DE102020126856A1 - Glaselement mit strukturierter Wandung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges Glaselement, welches glasiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10-6K-1aufweist, sowie zwei gegenüberliegende Oberflächen. Das Glaselement weist weiterhin mindestens eine durch das Glas des Glaselements hindurch verlaufende Ausnehmung mit einer Ausnehmungswandung, die um die Ausnehmung herum verläuft und an die beiden gegenüberliegenden Oberflächen angrenzt. Die Ausnehmungswandung weist eine Struktur auf, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen aufweist. Durch diese Vertiefungen sowie die Vertiefungen umgebende Grate ist eine Rauheit der Ausnehmungswandung ausgebildet. Die Ausnehmungswandung weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der unterhalb von 5 µm liegt, bevorzugt unterhalb von 3 µm, bevorzugt unterhalb von 1 µm. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des plattenförmigen Glaselements mit strukturierter Wandung, wobei durch die Einstellung der Laserparameter, die Struktur der Ausnehmungswandung oder die Rauheit gezielt eingestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges Glaselement, welches glasiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10^-6K^-1 aufweist, sowie zwei gegenüberliegende Oberflächen und eine durch das Glas des Glaselements hindurch verlaufende Ausnehmung mit einer strukturierten Ausnehmungswandung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des plattenförmigen Glaselements mit strukturierter Wandung, wobei durch die Einstellung der Laserparameter, die Struktur der Ausnehmungswandung gezielt eingestellt wird.
• Die präzise Strukturierung von Gläsern ist in vielen Anwendungsbereichen von großem Interesse. Unter Anderem werden Glassubstrate in Bereichen Camera Imaging, insbesondere 3D Camera Imaging, in der Elektrooptik, wie beispielsweise L(E)D der Mikrofluidik, optische Diagnostik, Sensorik bspw. Drucksensorik, und Diagnosetechnik eingesetzt. Solche Anwendungsfelder betreffen beispielsweise Lichtsensoren, Kamerasensoren, Drucksensoren, Leuchtdioden und Laserdioden. Hier werden Glassubstrate zumeist in Form von dünnen Wafern oder Glasmembranen als Bauelemente verwendet. Um derartige Glassubstrate in immer kleiner werdenden technischen Anwendungen beziehungsweise Bauteilen einsetzen zu können, werden Genauigkeiten im Bereich von wenigen Mikrometern benötigt. Die Bearbeitung der Glassubstrate bezieht sich dabei auf Löcher, Kavitäten und Öffnungen in beliebigen Formen, die in oder durch die Glassubstrate eingebracht werden, sowie die Strukturierung von Oberflächen der Substrate. Demnach müssen also Strukturen im Bereich von wenigen Mikrometern in die Substrate eingebracht werden.
• Um die Glassubstrate in einem weiten Anwendungsbereich einsetzen zu können, sollte die Bearbeitung zudem keine Beschädigung, Reste oder Spannungen im Randbereich bzw. Volumen des Substrats hinterlassen. Des Weiteren sollte das Verfahren zur Produktion dieser Substrate einen möglichst effizienten Fertigungsprozess erlauben.
• Für die Strukturierung innerhalb eines Glassubstrats, beispielsweise zur Herstellung von Löchern und Öffnungen können verschiedene Verfahren angewendet werden.
• Neben dem Wasser- und Sandstrahlen durch entsprechende Masken ist das Ultraschallschwingläppen ein etabliertes Verfahren. Diese Methoden sind aber hinsichtlich ihrer Skalierung auf kleine Strukturen begrenzt, die typischerweise bei Ultraschallschwingläppen bei ca. 400 µm und beim Sandstrahlen bei minimal 100 µm liegen. Aufgrund des mechanischen Abtrags werden beim Wasser- und Sandstrahlen Spannungen im Glas verbunden mit Abplatzungen am Lochrandbereich erzeugt. Für das Strukturieren von dünnen Gläsern sind beide Verfahren grundsätzlich nicht anwendbar. Da diese Verfahren im Bereich von einigen Hundert µm arbeiten, betrifft dies insbesondere nicht nur die die Abmessungen der zu erzeugenden Löcher, Kavitäten und Öffnungen, sondern vor allem die dadurch entstehenden Oberflächen im Substrat. Daher sind die genannten Verfahren ungeeignet, um Mikrostrukturen in Substraten zu erzeugen.
• Daher hat sich in der letzten Zeit die Verwendung von Laserquellen zur Strukturierung verschiedenster Materialen etabliert. Durch unterschiedlichste Festkörperlaser mit infraroter (z.B.1064nm), grüner (532 nm) und UV (365nm) Wellenlänge, oder auch extrem kurzen Wellenlängen (z.B. 193nm, 248nm) lassen sich kleinere Strukturen in ein Glassubstrat einbringen, als es mit den zuvor genannten, mechanischen Verfahren möglich ist. Da Gläser allerdings eine geringe Wärmeleitfähigkeit haben, sowie zudem eine hohe Bruchempfindlichkeit zeigen, kann auch eine Laserbearbeitung bei der Herstellung von sehr feinen Strukturen zu einer hohen thermischen Belastung des Glases und damit zu kritischen Spannungen bis hin zu Mikrorissen und Verformungen im Randbereich von Löchern führen. Auch großflächigere Strukturen an der Oberfläche von Substraten lassen sich, wenn überhaupt, mit dem feinen Laserstrahl, dessen Durchmesser oft nur weniger Mikrometer umfasst, nur unter sehr hohem Aufwand erzeugen. Das Verfahren eignet sich daher nur bedingt zum Einsatz in einer industriellen Fertigung von Substraten, die speziell an der Oberfläche im Bereich von Öffnungen strukturiert werden müssen.
• Dies betrifft vor allem Bauteile beziehungsweise Substrate, die für spezielle Anwendungen geeignet sein müssen. Zu nennen sind beispielsweise Glassubstrate für Mikrofluidzellen, die eine besonders glatte Oberfläche innerhalb der Fluidkanäle benötigen, um den Wiederstand des Fluids an den Kanalwänden auf ein Minimum zu reduzieren. Ein anderes Anwendungsfeld sind elektro-optische Wandler mit maßgeschneiderten Abstandhaltern aus Glas. Diese ermöglichen die Einstellung eines definierten Abstands zwischen unterschiedlichen aktiven und passiven Bauteilen oder leisten Beiträge zur Einhausung und dem Schutz von elektromagnetischen Transducern/ Emittern / Receivern etc. unter anderem zum Zwecke des Schutzes der sensiblen Bauteile. Um diese sensiblen Bauteile bestmöglich innerhalb der Öffnungen des Substrats bzw. Abstandhalters zu fixieren oder sogar zu isolieren, sind spezielle Strukturierungen der Öffnungsoberflächen des Substrats notwendig. Zudem werden oft auch spezielle optische Eigenschaften des Substrats benötigt, beispielsweise im Sinne einer verbesserten Lichtleitung, welche durch eine definierte Struktur der Öffnungsoberfläche realisiert werden könnte, welche Licht in definierter Weise bricht.
• Bekannte Verfahren sind jedoch nicht in der Lage, derartige Strukturen zu erzeugen. Mit abrasiven Verfahren, lassen sich, wie zuvor erwähnt, keine mikrostrukturellen Öffnungen herstellen und daher lassen sich auch nicht deren Öffnungsoberflächen der Substrate gezielt einstellen. Mit bekannten Laserverfahren lassen sich zwar Mikrostrukturen in Form von durchgehenden Öffnungen in gewissem Maße erzielen, da die Laserstrahlen jedoch vorwiegend durch das Substrat hindurch „schießen“, kann eine Substratoberfläche, die parallel zum Laserstrahl verläuft, nicht von selbigen bearbeitet werden. Die Öffnungsoberflächen jeder Öffnung eines Substrats mittels eines Laserstrahls nachzubearbeiten, wäre extrem zeit- und kostenaufwendig, und damit nicht wirtschaftlich. Weiterhin ist eine derartige Bearbeitung der Öffnungen aufgrund des Einstrahlwinkels des Lasers auch nur eingeschränkt möglich.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Substrat mit speziell strukturierten Öffnungsoberflächen bereitzustellen, sowie ein Verfahren, dieses zu erzeugen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Demgemäß betrifft die Erfindung ein plattenförmiges Glaselement, welches glasiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10^-6K^-1 aufweist, sowie zwei gegenüberliegende Oberflächen. Das Glaselement weist weiterhin mindestens eine die beiden Oberflächen verbindende und in die Oberflächen mündende, durch das Glas des Glaselements hindurch verlaufende Ausnehmung mit einer Ausnehmungstiefe auf, die quer, vorzugsweise senkrecht zu mindestens einer der Oberflächen des Glaselements steht und einer Dicke des Glaselements entspricht. Die Ausnehmung hat eine Ausnehmungswandung, die um die Ausnehmung herum verläuft und an die beiden gegenüberliegenden Oberflächen angrenzt. Die Ausnehmungswandung weist eine Struktur auf, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen aufweist. Durch diese Vertiefungen sowie die Vertiefungen umgebende Grate ist eine Rauheit der Ausnehmungswandung ausgebildet. Die Ausnehmungswandung weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der unterhalb von 5 µm liegt, bevorzugt unterhalb von 3 µm, bevorzugt unterhalb von 1 µm, besonders bevorzugt unterhalb von 500 nm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Wandung aber eine Mindest-Rauigkeit auf. Im Speziellen beträgt der Mittenrauwert der Ausnehmungswandung mindestens 50 nm.
• Durch die besonders glatte Ausnehmungswandung des Glaselements eignet sich das Glaselement insbesondere zur Anwendung im Bereich der Mikrofluidik. Hierbei kann die Ausnehmung als langgestreckter Fluidkanal ausgebildet sein, durch welchen das Fluid quasi ungehindert hindurchfließen kann. Dabei können die beiden Oberflächen auch parallel zueinander verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass mehrere Glaselemente planparallel übereinander angeordnet werden können und sich bei derartiger Anordnung kein Versatz bildet. Auf diese Weise können mehrere Glaselemente in einer Sandwichstruktur übereinander angeordnet werden. Dies ist speziell bei Mikrofluidzellen notwendig, wo meistens drei oder mehr Bauteile übereinander angeordnet werden, um das Fluid durch den Kanal zu lenken, wobei der Kanal an zwei Seiten von den darüber/darunter angeordneten Bauteilen begrenzt wird.
• In einer speziellen Ausführungsform ist der Mittenrauwert (Ra) der Ausnehmungswandung und/oder einer Außenwandung mindestens 50 nm, vorzugsweise oberhalb von 0,2 µm, bevorzugt oberhalb von 0,4 µm, bevorzugt oberhalb von 0,5 µm. Eine derartige geringe Rauheit ermöglicht nicht nur die Anwendung in der Mikrofluidik, sondern es können auch besondere optische Eigenschaften erzielt werden. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Rauheit in einem Bereich zwischen 5 µm und 0,2 µm liegt. Beispielsweise weist das Glaselement bei einem Ra von 5 µm eine mattere Oberfläche der Ausnehmungswandung auf, als bei einem Ra von 0,2 µm.
