EP4263114A1 - Vorrichtung und verfahren zum trennen eines materials - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum trennen eines materials

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Publication number
EP4263114A1
EP4263114A1 EP21805931.9A EP21805931A EP4263114A1 EP 4263114 A1 EP4263114 A1 EP 4263114A1 EP 21805931 A EP21805931 A EP 21805931A EP 4263114 A1 EP4263114 A1 EP 4263114A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
workpiece
laser
axis
laser beam
intensity distribution
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP21805931.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel FLAMM
Jonas Kleiner
Myriam Kaiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik Se
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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 Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4263114A1 publication Critical patent/EP4263114A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for separating a material using ultra-short laser pulses.
  • a particular area of application for such laser radiation is cutting and processing in front of workpieces.
  • the laser beam is preferably introduced into the material with vertical incidence, since reflection losses on the surface of the material are then minimized.
  • an angle of attack for example for chamfering a material edge, or the creation of chamfer and/or bevel structures with angles of attack of more than 30°, there is still an unsolved problem, especially because the high angle of attack on the Material edge lead to a strong aberration of the laser beam and so no targeted energy deposition can take place in the material.
  • a method for separating a workpiece comprising a transparent material
  • material modifications are introduced into the transparent material of the workpiece along a separating line by means of ultra-short laser pulses of an ultra-short pulse laser and the workpiece is then separated in a separating step along the resulting material modification surface.
  • the laser pulses are introduced into the transparent material of the workpiece at an angle of incidence and the material modifications are type III modifications which are associated with cracking of the transparent material.
  • the ultra-short pulse laser provides ultra-short laser pulses.
  • ultra-short can mean that the pulse length is between 500 picoseconds and 10 femtoseconds, for example, and in particular between 10 picoseconds and 100 femtoseconds.
  • the ultra-short laser pulses move in the beam propagation direction along the laser beam formed by them.
  • the intensity in the focus volume can result in non-linear absorption by, for example, multiphoton absorption and/or electron avalanche ionization processes.
  • This non-linear absorption leads to the generation of an electron-ion plasma, which can induce permanent structural changes in the material of the workpiece when it cools down. Since energy can be transported into the bulk of the material by nonlinear absorption, these structural changes can be generated inside the sample without affecting the surface of the workpiece.
  • a transparent material is understood herein to mean a material that is essentially transparent to the wavelength of the laser beam of the ultrashort pulse laser.
  • the terms "material” and “transparent material” are used interchangeably here - the material mentioned here is therefore always to be understood as material that is transparent to the laser beam of the ultrashort pulse laser.
  • Type I is an isotropic refractive index change
  • Type II is a birefringent refractive index change
  • Type III is a so-called void.
  • the material modification produced depends on laser parameters such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser, on the material properties such as, among other things, the electronic structure and the thermal expansion coefficient, as well as the numerical aperture (NA) of the focusing.
  • NA numerical aperture
  • the type I isotropic refractive index changes are attributed to localized melting caused by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material.
  • the density and refractive index of the material is higher when the fused silica is rapidly cooled from a higher temperature. So if the material in the focus volume melts and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.
  • the type II birefringent refractive index changes can arise, for example, as a result of interference between the ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material when it solidifies.
  • a type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.
  • the voids (cavities) of the type III modifications can be produced, for example, with a high laser pulse energy.
  • the formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking.
  • voids can also be associated with type I and type II modifications.
  • Type I and Type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses. Therefore, if a type III modification is introduced, then in any case a less dense or hollow core or a defect is present.
  • a type III modification of sapphire the microexplosion does not create a cavity, but rather an area of lower density. Due to the material stresses that occur in a type III modification, such a modification is often accompanied by cracking or at least promotes it. the Formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. Finding "pure" Type III modifications is therefore not likely.
  • the material cannot cool completely between pulses, so that cumulative effects of the introduced heat from pulse to pulse can influence the material modification.
  • the repetition frequency of the laser can be higher than the reciprocal of the heat diffusion time of the material, so heat accumulation can take place in the focal zone by successive absorption of laser energy until the melting temperature of the material is reached.
  • a larger area than the focus zone can be melted due to the thermal transport of the heat energy into the areas surrounding the focus zone.
  • the material modifications are introduced into the material along a parting line.
  • the parting line describes the line of impact of the laser beam on the surface of the workpiece.
  • the laser beam and the workpiece are shifted relative to one another at a feed rate, so that the laser pulses hit the surface of the workpiece at different locations as time progresses.
  • the feed rate and/or the repetition rate of the laser is selected in such a way that the material modifications in the material of the workpiece do not overlap, but are separate from one another in the material.
  • Displaceable relative to one another means here that both the laser beam can be displaced translationally relative to a stationary workpiece and that the workpiece can be displaced relative to the laser beam. It may also be the case that both the workpiece and the laser beam move. While the workpiece and laser beam are moved relative to each other, the ultra-short pulse laser emits laser pulses into the material of the workpiece at its repetition frequency.
  • a characteristic of the material modifications in the beam propagation direction creates an area in the material of the workpiece in which all material modifications lie and which intersects the surface of the workpiece along the parting line.
  • the area in which the material modifications lie is called the material modification area.
  • the material modification surface can also be curved, so that material modifications that form, for example, the outer surface of a cylinder or a cone are also located in a material modification surface.
  • the laser pulses are introduced into the material of the workpiece at a so-called angle of incidence.
  • the angle of attack is given here as the angle difference between the laser beam and the surface normal of the workpiece to be cut. When the angle of attack is non-zero, the material modification surface is also inclined with respect to the surface normal of the workpiece.
  • the laser beam is refracted according to Snell's law of refraction depending on the refractive index of the surrounding medium, preferably air, and the material of the workpiece.
  • the beam propagation direction in the material of the workpiece can deviate from the beam propagation direction before entering the material of the workpiece.
  • the material modification surface can also be tilted at an angle other than the angle of impact with respect to the surface normal.
  • type III modifications are used in order to create predetermined breaking points in the material, or to quasi perforate the material along the material modification surface.
  • the formation of cracks favored by the voids makes it possible for cracks to propagate between adjacent material modifications, as will be explained in more detail below.
  • This crack formation preferably takes place in the material modification surface, so that the material modification surface becomes the parting surface.
  • the separation along the material modification surface is carried out by a separation step, so that the workpiece is divided into the bulk part and the so-called section of the workpiece.
  • the separating step can comprise a mechanical separation and/or an etching process and/or a thermal treatment and/or a self-separation step.
  • a thermal impact can be, for example, heating of the material or the parting line.
  • the dividing line can be heated locally using a continuous wave CO2 laser, so that the material in the material modification area expands differently compared to the untreated or unmodified material.
  • thermal stress is implemented by means of a stream of hot air, or by baking on a hot plate, or by heating the material in an oven.
  • temperature gradients can also be applied in the separation step. The cracks favored by the material modification experience crack growth as a result, so that a continuous and non-jammed separating surface can form, through which the parts of the workpiece are separated from one another.
  • a mechanical separation can be achieved by applying a tensile or bending stress, for example by applying a mechanical load to the parting line separated parts of the workpiece are generated.
  • a tensile stress can be applied when opposite forces act on the parts of the workpiece separated by the dividing line in the material plane at one force application point each pointing away from the dividing line. If the forces are not aligned parallel or antiparallel to one another, this can contribute to the development of bending stress.
  • a mechanical change can also be achieved by a pulsating effect on the part to be separated.
  • a lattice vibration can be generated in the material by an impact. The deflection of the lattice atoms can also generate tensile and compressive stresses that can trigger cracking.
  • the material can also be separated by etching with a wet-chemical solution, with the etching process preferably starting the material at the material modification, i.e. the targeted material weakening. Because the parts of the workpiece weakened by the material modification are preferably etched, this leads to the workpiece being separated along the separating surface.
  • a so-called self-separation can also be carried out by targeted crack guidance through the orientation of the material modifications in the material.
  • the formation of cracks from material modification to material modification enables the two parts of the workpiece to be separated over the entire surface without having to carry out a further separating step.
  • the material modifications penetrate two sides of the workpiece, which lie in intersecting planes, and a shaped edge, preferably a chamfer and/or a bevel, is produced by the separating step.
  • Two sides lie in intersecting planes if the face normals of the planes are not parallel to each other.
  • a box has two sides that lie in intersecting planes if the sides can be connected by an edge of the box.
  • the peripheral surface of the disc is, as it were, in an intersecting plane with the top and bottom of the disc. At least locally viewed in the plane of incidence of the laser beam, a rectangular cross-section also results in the case of a disc.
  • the material modifications penetrate both abutting sides. Penetration here means that the material modification begins on one side and ends on the other side in the direction of beam propagation. However, it can also mean that the material modification only runs within the material of the workpiece in order to avoid material breakouts on the surface. In this case, however, much of the path of the laser between the two sides must be modified with material modifications.
  • this section can be triangular.
  • a triangular section of the workpiece has a so-called hypotenuse, which is opposite the edge to be separated.
  • the length of the hypotenuse is given by the length of the material modifications in the workpiece.
  • the distance from a side adjoining the hypotenuse of the section is given by the distance from the dividing line to the edge of the workpiece.
  • the predetermined breaking point is introduced over the entire length of the hypotenuse.
  • the workpiece is separated along the material modification surface.
  • the material modification surface becomes the so-called shaped edge of the material after cutting.
  • a shaped edge of the workpiece is subdivided into so-called chamfers and bevels.
  • a chamfering of the workpiece is understood here as a folding in which the original edge of the cuboid is replaced by two edges. This softens the original edge or creates a transition area from a first cuboid side to a second cuboid side.
  • a bevel is generated when either the hypotenuse of the section coincides with an edge of the workpiece or generally when one side of the triangular section coincides with at least one side length of the workpiece running parallel thereto.
  • the hypotenuse of the chamfer and/or the bevel is between 50 pm and 5000 pm, preferably between 100 pm and 200 pm.
  • This has the advantage that the workpiece can be chamfered in a way that is visually particularly appealing and appears to be of high quality.
  • thicker workpieces can also be chamfered.
  • a more stable edge can also be achieved that does not chip off as easily as an edge with a 90° angle during further processing, installation or use by an end customer.
  • the laser beam can be a non-diffractive laser beam.
  • Non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant.
  • a transverse intensity distribution is essentially constant along a longitudinal direction and/or direction of propagation of the rays.
  • a transversal intensity distribution is to be understood as meaning an intensity distribution which lies in a plane oriented perpendicularly to the longitudinal direction and/or direction of propagation of the beams.
  • the intensity distribution is always understood to be that part of the intensity distribution of the laser beam that is greater than the modification threshold of the material. This can mean, for example, that only a few or just a few intensity maxima of the non-diffracting beam can introduce a material modification into the material of the workpiece.
  • the word focal zone can also be used for the intensity distribution in order to make it clear that this part of the intensity distribution is provided in a targeted manner and that an intensity increase in the form of the intensity distribution is achieved by focusing.
  • non-diffracting laser beams have the advantage that they can have an intensity distribution that is elongated in the direction of beam propagation and that is significantly larger than the transverse dimensions of the intensity distribution.
  • material modifications that are elongated in the beam propagation direction can be produced as a result, so that they can penetrate two sides of the workpiece in a particularly simple manner.
  • the laser beam may have a non-radially symmetric transverse intensity distribution, where the transverse intensity distribution appears elongated in a first axis compared to a second axis, the second axis being perpendicular to the first axis.
  • non-radially symmetrical means that the transversal intensity distribution depends not only on the distance from the optical axis, but also at least on the polar angle around the direction of beam propagation.
  • a non-radially symmetrical transverse intensity distribution can mean, for example, that the transverse intensity distribution is, for example, cross-shaped, or is triangular or N-shaped, for example is pentagonal.
  • a non-radially symmetrical transverse intensity distribution can also include further rotationally symmetrical and mirror-symmetrical beam cross sections.
  • a non-radially symmetrical transverse intensity distribution can also have an elliptical shape, the ellipse having a long axis A and a short axis B perpendicular thereto.
  • the elliptical transverse intensity distribution of the laser beam can correspond to an ideal mathematical ellipse.
  • the non-radially symmetrical transverse intensity distribution of the non-diffracting laser beam can also only have the above-mentioned ratios of long main axis and short main axis, but have a different contour - for example an approximated mathematical ellipse, a dumbbell shape or another symmetrical or asymmetrical contour that is enveloped by a mathematically ideal ellipse.
  • elliptical non-diffracting beams can be generated via non-diffracting beams.
  • Elliptically non-diffracting beams have special properties that result from the analysis of the beam intensity.
  • elliptical quasi-non-diffractive beams have a main maximum that coincides with the center of the beam. The center of the beam is given by the place where the main axes intersect.
  • elliptical, quasi non-diffracting beams can result from the superimposition of a plurality of intensity maxima, in which case only the envelope of the intensity maxima involved is elliptical.
  • the individual intensity maxima do not have to have an elliptical intensity profile.
  • the material modification in the cross section perpendicular to the direction of beam propagation in the material also becomes non-radially symmetrical. Rather, the shape of the material modification corresponds to the intensity distribution of the non-diffracting beam in the material of the workpiece.
  • the non-radially symmetrical transverse intensity distribution relates to the intensity maxima that are above the modification threshold.
  • the non-radially symmetrical Type III material modifications therefore have a preferred direction that runs parallel to the elongated axis of the material modifications. Accordingly, crack formation or crack induction typically takes place along this preferred direction. For example, crack propagation occurs mainly in the direction of a long axis of an elliptical type III material modification, since the contour of the material modification has a smaller curvature there, so that the stress peaks relax here preferably in the form of a crack in the material.
  • targeted crack guidance can thus be favored by a corresponding orientation of the non-radially symmetrical material modifications in the material, so that, for example, crack formation is oriented tangentially to the parting line due to the orientation of the preferred direction.
  • the feed direction between the non-diffracting laser beam and the workpiece is parallel to the short axis of the transversal intensity distribution, it is unlikely that the cracks in neighboring material modifications will meet, since the crack formation tends to run perpendicular to the feed direction.
  • the feed direction is parallel to the long axis about which cracking occurs preferentially, then the cracks of adjacent material modifications are likely to meet and coalesce. Due to the orientation of the beam cross section and/or the workpiece, targeted crack guidance over the entire length of the dividing line can be ensured even with curved dividing lines. This makes it possible to separate the material along dividing lines of any shape.
  • the first axis and the second axis can appear to be of equal size due to the angle of incidence.
  • the mathematical projection of the non-radially symmetrical transverse intensity distribution under the angle of attack onto the surface of the workpiece can lead to distortions of the intensity distribution.
  • an originally elliptical intensity distribution can result in a round intensity distribution on the workpiece.
  • material modifications are introduced into the material, which have the intensity distribution that result from the projection at the angle of attack onto the surface of the workpiece.
  • the non-radially symmetrical transverse intensity distribution appears round due to the angle of attack.
  • a round intensity distribution effectively acts to generate the material modifications.
  • the projection of the non-radially symmetrical intensity distribution onto the surface of the workpiece can be elongated in the feed direction.
  • the ratio of the first axis to the second axis of the non-radially symmetric transverse intensity distribution may be greater than the reciprocal of the cosine of the angle of attack.
  • a laser beam is incident on a surface at the angle of incidence where the first axis of the transverse intensity distribution is parallel to the surface of the workpiece and perpendicular to the plane of incidence of the laser beam and the second axis is in the plane of incidence.
