DE102013005135A1 - Method and device for removing brittle-hard, transparent to laser radiation material by means of laser radiation - Google Patents

Method and device for removing brittle-hard, transparent to laser radiation material by means of laser radiation Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material, das ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, mittels Laserstrahlung, und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich dessen Dicke ist. Die Laserstrahlung fällt unter einem definierten Einfallswinkel zu der Flächennormalen der Oberseite ein; diese Laserstrahlung wird als primäre Laserstrahlung bezeichnet. Die primäre Laserstrahlung wird an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird. Für die Bearbeitung des sprödharten Materials wird dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Vorrichtung.The invention relates to a method for removing brittle-hard material which has a spatial volume of a given thickness between an upper side and a lower side, by means of laser radiation, and the material has a defined optical penetration depth which is greater than or equal to its thickness. The laser radiation is incident at a defined angle of incidence to the surface normal to the upper side; this laser radiation is referred to as primary laser radiation. The primary laser radiation is at least partially reflected on the underside of the material, so that a secondary laser radiation is generated in the volume of the material by the reflection. For the processing of the brittle material, this is backed by a further material on the underside in a form-fitting manner. The invention also relates to a corresponding device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen, wie beispielsweise Bohren, Schneiden oder Ritzen, von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung, wobei das Material ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Materials aufweist und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, wobei die Laserstrahlung unter einem definierten Einfallswinkel zwischen einer Achse der Laserstrahlung und der Flächennormalen der Oberseite einfällt und die Laserstrahlung, die auf die Oberseite des Materials einfällt, als primäre Laserstrahlung bezeichnet wird, wobei die primäre Laserstrahlung an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert wird, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird, wobei durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer und sekundärer Laserstrahlung eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt wird, die mindestens zwei Stufen der Elektronendichte mit unterschiedlicher Wirkung für das Material aufweist, wobei diesen Stufen der Elektronendichte materialspezifische Schwellenwerte einer Intensität der primären Laserstrahlung zugeordnet sind, indem das Erreichen des ersten Schwellenwerts der Intensität der primären Laserstrahlung durch eine Modifikation der Materialeigenschaften und/oder eine mechanische Schädigung in Form von Rissen charakterisiert ist und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts durch einen mechanischen Abtrag des Materials in Form von Abplatzungen und/oder einem Abtrag charakterisiert ist.The invention relates to a method and apparatus for ablation, such as drilling, cutting or scoring, of brittle, laser-transparent material by means of laser radiation, the material having a spatial volume of a given thickness between a top and a bottom of the material and the material a defined optical penetration depth which is greater than or equal to the thickness of the material, wherein the laser radiation incident at a defined angle of incidence between an axis of the laser radiation and the surface normal of the top and the laser radiation incident on the top of the material referred to as the primary laser radiation is, wherein the primary laser radiation at the bottom of the material is at least partially reflected, so that in the volume of the material by the reflection of a secondary laser radiation is generated, wherein by absorption of a coherent superposition primary and generating an electron density in the volume of the material having at least two levels of electron density with different effects on the material, wherein these levels of electron density are associated with material-specific thresholds of intensity of the primary laser radiation by reaching the first threshold of intensity the primary laser radiation is characterized by a modification of the material properties and / or a mechanical damage in the form of cracks and the achievement of the second threshold value is characterized by a mechanical removal of the material in the form of flaking and / or erosion.

Solche Verfahren finden ihre Anwendung unter anderem in der Display-Technik, in der dünne Glassubstrate, ein sprödharter Werkstoff, bearbeitet werden müssen. Gerade die industrielle Display-Technik erobert ein immer größeres Marktvolumen und tendiert zu immer leichteren Geräten mit sensiblem „Touchscreen” und somit auch dünneren Glasscheiben für zum Beispiel Smart Phones und Tablet Computer.Such methods are used, inter alia, in display technology, in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed. Especially the industrial display technology conquers an ever larger market volume and tends to ever lighter devices with sensitive "Touchscreen" and thus also thinner glass panes for for example Smart Phones and Tablet Computer.

Dünne Glassubstrate bieten gerade dann Vorteile für Displays, wenn die Haltbarkeit und mechanische Stabilität von dickerem Glas erreicht werden kann. Diese dünnen Glassscheiben werden nahezu in allen Flat Panel Displays (FDP's) angewandt.Thin glass substrates offer advantages for displays when the durability and mechanical stability of thicker glass can be achieved. These thin glass panes are used in almost all flat panel displays (FDP's).