• Vorzugsweise weisen die kalottenförmigen Vertiefungen eine Tiefe auf, die kleiner ist als 10 µm, bevorzugt kleiner als 5 µm, bevorzugt kleiner als 2 µm, wobei die Tiefe durch eine Differenz zwischen einem Zentrum einer Vertiefungssenke und einem mittleren Gipfel des die Vertiefung umgebenden Grates definiert ist. Kalottenförmig wird im Sinne der Erfindung derart verstanden, dass die Ausnehmungswandung Wölbungen aufweist, wobei die Wölbung konkav, insbesondere mit einer Vertiefung in Richtung des Glases des Glaselements ausgeprägt ist, wobei die Wölbung kuppenförmig in das Glaselement hineinragen kann, ohne Beschränkung auf einen besonderen Querschnitt. Vorzugsweise wird die Rauheit der Ausnehmungswandung durch die Tiefe der kalottenförmigen Vertiefungen definiert. Das bedeutet, dass die Tiefe der Vertiefungen im Sinne der Erfindung den Mittenrauwert bestimmt. Ist also die Tiefe kleiner als 10 µm, so ist auch der Mittenrauwert kleiner als 10 µm. Es ist auch denkbar, dass die Tiefe der Vertiefungen größer als 0,2 µm, bevorzugt größer als 0,4 µm, bevorzugt größer als 0,5 µm ist. Kalottenförmige Vertiefungen sorgen für eine gehinderte Rissbildung beziehungsweise Rissfortsetzung, da das Risswachstum durch Unebenheiten, und speziell durch Wölbungen unterbrochen wird.
• Es können alle kalottenförmigen Vertiefungen eine annähernd einheitliche Tiefe aufweisen, oder aber beispielsweise auch unterschiedliche Tiefen. Auch ist es möglich, dass die kalottenförmigen Vertiefungen höhenversetzt angeordnet sind. Das bedeutet, dass einige Vertiefungen relativ zu anderen Vertiefungen, insbesondere von einer imaginären mittleren Fläche der Ausnehmungswandung in einer Richtung senkrecht zu dieser Fläche versetzt angeordnet sind. Dabei können die Vertiefungen auch bereichsweise, relativ zur imaginären mittleren Fläche der Ausnehmungswandung versetzt sein, wobei bereichswese meint, dass es sich um eine Mehrzahl von Vertiefungen handelt, die in einem ähnlichen Betrag versetzt sind. Vorzugsweise sind die kalottenförmigen Vertiefungen um einen Betrag versetzt, der kleiner ist als 0,6 µm, bevorzugt kleiner als 0,4 µm, bevorzugt kleiner als 0,2 µm. Es ist zudem möglich, dass derartige Bereiche punkt- oder streifenförmig ausgebildet sind, beispielsweise streifenförmig, wobei die Streifen quer oder parallel zur Oberfläche des Glaselements ausgerichtet sein können. Auf diese Weise können Riffeln auf der Ausnehmungswandung ausgebildet sein, die insbesondere quer und/oder parallel zur Oberfläche des Glaselements ausgerichtet sein können. Derartige Riffeln können beispielsweise für einen verbesserten Halt von Bauelementen sorgen, die innerhalb der Ausnehmungen des Glaselements beziehungsweise des Glassubstrats angeordnet werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Querschnitt beziehungsweise eine Querabmessung oder ein Durchmesser einer kalottenförmigen Vertiefung kleiner als 20 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm, bevorzugt kleiner als 10 µm. Einige Vertiefungen können allerdings auch einen Durchmesser oder Querschnitt aufweisen, der kleiner als 60 µm ist, bevorzugt kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 40 µm. Durch eine geschickte Wahl der Größe beziehungsweise Abmessungen der Vertiefungen kann beispielsweise eine Reibung, oder ein Wiederstand eines Baulelements oder Fluids gegenüber der Ausnehmungswandung festgelegt werden, sodass ein Bauelement besser fixiert werden oder ein Fluid besser durch die Ausnehmung strömen kann. Dabei ist es denkbar, dass die kalottenförmigen Vertiefungen zumindest eine der folgenden Formen aufweisen: kreisförmig, oval, wurmförmig, beziehungsweise abgerundet länglich, beispielsweise durch mehrere vereinte Vertiefungen, polygonal, beispielsweise sechseckig. Weiterhin können die Grate als polygonale Begrenzungslinien zwischen den Vertiefungen ausgebildet sein. Dabei kann eine mittlere Anzahl der Ecken der Begrenzungslinien der Vertiefungen vorzugsweise kleiner als acht, vorzugsweise kleiner als sieben, und insbesondere 6 sein. Letzteres Merkmal ergibt sich dann, wenn die von den meisten kalottenförmigen Vertiefungen eingenommenen Gebiete im mathematischen Sinne konvex sind. Durch die Einstellung einer geeigneten Form der Vertiefungen kann die Ausnehmungswandung beziehungsweise das Glaselement noch besser an eine spezifische Anwendung angepasst werden/sein.
• Vorteilhaft ist auch, wenn das Glaselement eine Außenwandung aufweist, die um das Glaselement herum verläuft und die beiden Oberflächen miteinander verbindet, wobei die Außenwandung eine Struktur aufweist, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen aufweist. Dabei kann die die Außenwandung Merkmale aufweisen, die den zuvor genannten Ausführungsformen der Ausnehmungswandung entsprechen. Auf diese Weise kann auch das Glaselement selbst, beispielsweise durch eine besonders raue Außenwandung, verrutschungssicher innerhalb eines anderen Bauteils angeordnet werden.
• Es ist weiterhin möglich, dass die Ausnehmungswandung und/oder die Außenwandung eine abgerundete Kante ausbilden. Darunter ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Fläche/n der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung rau sind, beziehungsweise vollflächig strukturiert sind. In anderen Worten die Fläche/n der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung weisen eine durchgehende, ununterbrochene Struktur von kalottenförmigen Vertiefungen und/oder zwischen den Vertiefungen angeordneten Graten auf. Dadurch ist die Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung wirksam gegen Risswachstum geschützt beziehungsweise ist das Risswachstum minimiert, sodass auch das Glaselement besser gegen Mikrorisse geschützt ist.
• Darunter ist im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass die Fläche/n der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung rau sind, beziehungsweise vollflächig strukturiert sind. In anderen Worten die Fläche/n der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung weisen zu 80%, 90% besonders bevorzugt 95% oder sogar 98% eine durchgehende, ununterbrochene Struktur von kalottenförmigen Vertiefungen und/oder zwischen den Vertiefungen angeordneten Graten auf. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vielzahl von Kleinstbauteilen mit mindestens einer strukturierten Außenwandung und gegebenenfalls mindestens einer oder mehrerer strukturierter Ausnehmungswandung/en herzustellen, die durch eine oder mehrere stegartige Verbindung(en) mit einer Halterung, insbesondere einer umlaufenden Halterung in Form eines Rahmens, verbunden sind. Zur Verwendung des Bauteils wird die stegartige Verbindung von ihrer Halterung beispielsweise durch einen klassischen Brechprozess, ggf. in Kombination mit Einführung einer Sollbruchstelle beispielsweise durch Filamentation entlang der beabsichtigten Bauteilkontur über den Steg hinweg, getrennt.
• Es ist auch denkbar, dass die Transmission von sichtbarem Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1000 nm durch die strukturierte Außenwandung und/oder Ausnehmungswandung und das Glaselement, sowie vorzugsweise auch durch eine gegenüber der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung angeordnete zweite Wandung, oberhalb von 80% ist, bevorzugt oberhalb von 85%, bevorzugt oberhalb von 90%, wobei eine Lichtrichtung dabei senkrecht zur Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung und parallel zu mindestens einer Oberfläche des Glaselements ausgerichtet ist. Dabei kann der optische Weg derart ausgerichtet sein, dass er mindestens eine, vorzugsweise zwei Wandungen oder Oberflächen kreuzt, von denen mindestens eine, gegebenenfalls auch beide, kalottenförmige Vertiefungen aufweist/aufweisen. Eine derart hohe Transmission bietet dem Glaselement beziehungsweise der Ausnehmungswandung eine besonders hohe optische Güte. Dadurch ist das Glaselement insbesondere für optische Anwendungen bestens geeignet, sodass es beispielsweise als optisches Bauteil oder Lichtleiter einsetzbar ist.
• In einer Ausführungsform kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung mit einem Mittenrauwert oberhalb von 1 µm ein geringeres Reflexionsvermögen aufweist, als mit einem Mittenrauwert unterhalb von 1 µm. Dabei kann es sein, dass die Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung mit zunehmendem Mittenrauwert ein abnehmendes Reflexionsvermögen aufweist. Beispielsweise kann die Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung mit einem Mittenrauwert von 0,5 µm ein etwa doppelt so großes Reflexionsvermögen aufweisen, wie mit einem Mittenrauwert 1,4 µm. Durch Wahl eines speziellen Rauwertes der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung kann das Glaselement demnach für bestimmte optische Anwendungen besonders gut geeignet sein. So können Ausnehmungswandungen höherer Rauheit auf Grund ihres Streuverhaltens gegenüber sichtbaren Lichts von Bildverarbeitungseinrichtungen leicht von Ausnehmungswandungen niedrigerer Rauheiten unterschieden werden und somit beispielsweise zum Ausrichten des Glaselements als Ganzen verwendet werden.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Rauheit der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung anisotrop ausgebildet ist, wobei die Anisotropie als Parameter A ausgedrückt werden kann. Dabei ist A das Quadrat eines Quotienten, wobei der Quotient aus dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiter Messbanden, welche parallel zu einer Seitenfläche des Glaselements ausgerichtet sind, und dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche senkrecht zu dieser Seitenfläche des Glaselements ausgerichtet sind, gebildet wird. Mit anderen Worten wird der Quotient gebildet aus dem Mittelwert der Mittenrauwerte dreier entlang der Kantenfläche der Ausnehmung verlaufender Messbanden zum Mittelwert von drei senkrecht dazu verlaufenden Messbanden. Diese letzeren, senkrecht verlaufenden Messbanden erstrecken sich demnach von einer Seitenfläche in Richtung zur gegenüberliegenden Seitenfläche. Insbesondere kann diese Anisotropie kleiner 1, bevorzugt kleiner 0,8, bevorzugt kleiner 0,6 sein. Dabei kann die Seitenfläche im Sinne der Erfindung als zumindest eine der zwei gegenüberliegenden Oberflächen des Glaselements verstanden werden. Die Anisotropie kann durch die Riffeln beziehungsweise ein Versatz der kalottenförmigen Vertiefungen zueinander ausgebildet sein. Dabei sorgen die Riffeln beziehungsweise die anisotrop ausgebildete Rauheit dafür, dass andere, beispielsweise elektrische Bauteile in der Ausnehmung platziert werden können, und mit erhöhter Reibung gegenüber der Ausnehmungswandung bei Bewegungen entlang der Ausnehmungswandung, insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Glaselements, vor Verschiebung geschützt sind. Auf diese Weise bleibt ein in der Ausnehmung platziertes Bauteil auch bei beispielsweise einer Erschütterung fest in der Ausnehmung fixiert.
