DE102021100180A1 - Verfahren zur Erzeugung erhabener Strukturen an Glaselementen und verfahrensgemäß hergestelltes Glaselement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges Glaselement (1) mit einer ersten Oberfläche (2) und einer zweiten (3), der ersten (2) gegenüberliegend angeordneten Oberfläche, sowie zumindest einer Ausnehmung (10), die zumindest eine der Oberflächen (2, 3) durchbricht, wobei sich die Ausnehmung (10) in eine Längsrichtung (L) und eine Querrichtung (Q) erstreckt und die Längsrichtung (L) der Ausnehmung (10) quer zu der Oberfläche (2, 3) angeordnet ist, die durch die Ausnehmung (10) durchbrochen wird und, wobeidie Oberfläche (2, 3), die durch die Ausnehmung (10) durchbrochen wird, zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist:- die Oberfläche (2, 3) weist zumindest teilweise um die Ausnehmung (10) herum zumindest eine Erhebung (20) auf, wobei diese Erhebung (20) eine Höhe unterhalb von 5 µm aufweist,- die Oberfläche (2, 3) weist zumindest eine plateauförmige Erhebung (30) auf, dessen Höhe (H1) größer als 0,5 µm, bevorzugt größer als 1 µm, bevorzugt größer als 1,5 µm und/oder kleiner als 6 µm, bevorzugt kleiner als 5 µm, bevorzugt kleiner als 4 µm ist,- die Oberfläche (2, 3) weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der größer ist als 15 nm, bevorzugt größer als 25 nm, bevorzugt größer als 40 nm und/oder kleiner ist als 100 nm, bevorzugt kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 60 nm.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Glaselementen, sowie ein plattenförmiges Glaselement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten, der ersten gegenüberliegend angeordneten Oberfläche, sowie zumindest einer Ausnehmung, die zumindest eine der Oberflächen durchbricht. Die Oberfläche, die durch die Ausnehmung durchbrochen wird, weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der zwischen 15 nm und 100 nm liegt, oder definierte Erhebungen, die eine Höhe unterhalb von 5 µm oder oberhalb von 0,5 µm aufweisen.
• 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 Kanäle in beliebigen Formen, die in oder durch die Glassubstrate eingebracht werden, sowie die Strukturierung von Oberflächen der Substrate. Demnach müssen also nicht nur Strukturen im Bereich von wenigen Mikrometern in die Substrate eingebracht werden, sondern auch auf die Oberflächen der Substrate.
• Um die Glassubstrate in einem weiten Anwendungsbereich einsetzten zu können, sollte die Bearbeitung zudem keine Beschädigung, Rückstände, beispielsweise abgetrenntes oder abgetragenes bzw. losgelöstes Material, 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 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. 400µm und beim Sandstrahlen bei minimal 100µm 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. Auch für eine Strukturierung der Oberfläche von Glassubstraten sind diese Verfahren aufgrund ihrer vorgegebenen Erosionsrichtung, sowie der groben Bearbeitung ungeeignet.
• Daher hat sich in der letzten Zeit die Verwendung von Laserquellen zur Strukturierung verschiedenster Materialen etabliert. Durch unterschiedlichste Festkörperlaser, die mit infraroter (z.B. 1064 nm), grüner (532 nm) und UV (365 nm) Wellenlänge oder auch extrem kurzen Wellenlängen arbeiten (z.B. 193 nm, 248 nm), 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 strukturiert werden müssen.
• Dies betrifft vor allem Bauteile beziehungsweise Substrate, die speziell an der Oberfläche eine definierte Topographie benötigen, beispielsweise einen verstärkten Rand zur Fixierung an einem Befestigungselement, oder spezielle Strukturen mit definierten Höhen zum Erzeugen eines Abstands zwischen zwei Bauteilen, wie es bspw. bei elektrooptischen Wandlern bzw. Funktionalitäten der Fall ist. Derartige Bauteile ermöglichen die Einstellung eines definierten Abstands zwischen bspw. aktiven und passiven Bauteilen oder leisten Beiträge zur Einhausung und dem Schutz von elektromagentischen Transducern/ Emittern / Receivern etc..
• Der Abstand, den diese Bauteile bereitstellen können, ist allerdings durch den Fertigungsprozess limitiert, sodass es nur unter sehr hohem finanziellem Aufwand und durch sehr viele unterschiedliche Prozessschritte möglich ist, feine Strukturen in Größenordnungen von wenigen Mikrometern auf Oberflächen von Substraten herzustellen. Aus diesem Grund werden häufig spezielle Bauteile als Abstandhalter eingesetzt, die in späteren Fertigungsschritten auf das Substrat aufgebracht werden, beispielsweise solche aus Kunststoffen, Keramiken, Metallen, oder Kompositen. Ein solches Vorgehen verursacht allerdings erhöhte Kosten und führt zusätzlich dazu, dass das Bauteil aus verschiedenen Materialien zusammengesetzt ist, dem Substrat und dem Abstandhalter. Ein einheitliches Bauteil aus Glas wird jedoch aufgrund der Kostengünstigkeit und der chemischen Resistenz sowohl für Substrate, als auch für Abstandhalter bevorzugt eingesetzt.
• Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Glassubstrat mit einer definierten Oberflächenstruktur beziehungsweise Topographie sowie feinen, durch das Volumen des Substrates hindurch verlaufenden Strukturen, bereitzustellen. Weiterhin sollte ein solches Bauteil unter deutlich geringerem Aufwand, und damit kostengünstiger durch ein optimiertes Verfahren hinsichtlich der Erzeugung definierter Mikrostrukturen mit geringer Größentoleranz produziert werden können.
• 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 mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten, der ersten gegenüberliegend angeordneten Oberfläche, sowie zumindest einer Ausnehmung, die zumindest eine der Oberflächen durchbricht. Die Ausnehmung erstreckt sich in eine Längsrichtung und eine Querrichtung und die Längsrichtung der Ausnehmung ist quer zu der Oberfläche angeordnet, die durch die Ausnehmung durchbrochen wird. Die Oberfläche, die durch die Ausnehmung durchbrochen wird, weist zumindest eines der folgenden Merkmale auf:
• - Die Oberfläche weist zumindest teilweise um die Ausnehmung herum zumindest eine Erhebung auf, wobei diese Erhebung eine Höhe unterhalb von 5 µm aufweist,
• - die Oberfläche weist zumindest eine plateauförmige Erhebung auf, dessen Höhe größer als 0,05 µm, bevorzugt 0,5 µm, bevorzugt größer als 1 µm, bevorzugt größer als 10 µm und/oder kleiner als 20 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm, bevorzugt kleiner als 12 µm ist,
• - die Oberfläche weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der größer ist als 15 nm, bevorzugt größer als 25 nm, bevorzugt größer als 40 nm und/oder kleiner ist als 100 nm, bevorzugt kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 60 nm.
• Diese Merkmale haben mehrere Vorteile. Erhebungen, die vorzugsweise zumindest teilweise um die Ausnehmung herum verläuft, kann als Abstandhalter zwischen zwei Bauteilen beziehungsweise Glaselementen dienen. Dabei kann die Erhebung als Erhebung verstanden werden, welche höher als eine Nullebene des Glaselements ist, wobei die Nullebene mindestens 51 % der ersten und/oder zweiten Oberfläche umfasst, bevorzugt mindestens 70 %, besonders bevorzugt mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 95 %. Es können also bezogen auf die Nullebene auch eine oder mehrere Vertiefungen ausgebildet sein, welche tiefer bezüglich der Nullebene sind. Dabei kann die Erhebung vorzugsweise auch ringförmig sein, beziehungsweise ringförmig um die Ausnehmung herum verlaufen, beispielsweise als offener Ring. Bei einer Höhe der Erhebung von unter 5 µm ist ein solches Glaselement hervorragend in der Mikrosensorik einsetzbar und kann zugleich als Substrat und als Abstandhalter dienen. Somit ist nur noch ein Bauteil nötig und entsprechende beispielsweise elektrooptische Wandler können günstiger produziert werden.
• Alternativ kann die Nullebene berechnet werden, indem um ein einzelnes Merkmal in einem wählbaren Abstand in alle Richtungen von seiner Umfangslinie eine Bewertungslinie konstruiert wird (ähnlich einer Streckung), so dass eine neue Linie ähnlicher Form aber mit größerem Flächeninhalt und Umfang entsteht und die mittlere Profilhöhe / Dicke entlang dieser Bewertungslinie ermittelt wird. Die Referenzhöhe / Dicke ergibt sich durch Wiederholung mit immer größeren Abständen von der ursprünglichen Umfangslinie des Merkmals als Grenzwert für große Abstände.
• Die Längsrichtung ist eine Richtung, welche von einer Seite des Glaselements zur anderen weist. Die Längsrichtung kann daher auch als Dickenrichtung, oder als Durchgangsrichtung bezeichnet werden. Da die Ausdehnung einer Ausnehmung in Längs- oder Dickenrichtung durch die Dicke des Glaselements begrenzt ist, sind gerade bei dünnen Glaselementen die Abmessungen der Ausnehmung in Querrichtung meist größer als in Längsrichtung.
• Einen weiteren Vorteil bietet mindestens eine plateauförmige Erhebung, dessen Höhe vorzugsweise oberhalb von 1 µm ist. Eine solche plateauförmige Erhebung kann beispielsweise als Rand ausgebildet sein, wobei das Glaselement dabei als Membran ausgebildet sein kann. Auf diese Weise könnte die Glasmembran an dem Rand an einem Objekt fixiert werden. Mit dem Rand wird die Membran mechanisch stabiler, so dass das Risiko einer Beschädigung bei deren Fixierung reduziert wird. Es ist daher denkbar, dass die plateauförmige Erhebung eine Höhe aufweist, die sogar größer ist, als eine Dicke des Glaselements. Dabei verläuft die Höhe vorzugsweise parallel zur Dicke. Es ist aber auch denkbar, dass die Höhe der plateauförmigen Erhebung kleiner als die Dicke des Glaselements ist, oder der Dicke des Glaselements entspricht.
• Vorzugsweise weist die plateauförmige Erhebung eine Höhe auf, die größer ist als 20 µm, bevorzugt größer als 100 µm, bevorzugt größer als 150 µm und/oder kleiner als 300 µm, bevorzugt kleiner als 250 µm, bevorzugt kleiner als 200 µm. Daher ist sichergestellt, dass das Glaselement durch unterschiedlich hohe plateauförmige Erhebungen in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden kann.
