WO2014154337A2 - Verfahren zum abtragen von sprödhartem material mittels laserstrahlung - Google Patents

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WO2014154337A2
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Technische Hochschule Aachen Rheinisch-Westfälische
Wolfgang Schulz
Urs EPPELT
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Definitions

  • the invention relates to a method for removing, such as cutting, scribing, drilling, brittle-hard material by means of laser radiation, in which forms a Abtragsvertiefung in the material by the removal, the surfaces of which diffractively and refracting act on the introduced laser radiation and thereby radiation components of this laser radiation Generate interference diffraction pattern within the Abtragsvertiefung that, as soon as these radiation fractions hit the surfaces of the Abtragsvertiefung and penetrate into the material volume, there cause a spatially varying ablation along the surfaces and as a result roughen the surface and induce cracks in the material volume or can induce.
  • Such methods are used, inter alia, in display technology, in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed.
  • display technology in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed.
  • industrial display technology conquers an ever larger market volume and tends to ever lighter devices and thus also thinner glass panes for for example Smart Phones and Tablet Computer.
  • Thin glass substrates offer advantages for displays when the durability and mechanical stability of thicker glass can be achieved. These thin glass panes are used in almost all Fiat Panel Displays (FDP's).
  • FDP's Fiat Panel Displays
  • US 2007/0235418 A1 describes a method for cutting substrates from glass by means of a first laser beam and a second laser beam, in which the two laser beams are focused on different locations in the direction of a beam axis and have a different wavelength.
  • the invention has for its object to provide a method using laser radiation, with a large removal rate at the same time damage-free ablation / cutting can be achieved, so that by the action of laser radiation during ablation / cutting and after processing no additional stresses or additional cracks in the brittle-hard material, in particular in the region of Abtragsflanken the Abtragsverianaung be introduced.
  • the invention has for its object to provide a method by which the damage described above, which emanate from the leading edge or the cause of laser radiation, which impinges on the leading edge, avoided or at least largely prevented.
  • a wavelength mixture of the at least two wavelengths is selected such that spatial positions of interference maxima of one wavelength (n) fall into interference minima of the other wavelength (s), which ensures that the ablation edge is not roughened and so does the focusing effect of the rough Abtragskante is not formed, and so the threshold value for the removal Pdamage, at which damage / cracks occur is not achieved.
  • the intensity contrast is reduced in the area of the surface of the flanks of the Abtragsverianaung and thereby avoided a spatially localized and thus excessive burden of the material, and as a result of the fact that for the processing of brittle material laser radiation with two different wavelengths, which are superimposed , is used.
  • a superimposition of laser radiation with different wavelengths produces namely for each wavelength a spatially shifted in the Abtragsveriefung diffraction pattern.
  • the powers and the focal radii of the (at least two) wavelengths to be superimposed the diffraction maxima of the laser radiation having the first wavelength can fall to the locations where the diffraction minima of the laser radiation lie at the second wavelength.
  • the contrast of the superimposed diffraction structure becomes significantly smaller, with the result that a high removal rate and, if any, low stresses and / or cracks after removal are achieved.
  • Cracks of the first kind Damage / cracking / chipping occurs on the back of the material. Cracks of the first kind occur even when there is no damage on the front - from where the laser radiation is incident - and no abrasion has taken place.
  • Cracks of the second kind Cracks or damages - also called spikes - originate from the leading edge, which represents the transition from the unchanged part of the surface of the workpiece into the lateral removal flanks of the forming removal recess.
  • Third type cracks The formation of fine, not so deep penetrating cracks occurs in addition to the cracks of the second kind or damages of the second kind - along the worn surface (cut edge); they are not limited to the area near the leading edge and occur where the laser radiation in the Abtragsvertiefung on the abraded surface (Abtragsflanken), ie the Abtragsflanken, occurs. They spread from the worn surface into the material.
  • the third type of cracks penetrate less deeply into the material compared to the first type of cracks.
  • the rough surface of the Abtragsvertiefung has in comparison to the leading edge to a roughness with smaller radii of curvature.
  • the focusing effect of the rough surface of the Abtragsvertiefung is much stronger than the focusing effect of the leading edge.
  • radiation components of the laser radiation may be used in addition to the at least two radiation components having wavelengths which are integer multiples or divisors of the at least two wavelengths, which may be referred to as fundamental wavelengths.
  • Each wavelength can be provided by a separate laser. This has the advantage that the focus radii and the power components of the different wavelengths of the laser radiation can be adjusted. If the laser source allows modulation of the wavelength, the different wavelengths can be provided by a laser source or a laser device.
  • the different wavelengths can be provided by a laser source or a laser device whose wavelength is modulated.
  • the invention has for its object to provide a method by which the damage described above, which emanate from the leading edge or the cause of laser radiation, which impinges on the leading edge, avoided or at least largely prevented.
  • Essential for the method according to the invention is that the power of the laser radiation, which is detected by the focusing effect of the leading edge, is adjusted so that the intensity in the material, which is achieved by the focusing of the leading edge, a threshold value for the damage of the material not reached.
  • the spatial distribution of the laser radiation at the entrance into the Abtragsveriefung is set rectangular (rectangle).
  • the region of the leading edge assumes a small extent and thus the proportion of the laser radiation, which is detected by the region of the leading edge and focused into the material, becomes small.
  • the spatial distribution of the laser radiation at the entrance to the Abtragsverianaung perpendicular to the direction of incidence of the laser radiation can be set Gaussian, and the Gaussian distribution is at a
  • the laser beam axis is defined by the average value of the Poyntingvektoren averaged over the cross section of the laser beam.
  • the direction of the laser radiation varies over the cross section of the
  • Laser beam and is defined by the local direction of Poyntingvektors.
  • the Poyntingvektoren are inclined above the focus of the laser beam on the laser beam axis and directed below the focus of the laser beam axis away.
  • a Gaussian-rectangular distribution of the intensity in the laser beam is defined as a Gaussian distribution which, starting at a defined distance from the laser beam axis - for example through a diaphragm - has no intensity.
  • a Gaussian rectangle is the multiplication of a Gaussian
  • Rectangle distribution is a 2D rectangle distribution meant around the
  • Figure 1 schematically shows a Abtragsveriefung with marking the
  • Figure 2 is a simulated Abtragsveriefung that the spread of
  • FIG. 3 shows a schematic sketch in order to explain the formation of a removal depression with rough removal flanks
  • FIG. 4 shows the diffraction pattern that results from diffraction of the incident laser radiation at the ablation edges
  • FIG. 6 shows in an enlarged simulation representation the contrast of FIG
  • FIG. 7 shows the principle of the formation of a crack of the second kind (FIGS. A, b) and the principle of the method according to the invention in order to avoid or at least suppress these cracks (FIGS. C, d),
  • Figure 8 shows a simulated Abtragsverianaung, with a TopHat-shaped
  • Figure 9 is a view corresponding to Figure 6, but with a spatial
  • Distribution of the intensity of the laser radiation which consists of a TopHat distribution and a Gaussian distribution
  • Figure 10 is a view corresponding to Figure 6 with a narrow, spatial
  • Figure 1 1 is a view corresponding to Figure 6 with a spatial TopHat distribution of laser radiation at the entrance to the Abtragsveriefung.