• Es ist auch vorgesehen, dass die Rauheit der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung anisotrop ausgebildet ist, und die Anisotropie als Parameter A ausgedrückt ist, wobei A das Quadrat eines Quotienten ist, und der Quotient aus dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche parallel zu einer Seitenfläche des Glaselements ausgerichtet sind, und dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche senkrecht zur Seitenfläche des Glaselements ausgerichtet sind, gebildet ist, wobei die Anisotropie größer 1 ist, bevorzugt größer 2, bevorzugt größer 3. In dieser Ausführungsform können die Riffeln senkrecht zur Glasoberfläche ausgerichtet sein, sodass die anisotrop ausgebildete Rauheit dafür sorgen kann, dass andere, beispielsweise elektrische Bauteile in der Ausnehmung mit erhöhter Reibung gegenüber der Ausnehmungswandung bei Bewegungen entlang der Ausnehmungswandung, insbesondere in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Glaselements vor Verschiebung geschützt sind. Andererseits ist die Bewegbarkeit des Bauteils durch die senkrecht zur Glasoberfläche angeordneten Riffeln erhöht, sodass das Bauteil besser verschiebbar sein kann. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn das Bauteil, wie beispielsweise bei einem Drucksensor, unter wiederkehrender mechanischer Belastung steht, und sowohl das Bauteil, als auch das Glaselement durch die Bewegbarkeit des Bauteils innerhalb des Glaselements vor verstärkten Abrieb geschützt werden kann.
• Insgesamt kann es daher in einer Ausführungsform vorteilhaft sein, wenn die Anisotropie (A):
• - größer ist als 1,
• - vorzugsweise größer ist als 1,5,
• - oder sogar größer ist als 4, oder
• - kleiner als 1 ist.
• Es ist sogar möglich, dass die Anisotropie (A) größer ist, als 8, 9, oder 10. In einer derartigen Ausführungsform können die Riffeln besonders stark ausgeprägt sein.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, ist die Rauheit der Ausnehmungswandung und/oder Außenwandung richtungsabhängig ausgebildet, wobei die Rauheit zumindest abschnittsweise unterschiedlich ausgeprägt ist, und die Abschnitte:
• - quer zur Ausnehmungstiefe oder mindestens einer Oberfläche ausgerichtet sind,
• - oder parallel zur Ausnehmungstiefe oder mindestens einer Oberfläche,
wobei eine Differenz des Mittenrauwertes der Abschnitte kleiner ist als 4 µm, vorzugsweise kleiner als 2 µm, vorzugsweise kleiner als 1 µm. Eine richtungsabhängige Rauheit kann allerdings auch beispielsweise durch die relativ zur imaginären mittleren Fläche der Ausnehmungswandung versetzten kalottenförmigen Vertiefungen ausgebildet sein. Die richtungsabhängige Rauheit ermöglicht den gezielten Einbau von Luftkammern zwischen der Ausnehmungswandung und einem Bauteil, beispielsweise zur verbesserten thermischen oder elektrischen Isolation. Zudem kann auch ein Fluid durch geschickt ausgewählte anisotropische Struktur, insbesondere durch Riffeln, besser durch eine kanalförmige Ausnehmung hindurchgeleitet werden, beispielsweise wenn die Riffeln längs zur Strömungsrichtung des Fluides ausgerichtet sind, oder senkrecht zur Strömungsrichtung, wenn eine besonders langsame Strömung erreicht werden soll.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Glaselement eine Dicke aufweisen, die größer ist, als 10 µm, bevorzugt größer als 15 µm, bevorzugt größer als 20 µm und/oder kleiner ist, als 300 µm, bevorzugt kleiner als 200 µm, bevorzugt kleiner als 100 µm. Es ist aber auch möglich, dass die Dicke größer ist, als 300 µm, oder kleiner als 10 µm, bevorzugt kleiner als 4 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm. Gerade solche Dünngläser können mit dem hier beschriebenen Verfahren sehr fein und ohne Bruchgefahr strukturiert werden. Weiterhin kann das Glaselement durch eine geringe Dicke flexibel ausgebildet sein, sodass es gebogen werden kann. Da aufgrund einer geringen Dicke oft andere Bindungskräfte eine wesentliche Rolle spielen, kann das Glaselement zudem eine höhere mechanische Stabilität gegenüber von außen zugeführter mechanischer Beanspruchung ausgebildet sein. Diese Vorteile erlauben den Einsatz des Glaselements beispielsweise in IC-Gehäusen, Biochips, Sensoren, Camera Imaging Modulen und Diagnosetechnologiegeräten.
• In anderen Ausführungsformen können auch Glaselemente, welche sich unter Krafteinwirkung nicht oder nur geringst verformen, aus dem Dickenbereich zwischen 300 µm und 3 mm, in besonderen Fällen sogar bis 6 mm, verwendet werden.
• In einer weiteren Ausführungsform weist das Glaselement eine Querabmessung größer als 50 mm, bevorzugt größer als 100 mm, bevorzugt größer als 200 mm und/oder kleiner als 500 mm, bevorzugt kleiner als 400 mm, bevorzugt kleiner als 300 mm auf. Aus solchen Glaselementen können dann kleine Glasteile, beispielsweise mit jeweils einer oder mehreren Ausnehmungen herausgeteilt werden. Solche kleinen Glaselemente oder Glasteile können gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Querabmessung von höchstens 5 mm, vorzugsweise von höchstens 2 mm aufweisen. Mit derartigen Abmessungen lässt sich das Glaselement optimal als Komponente für die Mikrotechnologie verwenden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Glas des Glaselements mindestens einen der folgenden Bestandteile auf:
• - Einen SiO₂-Anteil von mindestens 30 Gew%, vorzugsweise mindestens 50 Gew%, besonders bevorzugt mindestens 80 Gew%
• - Einen TiO₂-Anteil von höchstens 10 Gew%
• Idealerweise ist das Glas des Glaselements als Borosilikatglas ausgebildet. Derartige Gläser weisen eine besonders hohe thermische Stabilität, Transparenz, sowie chemische und mechanische Stabilität auf, und sind damit bestens für ein breites Anwendungsfeld geeignet, beispielsweise sowohl für optische, als auch elektronische Anwendungen.
• Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Glaselements mit einer strukturierten Wandung oder eines plattenförmigen Glaselements gemäß mindestens einer der zuvor genannten Ausführungsformen gelöst. Das Glaselement weist glasiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10^-6K^-1 auf, sowie zwei gegenüberliegende Oberflächen, wobei bei dem Verfahren
• - das Glaselement bereitgestellt wird,
• - der Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers auf eine der Oberflächen des Glaselements gerichtet und mit einer Fokussierungsoptik zu einem langgezogenen Fokus im Glaselement konzentriert wird, wobei durch die eingestrahlte Energie des Laserstrahls eine Vielzahl filamentförmiger Kanäle im Volumen des Glaselements erzeugt wird, deren Tiefe quer zur Oberfläche des Glaselements verläuft, wobei die Kanäle in einem Abstand zueinander angeordnet werden,
• - das Glaselement, einem Ätzmedium ausgesetzt wird, welches Glas des Glaselements mit einer Abtragsrate abträgt, wobei die Kanäle durch das Ätzmedium aufgeweitet werden, so dass eine Ausnehmung mit einer strukturierten Ausnehmungswandung gebildet wird, wobei die Ausnehmungswandung um die Ausnehmung herum verläuft und an die beiden gegenüberliegenden Oberflächen angrenzt, und eine Struktur aufweist, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen aufweist, durch die eine Rauheit der Ausnehmungswandung ausgebildet wird. Dabei kann die Ausnehmungswandung auch als Innenkante der Ausnehmung verstanden werden.
• Die Anordnung der filamentförmigen Kanäle erfolgt in bevorzugter Ausführungsform entlang einer geschlossenen Kontur, die prinzipiell von beliebiger zweidimensionaler Form sein kann. In bevorzugter Ausführung folgt die Kontur regulären zweidimensionalen geometrischen Elementen, wie Kreisen, Ellipsen, Rechtecken, Quadraten oder Polygonen, damit nach Fertigstellung des strukturierten Glassubstrates die erfindungsgemäße Ausnehmung beispielsweise als Aufnahme für elektronische Bauteile dienen kann.
• Durch die Einstellung der Laserparameter wird vorzugsweise die Struktur der Ausnehmungswandung oder die Rauheit gezielt eingestellt, um einen Mittenrauwert (Ra) der Ausnehmungswandung zu erzeugen, der unterhalb von 5 µm liegt, bevorzugt unterhalb von 3 µm, bevorzugt unterhalb von 1 µm liegt. Mindestens beträgt der Mittenrauwert aber vorzugsweise 50 nm.
• Auf diese Art können auf einem Substrat Ausnehmungen und/oder Außenwandungen mit unterschiedlichen Rauheiten erzeugt werden, wobei der Unterschied der Rauheiten der Ausnehmungen und/oder Außenwandungen mindestens größer als 0,5 µm ist, bevorzugt größer als 1 µm bzw. besonders bevorzugt größer als 2 µm. So können beispielsweise in einem Substrat mehrere Ausnehmungen gleicher oder verschiedener Rauheiten für Bauteile nebst zusätzlicher Ausnehmungen höherer Rauheit zum Ausrichten des Bauteils als Ganzem in einem Referenzsystem eingebracht werden. In einer weiteren Realisierungsform werden die Ausnehmungen für Bauteile mit anisotropen Rauheiten versehen um im anschließenden Applikationsprozess nicht nur das optimale Alignment, sondern auch den idealen Sitz der Bauteile in ihren Ausnehmungen gewährleisten zu können.
• Es ist vorgesehen, dass durch das Verfahren auch ein Glaselement entsprechend den zuvor genannten Ausführungen gefertigt werden kann, sodass die zuvor genannten Vorteile erreicht werden können. Dabei ist das Verfahren speziell für einen industriellen Fertigungsprozess bestens geeignet, da es die zeitgleiche Erzeugung einer Vielzahl an Ausnehmungen in mehreren Glaselementen erlaubt. In einem ersten Verfahrensschritt wird mindestens ein Glaselement, insbesondere ohne Ausnehmungen, bereitgestellt. In einem weiteren, insbesondere zweiten Schritt, wird mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere, und besonders bevorzugt eine Vielzahl von Schädigungen, insbesondere in Form von filamentförmigen Kanälen im Glaselement erzeugt, um idealerweise eine Perforation des Glaselements durch die Schädigungen/Kanäle ausbilden zu können, welche vorzugsweise im Zuge des daran angeschlossenen Ätzvorgangs soweit aufgeweitet werden, dass sich die Kanäle vereinigen und dadurch einzelne Teile des Glaselements aus dem Glaselement herausgelöst werden können, und auf diese Weise die Ausnehmung entstehen kann.
