DE102021131812A1

DE102021131812A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trennen eines transparenten Werkstücks

Info

Publication number: DE102021131812A1
Application number: DE102021131812.2A
Authority: DE
Inventors: Jonas Kleiner; Daniel Flamm; Myriam Kaiser; Michael Jenne
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2023-06-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen eines transparenten Werkstücks (1), wobei in einem Modifikationsschritt mittels eines ultrakurze Laserpulse (200) aufweisenden Laserstrahls (20) entlang einer Trennfläche (32) Materialmodifikationen (3) in das Volumen des Werkstücks (1) eingebracht werden und dann in einem Trennschritt durch Eintrag thermischer Energie das Werkstück (1) entlang der Trennfläche (3) getrennt wird, wobei die thermische Energie im Trennschritt im Bereich der Materialmodifikationen (30) in das Werkstück (1) eingetragen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Werkstücks.
Stand der Technik
Die Entwicklung von Lasern und insbesondere von Ultrakurzpulslasern mit Pulsdauern im Femtosekunden bis Nanosekundenbereich und hohen mittleren Leistungen im Kilowatt-Bereich, hat eine neue Art der Materialbearbeitung ermöglicht. Mit den kurzen Pulsdauern und hohen mittleren Leistungen können durch nichtlineare Absorption auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge transparente beziehungsweise im Wesentlichen transparente Materialien und Werkstücke bearbeitet werden. Insbesondere können über die nichtlineare Absorption auch transparente Materialien entlang einer vorgegebenen Trennlinie getrennt werden.
Die US20190047894 zeigt ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks bei dem ein Ultrakurzpulslaser verwendet wird, um Materialmodifikationen in das Werkstück einzubringen. Mit einem Infrarot-Laserstrahl, beispielsweise von einem CO2-Laser, kann schließlich durch den Eintrag thermischer Energie eine Trennung des Werkstücks entlang der Materialmodifikationen hervorgerufen werden.
Die EP2754524 zeigt ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks mit einer elongierten Fokuszone, wobei die Trennung durch die Eigenspannung des transparenten Materials oder durch Einbringung von thermischer Energie oder mechanischen Kräften erfolgt.
Nachteilig ist hierbei, dass für das Einbringen der Materialmodifikationen in das Werkstück und dem Trennen des Werkstücks verschiedene technische Apparaturen notwendig sind oder nur Materialien mit genügend hoher Eigenspannung bearbeitet werden können.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Trennen eines transparenten Werkstücks, sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Werkstücks vorgeschlagen, wobei in einem Modifikationsschritt mittels eines ultrakurze Laserpulse aufweisenden Laserstrahls entlang einer Trennfläche Materialmodifikationen in das Volumen des Werkstücks eingebracht werden und dann in einem Trennschritt durch Eintrag thermischer Energie das Werkstück entlang der Trennfläche getrennt wird. Erfindungsgemäß wird die thermische Energie im Trennschritt im Bereich der Materialmodifikationen in das Werkstück eingetragen.
Der Laser kann ein Ultrakurzpulslaser sein, der ultrakurze Laserpulse zur Verfügung stellt. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt und insbesondere zwischen 10 Pikosekunden und 100 Femtosekunden liegt. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich dabei in der Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch sie ausgebildeten Laserstrahls.
Das Werkstück kann ein Metall oder ein Halbleiter oder ein Isolator oder eine Kombination davon sein. Insbesondere kann es auch ein Glas, eine Glaskeramik, ein Polymer oder ein Halbleiterwafer, beispielsweise ein Siliziumwafer, sein. Das Material ist hierbei transparent für die Wellenlänge des Lasers, wobei transparent bedeutet, dass 70% oder mehr der einfallenden Laserenergie durch das Material hindurch transmittiert werden.
Wenn ein ultrakurzer Laserpuls in das Werkstück eingebracht wird, dann kann die dort eingebrachte Laserenergie zu einer nichtlinearen Absorption führen, etwa durch Multiphotonen-Absorptions- und/oder Elektronen-Lawinen-Ionisationsprozesse. Diese nichtlineare Absorption führt zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Plasmas in dem Werkstück, wobei bei dessen Abkühlung dauerhafte Strukturänderungen im Material des Werkstücks induziert werden können.
Das Einbringen des Laserstrahls kann hierbei insbesondere das Fokussieren des Laserstrahls umfassen, wobei die Laserenergie in die Fokuszone des Lasers eingebracht wird.
Unter der Fokuszone des Laserstrahls wird hierbei der Teil der Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Werkstücks ist. Der Begriff Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.
Der Laserstrahl kann mit einer Fokussiervorrichtung fokussiert werden, wobei die Fokussiervorrichtung beispielsweise ein Teleskop, oder eine Linse oder ein Linsensystem ist. Ein Teleskop ist hierbei ein optischer Aufbau, der eine Abbildung des Laserstrahls ermöglicht, und diesen in oder auf dem Werkstück zur Verfügung stellt. Insbesondere kann ein solches Teleskop eine vergrößernde und/oder eine verkleinernde Wirkung aufweisen.
Die durch ultrakurze Laserpulse im transparenten Werkstück verursachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Der Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; der Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und der Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum, welcher durch sogenannte Mikroexplosionen erzeugt wird. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Werkstücks zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Werkstücks höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Werkstück in der Fokuszone schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings beziehungsweise Nanogittern einher.
Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void) beziehungsweise eine Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem Werkstück Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.
Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstigt diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.
Insbesondere kann eine Materialmodifikation auch die optischen Eigenschaften des Werkstücks verändern, so dass das Werkstück im Bereich der Materialmodifikation eine geringere Transmission und dafür eine höhere Absorption für die Wellenlänge des Lasers aufweist. Mit anderen Worten kann das Werkstück an der Stelle der Materialmodifikation das Laserlicht linear absorbieren.
Im Modifikationsschritt können in das Werkstück Materialmodifikationen vom Typ I und/oder vom Typ II und/oder vom Typ III eingebracht werden.