  • a V-shaped Abtragsverianaung 1 is shown schematically, which is formed in a thin glass material 2 with a thickness x.
  • This removal recess 1 has Abtragsflanken 3, emanating from an inlet edge 4 on the surface 5 of the material.
  • Threshold pabiation is the electron density threshold at which ablation / ablation begins
  • Threshold Pdamage is the threshold of electron density in which
  • Pulse parameter is a set of parameters used to characterize the spatial, temporal and spectral properties of incident laser radiation.
  • the pulse parameter contains at least the values for
  • temporal pulse shape this is the temporal distribution of the intensity of laser radiation in a single pulse or in a sequence (multiple pulse, pulse burst) of pulses,
  • the leading edge is a spatially extended area of the surface of the workpiece where an unchanged portion of the surface of the workpiece merges into the portion of the surface in which material has been removed and a
  • the edge of the excavation recess is a material produced by the removal of material
  • Rear side or underside of the workpiece is the surface of the workpiece facing away from the laser radiation.
  • a light-refractive property, for example focusing property, of the leading edge is of particular importance to the invention.
  • the leading edge may have a geometric shape and an extent which may cause two undesirable effects, which however may be avoided or substantially reduced by the method according to the invention.
  • Threshold Pabiation of electron density achieved for a cut Threshold Pabiation of electron density achieved for a cut.
  • Cracks of the first kind are those that occur even when the front - where the laser radiation is incident - no damage and no removal has taken place.
  • the cracks of the second type are identified by the reference numeral 22 and the cracks of the third type by the reference numeral 33. Reach the 22 emanating from the worn surface cracks
  • This deviation of the removal depression from the flatness arises from the fact that the incident laser radiation at the entrance of the removal depression and in its course is diffracted into the depth of the workpiece (removal front, cutting edge) and has a diffraction structure as shown in FIGS. 3 and 4 ,
  • This diffraction structure is a spatial modulation of the intensity and generates the deviation from a flat erosion front.
  • the resulting diffraction structure for the intensity of the radiation in the Abtragsverianaung leads to increases in the intensity of the Abtragsfront and thus to a deviation of Abtragfront of a smooth or flat Abtragsfront.
  • a wavelength mixing of at least two wavelengths is used as the laser radiation for the removal.
  • the at least two wavelengths are selected such that interference patterns due to the diffraction and refraction both in the volume of material and in the volume of Abtragsvertiefung compared to laser radiation with only one of the wavelengths adjust such that a contrast K in the spatial structure of the intensity distribution is reduced, so that a spatially localized and thus excessive burden of the material is avoided.
  • the contrast between intensity maxima and intensity minima is reduced, which is otherwise responsible for the diffraction of the laser radiation at the surface or the flanks of the Abtragsverianaung and due to the ability of the laser radiation to interference.
  • a diffraction pattern spatially displaced in the removal depression is generated for each wavelength.
  • the at least two wavelengths also in conjunction with the adjustment of the powers and focus radii of the corresponding laser radiation, can be chosen so that the diffraction maxima of the laser radiation having the first wavelength fall to the locations where the diffraction minima of the laser radiation coincide with the second Wavelength lie.
  • the contrast of the superimposed diffraction pattern becomes much smaller.
  • FIG. 5 again illustrates in the image sequence of the images a to e the formation of cracks of the third kind, as can be seen in the last image e of the image sequence, after eight pulses of laser radiation.
  • Figure a shows the causal distribution of intensity in the Abtragsveriefung, image b that in brittle-hard material.
  • Image c represents the free electron density, image d the surface of the excavation cavity and image e the resulting distribution of
  • the spatial extent of the counts is 40pm in both directions to illustrate the proportions.
  • the deviation of the intensity of the laser radiation from a spatially weakly variable distribution is referred to, as would be present in undisturbed propagating laser radiation in the Abtragsveriefung ( Figure a of Figure 5).
  • This contrast in the spatial distribution of the intensity in the removal depression, which is to be reduced, is shown again in the enlarged FIG.
  • This contrast in the spatial structure of the intensity distribution in the removal recess is reduced according to the invention by superimposing laser radiation with at least two different wavelengths.
  • the power of the laser radiation which is detected by the focusing effect of the leading edge, is adjusted so that the intensity in the material, which is achieved by the focusing of the leading edge, as a threshold value p - mage is not reached for the damage to the material.
  • FIG. 7 shows a sequence of images, wherein FIGS. A) and b) represent the principle of the formation of a crack of the second kind, while the image sequence with the figures c) and d) serves to clarify the measures according to the invention in order to form such To avoid or substantially reduce cracks of the second kind.
  • the respective entry edges of a removal depression are indicated by a region 40.
  • This leading edge thus comprises a spatially extended region 40, in which the laser radiation is focused.
  • the spatially extended region 40 is assigned by its position as a transition region from the non-abraded surface into the flank of the ablation depression.
  • a region of damage or the beginning of a filament is formed, which is designated by the reference numeral 41.
  • the arrows 42 indicate the Poynting vectors P (with direction and magnitude) whose time-averaged amount is also referred to as intensity.
  • the angle of incidence WE is equal to the flank angle w when the polyhedral vector is parallel to the surface normal ns on the non-abraded surface of the material (see eg Figure 7c).
  • the laser radiation is now adjusted so as to avoid that two spatial portions of the radiation from the leading edge are so refracted and focused in the non-abraded material and are superimposed in the material that the threshold Pdamage for the damage is exceeded and thus the Threshold for the ablation Pabiation is not reached. As a result, no crack / damage of the second kind arises.
  • the extent of the surroundings of the leading edge is defined by the fact that the laser radiation incident into the focusing part of the leading edge contains sufficient power so that at least the damage threshold of the material or material can be achieved in the focus of this power. Consequently, in order to avoid damages in the material, which are caused by laser radiation, which is refracted and focused at the leading edge to the Abtragsvertiefung in the material, to avoid two variables to be considered and correctly set, namely on the one hand, the geometric shape of the leading edge and the other the direction of the incident laser radiation and thus the angle w of the Poynting vector to the normal vector ns standing on the non-ablated part of the surface
  • the geometric shape of the leading edge leads to a refraction of the laser radiation and in an unfavorable case to the focusing of the incident laser radiation, as shown schematically in Figures a) and b) of Figure 7.
  • the geometric shape of the leading edge points ideally a sharp edge, which has no spatial extension; consequently, the geometric shape of the leading edge is ideally one without
  • an inventive measure is to set a Gaussian-rectangular distribution of the incident intensity.
