DE102012110971A1

DE102012110971A1 - Trennen von transparenten Werkstücken

Info

Publication number: DE102012110971A1
Application number: DE102012110971.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ortner; Dr. Habeck Andreas; Dr. Gerstner Klaus; Fabian Wagner; Georg Haselhorst
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-05-15
Also published as: KR101778418B1; KR20150082638A; EP2931467A2; US10626039B2; US20200115269A1; CN104768698A; US20160031745A1; JP6321843B2; WO2014075995A3; JP2015536896A; WO2014075995A2; CN104768698B; EP2931467B1; JP2017122046A; JP6139693B2

Abstract

Verfahren der Trennvorbereitung von transparenten Werkstücken (2). Es werden sich quer durch das Werkstück erstreckende, aneinander gereihte Filamentstrukturen (4, 5, 6) mittels ultrakurzen Laserpulsen entlang einer Sollbruchlinie (20) erzeugt. In einem nachfolgenden Schritt wird die Trennung des Werkstücks ausgeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Vorbereitung zum Trennen von Werkstücken und Substraten mittels gepulster, ultrakurzer Laserbestrahlung. Als Werkstückmaterial kommt insbesondere vorgespanntes Glas oder Glaskeramik in Betracht. Die Erfindung betrifft auch das Trennen von Werkstücken.
Aus WO 2012/006736 A2 ist bekannt, dass man mit dem Kerr-Effekt die Bildung von Filamenten in Glas als irreversible Schädigungen verursachen kann. Die Aneinanderreihung solcher Schädigungen in Glas ermöglicht das Trennen von transparenten Substraten. Ein Filament entsteht durch einen ultrakurzen Laserpuls. Dabei erlebt der Laserstrahl im Inneren des Glases infolge des Kerr Effektes eine Selbstfokussierung, bis die Energiedichte in einem Punkt so hoch wird, dass ein Plasma gezündet wird. Es kommt zu einer Plasmaexplosion, bei der das Glas irreversible Schäden rund um diese Plasmaentstehungsstelle erleidet. Von dort geht weitere Strahlung aus, die der Selbstfokussierung unterliegt und die in einer Plasmaexplosion endet. Dieser Effekt wiederholt sich je nach Intensität mehrfach. Die Energie nimmt über die gesamte Glasdicke ab, so haben die ersten Plasmaspots die größte Energie und erzeugen auch die größten Schädigungen. Des Weiteren sind die Plasmaspots rund ausgeprägt, was dazu führt, dass ausgehende Defekte in alle Richtungen statistisch verteilt auftreten.
Bei Glas, welches eingeprägte Spannungen hat, zum Beispiel bei chemisch vorgespanntem Glas, kann es zum spontanen Selbstbruch kommen. Dies beeinflusst gerade die Bearbeitung von größeren Glasplatten erheblich. Durch den Bruch kommt es zur Änderung der Position der Glasplatte. Eine weitere exakte Bearbeitung ist nicht möglich.
Die Patentschrift DE 103 13 044 B3 beschreibt ein Verfahren zum Schneiden oder Bohren von Material. Auch hier wird der durch hochintensive ultrakurze Laserpulse auftretende nichtlineare optische Effekt ausgenutzt, um mittels der alternierenden Fokussierung und Defokussierung des Laserstrahls ein Filament zu erzeugen. Ein Filament ist demnach ein durch ein hochintensives Laserlichtbündel erzeugter Kanal kleinen Durchmessers.
Weiterhin beschreibt das Dokument DE 10 2006 042 280 A1 ein Verfahren zur Bearbeitung von transparentem Material mit einem Laser. Hiernach werden ultrakurze Laserimpulse genutzt, um sowohl eine Oberflächenrille auf dem Substrat als auch eine oder mehrere lasermodifizierte Regionen im Volumen das Materials zu erzeugen. Die letztendlich zum Trennen führende Fraktur erfolgt an der Oberflächenritzstruktur und pflanzt sich abwärts durch das Substratmaterial fort. Bei einer zu flachen Oberflächenrille neigt die Fraktur zur Wanderung. Das Erzeugen von Bruchkanten mit gleichbleibender, hoher Qualität ist nicht beschrieben.
Auch die DE 10 2007 028 042 B2 beschreibt ein Verfahren zur Laserbearbeitung transparenter Materialien, wobei eine Nutzung von gepulster Laserstrahlung im Nanosekundenbereich beschrieben ist. Hiernach gibt es einen Strahlungsstärkebereich, in dem Materialveränderungen auftreten, ohne dass es zu Plasmaleuchten kommt.
Zusammenfassend sind verschiedene Verfahren bekannt, die es ermöglichen, mittels ultrakurzer, gepulster Laserstrahlung Bereiche im Volumen eines Materials zu modifizieren und damit einen Bestandteil eines Trennverfahrens zu schaffen. Das Trennen und Brechen, das beispielsweise für das Vereinzeln von auf dieser Weise modifizierten Substraten erforderlich ist, ist dagegen bisher noch nicht ausreichend industriellen Prozessen zugänglich. Dieses Problem stellt sich insbesondere bei Substraten, umfassend vorgespannte Gläser oder Glaskeramiken, da diese aufgrund der Vorspannung zu einem unkontrollierten Brechen neigen, wenn sie mit ultrakurzer, gepulter Laserstrahlung bearbeitet werden.
Für einen industrialisierten Einsatz ist aber eine exakte Steuerung nicht nur für die Erzeugung einer Trennlinie in oder auf dem Substrat, sondern auch für das Trennen bzw. Brechen erforderlich, um Bruchkanten mit gleichbleibender, hoher Qualität zu erzeugen und die Stabilität und Sicherheit des Prozesses zu gewährleisten. Dies ist insbesondere im Falle von vorgespanntem Glas sehr schwierig, da die durch die Laserbestrahlung bewirkten Materialmodifikationen zum unkontrollierten Auftreten und Ausbreiten von Rissen führen können, so dass ein genaue Steuerung des Trennens sehr erschwert wird.
Zur Problematik wird folgendes angeführt:

