(57)【要約】      （修正有）【課題】従来技術の欠点を解決できる改善された高エネルギー放射線、特にレーザー光線によるワークピースのマーキング又は描画方法を提供する。【解決手段】高エネルギー放射線、特にレーザー光線１を用いてワークピース３をマーキング又は描画するにあたり、前記ワークピース３は放射線の波長を透過し、ポリマーマトリックス７は、放射線がポリマーマトリックス７に当たる前にワークピース３を通過するように、ワークピース３の近くに配置されるマーキング又は描画方法であって、ポリマーマトリックス７及びワークピース３接触する液体フィルム１５がポリマーマトリックス７とワークピース３の間に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギー放射線、特にレーザー光線（１）を用いてワークピース（３）をマーキング又は描画するにあたり、前記ワークピース（３）は放射線の波長を透過し、ポリマーマトリックス（７）は、放射線がポリマーマトリックス（７）に当たる前にワークピース（３）を通過するように、ワークピース（３）の近くに配置される、マーキング又は描画方法であって、ポリマーマトリックス（７）及びワークピース（３）に接触する液体フィルム（１５）がポリマーマトリックス（７）とワークピース（３）の間に配置されることを特徴とする上記方法。
【請求項２】
放射線によって、ポリマーマトリックス（７）の材料の除去が引き起こされ、そして液体フィルム（１５）が、ポリマーマトリックス（７）の除去された成分及び／又はそこから形成した生成物を取り込む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
液体フィルム（１５）として、６００〜１５００ｎｍの波長の範囲において吸収を示さないか、１０％よりも小さい吸収度しか示さない液体を選択し、かつ、６００〜１５００ｎｍの波長範囲の放射線を使用する、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
液体フィルム（１５）として、ゾル、ゲル又は粘弾性のある物質を選択する、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
液体フィルム（１５）が２５０ｎｍ〜１０ｍｍの厚さを有する、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
生成物を形成する所望の反応のための反応体として用意のできた イオンが液体フィルム中に溶解し、その際、生成物は高エネルギー放射線、特にレーザー光線（１）の作用下にワークピース（３）上に堆積する、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
放射線の作用下に、液体フィルム（１５）が局所的にそれの凝集体状態を変化させ、特にガス状態になる、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギー放射線、特にレーザー光線によるワークピース（半加工品）のマーキング又は描画方法に関し、ここで、ワークピースは、放射線の波長を透過し、放射線がポリマーマトリックスに当たる前にワークピースを通過するように、ポリマーマトリックスはワークピースの近くに配置される。
【背景技術】
【０００２】
ワークピースの材料加工におけるレーザー光線の使用は、基本的に、放射線の吸収、並びに、後に続くプロセスによるエネルギー変換、例えば、蒸発、イオン化、粒子の除去、及び光化学的な事象などを基礎とすることが知られている。これらのプロセスは、ワークピースそれ自身において行うことができ、その結果、例えば、彫板の形態でマーキング及び描画が生じるか、又は例えば、パルスレーザー堆積法（ＰＬＤ）の枠内で、他の材料をワークピース上に局所的に堆積させる。パルスレーザー堆積法の変形は、特にワークピースの材料が使用するレーザー光線の波長を透過するようなワークピースで行われる。
【０００３】
例えば、吸収性のポリマーマトリックスが、透過性のあるワークピースに直接接触するように配置され、その結果、レーザー光線はワークピースを通過し、ワークピースとポリマーマトリックスの間の境界面に当たり、ポリマーマトリックスの材料が蒸発し、ワークピースの表面にマーキング又は描画として堆積する。
【０００４】
