WO2021191218A1 - Verfahren, system und werkstück, mit einem grossvolumigen entfernen von material des werkstückes durch laser-unterstütztes ätzen - Google Patents

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lines
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Myriam Kaiser
Marcel Schäfer
Daniel FLAMM
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for removing material from a workpiece using laser-assisted etching.
  • the invention also relates to a system with a laser processing system and a wet-chemical etching bath for removing material from a workpiece.
  • laser radiation in particular pulsed laser radiation such as ultra-short pulse (USP) laser radiation
  • USP ultra-short pulse
  • the removal can be effected directly through the interaction of the laser radiation with the material, if the intensity in the focus zone is above half the destruction threshold of the material.
  • the direct ablation with USP laser radiation usually takes place level by level, so that a large number of passes over the cross-sectional area of the volume to be ablated is necessary.
  • material processing can also be based on a two-stage laser etching process (SLE: selective laser etching).
  • SLE selective laser etching
  • a coherent modification is written into the material by moving the focus; that is, a continuous structural change is generated in the interior of the material by a large number of laser pulses.
  • the material of the coherent modification can be removed in a wet etching process.
  • the wet etching process is limited to the modified area of the material and can be used, for example, to write fine structures into a material, as described, for example, in J. Gottmann et al.
  • An elongated modification can form in the material along the elongated focus zone. Such modifications can enable the material to be cut, drilled or structured.
  • a string of elongated modifications in the material can form a dividing line along which a material can be separated into two parts. Exemplary systems for generating beam profiles similar to Bessel beams are described in WO 2016/079062 A1 and WO 2016/079275 A1 by the applicant.
  • One aspect of this disclosure is based on the object of making a volume erosion possible in which surface courses can be freely selected.
  • a method for removing material from a volume of a workpiece to be ablated has a laser processing step and a wet etching step.
  • a pulsed laser beam is used to scan the volume to be ablated in a scanning process of several modification lines next to one another, offset in two dimensions, and written into the material of the volume to be ablated. Due to the laser processing step, cracks form in the material between modification lines, which extend in the direction of the modification lines in the volume to be removed and, together with the modification lines, subdivide the volume to be removed into unmodified areas.
  • the volume to be removed is introduced into an ultrasound-assisted wet-chemical etching bath.
  • a method for producing a workpiece for a wet etching step can comprise the following steps:
  • a system for workpiece processing in which material is removed from a volume of a workpiece to be ablated, comprises a laser processing system for processing a material of a workpiece with a pulsed laser beam by modifying the material in an elongated focus zone that extends in a direction of propagation pulsed laser beam is formed elongated.
  • the laser processing system comprises a laser beam source that emits the pulsed laser beam, an optical system for forming the elongated focus zone in the workpiece and a workpiece holder for supporting the workpiece, the optical system and the workpiece being able to be positioned relative to each other.
  • the laser processing system comprises a control unit which is set up to control the laser beam source, the optical system and / or the workpiece holder for carrying out the laser processing step for the method disclosed herein in such a way that several modification lines next to one another two-dimensionally offset into the material of the The volume to be removed can be inscribed in order to subdivide the volume to be removed into unmodified areas with the modification lines and cracks forming between the modification lines.
  • the system for workpiece processing further comprises an etching system with a wet-chemical etching bath, which is set up to receive the workpiece at least in the area of the volume to be removed for etching the material along the modification lines.
  • the etching system includes furthermore an ultrasonic source for emitting ultrasonic waves into the wet-chemical etching bath in order to detach the unmodified areas from a residual material of the workpiece.
  • Another aspect relates to a workpiece made of a material which is laser-processed in a volume to be removed for a wet etching process, the volume to be removed forming a section of a surface of the workpiece.
  • the workpiece comprises a plurality of modification lines that extend from the surface into the material of the volume to be removed next to one another in a two-dimensional offset, a plurality of cracks that extend in the volume to be removed between modification lines and in the direction of the modification lines, and a plurality of unmodified areas that subdivide the volume to be ablated and are delimited from one another by the modification lines and the cracks.
  • the workpiece comprises a residual material which surrounds the volume to be removed except for the section of the surface.
  • the modification lines in the volume to be removed extend orthogonally to a planar region of the section of the surface of the workpiece and run parallel to one another.
  • the volume to be removed forms an edge volume of the workpiece, which forms a section of a surface of the workpiece.
  • the pulsed laser beam can enter the workpiece through the section of the surface or exit the workpiece through the section of the surface.
  • the writing can take place by shifting the laser beam in parallel relative to the workpiece along a scanning path.
  • the scanning path can be defined in a plane which is orthogonal to a direction of propagation of the pulsed laser beam.
  • a distance between two adjacent modification lines can be at least twice as large as a maximum extent of one of the adjacent modification lines (e.g. at least four times as large).
  • the scanning path can comprise several sections running parallel to one another.
  • a start or an end of the modification lines can correspond to a (target) contour of the transition between the volume to be removed and a residual material of the workpiece are positioned in a direction of propagation of the pulsed laser beam.
  • the laser processing step can further comprise that the pulsed laser beam is used to form a focus zone which is elongated in a direction of propagation of the pulsed laser beam and in which the modification line is generated by modifying the material.
  • the pulsed laser beam can comprise a sequence of individual laser pulses or a sequence of groups of laser pulses. At least one of the modification lines can only be generated by a single laser pulse or by a single group of laser pulses in the material of the volume to be ablated, in particular by non-linear absorption.
  • the modification lines can be written into the workpiece up to a material depth that is given by the volume to be removed, whereby the cracks also extend into the workpiece up to the material depth that is given by the volume to be removed can extend into it.
  • the modification lines and the cracks preferably penetrate the volume to be removed evenly.
  • the modification lines and the cracks primarily extend in a direction of propagation of the pulsed laser beam.
  • At least one of the modification lines can extend from a surface of the workpiece to an opposite side of the volume. Adjacent modification lines preferably do not overlap.
  • an elongated focus zone with a defined increase in intensity and / or decrease in intensity can be aligned with the volume to be ablated in such a way that a start or end of the modification line generated with the elongated focus zone lies on a boundary surface of the volume in the workpiece.
  • phase imprinting on an incident laser beam to form a Bessel beam or an inverse Bessel beam can be performed.
  • a phase diaphragm or amplitude diaphragm can also be used in order to bend out or block radially inner and / or radially outer intensity ranges of the incident laser beam.
  • a phase imprint of a Bessel beam or an inverse Bessel beam can be adapted to create a focus zone with an asymmetrical one
  • intensity profile wherein the asymmetrical, in particular elliptically shaped, intensity range (intensity maximum) along the direction of propagation can have the asymmetrical intensity profile and / or wherein the asymmetrical intensity profile can have several juxtaposed intensity maxima (intensity ranges), each of which forms a modification line in the direction of propagation.
  • An asymmetrical intensity profile can be aligned in such a way that the cracks are based on a preferred alignment which in particular leads to crack formation connecting the modification lines.
  • parameters of the pulsed laser beam can be set in such a way that, in addition to the modification lines, the formation of the cracks is triggered.
  • An extent of a crack orthogonal to the direction of propagation of the laser beam can be at least as large, twice as large (or even larger) as a maximum extent of one of the adjacent modification lines orthogonal to the direction of beam propagation.
  • the cracks may partially extend between lines of modification. Alternatively or additionally, the cracks can connect modification lines at least in sections.
  • the unmodified areas are demarcated from one another by the modification lines and the cracks. Before the wet-etching step is carried out, the unmodified areas at the beginning or at the end in the direction of propagation are connected to an unmodified residual material of the workpiece.
  • parameters of the pulsed laser beam can be set in such a way that a single laser pulse or a single group of laser pulses, when irradiated into the workpiece, produce a modification line that is elongated in a direction of propagation of the laser beam.
  • Modified material is present along the modification line, which has a changed structure with respect to the structure of the material, which is amenable to wet-etching in the wet-etching step (i.e. the modified material can be dissolved by the etching solution).
  • modification lines represent a structural change in the material of the workpiece, which changes the material from a non-etchable state of the unmodified material to an etchable state of the modified material. They are accordingly Modification lines are characterized in particular by an increase in the wet chemical etchability compared to the unmodified material.
  • the modification of the material within the framework of the modification line can be accompanied by the formation of a likewise elongated cavity (for example a channel that extends over the entire material thickness).
  • the cavity is surrounded by material (for example in a cylindrical shell) that has changed structurally and can therefore be etched.
  • the modified material is etched, in particular dissolved, in the wet etching step.
  • the workpiece can be immersed in the wet-chemical etching bath, at least in sections. After at least one section of one of the non-modified areas has been etched free, it can be detached by ultrasound.
  • ultrasonic waves can be radiated onto the volume to be ablated, e.g. to stimulate the continued propagation of the cracks between modification lines so that, for example, neighboring modification lines that are not yet connected by cracks are connected to one another by the expanded cracks.
  • the method comprises a scanning process with which the volume to be removed is filled with spaced apart rotationally symmetrical modification lines, between which the cracks are formed in a randomly oriented manner.
  • the volume is traversed with a scanning path that extends in a cross-section of the volume to be ablated in a direction orthogonal to the direction of propagation of the pulsed laser beam.
  • the method comprises a scanning process with which the volume to be removed is filled with modification lines that are spaced apart and elongated in a direction transverse to the direction of propagation of the pulsed laser beam or with spaced-apart strings of modification lines, one of the modification lines or one of the strings in each case is generated by modification lines with a single laser pulse or a group of laser pulses.
  • a crack can form between modification lines or strings of modification lines that are inscribed directly one after the other.
  • the scanning process can include a scanning path which has scanning path segments which run at an angle between 30 ° and 150 °, in particular at an angle of 90 °, to one another.
  • the scanning process can fill the volume to be ablated with two-dimensional, in particular cross-shaped, arrangements of modification lines, one of the arrangements being generated with a single laser pulse or a group of laser pulses.
  • the scanning process can include a scanning path with parallel scanning path segments. Cracks can form between arrangements of modification lines written in direct succession and between arrangements of modification lines written in adjacent scan path segments.
  • the scanning path can be defined in a cross section of the volume to be ablated that extends orthogonally to the direction of propagation of the pulsed laser beam and can essentially have several, in particular linear, segments.
  • the optical system can have a diffractive optical beam-shaping element which impresses a two-dimensional phase distribution on the laser beam, and a beam-shaping and beam-guiding optical module with a focusing lens.
  • the optical module leads to the formation of the elongated focus zone in the workpiece by focusing the laser beam, on which the two-dimensional phase distribution was impressed, with the focusing lens.
