CN114669861A - 结构化玻璃元件的方法和由此生产的结构化的玻璃元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构化玻璃元件的方法，其中将超短脉冲激光器的激光束引导到玻璃元件上，玻璃元件对激光束是透明的，在玻璃元件中产生至少一个细丝状缺陷，其横向于玻璃元件的侧面延伸，通过激光束产生细丝状缺陷，激光束借助于聚焦光学器件会聚以在玻璃元件(1)中形成焦线，其中在焦线内的激光束的强度足以产生细丝状缺陷，调整焦线使得细丝状缺陷在玻璃元件(1)内终止，将玻璃元件暴露在蚀刻浴中，通过蚀刻去除玻璃，使得细丝状缺陷变宽以形成在玻璃元件的相对侧面之间延伸的壁，壁具有边界线，边界线在壁和相邻侧面之间的顶点处成锥形，相对于侧面的垂线具有锥角,通过焦线的位置和强度分布中的至少一个调整锥角。

Description

结构化玻璃元件的方法和由此生产的结构化的玻璃元件

技术领域

本发明总体涉及一种结构化玻璃元件的方法。本发明的另外方面涉及一种结构化的玻璃元件、特别是通过根据本发明的实施例的方法生产或可生产的玻璃元件，以及这种玻璃元件的用途。特别地，本发明涉及一种使用超短脉冲层的脉冲激光束结构化玻璃元件的方法，并且涉及通过这种方法生产或可生产的玻璃元件，以及玻璃元件的用途。

背景技术

经常采用使用超短脉冲层加工工件的方法，例如为了准备用于分离的工件。

例如，WO2012/006736A2公开了一种通过使用超短脉冲激光、即脉冲长度小于100ps的激光制备用于分离的基底的方法。在WO2012/006736A2公开的方法中，利用自聚焦的非线性效应，沿预期的分离线产生若干间隔开的细丝。

WO2017/009379A1描述了WO2012/006736A2的方法的进一步发展。在根据WO2017/009379A1的方法中，在工件中产生倾斜于加工的基底的表面延伸的改性。这是通过将激光脉冲倾斜地引导到相应工件的表面上实现的。

从EP 2 931 467 B1已知包括环境氛围作为进一步的工艺参数以防止由于亚临界缺陷扩展而过早的自裂。

此外，DE 10 2015 116 848 A1描述了通过使用透镜的球面像差产生细丝来引入限定强度的区域，其中将超短脉冲激光的高斯光束转换成沿光轴具有不均匀强度分布的线焦点。

此外，DE 10 2018 126 381 A1涉及一种用于将分离线引入透明脆性材料中的方法以及由此获得的元件。

然而，所有这些方法都针对分离工件。即，使用超短脉冲层在工件中产生若干材料改性，其中改性沿着预定的路径沿预期的分离线排列。优选地，材料改性导致在工件内形成孔。然后可以有利地通过将工件暴露于蚀刻介质或蚀刻浴以使得孔被加宽直到相邻的孔或通道结合来实现分离。以此方式，工件可以沿在工件中形成的材料改性(或细丝)的预定路径分离。

然而，对于一些应用，可能优选的是，结构化玻璃元件而非使其分离，例如，如果玻璃元件用作中介层(interposer)。此外，用于产生与工件表面成斜角的细丝的已知方法需要大量的工艺控制以非常精确地调整和监控例如激光参数和/或工件定位，例如通过提供可以补偿光束轮廓的散光变形的特殊聚焦光学器件。

因此，需要至少部分地克服现有技术的缺陷的方法以及由此可生产的玻璃元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构化玻璃元件的方法，该方法至少部分地克服了现有技术、即需要大量的工艺控制的方法的已知缺点。本发明的另一方面涉及结构化的玻璃元件以及这种玻璃元件的用途。

该目的通过独立权利要求的主题实现。有利的实施例和改进在从属权利要求、附图和说明书中详细说明。

因此，本发明涉及一种结构化玻璃元件的方法。根据这种结构化方法，将超短脉冲激光器的脉冲激光束引导到玻璃元件上。玻璃元件对于激光束是透明的并且在玻璃元件中产生至少一个细丝状缺陷，细丝状缺陷横向于玻璃元件的侧面延伸。通过激光束产生细丝状缺陷，激光束借助聚焦光学器件会聚以在玻璃元件中形成焦线，其中焦线内的激光束的强度足以产生细丝状缺陷。调整焦线，使得细丝状缺陷在玻璃元件内终止。将玻璃元件暴露在蚀刻介质或蚀刻浴中，其通过蚀刻去除玻璃，使得细丝状缺陷变宽以形成在玻璃元件的相对侧面之间延伸的壁，壁具有的边界线在壁与相邻侧面之间的顶点处成锥形，相对于侧面的垂线具有锥角，通过焦线的位置、长度和强度分布中的至少一个调整锥角。可以组合这些参数来调整细丝状缺陷的几何形状，例如盲孔形式的缺陷的深度。

这种方法提供了若干优点。

根据本发明的方法获得结构化的玻璃元件，其中形成在玻璃元件内终止的细丝状缺陷。在另外的方法步骤中，通过使用蚀刻介质或蚀刻浴来加宽细丝状缺陷，以形成在玻璃元件的相对侧面之间延伸的壁。换言之，通过蚀刻，在玻璃元件内获得孔，该孔至少基本上遵循先前形成的细丝状缺陷的形式。由于细丝状缺陷在玻璃元件内终止，因此在玻璃元件内形成盲孔。