  • the first axis be the long axis and the second axis the short axis of the non-radially symmetric transverse intensity distribution. Then, by projecting the second axis onto the surface of the workpiece, the effective length is increased by a factor of the reciprocal of the angle of incidence.
  • the beam profile has a first axis of equal size.
  • the first axis in the example above is 20pm, then after the projection it will also be 20pm. Overall, however, this results in a round beam shape on the surface of the workpiece.
  • the first axis in the example above is 15pm
  • the second axis has grown to 20pm.
  • Material modifications are thus produced which have a preferred direction which lies in the plane of incidence of the laser beam.
  • the preferred direction has rotated from the first axis to the second axis as a result of the projection.
  • the ratio of the first axis to the second axis can be greater than V2.
  • the material modification surface can be inclined at an angle of up to 35° relative to the surface of the workpiece.
  • the angle of attack can be selected such that the material modification surface is inclined at a maximum of 35° to the surface of the workpiece.
  • the specification of the angle relates to the material modification area in which the material modifications lie, so that this angle corresponds directly to the angle of refraction.
  • the pulse energy of the laser pulses can be between 10pJ and 5mJ, and/or the average laser power can be between 1W and 1 kW, and/or the laser pulses can be individual laser pulses or part of a laser burst and/or the wavelength of the laser can be between 300nm and 1500nm in size, in particular 1030nm in size.
  • the ultra-short pulse laser can provide single laser pulses with a pulse energy of 100pJ, with the average laser power being 5W and the wavelength of the laser being 1030nm.
  • a laser burst can comprise 2 to 20 laser pulses, with the laser pulses of the laser burst having a time interval of 10 ns to 40 ns, preferably 20 ns.
  • a laser burst can include 10 laser pulses and the time interval between the laser pulses can be 20 ns.
  • the repetition frequency of the laser pulses is 50 MHz.
  • the laser bursts can be emitted with the repetition frequency of the individual laser pulses in the order of 100 kHz.
  • the material-specific thermal properties can be addressed, so that a shaped edge with a particularly high surface quality can be produced.
  • the incident laser beam can be polarized parallel to the plane of incidence.
  • the refraction of the laser beam at the transition from the surrounding medium to the material does not only depend on the angle of attack and the refractive indices.
  • the polarization of the laser beam also plays a major role here.
  • the so-called Fresnel equations can be used to show that the transmission of a laser beam polarized parallel to the plane of incidence through a material for an angle of incidence of more than 10° is always greater than the transmission of a laser beam polarized perpendicular to the plane of incidence.
  • a device for separating a workpiece comprising a transparent material comprising an ultra-short pulse laser that is set up to provide ultra-short laser pulses, processing optics that are set up to introduce the laser pulses into the transparent material of the workpiece, and a feed device that is set up to do so is to move the laser beam from laser pulses and the workpiece relative to each other along a dividing line with a feed and to orient the optical axis of the processing optics relative to the surface of the workpiece at an angle of incidence.
  • the laser pulses are introduced into the transparent material of the workpiece at an angle of attack, the type III material modifications being modifications which are associated with cracking of the material of the workpiece.
  • Processing optics can be an optical imaging system, for example.
  • processing optics can consist of one or more components.
  • a component can be a lens, for example, or an optically imaging free-form surface or a Fresnel zone plate.
  • the depth of insertion of the intensity distribution into the material of the workpiece can be determined by the processing optics.
  • the placement of the focal zone in the direction of beam propagation can be adjusted.
  • a focus zone can be placed on the surface of the workpiece, or preferably placed in the material of the workpiece.
  • the focus zone can be set in such a way that the laser beam penetrates two adjacent sides, thus resulting in a material modification that allows the workpiece to be separated over the entire surface by means of one separating step.
  • the feed device can be an XY or an XYZ table, for example, in order to vary the point of impact of the laser pulses on the workpiece.
  • the feed device can move the workpiece and/or the laser beam in such a way that the material modifications can be introduced next to one another into the material of the workpiece along the parting line.
  • a feed device can also have an angular adjustment, so that the workpiece and the laser beam can be rotated through all Euler angles relative to one another. In this way it can be ensured in particular that the angle of attack can be maintained along the entire dividing line.
  • the angle between the optical axis of the processing optics and the surface normal of the material of the workpiece is also understood as the setting angle.
  • the setting angle of the optical axis of the processing optics and the surface normal can be between 0 and 60°, for example.
  • Beam shaping optics can form a non-diffracting laser beam from the laser beam, where the transverse intensity distribution of the non-diffracting laser beam can be non-radially symmetrical, where the non-radially symmetrical transverse intensity distribution can be elongated in a first axis compared to a second axis, and where the second axis is perpendicular to the first axis.
  • the beam shaping optics can be designed, for example, as a diffractive optical element (DOE), a free-form surface in a reflective or refractive design, or an axicon or a microaxicon, or contain a combination of several of these components or functionalities. If the beam shaping optics forms a non-diffracting laser beam from the laser beam in front of the processing optics, the depth of penetration of the intensity distribution into the material can be determined by focusing the processing optics. However, the beam shaping optics can also be designed in such a way that the non-diffracting laser beam is only generated by imaging with the processing optics.
  • DOE diffractive optical element
  • a diffractive optical element is set up to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions.
  • a diffractive optical element is a fixed component that can be used to produce exactly one intensity distribution of a non-diffracting laser beam from the incident laser beam.
  • a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the incident laser beam is brought into the desired beam shape by the diffraction.
  • An axicon is a conically ground optical element that forms a non-diffracting laser beam from an incident Gaussian laser beam as it passes through.
  • the axicon has a cone angle ⁇ , which is calculated from the beam entry surface to the lateral surface of the cone.
  • the processing optics can include a telescope system which is set up to introduce the laser beam into the material of the workpiece in a reduced and/or enlarged manner. Enlarging and/or reducing the laser beam or its transverse intensity distribution allows the laser beam intensity to be distributed over a large or small focal zone. The intensity is adjusted by distributing the laser energy over a large or small area, so that it is possible to choose between modification types I, II, and III, in particular by enlarging and/or reducing the size.
  • enlarged or reduced material modifications can also be introduced into the material of the workpiece by enlarging or reducing the non-radially symmetrical transverse intensity distribution.
  • the radius of curvature of the material modifications introduced thereby is also reduced.
  • a given curvature becomes more acute as it decreases. This can promote the formation of cracks in the material of the workpiece.
  • the optical system can be adapted to the given processing conditions by enlarging or reducing it, so that the device can be used more flexibly.
  • the feed device can comprise an axis device and a workpiece holder, which are set up to move the processing optics and the workpiece along three spatial axes in a translatory manner and in a rotary manner about at least two spatial axes.
  • An axis device can be a 5-axis device, for example.
  • the axis device can also be a robotic arm that guides the laser beam over the workpiece or moves the workpiece relative to the laser beam.
  • the laser beam and the workpiece are moved relative to each other in order to be able to introduce the material modifications along the dividing line, maintaining the angle of incidence relative to the dividing line requires that the laser beam or the workpiece also be rotated locally.
  • the material modification surface it is possible for the material modification surface to always have the same angle to the surface of the workpiece.
  • such an axis device also makes it possible at the same time to orient a non-radially symmetrical transverse intensity distribution relative to the dividing line, so that material modifications are produced whose preferred direction runs parallel to the dividing line and promote crack formation along it.
  • an axis device can also comprise fewer than 5 movable axes, as long as the workpiece holder can be moved about the corresponding number of axes. For example, if the axle device can only be moved in XYZ directions, then the Workpiece holder, for example, have two rotary axes to rotate the workpiece relative to the laser beam.
  • the beam components of the laser beam can hit the workpiece at a maximum angle of incidence of 80° to the surface normal of the workpiece.
  • the laser pulses converge to the optical axis, which is oriented at the angle of incidence to the surface normal of the workpiece.
  • the partial laser beams of the beam bundle are at an angle to the optical axis of the processing optics. In particular, these angles can have very large or very small angles due to the numerical aperture.
  • the reflection and transmission of the laser beam on the surface of the workpiece depends on the angle of incidence and the refractive index. In the case of a grazing incidence of the laser beam, only a small amount of laser light can couple into the material, so that effective material processing is not possible. In addition, this can adversely affect the shape of the non-diffracting beam.
  • Polarization optics preferably comprising a polarizer and a wave plate, can be set up to adjust the polarization of the laser beam relative to the plane of incidence of the laser beam, preferably parallel to the plane of incidence.
  • a wave plate in particular a so-called lambda/2 plate, can rotate the direction of polarization of linearly polarized light by a selectable angle. This makes it possible to bring the laser beam into a desired polarization.
  • a polarizer can be a thin-film polarizer, for example.
  • the thin-film polarizer only transmits laser radiation of a specific polarization.
  • the state of polarization of the laser radiation can therefore always be controlled by a combination of wave plate and polarizer.
  • polarization of the laser beam parallel to the plane of incidence has the advantage that the transmission for an angle of incidence of more than 10° is always greater than when the laser beam is polarized perpendicularly to the plane of incidence.
  • the transmission in the case of a parallel polarized laser beam is more constant and more uniform over a large range of angles of incidence than in the case of perpendicularly polarized light.
  • This can also be a processing optics be used, which has a large numerical aperture.
  • an asymmetrical beam reflection would occur on the surface of the workpiece, so that optical aberrations degrade the quality of the material modifications and thus the quality of the interface.
  • a beam guidance device can be set up to guide the laser beam to the workpiece, with the beam being guided via a mirror system and/or an optical fiber, preferably a hollow-core fiber.
  • a so-called free beam guidance uses a mirror system to guide the laser beam of a stationary ultrashort pulse laser in different spatial dimensions to the beam shaping optics.
  • a free beam guidance has the advantage that the entire optical path is accessible, so that, for example, further elements such as a polarizer and a wave plate can be installed without any problems.
  • a hollow core fiber is a photonic fiber that can flexibly transmit the laser beam of the ultrashort pulse laser to the beam shaping optics.
  • the hollow-core fiber eliminates the need to adjust mirror optics.
  • Control electronics can be set up to trigger a laser pulse emission of the ultrashort pulse laser based on the relative positions of the laser beam and the workpiece.
  • control electronics can regulate the pulse output depending on the relative position of the laser beam and the workpiece.
  • the feed device can have a position-resolving encoder that measures the position of the feed device and the laser beam. Based on the location information, the pulse output of a laser pulse can be triggered in the ultra-short pulse laser via a corresponding triggering system of the control electronics.
  • computer systems can also be used to implement the triggering of the pulse.
  • the locations of the laser pulse emission can be specified for the respective dividing line before the material is processed, so that an optimal distribution of the material modifications along the dividing line is ensured. This ensures that the distance between the material modifications is always the same, even if the feed rate varies. In particular, this also means that a uniform parting surface can be produced and the chamfer or bevel has a high surface quality.
  • the workpiece holder can have a surface that does not reflect and/or scatter the laser beam.
  • this can prevent the laser beam from being guided into the material again after it has penetrated the material and again causing a material modification there.
  • a non-reflecting and/or non-scattering surface can also increase occupational safety.
  • Figure 1A, B, C, D, E is a schematic representation of the process
  • FIG. 2A, B, C shows a schematic representation of chamfer and bevel structures
  • FIG. 3A, B, C, D, E, F another schematic representation of chamfer and bevel structures
  • Figure 4A, B is a schematic representation of a non-diffracting laser beam
  • Figure 5A, B, C, D, E is another schematic representation of non-diffracting laser beams
  • FIG. 6A, B shows a schematic representation of the formation of cracks around a material modification
  • FIG. 7A, B shows a schematic representation of the beam projection onto the material surface
  • FIG. 8A, B, C, D shows a further schematic representation of the beam projection onto the material surface
  • FIG. 9 shows a graph showing the transmission as a function of polarization and angle of incidence
  • Figure 10 is a schematic representation of the device for carrying out the
  • FIG. 11 A, B, C further schematic representations of the device for carrying out the method.
  • FIG. 1 schematically shows the method for separating a workpiece 1 comprising a transparent material.
  • FIG. 1A shows a cross section of a workpiece 1 onto which the laser beam 20 of an ultrashort pulse laser 2 is incident.
  • the laser beam 20 is introduced onto the workpiece 1 at an angle of attack a, which corresponds to the optical axis of the processing optics 3 shown later.
  • the laser beam 20 is refracted at the surface 10 of the workpiece 1 according to Snell's law of refraction during the transition into the workpiece 1, so that the laser beam 20 continues in the material of the workpiece 1 at the angle ⁇ to the surface normal N.
  • the material of the workpiece 1 is heated in the focal zone 220 of the laser beam 20 .
  • the material of the workpiece 1 is vaporized in the focus zone, so that this plasma state expands explosively into the surrounding material of the workpiece 1 . Due to the compression at the impact front of this so-called microexplosion, material stresses occur there, while a less dense or even empty space (void) remains in the original focus zone 220 of the laser beam.
  • the modification of the material of the workpiece 1 in the focal zone 220 is called material modification 5, the material modification 5 being in particular a type III material modification. Finally, as a result of the material stresses, crack formation in the material of the workpiece 1 is promoted.
  • the pulse energy of the laser pulses can be between 10pJ and 5mJ, and/or the average laser power can be between 1W and 1 kW, and/or the laser pulses can be individual laser pulses or part of a laser burst and/or the wavelength of the laser can be between be 300nm and 1500nm in size.
  • a laser burst may also cause 2 to 20 Includes laser pulses, the laser pulses of the laser burst having a time interval of 10 ns to 40 ns, preferably 20 ns.
  • the ultrashort pulse laser 2 emits laser pulses
  • the laser beam 20 and the workpiece 1 are moved relative to one another with a feed rate V, as shown in FIG. 1B.
  • This feed V is guided along a parting line 4 which determines where the workpiece 1 is to be parted on the upper side 10 .
  • the material modification 5 is also introduced into the material of the workpiece 1 at the angle ⁇ .
  • the material modifications 5 can be shaped differently depending on the extent and shape of the focal zone 220 or the intensity distribution, in particular they can be elongated in the beam propagation direction.
  • a so-called material modification surface 50 is produced in the material of the workpiece 1 by the simultaneous feed V of the laser beam 20, in which the material modification 5 lies. It must be taken into account here that the material modifications 5 do not overlap but are separate from one another.
  • the workpiece 1 is separated into the so-called bulk workpiece T and the so-called section 12 by the material modification surface 50 .
  • the material modification surface 50 can be inclined at an angle ⁇ of up to 35° relative to the surface 10 of the workpiece 1 .
  • the material of the workpiece 1 is perforated to a certain extent by the material modifications 5 in the material modification area 50 , so that the workpiece 1 and the section 12 can be separated particularly easily along this material modification area 50 .
  • the actual separation can be realized by specific separation steps. For example, spontaneous crack growth can be initiated by a mechanical action on the section 12, so that the section 12 can be separated from the bulk workpiece T over a large area.
  • Section 12 may also be separated from bulk workpiece T in a chemical bath, as shown in Figure 1C.
  • the material modifications 5 introduced are particularly susceptible to an etching solution, so that the etching process in the material modification area 50 separates the section 12 from the bulk workpiece T.
  • the section 12 is separated from the bulk workpiece T as a result of a thermal effect, as shown in FIG. 1D.
  • the workpiece 1 is heated, for example, with a heating plate 42 or a heating laser (not shown), so that the workpiece 1 undergoes thermal expansion. Due to the thermal expansion of the workpiece 1, due to the material stresses already present in the material modification area 50, cracking can occur, so that the bulk workpiece 1′ and the section 12 are separated from one another over a large area.
