EP2978558A2 - Verfahren und vorrichtung zum abtragen von sprödhartem, für laserstrahlung transparentem material mittels laserstrahlung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum abtragen von sprödhartem, für laserstrahlung transparentem material mittels laserstrahlung

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EP2978558A2
EP2978558A2 EP14721752.5A EP14721752A EP2978558A2 EP 2978558 A2 EP2978558 A2 EP 2978558A2 EP 14721752 A EP14721752 A EP 14721752A EP 2978558 A2 EP2978558 A2 EP 2978558A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser radiation
brittle
primary
threshold
hard
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14721752.5A
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English (en)
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Inventor
Wolfgang Schulz
Urs EPPELT
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2978558A2 publication Critical patent/EP2978558A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
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    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B33/00—Severing cooled glass
    • C03B33/02—Cutting or splitting sheet glass or ribbons; Apparatus or machines therefor
    • C03B33/0222—Scoring using a focussed radiation beam, e.g. laser

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for removing, such as drilling, cutting or scribing, of brittle, transparent to laser radiation material by means of laser radiation, wherein the material has a volume of a given thickness between a top and a bottom of the material and the material a defined optical penetration depth which is greater than or equal to the thickness of the material, wherein the laser radiation incident at a defined angle of incidence between an axis of the laser radiation and the surface normal of the top and the laser radiation incident on the top of the material referred to as the primary laser radiation wherein the primary laser radiation at the bottom of the material is at least partially reflected, so that in the volume of the material by the reflection of a secondary laser radiation is generated, by absorption of a coherent superposition primarily an electron density is generated in the volume of the material having at least two levels of electron density with different effects on the material, these levels of electron density being associated with material specific thresholds of intensity of the primary laser radiation by reaching the first threshold value of the laser radiation Intensity of the primary laser radiation is
  • Such methods are used, inter alia, in display technology, in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed.
  • display technology in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed.
  • industrial display technology conquers an ever larger market volume and tends to ever lighter devices with sensitive "Touchscreen” and thus also thinner glass panes for for example Smart Phones and Tablet Computer.
  • Thin glass substrates offer advantages for displays when the durability and mechanical stability of thicker glass can be achieved. These thin glass panes are used in almost all Fiat Panel Displays (FDP's).
  • Conventional methods for processing such thin glass panes are milling with a defined cutting edge, or they are based on mechanical effects of cracking (cracking and breaking) deliberately introduced into the material or the material.
  • a variety of known process variants using laser radiation is also based on utilizing the mechanical effects of the principle of scribing and subsequent fracturing by replacing the scribe with the action of laser radiation and refracting the material / material after exposure to the laser radiation.
  • Conventional mechanical processing cutting, drilling
  • microcracks are introduced or even small parts, so-called chips, are broken out, so that grinding or etching is necessary as a post-processing process.
  • Cracks of the first kind Damage / cracking / chipping occurs on the back side of the material. Cracks of the first kind occur even when there is no damage on the front - from where the laser radiation is incident - and no abrasion has taken place.
  • Cracks of the second kind Cracks or damages - also called spikes - originate from the leading edge, which represents the transition from the unchanged part of the surface of the workpiece into the lateral removal flanks of the forming removal recess.
  • the cracks or damages of the second kind run over a large depth into the volume of the material compared to cracks of the third kind. This from the
  • Third type cracks The formation of fine, not so deep penetrating cracks occurs in addition to the cracks of the second kind or damages of the second kind - along the worn surface (cut edge); they are not limited to the area near the leading edge and occur where the laser radiation in the Abtragsvertiefung on the abraded surface (Abtragsflanken), ie the Abtragsflanken, occurs. They spread from the worn surface into the material.
  • the third type of cracks penetrate less deeply into the material compared to the first type of cracks.
  • the rough surface of the Abtragsverianaung has in comparison to the leading edge to a roughness with smaller radii of curvature.
  • the focusing effect of the rough surface of the Abtragsvertiefung is much stronger than the focusing effect of the leading edge. That the focal length, which can be assigned to the local roughness or the small radii of curvature of the rough surface is substantially smaller than the focal length of the comparatively large radii of curvature of the leading edge.
  • JP 2005 230 863A describes a method and an apparatus for processing transparent material by means of laser radiation.
  • the laser radiation enters the material to be processed reflections should be avoided, including the entire workpiece to be immersed in a liquid.
  • WO 2006 045 130A1 describes a method and an arrangement for dividing glass panes.
  • the material to be cut is positively with a reflection glass disc deposited to allow reflections or amplify. Due to the different surface roughnesses of both the underside of the glass to be cut and the solid plate used, an air gap is formed so that considerable reflections nevertheless occur.