在此，表述“孔至少基本上遵循缺陷的形式”理解为孔沿先前的细丝状缺陷的长度延伸并因此形成为细长孔，然而也可以比缺陷本身更宽且更长。

细丝状缺陷横向于侧面延伸，即细丝状缺陷与玻璃元件的侧面形成角度。换句话说，细丝状缺陷不平行于玻璃元件的任一侧面。优选地，缺陷可以与玻璃元件的至少一个侧面成直角或者可以基本上垂直于玻璃元件的至少一个侧面定向。在此，“至少基本上垂直定向”理解为缺陷和相应侧面的法线形成的角度不超过±5°。

然而，相当意外地，在蚀刻玻璃元件以加宽细丝状缺陷使得在玻璃元件内形成壁(或具有壁的孔)时，获得具有锥形边界线的壁(或具有壁的孔)。即，孔与至少一个侧面成斜角。特别地，在缺陷和侧面之间形成的角度可能不同于在孔(或孔的壁的边界线)之间形成的角度。

这可以通过调整激光束的焦线的位置和/或强度分布中的至少一个非常意外地实现。然而，不需要例如通过提供补充光学设备、如柱状透镜等来非常精确地控制基底取向相对于激光束的位置。因此，本发明提供了一种用于形成结构化的玻璃元件的简单方法，结构化的玻璃元件具有至少一个在玻璃元件内形成的盲孔，其中孔的壁的边界线与玻璃元件的侧面成斜角，孔向该侧面开口。

在本发明的范围内，适用以下限定。

细丝理解为是指细长结构，即具有的沿笛卡尔坐标系的第一方向的尺寸比沿垂直于笛卡尔坐标系的第一方向的另外两个方向的尺寸大至少一个数量级的结构。

根据本发明，缺陷可以理解为工件(或玻璃元件)内改变的区域。即，在该区域中的特性与形成缺陷之前的工件(或玻璃元件)的特性不同。

因此，细丝状缺陷可以理解为玻璃元件内改变的、细长的区域。

板状元件(或物体)理解为这样的物体，其沿笛卡尔坐标系的第一方向的尺寸比沿垂直于笛卡尔坐标系的第一方向的另外两个方向的尺寸小一个数量级。例如，板状玻璃元件也可以表示为玻璃板或玻璃带。根据本发明的板状元件可以形成为扁平的或弯曲的元件。此外，在扁平元件的情况下，侧面可以优选地基本上彼此平行，即，侧面的法线或垂线形成的角度优选地不超过10°、特别地不超过5°。

超短脉冲激光器理解为具有脉冲长度不超过100ps的激光器。优选地，脉冲长度不长于10ps、更优选地不长于1ps或甚至小于1ps。

根据实施例，通过蚀刻和加宽细丝状缺陷产生通道，其中通道向两个相对侧面开口。换言之，根据实施例形成通孔。在玻璃元件用作例如印刷电路应用中的中介层的情况下，这种实施例可能是有利的。

根据另外的方案，通过使用聚焦光学器件产生在玻璃元件中终止的细丝状缺陷，聚焦光学器件将激光束的至少两个部分光束叠加，使得部分光束的干涉沿焦线产生强度变化。这是在工件中产生缺陷(或材料改性)的非常简单但有效的方法。在这方面，缺陷也可以称为“盲缺陷”。此外，一旦两个部分光束叠加而由此产生沿焦线的强度变化，可以以非常简单的方式调整玻璃元件的侧面与壁的边界线之间的所得角度。

根据实施例，产生以预定图案在玻璃元件上分布的大量细丝状缺陷。此外，这些细丝状缺陷在蚀刻时可能通过缺陷的加宽形成。以此方式，产生多个对应于在玻璃元件内先前产生的缺陷并且以预定图案在玻璃元件上分布的通道。

本发明还涉及一种玻璃元件、特别是通过根据本发明的实施例的方法生产或至少可生产的玻璃元件、优选地板状玻璃元件。玻璃元件包括两个相对的侧面和多个延伸穿过玻璃元件的蚀刻通道，使得通道的壁连接侧面。通道壁的边界线在壁和相邻侧面之间的顶点处成锥形。优选地，在壁与侧面之间的顶点处，边界线与侧面的垂线之间的至少两个锥角彼此不同。