Konventionelle Verfahren zum Bearbeiten solcher dünnen Glasscheiben sind das Fräsen mit definierter Schneide, oder sie basieren auf mechanischen Wirkungen einer gezielt in den Werkstoff oder das Material eingebrachten Rissbildung (Ritzen und Brechen). Eine Vielzahl von bekannten Verfahrensvarianten unter Einsatz von Laserstrahlung basiert ebenfalls darauf, die mechanischen Wirkungen des Prinzips von Ritzen und anschließendem Brechen zu nutzen, indem das Ritzen durch die Einwirkung von Laserstrahlung ersetzt wird und der Werkstoff/das Material nach der Einwirkung der Laserstrahlung gebrochen wird. Die konventionelle mechanische Bearbeitung (Schneiden, Bohren) ist für dünne Glasplatten wesentlich schwieriger als für große Werkstoffdicken. Beim mechanischen Ritzen werden nämlich Mikrorisse eingebracht oder sogar kleine Teile, so genannte Chips, herausgebrochen, so dass ein Schleifen oder Ätzen als nachbearbeitender Prozess notwendig wird.Conventional methods for processing such thin glass panes are milling with a defined cutting edge, or they are based on mechanical effects of cracking (cracking and breaking) deliberately introduced into the material or the material. A variety of known process variants using laser radiation is also based on utilizing the mechanical effects of the principle of scribing and subsequent fracturing by replacing the scribe with the action of laser radiation and refracting the material / material after exposure to the laser radiation. Conventional mechanical processing (cutting, drilling) is considerably more difficult for thin glass plates than for large material thicknesses. In the case of mechanical scribing, microcracks are introduced or even small parts, so-called chips, are broken out, so that grinding or etching is necessary as a post-processing process.

Anforderungen an ein solches Verfahren sowie eine solche Vorrichtung zum Abtragen von sprödhartem Material, wie sie eingangs beschrieben sind, sind das Erreichen einer großen Abtragrate, ohne dass Schädigungen im Material auftreten, so dass durch das Abtragen und damit nach der Bearbeitung keine zusätzlichen Spannungen oder zusätzlichen Risse in das Material eingebracht werden, die ansonsten mit Verfahren nach dem Stand der Technik auftreten können.Requirements for such a method and such a device for removing brittle-hard material, as described in the introduction, are the achievement of a high removal rate, without causing damage to the material, so that by ablation and thus after processing no additional stresses or additional Cracks are introduced into the material that may otherwise occur with prior art methods.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich diese Risse in mindestens drei unterschiedlichen Erscheinungsformen äußern:

  • – Risse erster Art: Eine Schädigung/Rissbildung/Chipping tritt auf der Rückseite des Werkstoffs auf. Risse erster Art treten auch schon dann auf, wenn auf der Vorderseite – von wo aus die Laserstrahlung einfällt – noch keine Schädigung und auch noch kein Abtrag erfolgt sind.
  • – Risse zweiter Art: Risse oder Schädigungen – auch Spikes genannt – gehen von der Eintrittskante aus, die den Übergang von dem unveränderten Teil der Oberfläche des Werkstücks in die seitlichen Abtragsflanken der sich ausbildenden Abtragsvertiefung darstellt.
The inventors have found that these cracks manifest themselves in at least three different manifestations:
  • - Cracks of the first kind: Damage / cracking / chipping occurs on the back side of the material. Cracks of the first kind occur even when there is no damage on the front - from where the laser radiation is incident - and no abrasion has taken place.
  • - Cracks of the second kind: cracks or damage - also called spikes - originate from the leading edge, which represents the transition from the unchanged part of the surface of the workpiece into the lateral removal flanks of the forming removal recess.

Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine – im Vergleich zu Rissen dritter Art – große Tiefe in das Volumen des Materials. Diese von der Eintrittskante ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch „Filamente” genannt; Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalischen Ursachen) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks erreichen. Erreichen die von der abgetragenen Oberfläche ausgehenden Risse zweiter Art die Unterseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks bzw. Materials, dann werden sie – bei unachtsamer Analyse – oft von den Rissen erster Art nicht mehr unterschieden.