  • the geometric shape of the leading edge is to be set so that the power of the laser radiation, which is focused by the leading edge or is detected by the focusing effect of the leading edge, is so small that the intensity achievable by the focusing is the threshold Pdamage not reached for the damage of the material of the workpiece.
  • the second quantity to be considered is the direction of the incident laser radiation, that is, the direction of the polarization vector P of the laser radiation on the non-abraded surface of the material of the workpiece.
  • the direction of the incident laser radiation outside the ablation well i. lie on the non-abraded part of the workpiece surface, parallel to the normal vector ns on the non-abraded surface and within the Abtragsverianaung perpendicular to the normal vector nF on the edge of the Abtragsveriefung.
  • the direction of the incident laser radiation hence the direction of the Poynting vector P of the laser radiation
  • is inclined on the non-abraded surface of the material of the workpiece towards the ablation recess by an angle w to the normal vector ns, that is, it forms an angle of incidence w> 0 on the non-abraded surface to the normal vector ns (see Figure d) of Figure 7) and is ideally perpendicular to the normal vector n F on the edge of the Abtragsveriefung within the Abtragsverianaung.
  • FIGS. 8 to 11 now show the results of various measures that can be used to determine the geometric shape of the
  • Figure 8 shows the simulated formation of an ablation well achieved with incident laser radiation having a top hat-shaped spatial distribution (i.e., transverse to the direction of incidence) of the intensity of the incident laser radiation.
  • FIG. 9 now shows a simulated representation corresponding to FIG. 8, but in which the laser radiation has a spatial distribution of the intensity of the incident laser radiation, which is composed of a TopHat distribution for large distances from the laser beam axis and a Gaussian distribution near the laser beam axis .
  • the proportion of laser radiation due to the TopHat distribution in the upper region of the Abtragsverianaung results in approximately parallel Abtragsflanken, but with a round Abtragsground, which is a consequence of the proportions of the laser radiation due to the Gaussian distribution.
  • the result of this simulation is also a slightly greater penetration depth into the material than the case where the spatial distribution of the intensity of the incident laser radiation is only TopHat-shaped.
  • FIG. 11 shows a simulation in which the laser radiation is pulsed and the wavelength of the laser radiation changes from pulse to pulse alternately from 500 nm to 1000 nm.
  • the geometric shape of the advantageously forming large curvature of the region of the leading edge causes a reduction of the focused intensity from the region of the leading edge into the volume and thus falls below the damage threshold and avoiding this cause for the cracking.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung, bei dem sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung in dem Material ausbildet, deren Flächen, auch als Flanken bezeichnet, beugend und brechend auf die eingebrachte Laserstrahlung wirken und dadurch Strahlungsanteile dieser Laserstrahlung Interferenz-Beugungsmuster innerhalb der Abtragsvertiefung erzeugen, die, sobald diese Strahlungsanteile wieder auf die Flächen der Abtragsvertiefung treffen und in das Materialvolumen eindringen, dort einen entlang der Flächen räumlich veränderlichen Abtrag bewirken und als Folge die Oberfläche aufrauen und Risse in dem Materialvolumen induzieren. Als Laserstrahlung für den Abtrag wird eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt, die so gewählt werden, dass sich Interferenz-Beugungsmuster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl entlang der Flächen der Abtragsvertiefung als auch im Materialvolumen derart einstellen, dass räumliche Positionen von Interferenz-Maxima der einen Wellenlänge(n) in Interferenz-Minima der anderen Wellenlänge(n) fallen.

Description

"Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen, wie beispielsweise Schneiden, Ritzen, Bohren, von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung, bei dem sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung in dem Material ausbildet, deren Flächen beugend und brechend auf die eingebrachte Laserstrahlung wirken und dadurch Strahlungsanteile dieser Laserstrahlung Interferenz-Beugungsmuster innerhalb der Abtragsvertiefung erzeugen, die, sobald diese Strahlungsanteile wieder auf die Flächen der Abtragsvertiefung treffen und in das Materialvolumen eindringen, dort einen entlang der Flächen räumlich veränderlichen Abtrag bewirken und als Folge die Oberfläche auf- rauen und Risse in dem Materialvolumen induzieren bzw. induzieren können.
Solche Verfahren finden ihre Anwendung unter anderem in der Display-Technik, in der dünne Glassubstrate, ein sprödharter Werkstoff, bearbeitet werden müssen. Gerade die industrielle Display-Technik erobert ein immer größeres Marktvolumen und tendiert zu immer leichteren Geräten und somit auch dünneren Glasscheiben für zum Beispiel Smart Phones und Tablet Computer.
Dünne Glassubstrate bieten gerade dann Vorteile für Displays, wenn die Haltbarkeit und mechanische Stabilität von dickerem Glas erreicht werden kann. Diese dünnen Glasscheiben werden nahezu in allen Fiat Panel Displays (FDP's) angewandt.
Konventionelle Verfahren zum Bearbeiten solcher dünnen Glasscheiben sind das Fräsen mit definierter Schneide, oder sie basieren auf mechanischen Wirkungen einer gezielt in den Werkstoff oder das Material eingebrachten Rissbildung (Ritzen und Brechen). Eine Vielzahl von bekannten Verfahrensvarianten unter Einsatz von Laserstrahlung basiert ebenfalls darauf, die mechanischen Wirkungen des Prinzips von Ritzen und anschließendem Brechen zu nutzen, indem das Ritzen durch die Einwirkung von Laserstrahlung ersetzt wird und der Werkstoff/das Material nach der Einwirkung der Laserstrahlung gebrochen wird. Die konventionelle mechanische Bearbeitung (Schneiden, Bohren) ist für dünne Glasplatten wesentlich schwieriger als für große Werkstoffdicken. Beim mechanischen Ritzen werden nämlich Mikrorisse eingebracht oder sogar kleine Teile, so genannte Chips, herausgebrochen, so dass ein Schleifen oder Ätzen als nachbearbeitender Prozess notwendig wird.
Es hat sich auch gezeigt, dass die Flächen bzw. Flanken der sich in dem Material ausbildenden Abtragsvertiefung eine beugende und brechende Wirkung auf die eingebrachte Laserstrahlung haben. Hierdurch werden durch Strahlungsanteile der Laserstrahlung Interferenz-Beugungsmuster erzeugt. Sobald diese Strahlungsanteile wieder auf die Flächen der Abtragsvertiefung treffen, wird dort die Oberfläche verstärkt aufgeraut; die lichtbrechende Wirkung dieser Rauhigkeit führt zur Fokussie- rung der Laserstrahlung und es können Risse in dem angrenzenden Material hervorgerufen werden. Einen sehr großen Einfluss auf die Ausbildung der Abtragsvertiefung und die entstehenden Risse hat auch die Eintrittskante im Bereich der sich ausbildenden Abtragsvertiefung. Von dieser Eintrittskante gehen nämlich Schädigungen in Form von Rissen aus, für die die Laserstrahlung ursächlich zu sein scheint, die auf die Eintrittskante auftrifft.