  • a so-called chamfer and/or a bevel is formed on the bulk workpiece T, as shown in FIG. 1E.
  • the edging of the workpiece 1 is also known as a shaped edge of the workpiece 1 .
  • the chamfer or bevel are formed by the material modification surface 50, so that the angle of incidence ⁇ of the laser beam 20, the refractive indices of the surrounding medium and the workpiece 1 result in the angle of refraction ß and thus also the alignment of the material modifications 5 and finally the chamfer or bevel.
  • the material modification 5 penetrates those sides of the workpiece 1 which form the edge to be chamfered.
  • sides 10 and 11 form edge 110 to be chamfered.
  • the sides 10 and 11 of the workpiece 1 lie in particular in spatial planes which intersect, the line of intersection of the planes being the edge 110 of the workpiece 1 .
  • FIG. 2A Various possible shaped edges of the material are shown in Figures 2A to 2C.
  • the material modification surface 50 intersects the workpiece 1 with the height of the chamfer being less than the height of side 11 and the width of the chamfer being less than side 10. Accordingly, the chamfering replaces the edge 110 with two edges 110' and 110''. As a result, the original edge 110 in particular is blunted or flattened.
  • the material modification surface 50 intersects the workpiece 1, with the height of section 12 corresponding to the height of side 11, and the material modification surface 50 and the edge 130 formed by the underside 13 of workpiece 1 and side 11 coincide.
  • the number of edges remains constant, but the angle at which sides 13 and 11 meet becomes more acute. Accordingly, the workpiece 1 can be sharpened and/or pointed by forming a bevel 12 .
  • the material modification surface 50 intersects the workpiece 1 , the material modification surface intersecting both the top 10 and the bottom 13 of the workpiece 1 . As a result, the length of the workpiece 1 is reduced overall and the workpiece 1 is also sharpened, as in FIG. 2B.
  • hypotenuse H of section 12 is given by the length of the material modifications in the material.
  • FIG. 3A B a workpiece 1 is shown in the form of a disc.
  • the so-called plane of incidence is defined by the laser beam 20 incident at the angle of incidence ⁇ and the laser beam 20 refracted at the angle ⁇ .
  • the previous description can be taken over verbatim.
  • FIG. 3C also shows that the chamfering of the disk from FIGS. 3A, B leads to a conically tapering element, so that it is possible to produce a wide variety of shapes on shaped edges through the material modifications 5 introduced.
  • FIG. 3D Another example is shown in Figure 3D.
  • Material modifications 5 were introduced circumferentially into the workpiece 1, with the parting line 4 being curved and the angle of attack a in the plane of incidence always being kept constant. This results in a rounded chamfer or bevel after the separation step, which has a high optical quality.
  • FIG. 3E Another example is shown in Figure 3E.
  • no rounded dividing line 4 was used here.
  • the workpiece 1 was successively chamfered on all four sides, so that a crystal-shaped chamfer results at the corners of the workpiece 1 after the cutting step.
  • the method is therefore also suitable for giving the workpiece 1 a particularly high-quality impression.
  • FIG. 3F shows the cross section of the materials 1 from FIGS. 3D and 3F.
  • the cross section clearly shows the formation of a chamfer 14.
  • So-called non-diffracting laser beams 20 are suitable for producing material modifications 5 in a particularly simple manner, which penetrate the workpiece 1 at least in sections.
  • the length L of the focal zone 220 greater than the length of the desired Hypotenuse H of the section 12, the workpiece 1 can be chamfered particularly easily and effectively.
  • a laser beam 20 processed by beam-shaping optics is shown schematically.
  • the partial laser beams 200 of the laser beam 20 fall on the workpiece 1 at an angle a' to the optical axis 30, with each partial laser beam 200 being refracted according to its angle a' to the optical axis 30.
  • the optical axis 30 in this example of the laser beam 20 is perpendicular to the surface 10 of the workpiece 1, so that the angle of incidence is 0°.
  • the partial laser beams 200 are superimposed in the workpiece 1 to form a non-diffracting beam which has an elongated focal zone 220 with the length L.
  • the laser beam 20 strikes at an angle, i.e. at a non-vanishing angle of incidence a, aberrations occur in the material, since the upper half of the beam falls on the workpiece 1 at an angle a+a' and the lower half of the beam at an angle a-a'.
  • the hypotenuse H of the chamfer and/or the bevel being between 50 pm and 5000 pm, preferably between 10 pm and 200 pm.
  • FIG. 5A shows the transverse intensity distribution or the focal zone 220 of a non-diffracting laser beam 20.
  • the non-diffracting laser beam 20 is a so-called Bessel-Gaussian beam, with the transverse intensity distribution being radially symmetrical in the x-y plane, so that the intensity of the non-diffracting laser beam 20 only depends on the radial distance from the optical axis 30 .
  • the diameter of the transverse intensity distribution is between 0.25 pm and 10 pm.
  • FIG. 5B shows the longitudinal beam cross section, ie the longitudinal intensity distribution.
  • the longitudinal intensity distribution shows an elongated region of high intensity, about 3mm in size.
  • the longitudinal extent of the focal zone 220 is thus significantly larger than the transverse extent.
  • FIG. 5C shows a non-diffracting laser beam which has a non-radially symmetrical transverse intensity distribution.
  • the transverse intensity distribution in the y-direction appears stretched and almost elliptical.
  • FIG. 5E shows an enlarged section of the transversal intensity distribution from FIG. 5C, the different intensity maxima resulting from the superimposition of the different partial laser beams 200.
  • the focal zone 220 is significantly elongated in the horizontal direction A compared to the vertical direction B, with both directions being perpendicular to one another.
  • the resulting material modification 5 has the same shape. This is shown in Figure 6A.
  • the material modification 5 thereby has a pointed side and a flat side, the pointed sides being found in the long axis A direction and the blunt sides being found in the short axis B direction. Cracking 52 through the material modification 5 is achieved in the direction of the long axis A, since the stress peaks are greatest there.
  • the long axis A of the non-radially symmetrical transverse intensity distribution is oriented along the dividing line 4 , for example oriented tangentially to the dividing line 4 , so that the induced cracking follows the dividing line 4 . If, as in FIG. 6B, the material modifications 5 are now oriented on the parting line 4 so that the cracks 52 of adjacent material modifications 5 overlap, then the parting can be carried out particularly easily by means of the parting step.
  • the short axis increases to V2ß. Therefore, if the ratio A/B before the projection is greater than V2, the orientation of the long axis A relative to the dividing line 4 is retained during the projection.
  • FIG. 8A shows a Bessel-Gauss beam from FIG. 5A perpendicularly incident on the surface 10 of the workpiece 1.
  • FIG. 8B shows a non-zero angle of attack a, shown in Figure 8B, the radially symmetrical intensity distribution on the surface 10 of the workpiece 1 in one direction elongated intensity distribution, so that the resulting material modifications 5 have a preferred direction. Accordingly, a preferred direction of the material modification 5 can be set or changed by the projection of the laser beam 20 onto the surface 10 of the workpiece 1 .
  • FIG. 8C shows the Bessel beam from FIG. 5C.
  • the alignment of the long axis A is retained by the projection onto the surface 10 of the workpiece 1, so that the orientation of the preferred direction of crack propagation of the material modification 5 resulting therefrom does not change.
  • the A/B is smaller than the reciprocal of the cosine of the angle of attack a.
  • the laser beam 20 can in particular be polarized, preferably polarized parallel to the plane of incidence, in order to minimize reflection losses.
  • FIG. 9 shows the transmission of laser radiation through a workpiece 1 with parallel and perpendicular polarization to the plane of incidence according to Fresnel's formulas. In this case, the angle of attack a is shown in particular on the X-axis, but the partial laser beams 20 according to FIG. 4A have a convergence angle a' relative to the optical axis 30.
  • the variation for laser beams 20 polarized perpendicularly to the plane of incidence is therefore significantly greater than for light polarized parallel to the plane of incidence.
  • FIG. 10 shows an embodiment of the device for carrying out the method.
  • the laser pulses are provided by the ultra-short pulse laser 2 and are directed through polarization optics 32 through beam-shaping optics 34 .
  • the laser beam 20 is directed onto the workpiece 1 by the beam-shaping optics 34 through a telescope system 36 , the optical axis 30 of the processing optics 3 being oriented at the setting angle a to the surface normal N of the workpiece 1 .
  • the polarization optics 32 can comprise a polarizer which is that of the ultrashort pulse laser
  • the beam-shaping optics 34 are an axicon in order to shape the incident laser beam 20 into a non-diffracting laser beam.
  • the axicon generates a conically tapering laser beam 20 from the preferably collimated input beam.
  • the beam-shaping optics 34 can also impress the incident laser beam 20 with a non-radially symmetrical intensity distribution.
  • the laser beam 20 can finally be imaged in the workpiece 1 via a telescopic optics 36, which here consists of two lenses 360, 362, with the image being able to be an enlarging or a reducing image.
  • a part of the telescope optics 36, in particular the lens 360, can also be integrated into the beam-shaping optics 34.
  • a refractive free-form surface or an axicon with a spherically ground rear side can have both the lens function of the lens 360 and the beam-shaping function of the beam-shaping optics 34.
  • FIG. 11A shows a feed device 6 which is set up to move the processing optics 3 and the workpiece 1 in a translatory manner along three spatial axes and to move them in a rotary manner about two spatial axes.
  • the laser beam 20 of the ultra-short pulse laser 2 is directed onto the workpiece 1 by processing optics 3 .
  • the workpiece 1 is arranged on a support surface of the feed device 6 , the support surface preferably neither reflecting nor absorbing the laser energy, which the material does not absorb, nor strongly scattering it back into the workpiece 1 .
  • the laser beam 20 can be coupled into the processing optics 3 by a beam guidance device 38 .
  • the beam guiding device can be a free-space path with a lens and mirror system, as shown in FIG. 11A.
  • the beam guidance device 38 can also be a hollow-core fiber with coupling-in and coupling-out optics, as shown in FIG. 11B.
  • the laser beam 20 is guided in the direction of the workpiece 1 by a mirror construction and introduced into the workpiece 1 by the processing optics 3 .
  • the laser beam 20 causes material modifications 5 in the workpiece 1.
  • the processing optics 3 can be moved and adjusted relative to the material with the feed device 6, so that, for example, a preferred direction or an axis of symmetry of the transverse intensity distribution of the laser beam 20 can be adapted to the feed trajectory and thus the dividing line 4 .
  • the feed device 6 can move the workpiece 1 under the laser beam 20 with a feed rate V, so that the laser beam 20 introduces material modifications 5 along the desired parting line 4 .
  • V feed rate
  • the feed device 6 has a first axis system 60, with which the workpiece 1 can be moved along the XYZ axes and, if necessary, rotated.
  • the feed device 6 can also have a workpiece holder 62 which is set up to hold the workpiece 1 .
  • the workpiece holder can also have degrees of freedom of movement, so that the long axis of a non-radially symmetrical transverse intensity distribution can always be oriented perpendicularly to the beam propagation direction tangentially to the desired dividing line 4 .
  • the feed device 6 can also be connected to control electronics 64 , the control electronics 64 converting the user commands of a user of the device into control commands for the feed device 6 .
  • control electronics 64 converting the user commands of a user of the device into control commands for the feed device 6 .
  • predefined cutting patterns can be stored in a memory of the control electronics 64 and the processes can be automatically controlled by the control electronics 64 .
  • the control electronics 64 can in particular also be connected to the ultrashort pulse laser 2 .
  • the control electronics 64 can request or trigger the output of a laser pulse or laser pulse train.
  • the control electronics 64 can also be connected to other components mentioned and thus coordinate the material processing.
  • a position-controlled pulse triggering can be implemented in this way, with an axis encoder 600 of the feed device 6 being read out, for example, and the axis encoder signal being able to be interpreted by the control electronics 64 as location information. It is thus possible for the control electronics 64 to automatically trigger the delivery of a laser pulse or laser pulse train if, for example, an internal adder unit that adds the distance covered reaches a value and resets itself to 0 after reaching it. For example, a laser pulse or laser pulse train can be emitted automatically into the workpiece 1 at regular intervals.
  • the laser pulses or laser pulse trains can be emitted automatically.
  • the electronic control system 64 can also use the measured speed and the fundamental frequency provided by the laser 2 to calculate a distance or location at which a delivery of a laser pulse train or laser pulse is to take place. In this way it can be achieved in particular that the material modifications 5 in the workpiece 1 do not overlap.
  • FIG. 11C also shows a feed device 6, in which the processing optics are guided over the workpiece 1 via a 5-axis arm in order to introduce material modifications 5 into the workpiece 1.
  • the combination of rotation arms makes it possible to move the processing optics along three spatial axes and to rotate them around two spatial axes.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines ein transparentes Material aufweisenden Werkstücks (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (2) Materialmodifikationen (5) entlang einer Trennlinie (4) in das transparente Material des Werkstücks (1) eingebracht werden und das Material des Werkstücks (1) dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche (50) mit einem Trennschritt getrennt wird, wobei die Laserpulse unter einem Anstellwinkel (α) auf das Werkstück (1) gebracht werden und die Materialmodifikationen (5) Typ III Modifikationen sind, welche mit einer Rissbildung des Materials des Werkstücks (1) assoziiert sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Trennen eines Materials
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines Materials mittels ultrakurzer Laserpulse.
Stand der Technik
In den letzten Jahren hat die Entwicklung von Lasern mit sehr kurzen Pulslängen, insbesondere mit Pulslängen unter einer Nanosekunde, und hohen mittleren Leistungen, insbesondere im Kilowatt- Bereich, zu einer neuen Art der Materialbearbeitung geführt. Die kurze Pulslänge und hohe Pulsspitzenleistung beziehungsweise die hohe Pulsenergie von einigen Mikrojoule bis 100 pJ können zu einer nichtlinearen Absorption der Pulsenergie im Material führen, so dass auch für die verwendete Laserlichtwellenlänge eigentlich transparente beziehungsweise im wesentlichen transparente Materialien bearbeitet werden können.
Ein besonderer Anwendungsbereich einer solchen Laserstrahlung ist das Trennen und Bearbeiten vor Werkstücken. Hierbei wird bevorzugt der Laserstrahl unter senkrechtem Einfall in das Material eingebracht, da dann Reflexionsverluste an der Oberfläche des Materials minimiert werden. Für die Bearbeitung von Materialien unter einem Anstellwinkel, beispielsweise zum Abfasen einer Materialkante, beziehungsweise das Erzeugen von Chamfer- und/oder Bevelstrukturen mit Anstellwinkeln von mehr als 30°, stellt nach wie vor ein ungelöstes Problem dar, insbesondere auch weil die hohen Anstellwinkel an der Materialkante zu einer starken Aberration des Laserstrahls führen und so keine gezielte Energiedeposition in das Material stattfinden kann.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren. Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks vorgeschlagen, wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers Materialmodifikationen entlang einer Trennlinie in das transparente Material des Werkstücks eingebracht werden und das Werkstück dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche mit einem Trennschritt getrennt wird. Erfindungsgemäß werden die Laserpulse unter einem Anstellwinkel in das transparente Material des Werkstücks gebracht und die Materialmodifikationen sind Typ III Modifikationen, welche mit einer Rissbildung des transparenten Materials assoziiert sind.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei ultrakurze Laserpulse zur Verfügung. Ultrakurz kann hierbei bedeuten, dass die Pulslänge beispielsweise zwischen 500 Pikosekunden und 10 Femtosekunden liegt und insbesondere zwischen 10 Pikosekunden und 100 Femtosekunden liegt. Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich dabei in der Strahlausbreitungsrichtung entlang des durch sie ausgebildeten Laserstrahls.