1) Trennen/Bohren mittels Filamentierung: Verfahrensbedingt kommt es zu einer inhomogenen Ausbildung des Filaments: Auf der Eintrittsseite des filamenterzeugenden Laserstrahls werden aufgrund der hohen Anfangsenergiedichte vergleichsweise größere Plasmavolumina gezündet, als in den folgenden, tiefer im Werkstück liegenden Plasmapunkten, d.h. der Kanal der Beschädigungen (= die ausgebildete Filamentstruktur) im Werkstück läuft konisch zu. Die hervorgerufenen Beschädigungen (Mikrorisse) sind daher auf der Eintrittsseite des Laserstrahls deutlich stärker als auf der Austrittsseite. Gerichtete Festigkeitsuntersuchungen (Vierpunktbiegung, ...) zeigen einen signifikanten Unterschied in der Kantenfestigkeit schon bei einer Glasdicke von 0,7mm.
2) Raumgeometrie der Plasmaentstehungsstellen: Die durch Selbstfokussierung hervorgerufenen Plasmaentstehungsstellen besitzen im wesentlichen eine kugelsymmetrische Form mit kugelsymmetrischer Energieverteilung, was richtungsunabhängige statistisch verteilte Mikrorisse um das Plasmavolumen zur Folge hat. Dadurch ragen Risse auch in die spätere Bruchkante hinein und wirken sich festigkeitsmindernd aus.
3) Spontaner Bruch: Bei der Filamentierung von spannungsbeaufschlagten Sprödwerkstoffen kommt es während des Prozesses zum unkontrollierten Spontanbruch des Werkstücks, was in einer erhöhten Ausschussrate resultiert. Des Weiteren kommt es durch den Spontanbruch zu einer Lageverschiebung des Werkstücks, was das automatisierte Prozessieren erschwert oder gar verhindert.

Die Erfindung soll vor allem die Qualität der erzeugten Kanten steigern.
Die Erfindung wird in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Mit der Erfindung wird der Trenn-Prozess für sprödharte Werkstoffe verbessert.

1) Multifilamentierung: Die Vorbereitung der Trennung als Spaltung des Werkstücks wird im Gegensatz zum Stand der Technik nicht nur durch die Erzeugung einer einzigen konisch zulaufenden Filamentstruktur, sondern durch eine Aneinanderreihung von mehreren Filamentstrukturen durchgeführt. Jede einzelne dieser Filamentstrukturen ist relativ schmal und erzeugt eine signifikant geringere Anzahl von Mikrorissen quer zur Richtung der Filamentstrukturen im Vergleich zum Trennprozess mit einer einzelnen durch das Werkstück hindurchgehende Filamentstruktur. Die geringere Konizität der einzelnen Filamentstrukturen (=Filament + Mikrorisse) erzeugt insgesamt eine höhere geometrische Genauigkeit des Bearbeitungskanals, gepaart mit einer höheren Randfestigkeit der Bruchkante nach Trennen des Werkstücks.

Die Einzelfilamentstrukturen werden durch einen Pikos-/Femtosekunden-Puls erzeugt, der aufgeteilt wird und zeitlich versetzt, beginnend von der Austrittsseite des Laserstrahls, in das Werkstück eingebracht wird. Größere Schnitttiefen können durch Mehrpulsfolgen bei gleicher Laserleistung realisiert werden, unter entsprechender Herabsetzung der Schneidgeschwindigkeit.

