EP3624982A1 - Verfahren zur bearbeitung, insbesondere zum trennen eines substrates mittels laserinduziertem tiefenätzen - Google Patents

Verfahren zur bearbeitung, insbesondere zum trennen eines substrates mittels laserinduziertem tiefenätzen

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EP3624982A1
EP3624982A1 EP18717553.4A EP18717553A EP3624982A1 EP 3624982 A1 EP3624982 A1 EP 3624982A1 EP 18717553 A EP18717553 A EP 18717553A EP 3624982 A1 EP3624982 A1 EP 3624982A1
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EP
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etching
laser
ratio
processing
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Roman Ostholt
Norbert AMBROSIUS
Daniel DUNKER
Arne Schnoor
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    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the invention relates to a method for processing, in particular for separating a particular planar substrate by means of laser-induced depth etching, wherein pulsed laser radiation is directed with a spatial laser pulse distance to the substrate and subsequently an anisotropic material removal by etching with an etch rate and an etching time is performed
  • LIDE Laser Induced Deep Etching
  • a transparent material is conveyed over an elongated region along the beam axis, often across the entire thickness, by means of a laser pulse or pulse train
  • the transparent material e.g. in glass plates, modified so that the modification is anisotropically etched in a subsequent wet-chemical etching bath. If the laser pulses are emitted onto the material at a suitable spatial distance along a contour, the material is separated along the contour during the anisotropic removal of material.
  • the laser energy input serves to excite or trigger a reaction and a modification by conversion, the effect of which leads or is used only in the subsequent process step to the desired material separation.
  • a subsequent anisotropic Materialabtrages done by an etching process no sequential, but a two-dimensional erosion process is used for the separation process, which only makes very low demands on the process. In particular, can be about the
  • the separation surface is formed, the interface is not flat. Rather, a corrugation or a perforation, similar to a connected perforation.
  • This basically unwanted uneven parting surface can be defined by the
  • the two fundamental objectives of a rapid processing progress by large laser pulse intervals on the one hand and a smooth as possible, a planar course approximated course of the cut surface on the other hand contrary.
  • the invention has for its object to provide a way to meet these two objectives in an optimal manner or to agree. This object is achieved by a method according to the features of claim 1.
  • the further embodiment of the invention can be found in the dependent claims.
  • machining parameters are determined according to the following rule:
  • the roughness of the surface as a function of the pulse spacing typically has a local minimum of approximately 1 ⁇ to 3 ⁇ .
  • Minimums depends on the substrate material, the etching chemistry used and other process parameters.
  • an anisotropic material removal in the etching bath is made possible at the locations which have been modified by the laser radiation.
  • structures with large aspect ratios can be produced with the condition
  • the removal of material by the wet-chemical etching described by the product of etch rate R and etching time t, compared to the thickness D of the substrate is low.
  • the substrate material used is preferably glass which is transparent to the wavelength used for the laser-induced deep etching. Particularly high aspect ratios and low roughness can be achieved with quartz glass.
  • the invention allows for various embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in each case in a schematic representation in
  • Fig. 3 is an illustration of a surface profile of a cut surface in a
  • Fig. 4 shows the ratio of the laser pulse distance (d) and the roughness R a at different material abrasions.
  • Figure 1 shows schematically how different ripples or roughnesses of
  • Pulse distance d and the greater the etching time t is selected.
  • FIG. 4 shows the dependence of the roughness R a (roughness) on the laser pulse distance d (pitch) for different material removal (etch removal).
  • a laser pulse distance d of about 2 to 3 ⁇ a local minimum roughness R a of about 0.05 to 0.08 ⁇ is achieved. This is only slightly influenced by material removal, the product of etch rate and etching time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Substrates mittels laserinduziertem Tiefenätzen, wobei die Laserstrahlung entlang einer Bearbeitungslinie bewegt wird und Einzelpulse mit einem räumlichen Laserpulsabstand (d) auf das Substrates gelenkt werden. Nachfolgend wird ein anisotroper Materialabtrag durch Ätzen mit einer Ätzrate (R) und einer Ätzdauer (t) unter der Bedingung 1 > d/(R*t) > 10-5 durchgeführt.