  • – Risse dritter Art: Die Entstehung von feinen, nicht so tief eindringenden Rissen tritt zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art – entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) – auf; sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken), das bedeutet die Abtragsflanken, einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in das Material aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in das Material ein. Die raue Oberfläche der Abtragsvertiefung weist im Vergleich zur Eintrittskante eine Rauhigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Oberfläche der Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante. D. h. die Brennweite, die der lokalen Rauheit bzw. den kleinen Krümmungsradien der rauen Oberfläche zugeordnet werden kann ist wesentlich kleiner, als die Brennweite der im Vergleich großen Krümmungsradien der Eintrittskante.
The cracks or damages of the second kind run over a large depth into the volume of the material compared to cracks of the third kind. These material modifications / damages emanating from the leading edge can also be visible in the volume (they are also called "filaments", Kerr effect and self-focusing are the physical causes) or even the back or the laser radiation facing away Reach the surface of the workpiece. If the cracks of the second type emanating from the abraded surface reach the underside or the surface of the workpiece or material facing away from the laser radiation, they are often no longer distinguished from the cracks of the first kind-if carelessly analyzed.
  • - Cracks of the third kind: The formation of fine, not so deep penetrating cracks occurs in addition to the cracks of the second kind or damage of the second kind - along the worn surface (cut edge) - on; they are not limited to the area near the leading edge and occur where the laser radiation in the Abtragsvertiefung on the abraded surface (Abtragsflanken), ie the Abtragsflanken, occurs. They spread from the worn surface into the material. The third type of cracks penetrate less deeply into the material compared to the first type of cracks. The rough surface of the Abtragsvertiefung has in comparison to the leading edge to a roughness with smaller radii of curvature. The focusing effect of the rough surface of the Abtragsvertiefung is much stronger than the focusing effect of the leading edge. Ie. the focal length, which can be assigned to the local roughness or the small radii of curvature of the rough surface is substantially smaller than the focal length of the comparatively large radii of curvature of the leading edge.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine Rückseitenschädigung, wie beispielsweise Schneiden, Ritzen und Bohren, von sprödhartem Material, das für Laserstrahlung transparent ist, vermieden wird, das bedeutet Schädigungen, Rissbildungen und/oder Chipping auf der Rückseite des Werkstoffs, also Risse erster Art, wie sie vorstehend beschrieben sind, vermieden werden.The present invention has for its object to provide a method and an apparatus with which a back damage, such as cutting, scribing and drilling of brittle-hard material that is transparent to laser radiation, is avoided, which means damage, cracking and / or Chipping on the back of the material, so cracks of the first kind, as described above, can be avoided.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 6.This object is achieved with a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 6.

Wesentlich ist, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt wird. Die Unterseite ist hierbei diejenige Fläche des zu bearbeitenden Materials bzw. Werkstoffs, die der Oberfläche, auf die der Laserstrahl einfällt, gegenüber liegt.It is essential that, for the processing of the brittle-hard material, this is deposited in a form-fitting manner by another material on the underside. The underside is in this case that surface of the material or material to be processed which lies opposite the surface on which the laser beam is incident.

Die vorstehenden Maßnahmen sind insbesondere für die Bearbeitung von so genanntem sprödharten, dünnen Material, beispielsweise Glas, mit ultra-kurz gepulster Laserstrahlung geeignet, das als „wide-band-gap” Material bezeichnet wird. „Wide-band-gap” Material ist durch eine Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband gekennzeichnet, die größer als 1 eV ist. Ultra-kurz gepulste Laserstrahlung bedeutet Laserstrahlung mit Impulsdauern im Bereich von kleiner 500 ps (Pikosekunden). Die Absorption von einem für Laserstrahlung transparentem Material mit einer definierten optischen Eindringtiefe, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, weist zwei physikalisch unterschiedliche Bereiche bezüglich der Intensität der Laserstrahlung auf, die mit den Begriffen „lineare Absorption” und „nicht-lineare Absorption” bezeichnet werden. Von besonderer Bedeutung ist ein Schwellenverhalten für die Intensität der lokal im Material vorliegenden Laserstrahlung für das Erreichen einer nicht-linearen Absorption im Material, das für eine kleine Intensität transparent ist bzw. einen kleinen Wert für die Absorption von Laserstrahlung aufweist und für größere Werte – oberhalb der mindestens zwei Schwellen für Modifikation/Risse und Abplatzung/Abtrag – der Intensität der Laserstrahlung stark absorbierend wird.The above measures are particularly suitable for the processing of so-called brittle-hard, thin material, such as glass, with ultra-short pulsed laser radiation, which is referred to as a "wide-band-gap" material. "Wide-band-gap" material is characterized by a bandgap between valence and conduction band that is greater than 1 eV. Ultra-short pulsed laser radiation means laser radiation with pulse durations in the range of less than 500 ps (picoseconds). The absorption of a laser-transparent material having a defined optical penetration depth greater than or equal to the thickness of the material has two physically different ranges with respect to the intensity of the laser radiation, which are termed "linear absorption" and "non-linear absorption Be designated. Of particular importance is a threshold behavior for the intensity of the laser radiation present locally in the material for achieving a non-linear absorption in the material, which is transparent for a small intensity or has a small value for the absorption of laser radiation and for larger values - above the at least two thresholds for modification / cracks and chipping / erosion - the intensity of the laser radiation is highly absorbing.