2) Die Raumgeometrische Form des Plasmas kann durch eine Spezialoptik beeinflusst werden. Es wird eine längliche Form des Querschnitts des Laserstrahlenbündesl erzeugt, wie z.B. lanzettenförmig, elliptisch oder auch tropfenförmig. Dadurch ergibt sich eine kontrollierbare Vorzugsrichtung der durch die Plasmaexplosionen erzeugten entstehenden Schädigungen/Risse.

Die Querschnitte des Laserstrahlenbündels sollten bei Rundungen oder Richtungswechsel mit ihrer Längserstreckung in Trennrichtung des Werkstückes nachgeführt/verändert werden.

3) Die Herstellung der Filamentierung unter
Schutzatmosphäre ist vor allem ein maschinebauliches
Konzept, wobei die Herstellungsanlage so ausgelegt wird,
dass eine definierte Einstellung der Atmosphäre, welche das
zu bearbeitende Werkstück umgibt, erreicht wird.

Durch eine gezielt eingestellte Atmosphäre kann der spontane Bruch des Werkstücks gehemmt bzw. verhindert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Trennen eines Substrates mittels fokussierter Laserstrahlung, umfassend die folgenden Schritte:

– das Substrat wird mit einer Schutzgasatmosphäre beaufschlagt,
– gepulste, ultrakurze Laserstrahlung wird auf das Substrat gerichtet, wobei das Substrat in dem Wellenlängenbereich der Laserstrahlung transparent ist,
– durch die Laserbestrahlung wird eine in die Tiefe gehende, filamentartige Materialmodifikation in einem vorbestimmten Volumen des Substrates erzeugt,
– Brechen des Substrates entlang der durch die Materialmodifikation festgelegten Trennlinie.