これに関して既知の方法は、幾つかの欠点を有している。第一に、マーキング又は描画の最大高解像度のためには、蒸発した材料ができるワークピースの限り小さい表面で堆積するように、ワークピースとポリマーマトリックスの距離をできる限り小さくする必要がある。このためは、例えば、転写膜の形態でポリマーマトリックスをワークピースに接着させることができる。しかしながら、ワークピースの粗い、濡れた、平坦でないまたは汚された表面を描画するべき場合には、しばしば、少なくとも局所的に、ポリマーマトリックスとワークピースの直接的な接触が存在しない。これは、気泡または他の液状若しくは固体の不純物や、又は凹凸を含むことによって引き起こされ得る。ポリマーマトリックスとワークピースとの間に距離を置くことは、多くの欠点を招く。第一に、一方ではワークピース（光学上、密である）と空気（光学上、薄い）の間に、他方では空気（光学上、薄い）とポリマーマトリックス（光学上、密である）の間に、二つの追加の境界面が生じることとなる。これにより、ここで、散乱と反射を通じ望ましくない損失を生じることになり、この場合、レーザー光線の出力の一部が所望の蒸発プロセスに利用されず、それだけでなく、望ましくないまたはそれどころが損害を与えるようなワークピース及び／又はポリマーマトリックスの領域の加熱が生ずる。次に、ポリマーマトリックスとワークピースとの距離が大きければ大きいほど、ポリマーマトリックスの除去された材料が、より大きい面積範囲に分布することになる。その結果、マーキング又は描画の解像度が悪くなる。他には、ポリマーマトリックスとワークピースとの距離が大きければ大きいほど、ポリマーマトリックスから除去された材料の量に対するワークピースに堆積する材料の量の割合は小さくなる。さらに、マーキング又は描画として働くべき定められた反応生成物を生成するためには、ポリマーマトリックスに供された反応体が、閉じられた反応空間内で反応してこの生成物となる必要があり得る。ポリマーマトリックスとワークピースとの間の空気の空隙への開口により、そのような反応空間の形成を達成されないことがある。最後に、ポリマーマトリックスの材料除の際に、同じくポリマーマトリックス由来の好ましくない副生成物を含有する所謂スモークを発生させる。このスモークは、ワークピースのマーキング又は描画に若しくはその周りに、できるだけ少ない量で破片として紛れ込むのがよい。ポリマーマトリックスとワークピースとの間に空気が含まれる場合、スモークの発生が大きくなり、乱雑な結果が生じることとなる。
【０００５】
固体ポリマーマトリックスによる方法の他に、レーザーによる方法が既知であり、これは、液体を通じたレーザー光線の表面付近での吸収を増加させることに基づくものである。この際、意図的に、吸収性媒体、一般には有機液体が使用される。この際、加工される裏面において透過性ワークピースは液体と接触し、レーザー放射は前面を通して行われる。液体におけるレーザー光線の吸収により、熱せられた液体からの熱移動が起こり、ガラスマトリックスの融点及び気化点を超える急速な温度上昇が生じる。レーザー誘起背面湿式エッチング（ＬＩＢＷＥ）と呼ばれるこの方法は、ガラス表面の材料の除去を引き起こし、ガラスの微細構造化又は微細彫刻に使用される。
【０００６】
湿潤性の吸収液体を選択した場合、上記の理由から、液体とワークピースとの間の望ましくない空気の封入を避けることが確かにできる。しかしながら、吸収剤としての液体の欠点は、局所的な材料の除去及びそれに続くワークピース上での局所的な堆積ができないところであり、ワークピースからの材料の除去が伝熱を通じて生み出されるだけであり、すなわち、例えば彫刻のみである点である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そのため、本発明の課題は、既知の方法の欠点を克服でき、またワークピースの粗い、濡れた、平坦でないまたは汚れた表面も、高い品質及び解像度でマーキングまたは描画することができる、高エネルギー放射線、特にレーザー光線を用いるワークピースをマーキング又は描画するための改善された方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、請求項１に記載の方法により解決される。好ましい実施形態は従属請求項の主題である。
【０００９】