  • a volume of a workpiece to be removed can be filled with (spaced, non-overlapping) modification lines. This goes hand in hand with the formation of cracks in the volume to be removed.
  • the material can be removed “over a large area” from the laser-treated volume.
  • the embodiments disclosed herein can, inter alia, have the advantage that with a single scanning process (or possibly two scanning processes) of the volume to be removed, it can be prepared for a volume removal.
  • the extent of the volume removal in the direction of propagation of the laser is determined by the length of the focus zone and not by the number of scanning processes.
  • Fig. 1 is a flow diagram to illustrate a method for removing material from a volume to be ablated from a workpiece
  • Fig. 2 is a schematic sketch of a laser processing system for material processing
  • Fig. 3 is a schematic 3D representation of a flat bed laser processing system
  • FIGS. 4A to 4E are schematic sketches to explain an exemplary laser processing step with symmetrical modification lines
  • FIGS. 5A and 5B are schematic sketches for restricting a Bessel focus zone in the direction of propagation
  • FIGS. 6A to 6E are schematic sketches to explain an exemplary laser processing step with Modification lines generated at the same time
  • FIGS. 7A to 7G are schematic sketches to explain an exemplary laser machining step with flattened modification lines and two scanning processes
  • FIG. 8A and 8B are recordings of a test workpiece after a laser processing step and after a wet etching step
  • FIG. 9 shows a schematic sketch to illustrate the removal of volumes protruding into a workpiece
  • FIG. 10A to 10D show schematic sketches to clarify possible shaping of a workpiece by edge removal
  • FIG. 11 shows a schematic sketch to clarify surface removal for the formation of protruding structures.
  • modification lines can be written into a workpiece with a pulsed laser beam (with specifically set parameters such as pulse energy, focus zone geometry, etc.) in a laser processing step.
  • a pulsed laser beam with specifically set parameters such as pulse energy, focus zone geometry, etc.
  • cracks can develop in the workpiece, which leads to the workpiece being subdivided into many small, unmodified areas.
  • the wet etching can in particular be carried out together with mechanical effects of an ultrasonic irradiation cause a large volume of material to be extracted from the workpiece.
  • the volume removed is much larger than the shared volume of the modification lines itself, because it also extends to the area between the modification lines and cracks.
  • modification lines with (Bessel beam-based) elongated focus zones up to depths of a few millimeters can be written into a workpiece that is made of a material that is transparent to the laser beam. Cracks that reach deep into the workpiece occur. In this way, volumes can be removed that protrude up to a few millimeters into the workpiece.
  • DOEs diffractive optical elements
  • elongated, two-dimensionally structured beam profiles can be generated in the workpiece.
  • flattened modification lines or strings of modification lines can be used to promote specifically oriented crack formation. In this way, the crack propagation between modification lines in the workpiece can be initiated and optionally guided specifically in such a way that the cracks enable the subsequent etching process to remove a volume defined by the modification lines, although only small parts of the volume have interacted with the laser beam.
  • the volume removal is made possible by targeted alignment and utilization of the cracks.
  • the wet etching process acts primarily on the modification lines, whereby Both the etched modification lines and the cracks weaken the material structure in the volume to be removed in such a way that, for example, a large-volume release of material from the workpiece takes place in an ultrasonic bath, the release not being limited to the volume of the modification lines.
  • each modification line can be formed deep into the workpiece with a single laser pulse or a single group of laser pulses (burst of laser pulses).
  • the cracks can extend into the material to a comparable depth.
  • the beginning and / or end of the modification line can be made spatially sharply delimited in the case of a material modification that is non-linearly dependent on the intensity. If the positions of the beginning or end of the modification lines are also varied in the direction of propagation of the laser beam, a corresponding course of the interface between the volume to be removed and the residual material can be reproduced.
  • FIGS. 1 to 3 the method described herein for removing material from a volume of a workpiece to be removed and an underlying system for workpiece processing, in particular the laser processing system for processing a material with a laser beam, is explained in general below .
  • FIGS. 4 to 7 three exemplary embodiments of the preparatory laser material processing of a material that is at least partially transparent to the laser beam by writing modification lines arranged next to one another two-dimensionally offset in the material of the volume to be removed are explained.
  • FIGS. 8 to 11 exemplary volumes to be removed are shown.
  • FIG. 1 illustrates in a flow chart 1 a laser processing step 3 and a wet etching step 5 of the method for removing material from a volume 7 to be ablated from a workpiece 9.
  • the material of the workpiece 9 surrounding the volume 7 to be ablated is here as residual material 10 designated.
  • FIG. 1 indicates a pulsed laser beam 13 which emerges from a focusing optics 17 and strikes a surface 9A of the workpiece 9 perpendicularly.
  • the pulsed laser beam 13 consists of a sequence of individual pulses or a sequence of groups of pulses (bursts), each of which is set to interact with the material of the workpiece 9 in terms of its pulse length and pulse energy.
  • the interaction with the workpiece 9 takes place in an elongated focus zone, so that a modification line 15 to a depth T of a few 100 ⁇ m to a few millimeters along the direction of propagation of the laser beam 13 (here in the Z direction) into the workpiece 9.
  • the depth T is usually less than a thickness D of the workpiece 9 in the area of laser processing.
  • the focusing optics 17 are moved two-dimensionally relative to the workpiece 9, so that successive laser pulses / groups of laser pulses each generate their own modification line 15.
  • parameters of the pulsed laser beam repetition rate, laser pulse parameters such as pulse energy and pulse duration, etc., which determine the interaction with the material
  • the parameters of a scanning path course of the scanning path, travel speed, distance between adjacent sections of the scanning path, etc.
  • An underlying scanning path S is indicated in FIG. 1.
  • the distance between modification lines 15 along the scanning path S can be set so that the modification lines 15 do not overlap.
  • the modification lines 15 have a distance d from one another in the X direction and in the Y direction which is at least twice as large as a maximum transverse dimension W of one of the modification lines 15 lying next to one another in the X-Y plane.
  • sections of the scanning path S lying next to one another can be set in terms of their spacing in such a way that the modification lines 15 of neighboring sections do not overlap.
  • the result of the laser processing step 3 is a workpiece 9 which is prepared in the volume 7 to be removed for a wet etching process.
  • the volume 7 to be removed forms a section of the surface 9A of the workpiece 9.
  • the workpiece 9 has a plurality of modification zones 15 in the volume 7.
  • the modification zones 15 extend from the surface 9A into the material of the volume 7 and are arranged two-dimensionally offset next to one another.
  • parameters of the pulsed laser beam 13 are set in such a way that due to the interaction of the pulsed laser beam 13 with the workpiece
  • a plurality of cracks in the volume 7 arise.
  • the cracks extend in the volume 7 between the modification lines 15 and in the direction of the modification lines 15 (i.e. in the direction of propagation of the pulsed laser beam 13).
  • a crack 19 between two modification lines 15 is indicated by way of example for the laser processing step 3.
  • the volume 7 is perforated by dissolving the modified material in the modification lines 15, with a large-area removal preferably being triggered at the same time by ultrasonic irradiation.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view and a schematic sectional view of the etching system 21.
  • the etching system 21 comprises a wet-chemical etching bath 23 which is set up to receive the workpiece 9 in an etching solution 23A at least in the area of the volume 7 to be removed.
  • the etching solution 23 A causes the modified material that is present along the modification lines 15 to be etched.
  • the etching system 21 further comprises at least one ultrasonic source 25 for emitting ultrasonic waves 27 into an ultrasonic bath 29 which is filled with water 29A, for example.
  • the etching bath 23 is located in the ultrasonic bath 29, so that the ultrasonic waves 27 also propagate in the wet-chemical etching bath 21 and the loosening of the unmodified areas from the residual material
  • Exemplary parameters of the etching process are an etching solution such as a hydroxide solution (potassium or sodium hydroxide) in an optimized concentration (e.g. KOH 28 wt .-%, NaOH 15 wt .-%) and an increased etching temperature of e.g. 80 ° C.
  • a hydroxide solution potassium or sodium hydroxide
  • an optimized concentration e.g. KOH 28 wt .-%, NaOH 15 wt .-%
  • an increased etching temperature e.g. 80 ° C.
  • the etching process is carried out over a period of a few minutes or hours. The time period and the etching solution can be matched to the material and the modification lines introduced.
  • the machined workpiece 11 is the result of the wet etching step 5. In the area of the volume 7, it has a recess which extends into the workpiece 11 to the depth T.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a laser processing system 101 with a laser beam source 10A and an optical system 101B for beam shaping of a pulsed laser beam 103 of the beam source 101 A.
  • the beam shaping is used to create a focus zone 107, which is elongated along a first focus zone axis 105, to be generated in the workpiece 9 to be machined.
  • the pulsed laser beam 103 is determined by beam parameters such as the formation of single-cell laser pulses or groups of laser pulses, wavelength, spectral width, temporal pulse shape, pulse energy, beam diameter and polarization.
  • Laser pulses have, for example, pulse energies that lead to pulse peak intensities that cause volume absorption in the material 3 and thus the formation of a modification in a desired geometry.
  • the laser beam 103 will be a collimated Gaussian beam with a transverse Gaussian intensity profile, which is generated by the laser beam source 101 A, for example a USP high-power laser system.
  • the optical system 101B forms a beam profile from the Gaussian beam which enables the formation of an elongated focus zone; For example, a normal or inverse Bessel beam-like beam profile is generated with a beam-shaping element 111.
  • the beam-shaping element 111 is for impressing a transverse phase profile on the incident laser beam 103, for example as a hollow cone axicon, a hollow cone axicon lens / mirror system, a reflective axicon lens / mirror system or, in particular, a programmable one or fixed-inscribed, diffractive optical beam shaping element, in particular as a spatial light modulator (SLM spatial light modulator).
  • SLM spatial light modulator spatial light modulator
  • beam-guiding components of the optical system 101B such as mirrors, lenses, telescope arrangements, filters and control modules for aligning the various components.
  • the optical system 101B focuses the pulsed laser beam 13 into the workpiece 9 by forming an elongated focus zone 107.
  • the elongated focus zone 107 refers here to a three-dimensional Intensticiansver distribution which, in the workpiece 9 to be processed, determines the spatial extent of the interaction and thus the modification of the material with a laser pulse / a laser pulse group.
  • the elongated focus zone 107 defines an elongated volume area in the workpiece 9 to be machined, in which there is a fluence / intensity. If the fluence / intensity is above the threshold fluence / intensity relevant for the processing / modification, an elongated modification line 15 (or a plurality of elongated modification lines 15 simultaneously generated close to one another) is written into the workpiece 9 along the elongated focus zone 107.