Wenn ein ultrakurzer Laserpuls in ein Material des Werkstücks fokussiert wird, kann die Intensität im Fokusvolumen zu einer nichtlinearen Absorption durch beispielsweise Multiphotonen- Absorptions- und/oder Elektronen-Lawinen-Ionisationsprozessen führen. Diese nichtlineare Absorption führt zur Erzeugung eines Elektronen-Ionen-Plasmas, wobei bei dessen Abkühlung dauerhafte Strukturänderungen im Material des Werkstücks induziert werden können. Da durch die nichtlineare Absorption Energie in das Volumen des Materials transportiert werden kann, können diese strukturellen Veränderungen im Inneren der Probe erzeugt werden, ohne die Oberfläche des Werkstücks zu beeinflussen.
Unter einem transparenten Material wird hierin ein Material verstanden, das für die Wellenlänge des Laserstrahls des Ultrakurzpulslasers im Wesentlichen transparent ist. Hierin werden die Begriffe „Material“ und „transparentes Material“ austauschbar verwendet - das hierin genannte Material ist also immer als für den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers transparentes Material zu verstehen.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. „Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials“ MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern wie der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Lasers, von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizient, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher.
Die Voids (Hohlräume) der Typ Ill-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void), beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.
Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von „reinen“ Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.
Bei hohen Repetitionsraten des Lasers kann das Material zwischen den Pulsen nicht vollständig abkühlen, sodass kumulative Effekte der eingebrachten Wärme von Puls zu Puls einen Einfluss auf die Materialmodifikation nehmen können. Beispielsweise kann die Repetitionsfrequenz des Lasers höher sein als der Kehrwert der Wärmediffusionszeit des Materials, sodass in der Fokuszone durch sukzessive Absorption von Laserenergie eine Wärmeakkumulation stattfinden kann, bis die Schmelztemperatur des Materials erreicht ist. Durch den thermischen Transport der Wärmeenergie in die die Fokuszone umliegenden Gebiete kann zudem ein größerer Bereich als die Fokuszone aufgeschmolzen werden. Nach dem Einbringen der ultrakurzen Laserpulse, kühlt das erwärmte Material schnell ab, so dass die Dichte und andere strukturelle Eigenschaften des Hochtemperaturzustands im Material gewissermaßen eingefroren werden.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer Trennlinie in das Material eingebracht. Die Trennlinie beschreibt die Auftrefflinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks. Durch einen Vorschub wird beispielsweise der Laserstrahl und das Werkstück relativ zu einander mit einer Vorschubgeschwindigkeit verschoben, sodass sich mit fortschreitender Zeit unterschiedliche Auftrefforte der Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben. Hierbei wird die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Repetitionsrate des Lasers so gewählt, dass die Materialmodifikationen im Material des Werkstücks nicht überlappen, sondern voneinander separiert im Material vorliegen. Relativ zueinander verschiebbar bedeutet hierbei, dass sowohl der Laserstrahl translatorisch relativ zu einem ortsfesten Werkstück verschoben werden kann, als auch, dass das Werkstück relativ zum Laserstrahl verschoben werden kann. Es kann auch sein, dass eine Bewegung sowohl des Werkstücks als auch des Laserstrahls stattfindet. Während Werkstück und Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden, gibt der Ultrakurzpulslaser mit seiner Repetitionsfrequenz Laserpulse in das Material des Werkstücks ab.
Durch eine Ausprägung der Materialmodifikationen in Strahlausbreitungsrichtung entsteht eine Fläche im Material des Werkstücks, in der alle Materialmodifikationen liegen und welche die Oberfläche des Werkstücks entlang der Trennlinie schneidet. Die Fläche in der die Materialmodifikationen liegen wird Materialmodifikationsfläche genannt. Die Materialmodifikationsfläche kann insbesondere auch gekrümmt sein, so dass auch Materialmodifikationen, die beispielsweise die Mantelfläche eines Zylinders oder eines Konus bilden, in einer Materialmodifikationsfläche liegen. Die Laserpulse werden in einem sogenannten Anstellwinkel in das Material des Werkstücks eingebracht. Der Anstellwinkel ist hierbei gegeben als die Winkeldifferenz zwischen Laserstrahl und Oberflächennormalen des zu trennenden Werkstücks. Wenn der Anstellwinkel ungleich null ist, ist die Materialmodifikationsfläche ebenfalls gegenüber der Oberflächennormalen des Werkstücks geneigt. Hierbei ist zu beachten, dass bei einem nicht verschwindenden Anstellwinkel der Laserstrahl gemäß des Snellius'schen Brechungsgesetzes in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des umgebenden Mediums, bevorzugt Luft, und des Materials des Werkstücks gebrochen wird. Dadurch kann die Strahlausbreitungsrichtung in dem Material des Werkstücks von der Strahlausbreitungsrichtung vor dem Eintreten in das Material des Werkstücks abweichen. Insbesondere kann dadurch auch die Materialmodifikationsfläche unter einem anderen Winkel als dem Auftreffwinkel gegenüber der Oberflächennormalen gekippt sein.
Vorliegend werden Typ III Modifikationen verwendet, um in dem Material Sollbruchstellen zu erzeugen, beziehungsweise um das Material entlang der Materialmodifikationsfläche quasi zu perforieren. Die durch die Voids begünstigte Rissbildung ermöglicht hierbei, dass eine Rissausbreitung zwischen benachbarten Materialmodifikationen stattfinden kann, wie weiter unten eingehender erklärt wird. Bevorzugt findet diese Rissbildung in der Materialmodifikationsfläche statt, so dass die Materialmodifikationsfläche zur Trennfläche wird.
Die Trennung entlang der Materialmodifikationsfläche erfolgt hierbei durch einen Trennschritt, so dass das Werkstück in den Bulk-Teil und den sogenannten Abschnitt des Werkstücks geteilt wird.
Der Trennschritt kann hierbei eine mechanische Trennung und/oder einen Ätzvorgang und/oder eine thermische Beaufschlagung und/oder einen Selbsttrennungsschritt umfassen.
Eine thermische Beaufschlagung kann beispielsweise eine Erwärmung des Materials oder der Trennlinie sein. Beispielsweise kann die Trennlinie mittels eines Dauerstrich-CO2-Lasers lokal erwärmt werden, so dass sich das Material im Materialmodifikationsbereich unterschiedlich im Vergleich zum unbehandelten bzw. unmodifizierten Material ausdehnt. Es kann aber auch sein, dass eine thermische Beaufschlagung durch einen Heißluftstrom realisiert wird, oder durch ein Ausbacken auf einer Heizplatte oder durch das Beheizen des Materials in einem Ofen. Insbesondere können in dem Trennschritt auch Temperaturgradienten aufgebracht werden. Die durch die Materialmodifikation begünstigten Risse erfahren dadurch ein Risswachstum, so dass sich eine durchgehende und unverhakte Trennfläche ausbilden kann, durch welche die Teile des Werkstücks voneinander getrennt sind.
Eine mechanische Trennung kann durch Aufbringen einer Zug- oder Biegespannung, beispielsweise durch das Aufbringen einer mechanischen Belastung auf die durch die Trennlinie separierten Teile des Werkstücks erzeugt werden. Beispielsweise kann eine Zugspannung aufgebracht werden, wenn auf die durch die Trennlinie separierten Teile des Werkstücks in der Materialebene entgegengesetzte Kräfte an je einem Kraftangriffspunkt wirken, die jeweils von der Trennlinie weg zeigen. Sind die Kräfte nicht parallel beziehungsweise antiparallel zueinander ausgerichtet, so kann dies zum Entstehen einer Biegespannung beitragen. Sobald die Zug- oder Biegespannungen größer als die Bindungskräfte des Materials entlang der Trennfläche sind, wird das Werkstück entlang der Trennfläche getrennt. Insbesondere kann eine mechanische Änderung auch durch eine pulshafte Einwirkung auf den abzutrennenden Teil erreicht werden. Beispielsweise kann durch einen Stoß eine Gitterschwingung im Material erzeugt werden. Durch die Auslenkung der Gitteratome können so ebenfalls Zug- und Druckspannungen erzeugt werden, die eine Rissbildung auslösen können.
Das Material kann auch durch Ätzen mit einer nasschemischen Lösung getrennt werden, wobei der Ätzprozess das Material bevorzugt an der Materialmodifikation, also der gezielten Materialschwächung, ansetzt. Indem bevorzugt die durch die Materialmodifikation geschwächten Teile des Werkstücks geätzt werden, führt dies zu einem Trennen des Werkstücks entlang der Trennfläche.
Insbesondere kann auch durch eine gezielte Rissführung durch die Orientierung der Materialmodifikationen im Material eine sogenannte Selbsttrennung durchgeführt werden. Die Rissbildung von Materialmodifikation zu Materialmodifikation ermöglicht dabei eine vollflächige Trennung der beiden Teile des Werkstücks, ohne dass ein weiterer Trennschritt durchgeführt werden muss.
Dies hat den Vorteil, dass für das jeweilige Material des Werkstücks ein ideales Trennverfahren ausgewählt werden kann, so dass eine Trennung des Werkstücks mit einer hohen Güte der Trennkante einhergeht.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Materialmodifikationen zwei Seiten des Werkstücks durchdringen, welche in sich schneidenden Ebenen liegen, und durch den Trennschritt eine geformte Kante, bevorzugt ein Chamfer und/oder ein Bevel, erzeugt wird.
Zwei Seiten liegen in sich schneidenden Ebenen, wenn die Flächennormalen der Ebenen nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Bei einem Quader liegen beispielsweise zwei Seiten in sich schneidenden Ebenen, wenn die Seiten durch eine Kante des Quaders verbunden werden können. Bei einem scheibenförmigen Material liegt die Umfangsfläche der Scheibe gewissermaßen in einer sich schneidenden Ebene mit der Oberseite und der Unterseite der Scheibe. Zumindest lokal gesehen ergibt sich auch bei einer Scheibe in der Einfallsebene des Laserstrahls ein rechteckiger Querschnitt.
Die Materialmodifikationen durchdringen beide aneinander anliegenden Seiten. Durchdringen bedeutet hierbei das die Materialmodifikation auf der einen Seite anfängt und in Strahlausbreitungsrichtung auf der anderen Seite aufhört. Es kann aber auch bedeuten, dass die Materialmodifikation lediglich innerhalb des Materials des Werkstücks verläuft, um Materialausbrüche an der Oberfläche zu vermeiden. In diesem Fall muss jedoch ein großer Teil der Strecke des Lasers zwischen den zwei Seiten mit Materialmodifikationen modifiziert sein.
Beispielsweise kann es durch eine strategisch sinnvolle Positionierung der Materialmodifikationen im Material ausreichen nur auf einem Drittel der Strecke Materialmodifikationen einzubringen. Es kann aber auch sein, dass eine Materialmodifikation über die gesamte Strecke zwischen den Seiten durchgängig ist.
Dadurch entsteht in der Einfallsebene des Laserstrahls, in der der einfallende und der gebrochene Strahl liegt, ein Abschnitt des Werkstücks. Beispielsweise kann bei einem Quader dieser Abschnitt dreieckig sein. Ein dreieckiger Abschnitt des Werkstücks weist eine sogenannte Hypotenuse auf, die der abzutrennenden Kante gegenüberliegt. Hierbei ist die Länge der Hypotenuse durch die Länge der Materialmodifikationen im Werkstück gegeben. Zudem ist der Abstand einer an die Hypotenuse des Abschnitts anschließenden Seite durch den Abstand der Trennlinie zur Kante des Werkstücks gegeben.
Indem die Materialmodifikationen zwei Seiten des Materials durchdringen, wird die Sollbruchstelle über der gesamten Hypotenusenlänge eingebracht. Dadurch wird in einem folgenden Trennschritt das Werkstück entlang der Materialmodifikationsfläche getrennt.
Die Materialmodifikationsfläche wird nach dem Trennen zur sogenannten geformte Kante des Materials. Eine geformte Kante des Werkstücks untergliedert sich in sogenannte Chamfer und Bevel. Unter einem Chamfer des Werkstücks wird hierbei ein Abkanten verstanden, bei dem die ursprüngliche Kante des Quaders durch zwei Kanten ersetzt wird. Dadurch wird die ursprüngliche Kante entschärft, beziehungsweise ein Übergangsbereich von einer ersten Quaderseite zu einer zweiten Quaderseite geschaffen. Ein Bevel wird hingegen erzeugt, wenn entweder die Hypotenuse des Abschnitts mit einer Kante des Werkstücks zusammenfällt oder allgemein, wenn eine Seite des dreieckigen Abschnitts mit mindestens einer parallel dazu verlaufenden Seitenlänge des Werkstücks übereinstimmt.
Beispielsweise ist die Hypotenuse des Chamfers und/oder des Bevels zwischen 50pm und 5000pm, bevorzugt zwischen 100pm und 200pm groß. Das hat den Vorteil, dass dadurch das Werkstück in einer optisch besonders ansprechenden und qualitativ hochwertig wirkenden Art und Weise abgefast werden kann. Zudem können somit auch dickere Werkstücke abgefast werden. Durch das Bereitstellen einer geformten Kante, eines Chamfers oder eines Bevels kann weiterhin eine stabilere Kante erreicht werden, die bei der Weiterverarbeitung, beim Einbau oder in Verwendung bei einem Endkunden nicht so einfach absplittert, wie eine Kante mit einem 90° Winkel.
Der Laserstrahl kann ein nicht-beugender Laserstrahl sein.
Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung, propagationsinvariant ist. Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs einer longitudinalen Richtung und/oder Propagationsrichtung der Strahlen im Wesentlichen konstant.
Unter einer transversalen Intensitätsverteilung ist eine Intensitätsverteilung zu verstehen, welche in einer zu der longitudinalen Richtung und/oder Propagationsrichtung der Strahlen senkrecht orientierten Ebene liegt. Zudem wird unter der Intensitätsverteilung stets der Teil der Intensitätsverteilung des Laserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass nur einige oder nur wenige Intensitätsmaxima des nicht-beugenden Strahls eine Materialmodifikation in das Material des Werkstücks einbringen können. Dementsprechend kann für die Intensitätsverteilung auch das Wort Fokuszone verwendet werden, um zu verdeutlichen, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Intensitätsverteilung sind. Insbesondere können dadurch in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikationen erzeugt werden, so dass diese besonders einfach zwei Seiten des Werkstücks durchdringen können. Der Laserstrahl kann eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung aufweisen, wobei die transversale Intensitätsverteilung in einer ersten Achse elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse erscheint, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist.
Nicht-radialsymmetrisch bedeutet hierbei, dass die transversale Intensitätsverteilung nicht nur vom Abstand zur optischen Achse, sondern auch mindestens vom Polarwinkel um die Strahlausbreitungsrichtung abhängt. Eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung kann beispielsweise bedeuten, dass die transversale Intensitätsverteilung beispielsweise kreuzförmig ist, oder dreieckig ist oder N-eckig ist, beispielsweise fünfeckig ist. Eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung kann zudem weitere rotations- und spiegelsymmetrische Strahlquerschnitte umfassen. Insbesondere kann eine nichtradialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung auch eine elliptische Form aufweisen, wobei die Ellipse eine lange Achse A und eine dazu senkrechte kurze Achse B aufweist. Eine elliptische transversale Intensitätsverteilung liegt demnach vor, wenn das Verhältnis A/B größer als 1 ist, insbesondere A/B = 1 ,5 ist. Die elliptische transversale Intensitätsverteilung des Laserstrahls kann einer idealen mathematischen Ellipse entsprechen. Die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung des nicht-beugenden Laserstrahls kann aber auch lediglich die oben genannten Verhältnisse aus langer Hauptachse und kurzer Hauptachse aufweisen, aber eine andere Kontur aufweisen - beispielsweise eine angenäherte mathematische Ellipse, eine Hantelform oder eine andere symmetrische oder asymmetrische Kontur, die von einer mathematisch idealen Ellipse eingehüllt ist.
