專利名稱：在內(nèi)處理透明體時形成在表面附近的激光標記的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在透明體內(nèi)產(chǎn)生位于該透明體表面下方的標 記的方法.本發(fā)明尤其涉及一種對具有層系統(tǒng)的透明體產(chǎn)生標記的方 法.背景技術(shù)針對本發(fā)明的目的，概念"玻璃"完全一般化地被視作一種透明體。如果射線的透入深度至少是光波長的1/10，則在這種關(guān)聯(lián)下就認為體對該光波長是透明的.用激光射線對玻璃進行內(nèi)處理(Innenbearbeitung)是公知的.在 Laser Magazin 1/95笫16及以后的頁中例如描述了 一種方法，其中采 用Nd:YAG激光的激光射線來實現(xiàn)對玻璃的內(nèi)處理.在此通過形成合適 的射線形狀保證在玻璃表面上的射線強度遠低于破壞閾值.聚焦要在玻 璃部件的內(nèi)部才會導(dǎo)致強度高于破壞閾值.相互作用引起了伴隨著開裂 的局部融化，該開裂從外部用肉眼就可看見。為了處理采用波長為 L-1. 064jim的Nd:YAG激光射線。該射線在玻璃中的強度非常高而 〉lGW/cn^時由于非線性的光效應(yīng)導(dǎo)致自動聚焦，并最終導(dǎo)致異常吸收， 這種異常吸收作為玻璃中的融化區(qū)域而可以被注意到，在該文獻中提 到，在石英玻璃中就融化區(qū)域的最小伸展幅度來說達到了最佳的結(jié)果， 其中達到大約100nm.但是根據(jù)該文獻，該結(jié)果只能用這樣一種襯底達 到，即該村底的玻璃外表面具有很高的表面質(zhì)量。在Laser Magazin中 提到，表面上的極小的污染以及表面粗糙度就會導(dǎo)致破壞強度閾值的極 大下降，并由此引起對表面的不期望的相互作用。 一方面對于市場上常 見的硅酸鹽玻璃該結(jié)果的可再現(xiàn)性較低，并且會導(dǎo)致處理區(qū)域進一步擴 大。對于玻璃材料SF6，觀察到已經(jīng)在玻璃表面上產(chǎn)生了射線吸收.在Laser Magazin中雖然討論了處理區(qū)域的伸展幅度，但是沒有提 到該處理區(qū)域可以屬于什么樣的玻璃深度。很明顯從已經(jīng)接受的來看這 是厚的襯底(〉lmm).在該文獻中談到石英玻璃的材料厚度為20,.尤其是擴大了的自動聚焦軌跡的出現(xiàn)以及實際處理區(qū)域之后的干擾區(qū)域(參見圖3)表明了一個受到干擾的區(qū)域，該區(qū)域遠遠大于l,。因此 對厚度低于l咖的玻璃形成標記是不可能的.EP0543899也公開了 一種用于在玻璃體中產(chǎn)生標記的方法，其中采 用1.064nm的Nd:YAG激光的射線,該公知方法的缺陷在于，在此在激光射線的實際聚焦區(qū)域之外也會 發(fā)生玻璃的改變.由此引起，可以通過玻璃的局部融化解釋的、小氣泡 類型的改變突然地、幾乎爆炸性地出現(xiàn).由此通過相鄰地排列標記點而 產(chǎn)生的標記必須與玻璃體的表面之間具有一定的最小間距.在根據(jù) EP0543899的方法中，玻璃體中的標記與表面的最小間距大約是lmm， 從而為了避免破裂危險玻璃體的總厚度必須為至少3mm。但在實際中通 常必須對玻璃板形成標記，而玻璃板本身的厚度只有l(wèi),.在EP1051365中提出了一種方法，該方法可以在表面之下對只有 lmm厚的玻璃板形成標記。該標記可以形成而不必將標記傳遞到表面. 這是通過對該標記形成選擇這樣一種波長來達到的，即待形成標記的襯 底已經(jīng)可以吸收該波長.優(yōu)選透射系數(shù)在平穩(wěn)水平(Plateauniveaus) 的60%到95%之間.將吸收最小的波長范圍的透射系數(shù)稱為平穩(wěn)水平，其優(yōu)點是在玻璃材料本身內(nèi)的破壞閾值下降到可以采用比較小的強度， 而且由此表面上的可能的污染或表面粗糙不再起什么作用.