwendet.

Zur Entfernung von Schmutzablagerungen können in einer Ausführungsform der Laser mit der ultrakurz gepulsten Laserstrahlung und wenigstens ein Scanner zum Führen der Laserstrahlung und/oder eine Antrieb in Verbindung mit einem Träger des Körpers verwendet werden. Mittels einer so realisierbaren Relativbewegung zwischen der Laserstrahlung und der Materialoberfläche können die Pulsgruppen mit einer definierten Burstwiederholfrequenz auf dem Material bewegt werden. Zur Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Das Ausführungsbeispiel soll dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer gepulsten Laserstrahlung mit einem Einzelpuls-Modus,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer gepulsten Laserstrahlung mit einem Burst-Modus und

Fig. 3 eine Einrichtung zur Entfernung von Schmutzablagerungen.

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren zur Entfernung von Schmutzablagerungen (Debris) an wenigstens einer geometrischen und mittels einer Mikrotechnik und/oder einer Nanotechnik hergestellten Strukturwenigstens eines Körpers 8, wobei die Schmutzablagerungen bei der Erzeugung der geometrischen Struktur durch eine Ablation oder eine Verdampfung von Material entstandene Schmutzablagerungen sind, und eine Verwendung eines ultrakurz gepulsten Lasers 3 mit Pulsen im Burst-Modus zusammen näher erläutert.

Dazu zeigen die Fig. 1 eine schematische Darstellung einer gepulsten Laserstrahlung mit einem Einzelpuls-Modus und die Fig. 2 eine schematische Darstellung einer gepulsten Laserstrahlung mit einem Burst-Modus.

Der Burst-Modus ist eine Lasertechnik, bei der Pulsgruppen 2 mit einer definierten Anzahl an Pulsen pro Pulsgruppe 2 und einer definierten Anzahl an Pulsenergie pro Puls in einer Pulsgruppe 2 mit der Materialoberfläche wechselwirken. Eine Pulsgruppe 2 ist ein Burst. Die Pulswiederholfrequenz in einem Burst ist dabei größer/gleich 1 GHz. Die Pulsdauer eines Pulses in einer Pulsgruppe 2 ist gleich/kleiner 1 ns. Die Fig. 1 zeigt zwei Einzelpulse 1 mit der Pulsenergie y in Abhängigkeit der Zeit x. In der Fig. 2 sind zwei Pulsgruppen 2 und damit zwei Bursts mit der Pulsenergie y in Abhängigkeit der Zeit x dargestellt.

Der erste Puls der Pulsgruppe 2 eines Pulszuges (Burst) erzeugt auf der Debris ein Plasma. Durch die sehr kurze Pulswiederholzeit von wenigen bis einigen Pikosekunden wechselwirkt der Folgepuls mit diesem Plasma. Dadurch wird eine starke Stoßwelle induziert und die Debris durch einen vorrangig mechanischen Prozess entfernt. Die Anzahl an Stoßwellen kann mit der Anzahl an Pulsen im Burst reguliert werden. Die Kraft der Stoßwelle kann mit der Pulsdauer und der Fluenz pro Puls reguliert werden.

Die Fig. 3 zeigt eine Einrichtung zur Entfernung von Schmutzablagerungen in einer prinzipiellen Darstellung.

Zur Entfernung von Schmutzablagerungen können der Laser 3 mit der ultrakurz gepulsten Laserstrahlung 4 und wenigstens ein Scanner 5 zum Führen der Laserstrahlung 4 und/oder wenigstens ein Antrieb 6 als ein Bewegungsmechanismus in Verbindung mit einem Träger 7 des Körpers 8 verwendet werden. Mit einer Verwendung eines Scanners 5 und einer nachgeordneten F-Theta-Optik 9 kann die Laserstrahlung 4 über die Oberfläche der geometrischen Struktur des Körpers 8 geführt werden. Die F-Theta-Optik 9 fokussiert die Laserstrahlung 4 auf den Brennpunkt und bewirkt während des Scannens, dass der Brennpunkt immer in der Arbeitsebene senkrecht zur optischen Achse der F-Theta-Optik 9 liegt. Darüber hinaus folgt die Position in der Arbeitsebene näherungsweise der F-Theta-Bedingung, die Scan-Länge (Bildhöhe) ist etwa proportional zum eingestellten Scan-Winkel. Der Antrieb 6 kann insbesondere eine Einrichtung für eine Bewegung in wenigstens einer Richtung des Trägers sein.