Die US 2007/0235418 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schneiden von Substraten aus Glas mittels eines ersten Laserstrahls und eines zweiten Laserstrahls, bei dem die beiden Laserstrahlen auf unterschiedliche Orte in Richtung einer Strahlachse fo- kussiert werden und eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen. Indem das Substrat gleichzeitig von der oberen und unteren Fläche aus mit der Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge geschnitten wird, soll ein Abplatzen oder Reißen unterdrückt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren unter Einsatz von Laserstrahlung zu schaffen, mit dem eine große Abtragsrate bei gleichzeitig schädigungsfreiem Abtragen/Schneiden erreichbar ist, so dass durch die Einwirkung der Laserstrahlung beim Abtragen/Schneiden und nach der Bearbeitung keine zusätzlichen Spannungen oder zusätzlichen Risse in den sprödharten Werkstoff, insbesondere im Bereich der Abtragsflanken der Abtragsvertiefung, eingebracht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die vorstehend beschriebenen Schädigungen, die von der Eintrittskante ausgehen oder die ursächlich auf Laserstrahlung zurückgehen, die auf die Eintrittskante auftrifft, vermieden oder zumindest weitest gehend unterbunden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass als Laserstrahlung für den Abtrag eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt wird, wobei die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt werden, dass sich Interferenz-Muster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl im Materialvolumen als auch im Volumen der Abtragsvertiefung im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass ein Kontrast K in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung verkleinert wird, wobei der Kontrast K nach Michelson definiert ist als K = (lmax-lmin)/(lmax+lmin), wobei I die Intensität angibt. Der Kontrast K nach Michelson ist hierbei ein Maß für das periodische Muster von Beugungsmaxima und Beugungsminima. Hierzu wird eine Wellenlängenmischung aus den mindestens zwei Wellenlängen so gewählt, dass räumliche Positionen von Interferenz-Maxima der einen Wellenlänge(n) in Interferenz-Minima der anderen Wellenlänge(n) fallen, wodurch erreicht wird, dass die Abtragsflanke nicht aufgeraut wird und so auch die fokussierende Wirkung der rauen Abtragskante nicht ausgebildet wird, und so der Schwellenwert für den Abtrag Pdamage, bei dem Schädigungen/Risse auftreten, nicht erreicht wird.
Durch diese Maßnahmen wird der Intensitätskontrast im Bereich der Oberfläche der Flanken der Abtragsvertiefung reduziert und dadurch eine räumlich lokalisierte und damit überhöhte Belastung des Materials vermieden, und zwar als Folge davon, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials Laserstrahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, die überlagert werden, verwendet wird. Eine Überlagerung von Laserstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt nämlich zu jeder Wellenlänge ein in der Abtragsvertiefung räumlich verschobenes Beugungsmuster. Durch Wahl der passenden Wellenlängen der eingesetzten Strahlungsanteile, der Leistungen und der Fokusradien der (mindestens zwei) zu überlagernden Wellenlängen können die Beugungsmaxima der Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge an die Orte fallen, wo die Beugungsminima der Laserstrahlung mit der zweiten Wellenlänge liegen. Im Ergebnis dieser Überlagerung wird der Kontrast der überlagerten Beugungsstruktur deutlich kleiner mit der Folge, dass eine hohe Abtragsrate und, wenn überhaupt, geringe Spannungen und/oder Risse nach dem Abtrag erreicht werden.
Um den kleinsten Kontrast zu erreichen, müssen die Wellenlängen der zu
überlagernden Strahlungsanteile, die zu den Wellenlängen gehörenden Leistungen und die zugehörigen Fokusradien der Strahlungsanteile angepasst werden. Wie vorstehend erwähnt ist, treten bei der mechanischen Bearbeitung von dünnen Glasplatten Risse auf. Solche Risse sind aber auch bei der Bearbeitung der
Glasplatten mit Laserstrahlung zu beobachten. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich diese Risse in mindestens drei unterschiedlichen Erscheinungsformen äußern:
Risse erster Art: Eine Schädigung/Rissbildung/Chipping tritt auf der Rückseite des Werkstoffes auf. Risse erster Art treten auch schon dann auf, wenn auf der Vorderseite - von wo aus die Laserstrahlung einfällt - noch keine Schädigung und auch noch kein Abtrag erfolgt sind.
Risse zweiter Art: Risse oder Schädigungen - auch Spikes genannt - gehen von der Eintrittskante aus, die den Übergang von dem unveränderten Teil der Oberfläche des Werkstücks in die seitlichen Abtragsflanken der sich ausbildenden Abtragsvertiefung darstellt.
Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine - im Vergleich zu Rissen dritter Art - große Tiefe in das Volumen des Materials. Diese von der Eintrittskante ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch„Filamente" genannt; Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalischen Ursachen) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des
Werkstücks erreichen.
Risse dritter Art: Die Entstehung von feinen, nicht so tief eindringenden Rissen tritt zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art - entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) - auf; sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken), das bedeutet die Abtragsflanken, einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in das Material aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in das Material ein. Die raue Oberfläche der Abtragsvertiefung weist im Vergleich zur Eintrittskante eine Rauhigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Oberfläche der Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante.
Diese Risse dritter Art werden somit durch das Verfahren dieser Erfindung vermieden oder zumindest deutlich gegenüber herkömmlichen Verfahren reduziert.
Weiterhin können Strahlungsanteile der Laserstrahlung zusätzlich zu den mindestens zwei Strahlungsanteilen eingesetzt werden, die Wellenlängen haben, die ganzzahlige Vielfache oder Teiler der mindestens zwei Wellenlängen, die als Grund- Wellenlängen bezeichnet werden können, sind.
Jede Wellenlänge kann durch einen gesonderten Laser bereitgestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Fokusradien und die Leistungsanteile der unterschiedlichen Wellenlängen der Laserstrahlung eingestellt werden können. Falls die Laserquelle eine Modulation der Wellenlänge erlaubt, können die unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bzw. ein Lasergerät bereitgestellt werden.
Falls die Laserquelle mehrere Wellenlängen emittiert, wie das z.B. bei Diodenlasern der Fall ist, können die unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bzw. ein Lasergerät bereitgestellt werden, deren Wellenlänge moduliert wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die vorstehend beschriebenen Schädigungen, die von der Eintrittskante ausgehen oder die ursächlich auf Laserstrahlung zurückgehen, die auf die Eintrittskante auftrifft, vermieden oder zumindest weitest gehend unterbunden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass die Leistung der Laserstrahlung, die von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so eingestellt wird, dass die Intensität im Material, die durch die Fokussierung der Eintrittskante erreicht wird, einen Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials nicht erreicht.
