DE102023100969A1

DE102023100969A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE102023100969A1
Application number: DE102023100969.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ortner; Fabian Wagner; Vanessa Gläßer; Lukas Walter
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2023-01-17
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2024-07-18

Abstract

Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung von Werkstücken (3), wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Laser (7) und eine Positioniereinrichtung (5) umfasst, um verschiedene Auftreffpositionen (71) eines Laserstrahls (70) des Lasers (7) auf einem Werkstück (3) einzustellen, wobei die Positioniereinrichtung eine drehbare Halterung (9) für zumindest ein Werkstück (3) mit einem Antrieb (11) umfasst, um die Halterung (9) in Rotation zu versetzen, und wobei die Rotationsachse (90) der Halterung (9) so orientiert ist, dass sie eine Komponente parallel zur Einstrahlrichtung des Laserstrahls (70) aufweist,und wobei die Vorrichtung (1) eine Steuereinrichtung (13) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (13) eingerichtet ist, während der Rotation der Halterung (9) die Abgabe des Laserstrahls (70) in Abhängigkeit der Winkelstellung der Halterung (9) und damit die Auftreffposition (71) des Laserstrahls (70) auf dem Werkstück (3) einzustellen

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Materialbearbeitung mit einem Laser. Insbesondere betrifft die Erfindung dabei die Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks gegenüber dem Laserstrahl.
Allgemein zeichnen sich laserbasierte Materialbearbeitungsverfahren dadurch aus, dass sie durch das Rastern des Laserstrahls über das Werkstück hochgradig flexibel sind hinsichtlich des Musters, welches der Laserstrahl abfährt. Dadurch entfallen auch Umrüstzeiten. Gegenüber anderen optischen Bearbeitungsverfahren, wie etwa der klassischen Lithographie in der Halbleiter-Fertigung bestehen allerdings Nachteile in der Bearbeitungsgeschwindigkeit, da die zu bearbeitenden Punkte auf dem Werkstück sequenziell angefahren werden. Außerdem ist hierbei oft die Umkehr der Bewegungsrichtung erforderlich, also ein wiederholtes Abbremsen, (kurzzeitiges) Halten und Beschleunigen in entgegengesetzter Richtung.
Ein geschwindigkeitsbegrenzender Parameter, etwa bei der Filamentierung transparenter Werkstoffe, ist die Laserfrequenz. Bei rechtzeitiger Positionierung des Produkts unter dem Laser beschreibt die Laserfrequenz wie viele Filamente pro Zeiteinheit in das Produkt gesetzt werden können. Kommerzielle Laser können Frequenzen von bis zu 2 MHz ermöglichen. Technisch machbar werden auch höhere Frequenzen.
Zur maximalen Ausnutzung der Laserfrequenz müsste das Werkstück entsprechend schnell bewegt werden. Hierfür werden üblicherweise X-Y-Tische genutzt. Das Bearbeitungsmuster wird beispielsweise spaltenweise (z.B. Y-Strecke) abgefahren. Innerhalb einer Spaltenfahrt wird der Tisch beschleunigt um entsprechende Prozessgeschwindigkeiten erreichen zu können, diese Geschwindigkeit muss am Spaltenende auch wieder ausgebremst werden. Dabei zeichnen sich folgende Nachteile ab:

Beschleunigungs- und Bremsstrecken können innerhalb oder außerhalb des Werkstücks genutzt werden. Außerhalb des Werkstücks können die Zeiten für Beschleunigungs- und Bremsstrecken nicht zur Prozessierung genutzt werden. Dies verlängert die Prozesszeit. Weiterhin muss jede Spalte separat angefahren werden, dies benötigt zusätzlich Prozesszeit.

Schlagartiges Ausbremsen und Beschleunigen führt in Kombination mit Masse zu Vibrationen, damit zu einem Genauigkeitsverlust und erhöhtem Verschleiß der Anlage. Zum Abbauen von Vibration nach dem Abbremsen sind Wartezeiten vor dem erneuten Anfahren nötig, die Anlagensteuerungen sehen entsprechend konfigurierbare Wartezeiten und -positionen vor. Diese Be- bzw. Entschleunigungsstrecken des Tisches führen zu höheren Abweichungen in einer Linearausrichtung. Diese Problematik tritt besonders bei großen Produkten (200 mm Wafer oder größer), mit einem sehr hohen Belegungsgrad auf (z.B. 1 Struktur pro 5 mm²).
Hohe Pulsfrequenzen können auch zu einer unvollständigen Materialbearbeitung führen. So kann bei sehr hohen Frequenzen (2 MHz) bei manchen Lasern beim Einfügen von Filamenten in transparente Werkstoffe die Filamente nicht mehr ordentlich erzeugt werden. Bei solch hohen Frequenzen reicht die Energie häufig nicht aus um das komplette Filament auszuprägen. Die Strukturierung im Werkstück wird dann nicht mehr homogen sein.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, die Bearbeitung von Werkstücken mit Lasern zu beschleunigen und auch die Positionsgenauigkeit des Auftreffpunkts des Lasers auf dem Werkstück zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken vor, wobei die Vorrichtung zumindest einen Laser und eine Positioniereinrichtung umfasst, um verschiedene Auftreffpositionen eines Laserstrahls des Lasers auf einem Werkstück einzustellen, beziehungsweise anzufahren oder abzurastern. Die Positioniereinrichtung weist eine drehbare Halterung mit einem Antrieb auf, um die Halterung in Rotation zu versetzen. Dabei ist die Rotationsachse der Halterung so orientiert, dass sie eine Komponente parallel zur Einstrahlrichtung des Laserstrahls, beziehungsweise zur Achse des Laserstrahls aufweist. Die Vorrichtung umfasst eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, während der Rotation der Halterung die Abgabe des Laserstrahls und auf diese Weise die Auftreffposition des Laserstrahls auf dem Werkstück einzustellen. Die Einstellung der Auftreffpositionen kann dabei insbesondere durch die Zeitpunkte der Abgabe des Laserstrahls und/oder der Winkelstellung der Halterung erfolgen.
Mit der Vorrichtung kann ein entsprechendes Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken durchgeführt werden, bei welchem

- ein Werkstück mit einem von einem Laser abgegebenen Laserstrahl bearbeitet wird, während das Werkstück und der Laser, oder allgemeiner der Laserstrahl, relativ zueinander rotieren, um verschiedene Auftreffpositionen des Laserstrahls des Lasers auf einem Werkstück anzufahren, beziehungsweise einzustellen, wobei
- der Laserstrahl so auf das Werkstück gerichtet wird, dass die Einstrahlrichtung des Laserstrahls eine Komponente parallel zur Rotationsachse der Halterung aufweist, und wobei
- gesteuert durch eine Steuereinrichtung während der Rotation der Halterung die Abgabe des Laserstrahls in Abhängigkeit der Winkelstellung der Halterung und damit die Auftreffposition des Laserstrahls auf dem Werkstück eingestellt wird.

Es ist bevorzugt, wenn das Werkstück rotiert wird, wenn also die Halterung eine Halterung für das Werkzeug darstellt. Diese Konfiguration ist in vielen Fällen einfacher realisierbar und erfordert eine geringere rotierende Masse. Demgemäß wird in bevorzugter Weiterbildung des Verfahrens

- ein Werkstück auf einer drehbaren Halterung einer Positioniereinrichtung gehaltert,
- die Halterung mittels eines Antriebs in Rotation versetzt, und
- das auf der Halterung rotierende Werkstück mit einem Laserstrahl bearbeitet wird.