Bevorzugt werden in das Volumen des Werkstücks entlang der Trennfläche Materialmodifikationen vom Typ III eingebracht und im Trennschritt werden durch das Einbringen der thermischen Energie Materialmodifikationen vom Typ I oder Typ II eingebracht.
Um die Materialmodifikation herum kann ein Materialmodifikationsbereich entstehen. Im Unterschied zur Materialmodifikation umfasst der Materialmodifikationsbereich dabei den gesamten Bereich, in dem die Auswirkungen der Einwirkung der Laserpulse beispielsweise anhand der Zugals auch Druckspannungen oder anhand des veränderten Brechungsindex messbar sind. Dies ist insbesondere der Bereich, in dem das Material räumlich gesehen von der Materialmodifikation ausgehend wieder in den Ausgangszustand der unbehandelten Bereiche des Materials übergeht.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trennlinie in das Werkstück eingebracht. Die Trennlinie beschreibt hierbei die Auftrefflinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub einer Vorschubvorrichtung wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben.
Relativ zueinander verschiebbar bedeutet, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Werkstück verschoben werden kann, als auch das Werkstück relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann, oder es findet eine Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls statt. Dadurch kann insbesondere die Fokuszone des Laserstrahls an verschiedenen Orten des Werkstücks platziert werden, um Materialmodifikationen einzubringen. Neben translatorischen Bewegungen entlang der X-, Y- und Z-Achsen sind auch rotatorische Bewegungen möglich, insbesondere Rotationen um die Strahlausbreitungsrichtung herum. Dadurch ist es möglich den Laserstrahl entlang der Trennlinie zu orientieren.
Durch die Trennlinie kann zusammen mit der Strahlausbreitungsrichtung die Trennfläche definiert werden. Die Trennfläche ist hierbei die Fläche entlang derer das Werkstück getrennt werden soll. Durch die eingebrachten Materialmodifikationen entlang der Trennlinie beziehungsweise in der Trennfläche, ist das Werkstück quasi perforiert, so dass durch die Trennfläche eine Sollbruchstelle im Material definiert ist. Diese Perforation führt in der Regel jedoch nicht zu einer selbstständigen Trennung des Materials. Vielmehr sorgen die Materialmodifikationen in der Trennfläche beispielsweise für eine Materialschwächung, sodass beim nachfolgenden Trennschritt das Werkstück entlang der Trennfläche getrennt wird.
Erfindungsgemäß umfasst der Trennschrift das Eintragen von thermischer Energie im Bereich der Materialmodifikation, insbesondere im Materialmodifikationsbereich.
Thermische Energie kann hierbei prinzipiell von einer Heizplatte oder einem Heizofen in das Werkstück eingebracht werden. Insbesondere aber kann thermische Energie auch durch einen Laserstrahl eingebracht werden, wobei der erhöhte lineare Absorptionsgrad der Materialmodifikation zu einem lokalen Erwärmen des Werkstücks führt. Insbesondere kann der Laserstrahl im Trennschritt nicht in dem unmodifizierten Werkstückvolumen absorbiert werden, sondern lediglich im Bereich der Materialmodifikation. Durch die Temperaturgradienten, welche durch die lokale Hitzeeinwirkung entstehen, kann es zu Spannungen im Materialmodifikationsbereich kommen, die eine Rissbildung begünstigen und/oder initiieren und/oder verstärken. Insbesondere können ausgehend von der Materialmodifikation Zug- als auch Druckspannungen entstehen im Materialmodifikationsbereich entstehen, die beispielsweise radial oder orthoradial verlaufen. Durch die Rissbildung kann sich so eine durchgehendende und unverhakte Trennfläche ausbilden, durch die die Teile des Werkstücks voneinander getrennt sind.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass kein mechanisches Trennen oder ätzchemischen Trennen des Werkstücks erforderlich ist. Vielmehr genügt die eingebrachte thermische Energie um die Selbsttrennung des Werkstücks zu initiieren.
Die thermische Energie kann im Trennschritt im Bereich der Materialmodifikationen in das Volumen des Werkstücks eingetragen werden.
Dies kann bedeuten, dass die thermische Energie unterhalb der Oberfläche eingetragen werden kann. Insbesondere kann der Laserstrahl, der die thermische Energie einträgt, unter die Oberfläche des Werkstücks fokussiert werden. Die Fokussierung kann hierbei eingestellt werden, um den thermischen Gradienten und somit die Materialspannung vorzugeben. Vorteilhafterweise wird die Materialspannung dabei so gewählt, dass die Qualität der Trennfläche besonders hoch ist.
Der Laserstrahl kann im Modifikationsschritt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweisen und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl sein.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften quasi nicht-beugender und nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, deren longitudinale Abmessung deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden, um beispielsweise ein einfaches Trennen eines Werkstücks zu gewährleisten.
Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen. Durch eine nicht-radialsymmetrische Strahlquerschnitt lässt sich insbesondere die Richtung der Risspropagation steuern.
Ein nicht-beugender Strahl kann aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus den parallelen Teillaserstrahlen eines kollimierten Gauß'schen Laserstrahls erzeugt werden, wenn alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel β zur optischen Achse des Laserstrahls gebrochen werden. Eine solche Brechung kann etwa mit einer Strahlformeinheit realisiert werden. Die Brechung hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach der Strahlformeinheit auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. So kann über eine longitudinale Länge parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden. Ein Laserstrahl bei dem alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel β zur optischen Achse gebrochen werden, wird idealer nicht-beugender Referenzstrahl genannt.
Eine solches Wellenfeld kann mit einer sogenannten Strahlformeinheit erzeugt werden. Die Strahlformeinheit kann hierbei beispielsweise ein Axicon oder ein diffraktives optisches Element sein.