Weiterhin hat sich herausgestellt, dass die zeitliche Pulsform das Erreichen der Schwellenwerte und damit die Absorption im Material stark beeinflusst. Das Auffinden einer geeigneten zeitlichen Pulsform ist Gegenstand der Forschung und nicht Stand der Technik. Für den Spezialfall einer gaußförmigen zeitlichen Pulsform und für Pulsdauern von 10 ps (Pulsdauern größer 10 ps (intensity based) ist das Erreichen der Schwellen durch den Wert für die Intensität der Laserstrahlung gekennzeichnet. Für eine Pulsdauer kleiner 10 ps (fluence based) ist das Erreichen der Schwellen durch den Wert für die Fluenz der Laserstrahlung (flächenbezogener Energieeintrag) gekennzeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen dahingehend, dass der zu bearbeitende, sprödharte Werkstoff bzw. das Material durch ein weiteres Material formschlüssig hinterlegt wird, Rückseitenschädigungen des bearbeiteten Materials vermieden werden. Im Gegensatz dazu sind solche Rückseitenschädigungen dann zu beobachten, wenn das sprödharte Material auf der Rückseite durch Luft umgeben ist. Diese Ergebnisse sind dadurch zu erklären, dass durch ein geeignetes weiteres Material die Reflexion an der Rückseite des Materials nicht auftritt. Ein Material ist geeignet, die Rückseitenschädigung zu vermeiden, wenn die Werte für die optischen Eigenschaften für Brechungsindex und Absorptionsindex mit den Werten für die optischen Eigenschaften des abzutragenden, sprödharten Materials übereinstimmen. Im Vergleich dazu tritt z. B. bei Luft als Rückseitenmaterial eine Reflexion von Laserstrahlung auf. Durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer, direkt einfallender Laserstrahlung und sekundärer, an der Rückseite reflektierter Laserstrahlung, wird eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt.Furthermore, it has been found that the temporal pulse shape strongly influences the achievement of the threshold values and thus the absorption in the material. Finding a suitable temporal pulse shape is the subject of research and not state of the art. For the special case of a Gaussian temporal pulse shape and for pulse durations of 10 ps (pulse duration greater than 10 ps (intensity based), the achievement of the thresholds is characterized by the value for the intensity of the laser radiation, and for a pulse duration smaller than 10 ps (fluence based) The thresholds are characterized by the value for the fluence of the laser radiation (surface-related energy input) It has been found that with the measures according to the invention that the material to be worked, the brittle-hard material or the material is positively secured by a further material, backside damages of the machined one In contrast, such backside damage can be seen when the brittle-hard material on the back is surrounded by air, which can be explained by the fact that a suitable additional material does not cause reflection at the back of the material A material is capable of avoiding backside damage if the values of optical properties for refractive index and absorption index match those for the optical properties of the brittle-hard material to be removed. In comparison, z. B. in air as a backing material to a reflection of laser radiation. By absorbing a coherent superposition of primary, directly incident laser radiation and secondary laser radiation reflected at the back, an electron density is created in the volume of the material.

Es kann von Vorteil sein, dass die optischen Eigenschaften des weiteren Materials durch eine räumliche Strukturierung der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material und dem weiteren Material eingestellt werden. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine gitterförmige, periodische Struktur auf der Rückseite des Materials erzeugt wird, so dass keine reflektierte und lediglich aus dem Material heraus gebeugte Strahlung auftritt. In diesem Fall ist das Rückseitenmaterial als der Bereich anzusehen, in dem die Amplitude der Strukturierung vorliegt, und das Rückseitenmaterial ist als der periodische Wechsel von Material und Umgebung (z. B. Luft) anzusehen.It may be advantageous for the optical properties of the further material to be adjusted by a spatial structuring of the interface between the brittle-hard material and the further material. Such a structuring can be effected, for example, by producing a lattice-shaped, periodic structure on the back side of the material, so that no reflected and only diffracted from the material radiation occurs. In this case, the backside material is to be regarded as the region in which the amplitude of the patterning is present, and the backside material is to be considered as the periodic change of material and environment (eg air).