Die Winkelstellung der Halterung kann dabei durch den Rotationswinkel oder auch korrespondierend dazu die vergangene Zeit seit einem festgelegten Start-Zeitpunkt umfassen. Mit anderen Worten ist die Steuereinrichtung eingerichtet, die Abgabe von Licht synchronisiert mit der Rotation der Halterung zu steuern, um eine bestimmte Position des Auftreffpunkts des Laserlichts auf dem Werkstück zu erreichen.
Eine Kernidee ist mithin ein drehender Produkttisch, beziehungsweise eine sich bei der Laserbearbeitung drehende Halterung. Die Drehachse der Halterung kann auf eine festgelegte Winkelgeschwindigkeit eingestellt werden. Somit treten an der Halterung keine Beschleunigungs- und Bremsstrecken und Wartezeiten zum Abbauen von Vibrationen mehr auf.
Besonders bevorzugt umfasst die Positioniereinrichtung auch eine Einstelleinrichtung, um die Auftreffpositionen des Laserstrahls in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse der Halterung einzustellen. Dazu kann beispielsweise ein Laserkopf auf einer Linearachse über dem Produkttisch, beziehungsweise der Halterung positioniert sein. Die Länge der Linearachse kann dann so gewählt sein, dass auf einem Teil der Achse der Laserkopf sich stets mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegen kann. Beschleunigungs- und Bremsstrecken sind außerhalb dieser Strecke. Die Strecke mit konstanter Laserkopf-Geschwindigkeit kann dann der halben Länge der Produktdiagonale (bei quadratischen Produkten), beziehungsweise dem Radius bei runden Produkten entsprechen.
Wenn der Laserkopf sich während des Prozessierens kontinuierlich über dem Drehteller bewegt, können gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform Rotation und Linearbewegung vorteilhaft aufeinander abgestimmt werden. Auf diese Weise kann dann beispielsweise der Abstand der Bearbeitungspunkte entlang der Bahnen konstant gehalten werden.
Generell kann durch Rotation des Werkstücks und radialer Einstellung der Auftreffpositionen des Laserstrahls das komplette Werkstück abgerastert und entsprechend strukturiert werden. Anstelle einer Abrasterung in einem kartesischen Koordinatensystem, wie es prinzipiell bei einem XY-Tisch erfolgt, liegt der Positionierung der Auftreffpunkte gemäß dieser Offenbarung ein Polarkoordinatensystem zugrunde.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß dieser Offenbarung, sowie weitere Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. In den Figuren verweisen dabei gleiche Bezugszeichen jeweils auf gleiche oder entsprechende Elemente.
Kurzbeschreibung der Figuren

1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung.
2 zeigt eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung mit mehreren Werkstücken in Aufsicht.
3 zeigt eine Variante des in 2 gezeigten Beispiels mit einem Schwenkarm zur radialen Positionierung des Lasers.
4 und 5 zeigen Varianten mit mehreren Lasern.
6 zeigt eine Anordnung zum Bearbeiten von transparenten Werkstücken.
7 und 8 zeigen zwei verschiedene Konfigurationen für die Bearbeitung eines Werkstücks 3.
9 zeigt ein bearbeitetes Glas-Werkstück mit filamentförmigen Schädigungen.
10 zeigt eine Weiterbildung der Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Drehen der Werkstücke auf der Halterung.
11 zeigt eine Halterung im Querschnitt mit Details zum Haltemechanismus.
12 zeigt ein Diagramm der radialen Koordinate des Auftreffpunktes in Abhängigkeit des Rotationswinkels.
13 zeigt eine Anordnung, bei welcher der Laser gegenüber dem Werkstück rotiert wird.

Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung von Werkstücken 3 umfasst zumindest einen Laser 7 und eine Positioniereinrichtung 5. Die Positioniereinrichtung 5 dient allgemein dazu, bestimmte, zu bearbeitende Positionen auf dem Werkstück 3 gegenüber dem Laser 7 zu positionieren, um die Auftreffposition 71 des Laserstrahls in Übereinstimmung mit der zu bearbeitenden Position auf dem Werkstück 3 zu bringen. Um die verschiedenen Auftreffpositionen 71 eines Laserstrahls 70 des Lasers 7 auf dem Werkstück 3 einzustellen, umfasst die Positioniereinrichtung 5 eine drehbare Halterung 9 für eines oder mehrere Werkstücke 3. Die Halterung 9 wird mit einem Antrieb 11 in Rotation versetzt. Beispielsweise kann die Halterung 9 über eine Welle 12 mit dem Antrieb 11 verbunden sein. Wie anhand der Darstellung zu erkennen ist, ist die Rotationsachse 90 der Halterung 9 vorzugsweise allgemein so orientiert, dass sie eine Komponente parallel zur Einstrahlrichtung des Laserstrahls 70 aufweist. Ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist dabei besonders bevorzugt, dass der Laserstrahl 70 parallel zur Rotationsachse 90 eingestrahlt wird. Denkbar ist aber auch eine gegenüber der Rotationsachse 90 schräge Einstrahlung. Diese kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Laseroptik drehbar aufgebaut ist und in Abhängigkeit von der Rotationsposition des Substrates mechanisch oder optisch (beispielsweise mit einem SLM) mitgedreht werden kann. Um eine hohe Lichtintensität auf oder im Werkstück 3 zu erreichen, wird das Laserlicht vorzugsweise mittels einer Fokussierungsoptik 8 fokussiert. Im einfachsten Fall kann diese Fokussierungsoptik 8 eine Linse 80 umfassen. Sollen mit der Vorrichtung 1 filamentförmige Schädigungen in das Werkstück eingefügt werden, so können solche Schädigungen durch Selbstfokussierung im Werkstoff erreicht werden. Insbesondere ist es aber auch möglich, die Fokussierungsoptik 8 zur Erzeugung eines langgestreckten Fokus auszulegen. Dazu kann die Fokussierungsoptik 8 gemäß einer ersten Ausführungsform eine Linse 80 mit einer hinreichend hohen sphärischen Abberation aufweisen, so dass der Fokus durch eine kaustische Verzerrung in die Länge gezogen wird. Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit ist die Verwendung eines Axikons als Bestandteil der Fokussierungsoptik. Das Axikon ist ein Kegelprisma, welches einen näherungsweise fadenförmigen Fokus erzeugt.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Steuereinrichtung 13 auf, die dazu eingerichtet ist, während der Rotation der Halterung 9 die Abgabe des Laserstrahls 70 in Abhängigkeit der Winkelstellung der Halterung 9 und damit die Auftreffposition 71 des Laserstrahls 70 auf dem Werkstück 3 einzustellen. Weiterhin kann auch der Antrieb 11, wie im Beispiel dargestellt, durch die Steuereinrichtung 13 angesteuert werden, beispielsweise, um die Rotationsgeschwindigkeit zu steuern. Um die Winkelposition der Halterung und damit die Winkelkoordinate durch die Steuerungseinrichtung 13 zu erfassen, können beispielsweise durch einen Sensor 10 ein oder mehrere Triggermarkierungen 14 auf der Halterung 9 erfasst werden.
Die Positioniereinrichtung 5 umfasst allgemein, ohne Beschränkung auf das spezielle dargestellte Beispiel, besonders bevorzugt eine Einstelleinrichtung 51, um die Auftreffpositionen 71 des Laserstrahls in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 90 der Halterung 9 zu variieren und damit einzustellen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dazu als Bestandteil der Positioniereinrichtung 51 ein Positionierarm 52 vorgesehen, mit welchem der Laserstrahl 7, insbesondere der Laser 7 oder eine Strahlführungsoptik des Lasers 7 in radialer Richtung bewegbar ist. Beispielsweise kann dazu der Laser 7 an einem Schlitten 18 befestigt sein, der entlang des Positionierarms 52 bewegbar ist. Für die Bewegung in radialer Richtung werden beispielsweise Linearantriebe mit einer Positioniergenauigkeit von 1 µm oder besser verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform, die auch dem dargestellten Beispiel zugrunde liegt, ist der Laser 7 linear beweglich am Positionierarm 52 befestigt. Die Längsrichtung des Positionierarms 52 verläuft dabei insbesondere wie dargestellt in radialer Richtung. Es ist aber nicht zwingend, dass die Einstellung der Auftreffposition in genau radialer Richtung erfolgt. Auch eine Bewegung schräg zur radialen Richtung ermöglich die Variation der Auftreffposition in radialer Richtung auf dem Werkstück 3, solange eine Komponente der Bewegung in radialer Richtung vorhanden ist.
Mittels der Einstelleinrichtung 51 können zur Verkürzung der Bearbeitungszeit durch geeignete Ansteuerung auch ausschließlich Kreisbahnen, beziehungsweise Pfade genutzt werden, die auch mit Strukturen durch den Laserstrahl belegt werden sollen.
2 zeigt dazu eine Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung mit mehreren Werkstücken 3 auf der rotierbaren Halterung 9. Dem Beispiel der 3 liegt wie gesagt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 zugrunde, bei welcher die drehbare Halterung 9 eingerichtet ist, mehrere Werkstücke 3 so zu halten, dass ein gekrümmter, insbesondere kreisförmiger Pfad 17 in konstantem radialen Abstand zur Drehachse 90 die mehreren Werkstücke 3 überstreicht, so dass während einer Umdrehung der Halterung 9 die mehreren Werkstücke 3 mit dem Laserstrahl 70 an Auftreffpositionen 71 entlang dieses Pfads 17 bei festgehaltener radialer Position des Laserstrahls 70 bearbeitbar sind. Der Pfad 17, welchen der Laserstrahl bei der momentanen Stellung des Lasers 7 überstreicht, ist in der Figur als kreisförmige gestrichelte Linie eingezeichnet.
Die Pfade 17 können genau kreisförmig sein. Es ist aber auch möglich und vorteilhaft, wenn der Laserstrahl 70 in einem spiralförmigen Pfad 17 gegenüber dem Werkstück 3 bewegt wird. Dazu ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Laser 7 oder der Laserstrahl 70 zumindest zeitweise während der Rotation der Halterung 9 kontinuierlich mit einer Bewegungskomponente in radialer Richtung bewegt und das Werkstück während dieser Bewegung durch Einstrahlen des Laserstrahls 70 bearbeitet wird.
Auch bei dem in 2 gezeigten Beispiel wird der Laser mittels eines Positionierarms 52 in genau radialer Richtung bewegt, um die verschiedenen Auftreffpositionen in radialer Richtung einstellen zu können. Wie gesagt kann aber auch eine andere Bewegung erfolgen, solange diese eine radiale Komponente aufweist. Beispielsweise ist in einer weiteren Ausführungsform die Halterung 9 einschließlich ihres Antriebs 11 und Welle 12 auf einem darunter befindlichen, in radialer Richtung linear verschiebbarem Unterbau montiert und der Laserkopf behält seine Position während des Prozessierens bei. So ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Einstelleinrichtung 51 einen Schwenkarm umfasst, an welchem der Laser 7 schwenkbar gegenüber der Halterung 9 befestigt ist. Zweckmäßig ist es dazu, wenn die Schwenkachse des Schwenkarms parallel zur Rotationsachse 90 der Halterung 9 liegt. Ein Beispiel einer solchen Ausführungsform mit einem Positionierarm in Form eines Schwenkarms 53 mit Schwenkachse 54 zeigt 3. Eine solche Ausführungsform kann dann besonders vorteilhaft sein, wenn auch Vibrationen durch einen Linearantrieb entlang eines Positionierarms 52 vermieden werden sollen um größtmögliche Positioniergenauigkeit zu erreichen.
Die Vorrichtung 1 bietet generell auch die Möglichkeit, Werkstücke gleichzeitig mit mehreren Lasern zu bearbeiten. Gemäß einer Ausführungsform können die Laser dazu so angeordnet sein, dass diese das Werkstück auf unterschiedlichen kreisförmigen, konzentrischen Pfaden 17 bearbeiten. Ein solches Beispiel zeigt 4. Bei diesem Beispiel sind die Laser 7, 72, 73 auf einem gemeinsamen Schlitten 18 angeordnet und damit gekoppelt. Es ist zum Beispiel auch eine Variante möglich, bei der mehrere Schlitten 18 mit einem oder mehreren Lasern an einem gemeinsamen Positionierarm 52 geführt werden und damit unabhängig voneinander in ihrer radialen Position einstellbar sind.
5 zeigt eine Variante, bei der mehrere Laser 7, 72, 73 an mehreren Positionierarmen 52 befestigt sind. Ein Positionierarm 52 ist dabei als Traverse ausgebildet, an der zwei Laser 7, 72 geführt werden. Die Laser können dabei wie dargestellt einander gegenüberliegend bezüglich der Rotationsachse 90 angeordnet sein, so dass die Laser 7, 72 gleichzeitig zwei Werkstücke 3 an gegenüberliegenden Positionen auf der Halterung 9 bearbeiten können. Ein dritter Laser 73 ist in diesem Beispiel an einen separaten Positionierarm 52 geführt. Wie durch die unterschiedlichen Größen der Laser 7, 72, 73 angedeutet können die Laser sich unterscheiden und auch unterschiedliche Bearbeitungen an den Werkstücken 3 vornehmen. Dies gilt selbstverständlich nicht nur für das Beispiel der 6, sondern generell für Ausführungsformen einer Vorrichtung 1, bei der mehrere Laser zur Bearbeitung des oder der Werkstücke vorgesehen sind.