附图说明

现在参考附图进一步说明本发明。在图中，相同的附图标记指代相同或相应的元件。

图1示意性且未按比例示出了根据本公开的方法的玻璃元件的结构化。

图2示意性且未按比例示出了根据实施例的玻璃元件1。

图3示意性且未按比例示出了将玻璃元件1转移到蚀刻槽80中。

图4示意性且未按比例示出了通过蚀刻使细丝状缺陷9变宽。

图5示意性且未按比例示出本发明的实施例。

图6a示出了沿光束方向的激光束5；图6b示出了激光束5为侧视图。

图7示出了沿根据图6a、6b的实施例的激光束5的焦线8的强度分布。

图8示意性且未按比例示出了在根据本发明的实施例的玻璃元件1内形成的不同形状的缺陷9。

在图9中示意性且未按比例示出了玻璃元件1的实施例。

图10示出了玻璃元件1的实施例。

图11示出了在外玻璃部分101中留下开口102的玻璃元件1的实施例。

图12示出了具有单个细丝状缺陷9的玻璃元件1的实施例。

图13示出了具有多个细丝状缺陷9的玻璃元件1的实施例。

图14示出了在碱性蚀刻浴的不同摩尔浓度下获得的锥角的四个测量值。

图15示出了锥角的测量值和不同蚀刻深度和蚀刻浴81的不同摩尔浓度的拟合线。

图16示出了锥角的值作为在通过加宽细丝状缺陷9形成的壁处的蚀刻去除的函数的图。

具体实施方式

图1示意性且未按比例示出了根据本发明的方法结构化玻璃元件。用超短脉冲激光器7产生脉冲激光束5并将其引导到玻璃元件1上。玻璃元件1对激光束5是透明的。在此，玻璃元件1是板状的玻璃元件，然而，根据本发明可以理解，可以结构化任何玻璃元件、例如板状弯曲的玻璃元件。玻璃元件1具有两个侧面14、15。在本发明的范围内，侧面可以理解为涉及物体的主要面，即一起占相应物体的总表面的50％以上的表面。

此外，除玻璃元件之外，还可以通过本发明的方法结构化包括玻璃以外的材料或由玻璃以外的材料组成的工件。

在玻璃元件1中产生至少一个细丝状、即细长的缺陷9、例如材料改性。缺陷9横向于玻璃元件1的侧面14、15延伸，即在缺陷9和侧面14、15中的任一个之间形成角度。换言之，缺陷9不与侧面14、15的任一个平行。

用于产生缺陷9的激光束5通过聚焦光学器件70会聚，以在玻璃元件1中形成焦线8(此处未示出)。焦线8(此处未示出)内的激光束5的强度足以产生细丝状缺陷9。此外，调整焦线8(此处未示出)，使得细丝状缺陷9在玻璃元件1内终止。

图1进一步示出了定位装置20和计算装置71。计算装置71可用于调整激光器7的功率输出和/或通过控制位置装置20来控制玻璃元件1的位置。在玻璃元件1中例如沿预定路径产生大量细丝状缺陷9的情况下，可以有利地使用定位装置20。然而，当然可以使用多个计算装置71。

图2示意性且未按比例绘制了根据实施例的玻璃元件1。在此，通过使激光束5相对于玻璃元件1沿预定路径11行进，在玻璃元件1内产生大量的细丝状缺陷9。以此方式，产生沿路径11、即以预定图案并排布置的大量缺陷9。预定图案可以是网格或形成圆形或椭圆形或任何其他合适的形状、例如螺旋形状的一系列缺陷。如已经关于图1示出的定位装置20说明的，使激光束5沿路径11行进从而导致形成以预定图案在玻璃元件1上分布的大量缺陷9可以通过定位装置20实现。

在如上所述的激光处理后，将包括至少一个细丝状缺陷9的玻璃元件1转移到如图3示意性且未按比例示出的蚀刻槽80中，在此玻璃元件1暴露于蚀刻浴81(蚀刻介质81)，其通过蚀刻去除玻璃元件1的材料、即玻璃材料或改变的玻璃材料、例如形成细丝状缺陷9的材料。蚀刻浴81可以是酸性蚀刻浴，或者碱性蚀刻浴。然而，由于环境和安全问题，碱性蚀刻浴可能是优选的。根据图3示意性且未按比例示出的示例，玻璃元件1包括多个沿路径11布置的细丝状缺陷9。然而，通常不限于图3所示的示例，应当理解玻璃元件1仅需要包括单细丝状缺陷9。仅包括单细丝状缺陷的玻璃元件1的示例在图12中以俯视图示意性且未按比例示出。此外，玻璃元件1可包括多个在玻璃元件1上分布的单细丝状缺陷9，如图13示意性且未按比例示出的。此外，在此要注意，即使图2、12和13示出了包括至少一个缺陷9的玻璃元件1，由于一个或多个缺陷9的位置对应于通过蚀刻获得的盲孔91或通道10的位置，图2、12和13也可以理解为具有孔91或通道10而非缺陷9的玻璃元件。此外，在图13的包括若干缺陷9(或通道或孔)的玻璃元件1的情况下，可以设想缺陷9以这样的方式布置，使得所得孔以网格或图案排列。在玻璃元件1用作中介层的情况下，这可能是特别优选的。

通过蚀刻，细丝状缺陷9变宽以形成壁6，如图4示意性且未按比例示出的。即，通过蚀刻，缺陷9的材料比玻璃元件1的未改变材料更容易去除，使得通过蚀刻形成对应于先前缺陷9的孔91，其中孔91具有壁6。在图4示出的情况下，壁6具有在壁6和相邻壁面14之间的顶点16处成锥形的边界线12。因此，在侧面14的垂线13和壁6之间形成锥角94。通过焦线8的位置、长度和强度分布中的至少一个调整锥角94。例如，通过调整焦线8的位置和长度，可以调整盲孔形式的细丝状缺陷的深度。如图4所示，所得孔91为盲孔，即在玻璃元件1内终止的孔。在此要注意，为了更好的可见性，夸大了孔91的直径。由于蚀刻导致了孔91，其中孔91的横向尺寸朝玻璃元件1的体积区域变小。这是由于在蚀刻期间蚀刻浴改变(或老化)，使得在玻璃元件1的表面14处的蚀刻速率高于体积区域中的蚀刻速率。