Als weiteres Material können sowohl eine Flüssigkeit als auch eine Feststoffplatte eingesetzt werden.As a further material both a liquid and a solid plate can be used.

Falls eine Flüssigkeit eingesetzt wird, kann das sprödharte Material für die Bearbeitung in das entsprechende Flüssigkeitsbad eingelegt werden. Als Flüssigkeit eignen sich insbesondere Immersionsöle, wie sie z. B. bei der Immersions-Mikroskopie Verwendung finden. Falls als weiteres Material eine Feststoffplatte eingesetzt wird, sollte eine Platte aus duktilem oder aushärtbarem-duktilen Material verwendet werden, wobei die Materialart von dem Ergebnis des Herstellungsprozesses dieses Materials, zum Beispiel das Aushärten, für den resultierenden Brechungsindex abhängig ist.If a liquid is used, the brittle-hard material can be inserted into the corresponding liquid bath for processing. As a liquid, in particular immersion oils, as z. B. in immersion microscopy use. If a solid plate is used as another material, a sheet of ductile or thermosetting ductile material should be used, the type of material depending on the result of the manufacturing process of that material, for example curing, for the resulting refractive index.

Gleichzeitig kann eine Feststoffplatte als weiteres Material die vorstehend erwähnte Strukturierung derjenigen Fläche aufweisen, die an der Unterseite des zu bearbeitenden sprödharten Materials anliegt. In jedem Fall sollte auf die notwendige Formschlüssigkeit zwischen Material und Feststoffplatte geachtet werden.At the same time, as a further material, a solid plate may have the above-mentioned structuring of that surface which bears against the underside of the brittle-hard material to be processed. In any case, attention should be paid to the necessary form-fit between material and solid plate.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigtFurther details and features of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawing. In the drawing shows

1 schematisch den Aufbau einer Anordnung gemäß der Erfindung, 1 schematically the structure of an arrangement according to the invention,

2 eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung, 2 another arrangement according to the invention,

3 eine schematische Darstellung, um das Prinzip der Entstehung einer Rückseitenschädigung eines dünnen, sprödharten Materials bei der Bearbeitung mittels Laserstrahlung zu erläutern, und 3 a schematic representation to explain the principle of the formation of a back side damage of a thin, brittle-hard material during processing by means of laser radiation, and

4 zwei schematische Bilddarstellungen, wobei das linke Bild A die Rückseite eines bearbeiteten Glases ohne die Hinterlegung durch ein weiteres Material zeigt, während das rechte Bild B die Rückseite mit Hinterlegung durch ein weiteres Material zeigt. 4 two schematic images, wherein the left image A shows the back of a processed glass without the deposit by another material, while the right image B shows the back with deposit by another material.

Die 1 und 2 zeigen zwei Anordnungen, mit denen ein sprödhartes, für Laserstrahlen transparentes Material, mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, mit Laserstrahlung bearbeitet werden kann, um die Effekte gemäß der Erfindung zu erreichen, dass insbesondere Risse erster Art auf der Rückseite des Materials infolge einer Bearbeitung vermieden bzw. unterbunden werden.The 1 and 2 show two arrangements, with which a brittle-hard, transparent to laser radiation material, with the reference numeral 1 can be processed with laser radiation, in order to achieve the effects according to the invention that in particular cracks of the first kind on the back of the material as a result of processing are avoided or prevented.