In der nachfolgenden Tabelle werden die Parameter und Prozesszeiten gegenübergestellt, wie sie bei einer Laserbearbeitung mittels einer Vorrichtung 1 gemäß dieser Offenbarung, sowie mittels eines XY-Tisches zur Positionierung als Vergleichsbeispiel erreicht werden. Die Vorrichtung 1 gemäß dieser Offenbarung wird in der Tabelle als Drehtisch bezeichnet.

Beispiel-Nr. und Bewertung	Beispiel 1: vergleichbare Geschwindigkeiten		Beispiel 2: Drehtisch besser		Beispiel 3: XY-Tisch besser bei Design mit wenig Spalten		Beispiel 4: Drehtisch besser bei Design mit vielen Spalten
Vorrichtungs-Typ	Drehtisch	XY-Tisch	Drehtisch	XY-Tisch	Drehtisch	XY-Tisch	Drehtisch	XY-Tisch
Anzahl Spalten (Referenzdesign)		1800		1800		600		3000
Werkstückgröße in [mm]	500	500	500	500	500	500	500	500
Radius/Länge x-Achse in [mm]	353,6		353,6		353,6		353,6
Mitte strukturfreier Bereich Radius in [mm]	0		0		0		0
maximaler Bahnumfang/Strecke [mm]	2221,4	500,0	2221,4	500,0	2221,4	500,0	2221,4	500
Umdrehungen [1/s]	12		20		20		12
Beschleunigung [mm/s²]	5000	5000	5000	5000	5000	5000	5000	5000
Wartezeit zum Schwingungsabbau [s]	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
maximale(Bahn)geschwindigkeit [mm/s]	26657	500	44429	500	44429	500	26657	500
Benötigte Genauigkeit in [µm]	5	5	5	5	5	5	5	5
benötigte Laserfrequenz in [kHz]	5331,5	100,0	8885,8	100,0	8885,8	100,0	5331,5	100
Anzahl Laserköpfe	1	1	1	1	1	1	1	1
Anzahl gesamt Umdrehungen	35355,3		35355,3		35355,3		35355,3
[Prozesszeit Laser in [s]	2946,3	1800	1767,8	1800	1767,8	600	2946,3	3000
[Prozesszeit Anfahren in [s]	5	900	5	900	5	300	5	1500
Prozesszeit Beschleunigung in [s]	10,7	360	17,8	360	17,8	120	10,7	600
Gesamt Prozesszeit in [min]	49,4	51	29,8	51	29,8	17	49,4	85