  • Such an elongated focus zone can lead to one (or more) modification lines 15 in the material with a similar aspect ratio
  • Aspect ratios, a maximum change in the lateral extent of the intensity distribution that causes a modification line 15 over the focus zone 107 are in the range of 50% and less, for example 20% and less, for example in the range of 10% and less.
  • the workpiece can, for example, made of a (for the laser wavelength of the ge pulsed laser beam 13 used largely) transparent material in z. B. ceramic or Kristalli ner execution such as glass, sapphire, transparent ceramic, glass ceramic. Transparency of a material herein refers to its linear absorption. For light below the threshold fluence intensity, an “essentially” transparent material can, for example, absorb less than 20% or even less than 10% of the incident light over a length of a modification line.
  • a diffractive optical element can be used to apply a phase imprint that leads to an intensity distribution in a focus zone that has an asymmetrical (e.g. flattened in one direction) modification line or several parallel lines causes running modification lines, the modification line or the arrangement of modification lines with a laser pulse or a group of laser pulses generated.
  • Exemplary phase imprints and intensity distributions are z. B. in German patent application 10 2019 128 362.0, “Segmented beam shaping element and Laserbear beitungsstrom”, with filing date October 21, 2019 by the applicant and in K. Chen et al., “Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams”, arXiv: 1911.03103 from left, [physics. optics], Nov. 8, 2019.
  • the laser processing system 101 can furthermore have a workpiece storage unit (see also FIG. 3).
  • a workpiece storage unit For the machining of the workpiece, there is a relative movement between the optical system 101B and the workpiece 9, so that the focus zone 107 can be irradiated into the workpiece 9 at various positions for a pulsed laser beam to form an arrangement of modification lines 15.
  • the relative movement is controlled in such a way that the modifications line up along a scanning path
  • the laser processing system 121 has a carrier system 123 (as part of a beam alignment unit) and a workpiece storage unit 125.
  • the carrier system 123 spans the workpiece storage unit 125 and carries, for example, the laser beam source, which in FIG. 3 is integrated, for example, in an upper cross member 123 A of the carrier system 123.
  • the optical system 101B can be mounted on the cross member 123A such that it can be moved in the X direction.
  • a laser system can be provided as its own external beam source, the laser beam of which is guided to the optical system 101B by means of optical fibers or as a free beam.
  • the workpiece storage unit 125 carries the workpiece 109 extending in the X-Y plane.
  • the workpiece 109 is, for example, a sheet of glass or a plate that is largely transparent for the laser wavelength used, for example in a ceramic or (single) crystalline design.
  • the workpiece storage unit 125 allows the workpiece 109 to be moved in the Y direction relative to the carrier system 123 so that, in combination with the mobility of the optical system 101B, a processing area extending in the X-Y plane is available.
  • displaceability in the Z direction for example of the optical system 101B or the cross member 123A, is also provided in order to set the distance from the workpiece 109 can.
  • the laser beam is usually also directed in the Z direction (ie normal) onto the workpiece 109.
  • Further processing axes which are indicated by way of example in FIG. 3 by a cantilever arrangement 127 and additional axes of rotation 129, make it possible to align the emerging laser beam and thus the focus zone axis in space.
  • An irradiation direction 105B inclined to the XY plane is indicated by way of example in FIG. 3.
  • the laser processing system 121 also has a control unit 131, which in particular has an interface for the input of operating parameters by a user.
  • the control unit 131 comprises elements for controlling electrical, mechanical and optical components of the laser processing system 121, for example by controlling corresponding operating parameters of the laser system such as pump laser power and the workpiece holder, electrical parameters for setting an optical element (for example an SLM) and Parameters for the spatial alignment of an optical element (for example, to rotate the direction of radiation).
  • Exemplary parameters of the pulsed laser beam 13 that can be used in the context of this disclosure are:
  • Laser pulse energies / energy of a laser pulse group e.g. in the mJ range and more, between 20 pj and 2 mJ (e.g. 1200 pj), typically between 100 pj and 1 mJ Wavelength ranges: IR, VIS, UV (e.g. 2 pm> l > 200 nm; e.g. 1550 nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
  • Pulse duration a few picoseconds (for example 3 ps) and shorter, for example a few hundred or a few (ten) femtoseconds
  • Number of laser pulses in a burst e.g. 2 to 4 pulses (or more) per burst with a time interval in the burst of a few nanoseconds
  • Number of laser pulses per modification line one laser pulse or one burst for a modification line
  • Repetition rate usually greater than 0.1 kHz, e.g. 10 kHz
  • Length of the focus zone in the material greater than 20 pm, up to a few millimeters
  • Diameter of the focus zone in the material greater than 1 pm, up to 20 pm and more
  • Feed d between two adjacent modification lines at least the lateral extension of the modification line in the feed direction (usually at least twice the extension, for example four times the extension)
  • the pulse duration refers to a single laser pulse.
  • an exposure time relates to a group of laser pulses that lead to the formation of a single modification line at one location.
  • the duration of action as well as the pulse duration should be short with regard to a given feed rate, so that a laser pulse and all laser pulses of a group of laser pulses contribute to a single modification line at one location.
  • the parameter ranges mentioned above can allow the processing of volumes up to, for example, 5 mm and more (typically 100 ⁇ m to 2 mm) into a workpiece.
  • FIGS. 4A to 4E illustrate the possibility of crack-assisted volume removal with the aid of a symmetrical Bessel beam-based focus zone 33, which extends, for example, elongated over several 100 ⁇ m with a transverse extension of a few micrometers.
  • modification lines can be written into a transparent workpiece up to a corresponding material depth with the focus zone in such a way that grid-shaped cracks form between the modification lines.
  • FIG. 4A illustrates an example of an XZ section 31 through an intensity distribution of the Bessel beam-based focus zone 33.
  • the intensity distribution was calculated for a real quasi-Bessel beam shape, as can be generated with an axicon.
  • a strong increase in intensity 35 A due to a superposition of the high (zentra len) intensities of a Gaussian incident beam
  • a central elongated maximum intensity 37 which extends in the direction of propagation, ie along the Z-axis, up to a few mil can train limeter.
  • a slow decrease in intensity 35B over several 100 micrometers is due to a superposition of the low (outer) intensities of the Gaussian incident beam.
  • FIG. 4B shows an XY section 39 through the intensity maximum 37 of the intensity distribution shown in FIG. 4A.
  • intensity maximum 37 for the generation of modification lines, intensities above a threshold intensity of the material to be removed are present.
  • the intensity maximum 37 is surrounded by intensity rings with intensities below a threshold intensity. Due to a threshold behavior of the nonlinear absorption, such a beam profile can cause a clearly defined elongated modification line in the workpiece, accompanied by a spatially defined transition from unmodified material to modified material both in the direction of propagation and across the direction of propagation of the pulsed laser beam.
  • the elongated shape of the focus zone 33 has, for example, an aspect ratio, ie a ratio of the length of the focus zone to a maximum extent occurring within this length, usually in the range of the intensity maximum 37, in the range from 5: 1 (e.g. 10: 1) to e.g. 1000: 1 and more.
  • an aspect ratio ie a ratio of the length of the focus zone to a maximum extent occurring within this length, usually in the range of the intensity maximum 37, in the range from 5: 1 (e.g. 10: 1) to e.g. 1000: 1 and more.
  • the beam can be formed with a diffractive optical beam shaping element, a so-called flat phase mask that effects phase imprinting.
  • a phase mask can have predetermined phase changes in neighboring surface elements, which can be achieved, for example, by a local change in the refractive index or by a local change in the path covered, e.g. through an etched height profile in, for example, quartz glass.
  • a permanently inscribed diffractive optical element can, for example, have plane-parallel steps, with a material thickness in the area of a step (a surface element) determining the extent of a phase shift. The lithographic production of the plane-parallel steps can enable a high lateral resolution (smaller surface elements / areas of a phase shift value).
  • a phase shift value indicates a phase assigned to a point or an area which the incident laser radiation experiences during the interaction (transmission or reflection) with the phase mask for phase imprinting.
  • Fig. 4C shows schematically a two-dimensional Ver division 41 of the phase F of a permanently inscribed diffractive optical Strahlformungsele element (or a correspondingly set SLM) with the effect of an axicon.
  • FIGS. 4D and 4E illustrate, in a 3D view and a top view of a volume 7A to be carried, a laser processing step of a workpiece, for example a glass such as fused silica, borosilicate glass, aluminum silicate glass or aluminum borosilicate glass.
  • a workpiece for example a glass such as fused silica, borosilicate glass, aluminum silicate glass or aluminum borosilicate glass.
  • the volume 7A is scanned once line by line with the pulsed laser beam 13 with a symmetrical Bessel beam-based focus zone.
  • the scanning process writes several sequences of modification lines 15A along lines 43 (scanning path segments) in the volume 7A.
  • the volume 7 is filled with a plurality of modification lines 15A with one pass.
  • the laser pulse energy, the number of laser pulses in the case of bursts and the distance between the modification lines 15A are selected such that cracks 19A arise between the modification lines 15A in the feed direction (X direction in FIG. 4D). Furthermore, randomly oriented cracks 19B arise between the lines 43. 4D shows an example of an angle of incidence orthogonal to the workpiece surface (along a workpiece normal n to the surface) and, accordingly, an alignment of the modification lines parallel to the workpiece normal n.
  • the cracks 19A, 19B and the modification lines 15 subdivide the volume 7A to be ablated into unmodified areas 45.
  • the material of the workpiece in the area of the volume 7A is weakened so much that large volumes are also removed in the ultrasound-assisted wet-chemical etching process can.
  • Exemplary parameters of the pulsed laser beam for the laser processing step described are: Laser pulse length from 100 fs to 10 ps, e.g. 3 ps, single laser pulses, bursts of double laser pulses or several laser pulses.
  • the modification distance d is a multiple of the diameter W of the modification lines (e.g. from 100 nm to 5 ⁇ m, e.g. 1 gm) and is, for example, 10 ⁇ m.
  • the pulse energy is selected in such a way that the cracks 19A and 19B arise and is, for example, in the range from 10 pj to several mJ and more. For example, pulse energies of 40 pj to 50 pj can create cracks in glass. A larger pulse energy can lead to the generation of more cracks per modification line 15 and thus shorten the etching process (faster etching rate).
  • FIGS. 5A and 5B illustrate the adjustability of the extent of a Bessel beam focus zone and thus the positions of the beginning and end of the modification line.
  • a focused Bessel beam Due to the phase contribution that varies in the radial direction during beam formation, with a focused Bessel beam the laser radiation runs from the outside towards a focus zone / beam axis, so that the radially incoming laser radiation can interfere along the beam axis. In a Bessel beam focus zone, beam areas with different radial distances from the beam axis interfere gradually along the beam axis.
