DE102020100848A1

DE102020100848A1 - Verfahren zur Mikrostrukturierung eines Glassubstrats mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102020100848A1
Application number: DE102020100848.1A
Authority: DE
Inventors: Roman Ostholt
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: US20200239361A1; DE102020100848B4; US11505495B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer einseitigen Ausnehmung (3) als Sackloch in ein Glassubstrat (1). Dabei erfährt der Fokus der Laserstrahlung eine räumliche Strahlformung entlang einer Strahlachse der Laserstrahlung, sodass konzentrisch zu der Strahlachse Modifikation (4) in dem Glassubstrat (1) erzeugt werden. Durch die nachfolgende Einwirkung eines ätzenden Mediums kommt es zu einem anisotropen Materialabtrag des so modifizierten Glassubstrats (1), wodurch die gewünschte Ausnehmung entsteht. Erfindungsgemäß wird vor dem Einbringen der Modifikationen (4) in das Glassubstrat (1) die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats (1) partiell verändert und so zumindest ein Bereich (5) veränderter Eigenschaften geschaffen, in dem die Modifikationswirkung unterbunden oder stark verzögert ist. Infolgedessen ist auch die Ätzrate bei der nachfolgenden Einwirkung des ätzenden Mediums und der Materialabtrag entsprechend verändert. In dem Ätzprozess setzt sich somit die Ätzwirkung bei Erreichen des Bereichs (5) nicht anisotrop entlang der Strahlachse fort, sodass der Bereich (5) eine ebene Begrenzungsfläche (6) für die Ausnehmung (3) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung eines insbesondere plattenförmigen Glassubstrats mittels Laserstrahlung durch Einbringen insbesondere einseitiger Ausnehmungen als Sackloch ohne eine Durchbrechung in das Glassubstrat oder zur Reduzierung der Materialstärke des Glassubstrats und zur Materialschwächung, bei dem der Fokus der Laserstrahlung eine räumliche Strahlformung entlang einer Strahlachse der Laserstrahlung erfährt und bei dem mittels der Laserstrahlung entlang der Strahlachse Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden, sodass anschließend die Mikrostrukturen oder Ausnehmungen durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums und durch sukzessives Aufätzen infolge des anisotropen Materialabtrags in dem jeweiligen Bereich der Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden.
Das gattungsgemäße Verfahren zur Präzisionsbearbeitung von Glas mittels laserinduziertem Tiefenätzen ist unter der Bezeichnung LIDE (Laser Induced Deep Etching) bekannt geworden.
Bei dem beispielsweise aus der WO 2014/161534 A2 bekannten laserinduzierten Tiefenätzen wird ein transparentes Material, beispielsweise eine Glasplatte, mittels eines Laserpulses oder einer Pulsfolge über einen länglichen Bereich entlang der Strahlachse, häufig über die gesamte Dicke des transparenten Materials, modifiziert und dieses anschließend in einem nasschemischen Ätzbad anisotrop geätzt.
Aus der WO 2016/041544 A1 ist ein Verfahren zum Einbringen einer Ausnehmung, beispielsweise ein Sackloch, in ein plattenförmiges Glassubstrat mittels Laserstrahlung bekannt, wobei es aufgrund der Einwirkung eines ätzenden Mediums durch sukzessives Aufätzen zu einem anisotropen Materialabtrag in den modifizierten Bereichen des Glassubstrats kommt.
Ferner offenbart die DE 10 2010 004 442 B4 ein optisches Bauelement zur Lichtwellenleitung mit einem in einem Glassubstrat integrierten Wellenleitermuster, das durch insbesondere feldunterstützte Ionendiffusion ausgebildet wird. Die Lichtwellenleiter sind vorzugsweise als Multimode-Wellenleiter erzeugt.
Ferner betrifft die DE 35 25 661 C2 ein Verfahren, um auf einfache Weise einen feldunterstützten Ionenaustausch in einem Glassubstratmaterial, beispielsweise aus anorganischem Glas oder aus anorganischen kristallinen Feststoffen, durchzuführen.