此外在玻璃中的該平穩(wěn)水平的限制與玻璃的純度無關(guān)地可以4艮好再現(xiàn)地得到確定， 從而即使在按照標準的玻璃中也能達到可再現(xiàn)的結(jié)果，但是在該解決方案中的問題是，波長必須與相應(yīng)的襯底材料匹配， 因為不同的玻璃具有不同的平穩(wěn)水平，例如，如果必須對石英玻璃形成 標記，該方法在經(jīng)濟上就沒有什么利潤，因為石英玻璃本身在UV區(qū)域 內(nèi)還表現(xiàn)出非常高的透射系數(shù)。對于非石英玻璃，另一個缺點是因為在 EP1051365中使用了 UV光。UV光在玻璃體中的最終透入深度(由于吸 收而導(dǎo)致)限制了處理深度。因此如果要穿過襯底而緊接在表面下面形 成標記，EP1051365中提出的方法就不合適。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種如何借助激光射線在玻璃表 面附近對玻璃進行內(nèi)處理而不會在此過程中改變玻璃表面的可能，該激光射線具有位于玻璃的透射曲線的平穩(wěn)區(qū)域內(nèi)的波長.對應(yīng)于本發(fā)明的 解決方案無需特別純的玻璃類型，對玻璃表面的表面質(zhì)量也沒有特殊要 求.本發(fā)明的另一個方面涉及標記的讀取。緊密地位于玻璃的表面之下 的標記的特征通常在于與未被形成標記的位置相比，形成標記的位置的 對比度較弱。讀取裝置通常不能或者錯誤地識別這些標記.因此如果找 到一種簡單的措施來減少讀取錯誤的數(shù)量則在經(jīng)濟上是非常有利的.按照本發(fā)明的解決方案在于，用介電薄膜層系統(tǒng)覆蓋待處理玻璃的 表面，該介電薄膜層系統(tǒng)至少包括一層.專業(yè)人員公知，薄膜層系統(tǒng)通常在被該薄膜層系統(tǒng)覆蓋的玻璃表面 上產(chǎn)生張力。例如通過真空涂層方法沉積的層所具有的張力會作用于下 面的村底.因此專業(yè)人員預(yù)計，實際上要設(shè)置在表面之下的標記擊穿襯 底涂層而一直到交界面然后一直到表面的危險，對于經(jīng)過涂層的襯底無 論如何都部分地大于沒有涂層時的襯底。要注意，這樣的涂層典型地具有最大幾,的總厚度.通常這樣的涂層被限定為小于5jim的總厚度。由于涂層很昂貴，因此有利的是采用 低于3pm的涂層.但是本發(fā)明人確定，表面的涂層使得該過程可再現(xiàn)，而且其貢獻還 在于，即使標記非?？拷卦O(shè)置在表面之下也不會出現(xiàn)直到表面的破 裂。這種不期望效果的一種可能解釋是，表面質(zhì)量的缺乏通過涂層得到 了中和。如果該層系統(tǒng)的最外面的層例如具有比玻璃表面更高的破壞閾 值，則可能的污染或者不平坦不會導(dǎo)致該破壞閾值低于持形成標記的玻 璃襯底的破壞閾值，因此在具有涂層的襯底的外表面上無法看見裂縫。 但是這種保護效果的原因還不是很清楚.本發(fā)明的措施首次產(chǎn)生經(jīng)過內(nèi) 處理的、具有涂層的襯底，該內(nèi)處理的小于500一、甚至小于250，的處理范圍與由玻璃襯底與第一層形成的交界面分開，而且該內(nèi)處理不需 要處理范圍達到表面.由此可以首次有效以及經(jīng)濟地在表面之下對厚度 小于lmm的玻璃襯底形成才示i己.此外，這種在玻璃襯底中緊接在表面下方對薄的、具有多層系統(tǒng)的 玻璃板形成標記的可能性還提供了以下優(yōu)點不會通過標記類型在表面 上形成裂片、微粒、融化或者裂縫。尤其是在所謂的"低缺陷"部件中， 表面的無缺陷性對經(jīng)過涂層的襯底的進一步處理具有很重要的意義。本發(fā)明的另一個方面在于標記的讀取，通過現(xiàn)在可以將標記深度限 制在表面之下幾百,，極大地簡化了讀取光學(xué)系統(tǒng).現(xiàn)在為了讀取不必 再對位于村底深處的平面成像，而是采用僅對緊接在表面之下的平面成 像的光學(xué)系統(tǒng)就足以.在襯底面上也存在光不必再透入到襯底深處的優(yōu)
點。因此利用本發(fā)明的方法可以對由具有較小的透射系數(shù)(例如k〉0. 01， 尤其是"O. 08，甚至k〉0. 1，其中k是復(fù)數(shù)折射率的虛部)的材料制成 的襯底形成纟示記.