Durch diese Maßnahme werden die von der Eintrittskante ausgehenden Schädigungen wesentlich reduziert oder auch vermieden, da hierdurch die Intensität der Laserstrahlung verringert wird und dadurch eine räumlich lokalisierte und damit überhöhte Belastung des sprödharten Materials vermieden wird.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäße Verfahren der Poyntingvektor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der auf die nicht abgetragene Oberfläche des Materials im Bereich der Abtragsvertiefung einfällt, in Richtung auf die Eintrittskante geneigt eingestellt und der Einfallswinkel WE der Laserstrahlung wird so gewählt, dass er nicht kleiner als Null (WE>=0 Winkelgrade) ist.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, den Poyntingvektor P von dem Anteil der
Laserstrahlung, der im Bereich der Abtragsvertiefung in die Abtragsvertiefung fällt, senkrecht zum Normalenvektor nF auf der Flanke der Abtragsvertiefung einzustellen und den Einfallswinkel wE der Laserstrahlung mit WE=90 Winkelgrade zu wählen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ist dann gegeben, wenn die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung rechteckförmig eingestellt wird (Rechteck). Hierdurch wird nämlich erreicht, dass der Bereich der Eintrittskante eine kleine Ausdehnung annimmt und so der Anteil der Laserstrahlung, der von dem Bereich der Eintrittskante erfasst und in das Material fokussiert wird, klein wird. Auch kann die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung senkrecht zur Einfallsrichtung der Laserstrahlung gesehen gaußförmig eingestellt werden, und die gaußförmige Verteilung wird an einem
Abstand von der Strahlachse, wo die Intensität im Material einen Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials erreicht, rechteckförmig abgeschnitten; für größere Abstände von der Strahlachse wird die Intensität der Laserstrahlung auf Null eingestellt, auch als Gauß-Rechteck bezeichnet. Die Laserstrahlachse ist durch den Mittelwert der Poyntingvektoren gemittelt über den Querschnitt des Laserstrahls definiert. Die Richtung der Laserstrahlung variiert über dem Querschnitt des
Laserstrahls und ist durch die lokale Richtung des Poyntingvektors definiert.
Typischerweise sind die Poyntingvektoren oberhalb des Fokus des Laserstrahls auf die Laserstrahlachse geneigt und unterhalb des Fokus von der Laserstrahlachse weg gerichtet. Eine Gauß-Rechteck förmige Verteilung der Intensität im Laserstrahl ist definiert als eine gaußförmige Verteilung, die ab einem definierten Abstand von der Laserstrahlachse - etwa durch eine Blende - keine Intensität mehr aufweist.
Mathematisch ist ein Gauß-Rechteck die Multiplikation einer gaußförmigen
Verteilung mit einer Rechteckverteilung, die den Maximalwert 1 aufweist. Mit
Rechteckverteilung ist eine 2D-Rechteckverteilung gemeint, die um die
Laserstrahlachse rotiert wurde.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt
Figur 1 schematisch eine Abtragsvertiefung mit Kennzeichnung der
verschiedenen Rissbildungen/Schädigungen zweiter Art und dritter Art,
Figur 2 eine simulierte Abtragsvertiefung, die die Ausbreitung der sich
ausbildenden Risse zweiter Art und dritter Art darstellt,
Figur 3 eine schematische Skizze, um die Entstehung einer Abtragsvertiefung mit rauen Abtragsflanken zu erläutern, Figur 4 das Beugungsmuster, das durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an den Abtragsflanken entsteht,
Figur 5 eine Bildfolge a bis e, um die Entstehung der Risse dritter Art zu
erläutern, und
Figur 6 in einer vergrößerten Simulationsdarstellung den Kontrast der
räumlichen Verteilung der Intensität in der Abtragsvertiefung entsprechend Bild a der Figur 5,
Figur 7 das Prinzip der Entstehung eines Risses zweiter Art (Abbildungen a, b) und das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, um diese Risse zu vermeiden oder zumindest zu unterdrücken (Abbildungen c, d),
Figur 8 eine simulierte Abtragsvertiefung, die mit einer TopHat-förmigen
Verteilung der Intensität der Laserstrahlung erzeugt wurde,
Figur 9 eine Ansicht entsprechend der Figur 6, jedoch mit einer räumlichen
Verteilung der Intensität der Laserstrahlung, die sich aus einer TopHat- Verteilung und einer Gauß-Verteilung zusammensetzt,
Figur 10 eine Ansicht entsprechend der Figur 6 mit einer schmalen, räumlichen
Gauß-Verteilung der Intensität der Laserstrahlung unter Einsatz einer Laserstrahlung mit einem Strahlradius <4μιη, und
Figur 1 1 eine Ansicht entsprechend der Figur 6 mit einer räumlichen TopHat- Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung.
In der Darstellung der Figur 1 ist schematisch eine V-förmige Abtragsvertiefung 1 dargestellt, die in einem dünnen Glasmaterial 2 mit einer Dicke x gebildet ist. Diese Abtragsvertiefung 1 besitzt Abtragsflanken 3, die von einer Eintrittskante 4 an der Oberfläche 5 des Materials ausgehen.
Für die verschiedenen Begriffe, die hier verwendet werden, sind die folgenden Definitionen anwendbar: Schwellenwert Pabiation ist der Schwellenwert der Elektronendichte, bei dem eine Ablation/ein Abtrag einsetzt,
Schwellenwert Pdamage ist der Schwellenwert der Elektronendichte, bei dem
Schädigungen/Risse einsetzen,
Pulsparameter ist ein Satz von Parametern, mit denen die räumlichen, zeitlichen und spektralen Eigenschaften der einfallenden Laserstrahlung charakterisiert werden. Der Pulsparameter enthält mindestens die Werte für
- Pulsdauer,
- Maximalwert der Intensität im Puls,
- zeitliche Pulsform; hierbei handelt es sich um die zeitliche Verteilung der Intensität von Laserstrahlung in einem Einzelpuls oder in einer Folge (Mehrfachpuls, Pulsburst) von Pulsen,
- räumliche Verteilung der Intensität und
- spektrale Verteilung der Intensität (Wellenlängenmischung)
Eintrittskante ist ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche des Werkstücks, wo ein unveränderter Teil der Oberfläche des Werkstücks in den Teil der Oberfläche übergeht, in dem der Abtrag von Werkstoff stattgefunden hat und eine
Abtragsvertiefung entstanden ist.
Rand der Abtragsvertiefung ist eine durch den Abtrag von Material erzeugte
Oberfläche.
Rückseite oder Unterseite des Werkstücks ist die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks.