Die Strahlformeinheit kann beispielsweise als ein diffraktives optisches Element (DOE), eine Freiformoberfläche in reflektiver oder refraktiver Ausführung oder ein Axicon oder ein Microaxicon ausgebildet sein, oder eine Kombination mehrerer dieser Komponenten oder Funktionalitäten beinhalten. Wenn die Strahlformeinheit aus dem Laserstrahl vor der Bearbeitungsoptik einen nicht-beugenden Laserstrahl formt, dann kann über die Fokussierung der Bearbeitungsoptik die Einbringtiefe Intensitätsverteilung in das Material bestimmt werden. Die Strahlformeinheit kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass der nicht-beugende Laserstrahl erst durch eine Abbildung mit der Fokussiervorrichtung erzeugt wird.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung genau einer Intensitätsverteilung eines nicht-beugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird. Ein Axicon ist ein konisch geschliffenes optisches Element, welches aus einem einfallenden Gauß'schen Laserstrahl beim Hindurchtreten einen nicht-beugenden Laserstrahl formt. Insbesondere weist das Axicon einen Konuswinkel α auf, der gerechnet wird von der Strahleintrittsfläche zur Mantelfläche des Konus. Dadurch werden die Randstrahlen eines einfallenden Gauß'schen Laserstrahls zu einem anderen Fokuspunkt gebrochen, als achsnahe Strahlen. Dadurch ergibt sich insbesondere eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung.
Eine Strahlformeinheit kann auch eine Verzögerungsplatte sein. Eine Verzögerungsplatte lenkt einen einfallenden Laserstrahl in Abhängigkeit von der Polarisation des Laserstrahls ab, wobei die Polarisation des Laserstrahls erhalten bleibt. Verzögerungsplatten werden beispielsweise in J. Kim et al. „Fabrication of ideal geometric-phase holograms with arbitrary wavefronts“ Optica Vol. 2, 958 (2015) beschrieben. Verzögerungsplatten nutzen aus, dass eine einfallende Lichtwelle auch durch einen anderen Parameter als die optische Weglänge durch das optische Element - wie das beispielsweise bei einer Linse der Fall ist - beeinflusst werden kann. Zu diesem Zweck wird zur Herstellung einer Verzögerungsplatte in ein Trägermaterial eine doppelbrechende Struktur eingebracht. Die doppelbrechende Struktur erlaubt es hierbei eine polarisationsabhängige Brechung der einfallenden Lichtwelle vorzunehmen, wobei insbesondere über die Form der doppelbrechenden Struktur die Form der durch das geometrische Phasenelement abgelenkten Lichtwelle beeinflusst werden kann. Dadurch kann mit einer ersten Polarisation des einfallenden Laserstrahls beispielsweise ein nicht-beugender Strahl erzeugt werden, während mit einer zweiten Polarisation ein Gauß`scher Laserstrahl erzeugt wird, beziehungsweise der Laserstrahl die Verzögerungsplatte unabgelenkt durchläuft.
Der Laserstrahl kann im Modifikationsschritt so in das Werkstück fokussiert werden, dass die elongierte Fokuszone zum Einbringen der Materialmodifikationen im Wesentlichen in dem Werkstück liegt und bevorzugt so in das Werkstück fokussiert werden, dass sich die elongierte Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung über die gesamte Dicke des Werkstücks hinweg erstreckt.
Die Fokuszone liegt im Wesentlichen in dem Werkstück, wenn die Fokuszone mit mindestens einer Oberfläche des Werkstücks eine Schnittfläche hat. Beispielsweise kann die Fokuszone eine Schnittfläche mit der oberen Oberfläche des Werkstücks haben, so dass die Materialmodifikation an der oberen Oberfläche eingebracht wird. Es kann auch sein, dass die Fokuszone keine Schnittfläche mit den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Werkstücks hat, also insgesamt im Volumen des Werkstücks liegt. Dadurch kann eine besonders homogene Materialmodifikation erzeugt werden.
Bevorzugt kann die Fokuszone eine Schnittfläche mit der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Materials haben. Dadurch kann eine Materialmodifikation über die gesamte Dicke des Werkstücks eingebacht werden. Dadurch lässt sich eine besonders homogen ausgestaltete Materialmodifikation in das Werkstück einbringen, so dass die Qualität der Trennfläche erhöht wird.
Die thermische Energie im Trennschritt kann durch einen auf die im Modifikationsschritt eingebrachten Materialmodifikationen in das Volumen des Werkstücks fokussierten Laserstrahl in das Werkstück eingetragen werden.
Durch die Fokussierung wird ein besonders großer Temperaturgradient in der Materialmodifikation erzeugt, so dass ein besonders einfaches Trennen entlang der Trennfläche erreicht werden kann. Insbesondere kann der Laserstrahl in das Volumen des Werkstücks fokussiert sein, so dass ein thermischer Gradient sich kugelförmig ausbreitet und somit eine Materialspannung im Volumen des Werkstücks aufbaut, die an den Materialmodifikationen in Form einer Rissbildung relaxiert.
Der Laserstrahl im Modifikationsschritt und der Laserstrahl im Trennschritt können senkrecht zueinander polarisiert sein.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Laserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen einem Winkel von 90° zueinander aufweisen. Unter senkrecht zueinander polarisierten Laserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen.
Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass durch eine geeignete Polarisationsoptik weitere Strahleigenschaften beeinflusst werden könne, wie unten gezeigt.
Der Laserstrahl kann im Trennschritt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweisen und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl sein, wobei bevorzugt im Trennschritt der gleiche Laserstrahl verwendet werden kann, wie im Modifikationsschritt, und besonders bevorzugt der gleiche Laserstrahl mit gegenüber den im Modifikationsschritt verwendeten Laserparametern veränderten Laserparametern, bevorzugt mit einer veränderten Intensität und/oder einer veränderten Repetitionsrate und/oder einer veränderten Pulsdauer und/oder einer veränderten mittleren Leistung.
Dadurch kann erreicht werden, dass zwischen dem Modifikationsschritt und dem Trennschritt die Fokussieroptik nicht gewechselt oder verändert und justiert werden muss. Insbesondere kann der Laserstrahl in beiden Schritten ein nicht-beugender Strahl sein.