  • a diaphragm with a ring opening can be used to prevent certain radial areas of the incident laser beam from contributing to the formation of the focus zone.
  • an amplitude diaphragm can be superimposed on the phase distribution 41 of FIG. 4C in order to block an inner beam area 47A and an outer beam area 47B of the incident laser beam 103.
  • a resulting distribution of the intensity I along the beam axis (here the Z axis) is shown schematically in FIG. 5B.
  • the Bessel beam focus zone only begins at a starting point 49A in the Z direction, since laser radiation can only interfere constructively from here onwards.
  • the modification line therefore only begins at the starting point 49A. If the outer beam area 47B is blocked with the aid of a diaphragm, the Besel beam focus zone ends prematurely at point 49B, since from this point onwards no more laser radiation hits the beam axis that could constructively interfere. The generated modification line thus also ends at point 49B.
  • phase diaphragms can be used. Furthermore, the amplitude diaphragm and / or the phase diaphragm can be integrated into the diffractive optical beam formation element 111; For example, an area of a phase mask can be blackened or provided with scattering phase values or the area can be taken into account in the setting of the phase values of the SLM.
  • inverse Bessel beams or modulated Bessel beams can be limited in the Z direction with the help of diaphragms.
  • diaphragms with adjustable radius can be used to position the start or end of the modification lines during the laser processing step in addition to or in addition to a relative movement between the workpiece and the laser beam.
  • FIGS. 6A to 6E illustrate the possibility of crack-assisted volume removal with the aid of an asymmetrical Bessel beam-based focus zone, which comprises a cross-shaped arrangement of elongated intensity regions 51 (hereinafter also referred to as cross-beam).
  • Fig. 6A shows the cross-shaped arrangement of elongated intensity areas 51 (intensity maxima in the intensity distribution) in a Y-Z section 53 through the focus zone.
  • 6B shows the cross-shaped arrangement of elongated Intensticiansbe ranges 51 in an XY section 55 through the maximum intensity of the intensity ranges 51 shown in Fig. 6A.
  • Each of the intensity ranges 51 can extend over several 100 gm with a transverse extension of a few micrometers .
  • 6C shows a recording 57 of a surface 59 of a workpiece made of glass.
  • Three high-intensity double laser pulses with a total energy of 250 pJ and an asymmetrical Bessel beam profile were focused into the workpiece through the surface 59.
  • 6C shows three spaced-apart, cross-shaped arrangements 61 of modification lines 15B which have been formed in the glass.
  • a single modification line has an extension of approx. 1 pm; the nchför shaped arrangements 61 have an extension of approximately 20 pm in the Y direction and of approximately 10 pm in the X direction.
  • the modified material in the modification lines 15B is accessed through the surface 59.
  • FIG. 6C shows, with specifically designed intensity distributions in elongated focus zones with appropriately selected laser parameters, a plurality of modification lines 15B lined up in the X direction and in the Y direction can be written into a transparent workpiece with a laser pulse / a laser pulse group.
  • the linear rows of the modification zones 15B in a focus zone reinforce the formation of cracks in the X-direction and in the Y-direction, so that between the modification lines defined, lattice-shaped, unmodified areas 63 are formed.
  • 6C shows cracks 19C connecting the cross-shaped assemblies 61.
  • FIGS. 6D and 6E illustrate a laser processing step of a workpiece when using a cross beam in a 3D view and in a plan view of a volume 7B to be ablated.
  • the volume 7B to be removed can be provided with a single passage of the cross-beam with the cruciform arrangements of Modifikati onslinien 15B are filled.
  • cracks 19C are formed along the scanning direction (here in the X direction), i.e., along a line.
  • cracks 19D also form perpendicular to the scanning direction (here in the Y direction), so that modification lines of adjacent lines are connected.
  • the distance d between modification lines of a row and between modification lines of adjacent rows can be increased due to the controlled crack formation.
  • the distance d of the modification lines can be increased in the X direction, for example, to 20 ⁇ m and in the Y direction to 30 ⁇ m, which shortens the scanning process.
  • fewer traveled lines are required to fill the volume 7B with modification lines.
  • the process speed increases due to the larger modification distance.
  • an etching rate can be increased due to the controlled crack formation.
  • a cross-beam may require a higher pulse energy than a symmetrical Bessel beam so that the intensity within the intensity ranges 51 exceeds the threshold intensity.
  • FIGS. 7A to 7G show a processing step with a flattened focus zone, which represents an alternative to the focus zone of a cross-beam, but is to be carried out with the aid of two scanning processes.
  • a transverse intensity distribution can be generated with a phase mask, which causes an asymmetry.
  • FIGS. 7A and 7B show an X-Z section 65 and an X-Y section 67A through an elliptically flattened transverse intensity maximum 69.
  • FIG. 7C shows a further X-Y section 67B through an alternative transverse intensity distribution in which secondary maxima are additionally generated.
  • a volume 7C to be ablated can be filled with modification lines 15C that support cracks.
  • the modification lines 15C are designed asymmetrically in accordance with the focus zone and are inscribed in such a way that they are aligned along the scanning direction (here the X direction), as a result of which cracks 19E primarily form between the modification lines 15C. So that the cracks 19E extend in two dimensions (for example in the X direction and Y direction), two passes per volume are required in the case of the flattened Bessel beam focus zone.
  • the volume 7C is traversed in the X direction. This is followed by a movement in the Y direction (see FIGS. 7F and 7G). In this way, the volume 7C is penetrated with cracks and severely weakened, so that non-modified areas 71 can be removed in a wet etching step.
  • the size of the distance d of the modification lines in the X and Y directions and thus the scanning speed can be between the distance sizes for the symmetrical focus zone (Fig. 4E) and the cross-shaped focus zone (Fig. 7E). Distance values of 10 pm were tested. However, since the volume 7C has to be modified with two passes, the process speed is comparable to that of the laser processing step with a symmetrical Bessel beam focus zone.
  • FIGS. 8A and 8B show an example of a volume to be removed in the form of a trench which is to be introduced into fused silica.
  • the workpiece 73 recorded in FIG. 8A before the etching was processed with a symmetrical Bessel beam focus zone. 10 lines of modification lines were inscribed. A modification line was inscribed approx. 100 pm deep with a double laser pulse with a total energy of 50 pJ. The distance between the modification lines is 4 pm in the scan direction and 4 pm between adjacent scan lines. You can see aligned cracks that were created along the scan direction. Furthermore, cracks can be seen between the scan lines, which are statistically oriented in different directions (i.e. not continuously in the Y-direction).
  • FIG. 8B shows an LSM image 75 of the 300 ⁇ m long trench in a residual material 10A after the wet etching step.
  • the wet etching was carried out in 28 wt.% KOH etching solution at 80 ° C. for 20 minutes. Furthermore, the etching process was supported with ultrasonic radiation so that the non-modified areas delimited by the cracks and modification lines also detach from the residual material 10A. The volume of about 40 pm x 300 pm was almost completely removed. The removal took place essentially without a taper angle 100 ⁇ m deep into the workpiece.
  • a hydroxide solution such as potassium or sodium hydroxide in a concentration of KOH: e.g. 28% by weight or NaOH: e.g. 15% by weight at a temperature of 80 ° C can be used as the etching solution for the wet etching step.
  • the absolute etching rate depends, among other things, on the etching temperature and the concentration of the etching liquid (the etching solution) as well as on the structural defects in the material to be etched (i.e. in the modifications).
  • the aggressive etching solution breaks chemical bonds of the material to be processed, this essentially only taking place in the areas of the introduced modification lines. Accordingly, the processed (modified) material dissolves in the etching solution only there.
  • a different set of parameters can be selected for the laser processing in the edge areas.
  • a frame can be placed around a cracked inner area.
  • the parameters can be chosen so that no cracks or only cracks appear along the edge.
  • a reduced pulse energy e.g. 30 pJ instead of 50 pj
  • individual pulses e.g. 30 pJ instead of 50 pj
  • modifications cannot be made up to the edge, or the pulse energy is reduced, e.g. in the case of the cross beam, to such an extent that only the modification lines furthest inward are formed.
  • FIG. 9 shows that a wide variety of geometries with different depths T can be removed from a workpiece over a large area.
  • 9 shows schematic volumes with different depths, for example from 1 ⁇ m to several mm deep (typically 100 ⁇ m to 1 mm) and with any shapes that can be composed of modified lines, such as cylinders, cuboids, trenches, ... .
  • the volumes to be removed have in common that they are edge volumes of the workpiece that form a section of a surface of the workpiece. This ensures that the etching solution can penetrate the modification lines in the wet etching process.
  • the pulsed laser beam 13 can enter the workpiece through the section of the surface.
  • the beam axis of the laser beam 13 can strike the workpiece in an angular range of up to 10 ° (for example up to 5 °) to the perpendicular incidence, preferably perpendicular the section of the surface in order to avoid astigmatism effects in the focus formation.
  • side walls of the volume to be removed can extend perpendicular to the surface, with side surfaces inclined at an angle to the normal of the upper surface are possible (depending on the refractive index, for example, up to an angle of 7.5 °, for example).
  • the beam components forming the Bessel beam are incident at an angle of 20 °, for example.
  • Usual cone angles, the axicon-like phase contributions are in the range of, for example, up to 30 °.
  • the end of the focus zone defines the extent to which the modification lines extend into the workpiece and extend from one surface of the workpiece to an opposite side of the volume to be removed. The end of the focus zone thus defines the depth at which the transition from the modified area to the non-modified area of the residual material takes place.
  • the laser beam 13 can exit the workpiece through the section of the surface. Then the beginning of the focus zone defines where the modification line begins in the workpiece, which again defines the depth of the transition from the modified area into the unmodified area.
  • Figure 10A shows how - in addition to a parallel displacement of the laser beam relative to the workpiece along a scanning path - a contour of the transition between the volume to be removed and the remaining material of the workpiece in a direction of propagation of the pulsed laser beam by appropriately positioning the end (or the beginning) of the Modification lines can be set.
  • FIG. 10A an edge 77 of a workpiece 9 is beveled (Chamfer).
  • a scanning path is selected that includes several segments Sf, S2,
  • S3 includes.
  • the depth of the written modification lines 15D is continuously increased towards the edge 77.
  • ends E are indicated for two modification lines I5D.
  • a volume 7D to be ablated is correspondingly written in with a triangular cross section.
  • the volume 7D can be removed in a wet etching process. That The machined workpiece 11 is shown in FIG. 10B together with the geometry of the removed volume 7D.
  • the inscribed depth of the modification lines i.e. the positions of the ends E of the modification lines, can follow a desired curve 79 in the area of the edge 77, as shown in FIG.