• Vorteilhafterweise kann auch ein Plateau der plateauförmigen Erhebung eine Struktur aufweisen. So kann beispielsweise die Struktur des Plateaus komplementär zur Form eines Befestigungselements ausgebildet sein, sodass das Befestigungselement optimal in der Struktur des Plateaus eingepasst werden kann und damit das Glaselement besten halt in dem Befestigungselement findet. Gemäß einer Weiterbildung können Flanken der plateauförmigen Erhebung/en kalottenförmige Vertiefungen aufweisen. Durch die kalottenförmigen Vertiefungen können die Flanken der plateauförmigen Erhebung/en wirksam gegen Risswachstum geschützt werden beziehungsweise das Risswachstum minimiert werden, da durch eine unebene Flankenoberfläche das Risswachstum erheblich gestört wird.
• Es ist aber auch denkbar, dass das Plateau der plateauförmigen Erhebung eine höhere, oder geringere Rauheit beziehungsweise einen höheren oder geringeren Mittenrauwert (Ra) als die Oberfläche des Glaselements aufweist. Auf diese Weise kann das Plateau besser in einem Befestigungselement fixiert werden und gleichzeitig die Oberfläche des Glaselements eine andere Funktion erfüllen, bspw. durch eine besonders geringe Rauheit und damit geringeren Widerstand gegenüber Fluiden für verbesserte Fließeigenschaften für ein Fluid bereitstellen.
• Dabei ist ein Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche zwischen 15 nm und 100 nm besonders vorteilhaft, da das Glaselement auf diese Weise auch eine Matte Oberfläche aufweisen kann, die für bestimmte Anwendungen vorausgesetzt wird, oder aber besonders glatt ist, wodurch beispielsweise ein Widerstand gegenüber Reibung durch andere Bauteile oder Stoffe, wie Fluide auf ein Minimum reduziert ist.
• Es kann auch vorgesehen sein, dass eine, oder mehrere plateauförmige Erhebungen eine symmetrische oder auch eine asymmetrische Topographie auf der Oberfläche des Glaselements ausbilden. Dadurch ist es möglich, dass eine spezielle Struktur auf der Oberfläche des Glaselements, und durch die plateauförmigen Erhebungen ausgebildet ist, eine spezielle Anwendung zulässt, bspw. einen speziell geformten Kanal für Anwendungen in der Mikrofluidik, oder eine spezielle Struktur, in die ein anderes Bauteil eingepasst werden kann, sodass dieses nicht gegenüber dem Glaselement verrutschen kann. Hierdurch kann beispielsweise eine Reibungsbeanspruchung durch Scherkräfte vermindert werden.
• Es ist auch vorteilhaft, wenn mehrere Erhebungen und/oder plateauförmige Erhebungen eine vergleichbare Höhe aufweisen, oder vorzugsweise sich eine Höhe von mehreren plateauförmigen Erhebungen und/oder mehreren Erhebungen weniger als 20 µm, bevorzugt weniger als 15 µm, bevorzugt weniger als 10 µm voneinander unterscheidet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein Abstand des Glaselements zu einem anderen Bauteil einheitlich ist.
• Vorzugsweise weist die Erhebung zumindest eines der folgenden Merkmale auf:
• - die Erhebung umschließt die Ausnehmung vollständig,
• - die Erhebung ist als Verlängerung der Wandung der Ausnehmung ausgebildet,
• - eine Innenfläche der Erhebung steht in einem spitzen Winkel zu einer Außenfläche der Erhebung, wobei die Innenfläche der Ausnehmung zugewandt ist und die Außenfläche der Ausnehmung abgewandt ist,
• - die Außenfläche steht in einem stumpfen Winkel zur ersten Oberfläche, die durch die Ausnehmung/en durchbrochen ist,
• - die Erhebung ist als Grat um die Ausnehmung ausgebildet,
• - die Erhebung weist laterale Abmessungen auf, die größer sind als 5 µm, bevorzugt als größer 8 µm, bevorzugt größer als 10 µm und/oder kleiner als 5 mm, bevorzugt kleiner als 3 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm.
• Idealerweise umschließt die Erhebung die Ausnehmung vollständig und/oder ist als Grat um die Ausnehmung herum ausgebildet. Grate lassen sich im Zuge der Fertigung von Ausnehmungen auf einfach Weise erzeugen, bestenfalls entsteht ein Grat direkt während die Ausnehmung erzeugt wird, sodass kein zusätzlicher Aufwand zur Erzeugung der Erhebung aufgewendet werden muss, und die Produktionskosten so reduziert werden können. Von Vorteil ist, wenn die Erhebung als Verlängerung der Wandung der Ausnehmung ausgebildet ist, und somit durch die Ausnehmung und die Erhebung eine einheitliche Wandung ausgebildet ist. Dabei kann eine Innenfläche der Erhebung in einem spitzen Winkel zu einer Außenfläche der Erhebung stehen, wobei die Innenfläche der Ausnehmung zugewandt ist und die Außenfläche der Ausnehmung abgewandt ist. Auf diese Weise wird das Glaselement mechanisch besonders an solchen Stellen stabilisiert, wo Ausnehmungen ausgebildet sind, also insbesondere dort, wo das Glaselement potentiell mechanisch schwächer ist. Somit dienen die Ehebungen vorzugsweise nicht nur als Abstandshalter, sondern zusätzlich auch zur Stabilisation des Glaselements gegenüber mechanischen Spannungen.
• Diese mechanische Stabilität kann weiterhin dadurch erhöht werden, dass die Außenfläche in einem stumpfen Winkel zur ersten Oberfläche steht, die durch die Ausnehmung/en durchbrochen ist. Auf diese Weise wird die Stabilität der Erhebungen gegenüber Scherspannungen erhöht, die beispielsweise durch eine laterale Bewegung zweier Bauteile gegeneinander entsteht. Weiterhin können durch stumpfe Winkel auch abgerundete Strukturen, beispielsweise Durchflusskanäle auf der Oberfläche ausgebildet sein, wodurch die Fließfähigkeit von Fluiden durch diese Kanäle verbessert wird.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Glaselement eine Dicke auf, die größer ist, als 10 µm, bevorzugt größer als 15 µm, bevorzugt größer als 20 µm und/oder kleiner als 4 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm aufweist. Eine solche Dicke ermöglicht es, dass mehrere Glaselemente übereinandergestapelt werden können, ohne dabei viel Platz zu benötigen. 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 beispeielsweise in IC-Gehäusen, Biochips, Sensoren wie bspw. Drucksensoren, Camera Imaging Modulen und Diagnosetechnologiegeräten.
• In einer weiteren Ausführungsform weist das Glaselement eine Querabmessung größer als 5 mm, bevorzugt größer als 50 mm, bevorzugt größer als 100 mm und/oder kleiner als 1000 mm, bevorzugt kleiner als 650 mm, bevorzugt kleiner als 500 mm auf. Mit derartigen Abmessungen lässt sich das Glaselement optimal als Komponente für die Mikrotechnologie verwenden. In einer Ausführungsform mit plateauförmigen Erhebungen, ist es möglich, dass auch die plateauförmigen Erhebungen Querabmessungen aufweisen, die denen des Glaselements entsprechen. Auf diese Weise können die plateauförmigen Erhebungen auch als das Glaselement umgebenden verstärkten Rand zur Fixierung an einem Befestigungselement ausgebildet sein, und vorzugsweise gleichzeitig als Stabilisierung gegenüber mechanischer Beanspruchung des Randes des Glaselements wirken.
• Vorteilhaft ist auch, wenn die Ausnehmung als Kanal ausgebildet ist, der sich durch das Glaselement hindurch von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche erstreckt und beide Oberflächen durchbricht. Eine als durch das Glaselement hindurch verlaufende Ausnehmung bringt den Vorteil, dass dadurch auch ganze Strukturen, bzw. mehrere Ausnehmungen durch das Glaselement verlaufen können. Vorzugsweise sind mehrere Ausnehmungen beziehungsweise Kanäle direkt nebeneinander gereiht angeordnet, dass eine größere Ausnehmung gebildet ist, dessen Größe zumindest durch die Summe der Größen der einzelnen, nebeneinander angeordneten Ausnehmungen festgelegt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Wandung kalottenförmige Vertiefungen auf.
• Die Größe der größeren Ausnehmung kann allerdings auch größer sein, als die Summe der nebeneinander angeordneten Ausnehmungen. Dabei kann sich eine Breite beziehungsweise Quererstreckung der Ausnehmungen parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche erstecken, sowie die Längsrichtung beziehungsweise eine Tiefe der Ausnehmungen senkrecht zur ersten und/oder zweiten Oberfläche des Glaselements ausgebildet sein. Auf diese Weise kann das Glaselement beliebig viele und insbesondere beliebig große Ausnehmungen aufweisen, dessen Quererstreckung vorzugsweise senkrecht zur Tiefe der Ausnehmungen verläuft. Durch das Einfügen der Kanäle beziehungsweise durchgängigen Ausnehmungen kann, wenn diese nebeneinander hergestellt sind, das Glaselement auch eine Perforierung aufweisen, sodass insbesondere auch Teile vom Glaselement herauslösbar beziehungsweise abtrennbar sind.
• Es ist auch denkbar, dass durch eine Vielzahl von Durchbrechungen, die sich durch das Glaselement hindurch von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche erstrecken, und die unmittelbar aneinander angrenzen eine Kante ausgebildet ist. Dabei formt die Kante eine das Glaselement zumindest teilweise umgebende Außenkante des Glaselements, oder eine die Ausnehmung zumindest teilweise umgebende Innenkante des Glaselements. Die Kante weist weiterhin eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefungen auf. Vorzugsweise ist eine Tiefe der Vertiefungen quer zur Tiefe der Ausnehmung und/oder der Dicke des Glaselements ausgerichtet. Es ist auch denkbar, dass eine Höhe der Kante der Dicke des Glaselements entspricht. Die kalottenförmigen Vertiefungen bilden idealerweise eine besondere Strukturierung der Kante, die mehrere Vorteile mit sich bringt. So stellen die abgerundeten Strukturen beziehungsweise Kalotten eine besonders günstige Form dar, um an der Kantenoberfläche auftretende Zugspannungen bis zu den tiefsten Punkten der Kantenoberfläche, nämlich den tiefsten Punkten der Kalotten, abzubauen. Damit wird das Risswachstum an möglichen Defekten der Kantenoberfläche wirksam unterdrückt.
• Vorzugsweise weist die Kante einen Flächenanteil mit konvex geformten Bereichen auf, der kleiner ist als 5%, vorzugsweise kleiner als 2%. Idealerweise ist damit ein Flächenanteil konkav geformter Bereiche, also Bereiche mit kalottenförmigen Vertiefungen, größer als 95%, vorzugsweise größer als 98% der Kantenoberfläche. Dabei bedeutet konkav, dass eine Wölbung in Richtung des Glaselements verläuft, und konvex, dass eine Wölbung vom Glaselement weg, also in Richtung der Ausnehmung verläuft. Eine Tiefe der kalottenförmigen Vertiefungen ist typischerweise kleiner als 5 µm, idealerweise bei Querabmessungen von vorzugsweise zwischen 5 - 20 µm.
