DE202020102601U1

DE202020102601U1 - Schichtstrukturierungssystem

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Publication number: DE202020102601U1
Application number: DE202020102601.1U
Authority: DE
Original assignee: 4JET Microtech GmbH
Current assignee: 4JET Microtech GmbH
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2030-05-09

Abstract

Schichtstrukturierungssystem (100) aufweisend:
eine Laserquelle (102) zum Erzeugen von Laserstrahlung (104);
einen Strahlmodifizierer (106) zum Empfangen der Laserstrahlung (104) und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls (108);
eine Scanvorrichtung (110) zum Schwenken des Besselstrahls (108) über ein beschichtetes Objekt (112) und dadurch mindestens teilweisen Entfernen einer Schicht (114) des beschichteten Objekts (112).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Strukturierung eines beschichteten Objekts mit Laserstrahlung.
HINTERGRUND
Aus der Praxis ist die Strukturierung einer Schicht eines beschichteten Objekts mittels Laserstrahlung bekannt. Hierzu ist es bekannt, die Laserstrahlung mittels eines Scanners über das beschichtete Objekt zu lenken, um selektiv die Schicht zu entfernen und dadurch zu strukturieren. Ferner ist es bekannt, einen Fokusschieber zu verwenden, welcher eine Position des Fokus in Strahlrichtung nachführt, um den Fokus im Bereich der Oberfläche der Schicht zu halten.
ZUSAMMENFASSUNG
Das Nachführen des Fokus kann technisch aufwendig sein, insbesondere bei komplex gestalteten Oberflächen und bei starker Fokussierung, die eine geringe Tiefenschärfe mit sich bringt.
Angesichts der oben beschriebenen Situation gibt es ein Bedürfnis für eine Technik, welche eine effiziente Strukturierung einer Schicht eines beschichteten Objekts erlaubt, während eines oder mehrere der oben angegebenen Probleme im Wesentlichen vermieden werden.
Diesem Bedürfnis wird durch die unabhängigen Ansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird ein Schichtstrukturierungssystem bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspektes wird ein Schichtstrukturierungssystem bereitgestellt, das Schichtstrukturierungssystem aufweisend: eine Laserquelle zum Erzeugen von Laserstrahlung; einen Strahlmodifizierer zum Empfangen der Laserstrahlung und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls; eine Scanvorrichtung zum Schwenken des Besselstrahls über ein beschichtetes Objekt und dadurch mindestens teilweisen Entfernen einer Schicht des beschichteten Objekts.
Gemäß einem zweiten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objekts bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspektes wird ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objektes bereitgestellt, das Verfahren aufweisend: Erzeugen eines Besselstrahls; Schwenken des Besselstrahls über das beschichtete Objekt und dadurch mindestens teilweises Entfernen der Schicht mit dem Besselstrahl.
Gemäß einem dritten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird eine Verwendung eines Besselstrahls bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des dritten Aspektes wird eine Verwendung eines Besselstrahls zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objekts bereitgestellt, wobei der Besselstrahl während des Strukturierens verschwenkt wird.
Gemäß einem vierten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird ein beschichtetes Objekt bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des vierten Aspektes wird ein beschichtetes Objekt bereitgestellt, das beschichtete Objekt aufweisend eine Objektbasis und eine Schicht auf der Objektbasis, wobei die Schicht strukturiert ist und wobei die Strukturierung der Schicht mittels eines Besselstrahls erfolgt ist, der während der Strukturierung verschwenkt wurde.
BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Schichtstrukturierungssystem gemäß dem ersten Aspekt weist eine Laserquelle zum Erzeugen von Laserstrahlung auf. Ferner weist gemäß einer Ausführungsform das Schichtstrukturierungssystem einen Strahlmodifizierer auf, welcher konfiguriert ist zum Empfangen der Laserstrahlung und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Schichtstrukturierungssystem eine Scanvorrichtung auf, wobei die Scanvorrichtung konfiguriert ist zum Schwenken des Besselstrahls über ein beschichtetes Objekt und dadurch mindestens teilweisen Entfernen einer Schicht des beschichteten Objekts.
Ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objekts gemäß dem zweiten Aspekt weist gemäß einer Ausführungsform ein Erzeugen eines Besselstrahls auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ein Schwenken des Besselstrahls über das beschichtete Objekt und dadurch mindestens teilweises Entfernen der Schicht mit dem Besselstrahl auf.
Eine Verwendung eines Besselstrahls gemäß dem dritten Aspekt weist gemäß einer Ausführungsform eine Verwendung eines Besselstrahls zum Strukturieren eines beschichteten Objekts auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Besselstrahl während des Strukturierens verschwenkt. Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform ein schwenkender Besselstrahl zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objekts verwendet.
Ein beschichtetes Objekt gemäß dem vierten Aspekt weist gemäß einer Ausführungsform eine Objektbasis und eine Schicht auf der Objektbasis auf, wobei die Schicht strukturiert ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Strukturierung der Schicht mittels eines Besselstrahls erfolgt, der während der Strukturierung verschwenkt wurde.