In die Werkstücke mit einer Abmessung von 500 mm × 500 mm wurden für die in der Tabelle aufgelisteten Ausführungsbeispiele innerhalb eines Abschnitts von 410 mm Länge als Referenzdesign nebeneinander verlaufende Linien von Bearbeitungspunkten mit dem Laser und der XY-Tisch-Anordnung eingefügt. In den Beispielen 1 und 2 waren dies 1800 Linien, im Beispiel 3 600 Linien und im Beispiel 4 3000 Linien. Diese Referenzdesigns wurden dann mit dem Drehtisch jeweils reproduziert, so dass die beiden Werkstücke eines Beispiels jeweils etwa die gleiche Anzahl von Bearbeitungspunkten, beziehungsweise hier filamentförmigen Schädigungen aufweisen. Das Werkstück wurde dabei mit dem Drehtisch so bearbeitet, dass die Bearbeitungslinien bei Bearbeitung mit dem Drehtisch in radialer Richtung verlaufen, so dass der Pfad 17 die Bearbeitungslinien jeweils kreuzt und die Bearbeitungspunkte nacheinander auf nebeneinanderliegenden Bearbeitungslinien eingefügt werden. Der Laser war über dem Drehtisch mittels der Positioniereinrichtung in radialer Richtung von der Lage der Drehachse in radialer Richtung über eine Strecke von 353,6 mm bewegbar, wobei bis zur Werkstückmitte bearbeitet werden kann, so dass kein mittiger strukturfreier Bereich erforderlich ist. Da das Werkstück entsprechend der Anordnung aus 7 gehaltert wurde, kann das gesamte Werkstück bearbeitet werden, obwohl der radiale Verschiebeweg kleiner ist als die genannten 410 mm. Dies stellt einen generellen Vorteil einer Anordnung dar, bei welcher die Rotationsachse im Bereich des Werkstücks, insbesondere mittig zum Werkstück liegt. Wie anhand der Beispiele ersichtlich, ist die Bearbeitung mit einer Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung bei sonst vergleichbaren Parametern besonders bei einer hohen Anzahl von Spalten schneller, als bei Bearbeitung mit dem XY-Tisch. Demgegenüber kann der XY-Tisch bei einer kleinen Zahl von Bearbeitungspunkten schneller sein, wie anhand von Beispiel 3 ersichtlich. Bei einer hohen Zahl von Bearbeitungspunkten ergibt sich unter anderem ein Vorteil für den Drehtisch, da Beschleunigungs- und Bremsvorgänge entfallen können. Insbesondere können auch bei kleinen Werkstücken hohe Tangentialgeschwindigkeiten erreicht werden, ohne dass Zeit für das Beschleunigen und Abbremsen verloren geht.
Dieser Geschwindigkeitsvorteil erhöht sich weiter ganz erheblich, wenn, wie etwa in den Beispielen der 2 bis 5 mehrere Werkstücke 3 gleichzeitig bearbeitet werden. Die Bearbeitungsdauer ändert sich hierbei nämlich nicht, während die Bearbeitungsdauer auf einem XY-Tisch mit der Anzahl der Werkstücke skaliert.
Mit der Vorrichtung lassen sich je nach Laser und Material des Werkstücks verschiedene Laserbearbeitungsverfahren durchführen. Eine besonders bevorzugte Bearbeitung umfasst das Einfügen filamentförmiger Schädigungen in transparente Werkstücke, insbesondere in Gläser. Dazu ist allgemein ein Laser 7 vorgesehen, welcher ein Ultrakurzpulslaser ist und vorzugsweise Pulslängen kleiner als 100 ps, bevorzugt kleiner als 20 ps, kleiner als 10 ps, bevorzugt kleiner 3 ps, kleiner als 1 ps, besonders bevorzugt kleiner als 0,5 ps besitzt, und diese Pulse vorzugsweise mit einer Wiederholfrequenz zwischen 50 kHz und einigen Megahertz, bevorzugt 100 kHz, 200 kHz, 400 kHz, 800 kHz oder mehr als 1 MHz oder mehr als 2 Megahertz abgibt, der seine Pulse als Einzelpulse oder Pulsgruppen emittiert, dessen Emissionswellenlänge in einem Bereich liegt, in dem das Werkstück transparent ist, also beispielsweise ein Laser dessen Wellenlänge im Bereich 300 nm und 1500 nm liegt, besonders bevorzugt eine Emissionswellenlänge im Bereich zwischen 500 nm und 1100 nm, dessen Pulsenergien vorzugsweise mehr als 1 µJ, bevorzugt mehr als 10 µJ, bevorzugt mehr als 50 µJ, besonders bevorzugt mehr als 100 µJ, oder sogar mehr als 200 µJ beträgt, und der geeignet ist, wie in 6 dargestellt, in Werkstücke 3 aus Glas filamentförmige Schädigungen 15 einzufügen. Von der Vorrichtung 1 ist in 6 nur der Laser 7 und die Fokussierungsoptik 8 mit einer Linse 80 dargestellt. Das Werkstück 3 wird, wie nochmals gezeigt, durch die Drehung der Halterung entlang eines gekrümmten, insbesondere kreisförmigen Pfades 17 vorbeibewegt, so dass die Auftreffpositionen 71 der Pulse des Laserstrahls 70 auf dem jeweiligen Pfad 17 liegen.
Das Werkstück 3, vorzugsweise ein Glas-Werkstück, ist transparent für das Laserlicht. Die Intensität des Laserstrahls 70 ist durch die gepulste Lichtabgabe und die Fokussierung aber so hoch, dass es im Glas zu nichtlinearen Wechselwirkungen kommt und eine Schädigung im Volumen des Werkstücks 3 hervorgerufen wird. Der typische Bereich nichtlinearer Wechselwirkung von dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Gläsern, liegt im Intensitätsbereich von mindestens 10¹² W/cm², bevorzugt größer als 10¹³ W/cm^2, im Bereich der Fokallinie, kann aber auch Werte größer als 10¹⁶ W/cm² überschreiten. Vorzugsweise ist diese Schädigung langgestreckt, beziehungsweise filamentförmig und erstreckt sich der Einstrahlrichtung des Laserlichts folgend in Richtung von einer Hauptfläche, beziehungsweise Seitenfläche 30 zu einer gegenüberliegenden Hauptfläche oder Seitenfläche 31. Die Schädigung kann insbesondere vollständig im Innern des Substrates liegen oder aber auch eine der Seitenflächen 30, 31 oder sogar beide Seitenflächen 30, 31 durchstoßen, besitzt einen elliptischen oder kreisförmigen Querschnitt und erstreckt sich lateral über eine Länge von kleiner als 3 µm, bevorzugt kleiner als 2 µm, bevorzugt kleiner 1 µm, besonders bevorzugt kleiner als 0,7 µm bzw. kleiner als 0,5 µm oder 0,35 µm oder sogar kleiner als 0,1 µm. Entsprechend der Länge der Fokallinie ist auch die erzeugte Modifikation in seiner Länge unterschiedlich und erstreckt sich über eine Länge von mindestens 1µm, mehr als 3 µm, 5 µm, mehr als 10 µm, mehr als 50 µm, mehr als 100 µm, mehr als 500 µm, mehr als 1000 µm, oder sogar mehr als 2000 µm, 3000 µm, 5000 µm oder auch mehr als 10000 µm oder 20000 µm. Der Laser wird vorzugsweise in Bursts von 1 bis 10 Laserpulsen und einer Burstfrequenz größer als 1 MHz, bevorzugt größer als 10 MHz, besonders bevorzugt größer als 20 MHz, ganz besonders bevorzugt größer als 40 MHz, und insbesondere bevorzugt größer als 100 MHz betrieben. Die Pulsdauer beträgt vorzugsweise weniger als 20 ps, bevorzugt weniger als 10 ps, insbesondere bevorzugt weniger als 1ps und ganz besonders bevorzugt weniger als 0,5 ps.
Eine langgestreckte Form der Schädigung 15 kann insbesondere dadurch erzeugt werden, indem der Laserstrahl 70 durch die Fokussierungsoptik 8 zu einem langgestreckten Fokus im Volumen des Werkstücks 3 fokussiert wird. Geeignete optische Elemente hierzu sind beispielsweise Linsenelemente mit (hoher) sphärischer Aberration oder die Verwendung eines Axikons, die jeweils Teile des einfallenden Laserstrahls in Abhängigkeit ihres Abstandes zur optischen Achse auf der Ausgangsseite des Elementes auf unterschiedliche Positionen auf der optischen Achse abbilden und so einen elongierten Fokus erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform wird ein SLM-Element (Spatial Light Modulator) verwendet, das die Phase der eintreffenden Laserstrahlung ändert und mithin sogar elongierte, gekrümmte Fokalbereiche erzeugen kann (z.B. Airy-Beam-Fokus). Die filamentförmigen Schädigungen 15 können insbesondere die Form von Kanälen aufweisen, in anderen Ausführungsformen aber auch als Modifikationen des Substratmaterials, insbesondere in Form von Brechungsindexmodifikationen, Modifikationen des Redox-Zustandes (lokales Färben), lokalem Kristallisieren oder Rissen im Substratmaterial realisiert sein.
Diese können sich sogar vollständig durch das Werkstück hindurch erstrecken, so dass eine Verbindung zwischen den gegenüberliegenden Seitenflächen 30, 31 geschaffen wird. Die so eingefügten filamentförmigen Schädigungen können dann die Basis für verschiedene weitere strukturierende Bearbeitungen der Werkstücke bilden. So ist gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass das Werkstück 3 einem Ätzprozess unterzogen wird, so dass die filamentförmige Schädigung durch das Ätzmedium aufgeweitet wird. Damit lassen sich Einzellöcher und durch Vereinigung sich aufweitender benachbarter filamentförmiger Schädigungen auch größere Strukturen, wie Kavitäten, Öffnungen oder Gräben erzeugen. Mit einer Reihe nebeneinander eingefügter Schädigungen kann auch eine Sollbruchstelle eingefügt werden, an welcher das Werkstück aufgetrennt werden kann.
Allgemein können der oder die Laser für zumindest eine der folgenden Bearbeitungen ausgebildet sein, beziehungsweise folgende Bearbeitungen durchführen:

- eine lokale Entschichtung, beziehungsweise lokales Entfernen einer Beschichtung auf dem Werkstück 3,
- Filamentierung, beziehungsweise das oben beschriebene Einfügen filamentförmiger Schädigungen 15 in das Werkstück 3,
- lokales Aufheizen, insbesondere zum Aufschmelzen oder zum Erzeugen thermischer Spannungen,
- Ablation an der Oberfläche des Werkstücks, beispielweise zum Anfasen von zuvor hergestellten Kanälen,
- Modifikation des Materials des Werkstücks, wie insbesondere eine lokale Änderung des Brechungsindex, des Redox-Zustandes, ein lokales Färben, beziehungsweise Verfärben oder lokales Kristallisieren.