• Es ist auch denkbar, dass die Kante der Wandung der Ausnehmung entspricht. Daher kann auch die Innenfläche der Erhebung, insbesondere als Verlängerung der Wandung der Ausnehmung die kalottenförmigen Vertiefungen aufweisen. Bevorzugt weist auch die Außenfläche der Erhebung kalottenförmige Vertiefungen auf. Auf diese Weise ist ebenso auch die Erhebung gegen Risswachstum geschützt.
• Vorteilhaft ist auch, wenn die Ausnehmungen eine Querabmessung von 10 µm, bevorzugt 20 µm, bevorzugt 50 µm, bevorzugt 100 µm, aufweisen. Die Querabmessungen der Ausnehmung können allerdings auch größer mindestens 150 µm, bevorzugt größer als 500 µm, oder sogar bis zu 50 mm sein, sodass beispielsweise auch andere Komponenten, wie elektronische Leiter oder piezoelektrische Bauteile in den Ausnehmungen verbaubar sind. Derartige Abmessungen sind besonders im vorgesehenen Anwendungsfeld der Mikrosensorik von Vorteil, insbesondere dann, wenn die Erhebungen ringförmig um die Ausnehmung/en herum ausgebildet sind und vorzugsweise Querabmessungen größer als 10 µm, bevorzugt größer als 20 µm, bevorzugt größer als 50 µm, bevorzugt 100 µm, aufweisen. Die Querabmessungen der Erhebungen können allerdings auch größer mindestens 150 µm, bevorzugt größer als 200 µm, oder sogar bis zu 300 µm sein. Dies gilt insbesondere für einen Abstand von Innenflächen einer Erhebung zueinander, oder einem Durchmesser einer Innenfläche einer Erhebung. Auf diese Weise kann ein Abstand eines Glaselements zu einer darüber angeordneten Komponente, insbesondere im Bereich der Ausnehmung/en sichergestellt werden.
• Es kann vorgesehen sein, dass die Erhebung/en eine Höhe aufweisen, die parallel zur Längsrichtung der Ausnehmung/en, und insbesondere quer zu der ersten und/oder zweiten Oberfläche verläuft. Auf diese Weise ragen die Erhebungen gegenüber der ersten und/oder zweiten Oberfläche des Glaselements hervor und bilden insbesondere eine Aufwölbung, oder einen Grat gegenüber der ersten und/oder zweiten Oberfläche des Glaselements. Dadurch können die Erhebungen als Abstandhalter fungieren, die einen Abstand einer auf dem Glaselement angeordneten Komponente gegenüber der der ersten und/oder zweiten Oberfläche bewahren beziehungsweise herstellen können.
• Weiterhin kann eine Breite der Erhebungen und/oder der plateauförmigen Erhebungen größer sein als die Tiefe der kalottenförmigen Vertiefungen. Bevorzugt erstreckt sich die Breite der Erhebungen und/oder plateauförmigen Erhebungen parallel zur ersten und/oder zweiten Oberfläche. So ist es auch möglich, dass sowohl die Erhebungen, als auch die plateauförmigen Erhebungen an ihren jeweiligen Flanken beziehungsweise Wandungen, Innen-, oder Außenflächen kalottenförmige Vertiefungen und/oder eine konkave Form aufweisen.
• Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Modifizierung einer Oberfläche eines plattenförmigen Glaselements gelöst, wonach das Glaselement eine erste Oberfläche und eine zweite, der ersten gegenüberliegend angeordneten Oberfläche aufweist, sowie zumindest eine Ausnehmung, die zumindest eine der Oberflächen durchbricht. Dabei erstreckt sich die Ausnehmung in eine Längsrichtung und eine Querrichtung, und die Längsrichtung der Ausnehmung ist quer zu der Oberfläche angeordnet, die durch die Ausnehmung durchbrochen wird. Vorzugsweise weist eine Wandung der Ausnehmung eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefungen auf, wobei bei dem Verfahren:
• - das Glaselement bereitgestellt wird,
• - mindestens ein filamentförmiger Kanal durch einen Laserstrahl eines Ultrakurzpulslasers in dem Glaselement erzeugt wird, und eine Längsrichtung des Kanals quer zur Oberfläche des Glaselements verläuft,
• - die Oberfläche des Glaselements, die durch den Kanal durchbrochen wird einem Ätzmedium ausgesetzt wird, welches Glas des Glaselements mit einer einstellbaren Abtragsrate abträgt, wobei der Kanal durch das Ätzmedium aufgeweitet wird, so dass eine Ausnehmung gebildet wird,
• - wobei mit dem Ätzen mindestens eines der folgenden Merkmale der Oberfläche, die durch die Ausnehmung durchbrochen wird, erzeugt wird:
  • ◯ die Oberfläche weist zumindest teilweise um die Ausnehmung herum zumindest eine Erhebung auf, wobei diese Erhebung eine Höhe unterhalb von 5 µm aufweist,
  • ◯ die Oberfläche weist plateauförmige Erhebungen auf, deren Höhe größer als 0,05 µm, bevorzugt größer als 0,5 µm, bevorzugt größer als 1 µm, bevorzugt größer als 10 µm und/oder kleiner als 100% des Ätzabtrages, bevorzugt kleiner als 95%, bevorzugt kleiner als 90% des Ätzabtrages ist,
  • ◯ die Oberfläche weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der größer ist als 15 nm, bevorzugt größer als 25 nm, bevorzugt größer als 40 nm und/oder kleiner ist als 100 nm, bevorzugt kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 60 nm.
• 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. 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 im Glaselement erzeugt, um idealerweise eine Perforation des Glaselements durch die Schädigungen ausbilden zu können. Hierzu werden vorzugsweise mehrere Schädigungen derart nebeneinander erzeugt, dass eine Reihe von Ausnehmungen eine größere Struktur darstellt. Die Schädigungen sind insbesondere als filamentförmiger Kanal ausgebildet und verlaufen in Ihrer Längsrichtung quer zu einer ersten und/oder zweiten Oberfläche des Glaselements. Dabei erstreckt sich der Kanal zumindest von einer Oberfläche, und insbesondere senkrecht von dieser Oberfläche in das Glaselement hinein und durchbricht zumindest diese Oberfläche. Vorzugsweise erstreckt sich der Kanal allerdings von der ersten zur zweiten Oberfläche und durchbricht beide Oberflächen.
• Die Ausnehmung/en wird/werden mit Hilfe 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 und mit einer Fokussierungsoptik zu einem langgezogenen Fokus im Glaselement konzentriert, wobei
• - durch die eingestrahlte Energie des Laserstrahls wird mindestens eine filamentförmige Schädigung im Volumen des Glaselements erzeugt, und
• - der Ultrakurzpulslaser strahlt einen Puls oder ein Pulspaket mit mindestens zwei, oder mehr aufeinander folgenden Laserpulsen auf das Glaselement ein, und dabei wird vorzugsweise nach dem Einfügen der filamentförmigen Schädigung, 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, der größer ist als 2 µm, bevorzugt größer als 3 µm, bevorzugt größer als 5 µm und/oder kleiner als 100 µm, bevorzugt kleiner als 50 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm. Gleichfalls kann ein Durchmesser der Kanäle zwischen 10 µm und 100 µm variieren.
• In einem weiteren Schritt wird die Oberfläche, die durch mindestens einen Kanal durchbrochen wird, einem Ätzmedium ausgesetzt. Vorzugsweise wird das gesamte Glaselement, insbesondere die erste und zweite Oberfläche, diesem Ätzmedium ausgesetzt. 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. Dabei ist der Behälter vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, welches gegenüber dem Ätzmedium im Wesentlichen resistent ist.
• Das Ätzmedium kann gasförmig sein, ist jedoch vorzugsweise eine Ätzlösung. Daher wird das Ätzen gemäß dieser Ausführungsform nasschemisch durchgeführt. Dies ist günstig, um während des Ätzens Glasbestandteile von einer Kanalinnenfläche beziehungsweise einer Oberfläche der Schädigungen und/oder der Oberfläche des Glaselements, beispielsweise der ersten und/oder zweiten Oberfläche, zu entfernen. Glasbestandteile können natürlich auch an einer Kante des Glaselements durch das Ätzmedium herausgelöst werden.
• Hierzu können sowohl saure, als auch alkalische Lösungen verwendet werden. 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. Idealerweise wird das zu verwendende Ätzmedium nach dem zu ätzenden Glas des Glaselements ausgewählt.
• In einer Ausführungsform kann die Abtragsrate daher durch die Wahl einer Kombination von Glaszusammensetzung und Zusammensetzung des Ätzmediums (200) eingestellt werden. Bei einem Glas mit hohem Calcium-Gehalt wird beispielsweise bevorzugt ein saures Ätzmedium gewählt, während bei einem Glas mit geringerem Calcium-Gehalt vorzugsweise ein basisches Ätzmedium zum Einsatz kommt, da ein zu hoher Calcium-Gehalt, der aus dem Glas durch das Ätzen herausgelöst wird, ein basisches, insbesondere alkalisches Ätzmedium schnell übersättigen kann und damit die Ätzfähigkeit des Ätzmedium zu schnell gesenkt werden würde. Andererseits ist die Abtragsrate, also die Ätzrate bei einem sauren Ätzmedium und einem Glas mit hohem Silikatanteil, sehr viel höher, als bei einem basischen Ätzmedium, allerdings ist das saure Ätzmedium auch sehr viel schneller, durch die bereits gelösten Stoffe, neutralisiert und damit das Ätzmedium verbraucht, bzw. mit Glas gesättigt.
• Demnach kann je nach Glaszusammensetzung ein saures Ätzmedium zum Einstellen einer schnellen Abtragsrate, oder ein basisches, insbesondere alkalisches Ätzmedium zum Einstellen einer langsamen Abtragsrate, gewählt werden. Allgemein eignen sich für die erfindungsgemäße Modifizierung einer Glasoberfläche silikatische Gläser mit niedrigem Alkaligehalt besonders. Zu hohe Alkaligehalte erschweren, wie zuvor erwähnt, das Ätzen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Glas des Glaselements ein Silikatglas mit einem Gehalt von Alkalioxiden kleiner als 17 Gewichtsprozent, und idealerweise ein Borosilikatglas, ist.
• Um den Abtrag besser steuern zu können ist allerdings eine langsamere Abtragsrate beziehungsweise ein basisches Ätzmedium bevorzugt. Dadurch kann eine Abtragsrate von kleiner 5 µm/h, bevorzugt kleiner 4 µm/h, bevorzugt kleiner 3 µm/h und/oder größer als 0,3 µm/h, bevorzugt größer als 0,5 µm/h, bevorzugt größer als 1 µm/h, bevorzugt größer als 1,5 µm/h, und insbesondere zwischen 2 µm/h und 2,5 µm/h erreicht werden. Eine solche Abtragsrate lässt vorteilhafterweise genügend Zeit, um auch während des Ätzvorgangs noch Einfluss auf das Ätzmedium, beziehungsweise den Ätzvorgang, zu nehmen.
• In einer Ausführungsform kann die Abtragsrate zudem durch Additive eingestellt werden. Dabei können beispielsweise Stoffe der folgenden Gruppe einzeln oder in Kombination verwendet werden: Tenside, Komplexe beziehungsweise Koordinationsverbindungen, Radikale, Metalle und/oder Alkohole. Additive ermöglichen eine noch genauere Steuerung der Ätzfähigkeit des Ätzmediums und insbesondere eine gezielte Steuerung der Ätzfähigkeit für bestimmte Gläser beziehungsweise bestimmte Glaszusammensetzungen.