• Hierzu werden vorzugsweise mehrere Schädigungen/Kanäle derart nebeneinander erzeugt, dass eine Reihe von Ausnehmungen eine größere Struktur darstellt, idealerweise in Form der zu erzeugenden Ausnehmung/en. Die Schädigungen/Kanäle verlaufen in Ihrer Längsrichtung quer zu zumindest einer Oberfläche, idealerweise beiden Oberflächen des Glaselements. Dabei erstrecken sich die Kanäle von einer Oberfläche, und insbesondere senkrecht von dieser Oberfläche durch das Glaselement hindurch zur anderen, gegenüberliegend angeordneten Oberfläche und durchbrechen beide Oberflächen.
• Die Schädigungen/Kanäle werden mit Hilfe zumindest eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers in dem Glaselement erzeugt. Die Erzeugung der Ausnehmungen mittels des Lasers basiert vorzugsweise auf mehreren der im Folgenden genannten Schritte:
• - der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers wird auf eine der Oberflächen des Glaselements gerichtet. Dieser kann mit einer Fokussierungsoptik zu einem langgezogenen Fokus im Glaselement konzentriert werden. Dabei kann/können die Emissionswellenlänge(n) derart gewählt werden, dass das Glaselement im Wesentlichen transparent ist, d.h. ein Transmissionsgrad von mehr als 0,9, bevorzugt 0,95, besonders bevorzugt größer als 0,98 vorliegt.
• - der Ultrakurzpulslaser strahlt einen oder mehrerer Pulse oder Pulsgruppen (sog. Burstpulse) auf das Glaselement ein, und dabei wird vorzugsweise durch die Wechselwirkung zwischen dem elektromagnetischen Feld des Hochleistungslaserpulses und dem Glaselement die nichtlineare Absorption der Laserenergie initiiert, die vorzugsweise eine filamentförmige Schädigung (insbesondere in Form eines im Wesentlichen zylindrischen Kanals) im Material des Glaselementes am Ort des langgezogenen Fokusses hervorruft, und die filamentförmige Schädigung zu einem Kanal aufgeweitet.
• - Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Kanälen erzeugt, wobei die Kanäle, insbesondere deren Anordnung auf, beziehungsweise im Glaselement so gewählt wird, dass viele nebeneinander angeordnete Kanäle einen Umriss einer zu erzeugenden Ausnehmung abbilden. Dabei können die Kanäle in einem Abstand zueinander angeordnet werden.
• Eine geeignete Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Neodymdotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG-Laser) mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern. Die Laserquelle erzeugt beispielsweise einen Rohstrahl mit einem (1/e²)-Durchmesser von 12 mm, als Optik kann eine Bikonvex-Linse mit einer Brennweite von 16 mm zum Einsatz kommen. Zur Erzeugung des Rohstrahls kann ggf. eine geeignete strahlformende Optik, wie beispielsweise ein Galilei-Teleskop zum Einsatz kommen. Die Laserquelle arbeitet insbesondere mit einer Repetitionsrate, welche zwischen 1 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 2 kHz und 100 kHz, besonders bevorzugt zwischen 3 kHz und 200 kHz liegt. Diese Repetitionsrate und/oder die Scangeschwindigkeit kann dabei so gewählt werden, dass ein gewünschter Abstand benachbarter Schädigungen/Kanälen erreicht wird.
• Andere Varianten des Nd:YAG-Lasers wie die durch Frequenzverdopplung (SHG) oder Frequenzverdreifachung (THG) erzeugten Wellenlängen 532 nm bzw. 355 nm oder auch wie der Yb:YAG-Laser (Emissionswellenlänge 1030 nm) können als Strahlquellen in geeigneter Weise verwendet werden.
• Es ist auch denkbar, dass ein Laserpuls in eine Mehrzahl von Einzelpulsen aufgeteilt wird, und die Mehrzahl kleiner als 10 ist, bevorzugt kleiner als 8, bevorzugt kleiner als 7 und/oder größer als 1, bevorzugt größer als 2, bevorzugt größer als 3. Diese Einzelpulse können zu einem Pulspaket, einem sogenannten Burst, zusammengefasst werden und werden insbesondere in aufeinander folgenden Laserpulsen abgegeben. Vorzugsweise werden diese Einzelpulse auf dieselbe Stelle beziehungsweise denselben Ort auf der Glasoberfläche gerichtet, sodass die Schädigungen durch die aufeinanderfolgenden Einzelpulse immer weiter ausgeweitet werden, dass Kanäle entstehen, die bevorzugt durch die gesamte Dicke beziehungsweise das Volumen des Glaselements hindurch verlaufen.
• Vorteilhafterweise kann die zu erzeugende Ausnehmungs-/Kanalwandung durch eine geschickte Wahl der Anzahl der Einzelpulse innerhalb eines Pulspakets beeinflusst werden, und insbesondere eine Struktur der Ausnehmungs-/Kanalwandung gezielt eingestellt werden. Da die Gesamtleistung eines Laserpulses bei einem Pulspaket beziehungsweise in einem Burst auf mehrere Einzelpulse verteilt wird, hat jeder Puls eine geringere Energie im Vergleich zu einem einzelnen Laserpuls. Daraus resultiert, dass mit höherer Anzahl an Einzelpulsen, die Energie jedes einzelnen Einzelpulses abnimmt. Allerdings kann vorgesehen sein, dass die Pulsenergien der Einzelpulse flexibel einstellbar sind, insbesondere, dass die Pulsenergien entweder im Wesentlichen konstant bleiben oder dass die Pulsenergien zunehmen oder dass die Pulsenergien abnehmen, wobei dann vorzugsweise der erste Einzelpuls eines Bursts beziehungsweise Pulspakets entweder die geringste oder die höchste Energie der Einzelpulse besitzt. Ferner kann bei einem Betrieb des Ultrakurzpuls-Lasers im Burst-Modus die Repetitionsrate die Wiederholrate der Abgabe von Bursts sein. Weiterhin treffen die Einzelpulse zeitlich versetzt auf der Oberfläche das Glaselements beziehungsweise in der Schädigung auf, sodass jeder Einzelpuls den zuvor erzeugten Zustand der Ausnehmungs-/Kanalwandung verändert. Auf diese Weise kann durch Wahl der Anzahl der Einzelpulse eines Bursts, die Ausnehmungs-/Kanalwandung gezielt strukturiert und verändert werden.
• Die typische Leistung der Laserquelle liegt dabei besonders günstig in einem Bereich von 20 bis 300 Watt. Um die Schädigungen/Kanäle zu erzielen, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Pulsenergie der Pulse und/oder von Pulspaketen von mehr als 400 Mikrojoule eingesetzt, ferner vorteilhaft eine gesamte Energie von mehr als 500 Mikrojoule. Eine geeignete Pulsdauer eines Laserpulses liegt in einem Bereich von weniger als 100 Pikosekunden, bevorzugt bei weniger als 20 Pikosekunden.
• Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass eine Pulsdauer gewählt wird, die kleiner ist als 15 ps, bevorzugt kleiner 10 ps, bevorzugt kleiner 5 ps. Vorzugsweise wird sogar eine Pulsdauer von 1 ps verwendet, um eine glatte Ausnehmungs-/Kanalwandung, insbesondere mit einer geringen Rauheit beziehungsweise einem geringen Mittenrauwert zu erzeugen. Dabei kann die Rauheit mit zunehmender Pulsdauer erhöht werden. Ein Grund dafür kann das thermische Verhalten des Glases sein, da das Glas bei einer längeren Pulsdauer folglich länger der Energie des Lasers, und damit auch der dadurch entstehenden Wärme des Laserstrahls ausgesetzt ist, wodurch insbesondere thermisch weniger stabiles Glas, beispielsweise durch Ausdehnung geschädigt wird. Folglich kann das Glas des Glaselements durch präzise Wahl der Pulsdauer in spezieller Weise geschädigt werden, und damit idealerweise auch eine Rauheit der Ausnehmungs-/Kanalwandung. Das kann gleichfalls bedeuten, dass Glas mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten weniger stark geschädigt wird, als Glas mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Pulsdauer ist dabei im Wesentlichen unabhängig davon, ob ein Laser im Einzelpulsbetrieb oder im Burst-Modus betrieben wird. Die Pulse innerhalb eines Bursts weisen typischerweise eine ähnliche Pulslänge auf, wie ein Puls im Einzelpulsbetrieb. Die Burstfrequenz kann dabei im Bereich von 15 MHz bis 90 MHz liegen, bevorzugt im Bereich von 20 MHz bis 85 MHz liegen und beträgt beispielsweise 50 MHz.
• Vorteilhaft ist auch, wenn die Kanäle in einem Abstand zueinander angeordnet werden, und dieser Abstand kleiner ist als 20 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm, bevorzugt kleiner als 10 µm und/oder größer als 1 µm, bevorzugt größer als 2 µm, bevorzugt größer als 3 µm. Der Abstand der Kanäle kann allerdings auch größer als 5 µm sein und/oder kleiner als 100 µm, bevorzugt kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm.
• Unabhängig vom Durchmesser der Kanäle kann der Abstand benachbarter Kanäle zueinander auch als Pitch bezeichnet werden, also beispielsweise ein Abstand der Laserpulse, die zeitgleich oder insbesondere nacheinander in einem Abstand versetzt zueinander abgegeben werden. Dieser Abstand wird dabei von Mitte zu Mitte der Kanäle, oder aber auch vom Zentrum eines Pulses zum Zentrum eines benachbart abgegebenen Pulses gemessen. Mit der Wahl des Abstands der Kanäle kann die Rauheit insofern beeinflusst werden, dass die Abschnitte zwischen den Kanälen, die insbesondere Abmessungen aufweisen, die der Dicke des Glaselements und dem Abstand der Kanäle entsprechen, bewusst nicht vom Laser bearbeitet werden brauchen, und nur einem anschließenden Ätzprozess unterzogen werden.
• Demnach können also zwei unterschiedliche Bereiche generiert werden, solche deren Oberfläche mit einem Laser, und vorzugsweise einem Ätzmedium strukturiert wird und solche, deren Oberfläche nur mithilfe des Ätzmediums strukturiert wird, dem das Glaselement nach dem Erzeugen der Kanäle ausgesetzt wird. Auf diese Weise können insbesondere richtungsabhängige beziehungsweise anisotrope Rauheiten der Ausnehmungswandung erzeugt werden. Dabei können vorzugsweise die Bereiche zwischen den Kanälen eine andere Rauheit aufweisen, als die Bereiche der Kanäle, wobei ein Längserstreckung beider Bereiche vorzugsweise parallel zum Laserstrahl beziehungsweise quer, insbesondere senkrecht zu zumindest einer Oberfläche des Glaselements verläuft, sodass idealerweise eine Anisotropie größer als 1 ausgebildet werden kann.
• In einem weiteren, vorzugsweise letzten Schritt, wird das Glaselement inklusive der darin erzeugten Kanäle einem Ätzmedium ausgesetzt, um Glas des Glaselements mit einer festlegbaren Abtragsrate abzutragen, wobei die Kanäle durch das Ätzmedium, und insbesondere dem daraus entstehenden Abtrag aufgeweitet werden. Auf diese Weise kann die Ausnehmung, und vorzugsweise auch mehrere Ausnehmungen mit einer strukturierten Ausnehmungswandung gebildet werden. Dabei können durch den Abtrag typischerweise die kalottenförmigen Vertiefungen der Ausnehmungswandung und/oder der Außenwandung erzeugt werden. Von Vorteil ist, wenn das Ätzmedium in einen Behälter, beispielsweise einen Tank, einen Topf, oder eine Wanne gefüllt wird und insbesondere anschließend ein oder mehrere Glaselemente zumindest teilweise in den Behälter beziehungsweise in das Ätzmedium gehalten, oder getaucht werden.