Bei den drei vorstehend erläuterten unterschiedlichen Erscheinungsformen von Schädigungen/Rissen handelt es sich bei
Rissen erster Art um Rückseitenschädigungen,
Rissen zweiter Art um Eintrittskantenschädigungen,
Rissen dritter Art um Schädigungen, die von der Oberfläche der Abtragsvertiefung, das bedeutet von den Flanken der Abtragsvertiefung, ausgehen. Es werden zwei Schwellenwerte Pdamage, Pabiation für die Elektronendichte p im
Werkstoff, die jeweils eine Schädigung Pdamage oder einen Abtrag pabiation des
Werkstoffes bewirken, definiert. Für jeden Werkstoff können diesen
unterschiedlichen Schwellenwerten Pdamage, Pabiation für die Elektronendichte p, wobei Pdamage < Pabiation ist, zwei Sätze von Werten für die Parameter der Laserstrahlung zugeordnet werden.
Eine das Licht brechende Eigenschaft, zum Beispiel fokussierende Eigenschaft, der Eintrittskante ist für die Erfindung von besonderer Bedeutung. Die Eintrittskante kann nämlich eine geometrische Form und eine Ausdehnung aufweisen, die zwei unerwünschte Effekte bewirken kann, die allerdings durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden oder wesentlich verringert werden können. Zum einen kann durch die geometrische Form eine unerwünschte Fokussierung der einfallenden Laserstrahlung in den Werkstoff auftreten und zum anderen kann durch die
Ausdehnung die Leistung der einfallenden Laserstrahlung, die von der Eintrittskante erfasst und dann in den Werkstoff fokussiert wird, in unerwünschter Weise einen Wert annehmen, so dass die Intensität in dem Fokus der Eintrittskante eine
Elektronendichte p erzeugt, die den Schwellenwert Pdamage der Elektronendichte für eine Schädigung des Werkstoffes/Materials überschreitet und nicht den
Schwellenwert Pabiation der Elektronendichte für einen Abtrag erreicht.
Bei der Schädigung des Werkstoffes/Materials treten die drei unterschiedlichen Arten von Rissen auf, die bereits vorstehend erläutert wurden.
Risse erster Art sind solche, die schon dann auftreten, wenn von der Vorderseite - wo die Laserstrahlung einfällt - noch keine Schädigung und auch kein Abtrag erfolgt ist.
Die Risse zweiter Art und dritter Art werden anhand der Figuren 1 und 2 verdeutlicht.
In den Figuren 1 und 2 sind die Risse zweiter Art mit dem Bezugszeichen 22 und die Risse dritter Art mit dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet. Erreichen die von der abgetragenen Oberfläche ausgehenden Risse 22 die
Unterseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks, dann können sie oft von den Rissen erster Art, das bedeutet Schädigungen der Unterseite des Werkstücks, ohne dass die Oberseite des Werkstücks bereits abgetragen ist, nicht mehr unterschieden werden. Risse oder Schädigungen der dritten Art beginnen an der rauen Abtragsvertiefung, d.h. an der abgetragenen Oberfläche, und dort, wo die abgetragene Oberfläche eine Abweichung von einer Ebenheit aufweist.
Diese Abweichung der Abtragsvertiefung von der Ebenheit entsteht dadurch, dass die einfallende Laserstrahlung an dem Eintritt der Abtragsvertiefung und in deren Verlauf in die Tiefe des Werkstücks (Abtragsfront, Schnittkante) gebeugt wird und eine Beugungsstruktur aufweist, wie sie in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.
Diese Beugungsstruktur ist eine räumliche Modulation der Intensität und erzeugt die Abweichung von einer ebenen Abtragsfront. Die entstehende Beugungsstruktur für die Intensität der Strahlung in der Abtragsvertiefung führt zu Überhöhungen der Intensität an der Abtragsfront und damit zu einer Abweichung der Abtragfront von einer glatten oder ebenen Abtragsfront.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird als Laserstrahlung für den Abtrag eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt. Hierbei werden die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt, dass sich Interferenz-Muster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl im Materialvolumen als auch im Volumen der Abtragsvertiefung im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass ein Kontrast K in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung verkleinert wird, so dass dadurch eine räumlich lokalisierte und damit überhöhte Belastung des Materials vermieden wird. Der Kontrast K ist hierbei nach Michelson definiert als K = (lmax-lmin)/(lmax+lmin), wobei I die Intensität angibt.
Somit wird der Kontrast zwischen Intensitätsmaxima und Intensitätsminima verringert, der ansonsten für die Beugung der Laserstrahlung an der Oberfläche bzw. den Flanken der Abtragsvertiefung und aufgrund der Fähigkeit der Laserstrahlung zur Interferenz ursächlich ist. Durch die erfindungsgemäße Überlagerung von Laserstrahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen wird zu jeder Wellenlänge ein in der Abtragsvertiefung räumlich verschobenes Beugungsmuster erzeugt. Die mindestens zwei Wellenlängen, auch in Verbindung mit der Einstellung der Leistungen und Fokusradien der entsprechenden Laserstrahlung, können so gewählt werden, dass die Beugungsma- xima der Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge an die Orte fallen, wo die Beu- gungsminima der Laserstrahlung mit der zweiten Wellenlänge liegen. Als Ergebnis dieser Überlagerung wird der Kontrast der überlagerten Beugungsstruktur wesentlich kleiner.
Figur 5 verdeutlicht in der Bildfolge der Bilder a bis e nochmals die Entstehung von Rissen dritter Art, wie sie in dem letzten Bild e der Bildfolge, nach acht Pulsen einer Laserstrahlung, zu sehen sind.
Bild a zeigt die ursächliche Verteilung der Intensität in der Abtragsvertiefung, Bild b diejenige im sprödharten Material. Bild c stellt die freie Elektronendichte, Bild d die Oberfläche der Abtragsvertiefung und Bild e die resultierende Verteilung von
Modifikationen/Schädigungen/Rissen nach 8 Pulsen der Laserstrahlung dar.
Anhand der Bilder der Figur 5 ist zu erkennen, dass sich die räumliche Struktur der Intensitätsverteilung in der Abtragsvertiefung (Bild a) in einer unerwünscht stark ausgeprägten räumlichen Struktur der Intensität der Laserstrahlung im sprödharten Material fortsetzt (Bild b). Im Ergebnis sind auch die geometrische Form der
Oberfläche der Abtragsvertiefung (Bild d), die erzeugte Dichte freier Elektronen (Bild c) und die Modifikationen/Schädigungen (Bild e) räumlich strukturiert und es bilden sich unerwünschte Risse der dritten Art aus.
Die räumliche Ausdehnung der Grafen ist 40pm in beiden Richtungen, um die Größenverhältnisse zu verdeutlichen.