Durch eine gepulste, ultrakurze Laserstrahlung können in einem transparenten Material zwei Effekte der nichtlinearen Optik bewirkt werden. Diese betreffen zum einen den optischen Kerr-Effekt, zum anderen die Defokussierung des Laserstrahles in einem Plasmabläschen. Derartige Effekte sind bereits bekannt und sollen daher nur kurz umrissen werden.
Der Kerr-Effekt beschreibt eine Änderung der optischen Eigenschaft eines transparenten Materials (transparent im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung), in Abhängigkeit von der angelegten oder auftretenden elektrischen Feldstärke. Mit der Laserstrahlung im transparenten Material tritt ein elektrisches Feld auf, dessen Stärke von der Lichtintensität der Laserstrahlung abhängt. Das elektrische Feld bewirkt eine Änderung der optischen Eigenschaft des bestrahlten Materials, darunter die Erhöhung der Brechzahl. Dies wiederum führt zu der Selbstfokussierung der Laserstrahlung.
Aufgrund der Selbstfokussierung und der daraus resultierenden Verkleinerung der Strahlungsquerschnittsfläche wächst die flächenbezogene Leistungsdichte, demnach die Strahlungsintensität, stark an und kann sehr hohe Werte erreichen. Hierdurch wird das elektrische Feld noch verstärkt, was zu Multiphotonen-Ionisation führt. Ionisation bedeutet Ladungstrennung bei Milekülen oder Atomen und Plasmabildung an Fokussierungspunkten. Jedenfalls entsteht in den Fokussierungspunkten eine Schädigung in dem Material des Substrates, die nachfolgend auch als Materialmodifikation bezeichnet wird und sich als Plasmabläschen manifestiert.
Im Bereich des örtlich auftretenden Plasmabläschens findet eine Defokussierung des Laserstrahls statt, an die sich wiederum die nächste Fokussierung des Laserstrahls anschließt. Es kann auf diese Weise eine Art Perlenkette in dem Material des Substrates erzeugt werden, die aus mehreren hintereinander aufgereihten Fokussierungs- und Defokussierungsbereichen besteht und die als Filamente bezeichnet werden.
Durch die Fokussierung und Defokussierung kann eine Propagation des Laserstrahls in das Material des Substrates bewirkt werden, wobei das Material in der Tiefe eine Art Perforation erfährt. Zum Bearbeiten von transparenten Material wie Glas ist dieser Effekt bekannt und wird genutzt, um beispielsweise durch Bewegen des Substrates relativ zur Laserstrahlung eine Art perforierte Linie in dem Substrat als Sollbruchstelle bzw. Trennlinie zu erzeugen.
Durch eine höhere Laserleistung kann eine entsprechend tiefere Perforation erreicht werden, die ein Trennen im Bereich der Perforation erleichtert.
Problematisch ist allerdings die Anwendung der tieferen Perforation im Zusammenhang mit vorgespanntem Glas, also einem Material, welches bereits im Ausgangszustand über eine erhöhte Eigenspannung verfügt. Aufgrund der erhöhten Eigenspannung kann es zu spontan auftretender Rissbildung und Rissausweitung in den perforierten Bereichen kommen, wie auch in der WO2012/006736 A2 beschrieben. Insbesondere bei höherer Laserleistung kann es so bereits während des Prozesses zu einem Bruch des Substrates kommen. Eine industrielle Anwendung ist daher deutlich erschwert, da der Trennprozess nicht sicher beherrscht und gesteuert werden kann.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die spontane Rissbildung reduziert oder sogar ganz verhindert werden kann, wenn während der Laserbestrahlung des Substrates eine bestimmte Atmosphäre am Werkstück vorherrscht. So wird die Rissbildung deutlich reduziert oder verzögert, wenn während der Laserbestrahlung eine Schutzgasatmosphäre vorherrscht, welche OH-ionenarm oder OH-ionenfrei ist.
Durch Anlegen von einer Stickstoff-Atmosphäre während der Laserbestrahlung konnte die Zeitspanne bis zum Auftreten spontaner Bruch-Risse im Bereich der Perforationsstellen ausreichend verlängert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, den Prozess der Laserbestrahlung des Substrates zu beenden, bevor es zu spontanen Bruch-Rissen in dem Substrat und damit zum Bruch des Substrates kommt. Demnach wird das Substrat während der Aussetzung gepulster, ultrakurzer Laserstrahlung einer OH-ionenarmen bzw. OH-ionenfreien Atmosphäre ausgesetzt. Hierzu kann beispielsweise ein entsprechend gasdichter Raum, in dem das Substrat während der Laserbestrahlung gehaltert wird, genutzt werden.
Besonders gute Erfahrungen wurden gemacht bei einer Schutzgasatmosphäre, deren Wassergehalt bei weniger als 0,2 Vol%, bevorzugt bei weniger als 0,1 Vol% liegt.
Durch die Laserbestrahlung kann demgemäß eine in die Tiefe gehende, filamentartige Materialmodifikation ähnlich einer Perforation in einem vorbestimmten Volumen des Substrates erzeugt werden. Das vorbestimmte Volumen des Substrates betrifft den festgelegten Trennbereich, entlang dessen die Perforation erzeugt werden soll und der somit die spätere Trennstelle bzw. auf der Oberfläche des Substrates die Trennlinie bildet.
Besonders günstig können das Substrat oder der Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden, um auf diese Weise die Perforation in der Tiefe des Substrates entlang der Trennlinie zu ermöglichen. Typischerweise kann dabei das Substrat bewegt werden, beispielsweise über eine X-Y-Achseneinstellanordnung, welche eine zweidimensionale Bewegung des Substrates bei einem gleichbleibenden Abstand zur Laserstrahlung ermöglicht. Diese Anordnung kann zusätzlich noch mit einer beweglichen Z-Achsenanordnung kombiniert werden, um den Abstand zwischen Substrat und Laserstrahl einstellen zu können.
Das Material des Substrats weist dabei eine optische Transparenz zumindest in dem Wellenlängenbereich der Laserstrahlung auf. Dabei beträgt die optische Transparenz in dem besagten Bereich wenigstens 80%/cm, bevorzugt wenigstens 85%/cm und ganz besonders bevorzugt wenigstens 90%/cm. Hierdurch kann die Laserstrahlung in das Material eindringen.