本発明に従い、高エネルギー放射線、特にレーザー光線によるワークピースのマーキング又は描画方法が提供される。その際、ワークピースは、放射線の波長を透過し、放射線がポリマーマトリックスに当たる前にワークピースを通過するように、ポリマーマトリックスはワークピースの近くに配置される。本方法は、ポリマーマトリックス及びワークピースと接触する液体フィルムがポリマーマトリックスとワークピースの間に配置されるところに特徴がある。
【００１０】
本発明では、ポリマーマトリックスとしては、ポリマー成分に基づくいずれのマトリックスを示す。ポリマー成分に加えて、マトリックスは任意の非ポリマー成分を含むことができ、単に主成分がポリマー性であるべきである。特に「ポリマーマトリックス」という概念は、また、ベースポリマーの混合物も示す。特に好ましい実施形態において、ポリマーマトリックスは、熱硬化性ポリマーマトリックスである。とりわけ熱硬化性樹脂はワークピースのマーキング又は描画に特に適していることを見出した。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明による液体フィルムの配置によって、多くの従来技術の欠点が克服される。まず、マーキング又は描画のためのワークピース表面が粗く、湿っており、平らでなく、又は汚れているとき、ワークピースとポリマーマトリックスの間の距離は液体により埋められる。好ましくは湿潤性の液体フィルムがワークピースと類似の屈折率を有している場合、光学的に粗い表面は滑らかになる。そのため、レーザー光線は、ワークピースからの出るときに、光学的に粗い表面により引き起こされる障害となる全反射及び散乱なしに、そして反射の程度を相当減らして、通過することができる。さらに、液体フィルムは、ポリマーマトリックスの材料が堆積する面の拡大を制限する。すなわち、高エネルギーの入力により、液体フィルムが局所的に蒸発し、トンネル状の気泡が形成し、そのトンネル状気泡を通って、除去された材料が、横方向へは限定されて、ワークピースに向かって移動する。つまり、ワークピースとポリマーマトリックスとの間に間隔があるにも関わらず、解像度は本質的に損なわれない。さらに、液体フィルムはスモークの発生を阻止するか、またはスモークは液体フィルム中に溶けるか懸濁する。その結果、マーキング及び描画の質と純度を本質的に向上させることになる。また、ワークピースとポリマーマトリックスとを直接接触させること比べ、本発明の方法は利点を有する。すなわち、ワークピースの望ましくない加熱を最小限にする、断熱層又は放熱層としての液体フィルムの機能である。液体フィルムは、好ましくは、可能な限りレーザー光線に対し透明であり、そのためそれ自体は、レーザー光線のエネルギー吸収することは殆どなく、加熱されたポリマーマトリックスの熱のみを吸収する。これらの熱は、液体の局所的な蒸発による運動下での伝熱と対流によって運び出され、局所集中してワークピース上に伝達されない。
【００１２】
ワークピースと媒体の境界面において、できるだけ少しの反射を生じさせるためには、液体又は粘弾性のある媒体がワークピースの材料と類似の屈折率を有していると有利である。屈折率の差が０．５よりも小さいと十分に良好な結果が得られることを見出した。
【００１３】
放射線源としては、ワークピースのマーキング、描写又は彫刻に適しているレーザーが好ましい。例を挙げると、ファイバー結合固体ダイオードレーザー、例えば、波長が１０６４ｎｍで平均出力が１２〜１５ＷであるＦＡＹｂファイバーレーザー（ファイバー増幅イッテルビウム）である。つまり、６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の範囲の放射線が使用されるので、液体又は粘弾性のある媒体が６００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長の範囲で吸収を示さないか、又は１０％より小さい吸収度しか持たないと有利である。ワークピースの材料、好ましくはガラス基材についても同様である。従って、上記に記載のＬＩＢＷＥの方法とは反対に、ここで使用される液体は、使用される波長に対して、低い吸収能力か吸収能力を有していないかである。
【００１４】
本発明のある好ましい実施形態においては、放射線によってポリマーマトリックスの材料の除去が引き起こされ、そして液体フィルムが、ポリマーマトリックスの除去された成分及び／又はそこから形成した生成物を取り込む。
【００１５】