• 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. Allgemein wird durch das Einbringen von Schädigungen und Kanälen, sowie der Einstellbarkeit der Abtragsrate bzw. des Ätzmediums in Abhängigkeit von der Temperatur, der Zusammensetzung des Ätzmediums, der Dauer des Ätzens, sowie der Zusammensetzung des Glases des Glaselements, mindestens eines der oben genannten Merkmale des Glaselements erzeugt. Beispielsweise kann durch Einstellen einer höheren Abtragsrate, insbesondere oberhalb von 2 µm pro Stunde ein Mittenrauwert (Ra) zwischen 15 nm und 100 nm erzielt werden. Bei einer Abtragsrate von etwa 2 µm pro Stunde können Erhebungen und/oder plateauförmige Erhebungen erzeugt werden, deren Höhe größer als 0,5 µm sind.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, definierte Bereiche des Glaselements gegenüber dem Ätzmedium abzuschirmen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung spezieller Halterungen realisiert werden, mit welchen das Glaselement im Volumen des Ätzmediums gehalten wird. Weiterhin sind spezielle Formelemente denkbar, die auf dem Glaselement angeordnet werden, bevor dieses dem Ätzmedium ausgesetzt wird. Auch ist es möglich eine Schutzschicht, beispielsweise eine Polymerschicht auf das Glaselement aufzubringen, bevor dieses dem Ätzmedium ausgesetzt wird. Dabei ist es möglich, dass die Schutzschicht vollflächig auf die erste und/oder zweite Oberfläche aufgetragen wird. Anschließend kann die Schutzschicht zumindest teilweise wieder abgetragen werden, beispielsweise durch den Laser, falls die Schutzschicht bereits vor dem Strukturierungsvorgang mittels des Lasers aufgetragen wurde, sodass die Schutzschicht insbesondere im Bereich der Ausnehmung entfernt wird. So können definierte Bereiche des Glaselements durch Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten abgedeckt werden und auf diese Weise das Glaselement vor dem Ätzmedium abschirmen. Bevorzugt weisen diese Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten daher ein Material auf, welches gegenüber dem Ätzmedium resistent ist auf. Auf diese Weise werden die Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten nicht durch das Ätzmedium angegriffen.
• Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten eine Form beziehungsweise Struktur aufweisen, die die zu erzeugenden Erhebungen und/oder plateauförmigen Erhebungen nach dem Ätzvorgang aufweisen sollen. Dadurch können die Erhebungen und/oder plateauförmigen Erhebungen nach dem Ätzvorgang eine Form beziehungsweise Struktur aufweisen, die der Form und/oder Struktur der Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten entspricht und/oder komplementär dazu ausgebildet ist. So kann beispielsweise eine plateauförmige Erhebung erzeugt werden, die zumindest teilweise um das Glaselement herum verläuft und damit einen verstärkten Rand ausbildet.
• Bestenfalls weisen die Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten Abschirmungsausnehmungen auf, die ihrerseits als spezielle Strukturen ausgebildet sein können. Auf diese Weise ist es sogar denkbar, eine Struktur auf einer plateauförmigen Erhebung zu erzeugen. Ebenso ist aber auch möglich, die gesamte erste und/oder zweite Oberfläche des Glaselements mittels Halterungen, Formelemente und/oder Schutzschichten abzuschirmen, und nur solche Bereiche frei zu lassen, in denen Ausnehmungen erzeugt werden, beziehungsweise in denen durch den Laser Schädigungen oder Kanäle erzeugt wurden. Auf diese Weise ist es denkbar, die erste und/oder zweite Oberfläche im Wesentlichen erhebungsfrei auszubilden, so dass insbesondere ein Mittenrauwert (Ra) kleiner 40 nm, bevorzugt kleiner 25 nm, erzeugt wird, und damit eine besonders glatte Oberfläche. Weiterhin ist es denkbar, dass eine der Oberflächen vollständig vom Ätzmedium abgeschirmt wird, und die andere Oberfläche vollständig, oder zumindest teilweise, dem Ätzmedium ausgesetzt wird. So kann beispielsweise auf einer Oberfläche eine erhabene Struktur erzeugt werden, wobei insbesondere die Erhebungen und/oder plateauförmigen Erhebungen die erhabene Struktur formen. In anderen Worten, weist das Glaselement in diesem nur auf einer Oberfläche Erhebungen und/oder plateauförmige Erhebungen auf, während die andere Oberfläche erhebungsfrei bleibt. Eine andere Möglichkeit ist natürlich auch, dass die erste und zweite Oberfläche abgeschirmt werden, und nur die Schädigungen und/oder Kanäle dem Ätzmedium auszusetzten. Auf diese Weise können beide Oberflächen glatt ausgebildet werden.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird durch das Ätzmedium beziehungsweise den Ätzvorgang derart viel Material vom Glaselement abgetragen, dass sich nebeneinander angeordnete Kanäle beziehungsweise Schädigungen vereinen, und auf diese Weise die Ausnehmungen erzeugt werden. Dabei werden vorzugsweise Wandungen zwischen den Kanälen, beziehungsweise Schädigungen durch das Ätzmedium abgetragen, sodass eine durchgehende Kante geformt wird. Weiterhin weist diese Kante idealerweise kalottenförmige Vertiefungen auf. Die Kante kann beispielsweise als eine das Glaselement zumindest teilweise umgebende Außenkante des Glaselements, oder als eine die Ausnehmung zumindest teilweise umgebende Innenkante des Glaselements geformt werden. Auf diese Weise können große Teile des Glaselements, die vor dem Ätzvorgang von nebeneinander angeordneten Kanälen in Form einer Struktur umgeben waren, herausgelöst werden.
• Zudem könnten weiterhin Rippen auf der Kante erzeugt werden, die eine mechanische Stützfunktion besitzen oder als Risshemmer fungieren können. Die Rippen sind dabei vorzugsweise jeweils zwischen zwei Kanalzentren angeordnet. Es ist weiterhin denkbar, dass durch gezielte Einstellung der Abtragsrate die Tiefe und Größe beziehungsweise Abmessungen der Kalotten verändert werden können. So können beispielsweise bei einer höheren Abtragsrate flachere und breitere Kalotten ausgebildet werden, sodass die Oberfläche oder die Kante des Glaselements glatter ausgebildet werden kann. Insgesamt hat das erfindungsgemäße Verfahren also den Vorteil, dass sich nicht nur Ausnehmungen mit beliebigen Formen und Abmessungen erzeugen lassen, sondern im selben Verfahrensschritt auch die Oberfläche/n des Glaselements behandelt beziehungsweise bearbeitet werden können. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig Ausnehmungen zu erzeugen und eine matte Oberfläche mit einem hohen Mittenrauwert, oder eine glatte Oberfläche mit einem geringen Mittenrauwert herzustellen. Mittels des Verfahrens werden demnach nicht nur Verfahrensschritte, sondern auch erhebliche Zusatzkosten durch ggf. anfallende Nachbearbeitung des Glases vermieden.
• Es ist auch vorgesehen, dass das Ätzmedium derart in Bewegung versetzt wird, dass die Abtragsrate durch die Bewegung des Ätzmediums beschleunigt, oder reduziert wird. Die Bewegung des Ätzmediums stellt eine weitere Möglichkeit dar, die Abtragsrate zu beeinflussen, und insbesondere zu steuern. Durch eine Bewegung kann beispielsweise verbrauchtes beziehungsweise gesättigtes Ätzmedium, oder Ätzrückstände von den zu ätzenden Regionen des Glaselements gezielt abtransportiert werden, und vorzugsweise durch unverbrauchtes, frisches Ätzmedium ersetzt werden. Auf diese Weise kann die Abtragsrate beziehungsweise Ätzgeschwindigkeit erheblich beschleunigt werden. Andererseits ist es auch denkbar, das eine Bewegung des Ätzmedium gezielt verhindert wird, beispielsweise durch Trennwandungen im Behälter. So kann verbrauchtes Ätzmedium nicht mehr abtransportiert werden, sodass sich die Abtragsrate merklich reduziert. Bevorzugt wird allerdings, dass das Ätzmedium in Bewegung versetzt und damit die Abtragsrate erhöht wird. Vorzugsweise lässt sich eine Bewegung mechanisch induzieren. Es ist allerdings auch denkbar, das Ätzmedium auf einem anderen physikalischen Weg in Bewegung zu versetzten. Vorzugsweise wird im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens eine der folgenden Möglichkeiten gewählt:
• - Die Bewegung wird durch Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen erzeugt. Dabei kann eine Schallwellenquelle unterhalb und/oder seitlich an dem Behälter angeordnet sein, in dem sich das Ätzmedium sowie das Glaselement befinden. Eine Schallwellenquelle hat den Vorteil, dass nur eine Schallwellenquelle ausreicht, um das gesamte Volumen des Ätzmedium, insbesondere der Ätzlösung, in Bewegung zu versetzen. Die erzeugten Wellen breiten sich ohne weiteres Zutun über das gesamte Lösungsvolumen aus, und werden vorzugsweise nur gering abgeschwächt, sodass das Ätzmedium einheitlich bewegt werden kann.
• - Die Bewegung wird durch Magnetrührer beziehungsweise Magnetfelder erzeugt, die vorzugsweise unterhalb des Behälters angeordnet sind. Durch die Magnetfelder werden beispielsweise Magnetrührstäbe in eine, idealerweise Rotationsbewegung versetzt. Dabei befinden sich die Magnetrührer beziehungsweise Magnetrührstäbe innerhalb des Ätzmediums und können das Ätzmedium daher durch ihre Rotationsbewegung direkt in Bewegung versetzen.
• Der Vorteil einer magnetisch induzierten Bewegung beziehungsweise von Magnetrührstäben ist, dass die Geschwindigkeit der Rotationsbewegung und damit die Bewegung des Ätzmediums sehr gut steuerbar ist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine schnelle oder langsame Rührbewegung in das Ätzmedium gebracht werden. Weiterhin können mehrere Magnetrührer separat gesteuert werden. In dem Fall, in dem sich mehrere Glaselemente zur selben Zeit in dem Behälter und dem Ätzmedium befinden, können durch die separate Steuerung der Magnetrührer unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten und damit örtlich unterschiedliche Bewegungen und Abtragsraten eingestellt werden. Auf diese Weise können beispielsweise mehrere Glaselemente zeitgleich in unterschiedlicher Geschwindigkeit geätzt beziehungsweise prozessiert werden. Es ist natürlich auch denkbar, dass die Rührstäbe als Rühreinheiten ausgebildet sind, und nicht magnetisch, sondern insbesondere mechanisch bewegt werden. Diese Rühreinheiten können zudem zum Zwecke des Rührens einfach aus Richtung einer Behälteröffnung in das Ätzmedium eingetaucht werden.