Die Erzeugung thermischer Spannungen kann beispielsweise dazu verwendet werden, das Werkstück 3 nach dem Einfügen filamentförmiger Schädigungen 15 an diesen Schädigungen 15 aufzutrennen, etwa, wenn die Schädigungen 15 entlang einer vorgesehenen Trennlinie eingefügt werden. Besonders geeignet hierzu sind der CO₂-Laser, der CO- oder aber auch Erb:YAG-Laser.
Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform können allgemein mit einem Laser nacheinander oder intermittierend verschiedene Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden. So können unterschiedliche Merkmale oder Merkmalsgrößen durch geeignete Variation von Pulsenergie oder -dauer (Variation zwischen Femtosekunden-, Pikosekunden-, oder Nanosekundenpulsen) hergestellt und damit ein Wechsel der Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden. So könnte in einem Bearbeitungsschritt eine Anordnung filamentförmiger Schädigungen 15 eingefügt und dann durch Änderung der Laserparameter im Bereich der Schädigungen eine lokale Aufheizung zum Auftrennen des Werkstücks mittels der Erzeugung thermomechanischer Spannungen erfolgen.
Bei dem in 6 gezeigten Beispiel wird eine annähernd rechteckige Kontur aus nebeneinanderliegenden filamentförmigen Schädigungen 15 gebildet. Dabei werden die in radialer Richtung beabstandeten Seiten der Kontur durch eine schnelle Abfolge von Laserpulsen oder Bursts eingefügt, so dass sich deren Abstand aus der Bahngeschwindigkeit und der Burst- oder Pulsfrequenz des Lasers ergibt. Bedingt durch die aufgrund der Rotation der Halterung 9 kreisförmig gekrümmten Pfade 17 sind in diesem Beispiel auch diese Seiten der Kontur entsprechend leicht gekrümmt. Gegebenenfalls kann diese Krümmung vernachlässigt werden, oder die filamentförmigen Schädigungen können segmentweise in mehreren Umdrehungen eingefügt werden, um eine Krümmung auszugleichen. 7 und 8 zeigen zwei verschiedene Konfigurationen für die Bearbeitung eines Werkstücks 3, bevorzugt ein Werkstück in Gestalt eines Wafers, insbesondere eines Glaswafers.
Die Bearbeitungspunkte 16, entsprechend der Auftreffpositionen 71 des Laserstrahls 70 auf dem Werkstück 3, beispielsweise in Form eines Glaswafers, sind in beiden Fällen gleich. Für beide Konfigurationen entsprechend der 7 und 8 ist der Bearbeitungsaufwand und damit auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit vergleichbar. Während bei der zentralen Lage der Rotationsachse 90 in der WerkstückMitte vier Umdrehungen benötigt werden, um alle zu bearbeitenden Punkte zu überstreichen, ist bei der exzentrischen Lage der Rotationsachse 90 gemäß 8 eine weitere Überfahrt notwendig. Dies ist aber lediglich dadurch bedingt, dass bei der Lage der Bearbeitungspunkte zwei dieser Punkte in 7 zufällig auf einem gemeinsamen kreisförmigen Pfad 17 liegen. Die Anzahl der Überfahrten ist also abhängig vom Muster der Bearbeitungspunkte 16 und deren Positionierung relativ zum Rotationspunkt. Grundsätzlich gilt dabei weiterhin, dass die Bearbeitung eines einzelnen Wafers mit Rotationsachse 90 im Zentrum ähnlich lange dauert, wie die Bearbeitung eines einzelnen Wafers außerhalb des Zentrums. Die Bearbeitung eines Werkstücks 3 mit Rotationsache außerhalb des Zentrums dauert allerdings genau so lange wie die Bearbeitung mehrerer Werkstücke, die außerhalb der Rotationsachse 90 gehaltert sind und den gleichen Abstand zur Rotationsachse haben.
Besonders hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten lassen sich also erreichen, wenn, wie auch in den 2 bis 5 dargestellt, die Halterung 9 ausgebildet ist, das Werkstück 3 exzentrisch außerhalb der Rotationsachse 90 zu haltern. Der Rotationsmittelpunkt, durch den die Rotationsachse 90 verläuft, liegt also außerhalb des zu bearbeitenden Werkstücks 3. Auf diese Weise wird eine entsprechend höhere Tangentialgeschwindigkeit erreicht, mit welcher sich das Werkstück 3 gegenüber dem Laser 7 bewegt. Diese höhere Geschwindigkeit ist natürlich besonders dann für die Bearbeitungsgeschwindigkeit relevant, wenn mehrere Werkstücke 3 auf der Halterung 9 so platziert werden, dass diese vom Laserstrahl 70 während einer Umdrehung der Halterung überstrichen werden können.
Übliche Laser haben häufig eine geringere Prozessfrequenz als die maximale Nennfrequenz des Lasers. Diese Prozessfrequenz ermöglicht das Erzeugen eines homogenen und reproduzierbaren Filaments. Um diese Frequenz optimal nutzen zu können, kann die Rotationsgeschwindigkeit der Halterung so gewählt werden, dass die lokale Bahngeschwindigkeit unterhalb des Laserkopfes einem Produkt aus einen Genauigkeitsparameter und der Pulsfrequenz entspricht. Generell ergibt sich mit steigendem radialen Abstand eine ansteigende Tangentialgeschwindigkeit. Dies würde bei gleichbleibender Bearbeitungsfrequenz des Lasers, beispielsweise dessen Pulsfrequenz, zu einem größeren Abstand der Bearbeitungspunkte 16 führen. Um dies zu kompensieren, kann die Steuereinrichtung 13 allgemein dazu eingerichtet sein, zumindest einen der Parameter Pulsfrequenz des Lasers 7 und Rotationsgeschwindigkeit der Halterung 9 in Abhängigkeit zum radialen Abstand des Auftreffpunkts 71 des Laserstrahls 71 zur Rotationsachse 90 einzustellen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung der Rotationsachse derart eingerichtet, dass mit steigender Radialposition des Laserbearbeitungskopfes die Rotationsgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) derart herabgesetzt wird, dass der Abstand der Bearbeitungspunkte auf dem jeweiligen Bahnweg zumindest abschnittsweise oder sogar insgesamt konstant bleibt.
Einen Vorteil in der Bearbeitungsgeschwindigkeit und Genauigkeit gegenüber der Halterung auf einem XY-Tisch ergibt sich durch den Bewegungsmechanismus mit einer Rotation des Werkstücks 3 gegenüber dem Laser 7 besonders dann, wenn eine hohe Anzahl von Bearbeitungspunkten 16, beziehungsweise Auftreffpositionen 71 entlang der kreisförmigen oder allgemeiner gekrümmten Pfade 17 vorgesehen ist. Werkstücke 3, welche mit der Vorrichtung 1 und dem Verfahren gemäß dieser Offenbarung bearbeitet wurden, zeichnen sich daher vorzugsweise durch zumindest eines, vorzugsweise mehrere der folgenden Merkmale aus:

- eine hohe Dichte oder eine hohe Gesamtanzahl von Bearbeitungspunkten 16,
- eine große Fläche des Werkstücks 3,
- eine geringe Genauigkeitsschwankung in der xy-Position der Bearbeitungspunkte 16.