ポリマーマトリックスは、例えば、チタン供与体、又は炭素供与体を有することができる。その際、チタン供与体は、純粋なチタン、又はエネルギーの作用下で短期間で反応体としての遊離チタンを提供できる適性（Ａｆｆｉｎｉｔａｅｔ）を有する チタン化合物が使用される。場合によっては、遊離チタンの提供は、チタン含有中間体を経由して行うこともできある。炭素供与体は、特にエネルギー放射下で、遊離炭素を提供する。炭素供与体は、炭素化合物及び／又は遊離の結合していない炭素とすることができる。この炭素供与体は、ポリマーマトリックスそれ自体から供することができ、しかし、例えば、カーボンブラックの形態で追加の炭素成分もまた存在することができる。それに加えて、ポリマーマトリックスは、さらなる成分、例えば、ポリマー、吸収剤などを含むこともできる。放射線により、例えば、チタン化合物及び炭素化合物の分解により、反応体としてのチタン及び炭素が提供され、そして、放射線の作用により、所望の生成物として炭化チタンが形成される。好ましくは、局所的な温度１７００℃〜２２００℃において、二酸化チタンは、カーボンブラック若しくは純粋グラファイトにより還元され、炭化チタンと一酸化炭素となる。その際、放射線により、反応空間において反応に必要な温度を生じる。
【００１６】
ポリマーマトリックスは、レーザー放射により主として粉末化を伴って反応し、それにより個々の反応物、とりわけチタン及び炭素が放出され、これらが炭化チタンへの反応に利用されるように構成される。
【００１７】
さらに、液体フィルムとして、６００〜１５００ｎｍの波長の範囲において吸収を示さないか、１０％よりも小さい吸収度しか示さない液体を選択し、かつ、６００〜１５００ｎｍの波長範囲の放射線を使用するときに有利であることが判明した。液体フィルムとしては、ゾル、ゲル又は粘弾性のある物質を選択することができ、ここで液体フィルムの厚さは２５０ｎｍ〜１０ｍｍであることができる。
【００１８】
また、液体それ自体も、所望の反応のための反応体又は触媒として提供される成分を含むことができる。そのため、場合によっては、液体フィルムにおいては、生成物を形成する所望の反応のための反応体又は触媒として用意ができているイオンが溶解することができ、その際、生成物を、高エネルギー放射線の作用によりワークピース上に堆積させることができる。
【００１９】
好ましくは、放射線の作用により、液体フィルムは局所的にそれの凝集体状態を変化させ、特にガス状になる。それにより、ワークピース上の可能な限り小さい面上での除された材料及びそれから生ずる生成物の析出のための空間的に制限されたトンネル様の空間が作られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
以下においては、本方法の好ましい実施形態について添付の図を参照してさらに詳しく説明する。
【図１】図１は、ワークピースとポリマーマトリックスの間に空気の層が存在する不利な方法を示したものである。
【図２】図２は、ワークピースとポリマーマトリックスの間に液体フィルムが存在する有利な方法を示したものである。
【００２１】
図１には、表面５上にマーキング又は描画されるガラス基板形態におけるワークピース３にどのようにレーザー光線１が向かうかを示したものである。ワークピース３の表面５の近くに、一定の距離をもって、ポリマーマトリックス７が配置されている。つまり、ポリマーマトリックス７とワークピース３の間に空隙が存在する。空隙は、意図的に作ることもできるし、またはワークピース３の表面５又はポリマーマトリックス７上の粗さ、凸凹、濡れ、又は汚れによって意図せずに生じ得る。ワークピース３はレーザー光線１の波長を透過するのに対して、ポリマーマトリックス７は、主としてレーザー光線１を吸収する。レーザー光線１は、マーキングされる表面５の反対側にあるワークピース３の表面９を介してワークピース３中に入り、ワークピース３を通過し、ポリマーマトリックス７に当たる。ポリマーマトリックス７は、レーザー光線１を吸収し、ポリマーマトリックス７が粉末化する程に熱エネルギーが大きくなるまで加熱される。
【００２２】
粉末化の結果、ポリマーマトリックス７の中に、空隙に対して開いている反応空間１１が生じ、この反応空間１１では、所望の反応のために用意のできた反応体が粉末化物質の中に存在する。この例における反応体は二酸化チタン及びカーボンブラック形態の純粋炭素であり、ここで、放射線によって生じる１７００℃〜２２００℃の局所的な温度下に、二酸化チタンはマーキング又は描画としての堆積のための生成物としての炭化チタンに還元される。しかしながら、反応空間１１は空隙に対して開いているため、粉末化によってスモーク１３および他の好ましくない副生成物が多量に発生する。除去された材料は、スモーク１３および他の副生成物と一緒に時期尚早に反応空間１１から空隙中に漏出して、炭化チタンへの反応を起こすことも、ワークピース３の表面５に堆積することもない。ワークピース３の表面５は、単に、スモーク１３と他方の好ましくない副生成物によって汚染されるだけである。