  • the present invention has for its object to provide a method and an apparatus with which a back damage, such as cutting, scribing and drilling of brittle-hard material that is transparent to laser radiation, is avoided, which means damage, cracking and / or Chipping on the back of the material, so cracks of the first kind, as described above, can be avoided.
  • a back damage such as cutting, scribing and drilling of brittle-hard material that is transparent to laser radiation
  • the underside is in this case that surface of the material or material to be processed which lies opposite the surface on which the laser beam is incident.
  • ultra-short pulsed laser radiation which is referred to as "wide-band-gap" material.
  • Wide-band-gap material is through characterized a band gap between valence and conduction band which is greater than 1 eV.
  • Ultra-short pulsed laser radiation means laser radiation with pulse durations in the range of less than 500 ps (picoseconds).
  • the absorption of a material transparent to laser radiation with a defined optical penetration depth greater than or equal to the thickness of the material has two physically different ranges with respect to the intensity of the laser radiation, which are termed “linear absorption” and "non-linear absorption be designated.
  • a threshold behavior for the intensity of the laser radiation present locally in the material for the achievement of a non-linear absorption in the material, which is transparent for a small intensity or has a small value for the absorption of laser radiation and for larger
  • Upper values - above the at least two thresholds for modification / cracks and flaking / erosion - become strongly absorbing the intensity of the laser radiation.
  • the temporal pulse shape strongly influences the achievement of the threshold values and thus the absorption in the material.
  • Finding a suitable temporal pulse shape is the subject of research and not state of the art.
  • the achievement of the thresholds is characterized by the value for the intensity of the laser radiation, and for a pulse duration smaller than 10 ps (fluence based)
  • the thresholds are characterized by the value for the fluence of the laser radiation (surface-related energy input)
  • a material is suitable for avoiding backside damage if the values of optical properties for index of refraction and absorption index agree with values for the optical properties of the brittle-hard material to be removed.
  • a reflection of laser radiation By absorbing a coherent superposition of primary, directly incident laser radiation and secondary laser radiation reflected at the back, an electron density is created in the volume of the material.
  • the optical properties of the further material may be adjusted by a spatial structuring of the interface between the brittle-hard material and the further material.
  • Such structuring can take place, for example, by virtue of the fact that a grid-shaped, periodic structure on the Rear of the material is generated so that no reflected and diffracted only from the material radiation occurs.
  • the backside material is to be regarded as the area in which the amplitude of the patterning is present, and the backside material is to be regarded as the periodic change of material and environment (eg air).
  • the degree of reflection - a property of the surface - depends not only on the optical properties of the materials but also on their bulk the nature of the surface itself (including its geometric shape); this dependence of the degree of reflection on the shape of the boundary surface both prove the Fresnel law and the diffraction theory.
  • both a liquid and a solid plate can preferably be used.
  • the brittle-hard material can be inserted into the corresponding liquid bath for processing so that the underside is in contact with the liquid.
  • a liquid in particular immersion oils, as z. B. in immersion microscopy use.
  • a solid plate is used as another material, a sheet of ductile or thermosetting ductile material should be used, the type of material depending on the result of the manufacturing process of that material, for example curing, for the resulting refractive index.
  • the composition of the liquid should be adjusted so that the values of the optical properties for refractive index and absorption index match those for the optical properties of the brittle-hard material to be removed so precisely that the first (damage) or the second ( Erosion) threshold for the intensity should not be exceeded, depending on whether damage or erosion should be avoided.
  • a solid plate may have the above-mentioned structuring of that surface which bears against the underside of the brittle-hard material to be processed. In any case, attention should be paid to the necessary form-fit between the material and the solid plate.
  • the optical interface is minimized in its effect on the reflection of laser radiation, so that exceeding the first threshold for the intensity is avoided and thus damage to the bottom (back) is avoided.
  • the optical effect of this interface could be eliminated.
  • a perfect or almost perfect adjustment of the refractive indices is given in particular if the first and the second threshold of the intensity of the laser radiation are not exceeded, wherein the first threshold value is assigned to the occurrence of a damage and the second threshold value is assigned to the occurrence of an ablation.
  • a lack of (back) damage on the underside characterizes the inventive composition of the liquid composition.
  • a slight mismatch will then result in the first threshold being exceeded causing damage (e.g., cracks).
  • a coarser mismatch then leads to erosion on the bottom (back) in the form of flaking.
  • the reflections on / from the material backside are to be avoided.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of an arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a further arrangement according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation to the principle of the emergence of a
  • Figure 4 shows two schematic illustrations, wherein the left image A shows the back of a processed glass without the deposit by another material, while the right image B shows the back with deposit by another material.