Aspekte und Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände basieren auf der Idee, dass beim Verschwenken eines Laserstrahles zum Strukturieren einer Schicht eine Fokusnachführung entfallen kann, wenn der Laserstrahl in Form eines Besselstrahls bereitgestellt wird. Ferner haben Besselstrahlen nicht nur Vorteile in Bezug auf die ausgedehnte Fokuszone in Ausbreitungsrichtung des Strahls im Vergleich zu einem beugungsbegrenztem Gaußschen Strahl, sondern auch den Vorteil, dass Besselstrahlen ermöglichen, einen Fokusdurchmesser im Hauptmaximum erzeugen, der kleiner ist als der des Gaußschen Strahls. Besselstrahlen erlauben dadurch auch sehr kleine Strukturierungsbreiten ohne dass eine aufwändige Fokusnachführung erforderlich ist.
Wie den Fachleuten bekannt ist, kann ein idealer Besselstrahl nicht erzeugt werden - eine Fokuszone eines realen Laserstrahles wird stets eine endliche Ausdehnung haben. Aus diesem Grund wird ein „realer“ Besselstrahl häufig auch als Quasi-Bessel-Strahl bezeichnet. Der Begriff „Besselstrahl“ wird hierin synonym verwendet mit einem Laserstrahl mit ausgedehnter Fokuszone in axialer Richtung (d.h. in Strahllängsrichtung), wobei ein Aspektverhältnis (axiale Ausdehnung der Fokuszone in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahles im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung des Laserstrahles) mindestens 10 zu 1 beträgt, insbesondere mindestens 50 zu 1 oder 100 zu 1.
Gemäß einer Ausführungsform ist die axiale Ausdehnung der Besselstrahl-Fokuszone definiert als die Ausdehnung eines Bereichs zwischen Bereichsgrenzen, an denen eine Intensität entlang des Besselstrahls (in Strahllängsrichtung) auf 50% eines höchsten Werts abgefallen ist. Die laterale Ausdehnung ist gemäß einer Ausführungsform definiert als der Durchmesser des ersten Intensitätsminimums des Besselstrahls senkrecht zur Strahllängsrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Besselstrahl eine Fokuszone auf, wobei die Fokuszone in Ausbreitungsrichtung des Besselstrahls (d. h. in Strahllängsrichtung) eine axiale Ausdehnung von mindestens 0,1 mm, beispielsweise mindestens 1 mm oder mindestens 10 mm aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Wellenlänge der Laserstrahlung eine Grundwellenlänge der Laserquelle. Die Grundwellenlänge kann gegenüber einem Frequenz-verdoppelten oder einem Frequenz-verdreifachten Strahl eine höhere Tiefenschärfe erlauben, insbesondere bei kostengünstigen Laserquellen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Wellenlänge der Laserstrahlung ein Bruchteil der Grundwellenlänge der Laserquelle, beispielsweise die Wellenlänge der Frequenz-verdoppelten oder Frequenz-verdreifachten Version der Grundwellenlänge der Laserquelle.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verhältnis von einem Bearbeitungsabstand zu einer Ausdehnung der Fokuszone des Besselstrahls senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung des Besselstrahls größer als 10.000. Mit anderen Worten ist das Verhältnis (Bearbeitungsabstand)/(laterale Ausdehnung des Besselstrahls) > 10.000. Gemäß einer Ausführungsform weist das Schichtstrukturierungssystem ein optisches System auf, wobei das optische System insbesondere den Strahlmodifizierer und die Scanvorrichtung umfasst, wobei der Bearbeitungsabstand definiert ist als ein Abstand zwischen dem optischen System und dem Objekt. Mit anderen Worten ist der Bearbeitungsabstand definiert als ein Abstand zwischen einem in Strahlrichtung des Besselstrahls letzten optischen Element des optischen Systems (welches dem Objekt gegenüberliegt) und dem Objekt. Gemäß einer Ausführungsform ist das dem Objekt gegenüberliegende optische Element ein optisches Element eines f-Theta-Objektivs.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein Strahlengang zwischen der Laserquelle und dem Objekt frei von einem Fokusschieber. Wie hierin erläutert, ermöglicht die Verwendung eines Besselstrahls, auf einen Fokusschieber zu verzichten. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die laterale Ausdehnung der Fokuszone des Besselstrahls kleiner als ein beugungsbegrenztes Minimum eines Gauß‘schen Strahls derselben Wellenlänge.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlmodifizierer mindestens einen elektronisch steuerbaren Phasenmodulator und/oder mindestens ein Axikon auf. Beispielsweise weist gemäß einer Ausführungsform der Strahlmodifizierer genau einen elektronisch steuerbaren Phasenmodulator auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlmodifizierer genau ein Axikon auf. Wie den Fachleuten bekannt ist, ist ein Axikon typischerweise eine konische Linse. Der Besselstrahl, wie er hierin beschrieben ist kann auf jede geeignete Weise erzeugt werden, beispielsweise wie in DE 10 2014 116 957 A1 beschrieben.