Insbesondere lassen sich über nicht-beugende Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen. Elliptisch nicht-beugende Strahlen weisen hierbei spezielle Eigenschaften auf, die sich aus der Analyse der Strahlintensität ergeben. Beispielsweise weisen elliptische quasi nichtbeugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.
Durch die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung wird auch die Materialmodifikation im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung im Material ebenfalls nicht-radial-symmetrisch. Vielmehr entspricht die Form der Materialmodifikation der Intensitätsverteilung des nicht-beugenden Strahls im Material des Werkstücks. Bei nicht-beugenden Strahlen gibt es insbesondere Bereiche hoher Intensität, die mit dem Material wechselwirken und Materialmodifikationen einbringen und Bereiche, die unterhalb der Modifikationsschwelle liegen. Die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung bezieht sich hierbei auf die Intensitätsmaxima die über der Modifikationsschwelle liegen.
Die nicht-radialsymmetrischen Typ III Materialmodifikationen, weisen demnach eine Vorzugsrichtung auf, die parallel zur elongierten Achse der Materialmodifikationen verläuft. Typischerweise findet demnach eine Rissbildung oder Rissinduktion dann entlang dieser Vorzugsrichtung statt. Beispielsweise findet eine Rissausbreitung hauptsächlich in Richtung einer langen Achse einer elliptischen Typ III Materialmodifikation statt, da dort die Kontur der Materialmodifikation eine kleinere Krümmung aufweist, so dass hier die Spannungsspitzen bevorzugt in Form eines Risses in das Material relaxieren.
Insbesondere kann somit eine gezielte Rissführung durch eine entsprechende Orientierung der nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationen im Material begünstigt werden, so dass beispielsweise durch die Orientierung der Vorzugsrichtung eine Rissbildung tangential zur Trennlinie orientiert ist.
Ist die Vorschubrichtung zwischen nicht-beugendem Laserstrahl und Werkstück beispielsweise parallel zur kurzen Achse der transversalen Intensitätsverteilung, dann ist ein Treffen der Risse benachbarter Materialmodifikationen unwahrscheinlich, da die Rissbildung bevorzugt senkrecht zur Vorschubrichtung verläuft. Ist die Vorschubrichtung hingegen parallel zur langen Achse, bezüglich der die Rissbildung bevorzugt stattfindet, dann ist es wahrscheinlich, dass sich die Risse benachbarter Materialmodifikationen treffen und vereinen. Durch die Orientierung des Strahlquerschnitts und/oder des Werkstücks kann so auch bei geschwungenen Trennlinien eine gezielte Rissführung über die gesamte Länge der Trennlinie sichergestellt werden. Dadurch ist es möglich das Material entlang beliebig geformter Trennlinien zu trennen.
In der Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung auf die Oberfläche des Werkstücks können die erste Achse und die zweite Achse durch den Anstellwinkel gleich groß erscheinen.
Die mathematische Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung unter dem Anstellwinkel auf die Oberfläche des Werkstücks, kann zu Verzerrungen der Intensitätsverteilung führen. So kann beispielsweise aus einer ursprünglich elliptischen Intensitätsverteilung eine runde Intensitätsverteilung auf dem Werkstück entstehen. Insbesondere kann dadurch jedoch auch erreicht werden, dass durch eine ursprünglich runde Intensitätsverteilung eine elliptische Projektion auf der Oberfläche des Werkstücks realisiert wird. Dadurch werden Materialmodifikationen in das Material eingebracht, welche die Intensitätsverteilung aufweisen, die sich durch die Projektion unter dem Anstellwinkel auf die Oberfläche des Werkstücks ergeben.
Dadurch ist es jedoch auch möglich, dass durch die Projektion eine vorher gewählte Vorzugsrichtung der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung verzerrt wird und so die Vorzugsrichtung von der tatsächlich wirksamen Intensitätsverteilung abweicht.
In einer Ausführungsform ist es daher bevorzugt, dass die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung durch den Anstellwinkel rund erscheint. Insbesondere bedeutet das, dass im Fall einer ursprünglich elliptischen transversalen Intensitätsverteilung, durch die Projektion die lange Achse A und die kurze Achse B der Ellipse gleich groß erscheinen. Dadurch wirkt effektiv eine runde Intensitätsverteilung zur Erzeugung der Materialmodifikationen.
Die Projektion der nicht-radialsymmetrischen Intensitätsverteilung auf die Oberfläche des Werkstücks kann in Vorschubrichtung elongiert sein.
Dadurch ist es möglich, die Verzerrung durch die Projektion der Intensitätsverteilung auf die Oberfläche des Werkstücks so zu steuern, dass die Vorzugsrichtung des wirksamen Strahlprofils in Vorschubrichtung zeigt. Indem die Vorzugsrichtung in Richtung der Vorschubrichtung zeigt und somit parallel zur Trennlinie verläuft, kann das Werkstück besonders einfach und mit besonders hoher Qualität entlang der daraus entstehenden Materialmodifikationsfläche getrennt werden.
Das Verhältnis der ersten Achse zur zweiten Achse der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung kann größer als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels sein.
Angenommen, ein Laserstrahl fällt unter dem Anstellwinkel auf eine Oberfläche, wobei die erste Achse der transversalen Intensitätsverteilung parallel zur Oberfläche des Werkstücks verläuft und senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls liegt und die zweite Achse in der Einfallsebene liegt. Des Weiteren sei die erste Achse die lange Achse und die zweite Achse die kurze Achse der nichtradialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung. Dann wird durch die Projektion der zweiten Achse auf die Oberfläche des Werkstücks die effektive Länge um den Faktor des Kehrwerts des Anstellwinkels vergrößert.
Wenn beispielsweise die zweite Achse 10pm groß ist und der Anstellwinkel 60° beträgt, dann ist die Projektion der zweiten Achse auf die Oberfläche des Werkstücks 10pm / cos (60°) = 20pm groß. Des Weiteren wird die erste Achse der transversalen Intensitätsverteilung durch die Projektion nicht vergrößert, da sie senkrecht zur Einfallsebene steht. Das Strahlprofil hat demnach eine gleich große erste Achse.
Wenn beispielsweise die erste Achse im Beispiel oben 20pm groß ist, dann ist sie nach der Projektion ebenfalls 20pm groß. Insgesamt ergibt sich damit aber eine runde Strahlform auf der Oberfläche des Werkstücks.
Wenn beispielsweise die erste Achse im Beispiel oben 15pm groß ist, dann ist die nach der Projektion ebenfalls 15pm groß, jedoch ist die zweite Achse auf 20pm angewachsen. Somit werden Materialmodifikationen erzeugt, die eine Vorzugsrichtung aufweisen, die in der Einfallsebene des Laserstrahls liegt. Insbesondere hat sich durch die Projektion die Vorzugsrichtung von der ersten Achse zur zweiten Achse gedreht.
Durch die Wahl des Verhältnisses von erster zu zweiter Achse, welche größer als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels ist wird daher sichergestellt, dass die ursprünglich intendierte Ausrichtung der Intensitätsverteilung auch bei der Projektion des Strahls auf die Oberfläche des Werkstücks erhalten bleibt.
Das Verhältnis von erster Achse zur zweiten Achse kann größer als V2 sein.
Dadurch ist insbesondere bei einem Anstellwinkel von 45° gewährleistet, dass die ursprünglich intendierte Ausrichtung der transversalen Intensitätsverteilung erhalten bleibt. Insbesondere gilt 1 Zcos(45°) = V2, sodass das Achsverhältnis entsprechend gewählt wird. Dadurch bleibt die Vorzugsrichtung durch die Materialmodifikation auch bei der Projektion des Strahls auf die Oberfläche des Werkstücks erhalten.
Die Materialmodifikationsfläche kann in einem Winkel von betragsmäßig bis zu 35° zur Oberfläche des Werkstücks geneigt sein.
Gemäß dem Snelliusschen Brechungsgesetz entspricht das Produkt aus Brechungsindex des umgebenden Mediums mit dem Sinus des Anstellwinkels, dem Produkt aus Brechungsindex des Materials mit dem Sinus des Brechungswinkels. Dementsprechend kann in Abhängigkeit der Brechungsindizes der Anstellwinkel so gewählt werden, dass die Materialmodifikationsfläche maximal 35° zur Oberfläche des Werkstücks geneigt ist. Insbesondere bezieht sich die Winkelangabe auf die Materialmodifikationsfläche in der die Materialmodifikationen liegen, so dass dieser Winkel direkt dem Brechungswinkel entspricht. Die Pulsenergie der Laserpulse kann zwischen 10pJ und 5mJ groß sein, und/oder die mittlere Laserleistung kann zwischen 1W und 1 kW groß sein, und/oder die Laserpulse können Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sein und/oder die Wellenlänge des Lasers kann zwischen 300nm und 1500nm groß, insbesondere 1030nm groß sein.
Das hat den Vorteil, dass für verschiedene Materialien optimale Laserparameter bereitgestellt werden können.
Beispielsweise kann der Ultrakurzpulslaser Einzellaserpulse mit einer Pulsenergie von 100pJ bereitstellen, wobei die mittlere Laserleistung 5W beträgt und die Wellenlänge des Lasers 1030nm groß ist.
Ein Laserburst kann 2 bis 20 Laserpulse umfassen, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen.
Beispielsweise kann eine Laserburst 10 Laserpulse umfassen und der zeitliche Abstand der Laserpulse kann 20ns betragen. In diesem Fall beträgt die Repetitionsfrequenz der Laserpulse 50 MHz. Die Laserbursts können hierbei mit der Repetitionsfrequenz der Einzellaserpulse in der Größenordnung von 100kHz abgegeben werden.
Durch die Verwendung von Laserbursts kann auf die materialspezifischen Wärmeeigenschaften eingegangen werden, so dass eine geformte Kante mit besonders großer Oberflächenqualität erzeugt werden kann.
Der einfallende Laserstrahl kann parallel zur Einfallsebene polarisiert sein.
Die Brechung des Laserstrahls beim Übergang vom umgebenden Medium in das Material hängt nicht nur vom Anstellwinkel und den Brechungsindizes ab. Eine große Rolle spielt hierbei auch die Polarisation des Laserstrahls. Durch die sogenannten Fresnel-Gleichungen kann gezeigt werden, dass die Transmission eines parallel zur Einfallsebene polarisierten Laserstrahls durch ein Material für einen Einfallswinkel von über 10° stets größer ist, als die T ransmission eines senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Laserstrahls.
Insbesondere können so mit einer P-Polarisation Reflexionsverluste des Laserstrahls minimiert werden, um eine optimale Energieausbeute für den Trennprozess im Material zu realisieren. Zudem kann bei Einfall des Laserstrahls unter dem Brewster-Winkel eine besonders vorteilhafte Energie- Einkopplung in das Material erzielt werden. Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser, der dazu eingerichtet ist ultrakurze Laserpulse bereitzustellen, eine Bearbeitungsoptik, die dazu eingerichtet ist die Laserpulse in das transparente Material des Werkstücks einzubringen, und eine Vorschubvorrichtung, die dazu eingerichtet ist den Laserstrahl aus Laserpulsen und das Werkstück relativ zueinander entlang einer Trennlinie mit einem Vorschub zu bewegen und die optische Achse der Bearbeitungsoptik relativ zur Oberfläche des Werkstücks unter einem Anstellwinkel zu orientieren. Erfindungsgemäß werden die Laserpulse unter einem Anstellwinkel in das transparente Material des Werkstücks eingebracht, wobei die Materialmodifikationen Typ III Modifikationen sind, welche mit einer Rissbildung des Materials des Werkstücks assoziiert sind.
Eine Bearbeitungsoptik kann beispielsweise ein optisch abbildendes System sein. Beispielsweise kann eine Bearbeitungsoptik aus einer oder mehreren Komponenten bestehen. Eine Komponente kann beispielsweise eine Linse sein, oder eine optisch abbildende Freiformfläche oder eine Fresnelsche Zonenplatte. Durch die Bearbeitungsoptik kann insbesondere die Einbringtiefe der Intensitätsverteilung in das Material des Werkstücks bestimmt werden. Gewissermaßen kann die Platzierung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung eingestellt werden. So kann beispielsweise durch ein Verstellen der Bearbeitungsoptik eine Fokuszone auf die Oberfläche des Werkstücks gelegt werden, oder bevorzugt in das Material des Werkstücks gelegt werden. Beispielsweise kann dadurch die Fokuszone so eingestellt werden, dass der Laserstrahl zwei aneinander anliegende Seiten durchdringt und somit eine Materialmodifikation entsteht, die mittels eines Trennschritts ein vollflächiges Trennen des Werkstücks erlaubt.
Die Vorschubvorrichtung kann hierbei beispielsweise ein XY- oder ein XYZ-Tisch sein, um den Auftreffort der Laserpulse auf dem Werkstück zu variieren. Die Vorschubvorrichtung kann hierbei das Werkstück und/oder den Laserstrahl so bewegen, dass die Materialmodifikationen nebeneinander in das Material des Werkstücks entlang der Trennlinie eingebracht werden können.
Eine Vorschubvorrichtung kann ebenfalls eine Winkelverstellung aufweisen, so dass das Werkstück und der Laserstrahl um alle Euler-Winkel relativ zueinander gedreht werden kann. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass der Anstellwinkel entlang der gesamten Trennlinie eingehalten werden kann. Insbesondere wird hierbei als Anstellwinkel auch der Winkel zwischen der optischen Achse der Bearbeitungsoptik und der Oberflächennormalen des Materials des Werkstücks verstanden. Der Anstellwinkel der optischen Achse der Bearbeitungsoptik und der Oberflächennormalen kann hierbei beispielsweise zwischen 0 und 60° betragen.
Eine Strahlformoptik kann aus dem Laserstrahl einen nicht-beugenden Laserstrahl formen, wobei die transversale Intensitätsverteilung des nicht-beugenden Laserstrahls nicht-radialsymmetrisch sein kann, wobei die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung in einer ersten Achse elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse sein kann, und wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist.
Die Strahlformoptik kann beispielsweise als ein diffraktives optisches Element (DOE), eine Freiformoberfläche in reflektiver oder refraktiver Ausführung oder ein Axicon oder ein Microaxicon ausgebildet sein, oder eine Kombination mehrerer dieser Komponenten oder Funktionalitäten beinhalten. Wenn die Strahlformoptik aus dem Laserstrahl vor der Bearbeitungsoptik einen nichtbeugenden Laserstrahl formt, dann kann über die Fokussierung der Bearbeitungsoptik die Einbringtiefe der Intensitätsverteilung in das Material bestimmt werden. Die Strahlformoptik kann jedoch auch so ausgestaltet sein, dass der nicht-beugende Laserstrahl erst durch eine Abbildung mit der Bearbeitungsoptik erzeugt wird.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Ein diffraktives optisches Element ist ein fixes Bauteil, welches zur Herstellung genau einer Intensitätsverteilung eines nichtbeugenden Laserstrahls aus dem einfallenden Laserstrahl verwendet werden kann. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird.