• Das Ätzmedium kann gasförmig sein, ist jedoch vorzugsweise eine Ätzlösung. Daher wird das Ätzen gemäß einer Ausführungsform nasschemisch durchgeführt. Dies ist günstig, um während des Ätzens Glasbestandteile von einer Kanalinnenfläche zu entfernen. Wird die Kanalwandung beispielsweise durch Wahl geeigneter Laserparameter, beispielsweise des Burst, Pitch und/oder der Pulsdauer besonders uneben oder eben gestaltet, können die Vertiefungen durch das Ätzen beziehungsweise den nasschemischen Ätz- beziehungsweise Materialabtrag der Ausnehmungs-/Kanalwandung hinzugefügt werden. Hierdurch kann die Ausnehmungswandung entsprechend den Anforderungen mit einer hohen, oder geringen Rauheit und insbesondere den vorteilhaften kalottenförmigen Vertiefungen ausgestattet beziehungsweise erzeugt werden.
• Als Ätzlösung ist vorgesehen, eine saure oder auch alkalische Lösung zu verwenden. Als saure Ätzmedien sind insbesondere HF, HCl, H₂SO₄, Amoniumbifluorid, HNO₃-Lösungen oder Mischungen aus diesen Säuren geeignet. Für basische Ätzmedien kommen beispielsweise KOH- oder NaOH-Laugen in Betracht. Diese sind bei Glaszusammensetzung mit einem geringen Gehalt an Alkalimetallen besonders effizient, da die basischen Ätzlösungen bei derartigen Gläsern weniger schnell übersättigen und damit ihre Ätzfähigkeit wesentlich länger beibehalten können, als es bei stark alkalischen Gläsern der Fall wäre. Idealerweise wird das zu verwendende Ätzmedium daher nach dem zu ätzenden Glas des Glaselements ausgewählt. Demnach kann je nach Glaszusammensetzung ein saures Ätzmedium zum Einstellen einer schnellen Abtragsrate bei Silikatgläsern, oder ein basisches, insbesondere alkalisches Ätzmedium zum Einstellen einer langsamen Abtragsrate gewählt werden.
• Das Ätzen wird vorzugsweise bei einer Temperatur höher als 40°C, bevorzugt höher als 50°C, bevorzugt höher als 60°C und/oder niedriger als 150°C, bevorzugt niedriger als 130°C, bevorzugt niedriger als 110°C, und insbesondere bis 100°C durchgeführt. Diese Temperatur schafft eine ausreichende Mobilität der zu lösenden Ionen beziehungsweise Bestandteile des Glases des Glaselements aus der Glasmatrix.
• Ein weiterer Faktor ist Zeit. So lässt sich beispielsweise allgemein ein höherer Abtrag erzielen, wenn das Glaselement mehrere Stunden, insbesondere länger als 30 Stunden dem Ätzmedium ausgesetzt wird. Andererseits ist es möglich den Abtrag zu begrenzen, indem das Glaselement dem Ätzmedium weniger als 30 Stunden, beispielsweise nur 10 Stunden ausgesetzt wird. Bestenfalls wird die Abtragsrate so gewählt, dass die kalottenförmigen Vertiefungen eine Form ausbilden, die bei einem mathematisch kleinsten Umfang beziehungsweise Querschnitt den größten Rauminhalt besitzt, insbesondere eine kreisförmige Form, oder aber auch eine annähernd sechseckige beziehungsweise polygonale Form. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Rauheit der Ausnehmungswandung erzielt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beigeschlossenen Figuren erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:
• 1 Schematische Darstellung der Erzeugung einer Schädigung im Glaselement durch einen Laser;
• 2 Schematische Darstellung eines Glaselements mit mehreren Schädigungen;
• 3 Schematische Darstellung eines Ätzvorgangs des Glaselements;
• 4 Schematische Darstellung des Glaselements nach dem Ätzvorgang und dem Abtrennen eines Teils zur Erzeugung der Ausnehmung;
• 5 Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Ausnehmungswandung eines Glaselements;
• 6 Messergebnisse der Rauheit der Ausnehmungswandung in Abhängigkeit zur Pulsdauer;
• 7 Messergebnisse der Rauheit der Ausnehmungswandung in Abhängigkeit zum Burst;
• 8 Messergebnisse der Rauheit der Ausnehmungswandung in Abhängigkeit zum Pitch;
• 9 Ein Oberflächenmessergebnis der Ausnehmungswandung mit starker Isotropie bei einer Pulsdauer von 1 ps;
• 10 Ein Oberflächenmessergebnis der Ausnehmungswandung mit starker Isotropie parallel zum Laser bei einer Pulsdauer von 10 ps;
• 11 Ein Oberflächenmessergebnis der Ausnehmungswandung mit starker Isotropie senkrecht zum Laser bei einer Pulsdauer von 10 ps;
• 12Ein Oberflächenmessergebnis der Ausnehmungswandung ohne deutliche Isotropie bei einer Pulsdauer von 10 ps;
• 13 Schematische Darstellung einer Transmissionsmessung der Ausnehmungswandung;
• 14 Messergebnisse einer Reflexionsmessung an der Ausnehmungswandung.
• 1 ist zeigt schematisch ein Glaselement 1 mit zwei Oberflächen 2, die gegenüber einander angeordnet sind, sodass zwischen den Oberflächen das Volumen des Glaselements angeordnet ist, sowie einer Dicke D, die einen Abstand der zwei Oberflächen 2 definiert. Dabei können die Oberflächen zueinander angeordnet sein. Das Glaselement 1 erstreckt sich weiterhin in eine Längsrichtung L und eine Querrichtung Q. Vorzugsweise weist das Glaselement 1 auch mindestens eine Außenfläche 4 auf, die idealerweise das Glaselement 1, insbesondere vollständig umgibt, und dessen Höhe der Dicke D des Glaselements 1 entspricht. Dabei erstreckt sich idealerweise die Dicke D des Glaselements 1 und die Höhe der Seitenfläche 4 in Längsrichtung L, wobei sich die Oberflächen des Glaselements in Querrichtung erstrecken können.
• In einem ersten Verfahrensschritt werden durch einen Laser 101, vorzugsweise einem Ultrakurzpulslaser 101 Schädigungen, insbesondere in Form von Kanälen 16 beziehungsweise kanalförmige Schädigungen 16 in dem Volumen des Glaselements 1 erzeugt. Hierzu wird mittels einer Fokussierungsoptik 102, beispielsweise einer Linse mit nicht korrigierter sphärischer Aberration oder eines Linsensystems, das in der Summenwirkung der einzelnen Elemente eine erhöhte sphärische Aberration aufweist, der Laserstrahl 100 fokussiert und auf eine Oberfläche 2, des Glaselements gerichtet. Durch die Fokussierung, insbesondere einer langgezogenen Fokussierung des Laserstrahls 100 auf einen Bereich innerhalb des Volumens des Glaselements 1 sorgt die dadurch eingestrahlte Energie des Laserstrahls 100 dafür, dass eine filamentförmige Schädigung erzeugt, und insbesondere auch zu einem Kanal 16 aufgeweitet wird, wie beispielsweise durch die Verwendung des Burstmodus, in welchem mehrere Einzelpulse in Form eines Pulspakets die Schädigungen bzw. Kanäle 16 erzeugen.
• Um die Oberfläche der zu erzeugenden Ausnehmung 10 in einem späteren Verfahrensschritt optimal strukturieren zu können, kann es vorteilhaft sein, bestimmte Laserparameter gezielt einzustellen, sodass schon während der Erzeugung der Schädigungen und/oder Kanäle deren Oberflächen sozusagen vorbehandelt werden. Hierzu kann beispielsweise mindestens einer der folgenden Parameter präzise eingestellt werden: die Pulsdauer der Laserstrahlen 100, welche vorzugsweise im Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden liegen, die Anzahl von Einzelpulsen in einem Pulspaket beziehungsweise im Burst, der Abstand der abgegebenen Laserstrahlen 100 relativ zueinander, also der Abstand der erzeugten Schädigungen/Kanäle 16, die Energie des Lasers, oder die Frequenz. Ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform kann die Frequenz eines Pulspakets beispielsweise 12 ns - 48 ns, bevorzugt etwa 20 ns betragen, wobei die Pulsenergie mindestens 200 Mikrojoule, die Burstenergie entsprechend mindestens 400 Mikrojoule sein kann. Durch entsprechende Wahl bestimmter Werte dieser Parameter kann die Rauheit der Ausnehmungswandung 11 der zu erzeugenden Ausnehmung 10 bereits vorab gezielt eingestellt werden.
• Vorzugsweise werden, wie in 2 gezeigt, in weiteren Schritten mehrere Kanäle 16 erzeugt, die idealerweise derart nebeneinander angeordnet werden, dass eine Vielzahl von Kanälen 16 eine Perforation ergibt, und diese Perforation beziehungsweise diese Vielzahl von Kanälen 16 Umrisse einer Struktur 17 formen. Bestenfalls, entspricht eine derartig erzeugte Struktur 17 einer Form einer zu erzeugenden Ausnehmung 10. In anderen Worten, es wird ein Abstand 18 und eine Anzahl der Kanäle 16 so gewählt, dass Umrisse zu erzeugender Ausnehmungen geformt werden. Dabei entspricht der Abstand 18 der Kanäle 16 dem Pitch des Lasers, also dem Abstand 18 der abzugebenden Laserstrahlen 100.
• Einen weiteren Schritt zeigt 3. Nachdem eine Vielzahl von Kanälen 16 in dem Glaselement 1 mittels des Lasers 101 erzeugt wurden, wird das vorzugsweise durch die Kanäle strukturierte Glaselement 1 wird in einem Ätzmedium 200 gelagert. Hierzu wird das Glaselement bevorzugt an Halterungen 50 ablösbar angeordnet, wobei das Glaselement 1 lediglich auf den Halterungen 50 aufliegen kann, oder an diesen fixiert werden bzw. sein kann. Dabei wird das Glaselement 1 mittels der Halterungen 50 in ein Ätzmedium 200, vorzugsweise einer Ätzlösung gehalten, und insbesondere getaucht, welches vorzugsweise in einem Behälter 202 angeordnet ist. Idealerweise weist der Behälter 202 dazu ein Material auf, welches gegenüber dem Ätzmedium 200 im Wesentlichen resistent ist. Das bedeutet, dass das Material des Behälters 202 im Wesentlichen derart resistent ist, dass das Ätzmedium 200 das Material des Behälters in nur einem sehr geringen Maße angreift, oder abträgt, beziehungsweise, dass die Ionen und Atome des Materials des Behälters 202 in Kontakt zum Ätzmedium 200 im Wesentlichen im Volumen des Behälters 202 verbleiben, sodass die Zusammensetzung des Ätzmediums 200 durch einen Kontakt zum Behälter 202 idealerweise unverändert bleibt. Allerdings ist es auch denkbar, dass die Zusammensetzung des Ätzmediums 200 durch Kontakt zum Behälter beeinflusst wird, und insbesondere vom Behälter 202 abgegebene Behälter-Bestandteile die Ätzfähigkeit des Ätzmediums 200 verändert und dadurch die Abtragsrate des Abtrags 70 des Glaselements in eine gewünschte Richtung verändert werden kann. Die Abtragsrate kann allerdings auch beispielsweise durch eine durch physikalische und/oder mechanisch induzierte Bewegung des Ätzmediums 200, insbesondere Rühren, beispielsweise durch Magnetrührer, oder durch lokale Temperaturänderungen verändert werden. Vorzugsweise wird das Ätzmedium 200 auf eine Temperatur zwischen 40 °C und 150 °C gebracht, um eine optimale Abtragsrate zu erzielen.