  • Figures 1 and 2 show two arrangements with which a brittle, laser-transparent material, designated by the reference numeral 1, can be processed with laser radiation in order to achieve the effects according to the invention, in particular cracks of the first kind on the back side of the material avoided or prevented as a result of processing.
  • the brittle-hard material 1 to be processed is deposited in a form-fitting manner on its underside 2 by a further material 3, which is, for example, a solid plate.
  • a further material 3 which is, for example, a solid plate.
  • the laser radiation is radiated from the upper side 4 onto the thin, plate-shaped material. It is therefore essential that the material 1 on the bottom 2 - where the laser radiation impinges after passing through the material thickness - which is opposite to the top 4, on which the primary laser radiation is opposite, flat and thus positively locked.
  • the arrangement according to the invention differs from that of Figure 1 in that the brittle-hard material is not deposited on its underside 2 by a solid plate, but immersed in a liquid bath 5, so that the underside 2 is covered by the liquid.
  • the liquid 5 is filled for example in a tub 6; the material 1 is carried on the bottom 7 of the tub 6 by two supports 8.
  • Figure 3 the principle of the formation of a back damage is shown, which is just avoided with the arrangements and measures of Figures 1 and 2.
  • the transparent material 1 and its bottom 2 are with the same
  • This simulation shows a periodic increase in intensity near the backside 2, indicated by region 11, which causes the damage / cracks / chipping.
  • FIG. 3 simulates a case in which the brittle-hard material 1 has a thickness d and a primary laser radiation 12 is incident thereon.
  • the region 11 of the periodic increase in the radiation intensity arises from the fact that in the volume of the brittle-hard material 1, a secondary radiation 13 is generated by reflection of primary radiation 12 at the bottom.
  • a secondary radiation 13 is generated by reflection of primary radiation 12 at the bottom.
  • an electron density in the brittle-hard material 1 increases in at least two stages, wherein these stages are assigned threshold values of an intensity of the laser radiation.
  • the achievement of the first threshold value is characterized by a modification of the material properties and the achievement of the second threshold value is characterized by a mechanical damage, the mechanical damage occurring in the form of cracks / chipping or erosion.
  • This further material on the underside 2 of the brittle-hard material 1 may be a solid body 3 (FIG. 1) or a liquid 5 (FIG. 2).
  • the above effects on the underside of the brittle-hard material 1 can also be enhanced by setting the optical properties of the interface between the brittle-hard material 1 and the further material by periodic structuring so that no reflections (diffraction orders) in the volume the first material 1 are directed.
  • FIG. 4 shows a comparison in the two schematic images in order to clarify the effects of the invention. While the left image A shows the back side of a processed glass plate without being deposited by another material, the right image B shows the back side where processing has been performed under the same conditions with deposition by another material. Damage is indicated schematically in the form of lines or line segments. It becomes clear that the glass plate according to image B shows far less damage than the glass plate of image A.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material, das ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite aufweist, mittels Laserstrahlung, und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich dessen Dicke ist. Die Laserstrahlung fällt unter einem definierten Einfallswinkel zu der Flächennormalen der Oberseite ein; diese Laserstrahlung wird als primäre Laserstrahlung bezeichnet. Die primäre Laserstrahlung wird an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird. Für die Bearbeitung des sprödharten Materials wird dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt. Die Erfindung betrifft auch eine entsprechende Vorrichtung.

Description

"Verfahren und Vorrichtung zum Abtragen von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abtragen, wie beispielsweise Bohren, Schneiden oder Ritzen, von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung, wobei das Material ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Materials aufweist und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, wobei die Laserstrahlung unter einem definierten Einfallswinkel zwischen einer Achse der Laserstrahlung und der Flächennormalen der Oberseite einfällt und die Laserstrahlung, die auf die Oberseite des Materials einfällt, als primäre Laserstrahlung bezeichnet wird, wobei die primäre Laserstrahlung an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert wird, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird, wobei durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer und sekundärer Laserstrahlung eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt wird, die mindestens zwei Stufen der Elektronendichte mit unterschiedlicher Wirkung für das Material aufweist, wobei diesen Stufen der Elektronendichte materialspezifische Schwellenwerte einer Intensität der primären Laserstrahlung zugeordnet sind, indem das Erreichen des ersten Schwellenwerts der Intensität der primären Laserstrahlung durch eine Modifikation der Materialeigenschaften und/oder eine mechanische Schädigung in Form von Rissen charakterisiert ist und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts durch einen mechanischen Abtrag des Materials in Form von Abplatzungen und/oder einem Abtrag charakterisiert ist.