Als Kontrast, wie er hier verwendet wird, wird die Abweichung der Intensität der Laserstrahlung von einer räumlich schwach veränderlichen Verteilung bezeichnet, wie sie bei einer ungestört propagierenden Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung vorliegen würde (Bild a von Figur 5). Dieser Kontrast in der räumlichen Verteilung der Intensität in der Abtragsvertiefung, der zu verkleinern ist, ist nochmals in der vergrößerten Figur 6 gezeigt. Dieser Kontrast in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung in der Abtragsvertiefung wird gemäß der Erfindung verkleinert, indem Laserstrahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen überlagert werden.
Erfindungsgemäß wird, um das Auftreten von Rissen zweiter Art in Form einer Schädigung/Rissbildung, die von der Eintrittskante des zu bearbeitenden Werkstoffs ausgeht, zu vermeiden, die Leistung der Laserstrahlung, die von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so eingestellt, dass die Intensität im Material, die durch die Fokussierung der Eintrittskante erreicht wird, einen Schwellenwert pda- mage für die Schädigung des Materials nicht erreicht.
In Figur 7 ist eine Bildfolge gezeigt, wobei die Abbildungen a) und b) das Prinzip der Entstehung eines Risses zweiter Art darstellen, während die Bildfolge mit den Abbildungen c) und d) dazu dient, die erfindungsgemäßen Maßnahmen zu verdeutlichen, um das Entstehen solcher Risse zweiter Art zu vermeiden oder wesentlich zu reduzieren.
In den Abbildungen 7a) und 7b) sind die jeweiligen Eintrittskanten einer Abtragsvertiefung durch einen Bereich 40 angedeutet. Diese Eintrittskante umfasst somit einen räumlich ausgedehnten Bereich 40, in dem die Laserstrahlung fokussiert wird. In den Abbildungen 7c) und 7d) ist der räumlich ausgedehnte Bereich 40 durch seine Lage als ein Übergangsbereich von der nicht abgetragenen Oberfläche in die Flanke der Abtragsvertiefung zugeordnet.
In dem Material des Werkstücks bildet sich ein Bereich einer Schädigung bzw. der Beginn eines Filaments aus, der mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnet ist.
Mit den Pfeilen 42 sind die Poyntingvektoren P (mit Richtung und Betrag) angegeben, deren zeitgemittelter Betrag auch als Intensität bezeichnet wird.
In den Abbildungen c) und d) der Figur 7 sind neben den Poyntingvektoren P (Bezugszeichen 42) die Normalenvektoren ns auf der nicht abgetragenen Oberfläche und die Normalenvektoren nF auf der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante, Rand der Abtragsvertiefung) dargestellt. Schließlich ist in der Abbildung d) der Figur 7 der Einfallswinkel wE des Poyntingvektors P auf der nicht abgetragenen Oberfläche angegeben. Wie anhand der Figur 7 zu erkennen ist, ist der Einfallswinkel wE definiert als der Winkel zwischen dem Poyntingvektor P der Laserstrahlung und dem Normalenvektor ns der Oberfläche, auf die der Laserstrahl einfällt. Der Laserstrahl fällt entweder auf die Flanke der Abtragsvertiefung mit der Oberflächennormalen nF ein (Figur 7c) oder fällt auf die nicht abgetragene Oberfläche der Oberflächennormalen ns ein (Figur 7d). Der Einfallswinkel WE ist gleich dem Flankenwinkel w, wenn der Poyntingvektor parallel zur Oberflächennormalen ns auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials verläuft (siehe z. B. Figur 7c).
Erfindungsgemäß wird nun die Laserstrahlung so eingestellt, um zu vermeiden, dass zwei räumliche Anteile der Strahlung von der Eintrittskante derart in das nicht abgetragene Material gebrochen und fokussiert werden und in dem Material überlagert werden, dass der Schwellenwert Pdamage für die Schädigung überschritten wird und somit der Schwellenwert für den Abtrag Pabiation nicht erreicht wird. Als Folge entsteht kein Riss/Schädigung zweiter Art.
Die Ausdehnung der Umgebung der Eintrittskante ist dadurch definiert, dass die in den fokussierend wirkenden Teil der Eintrittskante einfallende Laserstrahlung ausreichend Leistung enthält, so dass im Fokus dieser Leistung mindestens die Schädigungsschwelle des Materials bzw. Werkstoffs erreicht werden kann. Folglich sind, um Schädigungen im Material, die durch Laserstrahlung entstehen, die an der Eintrittskante zu der Abtragsvertiefung in das Material gebrochen und fokussiert wird, zu vermeiden, zwei Größen zu berücksichtigen und richtig einzustellen, nämlich zum einen die geometrische Form der Eintrittskante und zum anderen die Richtung der einfallenden Laserstrahlung und somit der Winkel w des Poyntingvektors zu dem auf dem nicht abgetragenen Teil der Oberfläche stehenden Normalenvektor ns-
Wie vorstehend erwähnt, führt die geometrische Form der Eintrittskante zu einer Brechung der Laserstrahlung und im ungünstigen Fall zur Fokussierung der einfallenden Laserstrahlung, wie dies in den Abbildungen a) und b) der Figur 7 schematisch dargestellt ist. Die geometrische Form der Eintrittskante weist idealerweise eine scharfe Kante auf, die keine räumliche Ausdehnung besitzt; folglich ist die geometrische Form der Eintrittskante idealerweise eine solche ohne
Krümmung (sie ist idealerweise eine Kante mit einem Krümmungsradius r, der den Wert r=0 annimmt). Um eine Kante mit dem Krümmungsradius nahe r=0 (mit dem Kriterium aus dem folgenden Absatz) zu erreichen, besteht eine erfindungsgemäße Maßnahme darin, eine Gauß-Rechteck Verteilung der einfallenden Intensität einzustellen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die geometrische Form der Eintrittskante so einzustellen, dass die Leistung der Laserstrahlung, die von der Eintrittskante fokussiert wird bzw. von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so klein ist, dass die durch die Fokussierung erreichbare Intensität den Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials des Werkstücks nicht erreicht.
Die zweite Größe, die zu beachten ist, ist die Richtung der einfallenden Laserstrahlung, das bedeutet die Richtung des Poyntingvektors P der Laserstrahlung auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials des Werkstücks. Idealerweise soll die Richtung der einfallenden Laserstrahlung außerhalb der Abtragsvertiefung, d.h. auf dem nicht abgetragenen Teil der Werkstückoberfläche, parallel zum Normalenvektor ns auf der nicht abgetragenen Oberfläche und innerhalb der Abtragsvertiefung senkrecht zum Normalenvektor nF auf dem Rand der Abtragsvertiefung liegen.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die Richtung der einfallenden Laserstrahlung, folglich die Richtung des Poyntingvektors P der Laserstrahlung, auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials des Werkstücks in Richtung auf die Abtragsvertiefung um einen Winkel w zu dem Normalenvektor ns geneigt, das bedeutet, sie bildet einen Einfallswinkel w>=0 auf der nicht abgetragenen Oberfläche zu dem Normalenvektor ns (siehe Abbildung d) der Figur 7) und ist innerhalb der Abtragsvertiefung idealerweise senkrecht zum Normalenvektor nF auf dem Rand der Abtragsvertiefung. In den Figuren 8 bis 1 1 sind nun die Ergebnisse verschiedener Maßnahmen dargestellt, die angewandt werden können, um die geometrische Form der
Eintrittskante zu beeinflussen.