作为根据本发明的方法的优点，优选地借助于合适的聚焦光学器件70通过调整焦线8的位置和强度，可以以非常简单和有效的方式根据预定值控制和调整锥角94。

合适的聚焦光学器件70可包括透镜、例如球面或非球面透镜、或轴棱镜、或空间光调制器或它们合适的组合。

根据图5示意性且未按比例示出的实施例，通过蚀刻和加宽缺陷9产生通道(或通孔)10，通道10向玻璃元件1的两个相对侧面14、15打开。这样的通孔或通道10可以通过蚀刻从玻璃元件1的一个表面、在此是表面15延伸并且几乎透过玻璃元件1的盲孔获得。适于获得如图5所示的通道的缺陷是例如图8示意性且未按比例绘制的缺陷9f。在玻璃元件1用于印刷电路应用的情况下，这样的实施例可能是有利的。如图5示意性且未按比例绘制的，通过引入穿过玻璃元件1的细丝状缺陷9，可以产生以预定图案在玻璃元件1上分布的多个通道10。然而，通常不受在此所示示例的限制，可以在玻璃元件1内仅产生一个通道10。

非常有利地，根据实施例，使用聚焦光学器件70产生在玻璃元件1中终止的细丝状缺陷9，其中聚焦光学器件70叠加激光束5的至少两个部分光束50、51，使得部分光束50、51的干涉产生沿焦线8的强度变化。以此方式，可以以快速且容易的方式调整锥角94。图6示意性示出了包括两个部分光束50、51的激光束5。在图6a中，沿光束方向描绘了激光束5。如在图6a中可以看出的，部分光束51是中心光束，而部分光束50在图6的示例性实施例中是环形光束。在图6b中，激光束5为侧视图。部分光束50、51在具有长度53的区域52中干涉。在该干涉区域52中，可以在玻璃元件1内有利地产生细丝状缺陷。在此要注意，根据如图6a、6b所示的示例性实施例，环形部分光束50可以是贝塞尔光束或贝塞尔-高斯光束。可以用合适的聚焦光学器件70(此处未示出)、例如轴棱镜产生这样的部分光束。

图7示出了沿根据图6a、6b的实施例的激光束5的焦线8的强度分布。沿焦线8，通过部分光束50、51的干涉引起若干强度最大值54。

图8以示例方式示意性且未按比例示出了在根据本发明的实施例的玻璃元件1内形成的不同形状的缺陷9。

根据实施例并且如在图8中以示例方式示意性且未按比例示出的，通过激光束5(未示出)的照射产生两个同轴取向的细丝状缺陷9a、9b。两个同轴取向的缺陷9a、9b可以例如通过使用DE 10 2018 126 381 A1的方法或通过如DE 10 2017 208 290 A1中描述的多色细丝方法通过在不同深度处照射玻璃元件1产生。在多色细丝法中，使用具有色差的透镜聚焦激光束。使用不同的波段，激光束可以聚焦在不同深度以产生同轴取向的细丝。合适的激光光源可以是白色激光器、例如白色光纤激光器，或者可以采用任何合适的多色激光器。利用这种尤其具有特定的脉冲持续时间和特定的激光束波长的脉冲多色激光束，借助于具有用于激光束的波长依赖聚焦的色差和具有至少一个用于激光束的波长依赖过滤的滤光器的光学组件，可以沿工件、例如玻璃元件1的光束方向产生焦线，通过焦线可以选择地并准确地调整工件的加工深度。特别地，可以通过产生不同的焦点来调整焦线的长度。此外，还可以过滤多色光，使得可以采用合适的波长范围。借助于滤光器，可以选择性地过滤激光束的至少一个波长，使得至少在焦线中的特定位置处选择性地不聚焦。特别地，通过光谱的单边或双边限制(引入带边缘滤光器或带通滤光器)，可以限定焦线的起点或终点。在单独的实施例中，特别是以限定的方式调整端点(在背离激光器的一侧上)，例如以避免加工放置工件的支撑件。

如图8所示，同轴取向的缺陷9a、9b分别从相对端面14和15处开始，并在玻璃元件1内相对地结束。这可以例如通过首先照射第一侧面、例如侧面14而产生第一缺陷随后照射第二侧面15而产生第二缺陷实现。然而，这需要在两个不同的工艺步骤中非常精确地控制元件位置相对于激光束5的位置，其中元件位置在步骤之间改变，即改变侧面14和15相对于激光器7的取向。因此，可能优选的是，使用根据德国专利申请DE 10 2018 126 381 A1的方法，该方法允许在单个工艺步骤中产生两个缺陷。在这样的方法中，例如可以使用合适的聚焦光学器件70、例如轴棱镜(例如没有尖端的轴棱镜)。此外，在这种情况下可以选择轴棱镜，以便可以调整部分光束50的干涉角55(图6a和6b所示)。例如，如果使用Nd:YAG激光器(发射波长1064nm)作为激光器7，则周期性、即激光束5的最大值54之间的距离可以获得为10μm或甚至小于10μm、至多100μm或甚至至多200μm。因此，根据本发明的方法适于在非常薄的玻璃元件、即厚度1mm或更小、优选地0.5mm或更小、特别优选地300μm或更小、更特别优选地200μm或更小、例如100μm或更小或甚至50μm或更小或30μm或更小的玻璃元件中产生具有锥形壁的孔或通道。同样，可以通过随后分别以具有不同的焦点位置或焦距长度的激光束照射来产生同轴取向的缺陷。