Erfindungsgemäß wird entsprechend der Anordnung der 1 das zu bearbeitende, sprödharte Material 1 auf dessen Unterseite 2 formschlüssig durch ein weiteres Material 3 hinterlegt, bei dem es sich beispielsweise um eine Feststoffplatte handelt. Um das sprödharte Material mittels Laserstrahlung abzutragen oder zu Bohren, um dadurch die Oberfläche anzuritzen oder einzuschneiden, wird die Laserstrahlung von der Oberseite 4 aus auf das dünne, plattenförmige Material eingestrahlt. Wesentlich ist somit, dass das Material 1 auf der Unterseite 2 – wo die Laserstrahlung nach Durchlaufen der Materialdicke auftrifft – die der Oberseite 4, auf die die primäre Laserstrahlung auftrifft, gegenüber liegt, flächig und damit formschlüssig hinterlegt ist.According to the invention according to the arrangement of 1 the workable, brittle-hard material 1 on its underside 2 positive fit by another material 3 deposited, which is for example a solid plate. To ablate or drill the brittle-hard material by means of laser radiation, thereby to scratch or cut the surface, the laser radiation from the top 4 irradiated on the thin, plate-shaped material. It is essential, therefore, that the material 1 on the bottom 2 - Where the laser radiation strikes after passing through the material thickness - that of the top 4 , on which the primary laser radiation impinges, is opposite, flat and thus form-fitting deposited.

Die Anordnung gemäß der Erfindung, wie sie in 2 gezeigt ist, unterscheidet sich von derjenigen nach 1 dadurch, dass das sprödharte Material auf seiner Unterseite 2 nicht von einer Feststoffplatte hinterlegt ist, sondern in ein Flüssigkeitsbad 5 eingetaucht ist, so dass die Unterseite 2 von der Flüssigkeit bedeckt ist. Die Flüssigkeit 5 ist z. B. in eine Wanne 6 eingefüllt; das Material 1 wird auf dem Boden 7 der Wanne 6 durch zwei Auflager 8 getragen.The arrangement according to the invention, as in 2 shown differs from the one after 1 in that the brittle-hard material on its underside 2 is not deposited by a solid plate, but in a liquid bath 5 is immersed, leaving the bottom 2 covered by the liquid. The liquid 5 is z. B. in a tub 6 filled; the material 1 gets on the floor 7 the tub 6 through two supports 8th carried.

In 3 ist das Prinzip der Entstehung einer Rückseitenschädigung dargestellt, die gerade mit den Anordnungen und Maßnahmen nach den 1 und 2 vermieden wird. Das transparente Material 1 und dessen Unterseite 2 sind mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 bezeichnet. Das die Unterseite 2 des Materials 1 umgebende Medium, im vorliegenden Fall zum Beispiel Luft, ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Ein einfallender Laserstrahl 6 ist zur besseren Deutlichkeit mit großem Einfallswinkel 10 dargestellt. Diese Simulation zeigt eine periodische Überhöhung der Intensität in der Nähe der Rückseite 2, durch den Bereich 11 angedeutet, durch die die Schädigungen/die Risse/das „Chipping” (Abplatzen) verursacht wird.In 3 is the principle of the emergence of a back damage, which just with the arrangements and measures according to the 1 and 2 is avoided. The transparent material 1 and its bottom 2 are denoted by the same reference numerals as in FIGS 1 and 2 designated. That the bottom 2 of the material 1 surrounding medium, in the present case for example air, is denoted by the reference numeral 9 designated. An incident laser beam 6 is for better clarity with a large angle of incidence 10 shown. This simulation shows a periodic increase in intensity near the backside 2 , through the area 11 indicated causing the damage / cracks / "chipping".

3 simuliert einen Fall, bei dem das sprödharte Material 1 eine Dicke d aufweist und darauf eine primäre Laserstrahlung 12 einfällt. Das Material 1 weist für die Wellenlänge der primären Laserstrahlung 12 eine optische Eindringtiefe auf, die größer oder gleich der Dicke d des sprödharten Materials 1 ist (dopt >= d). 3 simulates a case where the brittle-hard material 1 has a thickness d and thereon a primary laser radiation 12 incident. The material 1 indicates the wavelength of the primary laser radiation 12 an optical penetration depth greater than or equal to the thickness d of the brittle-hard material 1 is (d opt > = d).

Der Bereich 11 der periodischen Erhöhung der Strahlungsintensität entsteht dadurch, dass im Volumen des sprödharten Materials 1 eine sekundäre Strahlung 13 durch Reflexion von Primärstrahlung 12 an der Unterseite erzeugt wird. Durch Absorption von Laserstrahlung wächst eine Elektronendichte im sprödharten Material 1 in mindestens zwei Stufen an, wobei diesen Stufen Schwellenwerte einer Intensität der Laserstrahlung zugeordnet sind. Das Erreichen des ersten Schwellenwerts ist durch eine Modifikation der Materialeigenschaften charakterisiert und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts ist durch eine mechanische Schädigung charakterisiert, wobei die mechanische Schädigung in Form von Rissen/Chipping oder Abtrag auftritt.The area 11 The periodic increase in radiation intensity is due to the fact that in the volume of brittle-hard material 1 a secondary radiation 13 by reflection of primary radiation 12 is generated at the bottom. By absorption of laser radiation, an electron density grows in the brittle-hard material 1 in at least two stages, wherein these levels are associated with threshold values of an intensity of the laser radiation. The achievement of the first threshold value is characterized by a modification of the material properties and the achievement of the second threshold value is characterized by a mechanical damage, the mechanical damage occurring in the form of cracks / chipping or erosion.