• - Die Bewegung wird durch Halterungen der Glaselemente erzeugt, beziehungsweise die Halterungen, die die Glaselemente in dem Ätzmedium halten, werden mechanisch in Bewegung versetzt. Auf diese Weise bewegt sich das Glaselement in dem Ätzmedium hin und her, sodass ein ähnlicher Effekt, wie zuvor beschrieben, erzeugt wird.
• - Die Bewegung wird über einen Rütteltisch erzeugt beziehungsweise der Behälter wird mit samt dem Ätzmedium und dem Glaselement in Bewegung versetzt, beispielsweise, indem der Behälter auf einem Rütteltisch angeordnet wird. Hierdurch wird eine einheitliche Bewegung des Ätzmedium im gesamten Behälter herbeigeführt.
• - Die Bewegung wird durch Konvektion des Ätzmediums erzeugt. Dabei kann unter dem Behälter oder seitlich an dem Behälter eine Wärmequelle angeordnet sein. Durch die einseitige Erwärmung steigt erwärmtes Ätzmedium auf und an anderer Stelle fällt kälteres Ätzmedium ab, sodass eine kontinuierliche Konvektion erzeugt wird. Hierdurch lassen sich besonders langsame Bewegungen realisieren, die zu verringerter Abtragsrate führen.
• - Die Bewegung wird durch Fluide induziert, welche beispielsweise durch Düsen in das Ätzmedium eingebracht werden. Derartige Düsen können am Behälter angeordnet sein. Vorzugsweise wird dadurch ein Sprudeln erzeugt, welches das Ätzmedium in Bewegung versetzt.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Ätzmedium in mindestens einem definierten Bereich an der Oberfläche des Glaselements modifiziert und die Abtragsrate wird in diesem Bereich gegenüber umgebenden Bereichen verändert. Dies bedeutet, dass die Abtragsrate lokal veränderbar ist. Vorteilhafterweise können so Erhebungen an einzelnen oder mehreren Ausnehmungen gezielt erzeugt werden. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten, wie das Ätzmedium lokal verändert werden kann. Bevorzugt im Sinne der Erfindung wird allerdings eine der im Folgenden genannten Lösungen:
• - Im Bereich von Ausnehmungen, Kanten, Kanälen und/oder Schädigungen sind mehr offene Bindungen im Material des Glases vorhanden. Zudem steht dort insgesamt eine höhere Oberfläche für eine Reaktion mit dem Ätzmedium zur Verfügung. Dies resultiert vorzugsweise in einer kurzfristig beschleunigten Abtragsrate, beziehungsweise darin, dass in einer kürzeren Zeitspanne mehr Material abgetragen wird, als auf einer planen Oberfläche des Glaselements. Dies führt vorzugsweise dazu, dass das Ätzmedium im Bereich von Ausnehmungen, Kanten, Kanälen und/oder Schädigungen vergleichsweise schnell verbraucht wird, beziehungsweise dessen Ätzfähigkeit stark nachlässt, und insbesondere in diesen Bereichen Ätzrückstände vorhanden sind.
• Daher können in diesen Bereichen mit steigender Ätzdauer Erhebungen erzeugt werden, da das Material dort vorzugsweise nicht mehr, beziehungsweise weniger schnell abgetragen wird im Verhältnis zu umgebenden Bereichen. Mit anderen Worten, es können Erhebungen im Bereich von Ausnehmungen und Kanten gezielt erzeugt werden. Weiterhin, kann durch Wahl der Ätzdauer, also der Zeitspanne, in der das Glaselement dem Ätzmedium ausgesetzt ist, die Höhe der Erhebungen eingestellt werden. Insbesondere können auf diese Weise ringförmige, vorzugsweise um Ausnehmungen herum verlaufende, Erhebungen erzeugt werden. Diese Erhebungen dienen später idealerweise als Abstandhalter des Glaselements gegenüber einem weiteren Bauteil.
• - Ein derartiger Effekt - eine temporäre Veränderung der Abtragsrate an Ausnehmungen und Kanten - kann weiterhin genutzt werden, um die Abtragsrate und vorzugsweise auch das Ätzmedium lokal zu verändern, indem die Oberfläche an Schädigungen, Kanälen, Ausnehmungen und/oder Kanten im Zuge dessen per Laser gezielt verändert wird. Es ist beispielsweise denkbar, durch Wahl eines Pulspakets mit mehreren Pulsen, beispielsweise 7 oder 8 oder mehr Pulse pro Pulspaket, eine besonders raue Oberfläche der Schädigungen und/oder Kanäle herbeizuführen. So kann das Ätzmedium schneller verbraucht/neutralisiert werden, und es können insbesondere höhere Erhebungen realisiert werden. Natürlich wäre andersherum auch möglich durch nur wenige Pulse pro Pulspaket, beispielsweise 2 oder 3, eine glattere Oberfläche der Schädigungen und/oder Kanäle herbeizuführen, damit das Ätzmedium ggf. weniger schnell verbraucht beziehungsweise neutralisiert wird und die Erhebungen vorzugsweise nur eine geringe Höhe aufweisen können. Aus diesem Grund kann das Ätzmedium gleichermaßen nicht nur lokal im Bereich von Ausnehmungen und Kanten verändert werden, sondern auch an Flächen, insbesondere Innenflächen von Ausnehmungen und/oder Kanten.
• - Lokales Zuführen von frischem Ätzmedium und/oder Additiven. Es ist weiterhin möglich frisches Ätzmedium oder Additive dem Ätzmedium zuzuführen, indem solche Stoffe über eine Dosiereinheit, beispielsweise einem Hahn, lokal in das Ätzmedium, insbesondere getropft werden. Auf diese Weise lässt sich nicht nur das Ätzmedium lokal verändern, sondern diese zudem in Bewegung versetzen. So könnte die Abtragsrate weiter, und insbesondere kontrolliert verändert, vorzugsweise beschleunigt werden.
• - Eine weitere Möglichkeit einer lokalen Veränderung des Ätzmediums bieten die Materialen von Halterungen der Glaselemente, oder des Behälters. Durch geschickte Wahl des Materials, beispielsweise des Behälters, können abtragsfördernde Ionen, wie Metalle, oder abtragshemmende Ionen, wie beispielsweise Alkalien, in das Ätzmedium freigesetzt werden und die Abtragsrate so gesteuert werden. Auf diese Weise ist es möglich, dass abtragsfördernde oder abtragshemmende Ionen direkt vom Material der Halterung des Glaselements oder des Behälters freigesetzt werden, und das Ätzmedium, beziehungsweise dessen Ätzfähigkeit beeinflusst wird.
• Vorteilhaft ist auch, wenn die Abtragsrate durch Erzeugung eines räumlichen und/oder zeitlichen Temperaturgradienten eingestellt wird. Da die Temperatur die Mobilität der Materialbestandteile und insbesondere die während des Ätzvorgangs aus dem Material herauslösbaren Bestandteile beeinflusst, kann vorteilhafter mit einer Veränderung der Temperatur auch die Abtragsrate beziehungsweise die Reaktionsgeschwindigkeit des Glaselements mit der dem Ätzmedium verändert werden. So kann bspw. ein zeitlicher Temperaturgradient einfach über eine zeitlich definierte Variation der Temperatur gesteuert werden, Die Erzeugung eines räumlichen Temperaturgradienten ist besonders dann vorteilhaft, wenn beispielsweise mehrere Glaselemente separat mit unterschiedlicher Abtragsrate geätzt werden sollen. Ein räumlicher Temperaturgradient kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Bevorzugt wird eine der folgenden Möglichkeiten:
• - Es kann ein räumlicher Temperaturgradient zwischen einer Behälterwandung und einem Innenbereich des Behälters erzeugt werden. Dabei wird der Behälter beziehungsweise das Ätzmedium gleichmäßig, das bedeutet, das Volumen des Ätzmediums einheitlich, erwärmt. Das Ätzmedium wird durch die Behälterwandung vorzugsweise gekühlt. Diese Kühlung kann dadurch verstärkt werden, dass der Behälter beziehungsweise die Behälterwandung ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise ein metallisches Material, aufweist. Dadurch wird die Wärme des Ätzmediums schneller abtransportiert, wodurch diese passiv gekühlt wird. Es ist allerdings auch denkbar, dass die Behälterwandung aktiv durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, gekühlt wird. Um Verfahrenskosten zu sparen, ist allerdings ein wärmeleitfähiger Behälter bevorzugt. Darin liegt auch der Vorteil, denn es fallen keine zusätzlichen Prozesskosten an, sodass der Temperaturgradient auf einfache Weise kostengünstig erzeugt werden kann.
• - Eine weitere Möglichkeit ist eine Wärmequelle, die lokal an einer Behälterwandung angeordnet ist. Dabei kann die Wärmequelle seitlich, oberhalb und/oder unterhalb des Behälters angeordnet sein. Der Temperaturgradient wird dann quasi konzentrisch um diese Wärmequelle gebildet, sodass die Temperatur mit zunehmender Entfernung zur Wärmequelle abnimmt.
• - Eine besondere Ausführungsform der Erzeugung des räumlichen Temperaturgradienten wird dadurch erreicht, dass lokal elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise ein Laserstrahl auf das Ätzmedium oder einen Oberflächenbereich des Glaselements gerichtet wird. Dies ermöglicht, insbesondere die Ausbildung eines kleinräumigen Temperaturgradienten. Dadurch kann ein Temperaturgradient erzeugt werden, der beispielsweise nur wenige µm umfasst und dadurch sehr lokal wirken kann. Dies hat den Vorteil, dass die durch die Temperatur herbeigeführte Änderung der Abtragsrate bzw. des Ätzmediums auf definierte Bereiche des Glaselements, beispielsweise einzelne Ausnehmungen, begrenzt werden kann. So können vorzugsweise Erhebungen an oder um einzelnen Ausnehmungen individuell erzeugt oder verhindert werden.
• - Eine weitere Möglichkeit ist das Beheizen der Halterungen der Glaselemente. Wenn die Halterungen, und damit vorzugsweise auch abschirmenden Elemente erwärmt werden, kann die Abtragsrate insbesondere an solchen Bereichen verändern werden, die unmittelbar an durch die Halterung abgeschirmten Bereichen angrenzen. Damit ist es möglich die Abtragsrate dort zu steuern, wo plateauförmige Erhebungen und besondere Strukturen erzeugt werden sollen.
• - Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines räumlichen Temperaturgradienten ist auch die Erzeugung von Spannungsbögen, oder zumindest einem Spannungsbogen zwischen zwei Elektroden, die in dem Ätzmedium an geeigneten Orten platziert werden können. Im Bereich dieser Spannungsbögen wird das Ätzmedium dann lokal erwärmt, und insbesondere auch in Bewegung versetzt.
• Die Abtragsrate kann allerdings auch durch eine spezielle räumliche Anordnung des Glaselements innerhalb des Ätzmediums eingestellt werden, insbesondere bezüglich der Schwerkraft oder einer Bewegungsrichtung des Ätzmediums. Um die Abtragsrate innerhalb der Ausnehmung zu beschleunigen kann bspw. die Längsrichtung der Ausnehmung im Glaselement parallel zur Bewegungsrichtung des Ätzmediums ausgerichtet werden. Die Oberfläche des Glaselements wird dann also quer bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ätzmediums ausgerichtet. Bei dieser Ausrichtung wird sichergestellt, dass das Ätzmedium durch die Ausnehmung hindurchbewegt wird. Dadurch kann bspw. durch gelöstes Glas gesättigtes Ätzmedium aus der Ausnehmung heraus transportiert werden, wodurch eine zeitlich gleichbleibend hohe Abtragsrate innerhalb der Ausnehmung erzielt werden kann, da neutralisiertes Ätzmediums nicht innerhalb der Ausnehmung verbleibt und insbesondere stets frisches ungesättigtes Ätzmedium zur Verfügung steht.