• Bevorzugt wird als Ätzmedium 200 eine saure, oder alkalische Lösung verwendet, und insbesondere eine alkalische Lösung, beispielsweise KOH. Idealerweise wird ein basisches Ätzmedium 200 mit einem ph-Wert >12, beispielsweise eine KOH-Lösung mit einer Konzentration von >4mol/l, bevorzugt >5mol/l, besonders bevorzugt >6mol/l, aber <30mol/l verwendet. Das Ätzen wird ohne Beschränkung auf diese Ausführungsform vorzugsweise bei einer Temperatur des Ätzmediums von >70°C, bevorzugt >80°C, besonders bevorzugt >90°C, und insbesondere etwa 100°C bzw. bei einer Temperatur kleiner als 160°C durchgeführt.
• Der Abtrag 70 beziehungsweise eine Abtragsrate kann beispielsweise durch die Dauer, die das Glaselement 1 dem Ätzmedium 200 ausgesetzt ist, eingestellt werden. Hierzu wird der gewünschte Abtrag 70 erhöht, je länger das Glaselement 1 im Ätzmedium 200 verbleibt. Um die vom Laser 100 vorstrukturierte Kanalwandung beziehungsweise Wandung der Kanäle 16 auf ihre Zielstruktur beziehungsweise die gewünschte Rauheit der zu erzeugenden Ausnehmung 10 beziehungsweise Ausnehmungswandung 11 zu bringen, ist eine Abtragsrate von kleiner als 5 µm pro Stunde optimal. Insbesondere können die gewünschten Mittenrauwerte auch mittels der Gesamtätzdauer erreicht werden. Hierzu ist es günstig, wenn die Ätzdauer mindestens 12 Stunden beträgt. Der Abtrag kann allerdings auch variieren und beispielsweise bei 34 µm bei einer Ätzdauer von 16 Stunden, bei 63 µm bei 30 Stunden und um 97 µm bei 48 Stunden liegen.
• Idealerweise wird der Abtrag 70 und die Ätzdauer so gewählt, dass Material zwischen benachbarten Kanälen soweit abgetragen wird, dass sich die Kanäle vereinen, und sich insbesondere durch die Vereinigung der Kanäle 16 eine zusammenhängende Öffnung erzeugt wird, wie sie beispielsweise schematisch in der 4 gezeigt ist. Ohne Beschränkung auf das in 4 gezeigte Beispiel, kann die zusammenhängende Öffnung auch jegliche andere Form und/oder Umriss einnehmen. Wichtig ist jedoch, dass durch den Zusammenschluss der Kanäle 16 im Glaselement 1 große Öffnung erzeugt wird, wobei ein zuvor von Kanälen umschlossener Innenteil 20 des Glaselements 1 durch den Kanalzusammenschluss frei gelegt wird, und insbesondere herausgelöst beziehungsweise entfernt werden kann. Im Zuge dessen wird die Ausnehmung 10 mit einer Ausnehmungswandung 11 erzeugt.
• Idealerweise weist die Ausnehmungswandung 11 eine einheitliche Struktur, insbesondere mit gezielt eingestellter Rauheit beziehungsweise Mittenrauwert auf. Es kann allerdings auch vorteilhaft sein, wenn die Ausnehmungswandung 11 anisotrop ausgebildet wird/ist, beispielsweise durch gezielte Einstellung der Abtragsrate, insbesondere in der Form, dass Zwischenbereiche zwischen den Kanälen nur unvollständig beziehungsweise partiell abgetragen werden, sodass die Ausnehmungswandung 11 solche Zwischenbereiche 30 sowie Kanalbereiche 31 aufweist. Durch den Wechsel der Zwischenbereiche 30 und der Kanalbereiche 31 können auf der Ausnehmungswandung 11 riffeln ausgebildet werden beziehungsweise sein, die vorzugsweise eine anisotrope beziehungsweise richtungsabhängige Rauheit der Ausnehmungswandung 11 ausbilden.
• Um die Struktur beziehungsweise die Rauheit der Ausnehmungswandung optimal einstellen zu können, kann davon ausgegangen werden, dass zumindest einer der folgenden Zusammenhänge besteht:
• - Burst × Pulsdauer = Konstant
• - Pitch / Abtrag = Konstant
• Mit Blick auf diese Zusammenhänge, wird klar, dass die Laserparameter, und insbesondere der Pitch und der Burst beziehungsweise die Anzahl der Einzelpulse eines Pulspakets einen erheblichen Einfluss auf die Rauheit der Ausnehmungswandung haben.
• In 5 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Kanalabschnitts 31 der Ausnehmungswandung 11 gezeigt. Deutlich zu erkennen sind eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefungen 12, die über die Ausnehmungswandung 11 verteilt sind. Dabei sind die Vertiefungen 12 derart angeordnet, dass sie aneinander angrenzen, wobei die Vertiefungen 12 idealerweise jeweils von einem Grat 13 umschlossen sind, welcher beispielsweise Risswachstum hemmen kann. Wie auf der Aufnahme zu sehen ist, bilden die Vertiefungen 12 konkave Krümmungen aus, deren Wölbung in Richtung des Glasvolumens verläuft, und damit insbesondere die Grate 13 gegenüber einer mittleren Fläche höher liegen, als beispielsweise Vertiefungssenken 14. Dabei bilden die Vertiefungssenken 14 im Wesentlichen einen gegenüber den Graten 13 tiefsten Punkt der Vertiefungen aus, und vorzugsweise die Grate 13 einen höchsten Punkt, oder eine höchste Linie. Im Verhältnis zu den Krümmungen beziehungsweise Wölbungen sind die Grate 13 jedoch nur schmal ausgebildet.
• Die Tiefe der kalottenförmigen Vertiefungen kann dabei zwischen 10 µm und 0,1 µm liegen, wobei eine Tiefe zwischen 0,2 µm und 2 µm bevorzugt wird, da die Tiefe im Wesentlichen die Rauheit der Ausnehmungswandung 11 bestimmt, und insbesondere einer Differenz zwischen einem Zentrum der Vertiefungssenke 14 und die Vertiefung umgebenden Grat 13 entspricht. Das bedeutet, dass die Tiefe der Vertiefungen 12 im Wesentlichen den Mittenrauwert (Ra) der Ausnehmungswandung 11 bestimmt. Wobei auch andere Faktoren, wie beispielsweise die Riffeln und/oder Zwischenbereiche 30 einen Beitrag zum Mittenrauwert (Ra) leisten. Bestenfalls liegt der Mittenrauwert (Ra) zwischen 0,2 µm und 4,5 µm.
• Weiterhin weisen die Vertiefungen 12 einen Querschnitt 15 auf, der vorzugsweise zwischen 5 µm und 30 µm groß ist, insbesondere zwischen 10 µm und 20 µm. Dabei kann der Querschnitt 15 beziehungsweise die Form der Vertiefungen 12 polygonal ausgebildet sein. Dabei bilden die Grate 13 Begrenzungslinien zwischen den Vertiefungen 12, wobei die Grate 13 durch die Polygonale Form der Vertiefungen 12 auch eckig sein können. Idealerweise werden die Vertiefungen 12 während des Ätzprozesses derart ausgebildet, dass sie einen raumsparenden Querschnitt 15 bilden, beispielsweise mit einer Anzahl an Ecken, die zwischen 5 und 8 ist, und vorzugsweise genau 6, da diese Form den mathematisch kleinsten Umfang bei gleichzeitig größtem Rauminhalt bietet, also am nächsten an eine Kreisform herankommt. Insbesondere kann dadurch eine einheitliche und gleichmäßige Rauheit eingestellt werden, und daher das Glaselement besonders genau an die vorgesehene Anwendung angepasst werden.
• 6 zeigt grafisch abgebildete Messwerte des Mittenrauwerts (Ra) an der Ausnehmungswandung 11, die durch die oben beschriebene Kombination des Einbringens von Schädigungen 16 mit einem Laser und dem anschließenden Aufweiten durch Ätzen der Schädigungen zu Kanälen 16 hergestellt wurden. In der Grafik sind die durch den vorgenannten Prozess erzeugten Mittenrauwerte (Ra) in Abhängigkeit zu unterschiedlichen Laserparametern. Dabei sind die Mittenrauwerte (Ra) auf der Ordinate aufgetragen, wobei die Anzahl der Einzelpulse eines Bursts beziehungsweise Pulspakets auf der Abszisse liegt. Die Größe beziehungsweise der Durchmesser der Messpunkte stellt dabei den Pitch beziehungsweise den Abstand der Pulse und Kanäle dar. Weiterhin sind der rechten Seite Rauheitsmesswerte einer Rauheit gezeigt, die bei einer Pulsdauer von 1 ps erzeugt wurde, und auf der linken Seite solche, die bei einer Pulsdauer von 10 ps erzeugt wurden. Die Verteilung der Mittenrauwerte (Ra) verdeutlicht die Abhängigkeit der Rauheit von Pulsdauer, Pulsanzahl und dem Abstand der Pulse.
• Wie die Grafik zeigt, werden bei einer kurzen Pulsdauer von beispielsweise 1 ps geringere Mittenrauwerte (Ra) beziehungsweise eine glattere Oberfläche der Ausnehmungswandung 11 erzeugt, als es beispielsweise bei einer längeren Pulsdauer beispielsweise 10 ps der Fall ist. Insbesondere zeigt die Grafik auch, dass bei einer geringeren Pulsdauer, sowohl der Pitch, als auch verzugsweise der Bursts beziehungsweise die Einzelpulsanzahl weniger Einfluss hat, als bei einer höheren Pulsdauer. Die gemessenen Mittenrauwerte (Ra) sind demnach bei einer höheren Pulsdauer von etwa 10 ps insbesondere bei einem hohen Pitch und einem hohen Burst besonders hoch, etwa im Bereich zwischen 1 µm und 2 µm, während die Mittenrauwerte (Ra) bei einer geringen Pulsdauer unabhängig von Pitch und Bursts unterhalb von 1 µm liegen. Dies bedeutet, dass bei einer geringen Pulsdauer eine besonders geringe Rauheit der Ausnehmungswandung 11 erzielt werden kann.
• Die 7 und 8 zeigen grafisch abgebildete Messwerte des Mittenrauwerts (Ra) der Ausnehmungswandung 11. Allerdings sind die Mittenrauwerte (Ra) in Abhängigkeit des Bursts, also der Anzahl der Einzelpulse (in 7 auf der Abszisse aufgetragen; In 8 auf der Ordinate aufgetragen) und des Pitch, also des Abstands der Pulspakete (in 7 auf der Ordinate aufgetragen; In 8 auf der Abszisse aufgetragen) dargestellt. In beiden Figuren sind Messwerte einer Rauheit dargestellt, die bei 10 ps Pulsdauer erzeugt wurde. Die Messpunkte verbindenden Linien zeigen dabei den Glas-Abtrag an, der während des Ätzprozesses abgetragen wurde. Die 7 und 8 verdeutlichen die Abhängigkeit der erzeugbaren Rauheit der Ausnehmungswandung 11 und/oder Außenwandung 11 durch den Pitch und Burst. Hierbei wird klar, dass die Rauheit beziehungsweise die gemessenen Mittenrauwerte (Ra), insbesondere bei hohem Pitch ab beispielsweise 12 µm und hohem Burst ab beispielsweise 7 besonders hoch, beispielsweise im Bereich von 3 µm oder höher sind. Andererseits sind die gemessenen Mittenrauwerte (Ra) ab einem Pitch oberhalb von 6 µm auch bei einem sehr geringen Burst zwischen 1 und 2 vergleichsweise hoch, beispielsweise größer als 1,5 µm. Da die Messwertkurven im Wesentlichen parallel verlaufen und größtenteils übereinanderliegen, kann daraus geschlossen werden, dass der Abtrag nur einen geringen Einfluss auf die erzeugte Rauheit der Ausnehmungswandung 11 und/oder der Außenwandungen 4 hat. Im Wesentlichen kann die Rauheit der Ausnehmungswandung 11 und/oder der Außenwandungen 4 durch die Wahl der Laserparameter, insbesondere Pulsdauer, Pitch und Burst eingestellt werden.
• Es ist demnach ersichtlich, dass besonders raue Ausnehmungswandungen 11 und/oder Außenwandungen 4 mit einem Parameterfeld erzeugt werden können, welches mindestens einen der folgenden Parameter vorsieht, vorzugsweise eine Kombination der folgenden Parameter:
• - Lange Pulsdauern, beispielsweise größer 1, vorzugsweise größer 3, bevorzugt größer 5,
• - eine hohe Anzahl an Einzelpulsen eines Pulspakets (Bursts), beispielsweise 7 oder mehr,
• - ein großer Pitch, beispielsweise 10 µm oder höher.
• Andererseits lassen sich besonders glatte Ausnehmungswandungen 11 und/oder Außenwandungen 4, insbesondere solche mit einem geringen Rauwert mit einem Parameterfeld erzeugen, welches mindestens einen der folgenden Parameter vorsieht, vorzugsweise eine Kombination der folgenden Parameter:
• - Kurze Pulsdauern, beispielsweise kleiner 5, vorzugsweise kleiner 3, bevorzugt kleiner 1,
• - eine Anzahl an Einzelpulsen eines Pulspakets (Bursts) zwischen 2 und 7,
• - ein geringer Pitch, beispielsweise kleiner als 15 µm.
• In Weiterbildung des Verfahrens ist allerdings vorgesehen, dass für das Heraustrennen eines oder mehrerer Innenteile 20 zumindest ein geringer Pitch, also räumlicher Abstand zweier Auftreffpunkte des Laserstrahls 100 auf dem Glaselement 1 beziehungsweise mindestens zweier Kanäle 16 höchstens 6 µm, vorzugsweise höchstens 4,5 µm beträgt, und/oder der Abtrag oberhalb von 34 µm liegt. Insbesondere ist ein geringer Pitch oder eine Kombination aus hohem Pitch und hohem Abtrag vorteilhaft, um mindestens ein Innenteil 20 herauszutrennen, um die Kanäle während des Ätzprozesses soweit auszuweiten, dass sie sich verbinden. Dies kann mit einem ausreichend hohen Abtrag realisiert werden.
• Die 6 bis 8 verdeutlichen also, dass durch das Verhalten des Glasmaterials, beispielsweise des Wärmeausdehnungskoeffizienten, die gewählten Laserparameter einen entscheidenden Einfluss auf die Rauheit der Ausnehmungswandung 11 haben. Dabei wird bewusst ein Glas ausgewählt, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10^-6K^-1 aufweist um die Rauheit bestmöglich einstellen zu können. Zudem kann es vorteilhaft sein, wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient oberhalb von 0,1×10^-6 K^-1 ist, vorzugsweise oberhalb von 1×10^-6K^-1, besonders bevorzugt oberhalb von 2×10^-6 K^-1, damit das Glas eine Ausdehnungsfähigkeit aufweist, welche ausreicht, um eine Reaktion auf die Energie des Lasers hervorzurufen. Ohne Beschränkung auf die vorgestellten Ausführungsformen sind im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit besonders Gläser geeignet, die einen SiO₂-Anteil von zwischen 30 Gew%, und 80 Gew% und/oder einen TiO₂-Anteil von höchstens 10 Gew% aufweisen.
• Die 9 bis 12 zeigen Oberflächenmessungen der Ausnehmungswandung 11 mit richtungsabhängiger Rauheit nach einem Abtrag von 10 µm im Ätzbad bei einem Messbereich von etwa 800 µm Breite und etwa 750 µm Höhe. Dabei verläuft die Messbereichsbreite parallel zur Oberfläche 2 des Glaselements und die Messhöhe senkrecht zur Oberfläche des Glaselements 1 und insbesondere parallel zum Laserstrahl 100. Auf der Skala am rechten Bildrand kann die Rauheit beziehungsweise Tiefe (in µm) der Vertiefungen 12 relativ zu einer mittleren Fläche der Ausnehmungswandung 11 abgelesen werden.
• In den 9 und 10 sind Ausnehmungswandungen 11 mit einer Rauheit abgebildet, die anisotrop, und insbesondere streifenförmig parallel zum Laserstrahl beziehungsweise senkrecht/quer zur Oberfläche 2 des Glaselements 1 verläuft. Dabei ist der Faktor A der Anisotropie vorzugsweise größer 1. Besonders ausgeprägt ist diese Anisotropie bei einer kurzen Pulsdauer, von etwa 1 ps, einem geringen Burst von 2 und einem Pitch von 10 µm, wie 9 dargestellt. Die kalottenförmigen Vertiefungen 12 sind nur schwer zu erkennen, jedoch ersichtlich rasterartig ausgeprägt beziehungsweise ähnlich eines Rasters gegenüber einander angeordnet, insbesondere in Richtung des Laserstrahls übereinander angeordnet, derart, dass eine Anordnung der Vertiefungen 12 Streifen ausbilden, die senkrecht/quer zur Oberfläche 2 des Glaselements verlaufen. Dabei zeigen die Vertiefungen 12 einen runden, bisweilen kreisförmigen Querschnitt.
• Anders ist die Situation bei einer Ausnehmungswandung 11, die bei 10 ps, einem Burst von 1 und einem Pitch von 10 µm erzeugt wurde, wie in 10 abgebildet. Wie auch in 9, ist die Rauheit anisotrop ausgebildet, und verläuft insbesondere parallel zum Laserstrahl beziehungsweise senkrecht/quer zur Oberfläche 2 des Glaselements 1. Die einzelnen Vertiefungen 12 sind hier allerdings eher wurmförmig ausgebildet, wobei sie die Wurmform vorzugsweise entlang einer Richtung erstreckt, die parallel zum Laserstrahl 100 und/oder senkrecht/quer zur Oberfläche 2 des Glaselements 1 verläuft. Wurmform ist im Sinne der Erfindung derart zu verstehen, dass die Grate 13 um eine Vertiefung 12 herum eine uneinheitliche Höhe ausbilden und bereichsweise eine Höhe aufweisen, die der Tiefe der Vertiefung entsprechen kann, oder zumindest deutlich geringer ist, als die Höhe eines Großteils des die Vertiefung umgebenden Grates 13. Bei zwei oder mehr einander angrenzenden Vertiefungen mit derartig geringen Höhen zumindest eines Bereichs des Grates 13, erscheinen die Vertiefungen 12 im Messbild mit einer annähernd einheitlichen Tiefe, sodass sich die Wurmform aus einer Aneinanderreihung von einzelnen Vertiefungen 12 ergibt. Insgesamt ist ersichtlich, dass die Ausnehmungswandung 11 bei Verwendung einer Pulsdauer von 10 ps (10; Mittenrauwert von 0,50 µm) deutlich grober, und damit auch matter beziehungsweis rauer ausgebildet ist, als bei einer Verwendung einer Pulsdauer von 1 ps (9; Mittenrauwert von 0,38 µm). Der Mittenrauwert (Ra) kann daher durch Variation der Pulsdauer besonders genau eingestellt werden.
• In 11 ist eine Ausnehmungswandung 11 mit einer Rauheit abgebildet, die anisotrop, vorzugsweise streifenförmig in einer Richtung ausgebildet ist, die quer zum Laserstrahl 100 und/oder parallel zur Oberfläche 2 des Glaselements 1 verläuft. Dabei ist der Faktor A der Anisotropie vorzugsweise kleiner 1. Die Ausnehmungswandung 11 zeigt hier im Wesentlichen zwei Bereiche, die streifenförmig verlaufen, wobei die Vertiefungen 12 jedes Bereichs bevorzugt eine einheitliche Tiefe aufweisen, sodass sich die Bereiche im Wesentlichen durch die Tiefe der Vertiefungen unterscheiden. Daraus ergeben sich vergleichsweise einheitlichen Grauwerte der Messergebnisse beziehungsweise Mittenrauwerte (Ra) jedes Bereichs.
• 12 zeigt eine Ausnehmungswandung 11 mit einem Mittenrauwert von 1,05 µm, die bei einer Pulsdauer von 10 ps, einem Burst von 2 und einem Pitch von 3 µm erzeugt wurde. In diesem Beispiel sind die kalottenförmigen Vertiefungen 12 im Wesentlichen homogen über die Ausnehmungswandung 11 verteilt, sodass nur eine sehr geringe beziehungsweise gar keine Anisotropie ausgebildet ist. Auch der Querschnitt der Vertiefungen 12, die vorzugsweise rundlich bis oval ausgebildet sind, ist vergleichsweise ähnlich ausgeprägt, sodass eine gleichmäßige Struktur auf der Ausnehmungswandung 11 ausgebildet wird/ist.
• In den 13 und 14 sind schematisch ein Aufbau von Transmissionsmessungen und Messergebnisse von Reflexionsmessungen gezeigt. Vorteilhaft kann das Glaselement transparent ausgebildet sein, insbesondere eine Transmission von sichtbarem Licht oder allgemeiner von Licht, welches im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1000 nm liegt, zulassen. Die durch das zuvor vorgestellte Verfahren erzeugte Strukturierung der Ausnehmungswandung 11 und/oder Außenwandung 4 vorteilhafte lichtformende Eigenschaften haben, um beispielsweise Speckle-Effekte bei Laserdioden oder andere Interferenzeffekte zu unterdrücken. Hierzu können die Vertiefungen 12 beziehungsweise die Struktur der Wandung, insbesondere gemäß den in den 9-12 dargestellten Formen beispielsweise homogen oder anisotrop ausgestaltet sein, um das hindurchtretende Licht zu beeinflussen. Vorzugsweise ist das Glaselement 1 in der Lage Licht sowohl durch die Ausnehmungswandung 11 und/oder Außenwandung 4, als auch durch die Oberflächen 2 des Glaselements hindurchzuleiten, sodass elektromagnetische Wellen durch das Glaselement 1 hindurch gesendet oder empfangen werden können.
• Besonders vorteilhaft sind die Wandung 11, 4, insbesondere bei einer durch das zuvor genannte Verfahren eingestellten Rauheit von 0,5 µm (Ra) und das Volumen des Glaselements 1 in der Lage mehr als 90% Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1000 nm zu transmittieren. Soll die Wandung 11, 4 jedoch eine geringere Transmission aufweisen, kann der Mittenrauwert (Ra) beispielsweise auf einen Wert von 1,4 µm eingestellt werden, sodass nur beispielsweise knapp über 86 % Licht transmittiert wird, und mehr Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1000 nm reflektiert wird.
• Dies konnte u.a. durch den in 13 schematisch gezeigten Messaufbau nachgewiesen werden. Mittels einer Ulbrichtkugel 81 beziehungsweise einer integrating sphere 81 und eines Lichtstrahls 80, beispielsweise eines Lichtstrahls 80 mit einer Wellenlänge von 690 nm konnte die Transmission gemessen werden. Dabei durchquerte der Lichtstrahl 80 etwa 10 mm Volumen des Glaselements 1, eine Außenwandung 4, die speziell poliert sein kann und passierte beziehungsweise wurde durch die Ausnehmungswandung 11 hindurchgeleitet. Die Ausnehmungswandung 11 wird dabei so angeordnet, dass sie im beziehungsweise direkt vor dem Eintrittsort der Ulbrichtkugel 81 angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Lichtstrahl auf der Wandung 11, 4 gestreut und mittels der Ulbrichtkugel 81 alle Winkel erfasst werden. Um die Transmission von der Wandung 11, 4 unabhängig vom Volumen des Glaselements 1 und/oder einer weiteren Wandung ermitteln zu können, ist es auch denkbar einen Transmissionsanteil des Volumens des Glaselements 1 und/oder einer polierten Wandung vom Messergebnis der Transmission zu subtrahieren. Um den Transmissionsanteil des Volumens des Glaselements 1 und/oder der weiteren Wandung ermitteln zu können, kann beispielsweise die Transmission des Glaselements derart vermessen werden, dass das Licht durch die Oberfläche 2 des Glaselements 1 hindurchgeleitet wird, oder mittels Reflexionsmessungen wird der Grad der Reflexion von Licht einer Wandung ermittelt, welcher im Anschluss vom Gesamtmessergebnis der Transmissionsmessungen abgezogen werden kann.
• 14 zeigt die Ergebnisse einer Reflexionsmessung. Mittels eines Lichtwellenleiters beziehungsweise eines Fasertasters wurde Licht auf die Wandung 11, 4 gerichtet, und das von der Wandung 11, 4 reflektierte Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1000 nm erfasst. Vorteilhafterweise wird durch die erfassten Messergebnisse deutlich, dass der Grad der Reflexion durch die Rauheit der Wandung 11, 4 einstellbar ist, beziehungsweise ein gewünschter Reflexionsgrad anhand der Rauheit eingestellt werden kann. Es zeigt sich, dass beispielsweise die Reflexion des Lichts bei einer rauen Wandung 11, beispielsweise bei einem Mittenrauwert von 1,4 µm deutlich geringer ist, als bei einer weniger rauen, oder sogar glatten Wandung 11, 4, beispielsweise mit einem Mittenrauwert von 0,5 µm.
• Bezugszeichenliste