Als nachteilig erweist sich bei den laserinduzierten Ätzverfahren allerdings, dass die Ätzwirkung grundsätzlich in den modifizierten Bereichen über die gesamten Materialstärke des Glassubstrats homogen verläuft, was insbesondere die Herstellung von Durchgangslöchern begünstigt. Hiervon abweichende Strukturen, beispielsweise zur Herstellung von Sacklöchern oder sonstigen einseitigen Ausnehmungen, erfordern hingegen zusätzliche Maßnahmen zur Steuerung des Ätzangriffs auf den gegenüberliegenden Seiten, beispielsweise durch ein Ätzresist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, bedarfsweise einen steuerbaren, insbesondere inhomogenen Ätzprozess in den modifizierten Bereichen zu erreichen. Insbesondere soll so beispielsweise die Ätztiefe problemlos einstellbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats vor der Einwirkung eines ätzenden Mediums partiell verändert wird und so zumindest ein Bereich veränderter Eigenschaften und ein Bereich unveränderter Eigenschaften des Glassubstrats geschaffen wird. Die durch die veränderte Zusammensetzung bewirkten und somit in diesem Bereich abweichenden chemischen oder physikalischen Eigenschaften führen dementsprechend zu abweichenden Modifikationen. Infolgedessen ist auch die Ätzrate bei der nachfolgenden Einwirkung des ätzenden Mediums und der Materialabtrag entsprechend verändert. Aufgrund der zweistufigen Natur des LIDE-Prozesses, der vor allem zur Mikrostrukturierung von Glassubstraten eingesetzt wird, kann die veränderte Ätzrate genutzt werden, um bestimmte Strukturen zu erzeugen, die bisher nicht oder nur mit sehr großem Aufwand hergestellt werden konnten. Die Tiefe der Modifikationen und somit der Ätzabtrag kann durch die veränderten Eigenschaften beispielsweise so gesteuert werden, dass die entstehenden Ausnehmungen lediglich bis zu einer gemeinsamen Ebene erzeugt werden, also durch eine ebene Fläche des Glassubstrats begrenzt werden und die insbesondere nicht wie beim Stand der Technik durch eine Aneinanderreihung von kegelförmigen Vertiefungen gebildet sind. Selbstverständlich können so auch durch mehrere Bereiche mit jeweils abweichenden Eigenschaften bestimmte Konturen erzeugt werden. Beispielsweise können solche Bereiche zusammenhängend, aneinandergrenzend oder voneinander beabstandet in das Glassubstrat eingebracht werden. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die beim LIDE-Verfahren prinzipiell entlang der Strahlachse innerhalb des Glassubstrats zwischen den Außenflächen durchgehend entstehenden Modifikationen durch die Veränderung der chemischen Zusammensetzung oder deren physikalischen Eigenschaften an der Ebene des Bereichs mit den veränderten Eigenschaften gestoppt, zumindest aber derart verzögert werden, dass eine weitergehende Modifikation und damit ein nachfolgender Ätzangriff in diesem Bereich praktisch nicht auftritt. Insbesondere können auf diese Weise auch solche Bereiche geschaffen werden, die von einer unerwünschten Modifikation ausgeschlossen werden, wobei diese Bereiche bedarfsweise auch lediglich partiell in der Haupterstreckungsebene des Glassubstrats erzeugt werden können und sich insbesondere nicht zwingend über die gesamte Fläche erstrecken.
Die Zusammensetzung des Glassubstrats könnte nach dem Einbringen der Modifikationen verändert werden, sodass der Materialabtrag in dem Ätzbad aufgrund der geänderten Zusammensetzung entsprechend beschleunigt oder verzögert stattfindet. Hierdurch können auch solche Änderungen der Zusammensetzung des Glassubstrats vorgenommen werden, die anderenfalls zu einer Veränderung oder einer Beeinträchtigung der Modifikationen auch in den nicht von der Änderung der Zusammensetzung des Glassubstrats betroffenen Bereichen führen und daher den Prozess in unerwünschter Weise beeinflussen würden. Besonders vorteilhaft ist hingegen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats vor dem Einbringen der Modifikationen in das Glassubstrat partiell verändert wird, sodass die entlang der Strahlachse in das Glassubstrat einwirkende Laserstrahlung und die damit verbundenen Modifikationen an der Ebene der geänderten chemischen Zusammensetzung des Glassubstrats unterbrochen wird.
Dabei wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Verfahrens nicht etwa die Durchlässigkeit des Glassubstrats für das Licht mit der Wellenlänge des Laserstrahls entlang der Strahlachse unterbrochen, sondern lediglich die aufgrund der Laserstrahlung entstehenden Modifikationen vermieden oder der Entstehung zumindest wesentlich verzögert. Hierzu durchdringt die Laserstrahlung entlang der Strahlachse sowohl zumindest einen Bereich veränderter Eigenschaften als auch zumindest einen Bereich unveränderter Eigenschaften des Glassubstrats.