Erfindungsgemäß werden durch Positionieren eines zweiten Materials an der Unterseite 2 des sprödharten Materials 1, wie in den 1 und 2 dargestellt, die optischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material und dem zweiten Material so eingestellt, dass die Intensität von Strahlung im Volumen und in der Umgebung der Unterseite 2 des sprödharten Materials 1 aufgrund von Interferenzen zwischen der einfallenden Primärstrahlung 12 und der reflektierten Sekundärstrahlung 13 den Schwellenwert der Intensität für das Erreichen der zweiten Stufe nicht erreicht und so eine Schädigung der Unterseite 2 vermieden wird. Bei diesem weiteren Material auf der Unterseite 2 des sprödharten Materials 1 kann es sich um einen Feststoffkörper 3 (1) oder eine Flüssigkeit 5 (2) handeln.According to the invention, by positioning a second material at the bottom 2 the brittle-hard material 1 as in the 1 and 2 shown, the optical properties of the interface between the brittle-hard material and the second material adjusted so that the intensity of radiation in the volume and in the environment of the bottom 2 the brittle-hard material 1 due to interference between the incident primary radiation 12 and the reflected secondary radiation 13 does not reach the threshold of intensity for reaching the second stage and thus damaging the bottom 2 is avoided. In this further material on the bottom 2 the brittle-hard material 1 it can be a solid body 3 ( 1 ) or a liquid 5 ( 2 ) act.

Die vorstehenden Effekte an der Unterseite des sprödharten Materials 1 können auch dadurch verstärkt werden, dass die optischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material 1 und dem weiteren Material durch eine periodische Strukturierung so eingestellt werden, dass keine Reflexe (Beugungs-Ordnungen) in das Volumen des ersten Materials 1 gerichtet werden.The above effects at the bottom of the brittle-hard material 1 can also be enhanced by the fact that the optical properties of the interface between the brittle-hard material 1 and the further material are adjusted by a periodic structuring so that no reflections (diffraction orders) in the volume of the first material 1 be directed.

4 zeigt in den zwei schematischen Bildern eine Gegenüberstellung, um die Effekte der Erfindung zu verdeutlichen. Während das linke Bild A die Rückseite einer bearbeiteten Glasplatte ohne Hinterlegung durch ein weiteres Material zeigt, zeigt das rechte Bild B die Rückseite, bei der eine Bearbeitung unter denselben Bedingungen mit Hinterlegung durch ein weiteres Material erfolgt ist. Schädigungen sind in Form von Linien oder Linienabschnitten schematisch angedeutet. Es wird deutlich, dass die Glasplatte entsprechend Bild B weitaus geringere Schädigungen erkennen lässt als die Glasplatte von Bild A. 4 shows in the two schematic pictures a comparison to illustrate the effects of the invention. While the left image A shows the back side of a processed glass plate without being deposited by another material, the right image B shows the back side where processing has been performed under the same conditions with deposition by another material. Damage is indicated schematically in the form of lines or line segments. It becomes clear that the glass plate according to image B shows far less damage than the glass plate of image A.

Claims (6)