Ein typisches Merkmal eines bearbeiteten Werkstücks 3 ist dabei insbesondere, dass die Bearbeitungspunkte 16 dicht hintereinander aufgereiht auf gekrümmten Pfaden 17 liegen, wobei die Pfade 17 konzentrisch angeordnet sind, oder bedingt dadurch, wobei die Pfade 17 einen in einer Richtung entlang der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks 3 anwachsenden Krümmungsradius aufweisen. Diese Richtung entspricht der radialen Richtung auf der Halterung 9. Besonders bevorzugt wird das Verfahren wie gesagt zum Einfügen filamentförmiger Schädigungen in Glas eingesetzt. Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung ist also dementsprechend ein Werkstück 3 aus Glas mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen 30, 31 vorgesehen, welches eine Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen 15 aufweist, welche quer, vorzugsweise senkrecht zu den Seitenflächen 30, 31 im Volumen des Werkstücks 3 verlaufen, wobei die filamentförmigen Schädigungen 15 aneinandergereiht auf einer Vielzahl von gekrümmten Pfaden 17 liegen, deren Krümmungsradius in einer Richtung entlang einer Seitenfläche 30, 31 zunimmt, derart, dass die Pfade 17 konzentrisch verlaufen. Zwei solche Pfade 17 mit aneinandergereihten Filamenten 15 sind bereits bei dem Beispiel der 6 zu entnehmen. 9 zeigt dazu ein bearbeitetes, plattenförmiges Werkstück 3 aus Glas mit filamentförmigen Schädigungen 15. Die Schädigungen 15 sind beispielhaft in zwei bearbeiteten Abschnitten 20 angeordnet. Innerhalb dieser Abschnitte 20 sind eine Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen 15 verteilt angeordnet, wobei diese sich entlang mehrerer nahe beieinanderliegender konzentrischer kreisförmiger Pfade 17 aneinanderreihen. Vorzugsweise beträgt der Abstand zumindest zweier benachbarter gekrümmter Pfade 17, insbesondere innerhalb eines bearbeiteten Abschnitts 20 des Werkstücks 3 höchstens das fünffache, vorzugsweise höchstens das Doppelte des Abstands der filamentförmigen Schädigungen 15 entlang der Pfade 17. Allgemein gesagt können also die gekrümmten Pfade 17 einen im Verhältnis zum Abstand der Filamente entlang des Pfades 17 geringen Abstand in radialer Richtung haben. Es ist dann auch vorteilhaft, eine Einstelleinrichtung 5 vorzusehen, die eine entsprechend hohe Einstellauflösung in radialer Richtung bereitstellt. Die Einstelleinrichtung 5 hat dazu gemäß einer Ausführungsform eine Einstellgenauigkeit von besser als dem fünffachen, vorzugsweise besser als dem doppelten des Abstands der filamentförmigen Schädigungen, gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform eine Einstellgenauigkeit von 5 µm oder besser.
Wie anhand der Darstellung ersichtlich ergibt sich aufgrund der Bearbeitung gemäß dieser Offenbarung durch die Aneinanderreihung der Schädigungen 15 entlang gekrümmter konzentrischer Pfade ein charakteristisches Muster der Anordnung der filamentförmigen Schädigungen 15, welches am Werkstück 3 leicht festgestellt werden kann. Das Beispiel der 9 ist nur schematisch hinsichtlich der Menge der filamentförmigen Schädigungen 15. Hier sind zum Zwecke einer übersichtlichen Darstellung nur zwei bearbeitete Abschnitte 20 gezeigt. Um die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit ausnutzen zu können, bietet es sich an, wesentlich mehr dieser Schädigungen in das Werkstück 3 einzubringen. So ist gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform allgemein vorgesehen, dass in das Werkstück 3 gemittelt über den Flächeninhalt einer Seitenfläche 30 oder 31 mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20, insbesondere mindestens 50, besser mindestens100, vorzugsweise mindestens 500 filamentförmige Schädigungen 15 pro Quadratzentimeter eingefügt werden. In einer weiteren alternative Ausführungsform hat das bearbeitete Substrat einen oder mehrere Bereiche mit den oben genannten Fertigungsdichten in vorzugsweise rechteckiger, quadratischer Form oder alternativ in Form einer 2D-Freiformfläche.
Bei den Beispielen der 4, 7 und 9 sind mehrere diskrete kreisförmige Pfade 17 dargestellt, entlang denen der Laser 7 das Werkstück 3 überstreicht. Es ist aber weiterhin besonders vorteilhaft, wenn der Laserstrahl 70 zumindest zeitweise während der Rotation der Halterung 9 kontinuierlich mit einer Bewegungskomponente in radialer Richtung bewegt und das Werkstück 3 während dieser Bewegung durch Einstrahlen des Laserstrahls 7) bearbeitet wird. In diesem Fall ergibt sich ein gekrümmter, immer noch im Wesentlichen kreisförmiger, aber insbesondere dann spiralförmiger Pfad 17. Auf diese Weise entfallen auch Beschleunigungs- und Bremsvorgänge beim Wechseln zwischen diskreten Pfaden 17 unterschiedlicher Radien.
Abschnitte 20, wie sie im Beispiel der 9 gezeigt sind, lassen sich mit der Vorrichtung, wie sie beispielhaft in den 1 bis 5 dargestellt ist, sehr effektiv bearbeiten, da jeweils viele Bearbeitungspunkte hintereinander entlang der überstrichenen Pfade 17 eingefügt werden. Die Bearbeitung wird allerdings weniger effektiv, wenn die Auftreffpunkte 71 in einer oder mehreren schmalen Linien in radialer Richtung verteilt sind, also Linien, die quer zu den gekrümmten Pfaden 17 liegen. Um ein derartiges Muster von Bearbeitungspunkten in das Werkstück 3 einzufügen, kann in einer Weiterbildung der Vorrichtung 1 eine Einrichtung zur Drehung des Werkstücks 3 bezüglich der Halterung 9 vorgesehen sein. 10 zeigt eine solche Weiterbildung der Vorrichtung mit einer Einrichtung 19 zum Drehen der Werkstücke 3 auf der Halterung 9. Durch Drehung der Werkstücke 3 gegenüber der Halterung 9 kann die Orientierung der Werkstücke in Bezug auf die gekrümmten Pfade 17 eingestellt werden. Auf diese Weise können dann erst Strukturen erzeugt werden, die in einer Richtung eine hohe Anzahl aneinandergereihter Bearbeitungspunkte 16 aufweisen, das Werkstück 3 dann auf der Halterung 9 gedreht und dann Strukturen erzeugt werden, die in der nun vom Laserstrahl überstrichenen Pfade eine hohe Dichte von Bearbeitungspunkten aufweisen.
Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß dieser Offenbarung sind insbesondere zur Bearbeitung platten-, beziehungsweise scheibenförmiger Werkstücke 3, insbesondere von Glasscheiben 30 geeignet. Bevorzugte Gläser sind Borosilikatgläser, Aluminosilikatgläser, wie die unter den Namen D263 oder AS87, AS87 eco vertriebene Gläser der Schott AG, alkalifreie Gläser, wie das unter dem Namen AF32 von der Schott AG vertriebene Glas, sowie Kalknatronglas, wie das Glas B270 der Schott AG. Andere, insbesondere auch sprödharte Materialien von Werkstücken, die als Werkstücke mit der hier beschriebenen Vorrichtung bearbeitet werden können, sind Glaskeramik, Saphir und Halbleiter, wie etwa Silizium. Bei Werkstücken aus sprödharten Materialien und hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Halterung besteht dabei die Gefahr, dass das Werkstück während der Behandlung bricht. Um zu vermeiden, dass es zum Bruch kommt und eventuelle Bruchstücke die Vorrichtung beschädigen, können mehrere Maßnahmen eingesetzt werden, die anhand des Beispiels der 11 erläutert werden. 11 zeigt dazu die Vorrichtung 1 mit der Halterung 9 im Querschnitt. Allgemein, ohne Beschränkung auf das spezielle dargestellte Beispiel kann das Werkstück 3 flächig gehaltert werden, vorzugsweise mittels Unterdrucks, also Ansaugen des Werkstücks gegen die Auflagefläche der Halterung 9. Eine weitere Alternative oder zusätzliche Maßnahme ist, das Werkstück 3 gegenüber einer dem Laserstrahl 70 zugewandten Oberfläche 91 der Halterung 9 versenkt zu haltern. Dazu kann wie dargestellt eine Vertiefung 93 vorgesehen sein, in welche das Werkstück 3 aufgenommen wird. Die Vertiefung 93 ist so ausgebildet, dass das Werkstück 3 nicht über die Oberfläche 93 hinausragt.