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Scanvorrichtung mindestens ein optisches Element im Strahlungsweg des Besselstrahls und/oder mindestens ein optisches Element im Strahlungsweg der Laserstrahlung auf. Mit anderen Worten kann gemäß einer Ausführungsform ein optisches Element der Scanvorrichtung in Strahlrichtung vier und/oder nach dem Strahlmodifizierer angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine optische Element der Scanvorrichtung nach dem Strahlmodifizierer (d. h. im Strahlungsweg des Besselstrahls) angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Laserstrahlung in einer definierten (einzigen) Position auf den Strahlmodifizierer trifft, was den Aufbau des Strahlmodifizierers vereinfachen kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Strukturierung der Schicht eine Hauptvertiefung und mindestens eine hierzu im Wesentlichen parallel verlaufende Nebenvertiefung auf, wobei die Hauptvertiefung bezüglich einer Oberfläche der Schicht eine erste Tiefe aufweist und die Nebenvertiefung bezüglich der Oberfläche der Schicht eine zweite Tiefe aufweist, und wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe. Gemäß einer Ausführungsform wird die Nebenvertiefung durch ein Nebenmaxima des Besselstrahls erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform liegt eine Schichtdicke der Schicht in einem Bereich zwischen 1 Nanometer (nm) und 100 Mikrometer (µm), beispielsweise wenige Nanometer bis wenige 10 µm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein Verhältnis von axialer Ausdehnung der Fokuszone zu Schichtdicke größer als 10: $(axiale Ausdehnung der Fokuszone) / Schichtdicke > 10$
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Verhältnis von axialer Ausdehnung der Fokuszone zu Schichtdicke größer als 50. Beispielsweise liegt das Verhältnis von axialer Ausdehnung der Fokuszone zu Schichtdicke in einem Bereich zwischen 10 und 10.000.000.
Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände zielen auf die Strukturierung einer Schicht eines beschichteten Objekts, nicht jedoch auf die Strukturierung oder Bearbeitung einer Objektbasis, auf welcher die Schicht angeordnet ist. Es geht daher um die Bearbeitung einer dünnen Schicht und nicht um eine Volumenbearbeitung. Gemäß einer Ausführungsform ist eine Tiefe eines Abtrags der Objektbasis aufgrund der Strukturierung der Schicht kleiner als 10 % der Schichtdicke der Schicht, beispielsweise kleiner als 1 % der Schichtdicke.
Gemäß einer Ausführungsform bildet das beschichtete Objekt mindestens einen Teil einer räumlichen Abtrennung. Gemäß einer Ausführungsform ist die räumliche Abtrennung ein Teil eines Gebäudes, beispielsweise eine Gebäudefassade, eine Innenwand eines Gebäudes, ein Gehäuse, eine Baugruppe, etc. Gemäß einer Ausführungsform weist die Objektbasis Siliziumdioxid auf, insbesondere amorphes Siliziumdioxid. Beispielsweise ist gemäß einer Ausführungsform die Objektbasis aus einem Siliziumdioxid-Glas gebildet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die räumliche Abtrennung ein Teil (insbesondere eine Scheibe) eines Kraftfahrzeugs (beispielsweise eines Personenkraftfahrzeugs, eines Lastkraftwagens, eines Baufahrzeugs (Bagger), eines Zugs oder eines Flugzeugs), ein Dünnschicht- Fotovoltaik-Modul, eine Wand, eine Fassade, insbesondere ein Teil einer Verglasung einer Fassade oder im Innenbereich eines Gebäudes, etc. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die räumliche Abtrennung eine Glasplatte sein.
Gemäß Ausführungsformen des ersten Aspektes ist das Schichtstrukturierungssystem eingerichtet zum Liefern der Funktionalität von einem oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie erforderlich ist für eine oder mehrere der hierin offenbarten Ausführungsformen, insbesondere der Ausführungsformen des ersten Aspektes, des zweiten Aspektes, des dritten Aspektes und/oder des vierten Aspektes.
Gemäß Ausführungsformen des zweiten Aspektes ist das Verfahren eingerichtet zum Liefern der Funktionalität von einem oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie erforderlich ist für eine oder mehrere der hierin offenbarten Ausführungsformen, insbesondere der Ausführungsformen des ersten Aspektes, des zweiten Aspektes, des dritten Aspektes und/oder des vierten Aspektes.
Gemäß Ausführungsformen des dritten Aspektes ist die Verwendung eingerichtet zum Liefern der Funktionalität von einem oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie erforderlich ist für eine oder mehrere der hierin offenbarten Ausführungsformen, insbesondere der Ausführungsformen des ersten Aspektes, des zweiten Aspektes, des dritten Aspektes und/oder des vierten Aspektes.
Gemäß Ausführungsformen des vierten Aspektes ist das beschichtete Objekt eingerichtet zum Liefern der Funktionalität von einem oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie erforderlich ist für eine oder mehrere der hierin offenbarten Ausführungsformen, insbesondere der Ausführungsformen des ersten Aspektes, des zweiten Aspektes, des dritten Aspektes und/oder des vierten Aspektes.