Verfahren zum Abtragen von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung, wobei das Material ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Materials aufweist und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, wobei die Laserstrahlung unter einem definierten Einfallswinkel zwischen einer Achse der Laserstrahlung und der Flächennormalen der Oberseite einfällt und die Laserstrahlung, die auf die Oberseite des Materials einfällt, als primäre Laserstrahlung bezeichnet wird, wobei die primäre Laserstrahlung an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert wird, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird, wobei durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer und sekundärer Laserstrahlung eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt wird, die mindestens zwei Stufen der Elektronendichte mit unterschiedlicher Wirkung für das Material aufweist, wobei diesen Stufen der Elektronendichte materialspezifische Schwellenwerte einer Intensität der primären Laserstrahlung zugeordnet sind, indem das Erreichen des ersten Schwellenwerts der Intensität der primären Laserstrahlung durch eine Modifikation der Materialeigenschaften und/oder eine mechanische Schädigung in Form von Rissen charakterisiert ist und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts durch einen mechanischen Abtrag des Materials in Form von Abplatzungen und/oder einem Abtrag charakterisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt wird.A method of removing brittle-hard, laser-transparent material by means of laser radiation, the material having a volume of a given thickness between a top and a bottom of the material and the material having a defined optical penetration greater than or equal to the thickness of the material, wherein the laser radiation is incident at a defined angle of incidence between an axis of the laser radiation and the surface normal of the upper surface and the laser radiation incident on the upper surface of the material is referred to as primary laser radiation, the primary laser radiation being at least partially reflected at the lower surface of the material, such that secondary laser radiation is generated in the volume of the material by the reflection, wherein by absorbing a coherent superposition of primary and secondary laser radiation, an electron density is generated in the volume of the material, ie e has at least two levels of electron density with different effects for the material, these levels of electron density being associated with material-specific thresholds of intensity of the primary laser radiation by achieving the first threshold intensity of the primary laser radiation by a modification of the material properties and / or mechanical properties damage in the form of cracks is characterized and is characterized reaching the second threshold value by a mechanical removal of the material in the form of flaking and / or a removal of material, characterized in that this form-fit for the processing of the brittle material from a further material on the underside is deposited. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften des weiteren Materials durch eine räumliche Strukturierung der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material und dem weiteren Material eingestellt werden.A method according to claim 1, characterized in that the optical properties of the other material can be adjusted by a three-dimensional structuring of the interface between the brittle material and the further material. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Material eine Flüssigkeit eingesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that as a further material, a liquid is used. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Flüssigkeit so eingestellt ist, dass die Werte der optischen Eigenschaften für Brechungsindex und Absorptionsindex mit den Werten für die optischen Eigenschaften des abzutragenden sprödharten Materials übereinstimmen.A method according to claim 3, characterized in that the composition of the liquid is adjusted so that the values of the optical properties for refractive index and absorption index match the values for the optical properties of the abradable brittle-hard material. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Material eine Feststoffplatte eingesetzt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that as a further material, a solid plate is used. Vorrichtung zum Abtragen von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung, wobei das Material ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Materials aufweist und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, wobei die Laserstrahlung unter einem definierten Einfallswinkel zwischen einer Achse der Laserstrahlung und der Flächennormalen der Oberseite einfällt und die Laserstrahlung, die auf die Oberseite des Materials einfällt, als primäre Laserstrahlung bezeichnet wird, wobei die primäre Laserstrahlung an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert wird, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird, wobei durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer und sekundärer Laserstrahlung eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt wird, die mindestens zwei Stufen der Elektronendichte mit unterschiedlicher Wirkung für das Material aufweist, wobei diesen Stufen der Elektronendichte materialspezifische Schwellenwerte einer Intensität der primären Laserstrahlung zugeordnet sind, indem das Erreichen des ersten Schwellenwerts der Intensität der primären Laserstrahlung durch eine Modifikation der Materialeigenschaften und/oder eine mechanische Schädigung in Form von Rissen charakterisiert ist und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts durch einen mechanischen Abtrag des Materials in Form von Abplatzungen und/oder einem Abtrag charakterisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt wird.A device for removing brittle-hard, laser-transparent material by means of laser radiation, wherein the material has a volume of a given thickness between a top and a bottom of the material and the material has a defined optical penetration depth greater than or equal to the thickness of the material, wherein the laser radiation at a defined angle of incidence between an axis of the laser radiation and the surface normal of the Incident top and the laser radiation incident on the top of the material is referred to as the primary laser radiation, wherein the primary laser radiation at the bottom of the material is at least partially reflected, so that in the volume of the material by the reflection of a secondary laser radiation is generated, wherein, by absorbing a coherent superposition of primary and secondary laser radiation, an electron density is generated in the volume of the material having at least two electron density levels with different effects on the material, said electron density levels being associated with material specific thresholds of primary laser radiation intensity by the achievement of the first threshold of the intensity of the primary laser radiation is characterized by a modification of the material properties and / or a mechanical damage in the form of cracks and the achievement of the second Sch is characterized by a mechanical abrasion of the material in the form of flaking and / or erosion, characterized in that for the processing of the brittle-hard material this is deposited in a form-fitting manner by another material on the underside.
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