Das Substrat kann dabei Materialien umfassen, die ausgewählt sind aus der Gruppe Glas, Saphir, oder Diamant. Überraschenderweise kann die erfindungsgemäße Laserbestrahlung auch für vorgespanntes Glas, wie es beispielsweise für Displayanwendungen bekannt ist, oder auch bei Flachglas, verwendet werden. Ebenso überraschend können auch Materialien aus Glaskeramik bearbeitet werden.
Die in dem Substrat erzeugte, in die Tiefe gehende Perforation entlang eines Weges verläuft entlang der Trennlinie, an der eine Trennung des Substrates erfolgen soll. Die Trennlinie kann dabei von gerader Form sein, aber auch ungerade oder gebogen. So kann die Trennlinie beispielsweise auch sehr kleine Radien aufweisen, um etwa eine Materialtrennung ähnlich einer Bohrung zu ermöglichen.
Die Perforation kann senkrecht von der Oberfläche des Substrates aus in die Tiefe gehen. Sie kann aber auch in einem bestimmten Winkel in Bezug auf die Oberfläche erzeugt werden, um beispielsweise schräge Trennkanten an dem Substrat zu erzeugen. In diesem Fall wird der Laserstrahl nicht senkrecht, sondern in einem vorbestimmten Winkel auf die Oberfläche des Substrates gerichtet.
Entlang der perforierten Trennlinie erfolgt anschließend die Trennung des Materials. Hierzu ist es erforderlich, dass die durch die Perforation erzeugte Materialmodifikation, die einer Materialschädigung gleichkommt, einen bestimmten Umfang erreicht, um eine Trennung mit einer bestimmten Qualität der Trennkante bezüglich der Oberflächenbeschaffenheit und des abgetrennten Substrates bezüglich der Festigkeit zu ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass eine gute Trennbarkeit an der Trennlinie erfolgen kann, wenn die Perforation in eine Tiefe geht, die wenigstens 40% der Materialdicke des Substrates, bevorzugt wenigstens 50% und ganz besonders bevorzugt wenigstens 55% beträgt. Dabei sollten die Filamente einen Abstand zueinander aufweisen, der in einem Bereich von etwa 200 µm bis 800 µm liegt. Ein Filament kann dabei einen Querschnitt in einem Bereich von etwa 15 µm bis 250 µm aufweisen.
Auf diese Weise kann entlang der Trennlinie eine ausreichend große Vorschädigung des Substratmaterials erzeugt werden, welche zu einer guten Trennbarkeit führt. Durch die Trennung des Materials entlang der Trennlinie werden Trennkanten ausgebildet, wobei die Qualität dieser erzeugten Trennkanten überraschend gut ist.
Die Trennkanten weisen typischerweise im Bereich der Perforation eine Struktur mit nebeneinander liegenden, parallelen Filamenten auf, und im darunter liegenden Trennkantenbereich eine eher muschelartige Bruchstruktur. Es konnten Rauhigkeitswerte der Trennkante erreicht werden, die in einem Bereich von Ra < 100 µm liegen.
Auch die Kantenfestigkeit der erzeugten Trennkanten ist von hoher Qualität. Diese wurde mittels 4-Punkt-Biegeversuch ermittelt. Es konnte ein Durchschnittswert der Festigkeit von wenigstens 120 MPa bei vorgespanntem Glas erreicht werden.
Die Laserquelle wird entsprechend des Wellenlängenbereiches, in dem das Substrat eine Transparenz aufweist, ausgewählt. Der Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung fällt in den Transparenzbereich des Substrates.
Der Laserstrahl kann räumlich mit einer gaußsche Intensitätsverteilung fokussiert werden, um eine ausreichend hohe Intensität zu erreichen. Dabei liegt der erste Fokuspunkt innerhalb des Substrates, also im Substratvolumen. Trifft der Laserimpuls auf diesen Punkt im Volumen des Substrates, so kann es dort zu einer Plasmabildung und damit zu einer Materialmodifikation kommen. Aufgrund der nunmehr folgenden Defokussier- und weiteren Fokussiereffekten kann die filamentartige Perforation, umfassend mehrere Fokussierungspunkte, in dem Substratvolumen erzeugt werden.
Die Fokussierungspunkte in beispielsweise transparentem Glas weisen häufig eine kugelförmige, annähernd symmetrische Form auf. Mittels Spezialoptiken konnten aber in vorgespanntem Glas Fokussierungspunkte erzeugt werden, welche eine nicht kugelförmige räumliche Ausbildung aufweisen. So konnten beispielsweise Fokussierungspunkte mit elliptischen, lanzettenförmigen oder tropfenförmigen Formen erzeugt werden. Derartige Strukturen der Fokussierungspunkte erleichtern die Rissbildung, insbesondere durch einen besseren Rissverlauf von einem Fokussierungspunkt zum nächsten, wodurch auch eine bessere Qualität der Trennkante erreicht werden kann.
Eine geeignete Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einer Repetitionsrate, welche zwischen 10 kHz und 120 kHz, bevorzugt zwischen 30 kHz und 110 kHz und ganz besonders bevorzugt zwischen 35 kHz und 105 kHz liegt.
Dabei liegt die geeignete Pulsdauer eines Laserimpulses in einem Bereich von weniger als 100 Pikosekunden, bevorzugt bei weniger als 10 Pikosekunden und ganz besonders bevorzugt bei weniger als 1 Pikosekunde. Die Leistung der Laserquelle liegt dabei besonders günstig in einem Bereich von etwa 7 bis 12 Watt.
Mittels einer derartigen Laserstrahlung konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden für das Erzeugen von in der Tiefe perforierten Trennlinien auf vorgespanntem Glas.
Eine Erhöhung der Laserleistung kann, insbesondere bei vorgespannten Glas, zu einer stärkeren Neigung zu spontaner Rissbildung führen, wohingegen bei nicht vorgespannten Glas eine dichtere Perforation erreicht werden kann, welche wiederum die Trennbarkeit verbessert.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Trennen eines Substrates, insbesondere von vorgespanntem Glas oder Glaskeramik, mittels fokussierter Laserbestrahlung, umfassend:

– einen gasdichten Raum zur Aufnahme des Substrates,
– eine gepulste Ultrakurz-Laserlichtquelle,
– eine Vorrichtung zum Bewegen des Substrates und/oder der Laserlichtquelle relativ zueinander, wobei
– das Substrat mit einer Schutzgasatmosphäre beaufschlagt wird,
– gepulste, ultrakurze Laserstrahlung auf das Substrat gerichtet wird, wobei das Substrat in dem Wellenlängenbereich der Laserstrahlung transparent ist,
– durch die Laserbestrahlung eine in die Tiefe gehende, filamentartige Materialmodifikation in einem vorbestimmten Volumen des Substrates erzeugt wird,
– eine Trennung entlang der durch die Materialmodifikation festgelegten Trennlinie erfolgt.

Die Erfindung betrifft weiter einen Gegenstand aus vorgespanntem Glas oder Glaskeramik, der zumindest an einer Seite mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet worden ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens zum Trennen eines Substrates, insbesondere von vorgespanntem Glas oder Glaskeramik, mittels fokussierter Laserbestrahlung, wird nach erfolgter Perforation des Substrates entlang der späteren Trennstelle das Substrat einer zweiten Atmosphäre ausgesetzt. Diese zweite Atmosphäre unterscheidet sich von der Schutzgasatmosphäre, die demnach die erste Atmosphäre darstellt, in ihrem Gehalt an OH-Ionen. So ist der Gehalt an OH-Ionen der zweiten Atmosphäre höher als der der ersten Atmosphäre.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein erhöhter Anteil an OH-Ionen ein Trennen bzw. Brechen des Werkstückes entlang der perforierten Trennlinie begünstigen kann. Durch das Beaufschlagen mit einer mit OH-Ionen angereicherten Atmosphäre, beispielsweise Nassdampf, kann demnach die Rissbildung unterstützt und somit gesteuert werden. Auf diese Weise kann auch der Prozessschritt des Brechens zum Erzeugen der Materialtrennung gezielt beeinflusst werden, so dass eine einfache industrielle Anwendbarkeit gegeben ist. Insbesondere kann das Auftreten von spontanen Bruch-Rissen verhindert werden.
Besonders gute Erfahrungen wurden gemacht mit einer zweiten Atmosphäre, welche einen OH-Ionen-Gehalt von wenigstens 1,4 Vol%, bevorzugt wenigstens 2 Vol% aufweist.
Besonders günstig kann daher auch der Raum zur Aufnahme des Substrates gasdicht ausgebildet sein, so dass auf einfache Weise eine erste, OH-ionenarme Atmosphäre eingestellt werden kann. Weiterhin kann besonders vorteilhaft dieser Raum auch zur Beaufschlagung des Substrates mit einer OH-Ionen angereicherten Atmosphäre ausgebildet sein. Ebenso kann die Vorrichtung aber auch zwei getrennte Räume umfassen, welche entsprechend für die Beaufschlagung mit der ersten oder der zweiten Atmosphäre ausgebildet sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
1: Eine Laserbearbeitungsvorrichtung während der Bearbeitung eines Werkstücks auf einem Werkstücktisch,
2: eine vergrößerte Einzelheit aus 1,
3: ein elliptischer Strahlungsquerschnitt der Laserbearbeitungsvorrichtung,
4: lanzettförmige Strahlungsquerschnitte und
5: tropfenförmige Strahlungsquerschnitte.
1 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1 über einem Werkstück 2, das auf einem Werkstücktisch 3 aufruht. Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist einen Ultrakurzlaser 10 und eine Fokussieroptik 11 auf, um ein fokussiertes Strahlenbündel 12 abzugeben, dessen Fokuspunkt 13 in etwa auf der Oberseite des Werkstückes 2 gelegen ist. Auf dem Werkstück 2 ist eine Schnittlinie oder Bruchlinie 20 angedeutet, entlang welcher das Werkstück aufgetrennt oder gespalten werden soll. Es ist vorgesehen, dass der Fokus 13 entlang dieser Linie 20 gefahren werden kann, was durch Verstellung des Tisches in den beiden Koordinatenrichtungen 21, 22 zu bewerkstelligen ist. Es werden sehr kleine Verstellschritte benutzt.
Der Ultrakurzlaser 10 ist in der Lage, Laserpulse in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Perioden abzugeben. Die Wellenlänge der Strahlung ist so gewählt, dass sie in einem Transparenzbereich des Werkstücks 2 liegt. Die Energie der Laserpulse ist so bemessen, dass sich jeweils eine linienförmige Schädigungsstelle 14 quer zu der Oberfläche des Werkstücks 2 bildet. Indem die Fokussieroptik 11 entlang der vorgesehene Bruchlinie 20 verfahren wird, werden in dem Werkstück 2 eine Reihe von Schädigungsstellen 14 erzeugt, die gewissermaßen die vorgesehene Bruchfläche vorschreiben. Die Erfindung hat mit der Herstellung dieser linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen 14 zu tun.