Exemplarische Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände umfassen insbesondere die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen und Kombinationen von Ausführungsformen:

1. Schichtstrukturierungssystem aufweisend:
- eine Laserquelle zum Erzeugen von Laserstrahlung;
- einen Strahlmodifizierer zum Empfangen der Laserstrahlung und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls;
- eine Scanvorrichtung zum Schwenken des Besselstrahls über ein beschichtetes Objekt und dadurch mindestens teilweisen Entfernen einer Schicht des beschichteten Objekts.
2. Schichtstrukturierungssystem nach Ausführungsform 1, wobei der Besselstrahl eine Fokuszone aufweist, und wobei die Fokuszone in Ausbreitungsrichtung des Besselstrahls eine Ausdehnung von mindestens 0,1 mm, beispielsweise mindestens 1 mm oder mindestens 10 mm aufweist.
3. Schichtstrukturierungssystem nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 oder 2, wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung eine Grundwellenlänge der Laserquelle ist; oder wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung ein Bruchteil der Grundwellenlänge der Laserquelle ist.
4. Schichtstrukturierungssystem nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei ein Verhältnis von einem Bearbeitungsabstand zu einer Ausdehnung der Fokuszone des Besselstrahls senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung des Besselstrahls größer als 10.000 ist, wobei der Bearbeitungsabstand definiert ist als ein Abstand zwischen einem letzten optischen Element des Schichtstrukturierungssystem und dem beschichteten Objekt.
5. Schichtstrukturierungssystem nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 4, wobei einen Strahlengang zwischen der Laserquelle und dem Objekt frei von einem Fokus-Schieber ist.
6. Schichtstrukturierungssystem nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 4 wobei der Strahlmodifizierer mindestens einen elektronisch steuerbaren Phasenmodulator und/oder mindestens ein Axikon aufweist.
7. Schichtstrukturierungssystem, nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 6, wobei die Scanvorrichtung mindestens ein optisches Element im Strahlungsweg des Besselstrahls und/oder mindestens ein optisches Element im Strahlungsweg der Laserstrahlung aufweist.
8. Verfahren zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objektes, das Verfahren aufweisend:
- Erzeugen eines Besselstrahls;
- Schwenken des Besselstrahls über das beschichtete Objekt und dadurch mindestens teilweises Entfernen der Schicht mit dem Besselstrahl.
9. Verwendung eines Besselstrahls zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objekts, wobei der Besselstrahl während des Strukturierens verschwenkt wird.
10. Beschichtetes Objekt aufweisend eine Objektbasis und eine Schicht auf der Objektbasis, wobei die Schicht strukturiert ist und wobei die Strukturierung der Schicht mittels eines Besselstrahls erfolgt ist, der während der Strukturierung verschwenkt wurde.
11. Beschichtetes Objekt nach Ausführungsform 10, wobei die Strukturierung der Schicht eine Hauptvertiefung aufweist und mindestens eine hierzu im Wesentlichen parallel verlaufende Nebenvertiefung, wobei die Hauptvertiefung bezüglich einer Oberfläche der Schicht eine erste Tiefe aufweist und die Nebenvertiefung bezüglich der Oberfläche der Schicht eine zweite Tiefe aufweist, und wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe.
12. Beschichtetes Objekt nach irgendeiner der Ausführungsformen 10 oder 11, wobei die Objektbasis Siliziumdioxid aufweist, insbesondere wobei das beschichtete Objekt mindestens einen Teil einer räumlichen Abtrennung bildet.

Sofern nichts anderes angegeben ist, sind gemäß einer Ausführungsform Zahlenwerte einschließlich eines ±5 %-Fensters zu verstehen, d. h. beispielsweise eine Angabe einer Strukturierungsbreite von 10 µm umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Strukturierungsbreite innerhalb eines Intervalls von (10 ± 5 %) µm = [9,5 µm; 10,5 µm] und eine Prozentangabe von 50 % umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Prozentangabe innerhalb eines Intervalls von 50 % ± 5 % = [47,5 %; 52,5 %]. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Zahlenwerte einschließlich eines ±10 %-Fensters zu verstehen.