  • FIG. 10D shows that when machining the edge 77 of the workpiece 9, a volume to be removed can not only be defined on the upper side, but that modification lines can also be provided on the lower side of the workpiece.
  • a rounding of a side surface 81 of the workpiece can be prepared in a first machining step by writing in modification lines whose beginnings A are provided in the workpiece in accordance with the rounding course.
  • modification lines are then written in, the ends E of which follow the curve of the upper edge.
  • FIG. 11 shows how, with the aid of a large-area removal of a volume 7E with the method disclosed herein, a glass element 83 (e.g. a glass block or a glass pane) can be thinned to a predetermined thickness (e.g. a glass block of 2 mm to 1 mm) can be made. Predefined areas can be excluded, so that there are greater material thicknesses in these areas. In this way, a wide variety of protruding geometries can be formed on the surface of the glass element 83. Exemplary geometric shapes 85 with different heights are shown schematically in FIG.
  • a laser processing step for preparing a workpiece for a wet-etching step 5 is disclosed herein.
  • a method for producing a workpiece for a wet etching step 5 can comprise the following steps:
  • the volume 7 to be removed which forms a section of a surface 9A of the workpiece 9 is laser processed in such a way that the plurality of unmodified areas 45 are the Subdivide volume 7 and be delimited by the Mo dischenslinien 15 and the cracks 19 from each other.
  • the workpiece comprises a non-laser-processed residual material 10, which surrounds the volume 7 to be removed except for the section of the surface 9A.
  • parameters of the pulsed laser radiation can be set specifically for a material with regard to the interaction to be carried out with the material. Parameters of the scanning process can be adjusted accordingly.
  • the setting the parameters of the pulsed laser beam and the parameters of the scanning process are made in such a way that modification lines generated in succession do not overlap.
  • parameters of the pulsed laser beam repetition rate, laser pulse parameters such as pulse energy and pulse duration, etc., which determine the interaction with the material
  • parameters of the scanning path course of the scanning path, travel speed, distance between adjacent sections of the scanning path, etc.
  • Settings made for laser processing can affect one or more of the following values / parameters:
  • a maximum lateral extent of a modification line (e.g. diameter W of a symmetrical modification line, see e.g. Fig. 1) in the range from 100 nm to 5 pm, in particular from 300 nm to 2 pm, e.g. 1 pm.
  • a pulse energy (burst energy) and a pulse duration of the pulsed laser beam can be adjusted to the material to be processed.
  • Values for the pulse energy (burst energy) can be set in the range from 10 pj to a few mJ, e.g. in the range from 50 pj to 1 mJ.
  • Values for the pulse duration / burst duration of the pulsed laser beam can be set in the femtosecond range up to several picoseconds.
  • the phase imprint on the incident laser beam can be set to form a desired intensity profile in the focus zone and / or an imaging parameter of a telescope arrangement can be set in the focusing optics.
  • a distance value between the modification lines in the range from 1 pm to 50 pm (for example 20 pm).
  • the distance value is usually a multiple of the maximum lateral extent of the modification line.
  • a repetition rate of the pulsed laser beam e.g. in the range from 0.1 kHz to 10 kHz or more
  • a travel speed of the relative movement between the focusing optics and the workpiece e.g.
  • the beginning or the end of the focus zone with respect to the workpiece can be set.
  • a lateral dimension is given by the degrees of freedom of the system.
  • a larger lateral dimension of a volume to be ablated can lie in the range of, for example, 200 mm x 100 mm, in particular 160 mm x 80 mm.
  • a smaller lateral dimension is, for example, in the range of a few gm, such as 250 gm 2 x 250 gm 2 . Values for the volume to be removed result in a corresponding combination with the penetration depth of the modification line.
  • an angle of incidence of the pulsed laser beam (beam axis) on the workpiece can deviate from the perpendicular incidence.
  • Exemplary angles of incidence without "astigmatism" correction of the incident beam are, for example, in the range from 0 ° to 12 ° (with respect to the workpiece normals), in particular in the range from 0 ° to 7 ° to 10 °.
  • Propagation angles i.e. an alignment of the modification line with respect to the normal workpiece
  • the angle of incidence i.e. e.g. in the range from 0 ° to 8 °, in particular in the range from 4 ° to 7 °, result in the material.
  • the angle of incidence range expands to e.g. an angle range up to 50 °, in particular up to e.g. 20 ° or 30 °.
  • a propagation angle i.e. an alignment of the modification line
  • the angular range in the material can expand to e.g. 35 °, especially up to approx. 14 ° or 20 °, with aberration corrections.
  • angles of incidence depend on the depth of the material. If, for example, a "small" chamfer with a depth of 100 gm is to be cut off, there is the option of extended angles of incidence even without correction, since astigmatic effects can have a greater effect at the rear end of the focus zone.

Abstract

Diese Anmeldung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Material aus einem abzutragenden Volumen (7) eines Werkstücks (9) umfasst: einen Laserbearbeitungsschritt (3), in dem mit einem gepulsten Laserstrahl (13) in einem Abtastvorgang des abzutragenden Volumens (7) mehrere Modifikationslinien (15) nebeneinander zweidimensional-versetzt in das Material (9) des abzutragenden Volumens (7) eingeschrieben werden, wobei sich aufgrund des Laserbearbeitungsschritts (3) zwischen Modifikationslinien (15) Risse (19) im Material ausbilden, die sich in Richtung der Modifikationslinien (15) im abzutragenden Volumen (7) erstrecken und zusammen mit den Modifikationslinien (15) das abzutragende Volumen (7) in nicht-modifizierte Bereiche (BB) untergliedern; und einen Nass-Ätz-Schritt (5), in dem das abzutragende Volumen (7) in ein Ultraschall-unterstütztes nass-chemisches Ätzbad (21) eingebracht wird.

Description

VERFAHREN, SYSTEM UND WERKSTÜCK, MIT EINEM GROSSVOLUMIGEN ENTFERNEN VON MATERIAL DES WERKSTÜCKES DURCH LASER-UNTERSTÜTZTES ÄTZEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Material aus einem Werk- stück mit Laser-unterstützen Ätzen. Ferner betrifft die Erfindung ein System mit einer Laser bearbeitungsanlage und einem nass-chemischen Ätzbad zum Entfernen von Material aus ei nem Werkstück.
Bei der Laserbearbeitung von Materialien kann Laserstrahlung, insbesondere gepulste Laser- Strahlung wie Ultrakurzpuls (UKP)-Laserstrahlung, zum Abtragen von Material aus einem Werkstück eingesetzt werden. Dabei kann der Abtrag direkt durch die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material bewirkt werden, wenn die Intensität in der Fokuszone ober halb der Zerstörschwelle des Materials liegt. Der direkte Abtrag mit UKP -Laserstrahlung er folgt üblicherweise Ebene für Ebene, sodass eine Vielzahl von Überfahrten über die Quer- schnittsfläche des abzutragenden Volumens notwendig ist.
Bei für die Laserstrahlung (weitgehend) transparenten Materialien kann eine Materialbearbei tung ferner auf einem zweistufigen Laser-Ätzvorgang (SLE: selective laser etching) basieren. In einem ersten Schritt wird durch Bewegen des Fokus in das Material eine zusammenhän- gende Modifikation im Material geschrieben; d. h., eine durchgehende strukturelle Verände rung wird im Materialinneren durch viele Laserpulse erzeugt. In einem zweiten Schritt kann das Material der zusammenhängenden Modifikation in einem Nass-Ätzvorgang entfernt wer den. Der Nass-Ätzvorgang ist auf den modifizierten Bereich des Materials beschränkt und kann beispielsweise zum Einschreiben von feinen Strukturen in ein Material verwendet wer- den, wie es beispielsweise in J. Gottmann et al. „Selective laser-induced etching of 3D preci- sion quartz glass components for microfluidic applications- up-scaling of complexity and speed“, Micromachines 2017, 8, 110 und M. Herman et al., „Selective, laser-induced etching of fused silica at high scan-speed using KOH“, JLMN Vol. 9, No. 2, 2014 beschrieben wird. Ferner ist es bekannt für die Laserbearbeitung langgezogene Fokusverteilungen einzusetzen, wie sie z.B. bei (inversen) Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofilen vorliegen. Derartige Strahl profile können in einem für die Laserstrahlung (weitgehend) transparenten Material z.B. mit einem Axicon oder einem räumlichen Lichtmodulator (SLM: spatial light modulator) und ei nem einfallenden Laserstrahl mit einem Gaußschen Strahlprofil ausgebildet werden. Eine anschließende Abbildung in ein transparentes Werkstück führt zu der für die Materialbearbei tung erforderliche Intensität in einer langgezogenen Fokuszone. Entlang der langgezogenen Fokuszone kann sich eine längliche Modifikation im Material ausbilden. Derartige Modifikati onen können ein Trennen, Bohren oder Strukturieren des Materials ermöglichen. So kann eine Aufreihung von länglichen Modifikationen im Material eine Trennlinie bilden, entlang der ein Separieren eines Materials in zwei Teile vorgenommen werden kann. Beispielhafte Systeme zur Erzeugung von Bessel-Strahl-ähnlichen Strahlprofilen sind in WO 2016/079062 Al und WO 2016/079275 Al der Anmelderin beschrieben.
Mit den genannten UKP-Verfahren ist es nicht möglich, ein großes Volumen aus einem trans parenten Material wie Glas, Saphir, transparente Keramik, Glaskeramik, mit geringem Zeit aufwand herauszulösen. So ist ein wiederholtes Abfahren des Volumens vorzunehmen, da das mit einem Laserpuls abgetragene Volumen oft sehr klein ist, wodurch das Verfahren zeitauf wändig wird (bis zu 10 mm/s). Der direkte Abtrag mit UKP -Laserstrahlung ist zu einem ge wissen Grad bezüglich der abzutragenden Geometrie flexibel, aber sehr langsam. Zusätzlich entsteht ein Taperwinkel an den Kanten der erzeugten Geometrie, wodurch keine geraden (in Einfallsrichtung verlaufende) Wände möglich sind.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Volumenabtrag zu er möglichen, bei dem Oberflächenverläufe frei gewählt werden können.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, ein System zur Werkstückbearbeitung nach Anspruch 20 und ein Werkstück nach Anspruch 21. Weiterbil dungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist ein Verfahren zum Entfernen von Material aus einem abzutragenden Volumen eines Werkstücks einen Laserbearbeitungsschritt und einen Nass-Ätz- Schritt auf. Im Laserbearbeitungsschritt werden mit einem gepulsten Laserstrahl in einem Abtastvorgang des abzutragenden Volumens mehrere Modifikationslinien nebeneinander zweidimensional-ver- setzt in das Material des abzutragenden Volumens eingeschrieben. Aufgrund des Laserbearbei tungsschritts bilden sich zwischen Modifikationslinien Risse im Material aus, die sich in Rich tung der Modifikationslinien im abzutragenden Volumen erstrecken und zusammen mit den Modifikationslinien das abzutragende Volumen in nicht-modifizierte Bereiche untergliedern. Im Nass-Ätz-Schritt wird das abzutragende Volumen in ein Ultraschall-unterstütztes nass-che misches Ätzbad eingebracht.