Description

VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG, INSBESONDERE ZUM TRENNEN EINES SUBSTRATES MITTELS LASERINDUZIERTEM TIEFENÄTZEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung, insbesondere zum Trennen eines insbesondere ebenen Substrates mittels laserinduziertem Tiefenätzen, wobei gepulste Laserstrahlung mit einem räumlichen Laserpulsabstand auf das Substrat gelenkt wird und nachfolgend ein anisotroper Materialabtrag durch Ätzen mit einer Ätzrate und einer Ätzdauer durchgeführt wird
Das gattungsgemäße Verfahren zur Präzisionsbearbeitung von Glas mittels laserinduziertem Tiefenätzen ist unter der Bezeichnung LIDE (Laser Induced Deep Etching) bekannt geworden. Dabei ermöglicht das LIDE-Verfahren das Einbringen von extrem präzisen Löchern (Through Glass Via = TGV) und Strukturen in höchster Geschwindigkeit und schafft somit die Voraussetzungen für den vermehrten Einsatz von Glas als Werkstoff in der Mikrosystemtechnik.
Beim Laserinduzierten Tiefenätzen (z.B. WO 2014/161534 A2 und WO 2016/04144 A1 ) wird ein transparentes Material mittels eines Laserpulses oder einer Pulsfolge über einen länglichen Bereich entlang der Strahlachse, häufig über die gesamte Dicke des
transparenten Materials, z.B. bei Glasplatten, modifiziert, so dass in einem anschließenden nasschemischen Ätzbad die Modifikation anisotrop geätzt wird. Werden die Laserpulse mit geeignetem räumlichen Abstand entlang einer Kontur auf das Material abgegeben, so wird das Material während des anisotropen Materialabtrags entlang der Kontur getrennt.
Der Laserenergieeintrag dient dabei zur Anregung bzw. Auslösung einer Reaktion und einer Modifikation durch Umwandlung, deren Wirkung erst im nachfolgenden Verfahrensschritt zu der gewünschten Materialtrennung führt bzw. genutzt wird. Indem der Trennprozess aufgrund der Modifikation und gegebenenfalls eines nachfolgenden anisotropen Materialabtrages durch ein Ätzverfahren erfolgt, ist für den Trennvorgang kein sequentielles, sondern ein flächig einwirkendes Abtragsverfahren nutzbar, welches lediglich sehr geringe Anforderungen an den Prozess stellt. Insbesondere lässt sich über die
Einwirkungsdauer der Materialabtrag quantitativ und qualitativ für alle in der beschriebenen Weise vorbehandelten und dementsprechend modifizierten Bereiche zugleich durchführen, sodass der Zeitaufwand für die Erzeugung der Vielzahl der Ausnehmungen oder
Durchbrechungen in der Summe wesentlich reduziert ist.
Durch die prinzipbedingte Verkettung von zueinander beabstandeten Einwirkungsorten der Einzelpulse und deren anschließender Verbindung durch den Ätzprozess, infolgedessen die Trennfläche entsteht, ist die Trennfläche nicht eben. Vielmehr entsteht eine Wellung bzw. eine Zähnung, ähnlich einer verbundenen Perforation.
Diese grundsätzlich unerwünschte unebene Trennfläche lässt sich durch den
Laserpulsabstand einstellen, wobei im Allgemeinen davon ausgegangen wird, dass ein geringer Laserpulsabstand zu einer geringeren Ausprägung der Wellen bzw. Kämme führt.
Somit stehen sich bei dem Verfahren die beiden grundsätzlichen Zielsetzungen eines schnellen Bearbeitungsfortschrittes durch große Laserpulsabstände einerseits und eines möglichst glatten, einem ebenen Verlauf angenäherten Verlaufes der Schnittfläche andererseits entgegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, diese beiden Zielsetzungen in optimaler Weise zu erfüllen bzw. zu vereinbaren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Bearbeitungsparameter nach folgender Vorschrift bestimmt werden:
1 > d/(R * t) > 1 0"5, vorzugweise nach der Bedingung:
1 > d/(R * t) > 1 0"3, wobei d = Laserpulsabstand, R = Ätzrate und t = Ätzdauer. Die bearbeiteten Seitenflächen der nach dem LIDE-Verfahren geschnittenen Substrate oder Bauteile weisen dadurch eine verminderte Rauheit auf, wobei der Erfindung die
überraschende Erkenntnis hinsichtlich der Abhängigkeit der Rauheit vom Pulsabstand und der Ätzdauer zugrunde liegt, dass der Pulsabstand für eine möglichst glatte Oberfläche nicht etwa möglichst klein gewählt wird, sondern gemäß der vorstehenden Vorschrift bestimmt werden muss.
Insbesondere weist die Rauheit der Oberfläche in Abhängigkeit des Pulsabstandes typischerweise ein lokales Minimum um ca. 1 μιη bis 3 μιη auf. Die Position dieses
Minimums ist abhängig vom Substratmaterial, der verwendeten Ätzchemie sowie weiteren Prozessparametern.
Erfindungsgemäß wird an den Stellen, die durch die Laserstrahlung modifiziert wurden, ein anisotroper Materialabtrag im Ätzbad ermöglicht. Dadurch lassen sich Strukturen mit großen Aspektverhältnissen (Dicke D des Substrats zu Schnittspaltbreite b) erzeugen mit der Bedingung
12 > D/b > 1 .
Dabei ist der Materialabtrag durch das nasschemische Ätzen, beschrieben durch das Produkt aus Ätzrate R und Ätzdauer t, im Vergleich zur Dicke D des Substrats gering.
Bevorzugt gilt
D/(R * t) > 3.
Besonders bevorzugt gilt
D/(R * t) > 1 2.
Das verwendete Substratmaterial ist bevorzugt Glas, dass für die für das laserinduzierte Tiefenätzen eingesetzte Wellenlänge transparent ist. Besonders große Aspektverhältnisse und geringe Rauheiten lassen sich mit Quarzglas erzielen.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
Fig. 1 eine Darstellung verschiedener Laserpulsabstände (d) und Ätzdauern (t) ; Fig. 2 eine Darstellung eines Oberflächenprofils einer Schnittfläche bei einem Laserpulsabstand (d = 3 μιη) und einer Ätzdauer (t = 35 min);
Fig. 3 eine Darstellung eines Oberflächenprofils einer Schnittfläche bei einem
Laserpulsabstand (d = 10 μιη) und einer Ätzdauer (t = 35 min) ;
Fig. 4 das Verhältnis des Laserpulsabstandes (d) und der Rauheit Ra bei verschiedenen Materialabträgen.
Figur 1 zeigt schematisch, wie unterschiedliche Welligkeiten bzw. Rauheiten der
Schnittflächen in Abhängigkeit vom Laserpulsabstand d und der Ätzdauer t (bei konstanter Ätzrate R) entstehen. Erwartungsgemäß wird die Rauheit geringer, je geringer der
Pulsabstand d und je größer die Ätzdauer t gewählt wird.
Dies wird in Figur 2 und 3 anhand von Oberflächenprofilen der Schnittflächen verdeutlicht. Bei gleicher Ätzdauer t=35 min und gleicher Ätzrate R, d.h. bei gleichem Produkt R * t und damit gleichem Materialabtrag durch das nasschemische Ätzen, entstehen bei zwei
Laserpulsabständen d=3 μιη (Figur 2) und d=10 μιη (Figur 3) sehr unterschiedliche
Oberflächen.
Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Rauheit Ra (roughness) vom Laserpulsabstand d (pitch) für verschiedene Materialabträge (etch removal). Bei einem Laserpulsabstand d von ca. 2 bis 3 μιη wird ein lokales Minimum der Rauheit Ra von ca. 0,05 bis 0,08 μιη erreicht. Die wird nur geringfügig vom Materialabtrag, dem Produkt von Ätzrate und Ätzdauer, beeinflusst.