Außerdem wird darauf hingewiesen, dass raumbezogene Begriffe, wie beispielsweise „vorne“ und „hinten“, „oben“ und „unten“, „links“ und „rechts“, etc. verwendet werden, um die Beziehung eines Elements zu einem anderen Element oder zu anderen Elementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Demnach können die raumbezogenen Begriffe für Ausrichtungen gelten, welche sich von den Ausrichtungen unterscheiden, die in den Figuren dargestellt sind. Es versteht sich jedoch von selbst, dass sich alle solchen raumbezogenen Begriffe der Einfachheit der Beschreibung halber auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtungen beziehen und nicht unbedingt einschränkend sind, da die jeweils dargestellte Vorrichtung, Komponente etc., wenn sie in Verwendung ist, Ausrichtungen annehmen kann, die von den in der Zeichnung dargestellten Ausrichtungen verschieden sein können.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände beschrieben, wobei beispielsweise auf ein Verfahren zum Strukturieren einer Schicht eines beschichteten Objekts, eine Verwendung eines Besselstrahls zum Strukturieren, ein beschichtetes Objekt und ein Schichtstrukturierungssystem Bezug genommen wird. Es sollte hervorgehoben werden, dass natürlich jede Kombination von Merkmalen verschiedener Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele möglich ist. Insbesondere werden einige Ausführungsformen mit Bezug auf ein Verfahren oder eine Verwendung beschrieben, während andere Ausführungsformen mit Bezug auf eine Vorrichtung oder ein beschichtetes Objekt beschrieben werden. Jedoch wird der Fachmann der vorstehenden und der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmen, dass, solange es nicht anders angegeben ist, Merkmale verschiedener Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele kombinierbar sind und solche Kombinationen von Merkmalen als durch diese Anmeldung offenbart anzusehen sind. Beispielsweise ist selbst ein Merkmal, welches sich auf ein Verfahren oder eine Verwendung bezieht, mit einem Merkmal kombinierbar, welches sich auf ein Schichtstrukturierungssystem oder ein beschichtetes Objekt bezieht, und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieses Dokuments sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
Figurenliste

1 zeigt ein Schichtstrukturierungssystem gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
2 zeigt schematisch einen Besselstrahl gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
3 zeigt schematisch ein Strahlprofil an verschiedenen Positionen entlang der Strahlrichtung.
4 zeigt einen Intensitätsverlauf in Strahlrichtung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird angemerkt, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente oder Komponenten mit denselben Bezugszahlen versehen sind, oder mit Bezugszahlen, die sich nur in der ersten Ziffer oder einem angehängten Buchstaben unterscheiden. Solche Merkmale bzw. Komponenten, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten in einer anderen Figur gleich oder zumindest funktionsgleich sind, werden nur bei ihrem ersten Auftreten in dem nachfolgenden Text detailliert beschrieben und die Beschreibung wird bei nachfolgendem Auftreten dieser Merkmale und Komponenten (bzw. der entsprechenden Bezugszahlen) nicht wiederholt.
1 zeigt ein Schichtstrukturierungssystem 100 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Schichtstrukturierungssystem 100 eine Laserquelle 102 auf zum Erzeugen von Laserstrahlung 104. Ferner weist das Schichtstrukturierungssystem 100 einen Strahlmodifizierer 106 auf, welcher beispielsweise ein Axikon aufweist oder aus einem Axikon besteht. Der Strahlmodifizierer 106 ist gemäß einer Ausführungsform konfiguriert und positioniert, zum Empfangen der Laserstrahlung 104 und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls, welcher schematisch bei 108 angegeben ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Schichtstrukturierungssystem 100 eine Scanvorrichtung 110 auf, welche konfiguriert ist zum Schwenken des Besselstrahls 108 über ein beschichtetes Objekt 112. Gemäß einer Ausführungsform weist die Scanvorrichtung 110 einen oder mehrere schwenkbare Spiegel 111 auf, beispielsweise wie in 1 dargestellt. Es versteht sich, dass jedem von dem mindestens einen schwenkbaren Spiegel 111 ein entsprechender Aktor zum Schwenken des Spiegels 111 zugeordnet ist, welcher in 1 jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Ferner versteht es sich, dass dem mindestens einen Aktor eine Steuervorrichtung zugeordnet ist, zum Steuern des Aktors und dadurch Verschwenken des Besselstrahls 108 durch Schwenken des mindestens einen Spiegels 111.
Gemäß einer Ausführungsform weist das beschichtete Objekt 112 eine Objektbasis 113 und eine Schicht 114 auf der Objektbasis 113 auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das beschichtete Objekt 112 eine weitere Schicht 116 aufweisen, welche auf einer der Schicht 114 abgewandten Seite des beschichteten Objekts 112 angeordnet ist, beispielsweise wie in 1 dargestellt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Laserstrahlung 104 und insbesondere der Besselstrahl 108 konfiguriert zum mindestens teilweisen Entfernen der Schicht 114 des Objekts 112 in einem Strukturierungsgebiet 117.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Besselstrahl 108 eine ausgedehnte Fokuszone 118 auf, welche beispielsweise in Ausbreitungsrichtung 120 des Besselstrahls 108 (hierin auch als Strahlrichtung bezeichnet) eine axiale Ausdehnung 119 von mindestens 0,1 mm aufweist. Die Fokuszone 118 erstreckt sich zwischen Grenzen 121 der Fokuszone 118. Abhängig von der Anwendung und der Ausgestaltung des Strahlmodifizierers ist die axiale Ausdehnung 119 der Fokuszone 118 erheblich größer, beispielsweise 10 mm oder mehr. Gemäß einer Ausführungsform ist das Objekt 112 so positioniert, dass sich die Schicht 114 des Objekts 112 oder jedenfalls ein Teil der Schicht 114, der mittels des Besselstrahls 108 bearbeitet werden soll, innerhalb der Fokuszone 118 befindet und zwar gemäß einer Ausführungsform während der gesamten Strukturierung der Schicht 114 und ohne die Lage der Fokuszone 118 in Strahlrichtung 120 nach zu justieren.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Besselstrahl eine laterale Ausdehnung 122 auf, die beispielsweise 10 µm oder mehr beträgt. Auch wenn der Besselstrahl 108 in 1 linienförmig dargestellt ist, weist der Besselstrahl in einer lateralen Richtung (d.h. senkrecht zur Strahlrichtung 120) stets ein Strahlprofil (d.h. eine Variation der Intensität entlang der lateralen Richtung) auf, beispielsweise ein Stahlprofil 126 wie in 1 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist die laterale Ausdehnung des Besselstrahls 108 durch den Durchmesser des ersten Intensitätsminimums 124 des Strahlprofils 126 des Besselstrahls 108 definiert, beispielsweise wie in 1 schematisch dargestellt.