• Wird das Ätzmedium allerdings nicht aktiv, bspw. durch eine der vorgenannten Möglichkeiten in Bewegung versetzt, ist die Abtragsrate im Bereich der Ausnehmung bzw. Kante des Glaselements durch eine höhere Oberfläche bezüglich der Oberfläche des Glaselements zunächst erhöht. Allerdings nimmt die Abtragsrate im Verhältnis zur Oberfläche des Glaselements im Bereich der Ausnehmung auch deutlich schneller ab, da das Ätzmedium schneller gesättigt bzw. neutralisiert ist. Bei zunehmender Sättigung des Ätzmediums steigt durch das gelöste Glas-Material auch die Dichte und damit insbesondere auch das Gewicht des Ätzmediums. Das schwere Ätzmedium kann bei einer Ausrichtung der Längsrichtung der Ausnehmung in Richtung der Schwerkraft auch aus der Ausnehmung heraus sinken. Dies kann dazu führen, dass um die Ausnehmung herum und vorzugsweise in Richtung der Schwerkraft bzw. der Sinkrichtung des gesättigten Ätzmediums eine Erhebung durch Ablagerung von unvollständig geätztem Restmaterial ausgebildet wird. Andersherum kann allerdings auf der der Sinkrichtung oder der Bewegungsrichtung gegenüberliegenden Seite eine erhöhte Abtragsrate erzeugt werden, da dort kontinuierlich frisches Ätzmedium zugeführt wird. Daher kann, insbesondere alleine durch die Ausrichtung des Glaselements bzw. der Ausnehmung innerhalb des Ätzmediums nicht nur eine Bewegung des Ätzmediums herbeigeführt werden, sondern auch die Abtragsrate, vorzugsweise im Bereich der Ausnehmung beeinflusst werden.
• Es ist daher vorgesehen das Glaselement innerhalb des Ätzmediums, und insbesondere gegenüber einer Bewegungsrichtung des Ätzmediums derart auszurichten, dass gesättigtes Ätzmedium zur Erzeugung von Erhebungen und/oder plateauförmigen Erhebungen im Bereich der dafür vorgesehenen Stellen des Glaselements verbleibt, und insbesondere nicht abtransportiert wird. Hierzu kann das Glaselement bzw. die Oberfläche/n des Glaselements bspw. bezüglich eines Behälterbodens und/oder einer Bewegungsrichtung des Ätzmediums, bspw. Sinkrichtung in einem Winkel zwischen 0° (parallel) und 360° (parallel), bevorzugt zwischen 90° (senkrecht) und 270° (senkrecht) ausgerichtet werden. Auch ein Winkel von etwa 180° ist denkbar.
• Die Abtragsrate, insbesondere im Bereich der Ausnehmung kann weiterhin auch durch die Dicke des Glaselements bzw. die Länge der Ausnehmung gesteuert werden. Wie zuvor geschildert, wird das Ätzmedium im Bereich der Ausnehmung schneller gesättigt und/oder die Bewegung des Ätzmediums ist durch die engere Begrenzung der Ausnehmungswandungen eingeschränkt. Beides führt zu einer verringerten Abtragsrate im Bereich der Ausnehmung im Vergleich zur Abtragsrate an der Oberfläche des Glaselements. Demnach liegt ein Konzentrationsgardient zwischen dem Bereich der Ausnehmung bzw. innerhalb der Ausnehmung und einem Bereich an der Oberfläche des Glaselements vor, sowie insbesondere auch ein zeitlicher Gradient der Abtragsrate. Durch eine Änderung der Länge der Ausnehmung, also der Dicke des Glaselements, kann dementsprechend auch die Bewegung des Ätzmedium im Bereich der Ausnehmung geändert werden, und damit insbesondere auch der Konzentrationsgardient bzw. der Grad der Sättigung des Ätzmediums im Bereich der Ausnehmung. Durch eine geeignete Wahl der Ausrichtung des Glaselements, sowie vorzugsweise auch anderer Parameter, wie der Bewegung des Ätzmediums und/oder eines Temperaturgradienten ist es auch möglich, dass bspw. auf einer Seite des Glaselements an der Kante ein Grat oder Erhebung ausgebildet wird und auf der gegenüberliegenden Seite ein Grat oder eine Erhebung vermieden wird.
• Das Glaselement gemäß dieser Offenbarung kann unter anderem für die Herstellung von Komponenten für die hermetische Verpackung elektrooptischer Bauelemente, Mikrofluidik-Zellen, Drucksensoren und Camera-Imaging-Modulen verwendet 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 bei fortgeschrittener Ätzung;
• 5 Diagramm des Mittenrauwertes der Oberfläche des Glaselements nach Ätzung unter unterschiedlichen Bedingen;
• 6 Diagramm mit Messdaten der Abtragsrate in Abhängigkeit der Glaskonzentration;
• 7 Ein Oberflächenmessergebnis einer Erhebung auf der Oberfläche des Glaselements;
• 8 Zwei übereinander angeordnete Glaselemente.
• 1 zeigt schematisch ein Glaselement 1 mit einer ersten 2 und einer zweiten 3 Oberfläche, sowie einer Dicke D. Dabei ist die erste Oberfläche 2 gegenüber, und insbesondere vorzugsweise planparallel zu der zweiten Oberfläche 3 angeordnet. Das Glaselement 1 erstreckt sich weiterhin in eine Längsrichtung L und eine Querrichtung Q. Vorzugsweise weist das Glaselement 1 auch mindestens eine Seitenfläche 4 auf, die idealerweise das Glaselement 1 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. Die erste 2 und zweite 3 Oberfläche können sich weiterhin in Querrichtung erstrecken.
• In einem ersten Verfahrensschritt werden durch einen Laser 101, vorzugsweise einen Ultrakurzpulslaser 101 Schädigungen, insbesondere Kanäle 15 beziehungsweise kanalförmige Schädigungen 15 in dem Volumen des Glaselements 1 erzeugt. Hierzu wird mittels einer Fokussierungsoptik 102, beispielsweise einer Linse oder eines Linsensystems, der Laserstrahl 100 fokussiert und auf eine Oberfläche 2, 3, bevorzugt der ersten Oberfläche 2 des Glaselements 1 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 wird, die beispielsweise durch mehrere Laserpulse, beispielsweise in Form eines Pulspakets, die Schädigung zu einem Kanal 15 aufweitet.
• Vorzugsweise werden, wie in 2 gezeigt, in weiteren Schritten mehrere Kanäle 15 erzeugt, die idealerweise derart nebeneinander angeordnet werden, dass eine Vielzahl von Kanälen 15 eine Perforation ergibt, und diese Perforation beziehungsweise diese Vielzahl von Kanälen Umrisse einer Struktur 16 formen. Bestenfalls entspricht eine derartig erzeugte Struktur 16 einer Form einer zu erzeugenden Ausnehmung. In anderen Worten, es wird ein Abstand und eine Anzahl der Kanäle 15 so gewählt, dass Umrisse zu erzeugender Ausnehmungen geformt werden.
• Einen weiteren Schritt zeigt 3. Das Glaselement 1 wird an Halterungen 50 ablösbar angeordnet. Dabei kann das Glaselement 1 lediglich auf den Halterungen 50 aufliegen, oder an diesen fixiert werden bzw. sein. Vorzugsweise dienen bestimmte Bereiche der Halterungen 50 dazu, definierte Bereiche des Glaselements 1 abzudecken beziehungsweise abzuschirmen. Es können allerdings auch andere Elemente, beispielsweise eine oder mehrere Polymerschichten oder Formelemente, zu diesem Zweck eingesetzt werden. Dabei dienen die durch die Halterungen, die Polymerschichte/n und/oder die Formelemente abgedeckten Bereiche vorzugsweise als Maske für eine zu erzeugende erhabene Struktur der Oberfläche 2, 3 des Glaselements 1. Gleichermaßen ist es allerdings auch denkbar, dass die erste und/oder zweite Oberfläche vollständig abgeschirmt wird, um eine erhabene Struktur der Oberfläche des Glaselements zu vermeiden, und zumindest eine besonders ebene beziehungsweise plane Oberfläche zu erzeugen. Sicherlich ist auch möglich solche Bereiche bereits abzudecken, bevor der Laser 101 zum Einsatz kommt. Die abgedeckten Bereiche sollen weiterhin als Abschirmung gegenüber eines Ätzmediums fungieren, dem das Glaselement 1 in einem nächsten Schritt ausgesetzt wird.
• Hierzu 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. Vorzugsweise weist der Behälter ein Material auf, welches in der Lage ist, bestimmte Elemente beziehungsweise Stoffe, beispielsweise bestimmte Ionen oder Moleküle in das Ätzmedium 200 abzugeben. Bestenfalls verändern diese vom Behälter 202 abgegebenen Stoffe die Ätzfähigkeit des Ätzmediums 200 derart, dass eine Abtragsrate von Material des Glaselements beschleunigt, oder reduziert wird.
• Bevorzugt wird als Ätzmedium 200 eine saure, oder alkalische Lösung verwendet, und insbesondere eine alkalische Lösung, beispielsweise KOH. Bestenfalls wird die Ätzfähigkeit der Ätzlösung durch das Material des Behälters 202 beeinflusst, sowie möglicherweise auch durch Additive, welche der Ätzlösung zugegeben wurden. Dadurch, dass das Glaselement dem Ätzmedium 200 ausgesetzt wird, wird Material des Glaselements abgetragen, wodurch ein Abtrag 70 beziehungsweise auch eine Abtragsrate entsteht, die durch mehrere Faktoren beeinflusst werden kann.
• Ein erster Faktor ist die Temperatur, bei der das Glaselement 1 geätzt wird. Der Ätzvorgang wird vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 60°C und 130°, idealerweise bei etwa 100°C durchgeführt, wobei durch eine im Verhältnis zur Wärmequelle kühlere Behälterwandung vorzugsweise ein Temperaturgradient erzeugt wird.
• Daneben wird die Abtragsrate vorzugsweise dadurch beeinflusst, insbesondere beschleunigt, dass das Ätzmedium 200 in Bewegung versetzt wird. Hierzu können beispielsweise ein oder mehrere Rühreinheiten 60 zum Einsatz kommen. Dabei ist es denkbar, dass mechanisch oder elektronisch betriebene Rühreinheiten 60, beispielsweise Rührstäbe verwendet werden, oder aber Magnetrührer, die über ein Magnetfeld gesteuert werden. Bestenfalls werden die Rühreinheiten 60 derart betrieben, dass sie eine rotatorische Bewegung ausführen und dadurch das Ätzmedium in Bewegung versetzen.
• 4 zeigt schematisch den Ätzvorgang aus 3 zu einem fortgeschrittenen Zeitpunkt. Weiterhin wurde während dem in 4 gezeigte Ätzvorgang keine Rühreinheit 60 verwendet, sodass das Ätzmedium 200 nicht in Bewegung versetzt wurde. Dadurch konnte das Ätzmedium 200 an Bereichen, an denen die Abtragrate erhöht war, schneller neutralisiert werden, sodass das Ätzmedium 200 an diesen Bereichen verbraucht ist. Ein solches verbrauchtes Ätzmedium 201 ist in 4 im Bereich der ersten 2 und zweiten Oberfläche 3 dargestellt. Insgesamt wurde an den Bereichen, die nicht von den Halteelementen 50 abgeschirmt sind, Material abgetragen. Dies betrifft im Wesentlichen die Kanäle, kann aber auch bestimmte Bereiche der ersten 2 und/oder zweiten 3 Oberfläche betreffen. Dabei wurden Kanalwandungen mehrerer Kanäle vorzugsweise soweit abgetragen, dass mehrere Kanäle vereinigt wurden, wodurch die die Ausnehmung 10 erzeugt wurde.