Als weitere, alternative oder zusätzliche Maßnahme ist wie gesagt eine flächige Halterung mittels Unterdrucks möglich. Dabei wird das Werkstück 3 an die Halterung 9 angesaugt und somit fixiert. Beispielsweise kann dazu eine poröse Auflage 27 vorgesehen sein, auf welche das Werkstück 3 aufgelegt werden kann. In Kombination mit einer Vertiefung 93 kann diese Auflage 27 dann, wie beispielhaft auch in 11 gezeigt, den Boden oder einen Teil des Bodens der Vertiefung 93 bilden. Die poröse Auflage ist mit einer Unterdruckeinrichtung verbunden, um das Werkstück 3 an die Auflage 93 anzusaugen. Ein Problem ist dabei, den Unterdruck auf der sich drehenden Halterung 9 bereitzustellen. Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist dazu vorgesehen, eine oder mehrere Vakuumpumpen 25 vorzusehen, welche auf der Halterung 9 angeordnet sind und daher mitrotieren. Diese Ausführungsform ist unabhängig von den weiteren Merkmalen des speziellen Beispiels der 11. So kann die poröse Auflage 27 dazu auch beispielsweise durch eine Anordnung von geöffneten Kanälen ersetzt werden, so dass das Werkstück 3 an die Öffnungen der Kanäle angesaugt wird.
Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit der Halterung der Werkstücke 3 ist das Klammern der Werkstücke an deren Rand mittels eines Spannrings, der zumindest in Teilen des Substratumfanges am Werkstück flächig anliegt, um das Ausbilden lokaler Spannungen, die zum Bruch des Werkstücks führen, verhindert. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere bei Werkstücken 3 in Gestalt runder Wafer.
Allgemein ist es von Vorteil, wenn die Halterung 9 eine Einrichtung zur Zentrierung des oder der Werkstücke 3 an vorgesehenen Halterungspositionen aufweist. Diese Zentrierung sollte vorzugsweise eine Mitte-Mitte-Zentrierung, also bezüglich x- und y-Richtung umfassen. Als eine solche Einrichtung könnte beispielsweise die Vertiefung 93 dienen. Die Zentrierung der Werkstücke 3 dient einerseits zu einer genauen Positionierung bezüglich der einzufügenden Bearbeitungspunkte 16. Weiterhin kann auf diese Weise auch eine Unwucht verkleinert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einrichtung zum Auswuchten der Halterung 9 vorgesehen sein, um Unwuchten zu minimieren. Eine solche Einrichtung kann wie dargestellt insbesondere verschiebbar an der Halterung 9 angebrachte Gewichte 28 umfassen.
Bei den Ausführungsbeispielen der 7, 8 und 9 liegen die Bearbeitungspunkte 16, beziehungsweise die Auftreffpunkte 71 des Laserstrahls 70 auf gebogenen, insbesondere kreisförmigen Pfaden 17. Es besteht in Weiterbildung der Vorrichtung und des Verfahrens aber auch die Möglichkeit, diese Biegung zu kompensieren. Dazu ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Steuereinrichtung 13 eingerichtet ist, die Auftreffpunkte 71 des Laserstrahls 70 mittels der Positioniereinrichtung 5 in radialer Richtung so nachzuführen, dass die Auftreffpunkte 71 auf dem Werkstück 3 hintereinander gereiht auf einer geraden Linie liegen. Dies kann in einfacher Weise gemäß einer Weiterbildung durch eine sinusoidale Bewegung des Laserstrahls 70, insbesondere des Lasers 7 in radialer Richtung erfolgen. Diese Bewegung ist mit der Winkelstellung der Halterung 9 synchronisiert. Ziel ist es dabei, durch die Bewegung des Lasers gegenüber dem Werkstück 3 beispielsweise eine Krümmung der radial beabstandeten Seiten einer Kontur, wie sie 6 zeigt, zu vermeiden und stattdessen geradlinige Segmente von hintereinanderliegenden filamentförmigen Schädigungen zu erzeugen, ohne dass mehrere Überfahrten, beziehungsweise Rotationen notwendig werden. Ein Beispiel zeigt dazu das Diagramm der 12. Hier ist die radiale Koordinate r(φ) des Auftreffpunktes in Abhängigkeit des Rotationswinkels φ aufgetragen. Allgemein, ohne Beschränkung auf das Beispiel kann zur Kompensation und Herstellung in gerader Linie liegender Bearbeitungspunkte 16 eine mit der Rotation, beziehungsweise dem Rotationswinkel synchronisierte Oszillation des Laserstrahls 70 in radialer Richtung durch die Steuerungseinrichtung 13 gesteuert werden. Das dargestellte Beispiel gilt für vier auf der Halterung 9 angeordnete Werkstücke 3. Deren Mitten liegen bei den Winkelpositionen 0, π/2, π, 3/2π und 2π. Um gerade Linien von Bearbeitungspunkten zu erzeugen, wird der Laserstrahl 70 zu den Rändern der Werkstücke hin radial auswärts und von den Rändern zur Mitte hin wieder radial einwärts bewegt.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Werkstück auf der rotierenden Halterung bewegt. Denkbar ist aber auch eine umgekehrte Konfiguration, bei welcher der Laser 7 mit der Halterung 9 mittels eines Antriebs 11 rotiert wird. Eine solche Konfiguration ist unter anderem dann von besonderem Vorteil im Falle einer Inline-Bearbeitung.
13 zeigt dazu ein Beispiel einer Heißformanlage 2 mit einer Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung von Werkstücken. Die Heißformanlage 2 ist mittels einer Heißformvorrichtung 35 dazu eingerichtet, ein kontinuierliches Materialband, insbesondere ein Werkstück 3 in Form eines kontinuierlichen Glasbands 4 zu erzeugen. Das Glasband 4 durchläuft dann die Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung, bei welcher zumindest ein Laser 72, 73 auf der drehbaren Halterung 9 der Positioniereinrichtung angeordnet ist und mit der drehbaren Halterung 9 rotiert wird, so dass durch die Rotation die Position des Lasers 72, 73 nicht nur längs der Vorschubrichtung des Glasbands 4, sondern auch quer dazu verändert wird und auf diese Weise verschiedene vorbestimmte Auftreffpositionen des Laserstrahls eingestellt werden. Bei dem dargestellten Beispiel werden die Auftreffpositionen so eingestellt, dass die Bearbeitungspunkte 16 rahmenförmige Konturen bilden. Das Glasband 4 wird einer Zerteilvorrichtung 37 zugeführt, mit welcher das Glasband 4 in einzelne Glasplatten 33 zerteilt wird. Die Bearbeitung mit der Vorrichtung 1 geschieht im dargestellten Beispiel vor der Zerteilung, kann aber auch an den einzelnen Glasplatten 33 nach der Zerteilung erfolgen.
Zusammenfassend ist damit eine Heißformvorrichtung 2 vorgesehen, welche eingerichtet ist, ein kontinuierliches Materialband, insbesondere ein kontinuierliches Glasband 4 zu erzeugen, wobei die Heißformvorrichtung 2 eine Vorrichtung 1 zur Laserbearbeitung von Werkstücken umfasst, welche eine drehbare Halterung aufweist, auf welcher zumindest ein Laser 7, 72, 73 gehaltert ist, um durch Drehung der Halterung während des Vorschubs des Materialbands oder einzelner vom Band abgetrennter Platten 33 Bearbeitungspunkte auf dem Band, beziehungsweise auf den Platten 33 anzufahren und durch Abgabe eines Laserstrahls zu bearbeiten.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken
2: Heißformanlage
3: Werkstück
4: Glasband
5: Positioniereinrichtung
7, 72, 73: Laser
8: Fokussierungsoptik
9: Halterung
10: Sensor
11: Antrieb
12: Welle
13: Steuereinrichtung
14: Triggermarkierung
15: filamentförmige Schädigung
16: Bearbeitungspunkt
17: gekrümmter Pfad
18: Schlitten
19: Einrichtung zur Drehung von 3 gegenüber Halterung 9
20: bearbeiteter Abschnitt von 3
25: Vakuumpumpe
27: Poröse Auflage
28: Gewicht
30, 31: Seitenfläche von 3
33: Von 4 abgeteilte Platte
35: Heißformvorrichtung
37: Zerteilvorrichtung
51: Einstelleinrichtung in radialer Richtung
52: Positionierarm
70: Laserstrahl
71: Auftreffposition von 70
80: Linse
90: Rotationsachse von 9
91: Oberfläche von 9
93: Vertiefung in 9