Solche Verfahren finden ihre Anwendung unter anderem in der Display-Technik, in der dünne Glassubstrate, ein sprödharter Werkstoff, bearbeitet werden müssen. Gerade die industrielle Display-Technik erobert ein immer größeres Marktvolumen und tendiert zu immer leichteren Geräten mit sensiblem„Touchscreen" und somit auch dünneren Glasscheiben für zum Beispiel Smart Phones und Tablet Computer.
Dünne Glassubstrate bieten gerade dann Vorteile für Displays, wenn die Haltbarkeit und mechanische Stabilität von dickerem Glas erreicht werden kann. Diese dünnen Glassscheiben werden nahezu in allen Fiat Panel Displays (FDP's) angewandt. Konventionelle Verfahren zum Bearbeiten solcher dünnen Glasscheiben sind das Fräsen mit definierter Schneide, oder sie basieren auf mechanischen Wirkungen einer gezielt in den Werkstoff oder das Material eingebrachten Rissbildung (Ritzen und Brechen). Eine Vielzahl von bekannten Verfahrensvarianten unter Einsatz von Laserstrahlung basiert ebenfalls darauf, die mechanischen Wirkungen des Prinzips von Ritzen und anschließendem Brechen zu nutzen, indem das Ritzen durch die Einwirkung von Laserstrahlung ersetzt wird und der Werkstoff/das Material nach der Einwirkung der Laserstrahlung gebrochen wird. Die konventionelle mechanische Bearbeitung (Schneiden, Bohren) ist für dünne Glasplatten wesentlich schwieriger als für große Werkstoffdicken. Beim mechanischen Ritzen werden nämlich Mikrorisse eingebracht oder sogar kleine Teile, so genannte Chips, herausgebrochen, so dass ein Schleifen oder Ätzen als nachbearbeitender Prozess notwendig wird.
Anforderungen an ein solches Verfahren sowie eine solche Vorrichtung zum
Abtragen von sprödhartem Material, wie sie eingangs beschrieben sind, sind das Erreichen einer großen Abtragrate, ohne dass Schädigungen im Material auftreten, so dass durch das Abtragen und damit nach der Bearbeitung keine zusätzlichen Spannungen oder zusätzlichen Risse in das Material eingebracht werden, die ansonsten mit Verfahren nach dem Stand der Technik auftreten können.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich diese Risse in mindestens drei unterschiedlichen Erscheinungsformen äußern:
Risse erster Art: Eine Schädigung/Rissbildung/Chipping tritt auf der Rückseite des Werkstoffs auf. Risse erster Art treten auch schon dann auf, wenn auf der Vorderseite - von wo aus die Laserstrahlung einfällt - noch keine Schädigung und auch noch kein Abtrag erfolgt sind.
Risse zweiter Art: Risse oder Schädigungen - auch Spikes genannt - gehen von der Eintrittskante aus, die den Übergang von dem unveränderten Teil der Oberfläche des Werkstücks in die seitlichen Abtragsflanken der sich ausbildenden Abtragsvertiefung darstellt. Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine - im Vergleich zu Rissen dritter Art - große Tiefe in das Volumen des Materials. Diese von der
Eintrittskante ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch„Filamente" genannt; Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalischen Ursachen) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des
Werkstücks erreichen. Erreichen die von der abgetragenen Oberfläche ausgehenden Risse zweiter Art die Unterseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks bzw. Materials, dann werden sie - bei unachtsamer Analyse - oft von den Rissen erster Art nicht mehr unterschieden.
Risse dritter Art: Die Entstehung von feinen, nicht so tief eindringenden Rissen tritt zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art - entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) - auf; sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken), das bedeutet die Abtragsflanken, einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in das Material aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in das Material ein. Die raue Oberfläche der Abtragsvertiefung weist im Vergleich zur Eintrittskante eine Rauhigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Oberfläche der Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante. D.h. die Brennweite, die der lokalen Rauheit bzw. den kleinen Krümmungsradien der rauen Oberfläche zugeordnet werden kann ist wesentlich kleiner, als die Brennweite der im Vergleich großen Krümmungsradien der Eintrittskante.
Die JP 2005 230 863A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von transparentem Material mittels Laserstrahlung. Beim Eintritt der Laserstrahlung in den zu bearbeitenden Werkstoff sollen Reflexionen vermieden werden, wozu das gesamte Werkstück in eine Flüssigkeit eingetaucht werden soll.
In der WO 2006 045 130A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Teilen von Glasscheiben beschrieben. Das zu schneidende Material wird formschlüssig mit einer Reflexionsglasscheibe hinterlegt, um Reflexionen zu ermöglichen bzw. zu verstärken. Aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenrauheiten sowohl der Unterseite des zu schneidenden Glases als auch der eingesetzten Feststoffplatte entsteht ein Luftspalt, so dass dennoch erhebliche Reflexionen auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen eine Rückseitenschädigung, wie beispielsweise Schneiden, Ritzen und Bohren, von sprödhartem Material, das für Laserstrahlung transparent ist, vermieden wird, das bedeutet Schädigungen, Rissbildungen und/oder Chipping auf der Rückseite des Werkstoffs, also Risse erster Art, wie sie vorstehend beschrieben sind, vermieden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 6.