Ein Axicon ist ein konisch geschliffenes optisches Element, welches aus einem einfallenden Gauß’schen Laserstrahl beim Hindurchtreten einen nicht-beugenden Laserstrahl formt. Insbesondere weist das Axicon einen Konuswinkel a auf, der gerechnet wird von der Strahleintrittsfläche zur Mantelfläche des Konus. Dadurch werden die Randstrahlen des Gaußförmigen Laserstrahls zu einem anderen Fokuspunkt gebrochen, als Achs-nahe Strahlen. Dadurch ergibt sich insbesondere eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Intensitätsverteilung.
Die Bearbeitungsoptik kann ein Teleskopsystem umfassen, das dazu eingerichtet ist den Laserstrahl verkleinert und/oder vergrößert in das Material des Werkstücks einzubringen. Eine Vergrößerung und oder eine Verkleinerung des Laserstrahls beziehungsweise dessen transversaler Intensitätsverteilung erlaubt es die Lasterstrahlintensität auf eine große oder kleine Fokuszone zu verteilen. Durch das Verteilen der Laserenergie auf eine große oder kleine Fläche wird die Intensität angepasst, so dass insbesondere durch die Vergrößerung und/oder Verkleinerung auch zwischen den Modifikationstypen I, II, und III gewählt werden kann.
Insbesondere können durch die Vergrößerung oder Verkleinerung der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung auch vergrößerte oder verkleinerte Materialmodifikationen in das Material des Werkstücks eingebracht werden. Indem die beispielsweise eine elliptische transversale Intensitätsverteilung verkleinert in das Material eingebracht wird, verkleinert sich auch der Krümmungsradius der damit eingebrachten Materialmodifikationen. In anderen Worten wird eine gegebene Krümmung durch eine Verkleinerung spitzer. Dadurch kann eine Rissbildung des Materials des Werkstücks begünstigt werden. Zudem kann durch eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung das optische System an die gegebenen Bearbeitungsbedingungen anpassbar, so dass die Vorrichtung flexibler eingesetzt werden kann.
Die Vorschubvorrichtung kann eine Achsvorrichtung und eine Werkstückhalterung umfassen, die dazu eingerichtet sind die Bearbeitungsoptik und das Werkstück entlang dreier Raumachsen translatorisch und um mindestens zwei Raumachsen rotatorisch relativ zu bewegen.
Eine Achsvorrichtung kann beispielsweise eine 5-Achsvorrichtung sein. Beispielsweise kann die Achsvorrichtung auch eine Roboterarm sein, der den Laserstrahl über das Werkstück führt, oder das Werkstück gegenüber dem Laserstrahl bewegt.
Indem der Laserstrahl und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden, um die Materialmodifikationen entlang der Trennlinie einbringen zu können, ist es für eine Aufrechterhaltung des Anstellwinkels relativ zur Trennlinie notwendig, dass der Laserstrahl oder das Werkstück lokal mitrotiert werden. So ist es bei gekrümmten Trennlinien möglich, dass die Materialmodifikationsfläche stets denselben Winkel zur Oberfläche des Werkstücks aufweist.
Insbesondere ist es durch eine solche Achsvorrichtung auch gleichzeitig möglich, eine nichtradialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung relativ zur Trennlinie zu orientieren, so dass Materialmodifikationen erzeugt werden, deren Vorzugsrichtung parallel zur Trennlinie verlaufen und entlang dieser eine Rissbildung begünstigen.
Eine Achsvorrichtung kann des Weiteren auch weniger als 5 bewegliche Achsen umfassen, solange die Werkstückhalterung um die entsprechende Anzahl an Achsen beweglich ist. Wenn beispielsweise die Achsvorrichtung lediglich in XYZ-Richtungen verschiebbar sind, dann kann die Werkstückhalterung beispielsweise zwei rotatorische Achsen aufweisen, um das Werkstück relativ zum Laserstrahl zu rotieren.
Die Strahlanteile des Laserstrahls können maximal unter einem Einfallswinkel von 80° zur Oberflächennormale des Werkstücks auf das Werkstück treffen.
Durch die Bearbeitungsoptik konvergieren die Laserpulse zur optischen Achse, die unter dem Anstellwinkel zur Oberflächennormalen des Werkstücks orientiert ist. Dabei weisen die Teillaserstrahlen des Strahlbündels einen Winkel zur optischen Achse der Bearbeitungsoptik auf. Insbesondere können diese Winkel durch die numerische Apertur sehr große oder sehr kleine Winkel aufweisen.
Indem diese einhüllenden Teillaserstrahlen des Laserstrahlbündels nicht unter einem Winkel größer als 80° auf die Oberfläche des Werkstücks fallen, können große Reflexionsverluste vermieden werden. Nach den Fresnel-Formeln ist die Reflexion und Transmission des Laserstrahls an der Oberfläche des Werkstücks abhängig vom Auftreffwinkel und den Brechungsindizes. Bei einem streifenden Einfall des Laserstrahls kann nur wenig Laserlicht in das Material einkoppeln, so dass eine effektive Materialbearbeitung unterbleibt. Zudem kann dadurch die Form des nicht-beugenden Strahls negativ beeinflusst werden.
Eine Polarisationsoptik, vorzugsweise umfassend einen Polarisator und eine Wellenplatte, kann dazu eingerichtet sein die Polarisation des Laserstrahls relativ zur Einfallsebene des Laserstrahls einzustellen, bevorzugt parallel zur Einfallsebene einzustellen.
Eine Wellenplatte, insbesondere eine sogenannte Lambda/2 Platte kann die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht um einen wählbaren Winkel drehen. Dadurch ist es möglich den Laserstrahl in eine gewünschte Polarisation zu bringen.
Einen Polarisator kann beispielsweise ein Dünnfilmpolarisator sein. Der Dünnfilmpolarisator transmittiert lediglich Laserstrahlung einer bestimmten Polarisation.
Durch eine Kombination aus Wellenplatte und Polarisator kann daher stets der Polarisationszustand der Laserstrahlung kontrolliert werden.
Eine Polarisation des Laserstrahls parallel zur Einfallsebene hat gemäß den Fresnel-Formeln den Vorteil, dass die Transmission für einen Einfallswinkel von über 10° stets größer ist, als wenn der Laserstrahl senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. Insbesondere ist die Transmission bei parallel polarisiertem Laserstrahl über einen großen Einfallswinkelbereich konstanter und gleichmäßiger als bei senkrecht polarisiertem Licht. Dadurch kann auch eine Bearbeitungsoptik verwendet werden, die eine große Numerische Apertur aufweist. Bei einem senkrecht polarisierten Laserstrahl würde es hierbei zu einer asymmetrischen Strahlreflexion an der Oberfläche des Werkstücks kommen, sodass optische Aberrationen die Qualität der Materialmodifikationen und somit der Trennfläche verschlechtern.
Eine Strahlführungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl zum Werkstück zu führen, wobei die Strahlführung über ein Spiegelsystem und/oder eine optische Faser, bevorzugt eine Hohlkernfaser erfolgt.
Eine sogenannte Freistrahlführung verwendet ein Spiegelsystem, um den Laserstrahl eines stationären Ultrakurzpulslasers in verschiedenen Raumdimensionen zur Strahlformungsoptik zu führen. Eine Freistrahlführung hat den Vorteil, dass der gesamte optische Pfad zugänglich ist, so dass beispielsweise weitere Elemente wie ein Polarisator und eine Wellenplatte unproblematisch eingebaut werden können.
Eine Hohlkernfaser ist eine photonische Faser die den Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers flexibel zur Strahlformungsoptik weiterleiten kann. Durch die Hohlkernfaser entfällt das Justieren eine Spiegeloptik.
Eine Regelelektronik kann dazu eingerichtet sein aufgrund der relativen Positionen von Laserstrahl und Werkstück eine Laserpulsabgabe des Ultrakurzpulslasers auszulösen.
Bei gekrümmten oder eckigen Vorschubtrajektorien kann es sinnvoll sein, die Vorschubgeschwindigkeit lokal zu reduzieren. Bei einer konstanten Repetitionsfrequenz des Lasers kann dies jedoch dazu führen, dass benachbarte Materialmodifikationen überlappen oder das Material ungewollt erhitzt und oder aufgeschmolzen wird. Aus diesem Grund kann eine Regelelektronik die Pulsabgabe in Abhängigkeit von der relativen Position von Laserstrahl und Werkstück regeln.
Beispielsweise kann die Vorschubvorrichtung über einen ortsauflösenden Encoder verfügen, der die Position der Vorschubvorrichtung und des Laserstrahls vermisst. Aufgrund der Ortsinformation kann über ein entsprechendes Auslösesystem der Regelelektronik die Pulsabgabe eines Laserpulses beim Ultrakurzpulslaser ausgelöst werden.
Zur Realisierung der Pulsauslösung können insbesondere auch Computersysteme eigesetzt werden. Beispielsweise können für die jeweilige Trennlinie vor dem Bearbeiten des Materials die Orte der Laserpulsabgabe festgelegt werden, so dass eine optimale Verteilung der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie gewährleistet ist. Dadurch wird erreicht, dass der Abstand der Materialmodifikationen stets gleich groß ist, auch wenn die Vorschubgeschwindigkeit variiert. Insbesondere wird dadurch auch erreicht, dass eine gleichmäßige Trennfläche erzeugt werden kann und der Chamfer beziehungsweise Bevel eine hohe Oberflächenqualität aufweist.
Die Werkstückhalterung kann eine den Laserstrahl nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche aufweist.
Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass der Laserstrahl, nachdem er das Material durchdrungen hat erneut ins Material geleitet wird und dort erneut eine Materialmodifikation hervorruft. Insbesondere kann eine nicht-reflektierende und/oder nicht-streuende Oberfläche auch die Arbeitssicherheit erhöhen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1A, B, C, D, E eine schematische Darstellung des Verfahrens;
Figur 2A, B, C eine schematische Darstellung von Chamfer und Bevelstrukturen;
Figur 3A, B, C, D, E, F eine weitere schematische Darstellung von Chamfer und Bevelstrukturen;
Figur 4A, B eine schematische Darstellung eines nichtbeugenden Laserstrahls;
Figur 5A, B, C, D, E eine weitere schematische Darstellung nichtbeugender Laserstrahlen;
Figur 6A, B eine schematische Darstellung der Rissbildung um eine Materialmodifikation;
Figur 7A, B eine schematische Darstellung der Strahlprojektion auf die Materialoberfläche;
Figur 8A, B, C, D eine weitere schematische Darstellung der Strahlprojektion auf die Materialoberfläche;
Figur 9 ein Graph zur Darstellung der Transmission in Abhängigkeit von Polarisation und Anstellwinkel; Figur 10 eine schematische Darstellung der Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens; und
Figur 11 A, B, C weitere schematische Darstellungen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 ist schematisch das Verfahren zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks 1 gezeigt. In Figur 1A ist ein Querschnitt eines Werkstücks 1 gezeigt, auf welches der Laserstrahl 20 eines Ultrakurzpulslasers 2 einfällt. Der Laserstrahl 20 wird hierbei unter einem Anstellwinkel a auf das Werkstück 1 eingebracht, welcher der optischen Achse der später gezeigten Bearbeitungsoptik 3 entspricht.
Der Laserstrahl 20 wird beim Übergang in das Werkstück 1 gemäß des Snellius’schen Brechungsgesetztes an der Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gebrochen, so dass der Laserstrahl 20 im Material des Werkstücks 1 unter dem Winkel ß zur Oberflächennormalen N weiterläuft. Durch das Einbringen der Laserpulse über den Laserstrahl 20 in das Werkstück 1 , wird das Material des Werkstücks 1 in der Fokuszone 220 des Laserstrahls 20 erhitzt. Hierbei wird das Material des Werkstücks 1 in der Fokuszone verdampft, so dass es zu einer explosionsartigen Ausdehnung dieses Plasmazustandes in das umgebende Material des Werkstücks 1 kommt. Durch die Verdichtung an der Stoßfront dieser sogenannten Mikroexplosion kommt es dort zu Materialspannungen, während in der ursprünglichen Fokuszone 220 des Laserstrahls ein weniger dichter oder gar leerer Raum (Void) übrigbleibt. Die Modifikation des Materials des Werkstücks 1 in der Fokuszone 220 wird Materialmodifikation 5 genannt, wobei die Materialmodifikation 5 insbesondere eine Materialmodifikation des Typs III ist. In Folge der Materialspannungen wird schließlich eine Rissbildung im Material des Werkstücks 1 begünstigt.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann hierbei zwischen 10pJ und 5mJ groß sein ist, und/oder die mittlere Laserleistung kann zwischen 1W und 1 kW groß sein, und/oder die Laserpulse können Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sein und/oder die Wellenlänge des Lasers kann zwischen 300nm und 1500nm groß sein. Es kann außerdem sein, dass ein Laserburst 2 bis 20 Laserpulse umfasst, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen.
Während der Ultrakurzpulslaser 2 Laserpulse abgibt, wird der Laserstrahl 20 und das Werkstück 1 relativ zueinander mit einem Vorschub V bewegt, wie in Figur 1 B gezeigt ist. Dieser Vorschub V wird entlang einer Trennlinie 4 geführt, die bestimmt, wo das Werkstück 1 auf der Oberseite 10 getrennt werden soll. Indem der Laserstrahl 20 in dem Material des Werkstücks 1 unter dem Winkel ß propagiert, werden die Materialmodifikation 5 ebenfalls unter dem Winkel ß in das Material des Werkstücks 1 eingebracht. Insbesondere können die Materialmodifikationen 5 je nach Ausdehnung und Gestalt der Fokuszone 220 beziehungsweise der Intensitätsverteilung unterschiedlich geformt sein, insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung elongiert sein.
Im Falle einer in Strahlausbreitungsrichtung elongierten Materialmodifikation 5 wird durch den gleichzeitigen Vorschub V des Laserstrahls 20 im Material des Werkstücks 1 eine sogenannte Materialmodifikationsfläche 50 erzeugt, in der die Materialmodifikation 5 liegen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die Materialmodifikationen 5 nicht überlappen, sondern getrennt voneinander vorliegen. Durch die Materialmodifikationsfläche 50 wird das Werkstück 1 in das sogenannte Bulk- Werkstück T und den sogenannten Abschnitt 12 separiert. Beispielsweise kann die Materialmodifikationsfläche 50 in einem Winkel ß von betragsmäßig bis zu 35° zur Oberfläche 10 des Werkstücks 1 geneigt sein.
Durch die Materialmodifikationen 5 in der Materialmodifikationsfläche 50 wird das Material des Werkstücks 1 gewissermaßen perforiert, so dass das Werkstück 1 und der Abschnitt 12 entlang dieser Materialmodifikationsfläche 50 besonders einfach getrennt werden können.
Die eigentliche Trennung kann durch bestimmte Trennschritte realisiert werden. Beispielsweise kann durch eine mechanische Einwirkung auf den Abschnitt 12 ein spontanes Risswachstum initiiert werden, so dass der Abschnitt 12 vom Bulk- Werkstück T flächig getrennt werden kann.
Es kann auch sein, dass der Abschnitt 12 vom Bulk- Werkstück T in einem chemischen Bad getrennt wird, wie in Figur 1C gezeigt. Beispielsweise kann es sein, dass die eingebrachten Materialmodifikationen 5 besonders anfällig für eine Ätzlösung sind, so dass der Ätzvorgang in der Materialmodifikationsfläche 50 den Abschnitt 12 vom Bulk-Werkstück T trennt.