但是實驗也顯示出，這樣緊接在表面之下形成標記的襯底會導(dǎo)致信 號對比度明顯比襯底中的標記例如〉300nm的襯底要差得多.但是本發(fā) 明人發(fā)現(xiàn)，如果襯底的表面被涂敷上形成抗反射涂層的薄層系統(tǒng)，則可 以大大提高對比度.猜想對于未被涂層的表面來說，用于讀取的光的一 部分直接被形成表面的交界面反射，并與實際信號重疊，由此干擾該實 際信號，在標記位于襯底深處的情況下，傳統(tǒng)的讀取光學(xué)系統(tǒng)能夠忽略 被表面反射的信號.但由于在此標記靠近表面，因此該信號不能再如此 簡單地與表面反射分開。借助抗反射涂層減小表面的反射.由此大大提 高讀取信號的對比度。本發(fā)明因此包含在表面之下形成標記的襯底，該 襯底包括用于減少直接被表面反射的讀取光的裝置.
因此根據(jù)本發(fā)明提出一種用于在表面之下對透明的襯底形成標記 的方法，其中該方法包括以下步驟
-提供襯底，
-借助可以聚焦在表面之下的可見光對襯底形成標記， 其中在借助該可見光形成標記之前用包括至少一個介電層的層系
統(tǒng)對該襯底涂覆，其中層材料的破壞閾值在用于形成標記的光照射之下
大于襯底材料的破壞閾值，
能夠?qū)⑿∮?00薩的標記，優(yōu)選小于350一的標記與層系統(tǒng)的、與
村底交界的交界面分離，而不會損壞表面。
對于讀取有利的是，層系統(tǒng)對適用于讀取標記的波長形成為抗反射層。
另外在這樣的方法中，如果將標記刻在兩個不同的深度，其中該深 度差異位于橫向像素密度的數(shù)量級內(nèi)，則還可以提高橫向投影的像素密 度.
如果將層系統(tǒng)對用于形成標記的光形成為反射鏡，并且借助由穿過襯底施加的層系統(tǒng)造成的反射來形成標記，則可以在該重疊的區(qū)域中提 高強度.
同時還可以這樣形成所述層系統(tǒng)，使得該層系統(tǒng)對于適用于讀取的 波長來說至少部分是可穿透的.
形成一種具有位于表面之下的標記以及具有介電層系統(tǒng)的村底，該 層系統(tǒng)至少包括一個介電層，其中該標記在襯底中僅位于離交界面
500nm的地方而不會一直到交界面，該交界面是介電層系統(tǒng)與村底形成 的.
優(yōu)選地，所述層系統(tǒng)的材料對于至少一個在可見區(qū)域內(nèi)的適用于形 成標記的波長來說具有比襯底材料高的破壞閾值，
為了讀取有利的是，所述層系統(tǒng)對于至少一個適用于讀取標記的波 長來說形成為減小反射的層，
具有上述標記和層系統(tǒng)，而且該層系統(tǒng)對于適用于形成標記的波長 來說形成為反射鏡層的襯底是本發(fā)明的 一部分.
具體實施例方式
下面借助示例詳細描述本發(fā)明。
在第一個示例中，Borofloat玻璃被涂以四層的抗反射涂層' Borof loat玻璃具有1. 52的折射率.借助PVD方法(物理蒸鍍沉積)敷 設(shè)下面的層系統(tǒng)
折射率厚度〖mn]
空氣1-
層41, 38114.673913
層31. 90583.0708661
層21. 7689.9147727
層11. 38229.347826
玻璃1. 52-
接著用頻率加倍的Nd:YAG激光對襯底進行內(nèi)處理，記的激光波長在空氣中是532mn.