Die Änderung der Zusammensetzung kann mittels an sich bekannter chemischer oder physikalischer Verfahren vorgenommen werden. Eine besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats durch Eindiffundieren von Ionen verändert wird, wobei die Ionen durch Diffusion oder Ionenaustausch bis zur gewünschten Schichtdicke bzw. Tiefe des Glassubstrats in die Glasoberfläche eindringen. Hierzu können beispielsweise Silberionen mit physikalischen oder chemischen Verfahren in das Glassubstrat eingebracht werden. Eine physikalische Methode zum nachträglichen Einbringen von Silberionen in das Glassubstrat ist die Ionenimplantation. So lassen sich durch ein elektrisches Feld beschleunigte Silberionen in oberflächennahe Glasbereiche implantieren. Bei geeigneter Durchführung können dabei Silberpartikel gebildet werden. Chemisch werden dabei Alkaliionen des Glassubstrats durch andere Ionen, beispielsweise Silberionen, ausgetauscht. Bei entsprechender Prozessführung kann sich der Ionenaustausch bis tief in das Innere des Glassubstrats erstrecken. Beispielsweise kann unter oxidierenden Bedingungen metallisches Silber direkt auf die Außenfläche des Glassubstrats aufgetragen werden, wobei oxidiertes Silber während des Ionenaustauschs in das Glas einwandert. Eine Modifizierung des Ionenaustauschs ist durch eine elektrochemische Prozessführung möglich.
Vorzugsweise wird das Glassubstrat durch Diffusion oder Ionenaustausch von Silberionen verändert, indem Ag⁺-Ionen bis zur gewünschten Schichtdicke in das Glassubstrat eindringen.
Dabei hat es sich bereits als besonders praxisnah erwiesen, wenn sich der Bereich veränderter Eigenschaften zwischen einer Außenfläche und einer insbesondere parallel beabstandeten Ebene zwischen den gegenüberliegenden Außenflächen erstreckt, wobei der Bereich zu den beiden gegenüberliegenden Außenflächen jeweils einen Abstand aufweist oder aber durch eine Außenfläche des Glassubstrats begrenzt sein kann.
Dabei werden in besonders vorteilhafter Weise die Modifikationen mit einer Erstreckung bis in den Bereich veränderter Eigenschaften eingebracht oder enden dort. Aufgrund der veränderten Eigenschaften des Glassubstrats hinsichtlich der einzubringenden Modifikationen endet der nachfolgende Ätzabtrag zuverlässig an der Grenzschicht zu dem Bereich.
Eine weitere, besonders praxisgerechte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass das modifizierte Glassubstrat in ein Ätzbad eingetaucht und isotrop geätzt wird. In dem Bereich der Modifikationen in dem Glassubstrat erfolgt der Ätzabtrag sehr viel schneller und endet an der Grenzschicht bzw. wird dort wesentlich verzögert, wodurch auch dann Sacklöcher entstehen, wenn der Ätzangriff allseitig erfolgt.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird darüber hinaus das Einbringen von Ionen durch Anlegen einer elektrischen Spannung an gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats gesteuert und so die Eindringtiefe der Ionen bestimmt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an zwei Elektroden angelegt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats angeordnet sind. Die elektrische Spannung führt dazu, dass die Ionen tiefer und/oder schneller in das Glassubstrat eindiffundieren. Dadurch lässt sich die Position der Diffusionsschicht als der Bereich der Modifikationen in dem Glassubstrat sehr genau steuern. Beim anschließenden LIDE-Prozess wird das nasschemische Ätzen an der so geschaffenen Diffusionsschicht gestoppt.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in

1 eine Abfolge der Verfahrensschritte bei der Durchführung des Verfahrens zur Mikrostrukturierung eines Glassubstrats;
2 eine durch Anlegen einer elektrischen Spannung modifizierte Abfolge der Verfahrensschritte bei der Durchführung des Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Mikrostrukturierung eines plattenförmigen Glassubstrats 1 mittels Laserstrahlung 2 nach dem an sich bekannten LIDE-Verfahren wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert. Das Verfahren dient insbesondere dem Einbringen einer einseitigen Ausnehmung 3 als Sackloch ohne Durchbrechung in das Glassubstrat 1. Dabei erfährt der Fokus der Laserstrahlung eine räumliche Strahlformung entlang einer Strahlachse der Laserstrahlung, sodass in dem Glassubstrat 1 entlang der Strahlachse und konzentrisch zu dieser Modifikationen 4 erzeugt werden. Durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums kommt es zu einem anisotropen Materialabtrag des so modifizierten Glassubstrats 1 durch sukzessives Aufätzen, wodurch die gewünschte Ausnehmung entsteht. Um Sacklöcher zu erzeugen, werden die Modifikationen 4 bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht durchgängig, sondern lediglich bis zu einer vorbestimmten Tiefe erzeugt, in dem der Fokus der Laserstrahlung 