2 zeigt schematisch eine sich quer durch das Werkstück 2 hindurch ziehende Schädigungsstelle 14. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Schädigungsstelle 14 drei in einer Linie ausgerichtete Filamentstrukturen 4, 5 und 6. Jeder dieser Filamentstrukturen wird durch einen ultrakurzen Laserpuls erzeugt. Im Falle der Filamentstruktur 4 führt dies durch Selbstfokussierung des Laserstrahlenbündels 12 zu einer Plasmastelle 41, an welcher das Werkstückmaterial in die Plasmaphase übergeht, was von ausgehender Strahlung 42 begleitet ist, die durch Selbstfokussierung zu einer weiteren Plasmastelle 43 führt und sich der Vorgang so lange fortsetzt, bis die Energie des Laserpulses erschöpft ist. An den Plasmabildungsstellen 41, 43, 45 findet durch Wäremausdehnung gewissermaßen eine Plasmaexplosion statt, die zur Rissbildung hauptsächlich entlang eines sich bildenden Spaltes ins Innere des Werkstücks führt, was erwünscht ist, jedoch auch quer zu diesem Kanal, wie durch Risse 46 angedeutet. Diese Querrisse 46 sind unerwünscht und sollen bei der Erfindung möglichst klein gehalten werden.
Zu diesem Zweck wird die Schädigungsstelle 14 in mehreren Etappen hergestellt. Man erreicht dies dadurch, dass die Laserpulse in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Perioden abgegeben werden. Die Energie der Laserpulse während einer Periode wird dabei so klein gewählt, dass nur kleine und wenige Plasmaexplosionsstellen während einer Abgabeperiode entstehen. Dadurch wird die Bildung von schädlichen seitlichen Rissen 46 stark vermindert. Entlang der Filamentstruktur 4 bilden sich Spalten und Spaltrisse aus, die den späteren Bruch im Werkstück vorzeichnen.
In einer zweiten Laserpulsperiode wird die Filamentstruktur 5 in ähnlicher Weise erzeugt wie die Filamentstruktur 4. Es bilden sich Plasmabläschen 51, 53, 55 und Defokussier-Fokussierstellen 52, 54; ähnlich Plasmabläschen 61, 63 und Defokussier-Fokussierstellen 62 bei der dritten Laserpulsperiode. Der größere Tiefenansatz gelingt aufgrund der sich zuvor gebildeten Spalte und Spaltrisse in Richtung der Schädigungsstelle, die gewissermaßen einen Führungskanal für die zweite und die darauffolgenden Laserpulsperioden darbietet. Die Anzahl der aufeinanderfolgenden Laserpulsperioden bemisst sich nach der Dicke des Werkstücks 2.
Zur Begünstigung der Spaltenbildung in Richtung der Bruchfläche 20 ist es zweckmäßig, wenn man Querschnittsformen des Laserstrahlbündels wählt, die eine Ausdehnung in Richtung des erwünschten Bruches aufweisen. Solche Querschnittsformen sind in den 3, 4 und 5 skizziert. Die elliptische Querschnittsform lässt sich durch kombinierte Zylinderlinsen aus einer ursprünglich kreisförmigen Querschnittsform des Laserstrahls gewinnen.
Die Lanzettenform der 4 und die Tropfenform der 5 des Strahlquerschnittes lassen sich durch spezielle Linsen gewinnen. Bei diesen Formen werden Spaltrisse und Spalte in Richtung der gewünschten Bruchlinie 20 begünstigt.
Wenn, wie dargestellt, die Bruchlinie Kurvenform aufweisen soll, müssen die Laserstrahlenbündel so nachgeführt werden, dass die größere Querschnittsausdehnung in die gewünschte Bruchrichtung weist.
Bei der Bearbeitung von spröden Werkstoffen besteht die Gefahr, dass es zu einem spontanen Brechen des Werkstücks kommt, während noch nicht alle Schädigungsstellen längs der vorgesehenen Bruchlinie 20 vollendet sind. Um diese Gefahr herabzusetzen oder ganz zu vermeiden, wird die Bearbeitung in „neutraler“ Atmosphäre ausgeführt, beispielsweise in Stickstoff. Es werden so präparierte Werkstücke erhalten, die zur Trennung oder Spaltung vorbereitet sind. Die endgültige Trennung oder Spaltung erfolgt dann mittels angelegter mechanischer Spannung an das Werkstück und unter Wasserdampf oder einer anderen Hydroxylgruppe OH enthaltenden Atmosphäre.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Abstände der linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen 14 umso enger gewählt werden, je feiner man das Bruchbild in der Auftrennungsebene wünscht. Die Abstände liegen in der gleichen Größenordnung wie die Durchmesser der Schädigungsstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/006736 A2 [0002, 0023]
DE 10313044 B3 [0004]
DE 102006042280 A1 [0005]