可見光的使用，即波長范圍在420mn到780nm的光的使用，與現(xiàn)有 技術(shù)中選擇的波長相比具有顯著的優(yōu)點
如果采用1064m、即頻率未加倍的ND:YAG激光的光，則形成損壞機制(像素)的主要部分是玻璃表面或內(nèi)側(cè)的熱融化，這種熱融化會產(chǎn)生
"注入通道".熱效應(yīng)的結(jié)果是，像素明顯變大，因為與532m相比必須 采用更多的能量來產(chǎn)生高于閾值的強度，而且該能量不能由介電體很快 地傳輸。(吸收限制了聚焦射線的透入深度.)
在UV區(qū)域，主要的損壞效果是激光消融(Laserablation),即原 子的碰撞電離.由于幾種工業(yè)玻璃在該區(qū)域的吸收系數(shù)比較高(高達20 % ),該方法僅有限地一方面適用于在深處形成標記，另一方面適用于 不同的玻璃類型。(吸收限制了聚焦射線的透入深度。)
在532mn時，熱融化和激光消融的組合起著產(chǎn)生像素的效果。因此 根據(jù)透鏡在明顯更高的深度區(qū)域(靠近玻璃表面(限制在1064nm)以及 在玻璃內(nèi)部深處(在UV區(qū)域受到吸收的限制))中的聚焦而產(chǎn)生任意小 的像素。像素大小基本上與射線的能量和聚焦有關(guān)，而與材料特性(前 提是具有可透射的光學(xué)特性)無關(guān)。
此外更為簡單的是調(diào)整激光射線，因為激光射線是可見的.該調(diào)整 可以在合適的強度時進行，以保護調(diào)整人員的眼睛.
利用該系統(tǒng)借助像素寫入方式寫入字母.各個像素彼此之間的距離 是100^m,所測量的像素的垂直伸展幅度是80 - 100陣，所測量的像素 的水平伸展幅度大約是20 - 50nm.
與表面之間的距離是300nm.不會造成直到表面的破裂。
在該方法中確定，通過AR(抗反射層)能以更小的強度達到相同的 結(jié)果(像素大小)。該效果可能是由于，降低了涂層/空氣或玻璃/涂層 的交界面對激光的反射.
在第二個示例中，提高水平像素密度而不會因此產(chǎn)生將各個像素連
接起來的裂縫.實驗表明，簡單地減小兩個像素之間的距離恰好就會產(chǎn) 生這樣的連接裂縫.在此這種連接像素的裂縫持續(xù)下去并最終到達表面 的危險非常高.
無損壞地提高像素密度的問題由本發(fā)明人解決，盡管只需要一個平 面結(jié)構(gòu)(數(shù)字的和字母的符號)還是寫入了笫二像素平面，其中第二像 素平面的水平中心位于第一平面的像素的空隙中。兩個平面之間只有 150nm的距離，由此觀察者得到像素密度提高的印象，而且明顯提高了 對比關(guān)系.
在第三個示例中，應(yīng)當緊接在表面之下從村底的背面開始對襯底寫入.該襯底例如具有n=l. 52的折射率.對于激光的偏振選擇p偏振， 作為入射角度選擇57。，該角度大致相當于Brewster角.由此保證在激 光射線入射時只有非常小的一部分被玻璃襯底的背面反射.然后該光根 據(jù)Snellius法則以38。的角在玻璃中傳播.
襯底的正面具有多層系統(tǒng)，該多層系統(tǒng)至少部分反射38°的光，主 要是綠光，但至少反射波長等于用于形成標記的波長的光，優(yōu)選地全部 反射用于寫入的光.例如采用波長為532nm的頻率加倍的Nd: YAG激光 的射線.
在寫入過程期間，由于反射而緊接在玻璃襯底的經(jīng)過涂層的一側(cè)的 表面之下形成一個重疊區(qū)域，在該區(qū)域中入射光和反射光重疊并形成干 涉圖案.如果調(diào)整激光能量，使得單個射線中的強度明顯低于破壞閾值， 而在重疊區(qū)域中存在強度高于破壞閾值的位置，則限于在重疊區(qū)域形成 標記。該效果通過在重疊區(qū)域中建立起具有四倍強度的所謂干涉條紋來 支持.