Beispielsweise kann es auch sein, dass durch eine thermische Einwirkung der Abschnitt 12 vom Bulk-Werkstück T getrennt wird, wie in Figur 1 D gezeigt. Dafür wird das Werkstück 1 beispielsweise mit einer Heizplatte 42 oder einem Heizlaser (nicht gezeigt) erhitzt, so dass es zu einer Wärmeausdehnung des Werkstücks 1 kommt. Durch die Wärmeausdehnung des Werkstücks 1 kann es aufgrund der bereits in der Materialmodifikationsfläche 50 vorliegenden Materialspannungen zu einer Rissbildung kommen, so dass das Bulk-Werkstück 1‘ und der Abschnitt 12 flächig voneinander getrennt werden.
Ebenso kann es sein, dass das Werkstück 1 aufgrund einer spontanen Rissbildung, der sogenannten Selbsttrennung, zu einer Trennung ohne äußeren Einfluss kommt. Durch die Materialmodifikationen des Typs III werden Materialspannungen in das Werkstück 1 eingebracht, welche bereits mit einer Rissbildung an sich assoziiert sind. Durch diese spontane Rissbildung kann demzufolge auch bereits das Bulk-Werkstück 1 und der Abschnitt 12 getrennt werden.
Durch den oben beschriebenen Trennschritt entsteht an dem Bulk-Werkstück T ein sogenannter Chamfer und/oder ein Bevel, wie in Figur 1 E gezeigt. Ebenso ist die Abkantung des Werkstücks 1 als geformte Kante des Werkstücks 1 bekannt. Der Chamfer beziehungsweise Bevel werden durch die Materialmodifikationsfläche 50 gebildet, sodass sich durch den Anstellwinkel a des Laserstrahls 20, die Brechungsindizes des umgebenden Mediums und des Werkstücks 1 der Brechungswinkel ß ergibt und somit auch die Ausrichtung der Materialmodifikationen 5 und schließlich des Chamfers beziehungsweise Bevels ergibt.
Um eine geformte Kante zu 14 erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Materialmodifikationen 5 diejenigen Seiten des Werkstücks 1 durchdringt, welche die Kante bilden die abgefast werden soll. Beispielsweise bilden in Figur 1A die Seiten 10 und 11 die Kante 110 aus, die abgefast werden soll. Die Seiten 10 und 11 des Werkstücks 1 liegen insbesondere in räumlichen Ebenen die sich schneiden, wobei die Schnittlinie der Ebenen gerade die Kante 110 des Werkstücks 1 ist.
In den Figuren 2A bis 2C sind verschiedene mögliche geformte Kanten des Materials gezeigt. In Figur 2A schneidet die Materialmodifikationsfläche 50 das Werkstück 1 , wobei die Höhe des Chamfers kleiner als die Höhe der Seite 11 ist und die Breite des Chamfers kleiner als die Seite 10 ist. Dementsprechend wird die Kante 110 durch das Abfasen durch zwei Kanten 110‘ und 110“ ersetzt. Dadurch wird insbesondere die ursprüngliche Kante 110 abgestumpft, beziehungsweise abgeflacht.
In Figur 2B schneidet die Materialmodifikationsfläche 50 das Werkstück 1 , wobei die Höhe des Abschnitts 12 der Höhe der Seite 11 entspricht, und die Materialmodifikationsfläche 50 und die Kante 130, die durch die Unterseite 13 des Werkstücks 1 und die Seite 11 gebildet wird, zusammenfallen. In diesem Beispiel bleibt die Anzahl an Kanten konstant, jedoch wird der Winkel unter dem sich die Seiten 13 und 11 treffen spitzer. Dementsprechend kann durch das Formen eines Bevels 12 das Werkstück 1 angeschärft und/oder angespitzt werden. In Figur 2C schneidet die Materialmodifikationsfläche 50 das Werkstück 1 , wobei die Materialmodifikationsfläche sowohl die Oberseite 10 als auch die Unterseite 13 des Werkstücks 1 schneidet. Dadurch wird die Längenausdehnung des Werkstücks 1 insgesamt reduziert und ebenso ein Anschärfen des Werkstücks 1 wie in Figur 2B erreicht.
In jedem gezeigten Fall ist durch die Länge der Materialmodifikationen im Material die sogenannte Hypotenuse H des Abschnitts 12 gegeben.
Auch wenn sich die bisherige Beschreibung auf das Trennen von Quadern reduziert hat, so ist es mit dem Verfahren auch möglich runde Materialien 1 oder abgerundete Materialien zu trennen. Beispielsweise ist in Figur 3A, B ein Werkstück 1 in Form einer Scheibe gezeigt. Durch den unter dem Anstellwinkel a einfallenden Laserstrahl 20 und den unter dem Winkel ß gebrochenen Laserstrahl 20 wird die sogenannte Einfallsebene definiert. In dieser Einfallsebene kann die vorherige Beschreibung wortgleich übernommen werden.
In Figur 3C ist zudem gezeigt, dass das Abfasen der Scheibe aus Figuren 3 A, B zu einem konisch zulaufenden Element führt, sodass es durch die eingebrachten Materialmodifikationen 5 möglich ist verschiedenste Formen an geformten Kanten zu erzeugen.
Ein weiteres Beispiel ist in Figur 3D gezeigt. In das Werkstück 1 wurden umlaufend Materialmodifikationen 5 eingebracht, wobei die Trennlinie 4 gekrümmt ist und der Anstellwinkel a in der Einfallsebene stets konstant gehalten wurde. Dadurch entsteht nach dem Trennschritt ein abgerundeter Chamfer oder Bevel, die eine hohe optische Güte aufweisen.
Ein weiteres Beispiel ist in Figur 3E gezeigt. Hierbei wurde im Unterschied zur Figur 3D keine abgerundete Trennlinie 4 verwendet. Das Werkstück 1 wurde sukzessive an allen vier Seiten abgefast, so dass sich nach dem Trennschritt an den Ecken des Werkstücks 1 ein kristall-förmiger Chamfer ergibt. Das Verfahren ist somit auch geeignet dem Werkstück 1 einen qualitativ besonders hochwertigen Eindruck zu verleihen.
In Figur 3F ist der Querschnitt der Materialien 1 aus Figur 3D und 3F gezeigt. Der Querschnitt zeigt deutlich die Bildung eines Chamfers 14.
Um besonders einfach Materialmodifikationen 5 zu erzeugen, welche das Werkstück 1 zumindest abschnittsweise durchdringen, eignen sich sogenannte nicht-beugende Laserstrahlen 20. Nichtbeugende Strahlen 20 weisen bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone 220 der Länge L auf. Indem die Länge L der Fokuszone 220 größer als die Länge der gewünschten Hypotenuse H des Abschnitts 12 ist, kann das Werkstück 1 besonders einfach und effektiv abgefast werden.
In Figur 4A ist schematisch ein durch eine Strahlformungsoptik bearbeiteter Laserstrahl 20 gezeigt. Die Teillaserstrahlen 200 des Laserstrahls 20 fallen unter einem Winkel a‘ zur optischen Achse 30 auf das Werkstück 1 , wobei jeder Teillaserstrahl 200 gemäß seinem Winkel a‘ zur optischen Achse 30 gebrochen wird. Insgesamt aber steht die optische Achse 30 in diesem Beispiel des Laserstrahls 20 senkrecht zur Oberfläche 10 des Werkstücks 1 , so dass der Anstellwinkel 0° beträgt. Im Werkstück 1 überlagern sich die Teillaserstrahls 200 zu einem nicht-beugenden Strahl, der eine elongierte Fokuszone 220 mit der Länge L aufweist.
Bei einem schrägen Einfall des Laserstrahls 20, sprich unter einem nicht verschwindenden Anstellwinkel a, kommt es im Material zu Aberrationen, da die obere Strahlhälfte unter einem Winkel a+a‘ und die untere Strahlhälfte unter dem Winkel a-a‘ auf das Werkstück 1 fällt. Dadurch kann sich die Fokuszone 220 verkürzen oder verzerren, wie in Figur 4B für einen Anstellwinkel von a=15° gezeigt ist. Auch mit einem Laserstrahl ohne Aberrationskorrektur ist es mit dem Verfahren jedoch möglich, Materialmodifikationen 5 zu erzeugen, wobei die die Hypotenuse H des Chamfers und/oder des Bevels zwischen 50pm und 5000pm, bevorzugt zwischen 10Oprn und 200pm groß ist.
In Figur 5A ist die transversale Intensitätsverteilung beziehungsweise die Fokuszone 220 eines nicht-beugenden Laserstrahls 20 gezeigt. Der nicht-beugende Laserstrahl 20 ist ein sogenannter Bessel-Gauß-Strahl, wobei die transversale Intensitätsverteilung in der x-y-Ebene radialsymmetrisch ist, sodass die Intensität des nicht-beugenden Laserstrahls 20 nur vom radialen Abstand zur optischen Achse 30 abhängt. Insbesondere ist der Durchmesser der transversalen Intensitätsverteilung zwischen 0,25pm und 10pm groß. In Figur 5B ist der longitudinale Strahlquerschnitt, also die longitudinale Intensitätsverteilung, gezeigt. Die longitudinale Intensitätsverteilung weist einen elongierten Bereich mit hoher Intensität auf, der etwa 3mm groß ist. Damit ist die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone 220 deutlich größer als die transversale Ausdehnung.
In Figur 5C ist analog zu Figur 5A ein nicht beugender Laserstrahl gezeigt, der eine nichtradialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung aufweist. Insbesondere erscheint die transversale Intensitätsverteilung in der y-Richtung gestreckt und nahezu elliptisch. In Figur 5D ist die longitudinale Intensitätsverteilung des Laserstrahls 20 gezeigt, wobei die Fokuszone 220 erneut eine Ausdehnung von L = 3mm aufweist. In Figur 5E ist ein vergrößerter Ausschnitt der transversalen Intensitätsverteilung aus Figur 5C gezeigt, wobei sich die verschiedenen Intensitätsmaxima durch die Überlagerung der verschiedenen Teillaserstrahlen 200 ergeben. Insbesondere ist die Fokuszone 220 in horizontaler Richtung A deutlich gegenüber der vertikalen Richtung B elongiert, wobei beide Richtungen senkrecht zueinanderstehen.
Wenn ein Laserstrahl 20 mit einer solchen Fokuszone 220 in das Werkstück 1 eingebracht wird, dann weist die daraus entstehende Materialmodifikation 5 eine ebensolche Form auf. Dies ist in Figur 6A gezeigt. Insbesondere hat die Materialmodifikation 5 dadurch eine spitze Seite und eine flache Seite, wobei die spitzen Seiten in Richtung der langen Achse A und die stumpfen Seiten in Richtung der kurzen Achse B zu finden sind. Eine Rissbildung 52 durch die Materialmodifikation 5 wird dabei in Richtung der langen Achse A erzielt, da dort die Spannungsspitzen am größten sind.
Demzufolge wird bevorzugt das die lange Achse A der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung entlang der Trennlinie 4 orientiert ist, beispielsweise tangential zur Trennlinie 4 orientiert ist, so dass die induzierte Rissbildung der Trennlinie 4 folgt. Werden nun wie in Figur 6B die Materialmodifikationen 5 an der Trennlinie 4 orientiert, sodass die Risse 52 benachbarter Materialmodifikationen 5 überlappen, dann kann die Trennung durch den Trennschritt besonders einfach erfolgen.
Wird ein Laserstrahl 20 mit einer runden oder einer nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung unter einem Anstellwinkel a auf eine Oberfläche 10 des Werkstücks 1 projiziert, dann ergibt sich in der Einfallsebene eine Verzerrung der Intensitätsverteilung. Dies ist in Figur 7 gezeigt. In Figur 7A, B fällt der Laserstrahl 20 mit einer nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1. Beispielsweise kann die kurze Achse B in der Einfallsebene liegen, während die lange Achse A des Strahlprofils parallel zur Vorschubrichtung V liegt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Rissbildung 52 bevorzugt in Vorschubrichtung V verlaufen wird. Durch die Projektion der kurzen Achse B auf die Oberfläche 10 wird die Intensität der kurzen Achse B jedoch auf die Länge B/cos a verteilt, so dass durch die Projektion mit ansteigendem Anstellwinkel die kurze Achse B länger wird. Insbesondere kann dadurch der Fall erreicht werden, dass die Projektion der kurzen Achse B der Länge der Langen Achse A entspricht. Dann weist die erzeugte Materialmodifikation 5 keine Vorzugsrichtung für die Rissbildung mehr auf.
Beispielsweise wächst bei einem Anstellwinkel von 45° die kurze Achse auf V2ß an. Ist daher das Verhältnis A/B vor der Projektion größer als V2, dann bleibt bei der Projektion die Orientierung der langen Achse A relativ zur Trennlinie 4 erhalten.
In Figur 8 sind bezüglich des Einflusses der Projektion weitere Beispiele gezeigt. In Figur 8A ist ein Bessel-Gauss-Strahl aus Figur 5A unter senkrechtem Einfall auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gezeigt. Bei einem nicht-verschwindenden Anstellwinkel a, gezeigt in Figur 8B, wird aus der radialsymmetrischen Intensitätsverteilung auf der Oberfläche 10 des Werkstücks 1 ein in eine Richtung elongierte Intensitätsverteilung, sodass die daraus entstehenden Materialmodifikationen 5 eine Vorzugsrichtung aufweisen. Durch die Projektion des Laserstrahls 20 auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1 kann sich dementsprechend eine Vorzugrichtung der Materialmodifikation 5 einstellen oder ändern. In Figur 8C ist der Besselstrahl aus Figur 5C gezeigt. Durch die Projektion auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1 , bleibt die Ausrichtung der langen Achse A erhalten, so dass sich die Orientierung der Vorzugsrichtung der Rissausbreitung der daraus entstehenden Materialmodifikation 5 nicht ändert. Das A/B ist hierbei kleiner als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels a.
Der Laserstrahl 20 kann insbesondere polarisiert sein, bevorzugt parallel zur Einfallsebene polarisiert sein, um Reflexionsverluste zu minimieren. In Figur 9 ist hierzu die Transmission von Laserstrahlung durch ein Werkstück 1 bei paralleler und senkrechter Polarisation zur Einfallsebene gemäß den Fresnelschen Formeln dargestellt. Hierbei ist insbesondere auf der X-Achse der Anstellwinkel a dargestellt, jedoch weisen die Teillaserstrahlen 20 gemäß Figur 4A einen Konvergenzwinkel a‘ relativ zur optischen Achse 30 auf.
Beispielsweise fallen bei einem Anstellwinkel a=50° und einem Konvergenzwinkel von a -20° die Teillaserstrahlen 200 in einem Winkelbereich von a-a -30° bis a+a’=70° auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 1. Dadurch bewegt sich die Transmission bei parallelem Einfall zwischen 96% und 94% während sie bei senkrechtem Einfall zwischen 95% und 70% variiert. Die Variation für senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Laserstrahlen 20 ist demzufolge deutlich stärker als für parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht. Zur Reduktion von Reflexionsverlusten ist es daher besonders vorteilhaft, wenn die Teillaserstrahlen 200 unter einem Winkel von weniger als 80° zur Oberflächennormalen N auf das Werkstück 1 treffen.