• Im Beispiel der 4 ist ein Glaselement 1 dargestellt, bei dem durch das Ätzen eine erhabene Struktur erzeugt wurde, beziehungsweise es ist ein Glaselement 1 mit erhabener Struktur abgebildet. Diese erhabene Struktur wird einerseits durch plateauförmige Erhebungen 30 geformt, die insbesondere an den Randbereichen des Glaselements 1 durch Abschirmung durch die Halterungen 50 erzeugt wurden, und andererseits wird die erhabene Struktur durch Erhebungen 20 geformt, welche vorzugsweise um die Ausnehmung 10 herum ausgebildet wurde/ist. Dabei weisen die Erhebungen 20 eine Innenfläche 21 und eine Außenfläche 22 auf, die beide in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Weiterhin weist die Ausnehmung 10 eine Ausnehmungsinnenfläche 12 auf, die bevorzugt so definiert ist, dass die Ausnehmungsinnenfläche 12 die Ausnehmung 10 vollständig in zumindest zwei Raumrichtungen umgibt. Die Ausnehmung 10 kann sich dabei in Längsrichtung L und Querrichtung Q erstecken, und insbesondere eine Länge ausbilden, die sich entlang der Längsrichtung L und quer zur ersten 2 und/oder zweiten 3 Oberfläche erstreckt. Es ist möglich, dass die Länge der Ausnehmung 10 und eine Höhe H2 der Erhebung gemeinsam einer Dicke D des Glaselements 1 entsprechen. Gleichermaßen ist es allerdings auch möglich, dass die Länge der Ausnehmung 10 der Dicke D entspricht. Weiterhin bildet die Ausnehmung 10 eine Kante 40, insbesondere im Bereich der Ausnehmungsinnenfläche 12, aus, die kalottenförmige Vertiefungen aufweist.
• Die plateauförmigen Erhebungen 30 können Flanken 31 aufweisen, welche in einem stumpfen Winkel zur ersten 2 und/oder zweiten 3 Oberfläche des Glaselements 1 angeordnet sind, wobei eine Form beziehungsweise ein Plateau der plateauförmigen Erhebungen 30 idealerweise einer Form der Halterungen 50 entspricht und diese Form wiederum einer Form der abgeschirmten Bereiche entspricht. Dabei kann eine Höhe H1 der plateauförmigen Erhebungen 30 kleiner sein, als die Dicke D des Glaselements 1, und vorzugsweise parallel zur Dicke D verlaufen.
• 5 zeigt einen gemessenen Mittenrauwert (Ra) der Oberfläche des Glaselements 1 auf der Ordinatenachse in Abhängigkeit des Abtrags (Removal) auf der Abszissenachse unter unterschiedlichen Ätzbedingungen. Die jeweiligen Ätzbedingungen sind durch die unterschiedlichen Messergebnisse dargestellt.
• • Die als leere schwarze Ringe dargestellten Messergebnisse repräsentieren einen Ätzvorgang, bei dem das Ätzmedium 200 insbesondere durch mindestens eine Rühreinheit 60 in Bewegung versetzt wurde. Weiterhin wurde ein Behälter 202 verwendet, der vorzugsweise ein metallisches Material umfasst.
• • Die als ausgefüllte schwarzen Kreise dargestellten Messergebnisse repräsentieren einen Ätzvorgang, bei dem das Glaselement 1 zumindest teilweise, und vorzugsweise durch eine Polymerschicht, speziell Perfluoralkoxy-Polymere gegenüber dem Ätzmedium 200 abgeschirmt wurde. Weiterhin wurde das Ätzmedium 200 nicht aktiv in Bewegung versetzt.
• • Die als gemusterten schwarzen Ringe dargestellten Messergebnisse repräsentieren einen Ätzvorgang, bei dem das Glaselement 1 zumindest teilweise, und vorzugsweise durch eine Polymerschicht, speziell Perfluoralkoxy-Polymere gegenüber dem Ätzmedium 200 abgeschirmt wurde. Weiterhin wurde ein vorzugsweise ein metallisches Material aufweisender Behälter 202 verwendet, und das Ätzmedium 200 nicht in Bewegung versetzt.
• Unter Betrachtung dieser Ergebnisse fällt auf, dass die Oberfläche 2, 3 des Glaselements 1 nach einem Ätzvorgang, in dem das Ätzmedium 200 in Bewegung versetzt wird, einen besonders geringen Mittenrauwert aufweist. Dieser Mittenrauwert liegt vorzugsweise zwischen 2 nm und 10 nm, sodass das Glaselement eine besonders glatte Oberfläche 2, 3 aufweist, und die Bewegung des Ätzmediums 200 vorzugsweise zu einem sehr geringen Mittenrauwert führt. Weiterhin fällt auf, dass auch der Materialabtrag mit weniger als 10 µm unter diesen Bedingungen sehr gering ist bzw. nur ein geringer Abtrag notwendig ist, um einen geringen Mittenrauwert zu erzeugen.
• Weiterhin kann festgestellt werden, dass die Verwendung einer Abschirmung gegenüber dem Ätzmedium zu einem deutlich höheren Mittenrauwert, und damit zu einer deutlich raueren und/oder matteren Oberfläche 2, 3 des Glaselements führt. Mit anderen Worten, das Glaselement 1 weist nach einem Ätzvorgang ohne Bewegung des Ätzmediums 200 eine deutlich rauere Oberfläche auf als nach einem Ätzvorgang mit Bewegung des Ätzmediums 200. Vorzugsweise liegt der Mittenrauwert nach einem Ätzvorgang mit bewegtem Ätzmedium 200 zwischen etwa 5 nm und 130 nm. Zudem kann den Ergebnissen entnommen werden, dass ein deutlich höherer Abtrag notwendig ist, um eine Oberfläche 2, 3 mit höheren Mittenrauwerten, also eine raue und/oder besonders matte Oberfläche 2, 3 zu erzeugen. Der Abtrag liegt in einem solchen Fall vorzugsweise höher als 15 µm.
• Da in mehreren Fällen, also sowohl mit Bewegung, als auch ohne Bewegung des Ätzmediums 200 ein Behälter 202 mit einem metallischen Material verwendet wurde, scheint dieser einen geringen Effekt auf die Rauheit der Oberfläche 2, 3 zu haben.
• 6 zeigt Messdaten der Abtragsrate (R_e in µm/h) in Abhängigkeit der Glaskonzentration (g/Liter) im Ätzmedium 200 im Bereich der Ausnehmung bei drei unterschiedlichen Gläsern, Glas A, Glas B und Glas C. Das Diagramm verdeutlicht, dass sich während des Abtrags bzw. Ätzens ein Abtragsgradient ausbildet. Insbesondere bei Glas A und Glas C nimmt die Abtragsrate zu Beginn erst moderat und dann stark zu, bei gleichzeitiger Zunahme der Glaskonzentration im Ätzmedium 200. Sobald ein bestimmter Konzentrationswert erreicht ist, das Ätzmedium also eine gewisse Sättigung erreicht, sinkt bei allen drei Gläsern die Abtragsrate. Insbesondere bei Glas C ist deutlich erkennbar, dass die Abtragsrate nach Erreichen der Sättigung auf einen etwa gleichbleibend geringen Wert fällt. Dies kann dadurch erklärt werden, dass die Glaskonzentration im Ätzmedium 200 im Bereich der Ausnehmung 10 zunächst stark zunimmt und das Ätzmedium 200 mit hoher Glaskonzentration anschließend im Bereich der Ausnehmung 10 verbleibt bzw. nicht abtransportiert wird. Dies ist wahrscheinlich auf eine Dichte des mit Glas angereicherten Ätzmediums 200 zurückzuführen, die mit einer Dichte des Ätzmediums 200 mit geringer Glaskonzentration vergleichbar ist. Dadurch bewegt sich das Ätzmedium 200 im Bereich der Ausnehmung 10 nicht oder nur wenig, sodass Ätzmedium 200 mit hoher Glaskonzentration nicht abtransportiert wird. Die Glaskonzentration des Ätzmediums ist demnach im Bereich der Ausnehmung höher, als an der Oberfläche 2, 3 des Glaselements.
• Anders sieht es bei Glas B und Glas C aus. Nachdem die Abtragsrate einen hohen Wert erreicht und mit steigender Glaskonzentration zunächst wieder abnimmt, steigt die Abtragsrate nach Erreichen eines geringen Wertes wieder an. Dies kann dadurch erklärt werden, dass das mit Glas angereicherte Ätzmedium 200 bei Glas B und Glas C eine höhere Dichte hat, und somit schwerer ist, als das Ätzmedium 200 mit geringer Glaskonzentration. Das Ätzmedium 200 mit hoher Glaskonzentration sinkt daher (bei einer Ausrichtung der Oberfläche des Glaselements parallel zu einem Behälterboden) aus dem Bereich der Ausnehmung 10 heraus, wodurch wieder frisches Ätzmedium 200 in den Bereich der Ausnehmung hineingelangen kann. Das frische Ätzmedium erlaubt dann auch wieder eine steigende Abtragsrate, die erneut abfällt, sobald die Glaskonzentration des Ätzmedium erneut einen kritischen Wert erreicht. Insgesamt kann dieser Effekt genutzt werden, um die Abtragsrate gezielt zu steuern und einen gewünschten Gradienten der Abtragsrate einzustellen, bspw. indem das Glaselement 1 entsprechend im Ätzmedium 200 ausgerichtet wird, oder das Ätzmedium 200 in eine definierte Richtung bewegt wird. Auf diese Weise können also gezielt Bereiche mit hoher Glaskonzentration erzeugt werden, an denen sich aufgrund der verringerten Abtragsrate vorzugsweise Erhebungen ausbilden.
• In 7 ist eine Topographiemessung der Oberfläche 2, 3 des Glaselements 1 gezeigt. Dabei zeigt die Leiste auf der rechten Seite die Abweichung beziehungsweise die Höhe H2 der Erhebungen 20 gegenüber der Oberfläche 2, 3 an. Die Erhebungen 20 sind dabei deutlich erkennbar um Ausnehmungen 10 herum angeordnet und die Außenfläche 22 der Erhebung 20 steht bevorzugt in einem stumpfen Winkel zur Oberfläche 2, 3 des Glaselements 1. Weiterhin formt die Innenfläche 21 der Erhebung idealerweise mit der Außenfläche 22 einen spitzen Winkel. In diesem Beispiel gehen die Außenflächen 22 der Erhebung 20 fließend in die Oberfläche 2, 3 des Glaselements 1 über. Das bedeutet, dass makroskopisch kein klar definierter Übergang zwischen den Außenflächen 22 der Erhebung 20 und der Oberfläche 2, 3 des Glaselements zu erkennen ist. Weiterhin zeigt das Beispiel der 6, dass mehrere Erhebungen 20 gemeinsam eine erhabene Struktur auf der Oberfläche 2, 3 formen, welche hier insbesondere als Kreuzstruktur zwischen vier Erhebungen 20, beziehungsweise zwischen mehreren Ausnehmungen 10 ausbildet ist.
• In 8 ist ein mit dem Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche 2, 3 hergestelltes Glaselement 1 dargestellt, welches auf einer Glasplatte angeordnet ist. Um die Ausnehmungen 10 des mit dem Verfahren hergestellten Glaselements 1 herum sind Erhebungen 20 ausgebildet. Durch die Erhebungen 20 wird um die Erhebungen 20 herum ein veränderter Abstand zwischen Glaselementen 1 und der Glasplatte, beziehungsweise eine veränderte Dicke der Fluidschicht zwischen Glasplatte und Glaselement 1 erzeugt. Diese veränderte Dicke führt wiederum dazu, dass Licht an den zwei Grenzflächen der Fluidschicht zu den zwei Glaselementen unterschiedlich bricht und dessen Wellenlängen interferieren, wodurch die beobachteten Newtonschen Ringe entstehen. Mit anderen Worten, die beobachteten Newtonschen Ringe zeigen in einfacher Weise das Vorhandensein der Erhebungen 20. Wie zu erkennen, verlaufen diese Erhebungen 20 insbesondere ringförmig um die Ausnehmungen 10 herum. Da die Newtonschen Ringe nicht unterbrochen sind, umschließen die Erhebungen 20 die Ausnehmungen 10 vollständig.
• Bezugszeichenliste