In 1 ist das Strahlprofil 126 schematisch in einer lateralen Ebene dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist das Strahlprofil rotationssysmmetrisch um eine Strahlachse (Strahlmitte) des Besselstrahls 108.
Obwohl das Strukturierungsgebiet 117 in 1 ähnlich breit dargestellt ist wie die laterale Ausdehnung 122 des Besselstrahls 108, ist die Breite des Strukturierungsgebietes typischerweise kleiner als die laterale Ausdehnung 122 des Besserstrahls 108, da die Entfernung (das Entfernen) von Schichtmaterial, aus welchem die Schicht 114 gebildet ist, erst ab einer gewissen Intensitätsschwelle erfolgt und die Abtragrate sich in einer nicht-linearen Weise mit der Intensität des Besselstrahls 108 ändert.
Gemäß einer Ausführungsform erzeugen Nebenmaxima 127 des Strahlprofils 126 Nebenvertiefungen 129 in der Schicht 114, beispielsweise wie schematisch in 1 dargestellt. Es versteht sich, dass die Nebenvertiefungen 129, die in 1 durch eine Linie symbolisiert sind, insbesondere bei einem rotationssymmetrischen Strahlprofil zueinander hin verbreitert sein können und sich beispielsweise auch bis zu dem Strukturierungsgebiet 117 erstrecken können, in welchem die Schicht 114 mindestens teilweise entfernt ist. Die in dem Strukturierungsgebiet 117 mindestens teilweise entfernte Schicht 114 liefert eine Vertiefung 131 in dem beschichteten Objekt 112, die hierin auch als Hauptvertiefung bezeichnet wird. Nachdem die Nebenmaxima 127 eine Intensität aufweisen, die geringer ist als ein Intensitätspeak höchster Intensität des Besselstrahls, ist bezüglich einer Oberfläche 115 der Schicht 114 die Tiefe der Nebenvertiefungen 129 geringer als die der Hauptvertiefung 131. Es versteht sich, dass bei entsprechend geringer Intensität die Nebenmaxima 127 nicht zu einem Abtrag von Schichtmaterial der Schicht 114 führen und somit keine Nebenvertiefungen 129 entstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Schichtstrukturierungssystem ein weiteres optisches Element 128, beispielsweise ein f-Theta-Objektiv auf. Gemäß einer Ausführungsform bilden der Strahlmodifizierer 106 und die Scanvorrichtung 110 sowie gegebenenfalls weitere optische Elemente 128 ein optisches System 130 des Schichtstrukturierungssystems 100. Ein optisches Element des optischen Systems 130, beispielsweise gemäß einer Ausführungsform das weitere optische Element 128 liegt dem beschichteten Objekt 112 gegenüber und definiert somit einen Bearbeitungsabstand 132 zwischen dem optischen System 130 und dem beschichteten Objekt 112 bzw. zwischen dem Schichtstrukturierungssystem 100 und dem beschichteten Objekt 112.
In 1 ist der Besselstrahl 108 in einer beispielhaften Schwenkposition 134 dargestellt. Zur Veranschaulichung ist in 1 der Besselstrahl 108 zusätzlich durch eine gestrichelte Linie in einer verschwenkten Position 136 dargestellt, in welcher der Besselstrahl 108 bezüglich der beispielhaften Schwenkposition 134 verschwenkt ist. Gemäß einer Ausführungsform die Fokuszone 118 des Besselstrahls mindestens von einer Ausdehnung derart, dass das beschichtete Objekt 112 auch in der verschwenkten Position 136 innerhalb der Grenzen 121 der Fokuszone 118 des Besselstrahls 108 angeordnet ist, beispielsweise wie in 1 dargestellt.
2 zeigt schematisch einen Besselstrahl 108 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände. Die Lage des Besselstrahls 108 im Raum ist gemäß einer Ausführungsform durch kartesische Koordinaten X, Y, Z beschreibbar. Gemäß einer Ausführungsform ist die Koordinate Z so gewählt (d. h. das Koordinatensystem so orientiert), dass sie sich in Strahlrichtung 120 (Längsrichtung) des Besselstrahls 108 erstreckt. Die lateralen Koordinaten X, Y spannen dann eine Ebene auf, die sich senkrecht zu der Längsrichtung erstreckt. Aus diesem Grund wird eine Richtung, welche in der XY Ebene liegt, auch als laterale Richtung bezeichnet. In 2 ist ferner eine Strahlmitte des Besselstrahls, d. h. ein Zentrum des Besselstrahls, bei 137 angegeben.