【００２３】
図２は、本方法の有利な実施形態について示しており、ワークピース３の表面５とポリマーマトリックス７の間に液体フィルム１５が配置されている。そのために、ワークピース３の表面５又はポリマーマトリックス７に、ピペットで０．１ｍｌの液体量を垂らし、５ｃｍ×５ｃｍの範囲に広げた。表面張力のために、場合によっては、ガラスプレートの動かすか又は空気の噴出によって均一な液体フィルムを作るか、又は添加剤によって湿潤性にすることが必要である。液体は、化学工業及び医薬品工業においてたびたび使用される脱塩水である。その後、フィルム材料としてのポリマーマトリックスを、２０μｍ〜１００μｍのフィルム厚で液体フィルムが形成するように液体フィルム１５上に載せる。そのためには、また、液体をポリマーマトリックス７上に供し、そして
そして表面張力によって生じた液滴に４８×１４ｍｍの大きさのワークピース３を置くことで均一な液体の分布を生じさせることも可能である。フィルムの膜の厚さは、ポリマーフィルム７とガラス３の間のスペーサーにより定めることができる。フィルム層を均一にかつ境界面において空気の蓄積なしに分配することにできる限り注意を払うべきである。
【００２４】
レーザー光線を生み出すためには、１０６４ｎｍの波長を発する固体レーザー（図示せず）が使用される。ファイバー結合ダイオードレーザーを使用することが好ましく、例えば、これは、ドイツのＰａｎａｓｏｎｉｃ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗｏｒｋｓ  Ｅｕｒｏｐｅ  ＡＧ社から商品名「ＳｕｎＸ  ＬＰ−Ｖ１０」で提供されている。従って、使用するレーザー光線はガラスと水を透過する波長１０６４ｎｍを有するものである。
【００２５】
ガラスは小さい吸収係数を有しているので、レーザー光線１は、この媒体を通過し、ガラス３と水１５の境界面に進む。また、水もこの波長においては、吸収能を有しておらず、レーザー光線１が殆ど損失なくポリマーマトリックス７上に当たることになる。
【００２６】
ポリマーマトリックス７とのレーザー光線の相互作用において、マトリックスは、図１の場合と同様に、粉末化を伴って反応する。付加的なガスの膨張により、形成される衝撃波を介して、スモーク１３と副生成物が液体層１５中に飛び出し、そしてそにに溶解及び／又は懸濁する。ポリマーマトリックス７中に生じる反応空間１１は液体フィルム１５を介して最初は上方に制限され、その結果、ポリマーマトリックス７の粉末化された材料は、レーザー光線１の作用下で、反応空間１１中で１７００℃〜２２００℃に加熱され、そして、粉末化されたポリマーマトリックス７より与えられる反応体である二酸化チタン及び炭素から、生成物としての炭化チタンが生成し得る。この過程で、また、液体フィルム１５が局所的に蒸発し、トンネル様の泡が生じ、それがワークピース３の表面５まで広がる。この爆発状の衝撃波によって、炭化チタンはワークピース３の表面５上に投げ出され、その上で、炭化チタンは局所的に限定されて堆積する。レーザー光線１を又はポリマーマトリックス７及び液体フィルム１５込みでワークピース３を横方向にずらすと、ガラス表面５上で、炭化チタンの本質的に二次元の構造を堆積させることができる。
【００２７】
この手順の後、ガラスプレート３よりポリマーマトリックス７を分離し、スモークと粒子を含んだ液体フィルム１５を除去し、ここで、析出した炭化チタンがマーキング又は描写１７としてガラス表面５上に永続的に残る。
【符号の説明】
【００２８】
１  レーザー光線
３  ワークピース又はガラス
５  表面
７  ポリマーマトリックス
９  表面
１１  反応空間
１３  スモーク
１５  液体フィルム又は水
１７  マーキング又は描写
【図１】
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【図２】
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