如果可能，上面提到的多層系統(tǒng)優(yōu)選這樣選擇，即該多層系統(tǒng)對于 用于讀取的光作為抗反射涂層發(fā)揮作用.例如應(yīng)當借助藍色的LED在0° 時讀取.
在

圖1中示意性示出這種情況。示出具有正面3和背面5的襯底1。 正面3涂覆有介電層系統(tǒng)7.穿過背面5射入的寫入光Lin在襯底1中 被正面3的層系統(tǒng)7反射，并作為反射的寫入光Lref穿過背面5而從 襯底l射出。在入射的寫入光Lin和反射的寫入光Lref重疊的重疊區(qū) 域，由于用作寫入光的激光射線的干涉而形成具有特征干涉條紋的干涉 困案，在該干涉條紋中形成高強度的波腹。標記的像素在襯底l中借助 點線示出.
為了讀取，借助第一透鏡13校準藍色LED11的光，并通過分光器 15落在待讀取的、形成了標記的襯底1上。層系統(tǒng)7在藍光的0°照射 下作為AR涂層發(fā)揮作用.由此光達到該標記，并部分地被該標記散射 回分光器15。例如在一個像素的地方用虛線箭頭顯示受到散射的光.被 散射回的光部分地穿透分光器15。由此借助第二透鏡17在檢測器19 中對標記平面成像。
權(quán)利要求
1.一種用于在表面之下對透明的襯底形成標記的方法，其中該方法包括以下步驟-提供襯底，-借助聚焦在表面之下的可見光對襯底形成標記，其特征在于，-在借助該可見光形成標記之前用包括至少一個介電層的層系統(tǒng)對該襯底涂覆，其中層材料的破壞閾值在用于形成標記的光照射之下大于襯底材料的破壞閾值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將小于500薩的標記， 優(yōu)選小于350fim的標記與所述層系統(tǒng)的、與襯底交界的交界面分離.
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述層系統(tǒng)對適 用于讀取標記的波長形成為抗反射層.
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，為了提高橫向 投影的像素密度，將所述標記寫在兩個不同的深度，其中該深度差異位 于橫向像素密度的數(shù)量級內(nèi).
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述層系統(tǒng)對 用于形成標記的光形成為反射鏡，并且借助由穿過襯底施加的層系統(tǒng)造 成的反射來形成標記。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述層系統(tǒng)對于適用 于讀取的波長來說至少部分是可穿透的。
7. —種具有位于表面之下的標記以及具有介電層系統(tǒng)的襯底，該層 系統(tǒng)至少包括一個介電層，其特征在于，該標記在襯底中僅位于離交界 面500nm的地方而不是一直到交界面，該交界面是介電層系統(tǒng)與襯底形 成的.
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的村底，其特征在于，所述層系統(tǒng)的材料對 于至少一個在可見區(qū)域內(nèi)的適用于形成標記的波長來說具有比襯底材 料高的破壞閾值.
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的村底，其特征在于，所述層系統(tǒng)對于 至少一個適用于讀取標記的波長來說形成為減小反射的層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的襯底，其特征在于，所述層系統(tǒng)對于適用于形成標記的波長來說形成為反射鏡層.
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在透明體中產(chǎn)生位于表面之下的標記的方法。根據(jù)本發(fā)明，在表面之下小于500μm的地方形成該標記是通過涂覆在襯底表面上的層系統(tǒng)具有比襯底高的破壞閾值來實現(xiàn)的。如果該層系統(tǒng)形成為對讀取波長能減小反射的層系統(tǒng)，則提高了讀取時的對比度。如果該層系統(tǒng)對寫入波長形成為反射鏡，則可以用具有減小了強度的反射寫入。
文檔編號C03C23/00GK101243021SQ200680029913
公開日2008年8月13日 申請日期2006年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月18日
發(fā)明者C·海恩-坎普肯斯, M·蘭克, P·斯莫爾 申請人:Oc歐瑞康巴爾斯公司