In einem weiteren Aspekt können der Laserbearbeitungsschritt und der Nass-Ätz-Schritt räumlich und zeitlich getrennt erfolgen. So kann in einem Aspekt ein Verfahren zum Erzeugen eines Werkstücks für einen Nass-Ätz-Schritt mit den folgenden Schritten umfassen:
- Einschreiben mehrerer Modifikationslinien mit einem gepulsten Laserstrahl in einem Abtast vorgang eines abzutragenden Volumens, wobei der Abtastvorgang derart ausgelegt ist, dass die Modifikationslinien nebeneinander zweidimensional-versetzt in das Material des abzutragen den Volumens eingeschrieben werden, und
- Einstellen der Parameter des gepulsten Laserstrahls und des Abtastvorgangs derart, dass sich zwischen Modifikationslinien Risse im Material ausbilden, die sich in Richtung der Modifika tionslinien im abzutragenden Volumen erstrecken und zusammen mit den Modifikationslinien das abzutragende Volumen in nicht-modifizierte Bereiche untergliedern.
In einem weiteren Aspekt umfasst ein System zur Werkstückbearbeitung, bei dem Material aus einem abzutragenden Volumen eines Werkstücks entfernt wird, eine Laserbearbeitungsanlage für die Bearbeitung eines Materials eines Werkstücks mit einem gepulsten Laserstrahl durch Modifizieren des Materials in einer langgezogenen Fokuszone, die in einer Ausbreitungsrich tung des gepulsten Laserstrahls langgezogen ausgebildet ist. Die Laserbearbeitungsanlage um fasst eine Laserstrahlquelle, die den gepulsten Laserstrahl ausgibt, ein optisches System zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone im Werkstück und eine Werkstückhalterung zum Lagern des Werkstücks, wobei eine relative Positionierbarkeit des optischen Systems und des Werkstücks vorgesehen ist. Ferner umfasst die Laserbearbeitungsanlage eine Steuerungsein heit, die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlquelle, das optische System und/oder die Werk stückhalterung für eine Durchführung des Laserbearbeitungsschritts für das hierin offenbarte Verfahren derart anzusteuern, dass mehrere Modifikationslinien nebeneinander zweidimensio nal-versetzt in das Material des abzutragenden Volumens eingeschrieben werden können, um mit den Modifikationslinien und sich zwischen den Modifikationslinien ausbildenden Rissen das abzutragende Volumen in nicht-modifizierte Bereiche zu untergliedern. Das System zur Werkstückbearbeitung umfasst ferner ein Ätzsystem mit einem nass-chemischen Ätzbad, das dazu eingerichtet ist, das Werkstück mindestens im Bereich des abzutragenden Volumens für ein Ätzen des Materials entlang der Modifikationslinien aufzunehmen. Das Ätzsystem umfasst ferner eine Ultraschall-Quelle zum Ausgeben von Ultraschallwellen in das nass-chemische Ätzbad zum Lösen der nicht-modifizierten Bereiche von einem Restmaterial des Werkstücks.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Werkstück aus einem Material, das in einem abzutragenden Volumen für einen Nass-Ätz- Vorgang laserbearbeitet ist, wobei das abzutragende Volumen ei nen Abschnitt einer Oberfläche des Werkstücks ausbildet. Das Werkstück umfasst eine Mehr zahl von Modifikationslinien, die sich von der Oberfläche in das Material des abzutragenden Volumens nebeneinander zweidimensional-versetzt hinein erstrecken, eine Mehrzahl von Ris sen, die sich im abzutragenden Volumen zwischen Modifikationslinien und in Richtung der Modifikationslinien erstrecken, und eine Mehrzahl von nicht-modifizierten Bereichen, die das abzutragende Volumen untergliedern und von den Modifikationslinien und den Rissen vonei nander abgegrenzt werden. Ferner umfasst das Werkstück ein Restmaterial, das das abzutra gende Volumen bis auf den Abschnitt der Oberfläche umgibt.
In einigen Ausführungsformen des Werkstücks erstrecken sich die Modifikationslinien im ab zutragenden Volumen orthogonal zu einem planen Bereich des Abschnitts der Oberfläche des Werkstücks und verlaufen parallel zueinander.
In einigen Ausführungsformen bildet das abzutragende Volumen ein Randvolumen des Werk stücks aus, das einen Abschnitt einer Oberfläche des Werkstücks ausbildet. Im Verfahren kann der gepulste Laserstrahl durch den Abschnitt der Oberfläche in das Werkstück eintreten oder durch den Abschnitt der Oberfläche aus dem Werkstück austreten.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Einschreiben durch ein Parallelver schieben des Laserstrahls relativ zum Werkstück entlang eines Abtastweges erfolgen. Der Ab tastweg kann in einer Ebene definiert werden, die orthogonal zu einer Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls verläuft. Optional kann ein Abstand zweier nebeneinander liegen der Modifikationslinien mindestens doppelt so groß wie ein maximales Ausmaß einer der ne beneinander liegenden Modifikationslinien sein (z.B. mindestens viermal so groß). Alternativ oder zusätzlich kann der Abtastweg mehrere parallel zueinander verlaufende Abschnitte um fassen.
Zusätzlich zum Parallelverschieben kann ein Anfang oder ein Ende der Modifikationslinien entsprechend einer (Ziel-) Kontur des Übergangs zwischen dem abzutragenden Volumen und einem Restmaterial des Werkstücks in einer Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls positioniert werden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der Laserbearbeitungsschritt ferner umfas sen, dass mit dem gepulsten Laserstrahl eine in einer Ausbreitungsrichtung des gepulsten La serstrahls langgezogene Fokuszone ausgebildet wird, in der durch Modifizieren des Materials die Modifikationslinie erzeugt wird.
Der gepulste Laserstrahl kann eine Abfolge von Einzellaserpulsen oder einer Abfolge von Gruppen von Laserpulsen umfassen. Mindestens eine der Modifikationslinien kann dabei nur von einem Einzellaserpuls oder von einer einzelnen Gruppe von Laserpulsen im Material des abzutragenden Volumens, insbesondere durch nichtlineare Absorption, erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens können die Modifikationslinien bis zu einer Materialtiefe, die durch das abzutragende Volumen gegeben ist, in das Werkstück hineinge schrieben werden, wodurch sich die Risse ebenfalls bis in die Materialtiefe, die durch das ab zutragende Volumen gegeben ist, in das Werkstück hinein erstrecken können. Die Modifikati onslinien und die Risse durchdringen bevorzugt das abzutragende Volumen gleichmäßig. Die Modifikationslinien und die Risse erstrecken sich primär in einer Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls. Mindestens eine der Modifikationslinien kann sich von einer Oberflä che des Werkstücks bis an eine gegenüberliegende Seite des Volumens erstrecken. Benach barte Modifikationslinien überlappen sich bevorzugt nicht.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann eine langgezogene Fokuszone mit einem definierten Intensitätsanstieg und/oder Intensitätsabfall derart zum abzutragenden Volumen ausgerichtet werden, dass ein Anfang oder ein Ende der mit der langgezogenen Fokuszone er zeugten Modifikationslinie auf einer Grenzfläche des Volumens im Werkstück liegt. Zur Er zeugung der langgezogenen Fokuszone kann eine Phasenaufprägung auf einen einfallenden Laserstrahl zur Ausbildung eines Bessel-Strahls oder eines inversen Bessel-Strahls vorgenom men werden. Optional kann zusätzlich eine Phasenblende oder Amplitudenblende eingesetzt werden, um radial innen liegende und/oder radial außen liegende Intensitätsbereiche des ein fallenden Laserstrahls herauszubeugen oder zu blocken. Zur Erzeugung der langgezogenen Fokuszone kann insbesondere eine Phasenaufprägung eines Bessel-Strahls oder eines inversen Bessel-Strahls angepasst werden, um eine Fokuszone mit einem asymmetrischen Intensitätsprofil zu erzeugen, wobei das asymmetrische Intensitätsprofil einen asymmetri schen, insbesondere elliptisch geformten, Intensitätsbereich (Intensitätsmaximum) entlang der Ausbreitungsrichtung aufweisen kann und/oder wobei das asymmetrische Intensitätsprofil mehrere nebeneinander angeordnete Intensitätsmaxima (Intensitätsbereiche) aufweisen kann, die jeweils eine Modifikationslinie in Ausbreitungsrichtung ausbilden. Ein asymmetrisches In tensitätsprofil kann derart ausgerichtet werden, dass den Rissen eine bevorzugte Ausrichtung zugrunde liegt, die insbesondere zu einer die Modifikationslinien verbindenden Rissbildung führt.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens können Parameter des gepulsten Laserstrahls derart eingestellt werden, dass zusätzlich zu den Modifikationslinien eine Ausbildung der Risse ausgelöst wird. Ein Ausmaß eines Risses orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des La serstrahls kann mindestens so groß, doppelt so groß (oder noch größer) sein wie ein maxima les Ausmaß einer der nebeneinander liegenden Modifikationslinien orthogonal zur Strahlaus breitungsrichtung. Die Risse können sich teilweise zwischen Modifikationslinien erstrecken. Alternativ oder zusätzlich können die Risse Modifikationslinien zumindest abschnittweise verbinden.
In einigen Ausführungsformen werden die nicht-modifizierten Bereiche von den Modifikati onslinien und den Rissen voneinander abgegrenzt. Vor der Durchführung des Nass-Ätz- Schritts sind die nicht-modifizierten Bereiche am Anfang oder am Ende in Ausbreitungsrich tung mit einem nicht-modifizierten Restmaterial des Werkstücks verbunden.
Vorbereitend für den Nass-Ätzschritt können Parameter des gepulsten Laserstrahls derart ein gestellt werden, dass ein einzelner Laserpuls oder eine einzelne Gruppe von Laserpulsen beim Einstrahlen in das Werkstück eine in einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls langgezo gene Modifikationslinie bewirken. Entlang der Modifikationslinie liegt modifiziertes Material vor, das eine bezüglich der Struktur des Materials veränderte Struktur aufweist, die einem Nass-Ätzen im Nass-Ätz-Schritt zugänglich ist (d.h., das modifizierte Material kann von der Ätzlösung aufgelöst werden).