Claims

PATE NTAN S P R Ü C H E
1 . Verfahren zur Bearbeitung, insbesondere zum Trennen eines insbesondere ebenen Substrates mittels laserinduziertem Tiefenätzen, wobei die Laserstrahlung entlang einer Bearbeitungslinie bewegt wird und Einzelpulse mit einem räumlichen
Laserpulsabstand (d) auf das Substrates gelenkt werden und nachfolgend ein anisotroper Materialabtrag durch Ätzen mit einer Ätzrate (R) und einer Ätzdauer (t) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der
Bearbeitungsparameter nach der Bedingung erfolgt:
1 > d/(R * t) > 1 0"5
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Bearbeitungsparameter nach der Bedingung erfolgt:
1 > d/(R * t) > 1 0"3
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das
Aspektverhältnis einer Dicke (D) des Substrates zu eine Schnittspaltbreite (b) quer zu der Bearbeitungslinie nach der Bedingung eingestellt wird:
12 > D/b > 1
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ausgangsdicke (D) des Substrates und dem Produkt aus Ätzrate (R) und Ätzdauer (t) größer ist als 3: D/(R * t) > 3
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ausgangsdicke (D) des Substrates und dem Produkt aus Ätzrate (R) und Ätzdauer (t) größer ist als 5:
D/(R * t) > 5
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ausgangsdicke (D) des Substrates und dem Produkt aus Ätzrate (R) und Ätzdauer (t) größer ist als 8:
D/(R * t) > 8
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ausgangsdicke (D) des Substrates und dem Produkt aus Ätzrate (R) und Ätzdauer (t) größer ist als 10:
D/(R * t) > 1 0
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Ausgangsdicke (D) des Substrates und dem Produkt aus Ätzrate (R) und Ätzdauer (t) größer ist als 12:
D/(R * t) > 1 2
9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Glas, insbesondere aus Quarzglas besteht.
EP18717553.4A 2017-05-15 2018-04-06 Verfahren zur bearbeitung, insbesondere zum trennen eines substrates mittels laserinduziertem tiefenätzen Pending EP3624982A1 (de)

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RU2756175C1 (ru) * 2020-03-30 2021-09-28 Акционерное Общество "Государственный Научный Центр Российской Федерации Троицкий Институт Инновационных И Термоядерных Исследований" Роботизированный лазерный комплекс и способ демонтажа металлоконструкций аэс

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