DE 102007028042 B2 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung von linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen (14) in einem transparenten Werkstück (2), mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Laserbearbeitungsvorrichtung (1) mit Ultrakurzlaser (10) und Fokussieroptik (11), wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung im Transparenzbereich des Werkstücks (2) liegt; b) Bereitstellen eines Werkstücktisches (3) und einer Verschiebeeinrichtung zur Positionierung der Fokussieroptik (11) auf das Werkstück (2) während der Herstellung einer Schädigungsstelle (14) im Werkstück (2) und danach zur schrittweisen Relativverschiebung zwischen Fokussieroptik (11) und Werkstücktisch (3) gemäß der Linie (20) der Reihe der Schädigungsstellen (14); c) Abgabe von Laserpulsen in zwei oder mehreren aufeinander folgenden Perioden während der Positionierung der Fokussieroptik (11) an jeder Schädigungsstelle (14), wobei die Energie der Laserpulse während jeder Periode zur Bildung einer zugehörigen Filamentstruktur (4, 5, 6) in dem transparenten Werkstück (2) bemessen ist und die aufeinander folgenden Laserpulsperioden quer durch das Werkstück (2) sich erstreckende, hintereinander aufgereihte Filamentstrukturen (4, 5, 6) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede Filamentstruktur mehrere fokussierende und defokussierende Stellen aufweist, die perlenschnurartig sich quer zu dem plattenförmigen Werkstück erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schritte der Relativverschiebung von Fokussieroptik (11) zu Werkstück (2) im Größenbereich der seitlichen Abmessung der Filamentstrukturen (4, 5, 6) längs der linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzahl der aufeinander folgenden Laserpulsperioden an einer Schädigungsstelle (14) gemäß der örtlichen Dicke des Werkstücks bemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fokussieroptik (11) ein Strahlenbündel (12) mit einem solchen Querschnitt erzeugt, der in Richtung der linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen ausgedehnter ist als quer zu dieser Richtung.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Fokussieroptik (11) hinsichtlich der größeren Strahlenbündel-Querschnittsausdehnung verstellbar ist und die Richtung der größeren Querschnittsausdehnung auf den Verlauf der linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Werkstück (2) während der Herstellung der Linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen in einer neutralen Atmosphäre gehalten wird, um den vorzeitigen Bruch längs der linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen zu vermeiden.
Verfahren zum Trennen und Spalten von Werkstücken, bei welchem das Verfahren zur Herstellung von linienförmig aufgereihten Schädigungsstellen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Vorbereitungsschritt vorgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei zur Begünstigung der Trennung oder Spaltung des Werkstücks (2) den Schädigungsstellen (14) Gas mit OH-Ionen-Anteilen zugeführt wird.
Verfahren zum Trennen eines Werkstücks mittels fokussierter Laserbestrahlung, umfassend die folgenden Schritte: – das Werkstück wird mit einer ersten Schutzgasatmosphäre beaufschlagt, – gepulste, ultrakurze Laserstrahlung wird auf das Werkstück gerichtet, wobei das Werkstück in dem Wellenlängenbereich der Laserbestrahlung transparent ist, – durch die Laserbestrahlung wird eine in die Tiefe gehende, filamentartige Materialsmodifikation in einem vorbestimmten Volumen des Werkstücks erzeugt, – das Werkstück wird nach der Laserbestrahlung mit einer zweiten, eine höheren OH-Ionen-Anteil aufweisenden Atmosphäre als die Schutzgasatmosphäre beaufschlagt, – Brechen des Werkstückes entlang des durch die Materialmodifikation festgelegten Trennbereiches.
Verfahren zum Trennen eines Werkstücks nach Anspruch 10, wobei das Werkstück vorgespanntes Glas oder Glaskeramik umfasst.
Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks, insbesondere von vorgespanntem Glas oder Glaskeramik, mittels fokussierter Laserbestrahlung, umfassend: – einen Werkstück-Raum zur Aufnahme des Werkstückes, – Zuführung in den Werkstück-Raum, – eine gepulste Ultrakurz-Laserlichtquelle, um durch die Laserbestrahlung eine in die Tiefe gehende, filamentartige Materialmodifikation in einem vorbestimmten Volumen des Werkstücks zu erzeugen, – eine Vorrichtung zum Bewegen des Werkstückes und/oder der Laserlichtquelle relativ zueinander, – eine Nassdampfzuführung in den Werkstück-Raum, und – eine Trennungsvorrichtung zur Trennung des Werkstücks entlang der durch die Materialmodifikation festgelegten Trennlinie.