Hierin stellen Modifikationslinien eine strukturelle Veränderung des Materials des Werkstücks dar, die das Material von einem nicht-ätzbaren Zustand des nicht-modifizierten Materials in einen ätzbaren Zustand des modifizierten Materials überführt. Entsprechend sind die Modifikationslinien insbesondere durch eine Zunahme der nass-chemischen Ätzbarkeit im Vergleich zum nicht-modifizierten Material gekennzeichnet. Die Modifikation des Materials im Rahmen der Modifikationslinie kann von einer Ausbildung eines ebenfalls langgezogenen Hohlraums (z.B. ein Kanal, der über die gesamte Materialstärke erstreckt) begleitet werden. Der Hohlraum ist von Material umgeben (z.B. in einer zylinderförmigen Schale), das struktu rell verändert und damit ätzbar ist.
In einigen Ausführungsformen wird im Nass-Ätz-Schritt das modifizierte Material geätzt, ins besondere aufgelöst. Im Nass-Ätz-Schritt kann das Werkstück zumindest abschnittsweise in das nass-chemische Ätzbad eingetaucht werden. Nach Freiätzen mindestens eines Abschnitts eines der nicht-modifizierten Bereiche kann dieses durch Ultraschall abgelöst werden. Im Nass-Ätz-Schritt können Ultraschallwellen auf das abzutragende Volumen eigestrahlt werden, um z.B. eine fortgesetzte Ausbreitung der Risse zwischen Modifikationslinien zu stimulieren, sodass beispielsweise benachbarte Modifikationslinien, die noch nicht durch Risse in Verbin dung stehen, miteinander durch die erweiterten Risse verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren einen Abtastvorgang, mit dem das abzu tragende Volumen mit beabstandeten rotationssymmetrischen Modifikationslinien gefüllt wird, zwischen denen sich die Risse zufällig orientiert ausbilden.
In einigen Ausführungsformen des Verfahrens wird das Volumen mit einem Abtastweg abge fahren, der in einem orthogonal zu Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls verlaufen den Querschnitt des abzutragenden Volumens liegt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren einen Abtastvorgang, mit dem das abzu tragende Volumen mit beabstandeten und in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls langgezogenen Modifikationslinien oder mit beabstandeten Aufreihun gen von Modifikationslinien gefüllt wird, wobei jeweils eine der Modifikationslinien oder je weils eine der Aufreihungen von Modifikationslinien mit einem einzelnen Laserpuls oder ei ner Gruppe von Laserpulsen erzeugt wird. Es kann sich jeweils ein Riss zwischen direkt nach einander eingeschriebenen Modifikationslinien oder Aufreihungen von Modifikationslinien ausbilden. Ferner kann der Abtastvorgang einen Abtastweg umfassen, der Abtastwegsegmente aufweist, die unter einem Winkel zwischen 30° und 150°, insbesondere unter einem Winkel von 90°, zueinander verlaufen. In einigen Ausführungsformen des Verfahrens kann der Abtastvorgang das abzutragende Volu men mit zweidimensionalen, insbesondere kreuzförmigen, Anordnungen von Modifikationsli nien füllen, wobei jeweils eine der Anordnungen mit einem einzelnen Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt wird. Der Abtastvorgang kann einen Abtastweg mit parallel zueinander verlaufenden Abtastwegsegmenten umfassen. Risse können sich zwischen direkt nacheinander eingeschriebenen Anordnungen von Modifikationslinien und zwischen Anord nungen von Modifikationslinien, die in benachbarten Abtastwegsegmenten eingeschrieben wurden, ausbilden. Beispielsweise kann der Abtastweg in einem orthogonal zu Ausbreitungs richtung des gepulsten Laserstrahls verlaufenden Querschnitt des abzutragenden Volumens de finiert werden und im Wesentlichen mehrere, insbesondere lineare, Segmente aufweisen.
In einigen Ausführungsformen des Systems kann das optische System ein diffraktives opti sches Strahlformungselement aufweisen, das auf den Laserstrahl eine zweidimensionale Pha senverteilung aufprägt, und ein strahlformendes und strahlführendes optisches Modul mit ei ner Fokussierlinse. Das optische Modul führt zu einer Ausbildung der langgezogenen Fokus zone im Werkstück durch Fokussieren des Laserstrahls, auf den die zweidimensionale Phasen verteilung aufprägt wurde, mit der Fokussierlinse.
Zusammengefasst kann gemäß den hierin offenbarten Konzepten ein abzutragendes Volumen eines Werkstücks mit (beabstandeten, nicht-überlappenden) Modifikationslinien gefüllt wer den. Dies geht einher mit einer Ausbildung von Rissen im abzutragenden Volumen. In einem nachfolgenden Nass-Ätzvorgang, der von einer Ultraschall-Einstrahlung unterstützt wird, kann das Material “großflächig” aus dem laserbehandelten Volumen entfernt werden.
Die hierin offenbarten Ausführungsformen können u.a. den Vorteil aufweisen, dass mit einem einzigen Abtastvorgang (oder evtl zwei Abtastvorgängen) des abzutragenden Volumens dieses für einen Volumenabtrag vorbereitet werden kann. Das Ausmaß des Volumenabtrags in Ausbreitungsrichtung des Lasers wird durch die Länge der Fokuszone bestimmt und nicht durch die Anzahl der Abtastvorgänge.
Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figu ren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Flussdiagram zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Entfernen von Material aus einem abzutragenden Volumen eines Werkstücks, Fig. 2 eine schematische Skizze einer Laserbearbeitungsanlage für die Mate rialbearbeitung, Fig. 3 eine schematische 3D-Darstellung einer Flachbett-Laserbearbeitungs anlage,
Fig. 4Abis Fig. 4E schematische Skizzen zur Erläuterung eines beispielhaften Laserbear beitungsschritts mit symmetrischen Modifikationslinien, Fig. 5Aund Fig. 5B schematische Skizzen zur Beschränkung einer Bessel-Fokuszone in Ausbreitungsrichtung, Fig. 6Abis Fig. 6E schematische Skizzen zur Erläuterung eines beispielhaften Laserbear beitungsschritts mit zeitgleich erzeugten Modifikationslinien, Fig. 7Abis Fig. 7G schematische Skizzen zur Erläuterung eines beispielhaften Laserbear beitungsschritts mit abgeflachten Modifikationslinien und zwei Abtast vorgängen,
Fig. 8Aund Fig. 8B Aufnahmen eines Testwerkstücks nach einem Laserbearbeitungsschritt und nach einem Nass-Ätz-Schritt, Fig. 9 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung eines Abtrags von in ein Werkstück hineinragenden Volumen,
Fig. lOAbis 10D schematische Skizzen zur Verdeutlichung möglicher Formgebungen eines Werkstücks durch Kantenabtrag und Fig. 11 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung eines Flächenabtrags zur Ausbildung von hervorstehenden Strukturen.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass in einem Laserbear beitungsschritt Modifikationslinien in ein Werkstück mit einem gepulsten Laserstrahl (mit spezifisch eingestellten Parametern wie Pulsenergie, Fokuszonengeometrie etc.) eingeschrie ben werden können. Begleitend oder im zeitlichen Anschluss an die Laserbearbeitung kann sich eine Rissbildung im Werkstück einstellen, die zu einer Untergliederung des Werkstücks in viele kleine nicht-modifizierte Bereiche führt. Wird ein derart laserbehandeltes Werkstück ei nem Nass-Ätz-Schritt unterworfen, kann das Nass-Ätzen insbesondere zusammen mit mechanischen Effekten einer Ultraschall-Einstrahlug ein großvolumiges Herauslösen von Ma terial aus dem Werkstück bewirken. Das entfernte Volumen ist viel größer als das gemeinsame Volumen der erzeugten Modifikationslinien selbst, denn es erstreckt sich auch auf den zwi schen den Modifikationslinien und Rissen liegenden Bereich.
Ferner wurde erkannt, dass Modifikationslinien mit (Bessel-Strahl basierten) langgezogenen Fokuszonen bis zu Tiefen von einigen Millimetern in ein Werkstück eingeschrieben werden können, das aus einem für den Laserstrahl transparenten Material besteht. Entsprechend tief in das Werkstück eingreifende Risse treten auf. Volumen können so abgetragen werden, die bis zu einigen Millimetern in das Werkstück hineinragen.
Überdies wurde erkannt, dass - neben klassischen Axicon-Konfigurationen zur Erzeugung von (inversen) Bessel-Strahlen - spezifisch konfigurierte Phasenaufprägungen beispielsweise mit entsprechend eingerichteten diffraktiven optischen Elementen (DOEs) - zur Strahlformung vorgenommen werden können. Mit DOEs können z.B. langgezogene zweidimensional-struk turierte Strahlprofile im Werkstück erzeugt werden. Beispielsweise können abgeflachte Modi fikationslinien oder Aufreihungen von Modifikationslinien zur gezielten Förderung einer spe zifisch ausgerichteten Rissbildung genutzt werden. So kann die Rissausbreitung zwischen Mo difikationslinien im Werkstück veranlasst und optional derart spezifisch geführt werden, dass die Risse den anschließenden Ätzprozess zum Herauslösen eines durch die Modifikationsli nien definierten Volumens ermöglichen, obwohl nur kleine Teilbereiche des Volumens mit dem Laserstrahl wechselgewirkt haben.
Im Unterschied zum eingangs angesprochenen SLE, bei dem ein zusammenhängender Modifi kationsbereich mit aufeinanderfolgenden Laserpulsen in ein Materialinneres geschrieben wird und die Materialentfernung im Nass-Ätzvorgang auf diesen Modifikationsbereich beschränkt ist, verwenden die hierin offenbarten Konzepte ein Einschreiben von räumlich getrennten (be vorzugt nicht überlappenden) Modifikationen für den großvolumigen Abtrag. Dieser wird dadurch möglich, dass zusätzlich zu den Modifikationslinien Risse im Materialinneren entste hen. Es wird angemerkt, dass bei einer SLE-basierten Materialbearbeitung derartige Risse ver mieden werden, um die Materialentfemung auf den Modifikationsbereich zu beschränken.
Erfmdungsgemäß wird durch gezieltes Ausrichten und Ausnutzen der Risse der Volumenab trag ermöglicht. Der Nass-Ätzvorgang wirkt dabei primär auf die Modifikationslinien, wobei sowohl die geätzten Modifikationslinien als auch die Risse die Material Struktur im abzutra genden Volumen derart schwächen, dass z.B. in einem Ultraschallbad ein großvolumiges Aus lösen von Material aus dem Werkstück erfolgt, wobei das Auslösen eben nicht auf das Volu men der Modifikationslinien beschränkt ist.