In Figur 10 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gezeigt. Hierbei werden die Laserpulse vom Ultrakurzpulslasers 2 bereitgestellt und durch eine Polarisationsoptik 32 durch eine Strahlformungsoptik 34 gelenkt. Von der Strahlformungsoptik 34 wird der Laserstrahl 20 durch ein Teleskopsystem 36 auf das Werkstück 1 gelenkt, wobei die optische Achse 30 der Bearbeitungsoptik 3 unter dem Anstellwinkel a zur Oberflächennormalen N des Werkstücks 1 orientiert ist.
Die Polarisationsoptik 32 kann hierbei einen Polarisator umfassen, der den vom Ultrakurzpulslaser
2 ausgesendeten Laserstrahl 20 polarisiert, so dass dieser lediglich eine wohldefinierte Polarisation aufweist. Eine folgende Lambda/2-Platte kann die Polarisation des Laserstrahls 20 dann schließlich so drehen, dass der Laserstrahl 20 bevorzugt parallel zur Einfallsebene polarisiert in das Werkstück 1 eingebracht werden kann.
Die Strahlformungsoptik 34 ist im gezeigten Beispiel ein Axicon, um den einfallenden Laserstrahl 20 zu einem nicht-beugenden Laserstrahl zu formen. Das Axicon kann aber auch durch andere Elemente ersetzt werden, um einen nicht-beugenden Strahl zu erzeugen. Das Axicon erzeugt aus dem vorzugsweise kollimierten Eingangsstrahl, einen konisch zulaufenden Laserstrahl 20. Die Strahlformungsoptik 34 kann dem einfallenden Laserstrahl 20 hierbei auch eine nichtradialsymmetrische Intensitätsverteilung aufprägen. Der Laserstrahl 20 kann schließlich über eine Teleskopoptik 36, welche hier aus zwei Linsen 360, 362 besteht, in das Werkstück 1 abgebildet werden, wobei die Abbildung eine vergrößernde oder eine verkleinernde Abbildung sein kann. Ein Teil der Teleskopoptik 36, insbesondere die Linse 360, kann auch in die Strahlformungsoptik 34 integriert sein Beispielsweise kann eine refraktive Freiformfläche oder ein Axicon mit sphärisch geschliffener Rückseite sowohl die Linsenfunktion der Linse 360, als auch die Strahlformungsfunktion der Strahlformungsoptik 34 aufweisen.
In Figur 11 A ist eine Vorschubvorrichtung 6, die dazu eingerichtet ist die Bearbeitungsoptik 3 und das Werkstück 1 entlang dreier Raumachsen translatorisch zu bewegen und um zwei Raumachsen rotatorisch zu bewegen. Der Laserstrahl 20 des Ultrakurzpulslasers 2 wird durch eine Bearbeitungsoptik 3 auf das Werkstück 1 gelenkt. Das Werkstück 1 ist hierbei auf einer Auflagefläche der Vorschubvorrichtung 6 angeordnet, wobei die Auflagefläche die Laserenergie, die das Material nicht absorbiert, bevorzugt weder reflektiert, noch absorbiert noch stark zurück in das Werkstück 1 streut.
Insbesondere kann der Laserstrahl 20 durch eine Strahlführungsvorrichtung 38 in die Bearbeitungsoptik 3 eingekoppelt werden. Hierbei kann die Strahlführungsvorrichtung eine Freiraumstrecke mit einem Linsen- und Spiegelsystem sein, wie in Figur 11 A gezeigt. Die Strahlführungsvorrichtung 38 kann aber auch eine Hohlkernfaser mit Einkoppel- und Auskoppeloptik sein, wie in Figur 11 B gezeigt.
Im vorliegenden Beispiel in Figur 11 A wird der Laserstrahl 20 durch eine Spiegelkonstruktion in Richtung des Werkstücks 1 gelenkt und von der Bearbeitungsoptik 3 in das Werkstück 1 eingebracht. Im Werkstück 1 verursacht der Laserstrahl 20 Materialmodifikationen 5. Die Bearbeitungsoptik 3 kann mit der Vorschubvorrichtung 6 relativ zum Material bewegt und eingestellt werden, sodass beispielsweise eine Vorzugsrichtung beziehungsweise eine Symmetrieachse der transversalen Intensitätsverteilung des Laserstrahls 20 an die Vorschubtrajektorie und somit die Trennlinie 4 angepasst werden kann. Die Vorschubvorrichtung 6 kann hierbei das Werkstück 1 unter dem Laserstrahl 20 mit einem Vorschub V bewegen, so dass der Laserstrahl 20 Materialmodifikationen 5 entlang der gewünschten Trennlinie 4 einbringt. Insbesondere umfasst in der gezeigten Figur 11 A die Vorschubvorrichtung 6 einen erstes Achssystem 60 aufweisen, mit dem der das Werkstück 1 entlang der XYZ Achsen bewegen und gegebenenfalls rotiert werden kann. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung 6 auch eine Werkstückhalterung 62 aufweisen, die dazu eingerichtet ist das Werkstück 1 zu haltern. Gegebenenfalls kann die Werkstückhalterung ebenfalls Bewegungsfreiheitsgrade aufweisen, sodass die lange Achse einer nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung stets tangential zur gewünschten Trennlinie 4 orientiert sein kann.
Zu diesem Zweck kann die Vorschubvorrichtung 6 auch mit einer Regelelektronik 64 verbunden sein, wobei die Regelelektronik 64 die Nutzerbefehle eines Benutzers der Vorrichtung in Steuerbefehle für die Vorschubvorrichtung 6 umsetzt. Insbesondere können vordefinierte Schnittmuster in einem Speicher der Regelelektronik 64 gespeichert sein und durch die Regelelektronik 64 die Prozesse automatisch gesteuert werden.
Die Regelelektronik 64 kann insbesondere auch mit dem Ultrakurzpulslaser 2 verbunden sein. Die Regelelektronik 64 kann hierbei die Ausgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges anfordern oder auslösen. Die Regelelektronik 64 kann auch mit anderen genannten Komponenten verbunden sein und so die Materialbearbeitung koordinieren.
Insbesondere kann so eine positionsgesteuerte Pulsauslösung realisiert werden, wobei beispielsweise ein Achsencoder 600 der Vorschubvorrichtung 6 ausgelesen wird und das Achsencoder-Signal von der Regelelektronik 64 als Ortsangabe interpretiert werden kann. Somit ist es möglich, dass die Regelelektronik 64 automatisch die Abgabe eines Laserpulses oder Laserpulszuges auslöst, wenn beispielsweise eine interne Addiereinheit, die die zurückgelegte Wegstrecke addiert, einen Wert erreicht und sich nach Erreichen auf 0 zurücksetzt. So kann beispielsweise in regelmäßigen Abständen automatisch ein Laserpuls oder Laserpulszug in das Werkstück 1 abgegeben werden.
Indem in der Regelelektronik 64 auch die Vorschubgeschwindigkeit V und die Vorschubrichtung und somit die Trennlinie 4 verarbeitet werden können, kann eine automatisierte Abgabe der Laserpulse oder Laserpulszüge erfolgen.
Die Regelelektronik 64 kann auch aufgrund der gemessenen Geschwindigkeit und der vom Laser 2 zur Verfügung gestellten Grundfrequenz einen Abstand oder Ort berechnen, an dem eine Abgabe eines Laserpulszuges oder Laserpulses erfolgen soll. Dadurch kann insbesondere erreicht werden, dass die Materialmodifikationen 5 im Werkstück 1 nicht überlappen.
Indem die Abgabe der Laserpulse oder der Pulszüge positionsgesteuert erfolgt, entfällt eine aufwändige Programmierung des Trennprozesses. Zudem können frei wählbare Prozessgeschwindigkeiten einfach umgesetzt werden.
In Figur 11C ist ebenfalls eine Vorschubvorrichtung 6 gezeigt, bei der die Bearbeitungsoptik über einen 5-Achsarm über das Werkstück 1 geführt wird, um Materialmodifikationen 5 in das Werkstück 1 einzubringen. Durch die Kombination an Rotationsarmen ist es möglich die Bearbeitungsoptik entlang dreier Raumachsen zu verschieben und um zwei Raumachsen zu rotieren. Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
1 Werkstück
1‘ Bulk-Werkstück
10 Oberfläche
11 Oberseite
110 Kante
12 Abschnitt
13 Unterseite
130 Kante
14 geformte Kante, Chamfer, Bevel
2 Ultrakurzpulslaser
20 Laserstrahl
200 Teillaserstrahl
220 Fokuszone
3 Bearbeitungsoptik
30 optische Achse
32 Polarisationsoptik
34 Strahlformungsoptik
36 Teleskop
38 Strahlführungsvorrichtung
360 erste Linse
362 zweite Linse 4 Trennlinie
40 chemisches Bad
42 Heizplatte
5 Materialmodifikation 50 Materialmodifikationsfläche
52 Risse
6 Vorschubvorrichtung
60 Achsvorrichtung
62 Werkstückhalterung 64 Regelelektronik a Anstellwinkel ß Brechungswinkel
A erste Achse
B zweite Achse N Oberflächennormale
V Vorschub
H Hypotenuse

Claims

32 Ansprüche
1 . Verfahren zum Trennen eines ein transparentes Material aufweisenden Werkstücks (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers (2) Materialmodifikationen (5) entlang einer Trennlinie (4) in das transparente Material des Werkstücks (1) eingebracht werden und das Material des Werkstücks (1) dann entlang der dadurch entstehenden Materialmodifikationsfläche (50) mit einem Trennschritt getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse unter einem Anstellwinkel (a) auf das Werkstück (1) gebracht werden, die Materialmodifikationen (5) Typ III Modifikationen sind, welche mit einer Rissbildung des Materials des Werkstücks (1) assoziiert sind, die Materialmodifikationen (5) zwei Seiten des Werkstücks (1) durchdringen, welche in sich schneidenden Ebenen liegen, durch den Trennschritt ein Chamfer und/oder ein Bevel erzeugt wird und die Hypotenuse (H) des Chamfers (14) und/oder des Bevels (14) zwischen 50|jm und 5000|jm groß ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschritt eine mechanische Trennung und/oder einen Ätzvorgang und/oder eine thermische Beaufschlagung und/oder einen Selbsttrennungsschritt umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Laserstrahl (20) ein nicht-beugender Laserstrahl ist und/oder
- der Laserstrahl (20) eine nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung (220) aufweist, wobei die transversale Intensitätsverteilung (220) in einer ersten Achse (A) elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse (B) erscheint, wobei die zweite Achse (B) senkrecht zur ersten Achse (A) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
- in der Projektion der nicht- radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) auf das Werkstück (1) die erste Achse (A) und die zweite Achse (B) durch den Anstellwinkel (a) gleich groß erscheinen und/oder
- die Projektion der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) auf das Werkstück (1) in Vorschubrichtung (V) elongiert ist und/oder
-das Verhältnis der ersten Achse (A) zur zweiten Achse (B) der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) größer als der Kehrwert des Kosinus des Anstellwinkels (a)ist und/oder
-das Verhältnis von erster Achse (A) zur zweiten Achse (B) größer als V2 ist. 33 Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hypotenuse (H) des Chamfers (14) und/oder des Bevels (14) zwischen 100pm und 200pm groß ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie der Laserpulse zwischen 10pJ und 5mJ groß ist, und/oder die mittlere Laserleistung zwischen 1W und 1 kW groß ist, und/oder die Laserpulse Einzellaserpulse oder Teil eines Laserbursts sind, wobei ein Laserburst 2 bis 20 Laserpulse umfasst, wobei die Laserpulse des Laserbursts einen zeitlichen Abstand von 10ns bis 40ns, bevorzugt 20ns aufweisen und/oder die Wellenlänge des Lasers zwischen 300nm und 1500nm groß ist, insbesondere 1030nm groß ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einfallende Laserstrahl (20) parallel zur Einfallsebene polarisiert ist. Vorrichtung zum Trennen eines ein transparentes Material umfassenden Werkstücks (1), umfassend einen Ultrakurzpulslaser (2), der dazu eingerichtet ist ultrakurze Laserpulse bereitzustellen, eine Bearbeitungsoptik (3), die dazu eingerichtet ist die Laserpulse in das Material des Werkstücks (1) einzubringen, und eine Vorschubvorrichtung (6), die dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (20) aus Laserpulsen und das Werkstück (1) relativ zueinander entlang einer Trennlinie (4) mit einem Vorschub (V) zu bewegen und die optische Achse (30) der Bearbeitungsoptik (3) relativ zur Oberfläche (10) des Werkstücks (1) unter einem Anstellwinkel (a) zu orientieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse unter einem Anstellwinkel (a) in das Werkstück (1) eingebracht werden, die Materialmodifikationen (5) Typ III Modifikationen sind, welche mit einer Rissbildung des Materials des Werkstücks (1) assoziiert sind, die Materialmodifikationen (5) zwei Seiten des Werkstücks (1) durchdringen, welche in sich schneidenden Ebenen liegen, durch den Trennschritt ein Chamfer und/oder ein Bevel erzeugt wird und die Hypotenuse (H) des Chamfers (14) und/oder des Bevels (14) zwischen 50pm und 5000pm groß ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlformoptik (34) aus dem Laserstrahl (20) einen nicht-beugenden Laserstrahl (20) formt, wobei die transversale Intensitätsverteilung (220) des nicht-beugenden Laserstrahls (20) nicht-radialsymmetrisch ist, wobei die nicht-radialsymmetrische transversale Intensitätsverteilung (220) in einer ersten Achse (A) elongiert im Vergleich zu einer zweiten Achse (B) ist, wobei die zweite Achse (B) senkrecht zur ersten Achse (A) ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Bearbeitungsoptik (3) ein Teleskopsystem (36) umfasst, das dazu eingerichtet ist den Laserstrahl (20) verkleinert und/oder vergrößert in das Werkstück (1) einzubringen und/oder
- die Vorschubvorrichtung (6) eine Achsvorrichtung (60) und eine Werkstückhalterung (62) umfasst, die dazu eingerichtet sind die Bearbeitungsoptik (3) und das Werkstück (1) entlang dreier Raumachsen translatorisch und um mindestens zwei Raumachsen rotatorisch relativ zu bewegen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Anstellwinkel (a) der Bearbeitungsoptik (3) zwischen 0 und 60° beträgt, und/oder
- die Teillaserstrahlen (200) des Laserstrahls (20) maximal unter einem Einfallswinkel von 80° zur Oberflächennormale (N) des Werkstücks (1) auf das Werkstück (1) treffen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Polarisationsoptik (32), vorzugsweise umfassend einen Polarisator und eine Wellenplatte, dazu eingerichtet sind, die Polarisation des Laserstrahls (20) relativ zur Einfallsebene des Laserstrahls (20) einzustellen, bevorzugt parallel zur Einfallsebene einzustellen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausrichtung der langen Achse (A) der nicht-radialsymmetrischen transversalen Intensitätsverteilung (220) entlang der Vorschubrichtung (V), das Achssystem (62) eingestellt wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Strahlführungsvorrichtung (38) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) zum Werkstück (1) zu führen, wobei die Strahlführung über ein Spiegelsystem und/oder eine optische Faser, bevorzugt eine Hohlkernfaser erfolgt und/oder
- eine Regelelektronik (64) dazu eingerichtet ist aufgrund der relativen Positionen von Laserstrahl (20) und Werkstück (1) eine Laserpulsabgabe des Ultrakurzpulslasers (2) auszulösen und/oder
- die Werkstückhalterung (62) eine den Laserstrahl (20) nicht-reflektierende und/oder nichtstreuende Oberfläche aufweist.
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