2 entsprechend gesteuert wird. Flächige Ausnehmungen 3 können entsprechend durch eine Vielzahl benachbarter Modifikationen 4 und bei der nachfolgenden Ätzbehandlung ineinander übergehender Sacklöcher erzeugt werden. Dabei entsteht allerdings keine ebene Begrenzungsfläche. Vielmehr ist die Begrenzungsfläche uneben und rau, da kegelförmige Vertiefungen entstehen. Um beispielsweise als Glasmembranen verwendbare dünne Glassubstrate 1 herzustellen, eignen sich solche Verfahren nicht. Im Gegensatz hierzu wird erfindungsgemäß vor der Einwirkung eines ätzenden Mediums und vor dem Einbringen der Modifikationen 4 in das Glassubstrat 1 die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats 1 partiell verändert und so zumindest ein Bereich 5 veränderter Eigenschaften geschaffen, in dem die Modifikationswirkung unterbunden oder stark verzögert wird. Infolgedessen ist auch die Ätzrate bei der nachfolgenden Einwirkung des ätzenden Mediums und der Materialabtrag entsprechend verändert. In dem Ätzprozess setzt sich somit die Ätzwirkung bei Erreichen des Bereichs 5 nicht anisotrop entlang der Strahlachse fort, sondern wirkt dort lediglich isotrop und flächig und zugleich stark verzögert, sodass der Bereich 5 eine ebene Begrenzungsfläche 6 für die Ausnehmung 3 bildet. Eine weitergehende Modifikation und damit ein nachfolgender Ätzangriff innerhalb dieses Bereichs 5 tritt praktisch nicht auf.
Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird während oder nach dem Eindiffundieren von Ionen in das Glassubstrat 1 zusätzlich eine elektrische Spannung an zwei Elektroden 7 angelegt, die auf gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats 1 angeordnet sind. Infolge der elektrischen Spannung diffundieren die Ionen tiefer in das Glassubstrat 1 ein. Dadurch lässt sich die Position der Diffusionsschicht als der Bereich 5 veränderter Eigenschaften innerhalb des Volumens des Glassubstrats 1 und somit der Abstand a₁ , a₂ des Bereichs 5 von der jeweiligen Außenfläche 8 des Glassubstrats 1 genau steuern. Beim anschließenden LIDE-Prozess wird das nasschemische Ätzen an der Grenzschicht zu diesem Bereich 5 gestoppt.
Bezugszeichenliste

1: Glassubstrat
2: Laserstrahlung
3: Ausnehmung
4: Modifikation
5: Bereich
6: Begrenzungsfläche
7: Elektrode
8: Außenfläche
a₁, a₂: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/161534 A2 [0003]
WO 2016/041544 A1 [0004]
DE 102010004442 B4 [0005]
DE 3525661 C2 [0006]

Claims

Verfahren zur Mikrostrukturierung eines insbesondere plattenförmigen Glassubstrats (1) mittels Laserstrahlung (2) durch Einbringen insbesondere einseitiger Ausnehmungen (3) in das Glassubstrat (1), bei dem der Fokus der Laserstrahlung (2) eine räumliche Strahlformung entlang einer Strahlachse erfährt und bei dem mittels der Laserstrahlung (2) entlang der Strahlachse Modifikationen (4) in dem Glassubstrat (1) erzeugt werden, sodass anschließend die Ausnehmungen (3) durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums durch einen anisotropen Materialabtrag in dem jeweiligen Bereich der Modifikationen (4) in dem Glassubstrat (1) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats (1) vor der Einwirkung eines ätzenden Mediums partiell verändert wird und so zumindest ein Bereich (5) veränderter Eigenschaften geschaffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats (1) vor dem Einbringen der Modifikationen (4) in das Glassubstrat (1) partiell verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2) entlang der Strahlachse sowohl zumindest einen Bereich (5) veränderter Eigenschaften als auch zumindest einen Bereich unveränderter Eigenschaften des Glassubstrats (1) durchdringt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des Glassubstrats (1) durch Einbringen von Ionen verändert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glassubstrat (1) durch Diffusion oder Ionenaustausch, insbesondere von Silberionen, verändert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich (5) veränderter Eigenschaften zwischen einer Außenfläche (8) und einer insbesondere parallel beabstandeten Ebene zwischen den gegenüberliegenden Außenflächen (8) erstreckt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationen (4) mit einer Erstreckung bis in den Bereich (5) veränderter Eigenschaften eingebracht werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das modifizierte Glassubstrat (1) in ein Ätzbad eingetaucht und isotrop geätzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe der Ionen durch Anlegen einer elektrischen Spannung an gegenüberliegenden Seiten des Glassubstrats (1) gesteuert wird.
Ein mit dem Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche hergestelltes Glassubstrat (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Glassubstrat (1) als eine Glasmembran ausgeführt ist.