Wesentlich ist, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt wird. Die Unterseite ist hierbei diejenige Fläche des zu bearbeitenden Materials bzw. Werkstoffs, die der Oberfläche, auf die der Laserstrahl einfällt, gegenüber liegt.
Die vorstehenden Maßnahmen sind insbesondere für die Bearbeitung von so genanntem sprödharten, dünnen Material, beispielsweise Glas, mit ultra-kurz gepulster Laserstrahlung geeignet, das als„wide-band-gap" Material bezeichnet wird.„Wide- band-gap" Material ist durch eine Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband gekennzeichnet, die größer als 1 eV ist. Ultra-kurz gepulste Laserstrahlung bedeutet Laserstrahlung mit Impulsdauern im Bereich von kleiner 500 ps (Pikosekunden). Die Absorption von einem für Laserstrahlung transparenten Material mit einer definierten optischen Eindringtiefe, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, weist zwei physikalisch unterschiedliche Bereiche bezüglich der Intensität der Laserstrahlung auf, die mit den Begriffen„lineare Absorption" und„nicht-lineare Absorption" bezeichnet werden. Von besonderer Bedeutung ist ein Schwellenverhalten für die Intensität der lokal im Material vorliegenden Laserstrahlung für das Erreichen einer nicht-linearen Absorption im Material, das für eine kleine Intensität transparent ist bzw. einen kleinen Wert für die Absorption von Laserstrahlung aufweist und für grö- ßere Werte - oberhalb der mindestens zwei Schwellen für Modifikation/Risse und Abplatzung/Abtrag - der Intensität der Laserstrahlung stark absorbierend wird.
Weiterhin hat sich herausgestellt, dass die zeitliche Pulsform das Erreichen der Schwellenwerte und damit die Absorption im Material stark beeinflusst. Das Auffinden einer geeigneten zeitlichen Pulsform ist Gegenstand der Forschung und nicht Stand der Technik. Für den Spezialfall einer gaußförmigen zeitlichen Pulsform und für Pulsdauern von 10 ps (Pulsdauern größer 10 ps (intensity based) ist das Erreichen der Schwellen durch den Wert für die Intensität der Laserstrahlung gekennzeichnet. Für eine Pulsdauer kleiner 10 ps (fluence based) ist das Erreichen der Schwellen durch den Wert für die Fluenz der Laserstrahlung (flächenbezogener Energieeintrag) gekennzeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen dahingehend, dass der zu bearbeitende, sprödharte Werkstoff bzw. das Material durch ein weiteres Material formschlüssig hinterlegt wird, d.h. auf der Seite, die der Seite gegenüber liegt, über die die Laserstrahlung in das zu bearbeitende Material eingestrahlt wird, Rückseitenschädigungen des bearbeiteten Materials vermieden werden. Im Gegensatz dazu sind solche Rückseitenschädigungen dann zu beobachten, wenn das sprödharte Material auf der Rückseite durch Luft umgeben ist. Diese Ergebnisse sind dadurch zu erklären, dass durch ein geeignetes weiteres Material die Reflexion an der Rückseite des Materials nicht auftritt. Ein Material ist geeignet, die Rückseitenschädigung zu vermeiden, wenn die Werte für die optischen Eigenschaften für Brechungsindex und Absorptionsindex mit den Werten für die optischen Eigenschaften des abzutragenden, sprödharten Materials übereinstimmen. Im Vergleich dazu tritt z.B. bei Luft als Rückseitenmaterial eine Reflexion von Laserstrahlung auf. Durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer, direkt einfallender Laserstrahlung und sekundärer, an der Rückseite reflektierter Laserstrahlung, wird eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt.
Es kann von Vorteil sein, dass die optischen Eigenschaften des weiteren Materials durch eine räumliche Strukturierung der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material und dem weiteren Material eingestellt werden. Eine solche Strukturierung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine gitterförmige, periodische Struktur auf der Rückseite des Materials erzeugt wird, so dass keine reflektierte und lediglich aus dem Material heraus gebeugte Strahlung auftritt. In diesem Fall ist das Rückseitenmaterial als der Bereich anzusehen, in dem die Amplitude der Strukturierung vorliegt, und das Rückseitenmaterial ist als der periodische Wechsel von Material und Umgebung (z.B. Luft) anzusehen. Eine Strukturierung der Rückseite des zu bearbeitenden Materials vermag zwar nicht die optischen Eigenschaften im Volumen des zu bearbeitenden Materials zu beeinflussen, jedoch hängt der Grad der Reflexion - eine Eigenschaft der Oberfläche - nicht nur von den optischen Eigenschaften der Materialien im Volumen ab, sondern auch von der Beschaffenheit der Oberfläche selbst (also auch deren geometrischer Form); diese Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Form der Grenzfläche belegen sowohl das Fresnelsche Gesetz als auch die Beugungstheorie.