Die Anpassung der Funktionalität, geschieht über das Einstellen der Laserparameter beispielsweise mittels der Steuerelektronik des Lasers. Beispielsweise kann eine höhere oder niedrigere Repetitionsrate des Lasers eingestellt werden und/oder eine Pulsdauer eingestellt werden und/oder eine mittlere Leistung eingestellt werden.
Beispielsweise können im Trennschritt sogenannte Laserbursts, insbesondere GHz-Burst verwendet werden oder ein quasi-CW-Modus des Lasers mit besonders langen Pulsdauern. Zudem kann eine verringerte Intensität in der Fokuszone verwendet werden, oder eine gegebenenfalls deutlich erhöhte mittlere Leistung.
Der Laserstrahl kann im Trennschritt so in das Werkstück fokussiert werden, dass die elongierte Fokuszone zum Einbringen der Materialmodifikationen im Wesentlichen im Volumen des Werkstücks liegt und bevorzugt so in das Werkstück fokussiert werden, dass sich die elongierte Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung über die gesamte Dicke des Werkstücks erstreckt.
Dadurch kann der thermische Gradient in dem Material vorgegeben werden. Insbesondere kann somit eingestellt werden, ob sich der thermische Gradient von der oberen Oberfläche zur unteren Oberfläche erstreckt oder umgekehrt. Wenn sich die Fokuszone über des gesamte Dicke des Werkstücks erstreckt, dann wird die Materialmodifikation in Strahlausbreitungsrichtung homogen erwärmt. Es kommt jedoch zu lateralen thermischen Gradienten, die sich in der Ebene des Werkstücks ausbreiten. Somit kann eine laterale Rissbildung induziert werden, wobei sich die Risse entlang der Trennfläche ausbreiten.
Die Materialmodifikationen können im Modifikationsschritt in einer ersten Überfahrt entlang der Trennfläche eingebracht werden und die thermische Energie im Trennschritt in einer zweiten Überfahrt in dem Volumen des Werkstücks im Bereich der Materialmodifikationen eingetragen werden.
Eine Überfahrt ist hierbei das Überstreichen des Werkstücks mit dem Laserstrahl entlang der Trennlinie.
In beiden Überfahrten kann beispielsweise dieselbe Trennlinie abgefahren werden, so dass der Laser mit den veränderten Laserparametern zuerst die Materialmodifikationen einbringt und in der zweiten Überfahrt den thermischen Gradienten einbringt. Dadurch kann insbesondere ein Umpositionieren und Einjustieren des Werkstücks zwischen dem Modifikationsschritt und dem Trennschritt vermieden werden.
Der Laserstrahl kann im Trennschritt einen in das Volumen des Materials auf die Materialmodifikationen fokussierten Fokus, bevorzugt einen Gauß-Fokus, aufweisen und bevorzugt ein beugender Laserstrahl sein.
Der Laserstrahl kann im Trennschritt eine mittlere Leistung von mehr als 1W aufweisen.
Durch einen Gauß-Fokus kann ein sehr lokales Einbringen der thermischen Energie ermöglicht werden, so dass ein besonders großer thermischer Gradient erzeugt werden kann. Insbesondere kann durch den Gauß-Fokus eine kugelfömige Spannung im Werkstück erzeugt werden, so dass eine transversal und longitudinal wirkende Materialspannung im Werkstück entsteht und so eine Rissausbreitung sowohl in Vorschub- wie auch in Strahlausbreitungsrichtung bewirkt wird.
Durch die sehr lokale Absorption bei einem Gauß-Fokus ist die Materialspannung größer und die Rissbildung ist stärker als bei kleineren mittleren Leistungen oder bei ausgedehnten Fokuszonen. Insbesondere kann durch die starke Fokussierung der Trennschritt auch mit einer reduzierten mittleren Leistung durchgeführt werden.
Im Trennschritt kann durch den in das Volumen des Werkstücks fokussierte Laserstrahl zusätzlich ein Abtrag an einer Oberfläche des Werkstücks eingetragen werden, der bevorzugt eine Kerbwirkung hervorruft.
Eine solche Kerbwirkung kann die Rissausbreitung weiter verstärken, so dass das Werkstück entlang der Trennfläche mit einer besonders hohen Qualität getrennt werden kann.
Für den Modifikationsschritt und den Trennschritt kann derselbe Laser verwendet werden und ein Umschalten zwischen dem nicht-beugenden Strahl für den Modifikationsschritt und dem beugenden Strahl für den Trennschritt kann durch das Herausnehmen eines strahlformenden Elements aus dem Strahlengang oder durch Umschalten der Polarisation durchgeführt werden.
Wie weiter oben beschrieben kann der Gauß'sche Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers durch eine Strahlformeinheit in einen nicht-beugenden Laserstrahl geformt werden. Sobald die Strahlformeinheit aus dem Strahlengang des optischen Systems entfern wird, kann lediglich ein Gauß'sche Laserstrahl in das Werkstück eingebracht werden.