根据另一实施例，在玻璃元件中产生同轴取向的缺陷9c、9d，每个缺陷9c、9d具有不同的长度，从而通过蚀刻和加宽细丝状缺陷9c、9d形成连接玻璃元件1的相对侧面14、15的壁6，其中在顶点16、17、18、19处形成与侧面14、15具有不同锥角的边界线12。即，简单地通过调整缺陷9的长度和/或位置，可以调整锥角94。例如，关于图8中的缺陷9e、9g和9h，由于它们相对于玻璃元件1的表面14、15的位置不同，获得的孔91或通道10的所得锥角由于蚀刻浴老化彼此不同。因此，本发明还涉及一种在尤其是根据前述实施例的任一个的板状玻璃元件1中产生通道10的方法，其中将超短脉冲激光器7的脉冲激光束5引导到玻璃元件1上，其中玻璃元件1对于激光束5是透明的，并且其中在玻璃元件1中产生至少一个细丝状缺陷9(例如并且关于图8，缺陷9g)，细丝状缺陷9(在此细丝状缺陷9g)横向于玻璃元件1的侧面14、15延伸，利用激光束5产生细丝状缺陷9(在此缺陷9g)，激光束通过聚焦光学器件70会聚以在玻璃元件1中形成焦线8，其中焦线8内的激光束5的强度足以产生细丝状缺陷9，并且其中调整焦线8，使得细丝状缺陷9的两端位于玻璃元件1内。随后，将玻璃元件1暴露于蚀刻浴81，通过蚀刻去除玻璃，使得去除侧面14、15的玻璃材料并且细丝状缺陷9的至少一个端部(在此，如上所指出的，缺陷9g)被暴露，并且其中继续蚀刻，使得细丝状缺陷9变宽以形成具有预定直径的通道10。

根据实施例，将至少两个细丝状缺陷9、在此图8的缺陷9g和9h引入玻璃元件1中。在此，细丝状缺陷9g、9h的端部与玻璃元件1的侧面14、15之一具有不同的距离，使得在蚀刻细丝状缺陷9g、9h之一时，即在图8所示的示例性实施例中，缺陷9g在此情况下比其他细丝状缺陷、在此缺陷9h更早地暴露，使得缺陷9g、9h暴露于蚀刻浴81不同的时间跨度，使得产生不同直径的通道10。

此外，可以考虑根据预定值调整在玻璃元件1内产生的缺陷9的直径。例如，如在示意性且未按比例绘制的图8中看以看出的，可以规定产生具有不同直径的缺陷9，这可以通过调整激光参数和/或通过更长地或重复地照射缺陷以实现所得缺陷更大的直径而实现。

此外，可以以这种方式形成通道10，其中在通道10(或者通道10的壁6的边界线12)和侧面14、15之间形成的角度彼此不同。在图9中示意性且未按比例示出了这样的玻璃元件1，其包括在不同顶点16、17、18、19处具有不同锥角的通道10。在图9示意性且未按比例示出的示例性板状玻璃元件1中，三个通道10a、10b和10c就各自的形状和锥角彼此不同。例如，通道10a的壁6的边界线12是直线，使得通道10a也可以理解为具有截头斜锥体的形状。

通道10b具有倾斜的边界线12，即通道10b的直径在开口60、61处比在通道10b的中间区域中更宽。

通道10c的直径也朝开口60、61变宽，然而，与通道10b相反，通道10c具有边界线12，该边界线的至少一部分相对于垂线13(此处未示出)凹地弯曲到侧面14、15。

此外，通道10d具有直线部分62，即其中壁平行于垂线的部分，而靠近玻璃元件1的表面14、15，壁12成锥形，使得在部分62和表面14、15之间的通道10d的部分呈截锥状。包括直线部分62的这种通道10d可以例如通过蚀刻一系列细丝状缺陷9、例如图8示出的系列90获得。

根据图8示意性且未按比例示出的另一实施例，通过激光束5的照射产生细丝状缺陷9e，其中缺陷9e在玻璃元件1内开始和终止。

根据另一实施例，激光束5相对于玻璃元件1沿预定路径11行进。以此方式，产生沿路径11并排布置的大量缺陷9。在此情况下，继续蚀刻至少直至相邻通道10结合，使得玻璃元件1沿路径11分成部分100、101(示意性且未按比例在图10中示出)，并且以此方式通过蚀刻产生的壁6形成部分100、101的边缘面105。这样的实施例是有利的，因为以此方式，可以更容易地实现部分的去除，特别是在预定路径11是玻璃元件1内的闭合线的情况下。此外，所得边缘面105是倾斜的，这增加了部分100、101的机械强度。由于蚀刻过程，已经侵蚀了任何可能降低玻璃强度的缺陷、例如微缺陷，使得可以得到具有预定形状和高强度的所得边缘面105，即比普通割开或切割工艺获得的强度更高。因此，根据另一实施例，激光束5相对于玻璃元件1沿封闭路径11被引导，使得通过随后的蚀刻，内玻璃部分100与外玻璃部分101分开，在外玻璃部分101中留下开口102。这示意性且未按比在图10和11中示出，图11示出了外玻璃部分101，移除了内玻璃部分100，从而留下开口102。