Als weiteres Material können sowohl bevorzugt eine Flüssigkeit als auch eine Feststoffplatte eingesetzt werden.
Falls eine Flüssigkeit eingesetzt wird, was besonders bevorzugt ist, kann das spröd- harte Material für die Bearbeitung in das entsprechende Flüssigkeitsbad eingelegt werden, so dass die Unterseite mit der Flüssigkeit in Kontakt steht. Als Flüssigkeit eignen sich insbesondere Immersionsöle, wie sie z. B. bei der Immersions-Mikroskopie Verwendung finden. Falls als weiteres Material eine Feststoffplatte eingesetzt wird, sollte eine Platte aus duktilem oder aushärtbarem-duktilen Material verwendet werden, wobei die Materialart von dem Ergebnis des Herstellungsprozesses dieses Materials, zum Beispiel das Aushärten, für den resultierenden Brechungsindex abhängig ist.
Falls eine Flüssigkeit eingesetzt wird, sollte die Zusammensetzung der Flüssigkeit so eingestellt werden, dass die Werte der optischen Eigenschaften für Brechungsindex und Absorptionsindex mit den Werten für die optischen Eigenschaften des abzutragenden sprödharten Materials so genau übereinstimmen, dass die erste (Schädigung) oder die zweite (Abtrag) Schwelle für die Intensität nicht überschritten werden, je nachdem, ob eine Schädigung oder ein Abtrag vermieden werden soll. Gleichzeitig kann eine Feststoffplatte als weiteres Material die vorstehend erwähnte Strukturierung derjenigen Fläche aufweisen, die an der Unterseite des zu bearbeitenden sprödharten Materials anliegt. In jedem Fall sollte auf die notwendige Form- schlüssigkeit zwischen Material und Feststoffplatte geachtet werden.
Erfindungsgemäß wird die optische Grenzfläche in ihrer Wirkung auf die Reflexion von Laserstrahlung minimiert, so dass ein Überschreiten der ersten Schwelle für die Intensität vermieden wird und damit eine Schädigung der Unterseite (Rückseite) vermieden wird. Es ist anzumerken, dass im physikalisch und auch technisch nicht erreichbaren Grenzfall perfekt angepasster optischer Brechungsindizes zwischen dem zu bearbeitenden Material und dem zu hinterlegenden Material die optische Wirkung dieser Grenzfläche eliminiert sein könnte. Eine perfekte oder nahezu perfekte Anpassung der Brechungsindizes ist insbesondere dann gegeben, wenn der erste und der zweite Schwellenwert der Intensität der Laserstrahlung nicht überschritten werden, wobei der erste Schwellenwert dem Auftreten einer Schädigung zugeordnet ist und der zweite Schwellenwert dem Auftreten eines Abtrags zugeordnet ist. Ein Ausbleiben der (Rückseiten)schädigung an der Unterseite kennzeichnet die erfindungsgemäße Einstellung der Zusammensetzung der Flüssigkeit. Eine geringe Fehlanpassung führt dann zum Überschreiten des ersten Schwellenwertes, bei dem eine Schädigung (z.B. Risse) entsteht. Eine gröbere Fehlanpassung führt dann zum Abtrag auf der Unterseite (Rückseite) in Form von Abplatzungen.
Nach der Erfindung sind die Reflexionen auf/von der Material-Rückseite zu vermeiden.
Falls eine Flüssigkeit für die Hinterlegung des zu bearbeitenden Materials verwendet wird, ist darauf zu achten, dass nur die Rückseite des Materials mit einer Flüssigkeit benetzt wird.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 schematisch den Aufbau einer Anordnung gemäß der Erfindung, Figur 2 eine weitere Anordnung gemäß der Erfindung,
Figur 3 eine schematische Darstellung, um das Prinzip der Entstehung einer
Rückseitenschädigung eines dünnen, sprödharten Materials bei der Bearbeitung mittels Laserstrahlung zu erläutern, und
Figur 4 zwei schematische Bilddarstellungen, wobei das linke Bild A die Rückseite eines bearbeiteten Glases ohne die Hinterlegung durch ein weiteres Material zeigt, während das rechte Bild B die Rückseite mit Hinterlegung durch ein weiteres Material zeigt.