1

Plattenförmiges Glaselement

2

erste Oberfläche

3

zweite Oberfläche

4

Seitenfläche

10

Ausnehmung

11

Wandung der Ausnehmung

12

Ausnehmungsinnenfläche

15

Kanal / Durchbrechungen

16

Struktur

20

Erhebung

21

Innenfläche der Erhebung

22

Außenfläche der Erhebung

30

Plateauförmige Erhebung

31

Flanken der plateauförmigen Erhebung

32

Plateau

40

Kante

50

Halterungen

60

Rühreinheit

70

Abtrag/ Ätzvorgang

90

Newtonsche Ringe

100

Laserstrahl

101

Laser/Ultrakurzpulslaser

102

Fokussierungsoptik

200

Ätzmedium

201

Verbrauchtes Ätzmedium

202

Behälter

L

Längsrichtung

Q

Querrichtung

H1

Höhe der plateauförmigen Erhebung

H2

Höhe der Erhebung

D

Dicke des Glaselements

Claims (13)

1. Plattenförmiges Glaselement (1) mit einer ersten Oberfläche (2) und einer zweiten (3), der ersten (2) gegenüberliegend angeordneten Oberfläche, sowie zumindest einer Ausnehmung (10), die zumindest eine der Oberflächen (2, 3) durchbricht, wobei sich die Ausnehmung (10) in eine Längsrichtung (L) und eine Querrichtung (Q) erstreckt und die Längsrichtung (L) der Ausnehmung (10) quer zu der Oberfläche (2, 3) angeordnet ist, die durch die Ausnehmung (10) durchbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2, 3), die durch die Ausnehmung (10) durchbrochen wird, zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: - die Oberfläche (2, 3) weist zumindest teilweise um die Ausnehmung (10) herum zumindest eine Erhebung (20) auf, wobei diese Erhebung (20) eine Höhe unterhalb von 5 µm aufweist, - die Oberfläche (2, 3) weist zumindest eine plateauförmige Erhebung (30) auf, dessen Höhe (H1) größer als 0,05 µm, bevorzugt 0,5 µm, bevorzugt größer als 1 µm, bevorzugt größer als 10 µm und/oder kleiner als 20 µm, bevorzugt kleiner als 15 µm, bevorzugt kleiner als 12 µm ist, - die Oberfläche (2, 3) weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der größer ist als 15 nm, bevorzugt größer als 25 nm, bevorzugt größer als 40 nm und/oder kleiner ist als 100 nm, bevorzugt kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 60 nm.
2. Plattenförmiges Glaselement (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (20) zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: - die Erhebung (20) umschließt die Ausnehmung (10) vollständig, - die Erhebung (20) ist auf ihrer der Ausnehmung zugewandten Seite als Verlängerung der Wandung (11) der Ausnehmung (10) ausgebildet, - eine Innenfläche (21) der Erhebung (20) steht in einem spitzen Winkel zu einer Außenfläche (22) der Erhebung (20), wobei die Innenfläche (21) der Ausnehmung (10) zugewandt ist und die Außenfläche (22) der Ausnehmung (10) abgewandt ist, - die Außenfläche (22) steht in einem stumpfen Winkel zur ersten Oberfläche (2), die durch die Ausnehmung/en (10) durchbrochen ist, - die Erhebung weist laterale Abmessungen auf, die größer sind als 5 µm, bevorzugt als größer 8 µm, bevorzugt größer als 10 µm und/oder kleiner als 5 mm, bevorzugt kleiner als 3 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm.
3. Plattenförmiges Glaselement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, das Glaselement (1) eine Dicke (D) größer als 10 µm, bevorzugt größer als 15 µm, bevorzugt größer als 20 µm und/oder kleiner als 4 mm, bevorzugt kleiner als 2 mm, bevorzugt kleiner als 1 mm aufweist.
4. Plattenförmiges Glaselement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - die Ausnehmung (10) ist als Kanal (15) ausgebildet, der sich durch das Glaselement (1) hindurch von der ersten Oberfläche (2) zur zweiten Oberfläche (3) erstreckt und beide Oberflächen (2, 3) durchbricht, - eine Wandung (11) der Ausnehmung (10) weist eine Vielzahl kalottenförmiger Vertiefungen auf.
5. Plattenförmiges Glaselement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, durch eine Vielzahl von Durchbrechungen (15), die sich durch das Glaselement (1) hindurch von der ersten Oberfläche (2) zur zweiten Oberfläche (3) erstrecken, und die unmittelbar aneinander angrenzen, eine Kante (40) ausgebildet ist, die eine das Glaselement (1) zumindest teilweise umgebende Außenkante des Glaselements (1) formt, oder eine die Ausnehmung (10) zumindest teilweise umgebende Innenkante des Glaselements (1), wobei die Kante (40) eine Vielzahl von kalottenförmigen Vertiefungen aufweist.
6. Plattenförmiges Glaselement (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung/en (20) eine Höhe (H2) aufweisen, die parallel zur Längsrichtung (L) der Ausnehmung/en (10), und insbesondere quer zu der ersten (2) und/oder zweiten (3) Oberfläche verläuft.
7. Verfahren zur Modifizierung einer Oberfläche (2, 3) eines plattenförmigen Glaselements (1) mit einer ersten Oberfläche (2) und einer zweiten (3), der ersten (2) gegenüberliegend angeordneten Oberfläche, sowie zumindest einer Ausnehmung (10), die zumindest eine der Oberflächen (2, 3) durchbricht, wobei sich die Ausnehmung (10) in eine Längsrichtung (L) und eine Querrichtung (Q) erstreckt und die Längsrichtung (L) der Ausnehmung (10) quer zu der Oberfläche (2, 3) angeordnet ist, die durch die Ausnehmung (10) durchbrochen wird, wobei bei dem Verfahren: - das Glaselement (1) bereitgestellt wird, - mindestens ein filamentförmiger Kanal (15) durch einen Laserstrahl (100) eines Ultrakurzpulslasers (101) in dem Glaselement (1) erzeugt wird, wobei dessen Längsrichtung (L) quer zur Oberfläche des Glaselements (1) verläuft, - die Oberfläche (2, 3) des Glaselements (1), die durch den Kanal durchbrochen wird, einem Ätzmedium (200) ausgesetzt wird, welches Glas des Glaselements (1) mit einer einstellbaren Abtragsrate abträgt, wobei der Kanal durch das Ätzmedium aufgeweitet wird, so dass eine Ausnehmung (10) gebildet wird, - wobei mit dem Ätzen mindestens eines der folgenden Merkmale der Oberfläche (2, 3), die durch die Ausnehmung (10) durchbrochen wird, erzeugt wird: ◯ die Oberfläche (2, 3) weist zumindest teilweise um die Ausnehmung (10) herum zumindest eine Erhebung (20) auf, wobei diese Erhebung (20) eine Höhe (H2) unterhalb von 5 µm aufweist, ◯ die Oberfläche weist plateauförmige Erhebungen (30) auf, deren Höhe (H1) größer als 0,05 µm, bevorzugt größer als 0,5 µm, bevorzugt größer als 1 µm, bevorzugt größer als 10 µm und/oder kleiner als 100% des Ätzabtrages, bevorzugt kleiner als 95%, bevorzugt kleiner als 90% des Ätzabtrages ist, ◯ die Oberfläche (2, 3) weist einen Mittenrauwert (Ra) auf, der größer ist als 15 nm, bevorzugt größer als 25 nm, bevorzugt größer als 40 nm und/oder kleiner ist als 100 nm, bevorzugt kleiner als 80 nm, bevorzugt kleiner als 60 nm.
8. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium (200) derart in Bewegung versetzt wird, dass die Abtragsrate durch die Bewegung des Ätzmediums (200) beschleunigt, oder reduziert wird,
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzmedium (200) in mindestens einem definierten Bereich an der Oberfläche (2, 3) des Glaselements (1) modifiziert wird und die Abtragsrate in diesem Bereich gegenüber umgebenden Bereichen verändert wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragsrate durch Erzeugung eines räumlichen und/oder zeitlichen Temperaturgradienten eingestellt wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragsrate durch eine räumliche Anordnung des Glaselements innerhalb des Ätzmediums (200) eingestellt wird, insbesondere bezüglich der Schwerkraft und/oder einer Bewegungsrichtung des Ätzmediums (200).
12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragsrate durch die Wahl einer Kombination von Glaszusammensetzung und Zusammensetzung des Ätzmediums (200) eingestellt wird.
13. Anwendung des Glaselements (1) entsprechend einem der vorangegangenen Ansprüche zur Herstellung von Komponenten für die hermetische Verpackung elektrooptischer Funktionalitäten, von Mikrofluidik-Zellen, Drucksensoren und/oder Camera Imaging Modulen.

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