根据另一实施例，通过选择蚀刻浴(或蚀刻介质)81的摩尔浓度来调整壁6的边界线12与侧面14和/或15之间的锥角94。也就是说，可以通过仔细选择蚀刻条件、特别是通过调整蚀刻浴摩尔浓度来改变锥角。优选地，使用碱性蚀刻浴(或蚀刻介质)、例如包含KOH作为主要成分的蚀刻浴(或蚀刻介质)。这种蚀刻浴或蚀刻介质非常适合蚀刻技术应用中常用的玻璃、例如用于中介层的玻璃。特别地，可以使用包含KOH的碱性蚀刻浴(或碱性蚀刻介质)蚀刻硼硅酸盐玻璃。以此方式，不需要使用通常用于玻璃的通常基于HF或相关化合物的酸性蚀刻介质。这是有利的，因为包含HF等的蚀刻介质是有害的，尤其是在安全和环境问题方面。

优选地，通过设置、特别是增加碱性蚀刻浴的摩尔浓度(或碱性蚀刻介质的摩尔浓度)来调整锥角94。这是有利的，因为以此方式可以提高总反应速率。

通常，锥角对蚀刻浴的摩尔浓度的依赖性允许产生预定的锥角。同样，锥角通常还取决于蚀刻浴的粘度和其他参数、例如蚀刻深度或蚀刻去除。蚀刻去除取决于蚀刻时间。因此，在另一实施例中，为了实现期望的锥角，提供了一种改进的方法，包括以下步骤：

-限定蚀刻后待实现的部分100、101的边缘的锥角94，

-根据限定的锥角94确定蚀刻浴81的摩尔浓度、蚀刻浴81的粘度、蚀刻去除和蚀刻时间中的至少一个，

-准备具有所确定的摩尔浓度或粘度的蚀刻批料81，和

-在蚀刻浴81中蚀刻玻璃元件。这样，通常在蚀刻后实现的锥角与预定的或期望的锥角相差小于0.5°、优选地小于0.3°、更优选地小于0.2°。

通常，根据限定的锥角94确定蚀刻浴81的摩尔浓度和粘度中的至少一个可包括从一个或多个参考点的外推或在一个或多个参考点之间的内插，其将锥角与参数蚀刻浴的摩尔浓度或粘度参数中的至少一个相关联。在这方面，已经发现，通过将碱性蚀刻浴或蚀刻介质81的摩尔浓度增加2mol/l，锥角94、例如部分100、101的边缘的锥角可以增加至少0.1°。因此，确定摩尔浓度的步骤可以包括使用至少0.1°/2mol/l的因子从一个或多个参考点外推。

根据另一实施例，通过将蚀刻浴81(或蚀刻介质81)的摩尔浓度增加4mol/l至8mol/l的值、优选地通过将KOH的摩尔浓度增加6mol/l，锥角94、例如部分100、101的边缘的锥角94可以在0.3°到0.7°的范围增加。因此，根据该实施例，确定蚀刻浴的摩尔浓度可以包括将蚀刻浴81(或蚀刻介质81)的摩尔浓度增加4mol/l至8mol/l的值、优选地通过将KOH的摩尔浓度增加6mol/l的步骤，以相对于摩尔浓度和锥角的参考点使锥角在0.3°至0.7°的范围增加。优选地，根据以上解释的实施例使用的用于调整蚀刻浴的参数的参考点来自测量，即来自在具有已知摩尔浓度或粘度的蚀刻浴中蚀刻的玻璃部分处的测量锥角。当然，可以例如通过平均或线性回归校正一个或多个参考点的值。

通常，摩尔浓度或粘度的确定可以使用依赖于摩尔浓度或粘度的锥角的参考函数来完成。该函数返回待实现的相应锥角的摩尔浓度或粘度。这个函数也可以用表格表示。例如，使用至少0.1°/2mol/l的因子的上述实施例实际上使用具有由该因子给出的梯度的线性参考函数。通常，参考函数可以通过回归、特别是多重测量(即多个测量参考点)的线性回归获得。该因子甚至可以达到至少0.2°/(mol/l)、例如约0.25°/(mol/l)。

图14示出了在碱性蚀刻浴的不同摩尔浓度下获得的锥角的四个测量值的图。测量值表示为实心圆。此外，测量值的回归线以虚线显示。回归线可用作确定蚀刻浴的摩尔浓度的参考函数，以在侧面之间获得玻璃元件的壁的期望锥角。事实上，线性回归也代表从一个或多个参考点的外推或一个或多个参考点之间的内插，其将锥角与蚀刻浴的摩尔浓度相关联。

应当理解，还有其他参数对锥角有影响。因此，替代地或除蚀刻浴的摩尔浓度或粘度外，可以选择蚀刻参数的其他调整以获得期望的锥角。具体而言，如上所述，其他蚀刻参数包括蚀刻深度和蚀刻去除或对应于给定摩尔浓度和温度的蚀刻去除的蚀刻时间可能会影响锥角，因此可用于将锥角调整到其期望值。此外，当调整参数以实现期望的锥角时，可以考虑蚀刻深度。蚀刻深度对应于玻璃元件中通道的深度并且因此对应于玻璃厚度，如果细丝状缺陷9从一侧延伸穿过整个玻璃元件到相对侧。图15示出了锥角的测量值和不同蚀刻深度和蚀刻浴81的不同摩尔浓度(即图例中所示的6、9、12和15mol/l)的拟合线。如在图中看出的，锥角通常随蚀刻深度和摩尔浓度而增加。

类似地，图16示出了锥角的值作为在通过加宽细丝状缺陷9形成的壁处的蚀刻去除的函数的图。如图15所示，蚀刻实验在蚀刻浴81的不同摩尔浓度、即6、9、12和15mol/l进行。图16示出了锥角随蚀刻去除和蚀刻浴81的摩尔浓度而增加。因此，也可以通过调整蚀刻去除或蚀刻时间调整锥角。