Die Figuren 1 und 2 zeigen zwei Anordnungen, mit denen ein sprödhartes, für Laserstrahlen transparentes Material, mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, mit Laserstrahlung bearbeitet werden kann, um die Effekte gemäß der Erfindung zu erreichen, dass insbesondere Risse erster Art auf der Rückseite des Materials infolge einer Bearbeitung vermieden bzw. unterbunden werden.
Erfindungsgemäß wird entsprechend der Anordnung der Figur 1 das zu bearbeitende, sprödharte Material 1 auf dessen Unterseite 2 formschlüssig durch ein weiteres Material 3 hinterlegt, bei dem es sich beispielsweise um eine Feststoffplatte handelt. Um das sprödharte Material mittels Laserstrahlung abzutragen oder zu Bohren, um dadurch die Oberfläche anzuritzen oder einzuschneiden, wird die Laserstrahlung von der Oberseite 4 aus auf das dünne, plattenförmige Material eingestrahlt. Wesentlich ist somit, dass das Material 1 auf der Unterseite 2 - wo die Laserstrahlung nach Durchlaufen der Materialdicke auftrifft - die der Oberseite 4, auf die die primäre Laserstrahlung auftrifft, gegenüber liegt, flächig und damit formschlüssig hinterlegt ist.
Die Anordnung gemäß der Erfindung, wie sie in Figur 2 gezeigt ist, unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 1 dadurch, dass das sprödharte Material auf seiner Unterseite 2 nicht von einer Feststoffplatte hinterlegt ist, sondern in ein Flüssigkeitsbad 5 eingetaucht ist, so dass die Unterseite 2 von der Flüssigkeit bedeckt ist. Die Flüssigkeit 5 ist z.B. in eine Wanne 6 eingefüllt; das Material 1 wird auf dem Boden 7 der Wanne 6 durch zwei Auflager 8 getragen. In Figur 3 ist das Prinzip der Entstehung einer Rückseitenschädigung dargestellt, die gerade mit den Anordnungen und Maßnahmen nach den Figuren 1 und 2 vermieden wird. Das transparente Material 1 und dessen Unterseite 2 sind mit denselben
Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 bezeichnet. Das die Unterseite 2 des Materials 1 umgebende Medium, im vorliegenden Fall zum Beispiel Luft, ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet. Ein einfallender Laserstrahl 6 ist zur besseren
Deutlichkeit mit großem Einfallswinkel 10 dargestellt. Diese Simulation zeigt eine periodische Überhöhung der Intensität in der Nähe der Rückseite 2, durch den Bereich 11 angedeutet, durch die die Schädigungen / die Risse / das„Chipping" (Abplatzen) verursacht wird.
Figur 3 simuliert einen Fall, bei dem das sprödharte Material 1 eine Dicke d aufweist und darauf eine primäre Laserstrahlung 12 einfällt. Das Material 1 weist für die Wellenlänge der primären Laserstrahlung 12 eine optische Eindringtiefe auf, die größer oder gleich der Dicke d des sprödharten Materials 1 ist (dopt >= d).
Der Bereich 11 der periodischen Erhöhung der Strahlungsintensität entsteht dadurch, dass im Volumen des sprödharten Materials 1 eine sekundäre Strahlung 13 durch Reflexion von Primärstrahlung 12 an der Unterseite erzeugt wird. Durch Absorption von Laserstrahlung wächst eine Elektronendichte im sprödharten Material 1 in mindestens zwei Stufen an, wobei diesen Stufen Schwellenwerte einer Intensität der Laserstrahlung zugeordnet sind. Das Erreichen des ersten Schwellenwerts ist durch eine Modifikation der Materialeigenschaften charakterisiert und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts ist durch eine mechanische Schädigung charakterisiert, wobei die mechanische Schädigung in Form von Rissen/Chipping oder Abtrag auftritt.
Erfindungsgemäß werden durch Positionieren eines zweiten Materials an der
Unterseite 2 des sprödharten Materials 1 , wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, die optischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material und dem zweiten Material so eingestellt, dass die Intensität von Strahlung im Volumen und in der Umgebung der Unterseite 2 des sprödharten Materials 1 aufgrund von Interferenzen zwischen der einfallenden Primärstrahlung 12 und der reflektierten Sekundärstrahlung 13 den Schwellenwert der Intensität für das Erreichen der zweiten Stufe nicht erreicht und so eine Schädigung der Unterseite 2 vermieden wird. Bei diesem weiteren Material auf der Unterseite 2 des sprödharten Materials 1 kann es sich um einen Feststoffkörper 3 (Figur 1) oder eine Flüssigkeit 5 (Figur 2) handeln.