3 zeigt schematisch ein Strahlprofil 126 an verschiedenen Positionen entlang der Strahlrichtung 120. Das Strahlprofil 126 gibt hierbei die Intensität I über einer lateralen Richtung (beispielsweise der lateralen Richtung X) an, wobei gemäß einer Ausführungsform die laterale Richtung sich durch die laterale Position höchster Strahlintensität des Besselstrahls erstreckt. Entsprechend weist gemäß einer Ausführungsform das Strahlprofil 126 entlang der lateralen Richtung X einen Peak 138 auf, beispielsweise wie in 3 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Intensität des Besselstrahls in der Strahlmitte 137 am höchsten, so dass bei dieser Ausführungsform der Peak 138 des Strahlprofils in der Strahlmitte 137 liegt, beispielsweise wie in 3 dargestellt. Mit anderen Worten ist gemäß einer Ausführungsform der Besselstrahl 108 kein Ringstrahl. Ausgehend von dem Peak 138 fällt die Intensität des Strahlprofils 126 in der lateralen Richtung X ab, bis ein erstes Minimum 124 erreicht wird. Der Peak 138, in dem der Besselstrahl 108 gemäß einer Ausführungsform die höchste lokale Strahlintensität (in einer lateralen Ebene, beispielsweise der X-Y-Ebene) aufweist, wird auch als Hauptmaximum des Besselstrahls 108 bezeichnet.
Gemäß einer Ausführungsform variiert neben der Variation der Intensität in einer lateralen Richtung, beispielsweise der lateralen Richtung X die Intensität des Peaks 138 auch in der Strahlrichtung 120. Insbesondere existiert gemäß einer Ausführungsform in der Längsrichtung gesehen eine maximale Intensität I1 des Peaks 138 des Besselstrahls, beispielsweise wie in 3 dargestellt. An den Grenzen 121 der Fokuszone hat die Intensität des Peaks 138 den Wert 12. Die Intensität I1 wird hierein auch als maximale Peakintensität und die Intensität 12, die kleiner als I1 ist, als reduzierte Peakintensität bezeichnet. Es versteht sich, dass der Begriff „Grenze der Fokuszone“ bzw. jede Grenze 121 der Fokuszone 118 eine definierte Position in Strahlrichtung 120 des Besselstrahls 108 definiert.
4 zeigt einen Intensitätsverlauf in Strahlrichtung 120 (beispielsweise, gemäß einer Ausführungsform entlang der Koordinate Z) gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Besselstrahl 108 in der Strahlrichtung 120 im Bereich der Fokuszone 118 ein Intensitätsmaximum auf, wobei Grenzen 121 der Fokuszone 118, welche die axiale Ausdehnung 119 der Fokuszone 118 definieren (siehe 1), dadurch definiert sind, dass die Intensität des Besselstrahls 108 an der Grenze 121 der Fokuszone 118 fünfzig Prozent (50 %) des Intensitätsmaximums beträgt. Gemäß einer Ausführungsform wird das Intensitätsmaximum durch die maximale Peakintensität I1 definiert und die Intensität des Besselstrahls 108 an der Grenze 121 der Fokuszone 118 durch die reduzierten Peakintensitäten 12.
Es sollte angemerkt werden, dass ein Schichtstrukturierungssystem, wie es hierin beschrieben ist, nicht auf die dezidierten Entitäten beschränkt ist, wie sie in einigen Ausführungsformen beschrieben sind. Vielmehr können die hierin offenbarten Gegenstände auf zahlreichen Weisen implementiert werden, während sie immer noch die offenbarte spezifische Funktionalität liefern.
Gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände kann jede geeignete Entität (z. B. Systeme, Komponenten, Einheiten, Elemente und Vorrichtungen) mit verschiedener Granularität auf Vorrichtungs-Niveau bereitgestellt sein, während sie immer noch die angegebene Funktionalität liefert. Ferner sollte angemerkt werden, dass gemäß Ausführungsformen eine separate Entität (z. B. System, Komponente, Einheit, Element und Vorrichtung) für jede der hierin offenbarten Funktionen bereitgestellt sein kann. Gemäß anderer Ausführungsformen kann eine Entität konfiguriert sein, um zwei oder mehr Funktionen, wie sie hierin beschrieben sind, zu liefern. Gemäß nochmals anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr Entitäten (z. B. Komponenten, Einheiten und Vorrichtungen) konfiguriert sein, um zusammen eine Funktion, wie sie hierin beschrieben ist, zu liefern.