蚀刻速率和锥角对蚀刻浴的摩尔浓度的依赖性也通常取决于玻璃类型。在此公开的关于锥角相对于摩尔浓度的变化的示例是指玻璃类型D263。然而，本文给出的范围也可适用于其他玻璃。通常，如本文公开的锥角随蚀刻浴的摩尔浓度的变化通常适于SiO₂含量在30至85重量％范围的玻璃。

本发明还涉及板状玻璃元件1。特别地，板状玻璃元件1可以通过根据本发明的实施例的方法生产或可生产。图5示例性示出了具有两个相对的侧面14、15和多个蚀刻的通道10的板状玻璃元件1。通道10延伸穿过玻璃元件1，使得通道10的壁6连接侧面14、15。壁6的边界线12在壁6和相邻侧面14、15之间的顶点16、17、18、19处成锥形。也就是说，在壁6(或壁6的边界线12)和侧面14和15的垂线13(在此未示出)之间形成锥角94。可以通过根据本发明的实施例的方法控制锥角94。

优选地，根据实施例，在边界线12和侧面14、15的垂线13之间的至少两个锥角94彼此不同。

根据另一实施例，至少一个通道10具有带边界线12的壁6，其在通道10到相应的侧面14、15的开口60、61处与侧面14、15的垂线13具有不同的锥角。

根据另一实施例，在侧面14、15的通道10的开口60、61处的壁6的边界线12彼此不同。

根据另一实施例，在至少一个部分内，壁6相对于侧面14、15的垂线13方向凹地弯曲。

根据另一实施例，多个通道10以预定图案在玻璃元件1上分布。例如，预定的图案可以构成网格、或圆形、或螺旋。

根据另一实施例，玻璃元件1具有至多200μm并且优选地至少3μm、更优选地至少5μm并且最优选地至少10μm的厚度。

这种玻璃元件1和/或部分100、101可以例如用于印刷电路应用、微流体装置或用于液体透镜。

附图标记列表

1 玻璃元件

5 激光束

6 壁

7 超短脉冲激光器

8 激光束5的焦线

9、9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h 细丝状缺陷

90 系列缺陷

10、10a、10b、10c、10d 通道

11 路径

12 边界线

13 垂线

14、15 玻璃元件1的侧面

16、17、18、19 顶点

20 定位装置

50、51 激光束5的部分光束

52 干涉区域

53 干涉区域的长度

54 强度最大值

55 干涉角

60、61 通道10的开口

62 通道10d的直线部分

70 聚焦光学器件

71 计算装置

80 蚀刻槽

81蚀刻介质、蚀刻浴

91 盲孔

94 锥角

100、101 玻璃元件1的部分

102 部分100内的开口

105 部分100、101的边缘

Claims (21)

1.一种结构化玻璃元件(1)的方法，其中

-将超短脉冲激光器(7)的脉冲激光束(5)引导到玻璃元件(1)上，其中

-玻璃元件(1)对激光束(5)是透明的，其中

-在玻璃元件(1)中产生至少一个细丝状缺陷(9)，细丝状缺陷(9)横向于玻璃元件(1)的侧面(14、15)延伸，通过激光束(5)产生细丝状缺陷(9)，激光束(5)借助于聚焦光学器件(70)会聚以在玻璃元件(1)中形成焦线(8)，其中，在焦线(8)内的激光束(5)的强度足以产生细丝状缺陷(9)，其中

-调整焦线(8)，使得细丝状缺陷(9)在玻璃元件(1)内终止，其中

-将玻璃元件(1)暴露在蚀刻浴(81)中，其通过蚀刻去除玻璃，使得

-细丝状缺陷(9)变宽以形成在玻璃元件(1)的相对侧面(14、15)之间延伸的壁(6)，壁(6)具有边界线(12)，边界线(12)在壁(6)和相邻侧面(14、15)之间的顶点(16、17、18、19)处成锥形，相对于侧面(14、15)的垂线(13)具有锥角(94),

-通过焦线(8)的位置、长度和强度分布中的至少一个调整锥角(94)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过蚀刻和加宽细丝状缺陷(9)产生通道(10)，并且其中，通道(10)向两个相对侧面(14、15)开口。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过引入穿过玻璃元件(1)的细丝状缺陷(9)产生以预定图案在玻璃元件(1)上分布的多个通道(10)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用聚焦光学器件(70)产生在玻璃元件(1)中终止的细丝状缺陷(9)，聚焦光学器件(70)将激光束(5)的至少两个部分光束(50、51)叠加，使得部分光束(50、51)的干涉产生沿焦线(8)的强度变化。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过激光束(5)的照射产生两个同轴取向的细丝状缺陷(9)，同轴取向的细丝状缺陷(9)从相对侧面(14、15)开始并在玻璃元件(1)内终止。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过激光束(5)的照射产生细丝状缺陷(9)，细丝状缺陷(9)在玻璃元件(1)内开始和终止。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过用激光束(5)照射产生至少两个同轴取向的细丝状缺陷(9)，其中，细丝状缺陷(9)具有不同的长度，使得通过对细丝状缺陷(9)蚀刻和加宽形成连接玻璃元件(1)的相对侧面(14、15)的壁(6)，壁(6)具有在顶点(16)到侧面(14、15)处具有不同锥角的边界线(12)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，激光束(5)相对于玻璃元件(1)沿预定路径(11)行进，使得沿路径(11)产生多个并排布置的细丝状缺陷(9)，并且其中，继续蚀刻至少直到相邻通道(10)结合，使得玻璃元件(1)沿路径(11)分成部分(100、101)，并且使得通过蚀刻产生的壁(6)形成部分(100、101)的边缘面(105)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，相对于玻璃元件(1)沿闭合路径(11)引导激光束(5)，使得通过随后的蚀刻，内玻璃部分(100)与外玻璃部分(101)分开，在外玻璃部分(101)中留下开口(102)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过选择蚀刻浴(81)的摩尔浓度调整壁(6)的边界线(12)和侧面(14、15)之间的预定锥角(94)。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，蚀刻浴(81)是碱性蚀刻浴。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤：