Claims

Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung von Werkstücken (3), wobei die Vorrichtung (1) zumindest einen Laser (7) und eine Positioniereinrichtung (5) umfasst, um verschiedene Auftreffpositionen (71) eines Laserstrahls (70) des Lasers (7) auf einem Werkstück (3) einzustellen, wobei die Positioniereinrichtung eine drehbare Halterung (9) (3) mit einem Antrieb (11) umfasst, um die Halterung (9) in Rotation zu versetzen, und wobei die Rotationsachse (90) der Halterung (9) so orientiert ist, dass sie eine Komponente parallel zur Einstrahlrichtung des Laserstrahls (70) aufweist, und wobei die Vorrichtung (1) eine Steuereinrichtung (13) umfasst, wobei die Steuereinrichtung (13) eingerichtet ist, während der Rotation der Halterung (9) die Abgabe des Laserstrahls (70) und damit die Auftreffpositionen (71) des Laserstrahls (70) auf dem Werkstück (3) einzustellen.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (9) zur Halterung des Werkstücks (3) ausgebildet ist, oder dass der Laser (7) mit der Halterung (9) rotiert wird.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (5) eine Einstelleinrichtung (51) umfasst, um die Auftreffpositionen (71) des Laserstrahls in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse (90) der Halterung (9) einzustellen.
Vorrichtung (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (51) einen Positionierarm (52) umfasst, mit welchem der Laserstrahl (7), insbesondere der Laser (7) oder eine Strahlführungsoptik (73) des Lasers (7) in radialer Richtung bewegbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (9) ausgebildet ist, das Werkstück (3) exzentrisch außerhalb der Rotationsachse (90) zu haltern.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (7) ein Ultrakurzpulslaser mit einer Pulsdauer kleiner als 100 ps, bevorzugt kleiner als 3 ps, besonders bevorzugt kleiner als 0,5 ps und/oder einer Pulsenergie von mehr als 10 µJ, bevorzugt von mehr als 50 µJ, besonders bevorzugt von mehr als 200 µJ ist, der geeignet ist, in Werkstücken (3) aus Glas filamentförmige Schädigungen (15) einzufügen.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Halterung (9) eingerichtet ist, mehrere Werkstücke (3) so zu haltern, dass ein kreisförmiger Pfad (17) in konstantem radialen Abstand zur Drehachse (90) die mehreren Werkstücke (3) überstreicht, so dass während einer Umdrehung der Halterung (9) die mehreren Werkstücke (3) mit dem Laserstrahl (70) an Auftreffpositionen (71) entlang dieses Pfads bei festgehaltener radialer Position des Laserstrahls (70) bearbeitbar sind.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine der folgenden Merkmale: - eine Einrichtung (19) zur Drehung des Werkstücks (3) bezüglich der Halterung (9), - eine Einrichtung der Halterung (9) zur Zentrierung des oder der Werkstücke (3) an vorgesehenen Halterungspositionen, - eine Einrichtung zum Auswuchten der Halterung (9).
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ausgebildet zur Bearbeitung plattenförmiger Werkstücke (3), insbesondere Werkstücke aus Glas, Glaskeramik, Silizium, Saphir, insbesondere Werkstücken aus Borosilikatglas, Aluminosilikatglas, Kalknatronglas.
Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken (3), insbesondere mit einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem - ein Werkstück (3) mit einem von einem Laser (7) abgegebenen Laserstrahl (70) bearbeitet wird, während das Werkstück (3) und der Laser (7) relativ zueinander rotieren, um verschiedene Auftreffpositionen (71) des Laserstrahls (70) des Lasers (7) auf einem Werkstück (3) einzustellen, wobei - der Laserstrahl (70) so auf das Werkstück (3) gerichtet wird, dass die Einstrahlrichtung des Laserstrahls (70) eine Komponente parallel zur Rotationsachse (90) der Halterung (9) aufweist, und wobei - gesteuert durch eine Steuereinrichtung (13) während der Rotation der Halterung (9) die Abgabe des Laserstrahls (70) und damit die Auftreffposition (71) des Laserstrahls (70) auf dem Werkstück (3) eingestellt wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) auf einer drehbaren Halterung (9) einer Positioniereinrichtung (5) gehaltert, - die Halterung (9) mittels eines Antriebs (11) in Rotation versetzt, und - das auf der Halterung rotierende Werkstück (3) mit einem Laserstrahl (70) bearbeitet wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (70) zumindest zeitweise während der Rotation der Halterung (9) kontinuierlich mit einer Bewegungskomponente in radialer Richtung bewegt und das Werkstück (3) während dieser Bewegung durch Einstrahlen des Laserstrahls (70) bearbeitet wird.
Verfahren gemäß einem der zwei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuereinrichtung (13) zumindest einen der Parameter Pulsfrequenz des Lasers (7) oder Rotationsgeschwindigkeit der Halterung (9) in Abhängigkeit des radialen Abstands des Auftreffpunkts (71) des Laserstrahls (71) zur Rotationsachse (90) der Halterung (9) eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der Merkmale: - das Werkstück (3) wird flächig gehaltert, vorzugsweise mittels Unterdrucks, - das Werkstück (3) wird gegenüber einer dem Laserstrahl (70) zugewandten Oberfläche (91) der Halterung (9) versenkt gehaltert.
Verfahren gemäß einem der vier vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Bearbeitungsschritte: - lokales Entfernen einer Beschichtung auf dem Werkstück (3), - Einfügen filamentförmiger Schädigungen (15) in das Werkstück (3), - lokales Aufheizen, insbesondere zum Aufschmelzen oder zum Erzeugen thermischer Spannungen, - Ablation an der Oberfläche des Werkstücks (3) - Modifikation des Materials, insbesondere lokale Änderung des Brechungsindex, des Redox-Zustandes, lokales Färben oder lokales Kristallisieren.
Verfahren gemäß einem der fünf vorstehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung in gerader Linie liegender Bearbeitungspunkte (16) eine mit der Rotation, synchronisierte Oszillation des Laserstrahls (70) in radialer Richtung durch eine Steuerungseinrichtung (13) gesteuert wird.
Werkstück (3) aus Glas, insbesondere erhältlich durch Bearbeitung mit der Vorrichtung (1) oder dem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen (30, 31), wobei das Werkstück (3) eine Vielzahl von filamentförmigen Schädigungen (15) aufweist, welche quer, vorzugsweise senkrecht zu den Seitenflächen (30, 31) im Volumen des Werkstücks (3) verlaufen, wobei die filamentförmigen Schädigungen (15) aneinandergereiht auf einer Vielzahl von gekrümmten Pfaden (17) liegen, deren Krümmungsradius in einer Richtung entlang einer Seitenfläche (30, 31) zunimmt, derart, dass die Pfade (17) konzentrisch verlaufen.
Werkstück (3) gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: - der Abstand zumindest zweier benachbarter gekrümmter Pfade (17) beträgt höchstens das fünffache, vorzugsweise höchstens das Doppelte des Abstands der filamentförmigen Schädigungen (15) entlang der Pfade (17), - in das Werkstück (3) sind gemittelt über den Flächeninhalt einer Seitenfläche (30, 31) mindestens 100, vorzugsweise mindestens 500 filamentförmige Schädigungen (15) pro Quadratzentimeter eingefügt.
Heißformvorrichtung (2), welche eingerichtet ist, ein kontinuierliches Materialband, insbesondere ein kontinuierliches Glasband (4) zu erzeugen, wobei die Heißformvorrichtung (2) eine Vorrichtung (1) zur Laserbearbeitung von Werkstücken gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst, welche eine drehbare Halterung (9) aufweist, auf welcher zumindest ein Laser (7, 72, 73) gehaltert ist, um durch Drehung der Halterung (9) während des Vorschubs des Materialbands oder einzelner vom Band abgetrennter Platten (33) Bearbeitungspunkte (16) anzufahren und durch Abgabe eines Laserstrahls zu bearbeiten.