Wenn hingegen die Strahlformeinheit eine Verzögerungsplatte ist, dann kann die Strahlform durch ein Einstellen der Polarisation des Laserstrahls vor der Verzögerungsplatte eingestellt werden. Beispielsweise kann die Polarisation mit einer Lambda/2-Platte oder einer Lambda/4-Platte oder einem Dünnfilmpolarisation entsprechend eingestellt werden. Dann kann die Strahlformeinheit für den Wechsel der Strahlform im Strahlengang verbleiben.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Trennen mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Trennen eines transparenten Werkstücks, aufweisend einen Ultrakurzpulslaser, eine Strahlformeinheit, eine Fokussiereinheit und eine Verschiebevorrichtung, welche so eingerichtet sind, dass in einem Modifikationsschritt ein ultrakurze Laserpulse umfassender Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers zur Ausbildung eines nicht-beugenden Laserstrahls durch die Strahlformeinheit geleitet wird und der durch die Strahlformeinheit geformte, nicht-beugende Laserstrahl durch die Fokussiereinheit geleitet wird, wobei die Fokussiereinheit den Laserstrahl zur Ausbildung einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone in das Volumen des transparenten Werkstücks fokussiert, und wobei die Vorschiebevorrichtung die in das transparente Werkstück fokussierte elongierte Fokuszone und das transparente Werkstück zur Ausbildung einer Trennfläche relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegen kann, und wobei in einem Trennschritt die Strahlformungseinheit aus dem Strahlengang entfernbar ist, so dass der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers direkt durch die Fokussiereinheit geleitet wird, oder die Polarisation des Laserstrahl drehbar ist, so dass der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers seine Strahlform beim Durchgang durch die Strahlformeinheit beibehält, wobei die Fokussiereinheit den Laserstrahl zur Ausbildung eines Gauß-schen Fokus in das Volumen des transparenten Werkstücks im Bereich der Trennfläche fokussiert, und wobei die Vorschiebevorrichtung den in das Volumen des transparenten Werkstücks fokussierten Fokus und das transparente Werkstück entlang der Trennfläche relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegen kann.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Modifikationsschritts des Verfahrens;
2A, B, C gref> eine weitere schematische Darstellung des Modifikationsschritts des Verfahrens;
3A, B, C, D, E eine schematische Darstellung des Trennschritts des Verfahrens;
4A, B eine weitere schematische Darstellung des Trennschritts des Verfahrens;
5A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Axicon als Strahlformeinheit; und
6A, B eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Verzögerungsplatte als Strahlformeinheit.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1 ist schematisch ein erster Modifikationsschritt des Verfahrens gezeigt. Hierbei wird ein Laserstrahl 20 von einem Ultrakurzpulslaser 2 (nicht gezeigt) erzeugt und in das transparente Werkstück 1 fokussiert. Der Laserstrahl 20 weist hierbei eine Fokuszone 22 auf, innerhalb derer die Intensität des Laserstrahl 20 groß genug ist, um mit dem Material des transparenten Werkstücks 1 nichtlinear zu wechselwirken. Insbesondere ist die Intensität in der elongierten Fokuszone 22 somit größer als die Modifikationsschwelle des Materials des Werkstücks 1.
Durch die nichtlineare Wechselwirkung kann der Laserstrahl 20 überhaupt erst mit dem für die Wellenlänge des Laserstrahls 20 transparenten Werkstück 1 wechselwirken.
Durch die nichtlineare Wechselwirkung können Materialmodifikationen 3 in das Werkstück 1 eingebracht werden. Die Materialmodifikationen 3 können vom Typ I und/oder Typ II und/oder Typ III Modifikationen sein, wie oben beschrieben. Um die Materialmodifikationen 3 können sich Materialmodifikationsbereiche 30 ausbilden in denen das Material des Werkstück 1 von dem modifizierten Zustand in den Grundzustand des Materials übergeht. Dieser Übergang kann kontinuierlich sein, so dass sich ein Materialmodifikationsbereich 30 über eine gewisse Länge erstreckt. Es kann aber auch sein, dass der Materialmodifikationsbereich 30 lediglich mit der Materialmodifikation 3 zusammenfällt und ein sprunghafter Übergang von der Materialmodifikation 3 zum umgebenden Material vorliegt.
Der Laserstrahl 20 und das Werkstück 1 können relativ zueinander mit einer Vorschubvorrichtung 4 (nicht gezeigt) mit einem Vorschub V verschoben werden. Vorliegend ist der Vorschub V parallel zur x-Achse ausgerichtet und die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 20 ist die z-Achse. Indem die Materialmodifikationen 3 während des Vorschubs in das Werkstück 1 eingebracht werden, beziehungsweise der Laserstrahl 20 und das Werkstück 1 zwischen den Materialmodifikationen 3 verschoben werden, werden die Materialmodifikationen 3 in einer Trennfläche 32 angeordnet. Die Trennfläche 32 ist hierbei die Fläche in der die Materialmodifikationen 3 liegen. Durch die Materialmodifikationen 3 ist die Trennfläche 32 insbesondere die Fläche entlang derer das Werkstück 1 im Trennschritt getrennt werden soll. Die Materialmodifikationen 3 sind hierbei bevorzugt vom Typ III.
Im vorliegenden Fall weist der Laserstrahl 20 eine elongierte Fokuszone 22 auf. Die Fokuszone 22 ist demensprechend in Strahlausbreitungsrichtung länger als in einer Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung. Zudem wird die elongierte Fokuszone 22 in dem gezeigten Beispiel im Volumen des Werkstücks 1 angeordnet.
In 2 sind weitere Beispiele gezeigt, mit denen Materialmodifikationen 3 in das Werkstück 1 eingebracht werden können.
In 2A ist ein Gauß'scher Laserstrahl gezeigt, der eine Vielzahl von Materialmodifikationen 3 sukzessive in das Werkstück 1 einbringen kann. Der Gauß'sche Laserstrahl weist keine elongierte Fokuszone 22 auf, sondern eine sehr lokalisierte Fokuszone. Die longitudinale und transversale Ausdehnung der Fokuszone 22 sind hierbei in derselben Größenordnung. Durch eine Fokussierung des Laserstrahls 20 mit einer Fokussiervorrichtung 5 (nicht gezeigt) kann beispielsweise die Einbringtiefe der Materialmodifikationen 3 in dem Werkstück 1 eingestellt werden. Insbesondere können die Materialmodifikationen 3 in das Volumen des Werkstücks 1 eingebracht werden.
In 2B ist ein elongierter nicht-beugender Strahl gezeigt, dessen Fokuszone 22 teilweise in dem Volumen des Werkstücks 1 liegt. Insbesondere weist die Fokuszone 22 eine Schnittfläche mit der oberen Oberfläche des Werkstücks 1 auf. Mit der unteren Oberfläche des Werkstücks 1 weist die Fokuszone 22 keine Schnittfläche auf. Dementsprechend beginnen die Materialmodifikationen 3 an der oberen Oberfläche des Werkstücks 1 und enden vor der unteren Oberfläche.
In 2C ist ein elongierter nicht-beugender Strahl gezeigt, dessen Fokuszone 22 länger als die Dicke des Werkstücks 1 ist. Dadurch kann über die gesamte Dicke des Werkstücks 1 eine Materialmodifikation 3 in das Material des Werkstücks 1 eingebracht werden.