Figur 8 zeigt die simulierte Ausbildung einer Abtragsvertiefung, die mit einer einfallenden Laserstrahlung erzielt wird, die eine TopHat-förmige, räumliche Verteilung (d.h. quer zur Einfallsrichtung) der Intensität der einfallenden Laserstrahlung aufweist. Durch diese Maßnahme ist der Bereich der Eintrittskante stark verkleinert bzw. nicht mehr vorhanden und die noch vorhandenen Schädigungen besitzen eine wesentlich kleinere Eindringtiefe in das Material, ausgehend von der Eintrittskante, als bei einer Gauß-förmigen räumlichen Verteilung der Laserstrahlung, die
üblicherweise eingesetzt wird.
Die Figur 9 zeigt nun eine simulierte Darstellung entsprechend der Figur 8, bei der jedoch die Laserstrahlung eine räumliche Verteilung der Intensität der einfallenden Laserstrahlung aufweist, die sich aus einer TopHat-Verteilung für große Abstände von der Laserstrahlachse und einer Gauß-Verteilung nahe der Laserstrahlachse zusammensetzt. Es ist deutlich zu erkennen, dass auch hierbei noch der Anteil der Laserstrahlung aufgrund der TopHat-Verteilung im oberen Bereich der Abtragsvertiefung annähernd parallele Abtragsflanken ergibt, allerdings mit einem runden Abtragsgrund, der eine Folge der Anteile der Laserstrahlung aufgrund der Gauß- Verteilung ist. Das Ergebnis dieser Simulation ist darüber hinaus eine etwas größere Eindringtiefe in das Material als der Fall, bei dem die räumliche Verteilung der Intensität der einfallenden Laserstrahlung nur TopHat-förmig ist.
Bei der Simulation, wie sie in Figur 10 dargestellt ist, wurde Laserstrahlung mit einem schmalen Strahlradius (<4μΓη) und einer Gauß-Verteilung eingesetzt. Im Bereich der Eintrittskante ist die rissbildende Wirkung der aus dem Bereich der Eintrittskante fokussierten Laserstrahlung, das sind Risse zweiter Art bzw. Eintrittskantenschädigungen, nicht mehr vorhanden.
Lediglich die Risse dritter Art, d.h. Schädigungen, die von der Oberfläche der
Abtragsvertiefung ausgehen, das bedeutet von den Flanken der Abtragsvertiefung ausgehen, treten noch auf. Die Risse dritter Art sind zwar noch vorhanden, aber deutlich kleiner ausgeprägt und die Abtrags- bzw. Bohrgeschwindigkeit nimmt größere Werte an. Das Erreichen kleiner Flanken-Winkel ist experimentell nachgewiesen.
Figur 1 1 zeigt eine Simulation, bei der die Laserstrahlung gepulst wird und die Wellenlänge der Laserstrahlung von Puls zu Puls alternierend von 500nm auf 1000nm wechselt. Die geometrische Form der sich vorteilhaft ausbildenden großen Krümmung des Bereichs der Eintrittskante bewirkt eine Verkleinerung der fokus- sierten Intensität aus dem Bereich der Eintrittskante in das Volumen und damit ein Unterschreiten der Schädigungsschwelle und ein Vermeiden dieser Ursache für die Rissbildung.

Claims

"Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung" Patentansprüche
Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung, bei dem sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung in dem Material ausbildet, deren Flächen, auch als Flanken bezeichnet, beugend und brechend auf die eingebrachte Laserstrahlung wirken und dadurch Strahlungsanteile dieser Laserstrahlung Interferenz-Beugungsmuster innerhalb der Abtragsvertiefung erzeugen, die, sobald diese Strahlungsanteile wieder auf die Flächen der Abtragsvertiefung treffen und in das Materialvolumen eindringen, dort einen entlang der Flächen räumlich veränderlichen Abtrag bewirken und als Folge die Oberfläche aufrauen und Risse in dem Materialvolumen induzieren, dadurch gekennzeichnet, dass als Laserstrahlung für den Abtrag eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt wird, wobei die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt werden, dass sich Interferenz- Beugungsmuster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl entlang der Flächen der Abtragsvertiefung als auch im Materialvolumen im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass räumliche Positionen von Interferenz-Maxima der einen Wellenlänge(n) in Interfe- renz-Minima der anderen Wellenlänge(n) fallen.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Wellenlängen zu den mindestens zwei Wellenlängen so gewählt sind, dass sie ganzzahlige Vielfache oder Teiler der mindestens zwei Wellenlängen sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wellenlänge durch einen gesonderten Laser bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bereitgestellt werden, deren Wellenlänge zeitlich moduliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Abtragsvertiefung einen Flankenwinkel w, der als der Winkel zwischen der Oberflächennormalen auf der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen auf einer Flanke der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials definiert ist, aufweist, und mit einer Eintrittskante, die als ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche des Materials, wo ein unveränderter und damit nicht abgetragener Teil der Oberfläche des Materials in die Abtragsvertiefung übergeht, definiert ist, und an der räumliche Anteile der Leistung der
Laserstrahlung in das nicht abgetragene Material gebrochen und fokussiert werden, und dass der Anteil der Leistung der Laserstrahlung, der von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so eingestellt wird, dass die Intensität der Laserstrahlung im Volumen des Materials, die durch die Fokussierung der Eintrittskante erreicht wird, eine Elektronendichte p erzeugt, die einen Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials nicht erreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Poyntingvektor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der auf die nicht abgetragene Oberfläche des Materials im Bereich der Abtragsvertiefung einfällt, in Richtung auf die Eintrittskante geneigt eingestellt wird und dass der Einfallswinkel WE der Laserstrahlung nicht kleiner als Null (wE>=0
Winkelgrade) ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Poyntingvektor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der im Bereich der Eintrittskante in die Abtragsvertiefung fällt, senkrecht zum Normalenvektor nF auf der Flanke der Abtragsvertiefung eingestellt wird und dass der Einfallswinkel w der Laserstrahlung w=90 Winkelgrade ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung senkrecht zur Richtung der Laserstrahlachse gesehen rechteckförmig eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die
Abtragsvertiefung gaußförmig eingestellt wird und die gaußförmige Verteilung an einem Abstand von der Strahlachse, wo die Intensität im Volumen des Materials eine Elektronendichte p erzeugt, die den Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials erreicht, rechteckförmig abgeschnitten wird, und für größere Abstände von der Strahlachse die Intensität Null ist.
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