1

Plattenförmiges Glaselement

2

Oberflächen

4

Außenwandung

10

Ausnehmung

11

Ausnehmungswandung

12

Kalottenförmige Vertiefungen

13

Grate

14

Vertiefungssenke

15

Querschnitt

16

Kanal / Schädigungen

17

Struktur

18

Ecken

20

Innenteil

30

Zwischenbereiche

31

Kanalbereiche

50

Halterungen

70

Abtrag

80

Lichtstrahl

81

Ulbrichtkugel / Integrating Sphere

90

Raue Wandung

91

Galtte Wandung

100

Laserstrahl

101

Laser/Ultrakurzpulslaser

102

Fokussierungsoptik

200

Ätzmedium

202

Behälter

L

Längsrichtung

Q

Querrichtung

D

Dicke des Glaselements

Claims (16)

1. Plattenförmiges Glaselement (1), welches glasiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10^-6K^-1 aufweist, sowie zwei gegenüberliegende Oberflächen (2), und mindestens eine die beiden Oberflächen (2) verbindende und in die Oberflächen (2) mündende, durch das Glas des Glaselements (1) hindurch verlaufende Ausnehmung (10) mit einer Ausnehmungstiefe, die quer, vorzugsweise senkrecht zu mindestens einer der Oberflächen (2) des Glaselements (1) steht und einer Dicke des Glaselements (1) entspricht, und mit einer Ausnehmungswandung (10), die um die Ausnehmung (10) herum verläuft und an die beiden gegenüberliegenden Oberflächen (2) angrenzt, wobei die Ausnehmungswandung (10) eine Struktur aufweist, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen (12) aufweist, und durch diese Vertiefungen (12) sowie die Vertiefungen (12) umgebende Grate (13) eine Rauheit der Ausnehmungswandung (10) ausgebildet ist, wobei die Ausnehmungswandung (10) einen Mittenrauwert (Ra) aufweist, der unterhalb von 5 µm liegt, bevorzugt unterhalb von 3 µm, bevorzugt unterhalb von 1 µm, und bevorzugt mindestens 50 nm beträgt.
2. Plattenförmiges Glaselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmigen Vertiefungen (12) eine Tiefe aufweisen, die kleiner ist als 10 µm, bevorzugt kleiner als 5 µm, bevorzugt kleiner als 2 µm, wobei die Tiefe durch eine Differenz zwischen einem Zentrum einer Vertiefungssenke (14) und einem mittleren Gipfel des die Vertiefung umgebenden Grates (13) definiert ist.
3. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt (15) oder ein Durchmesser einer kalottenförmigen Vertiefung (12) kleiner ist als 20 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm, bevorzugt kleiner als 10 µm.
4. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaselement (1) eine Außenwandung (4) aufweist, die um das Glaselement (1) herum verläuft und die beiden Oberflächen (2) miteinander verbindet, wobei die Außenwandung (4) eine Struktur aufweist, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen (12) aufweist.
5. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittenrauwert (Ra) der Ausnehmungswandung und/oder der Außenwandung oberhalb von 0,2 µm, bevorzugt oberhalb von 0,4 µm, bevorzugt oberhalb von 0,5 µm liegt.
6. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission von sichtbarem Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1000 nm durch die strukturierte Außenwandung (20) und/oder Ausnehmungswandung (10) und das Glaselement (1) oberhalb von 80% ist, bevorzugt oberhalb von 85%, bevorzugt oberhalb von 90%, wobei eine Lichtrichtung dabei senkrecht zur Ausnehmungswandung (10) und parallel zu mindestens einer Oberfläche (2) des Glaselements (1) ausgerichtet ist.
7. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Ausnehmungswandung (10) und/oder Außenwandung (4) anisotrop ausgebildet ist, und die Anisotropie als Parameter A ausgedrückt ist, wobei A das Quadrat eines Quotienten ist, und der Quotient aus dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche parallel zu einer Seitenfläche des Glaselements (1) ausgerichtet sind, und dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche senkrecht zur Seitenfläche des Glaselements (1) ausgerichtet sind, gebildet ist, wobei die Anisotropie kleiner 1 ist, bevorzugt kleiner 0,8, bevorzugt kleiner 0,6.
8. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Ausnehmungswandung (10) und/oder Außenwandung (4) anisotrop ausgebildet ist, und die Anisotropie als Parameter A ausgedrückt ist, wobei A das Quadrat eines Quotienten ist, und der Quotient aus dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche parallel zu einer Seitenfläche des Glaselements (1) ausgerichtet sind, und dem Mittelwert der Mittenrauwerte (Ra) dreier 30 µm breiten Messbanden, welche senkrecht zur Seitenfläche des Glaselements (1) ausgerichtet sind, gebildet ist, wobei die Anisotropie größer 1 ist, bevorzugt größer 2, bevorzugt größer 3.
9. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Ausnehmungswandung (10) und/oder Außenwandung (4) richtungsabhängig ausgebildet ist, wobei die Rauheit zumindest abschnittsweise unterschiedlich ausgeprägt ist, und die Abschnitte: - quer zur Ausnehmungstiefe oder mindestens einer Oberfläche (2) ausgerichtet sind, - oder parallel zur Ausnehmungstiefe oder mindestens einer Oberfläche, wobei eine Differenz des Mittenrauwertes der Abschnitte kleiner ist als 4 µm, vorzugsweise kleiner als 2 µm, vorzugsweise kleiner als 1 µm.
10. Plattenförmiges Glaselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Glas des Glaselements mindestens einen der folgenden Bestandteile aufweist: - Einen SiO₂-Anteil von mindestens 30 Gew%, vorzugsweise mindestens 50 Gew%, besonders bevorzugt mindestens 80 Gew% - Einen TiO₂-Anteil von höchstens 10 Gew%
11. Verfahren zur Herstellung eines plattenförmigen Glaselements (1) mit einer strukturierten Wandung oder eines plattenförmigen Glaselements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glaselement (1) glasiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten unterhalb von 10×10^-6 K^-1 aufweist, sowie zwei gegenüberliegende Oberflächen (2), wobei bei dem Verfahren - das Glaselement (1) bereitgestellt wird, - der Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers auf eine der Oberflächen (2) des Glaselements (1) gerichtet und mit einer Fokussierungsoptik zu einem langgezogenen Fokus im Glaselement (1) konzentriert wird, wobei durch die eingestrahlte Energie des Laserstrahls eine Vielzahl filamentförmiger Kanäle (16) im Volumen des Glaselements (1) erzeugt wird, deren Tiefe quer zur Oberfläche des Glaselements (1) verläuft, wobei die Kanäle (16) in einem Abstand zueinander angeordnet werden, - das Glaselement (1), einem Ätzmedium (200) ausgesetzt wird, welches Glas des Glaselements (1) mit einer Abtragsrate abträgt, wobei die Kanäle (16) durch das Ätzmedium (200) aufgeweitet werden, so dass eine Ausnehmung (10) mit einer strukturierten Ausnehmungswandung (10) gebildet wird, wobei die Ausnehmungswandung (10) um die Ausnehmung (10) herum verläuft und an die beiden gegenüberliegenden Oberflächen (2) angrenzt, und eine Struktur aufweist, die eine Vielzahl von aneinander angrenzenden, abgerundeten, kalottenförmigen Vertiefungen (12) aufweist, durch die eine Rauheit der Ausnehmungswandung (10) ausgebildet wird, - wobei durch die Einstellung der Laserparameter, die Struktur der Ausnehmungswandung (10) oder die Rauheit gezielt eingestellt wird, um einen Mittenrauwert (Ra) der Ausnehmungswandung (10) zu erzeugen, der unterhalb von 5 µm liegt, bevorzugt unterhalb von 3 µm, bevorzugt unterhalb von 1 µm, und bevorzugt bei mindestens 50 nm liegt.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (16) in einem Abstand (18) zueinander angeordnet werden, und dieser Abstand (18) kleiner ist als 20 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm, bevorzugt kleiner als 10 µm und/oder größer als 1 µm, bevorzugt größer als 2 µm, bevorzugt größer als 3 µm.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserpuls in eine Mehrzahl von Einzelpulsen aufgeteilt wird, und die Mehrzahl kleiner als 10 ist, bevorzugt kleiner als 8, bevorzugt kleiner als 7 und/oder größer als 1, bevorzugt größer als 2, bevorzugt größer als 3.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulsdauer gewählt wird, die kleiner ist als 15 ps, bevorzugt kleiner 10 ps, bevorzugt kleiner 5 ps, bevorzugt kleiner als 1 ps.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass Ausnehmungen und/oder Außenwandungen mit unterschiedlichen Rauheiten erzeugt werden, wobei der Unterschied der Rauheiten der Ausnehmungen und/oder Außenwandungen mindestens größer als 0,5 µm ist, bevorzugt größer als 1 µm bzw. besonders bevorzugt größer als 2 µm.
16. Verwendung des Glaselementes entsprechend einem der vorangegangenen Ansprüche in zumindest einem der Bereiche Camera Imaging, insbesondere 3D Camera Imaging, Drucksensorik, Packaging Elektrooptischer Bauteile, Biotechnologie, Diagnostik, Medizintechnik.

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