In 3A ist ein erster Trennschritt des Verfahrens gezeigt. Hierbei wird thermische Energie im Bereich der Materialmodifikationen 30 in das Werkstück 1 eingetragen. Ein solcher Eintrag von thermischer Energie kann beispielsweise über eine Heizplatte erzeugt werden, auf der das Werkstück 1 angeordnet wird. Eine Heizplatte kann hierbei eine Seite des Werkstücks 1 aufheizen, so dass ein thermischer Gradient entsteht. In 3A wird beispielsweise die linke Seite des Werkstücks 1 beheizt, so dass ein thermischer Gradient entlang der x-Achse entsteht. Dementsprechend kann durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung des Werkstücks entlang der x-Achse eine Materialspannung erzeugt werden.
Diese Materialspannung kann im Bereich der Materialmodifikationen 3 spontan relaxieren, was zu einer Rissbildung führt. Im vorliegenden Beispiel sind die Materialmodifikationen 3 symmetrisch im Volumen des Werkstücks ausgerichtet. Durch den thermischen Gradienten, der an einer Seite des Werkstücks beginnt, kann die Materialspannung entlang der Trennfläche 32 ausgerichtet werden, so dass das Werkstück 1 besonders einfach entlang der Trennfläche 32 getrennt werden kann.
In 3B ist eine weiterer möglicher Trennschritt gezeigt. Hierbei beginnen die Materialmodifikation 3 an der oberen Oberfläche des Werkstücks 1 und enden vor der unteren Oberfläche des Werkstücks 1. Die thermische Energie wird hierbei global, etwa durch einen Heizofen, in das Werkstück 1 eingebracht. Die thermische Energie führt zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Materials des Werkstücks 1. Insbesondere kann die thermische Ausdehnung des Materials des Werkstücks 1 der z-Achse unterschiedlich groß sein, da die Materialmodifikationen 3 nicht symmetrisch im Volumen des Werkstücks 1 angeordnet sind. Dementsprechend kann der homogene Eintrag der thermischen Energie zu einer Materialspannung führen, die an den Materialmodifikationen 3 relaxiert und so zu einer Rissbildung führt. Durch die Materialmodifikationen 3 ist das Werkstück 30 entlang der Trennfläche quasi perforiert, so dass die Rissbildung in der Trennfläche 32 erfolgt und so ein Trennen des Werkstücks 1 entlang der Trennfläche 32 erfolgt.
In 3C ist ein weiterer möglicher Trennungsschritt gezeigt. Hierbei wird zum Trennen des Werkstücks 1 derselbe Laserstrahl 20 verwendet, der auch zur Erzeugung der Materialmodifikationen 3 verwendet wurde. Der Laserstrahl 20 zum Trennen weist insbesondere die selbe Fokuszone 22 auf und kann insbesondere ein nicht-beugender Laserstrahl 20 sein. Der Laserstrahl 20 zum Trennen unterschiedet sich vom Laserstrahl 20 zum Modifizieren jedoch darin, dass eine veränderte Intensität und/oder eine veränderte Repetitionsrate und/oder eine veränderte Pulsdauer verwendet wird. Insbesondere kann durch die Materialmodifikationen 3 in dem Bereich der Materialmodifikationen 30 eine lineare Absorption des Laserstrahls 20 stattfinden, so dass es zu einer lokalen Absorption des Laserstrahl 20 kommt, beziehungsweise zu einem lokalen Erhitzen des Werkstücks 1.
Durch den Eintrag der thermischen Energie können durch den Laserstrahl 20 auch Materialmodifikationen des Typs I oder des Typs II eingebracht werden.
Insbesondere ist im vorliegenden Beispiel die elongierte Fokuszone 22 des Laserstrahls länger als die Dicke des Werkstücks 1. Dadurch kann die thermische Energie gleichmäßig im Bereich der Materialmodifikation 30 eingebracht werden. Der thermische Gradient verläuft schließlich in der Ebene des Werkstücks, so dass der thermische Gradient und die daraus entstehende Spannung die benachbarten Materialmodifikationen 30 überstreichen, so dass es zu einer Rissbildung kommt, die das Werkstücks 3 entlang der Trennfläche 30 trennt.
In 3D ein weiterer möglicher Trennschritt gezeigt, bei dem die Materialmodifikationen im Wesentlichen im Volumen des Werkstücks 1 liegen und im Trennschritt ein Laserstrahl 20 mit einer elongierten Fokuszone 22 verwendet wird. Der Laserstrahl wird hierbei dominant im Bereich der Materialmodifikation 3 absorbiert. Da die Materialmodifikation 3 kürzer als die Dicke des Werkstücks ist, erzeugt die Absorption des Laserstrahls 20 auch eine Materialspannung in der Schichtdicke, mit dem das Werkstück 1 besonders effektiv getrennt werden kann.
In 3E ist ein weiterer möglicher Trennschritt gezeigt, bei dem mit einem Gauß'schen Laserstrahl 20 thermische Energie in das Werkstück 1 eingebracht wird. Der Gauß'sche Laserstrahl 20 weist hierbei keine elongierte Fokuszone 22 auf, so dass ein hoher thermischer Gradient durch die hohe Intensität in der Fokuszone 22 entstehen kann. Beispielsweise kann der Laserstrahl 20 hierbei eine mittlere Leistung von mehr als 1W aufweisen.
Die Fokuszone 22 des Gauß'sche Laserstrahls 20 kann auch unter die obere Oberfläche oder über die untere Oberfläche des Werkstücks 1 angeordnet werden, so dass an besagter Oberfläche durch die eingebrachte Laserleistung ein Abtrag erzeugt wird, der eine Kerbwirkung erzeugt, durch die das Werkstück 1 getrennt werden kann.