Eine Definition einer optischen Anordnung bzw. einer optischen Geometrie unter Bezugnahme auf eine Laserstrahlung kann selbstverständlich auch analog definiert werden unter Bezugnahme auf einen Strahlungsweg der Laserstrahlung, und umgekehrt. Insofern offenbart hierin jede Bezugnahme auf eine Laserstrahlung oder einen Strahl analog eine Bezugnahme auf einen Strahlungsweg der Laserstrahlung bzw. des Strahls.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale verschiedener Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offenbart anzusehen sind. Ferner sollte erwähnt werden, dass Begriffe wie „ein“ oder „eines“ eine Mehrzahl nicht ausschließen. Begriffe wie „enthaltend“ oder „aufweisend“ schließen weitere Merkmale oder Verfahrensschritte nicht aus. Folglich steht gemäß einer Ausführungsform der Begriff „aufweisend“ oder „enthaltend“ für „unter anderem aufweisend“. Gemäß einer weiteren Ausführungsform steht der Begriff „aufweisend“ oder „enthaltend“ für „bestehend aus“. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Begriff „eingerichtet für“ unter anderem die Bedeutung „konfiguriert, um“.
Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche einschränkend ausgelegt werden sollten. Ferner sollte angemerkt werden, dass Bezugszeichen in der Beschreibung und die Bezugnahme der Beschreibung auf die Zeichnungen nicht als den Umfang der Beschreibung einschränkend ausgelegt werden sollen. Vielmehr veranschaulichen die Zeichnungen nur eine exemplarische Implementierung einer bestimmten Kombination von mehreren Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände, wobei jede andere Kombination von Ausführungsformen ebenso möglich und mit dieser Anmeldung als offenbart anzusehen ist.
Zusammenfassend bleibt festzustellen:
Offenbart wird ein Schichtstrukturierungssystem aufweisend: eine Laserquelle zum Erzeugen von Laserstrahlung; einen Strahlmodifizierer zum Empfangen der Laserstrahlung und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls; eine Scanvorrichtung zum Schwenken des Besselstrahls über ein beschichtetes Objekt und dadurch mindestens teilweisen Entfernen einer Schicht des Objekts.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014116957 A1 [0025]

Claims

Schichtstrukturierungssystem (100) aufweisend: eine Laserquelle (102) zum Erzeugen von Laserstrahlung (104); einen Strahlmodifizierer (106) zum Empfangen der Laserstrahlung (104) und hierauf Erzeugen eines Besselstrahls (108); eine Scanvorrichtung (110) zum Schwenken des Besselstrahls (108) über ein beschichtetes Objekt (112) und dadurch mindestens teilweisen Entfernen einer Schicht (114) des beschichteten Objekts (112).
Schichtstrukturierungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Besselstrahl (108) eine Fokuszone (118) aufweist, und wobei die Fokuszone (118) in Ausbreitungsrichtung des Besselstrahls (108) eine Ausdehnung von mindestens 0,1 mm, beispielsweise mindestens 1 mm oder mindestens 10 mm aufweist.
Schichtstrukturierungssystem (100) nach irgendeinem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung (104) eine Grundwellenlänge der Laserquelle (102) ist.
Schichtstrukturierungssystem (100) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis von einem Bearbeitungsabstand (132) zu einer Ausdehnung (122) der Fokuszone (118) des Besselstrahls (108) senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung (120) des Besselstrahls (108) größer als 10.000 ist, wobei der Bearbeitungsabstand (132) definiert ist als ein Abstand zwischen einem letzten optischen Element (128) des Schichtstrukturierungssystem (100) und dem beschichteten Objekt (112).
Schichtstrukturierungssystem (100) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei einen Strahlengang zwischen der Laserquelle (102) und dem Objekt frei von einem Fokus-Schieber ist.
Schichtstrukturierungssystem (100) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 wobei der Strahlmodifizierer (106) mindestens einen elektronisch steuerbaren Phasenmodulator oder mindestens ein Axikon, insbesondere genau einen elektronisch steuerbaren Phasenmodulator oder genau ein Axikon, aufweist.
Schichtstrukturierungssystem (100), nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Scanvorrichtung (110) mindestens ein optisches Element im Strahlungsweg des Besselstrahls (108) und/oder mindestens ein optisches Element im Strahlungsweg der Laserstrahlung (104) aufweist.
Beschichtetes Objekt (112) aufweisend eine Objektbasis (113) und eine Schicht (114) auf der Objektbasis (113), wobei die Schicht (114) strukturiert ist und wobei die Strukturierung der Schicht (114) mittels eines Besselstrahls (108) erfolgt ist, der während der Strukturierung verschwenkt wurde.
Beschichtetes Objekt (112) nach Anspruch 8, wobei die Strukturierung der Schicht (114) eine Hauptvertiefung (131) aufweist und mindestens eine hierzu im Wesentlichen parallel verlaufende Nebenvertiefung (129), wobei die Hauptvertiefung (131) bezüglich einer Oberfläche (115) der Schicht (114) eine erste Tiefe aufweist und die Nebenvertiefung (129) bezüglich der Oberfläche (115) der Schicht (114) eine zweite Tiefe aufweist, und wobei die erste Tiefe größer ist als die zweite Tiefe.
Beschichtetes Objekt (112) nach irgendeinem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Objektbasis (113) Siliziumdioxid aufweist, insbesondere wobei das beschichtete Objekt mindestens einen Teil einer räumlichen Abtrennung bildet.