Die vorstehenden Effekte an der Unterseite des sprödharten Materials 1 können auch dadurch verstärkt werden, dass die optischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material 1 und dem weiteren Material durch eine periodische Strukturierung so eingestellt werden, dass keine Reflexe (Beugungs- Ordnungen) in das Volumen des ersten Materials 1 gerichtet werden.
Figur 4 zeigt in den zwei schematischen Bildern eine Gegenüberstellung, um die Effekte der Erfindung zu verdeutlichen. Während das linke Bild A die Rückseite einer bearbeiteten Glasplatte ohne Hinterlegung durch ein weiteres Material zeigt, zeigt das rechte Bild B die Rückseite, bei der eine Bearbeitung unter denselben Bedingungen mit Hinterlegung durch ein weiteres Material erfolgt ist. Schädigungen sind in Form von Linien oder Linienabschnitten schematisch angedeutet. Es wird deutlich, dass die Glasplatte entsprechend Bild B weitaus geringere Schädigungen erkennen lässt als die Glasplatte von Bild A.

Claims

P a t e n t a n m e l d u n g und Vorrichtung zum Abtragen von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung" Patentansprüche
1. Verfahren zum Abtragen von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung, wobei das Material ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Materials aufweist und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, wobei die Laserstrahlung unter einem definierten Einfallswinkel zwischen einer Achse der Laserstrahlung und der Flächennormalen der Oberseite einfällt und die Laserstrahlung, die auf die Oberseite des Materials einfällt, als primäre Laserstrahlung bezeichnet wird, wobei die primäre Laserstrahlung an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert wird, so dass in dem Volumen des Materials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird, wobei durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer und sekundärer Laserstrahlung eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt wird, die mindestens zwei Stufen der Elektronendichte mit unterschiedlicher Wirkung für das Material aufweist, wobei diesen Stufen der Elektronendichte materialspezifische Schwellenwerte einer Intensität der primären Laserstrahlung zugeordnet sind, indem das Erreichen des ersten Schwellenwerts der Intensität der primären Laserstrahlung durch eine Modifikation der Materialeigenschaften und/oder eine mechanische Schädigung in Form von Rissen charakterisiert ist und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts durch einen mechanischen Abtrag des Materials in Form von Abplatzungen und/oder einem Abtrag charakterisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften des weiteren Materials durch eine räumliche Strukturierung der Grenzfläche zwischen dem sprödharten Material und dem weiteren Material eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Material eine Flüssigkeit eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Flüssigkeit so eingestellt ist, dass die Werte der optischen Eigenschaften für Brechungsindex und Absorptionsindex mit den Werten für die optischen Eigenschaften des abzutragenden sprödharten Materials derart übereinstimmen, dass der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert der Intensität der Laserstrahlung nicht überschritten werden, wobei der erste Schwellenwert dem Auftreten einer Schädigung zugeordnet ist und der zweite Schwellenwert dem Auftreten eines Abtrags zugeordnet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Material eine Feststoffplatte eingesetzt wird.
6. Vorrichtung zum Abtragen von sprödhartem, für Laserstrahlung transparentem Material mittels Laserstrahlung, wobei das Material ein räumliches Volumen einer gegebenen Dicke zwischen einer Oberseite und einer Unterseite des Materials aufweist und das Material eine definierte optische Eindringtiefe aufweist, die größer oder gleich der Dicke des Materials ist, wobei die Laserstrahlung unter einem definierten Einfallswinkel zwischen einer Achse der Laserstrahlung und der Flächennormalen der Oberseite einfällt und die Laserstrahlung, die auf die Oberseite des Materials einfällt, als primäre Laserstrahlung bezeichnet wird, wobei die primäre Laserstrahlung an der Unterseite des Materials zumindest teilweise reflektiert wird, so dass in dem Volumen des Mate- rials durch die Reflexion eine sekundäre Laserstrahlung erzeugt wird, wobei durch Absorption einer kohärenten Überlagerung primärer und sekundärer Laserstrahlung eine Elektronendichte in dem Volumen des Materials erzeugt wird, die mindestens zwei Stufen der Elektronendichte mit unterschiedlicher Wirkung für das Material aufweist, wobei diesen Stufen der Elektronendichte materialspezifische Schwellenwerte einer Intensität der primären Laserstrahlung zugeordnet sind, indem das Erreichen des ersten Schwellenwerts der Intensität der primären Laserstrahlung durch eine Modifikation der Materialeigenschaften und/oder eine mechanische Schädigung in Form von Rissen charakterisiert ist und das Erreichen des zweiten Schwellenwerts durch einen mechanischen Abtrag des Materials in Form von Abplatzungen und/oder einem Abtrag charakterisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials dieses von einem weiteren Material auf der Unterseite formschlüssig hinterlegt wird.
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