In 4A, B ist gezeigt, dass die nicht-beugenden Laserstrahlen 20 einen nichtrotationssymmetrischen transversalen Querschnitt aufweisen können, so dass beispielsweise bei dem elliptischen Strahlquerschnitt auch elliptische Materialmodifikationen 3 erzeugt werden können. Bei solchen elliptischen Materialmodifikationen erfolgt die Rissausbreitung bevorzugt in Richtung der langen Achse der Ellipse. Dies ermöglicht eine gezielte und quasi steuerbare Risspropagation, so dass auch komplexere Trennflächen 32 erzeugt werden können.
In 5A ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt. Hierbei gibt der Laser 2 ultrakurze Laserpulse ab, die den Laserstrahl 20 ausbilden. Der Laserstrahl 20 fällt anschließend durch eine Strahlformeinheit 5. Die Strahlformeinheit 5 kann hierbei insbesondere ein Axicon 5 sein, welches ein konisch geschliffenes optisches Element ist. Durch den konischen Schliff werden randferne Strahlen zu einem anderen Punkt entlang der Strahlausbreitungsrichtung gebrochen, als achsnahe Strahlen.
Anschließend wird der Laserstrahl 20 durch eine Fokussiervorrichtung 50, 50` in die Fokuszone 22 fokussiert. Zum Fokussierung kann hinter dem Axicon 5 eine Linse 50' angeordnet sein, die zusammen mit der Linse 50 ein Teleskop bilden kann. Es kann jedoch auch sein, dass das Axicon 5 bereits eine sphärische Rückseite aufweist und somit bereits eine Linsenfunktion beinhaltet. In diesem Fall wird zum Formen eines Teleskops nur noch die Linse 50 benötigt. In jedem Fall kann durch die Fokussiervorrichtung 50, 50' nach der Strahlformeinheit 5 eine elongierte Fokuszone 20 erzeugt werden. Beispielsweise können mit dem gezeigten Aufbau Materialmodifikationen 3 in dem Werkstück 1 erzeugt werden, wobei die Materialmodifikationen 3 im Wesentlichen in dem Volumen des Werkstücks 1 liegen.
Um mit dem optischen Aufbau die Trennung des Werkstücks 1 entlang der Trennfläche 32 zu bewerkstelligen, kann für den Trennschritt das Axicon 5 (optional mit der Linse 50`) aus des Strahlengang entfernt werden, wie in 5B gezeigt. Beispielsweise kann das Axicon (optional mit Linse 50`) mittels Optikrevolver aus dem Strahlengang geschwenkt werden. Dadurch kann das Axicon (optional mit Linse 50`) auch besonders justagesicher erneut in den Strahlengang geschwenkt werden.
Wenn das Axicon (optional mit Linse 50`) aus dem Strahlengang geschwenkt wurde, dann kann die Linse 50 den Gauß'schen Laserstrahl 20 in eine lokale Fokuszone 22 überführen. Beispielsweise kann die Fokuszone 22 im Volumen des Werkstücks 1 liegen und dort thermische Energie einbringen. In diesem Beispiel wurde somit für den Modifikationsschritt und den Trennschritt derselbe Laser 1 verwendet. Insbesondere muss bei diesem Aufbau das Werkstück 1 zwischen dem Modifikationsschritt und dem Trennschritt nicht neu einjustiert werden. Insbesondere kann das Werkstück 1 auf der vorhandenen Vorschubvorrichtung 4 montiert bleiben.
Eine weitere Vorrichtung ist in 6A, B gezeigt. Hierbei stellt der Laser 2 einen polarisierten Laserstrahl 20 bereit, der durch eine Verzögerungsplatte als Strahlformeinheit 5 fällt. Die Verzögerungsplatte 5 kann aus dem Laserstrahl 20 mit einer ersten Polarisation einen nicht-beugenden Laserstrahl 20 formen und aus dem Laserstrahl mit einer zweiten Polarisation einen Gauß'schen Laserstrahl 20 formen, beziehungsweise die Strahlform des einfallenden Laserstrahls 20 unverändert lassen.
Insbesondere kann die Verzögerungsplatte 5 dem Laserstrahl 22 mit der ersten Polarisation eine Phasenfront aufprägen, die der Phasenfront des Laserstrahls 22 entspricht, wenn er durch ein Axicon mit Linsenfunktion fällt.
Der Laserstrahl 22 wird anschließend durch die Linse 50 in das Werkstück 1 fokussiert, wobei eine Schaltung der Polarisation die Strahlform und die Form der Fokuszone 22 ändert. Insbesondere können der Laserstrahl 20 im Modifikationsschritt und de Laserstrahl 20 im Trennschritt senkrecht zueinander polarisiert sein. Die Polarisation des Laserstrahl 20 kann hierbei bevorzugt vor der Strahlformeinheit 5 durch eine Polarisationseinheit 6 in Form einer Lambda/2-Platte oder einer Lambda/4-Platte oder eines Dünnfilmpolarisator eingestellt werden.