-限定蚀刻后待实现的部分(100、101)的边缘的锥角(94)，

-根据限定的锥角(94)确定蚀刻浴(81)的摩尔浓度、蚀刻浴(81)的粘度、蚀刻去除和蚀刻时间中的至少一个，

-制备具有确定的摩尔浓度或粘度的蚀刻批料(81)，和

-在蚀刻浴(81)中蚀刻玻璃元件。

13.根据权利要求12所述的方法，包括至少一个以下特征：

-确定蚀刻浴的摩尔浓度或粘度的步骤包括从一个或多个参考点外推或在一个或多个参考点之间的内插，其将锥角与蚀刻浴的参数摩尔浓度或粘度中的至少一个相关联，

-确定蚀刻浴的摩尔浓度或粘度的步骤包括使用依赖于摩尔浓度或粘度的锥角的参考函数，其中函数返回用于待实现的相应锥角的摩尔浓度或粘度，

-确定蚀刻浴的摩尔浓度或粘度的步骤包括

-确定摩尔浓度的步骤包括使用至少0.1°/2mol/l的因子从一个或多个参考点的外推。

14.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，通过将蚀刻浴(81)的摩尔浓度增加4mol/l至8mol/l的值、优选地通过将KOH的摩尔浓度增加6mol/l，部分(100、101)的边缘的锥角(94)在0.3°至0.7°的范围增加。

15.一种在板状玻璃元件中产生通道的方法、特别是根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中

-将超短脉冲激光器(7)的脉冲激光束(5)引导到玻璃元件(1)上，其中

-玻璃元件(1)对激光束(5)是透明的，其中

-在玻璃元件(1)中产生至少一个细丝状缺陷(9)，细丝状缺陷(9)横向于玻璃元件(1)的侧面(14、15)延伸，通过激光束(5)产生细丝状缺陷(9)，激光束(5)借助于聚焦光学器件(70)会聚以在玻璃元件(1)中形成焦线(8)，其中，在焦线(8)内的激光束(5)的强度足以产生细丝状缺陷(9)，其中

-调整焦线(8)，使得细丝状缺陷(9)的两端都位于玻璃元件(1)内，将玻璃元件(1)暴露在蚀刻浴(81)中，蚀刻浴(81)通过蚀刻去除玻璃，使得去除侧面的玻璃材料并使细丝状缺陷(9)的至少一端暴露，并且其中，继续蚀刻，使得细丝状缺陷(9)变宽以形成具有预定直径的通道(10)。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，将至少两个细丝状缺陷(9)引入玻璃元件(1)中，其中，细丝状缺陷(9)的端部到玻璃元件(1)的侧面(14、15)具有不同的距离，使得在蚀刻时细丝状缺陷(9)比其它细丝状缺陷(9)更早暴露，使缺陷(9)暴露于蚀刻浴(81)不同的时间跨度，从而产生不同直径的通道(10)。

17.一种板状玻璃元件(1)、特别是通过根据前述权利要求中任一项所述的方法生产的板状玻璃元件(1)，玻璃元件(1)具有两个相对侧面(14、15)和多个蚀刻的通道(10)，蚀刻的通道(10)延伸穿过玻璃元件(1)，使得通道(10)的壁(6)连接侧面(14、15)，并且其中，壁(6)的边界线(12)在壁(6)和相邻侧面(14、15)之间的顶点(16、17、18、19)处成锥形，其中优选地，通过根据前述权利要求中任一项所述的方法控制锥角(94)。

18.根据权利要求17所述的板状玻璃元件(1)，其中，在边界线(12)和侧面(14、15)的垂线(13)之间的至少两个锥角(94)在壁(6)和侧面(14、15)之间的顶点(16、17、18、19)处彼此不同。

19.根据权利要求18所述的玻璃元件(1)，其特征在于至少一个以下特征之一：

-至少一个通道(10)具有带有边界线(12)的壁(6)，边界线(12)与侧面(14、15)的垂线(13)在通道(10)到侧面(14、15)的开口(60、61)处具有不同的锥角(94)，

-壁(6)的边界线(12)在通道(10)到侧面(14、15)之一的开口(60、61)处彼此不同。

20.根据权利要求18-19中任一项所述的玻璃元件(1)，其中，在至少一个部分内，壁(6)相对于侧面(14、15)的垂线(13)方向凹地弯曲。

21.根据权利要求19-20中任一项所述的玻璃元件(1)，包括至少一个以下特征：

-多个通道(10)以优选地构成网格的预定图案在玻璃元件(1)上分布，

-玻璃元件(1)的厚度为至多200μm。

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