Im Modifikationsschritt kann der nicht-beugende Laserstrahl 22 mit der Vorschubvorrichtung 4 entlang einer Trennlinie verschieben, so dass die Materialmodifikationen 3 an benachbarten Orten in das Werkstück 1 eingebracht werden können. Insbesondere wird so durch den Vorschub Veine Trennfläche 32 definiert. Im Trennschritt kann schließlich auf die zweite Gauß'sche Strahlform durch eine der genannten Methoden zugegriffen werden, wobei mit der Vorschubvorrichtung 4 die Trennlinie erneut abgefahren werden kann. Dadurch wird schließlich thermische Energie in das Werkstück 1 insbesondere in die Materialmodifikationen 3 entlang der Trennlinie eingebracht, so dass das Werkstück 1 entlang der Trennfläche 32 getrennt wird.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Laser
20: Laserstrahl
22: Fokuszone
3: Materialmodifikation
30: Bereich der Materialmodifikation
32: Trennfläche
4: Vorschubvorrichtung
5: Strahlformeinheit
50, 50`: Fokussiervorrichtung
6: Polarisationseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20190047894 [0003]
EP 2754524 [0004]

Claims

Verfahren zum Trennen eines transparenten Werkstücks (1), wobei in einem Modifikationsschritt mittels eines ultrakurze Laserpulse (200) aufweisenden Laserstrahls (20) entlang einer Trennfläche (32) Materialmodifikationen (3) in das Volumen des Werkstücks (1) eingebracht werden und dann in einem Trennschritt durch Eintrag thermischer Energie das Werkstück (1) entlang der Trennfläche (3) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie im Trennschritt im Bereich der Materialmodifikationen (30) in das Werkstück (1) eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie im Trennschritt im Bereich der Materialmodifikationen (30) in das Volumen des Werkstücks (1) eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Modifikationsschritt in das Werkstück Materialmodifikationen (3) vom Typ I und/oder vom Typ II und/oder vom Typ III eingebracht werden, wobei bevorzugt in das Volumen des Werkstücks (1) entlang der Trennfläche (32) Materialmodifikationen vom Typ III eingebracht werden und im Trennschritt durch das Einbringen der thermischen Energie Materialmodifikationen vom Typ I oder Typ II eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Modifikationsschritt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (22) aufweist und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Modifikationsschritt so in das Werkstück (1) fokussiert wird, dass die elongierte Fokuszone (22) zum Einbringen der Materialmodifikationen (3) im Wesentlichen in dem Werkstück (1) liegt und bevorzugt so in das Werkstück (1) fokussiert wird, dass sich die elongierte Fokuszone (22) in Strahlausbreitungsrichtung über die gesamte Dicke des Werkstücks (1) hinweg erstreckt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie im Trennschritt durch einen auf die im Modifikationsschritt eingebrachten Materialmodifikationen (3) in das Volumen des Werkstücks (1) fokussierten Laserstrahl (20) in das Werkstück (1) eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Modifikationsschritt und der Laserstrahl (20) im Trennschritt senkrecht zueinander polarisiert sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Trennschritt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone (22) aufweist und bevorzugt ein nicht-beugender Laserstrahl (20) ist, wobei bevorzugt im Trennschritt der gleiche Laserstrahl (20) verwendet wird, wie im Modifikationsschritt, und besonders bevorzugt der gleiche Laserstrahl (20) mit gegenüber den im Modifikationsschritt verwendeten Laserparametern veränderten Laserparametern, bevorzugt mit einer veränderten Intensität und/oder einer veränderten Repetitionsrate und/oder einer veränderten Pulsdauer und/oder einer veränderten mittleren Leistung.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Trennschritt so in das Werkstück (1) fokussiert wird, dass die elongierte Fokuszone (22) zum Einbringen der Materialmodifikationen (3) im Wesentlichen im Volumen des Werkstücks (1) liegt und bevorzugt so in das Werkstück (1) fokussiert wird, dass sich die elongierte Fokuszone (22) in Strahlausbreitungsrichtung über die gesamte Dicke des Werkstücks (1) erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmodifikationen (3) im Modifikationsschritt in einer ersten Überfahrt entlang der Trennfläche (32) eingebracht werden und die thermische Energie im Trennschritt in einer zweiten Überfahrt in dem Volumen des Werkstücks (1) im Bereich der Materialmodifikationen (30) eingetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Trennschritt einen in das Volumen des Werkstücks (1) auf die Materialmodifikationen (3) fokussierten Fokus (22), bevorzugt einen Gauß-Fokus, aufweist und bevorzugt ein beugender Laserstrahl (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) im Trennschritt eine mittlere Leistung von mehr als 1W aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Trennschritt durch den in das Volumen des Werkstücks (1) fokussierten Laserstrahl (20) zusätzlich ein Abtrag an einer Oberfläche des Werkstücks (1) eingetragen wird, der bevorzugt eine Kerbwirkung hervorruft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für den Modifikationsschritt und den Trennschritt derselbe Laser (2) verwendet wird und ein Umschalten zwischen dem nicht-beugenden Laserstrahl (20) für den Modifikationsschritt und dem beugenden Laserstrahl (20) für den Trennschritt durch das Herausnehmen einer Strahlformeinheit (5) aus dem Strahlengang oder durch Umschalten der Polarisation durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Trennen eines transparenten Werkstücks, aufweisend einen Ultrakurzpulslaser (2), eine Strahlformeinheit (5), eine Fokussiereinheit (50) und eine Verschiebevorrichtung, welche so eingerichtet sind, dass in einem Modifikationsschritt ein ultrakurze Laserpulse umfassender Laserstrahl (20) des Ultrakurzpulslasers (2) zur Ausbildung eines nicht-beugenden Laserstrahls (20) durch die Strahlformeinheit (5) geleitet wird und der durch die Strahlformeinheit (5) geformte, nicht-beugende Laserstrahl (20) durch die Fokussiereinheit (50) geleitet wird, wobei die Fokussiereinheit (50) den Laserstrahl (20) zur Ausbildung einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Fokuszone (22) in das Volumen des transparenten Werkstücks (1) fokussiert, und wobei die Vorschiebevorrichtung die in das transparente Werkstück fokussierte elongierte Fokuszone (22) und das transparente Werkstück (1) zur Ausbildung einer Trennfläche (32) relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegen kann, und wobei in einem Trennschritt die Strahlformeinheit (5) aus dem Strahlengang entfernbar ist, so dass der Laserstrahl (20) des Ultrakurzpulslasers (2) direkt durch die Fokussiereinheit (50) geleitet wird, oder die Polarisation des Laserstrahls (20) drehbar ist, so dass der Laserstrahl (20) des Ultrakurzpulslasers (2) seine Strahlform beim Durchgang durch die Strahlformeinheit (5) beibehält, wobei die Fokussiereinheit (50) den Laserstrahl (20) zur Ausbildung eines Gauß'schen Fokus (22) in das Volumen des transparenten Werkstücks (1) im Bereich der Trennfläche (32) fokussiert, und wobei die Vorschiebevorrichtung den in das Volumen des transparenten Werkstücks (1) fokussierten Fokus (22) und das transparente Werkstück (1) entlang der Trennfläche (32) relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegen kann.