Werden langgezogene Fokuszonen verwendet, kann jede Modifikationslinie mit einem einzi gen Laserpuls oder einer einzigen Gruppe von Laserpulsen (Burst von Laserpulsen) tief in das Werkstück hinein ausgebildet werden. Die Risse können sich in eine vergleichbare Tiefe in das Material hinein erstrecken.
Wird hochintensive UKP -Laserstrahlung für die Wechselwirkung mit dem Material des Werk stücks eingesetzt, können Anfang und/oder Ende der Modifikationslinie bei einer von der In tensität nichtlinear abhängenden Materialmodifikation räumlich scharf begrenzt ausgebildet werden. Erfolgt zusätzlich eine Variation der Positionen von Anfang oder Ende der Modifika tionslinien in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, kann ein entsprechender Verlauf der Grenzfläche des abzutragenden Volumens mit dem Restmaterial nachgebildet werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 wird im Folgenden allgemein das hierin beschrie bene Verfahren zum Entfernen von Material aus einem abzutragenden Volumen eines Werk stücks und ein zugrunde liegendes System zur Werkstückbearbeitung, insbesondere die Laser bearbeitungsanlage für die Bearbeitung eines Materials mit einem Laserstrahl, erläutert. An schließend werden mit Bezugnahme auf die Figuren 4 bis 7 drei beispielhafte Ausführungsfor men der vorbereitenden Lasermaterialbearbeitung eines zumindest teilweise für den Laser strahl transparenten Materials durch Einschreiben von nebeneinander zweidimensional-ver- setzt angeordneten Modifikationslinien in das Material des abzutragenden Volumens erläutert. In Zusammenhang mit den Figuren 8 bis 11 werden beispielhafte abzutragende Volumen ge zeigt.
Fig. 1 verdeutlicht in einem Flussdiagramm 1 einen Laserbearbeitungsschritt 3 und einen Nass-Ätz-Schritt 5 des Verfahrens zum Entfernen von Material aus einem abzutragenden Vo lumen 7 eines Werkstücks 9. Das das abzutragende Volumen 7 umgebende Material des Werk stücks 9 wird hierin als Restmaterial 10 bezeichnet. Es bildet als Ergebnis des Verfahrens ein bearbeitetes Werkstück 11. In Figur 1 ist hinsichtlich des Laserbearbeitungsschritts 3 ein gepulster Laserstrahl 13 ange deutet, der aus einer Fokussieroptik 17 austritt und senkrecht auf eine Oberfläche 9A des Werkstücks 9 trifft. Der gepulste Laserstrahl 13 besteht aus einer Folge von Einzelpulsen oder einer Folge von Gruppen von Pulsen (Bursts), die jeweils zu einer Wechselwirkung mit dem Material des Werkstücks 9 in ihrer Pulslänge und Pulsenergie eingestellt sind. Die Wechsel wirkung mit dem Werkstück 9 erfolgt in einer langgezogenen Fokuszone, sodass sich für ei nen Laserpul s/eine Gruppe von Laserpulsen eine Modifikationslinie 15 bis zu einer Tiefe T von einigen 100 pm bis zu einigen Millimetern entlang der Ausbreitungsrichtung des Laser strahls 13 (hier in Z-Richtung) in das Werkstück 9 hinein ausbildet. Die Tiefe T ist üblicher weise geringer als eine Dicke D des Werkstücks 9 im Bereich der Laserbearbeitung.
Die Fokussieroptik 17 wird im Laserbearbeitungsschritt 3 zweidimensional relativ zum Werk stück 9 bewegt, sodass aufeinanderfolgende Laserpul se/Gruppen von Laserpulsen jeweils eine eigene Modifikationslinie 15 erzeugen. Um dies zu erreichen können Parameter des gepulsten Laserstrahls (Repetitionsrate, Laserpulsparameter wie Pulsenergie und Pulsdauer etc., die die Wechselwirkung mit dem Material bestimmen) und die Parameter eines Abtastwegs (Verlauf des Abtastwegs, Verfahrgeschwindigkeit, Abstand benachbarter Abschnitte des Abtastwegs etc.) jeweils spezifisch für ein zu bearbeitendes Material eingestellt werden.
In Fig. 1 ist ein zugrundeliegender Abtastweg S angedeutet. In Abhängigkeit der Verfahrge schwindigkeit der Fokussieroptik 17 entlang des Abtastwegs S und der Repetitionsrate der ge pulsten Laserstrahlung kann der Abstand zwischen Modifikationslinien 15 entlang des Abtast wegs S derart eingestellt werden, dass sich die Modifikationslinien 15 nicht überlappen. Bei spielsweise weisen die Modifikationslinien 15 einen Abstand d in X-Richtung und in Y-Rich- tung voneinander auf, der mindestens doppelt so groß wie ein maximales transversales Aus maß W einer der nebeneinanderliegenden Modifikationslinien 15 in der X-Y-Ebene ist. Ferner können nebeneinander liegende Abschnitte des Abtastwegs S derart in ihrem Abstand einge stellt werden, dass sich die Modifikationslinien 15 benachbarter Abschnitte nicht überlappen.
Mit Verweis auf die in Zusammenhang mit den Figuren 7A bis 7G erläuterten Ausführungs beispielen kann der Abtastvorgang des abzutragenden Volumens 7 auch zweimal oder mehr mals hintereinander erfolgen, wobei jeweils die Parameter des gepulsten Laserstrahls (Repeti tionsrate, Laserpulsparameter wie Pulsenergie und Pulsdauer) und die Parameter des Abtast wegs (Verfahrgeschwindigkeit, Abstand benachbarter Abschnitte des Abtastwegs) für ein zu bearbeitendes Material so eingestellt werden können, dass sich die Modifikationslinien eines Abtastvorgangs nicht überlappen. Bei spezifisch geformten Modifikationen können sich Mo difikationslinien verschiedener Abtastvorgänge teilweise überlagern.
Das Ergebnis des Laserbearbeitungsschritts 3 ist ein Werkstück 9, das im abzutragenden Volu men 7 für einen Nass-Ätz -Vorgang vorbereitet ist. Das abzutragende Volumen 7 bildet einen Abschnitt der Oberfläche 9A des Werkstücks 9 aus. Das Werkstück 9 weist im Volumen 7 eine Mehrzahl von Modifikationszonen 15 auf. Die Modifikationszonen 15 erstrecken sich von der Oberfläche 9A in das Material des Volumens 7 hinein und sind nebeneinander zweidimensio nal -versetzt angeordnet.
Ferner sind im Laserbearbeitungsschritt 3 Parameter des gepulsten Laserstrahls 13 derart ein gestellt, dass aufgrund der Wechselwirkung des gepulsten Laserstrahls 13 mit dem Werkstück
9 und aufgrund der Ausbildung der Modifikationslinien 15 eine Mehrzahl von Rissen im Volu men 7 entstehen. Die Risse erstrecken sich im Volumen 7 zwischen den Modifikationslinien 15 und in Richtung der Modifikationslinien 15 (d.h. in Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls 13). In Figur 1 ist für den Laserbearbeitungsschritt 3 beispielhaft ein Riss 19 zwi schen zwei Modifikationslinien 15 angedeutet.
Im Nass-Ätz-Schritt 5 wird durch Auflösen des modifizierten Materials in den Modifikations linien 15 das Volumen 7 perforiert, wobei bevorzugt zeitgleich durch Ultraschall-Einstrahlung ein großflächiger Abtrag ausgelöst wird.
Wie in Fig. 1 angedeutet kann der Nass-Ätz-Schritt 5 in einem Ätzsystem 21 durchgeführt werden. In Fig. 1 sind hierzu eine schematische Perspektivansicht und eine schematische Schnittansicht des Ätzsystems 21 gezeigt. Das Ätzsystem 21 umfasst ein nass-chemisches Ätzbad 23, das dazu eingerichtet ist, das Werkstück 9 mindestens im Bereich des abzutragen den Volumens 7 in einer Ätzlösung 23 A aufzunehmen. Die Ätzlösung 23 A bewirkt ein Ätzen von modifiziertem Material, das entlang der Modifikationslinien 15 vorliegt. Ferner umfasst das Ätzsystem 21 mindestens eine Ultraschall-Quelle 25 zum Ausgeben von Ultraschallwellen 27 in ein Ultraschallbad 29, das z.B. mit Wasser 29A gefüllt ist. In Fig. 1 befindet sich das Ätzbad 23 im Ultraschallbad 29, sodass sich die Ultraschallwellen 27 auch in das nass-chemi sche Ätzbad 21 ausbreiten und das Lösen der nicht-modifizierten Bereiche vom Restmaterial
10 des Werkstücks 9 unterstützen. Beispielhafte Parameter des Ätzvorgangs sind eine Ätzlösung wie eine Hydroxidlösung (Ka lium- oder Natriumhydroxid) in optimierter Konzentration (z.B. KOH 28 wt.-%, NaOH 15 wt.-%) und eine erhöhte Ätztemperatur von z.B. 80°C. Beispielsweise wird der Ätzvorgang über einen Zeitraum von einigen Minuten oder Stunden durchgeführt. Zeitraum und Ätzlö sung sind auf das Material sowie auf die eingebrachten Modifikationslinien abstimmbar.
Das bearbeitete Werkstück 11 ist das Ergebnis des Nass-Ätz-Schritts 5. Es weist im Bereich des Volumens 7 eine Aussparung auf, die sich bis in die Tiefe T in das Werkstück 11 erstreckt.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage 101 mit einer Laser strahlquelle lOlAund einem optischen System 101B zur Strahlformung eines gepulsten La serstrahls 103 der Strahlquelle 101 A. Die Strahlformung dient dazu, eine Fokuszone 107, die entlang einer ersten Fokuszonenachse 105 langgezogen ausgebildet ist, im zu bearbeitenden Werkstück 9 zu erzeugen.
Allgemein wird der gepulste Laserstrahl 103 durch Strahlparameter wie Ausbildung von Ein zellaserpulsen oder Gruppen von Laserpulsen, Wellenlänge, spektrale Breite, zeitliche Puls form, Pulsenergie, Strahldurchmesser und Polarisation bestimmt. Laserpulse weisen z.B. Pul senergien auf, die zu Pulsspitzenintensitäten führen, die eine Völumenabsorption im Material 3 und damit eine Ausbildung einer Modifikation in einer gewünschten Geometrie bewirken. Üb licherweise wird der Laserstrahl 103 ein kollimierter Gaußscher Strahl mit einem transversa len Gaußschen Intensitätsprofil sein, der von der Laserstrahlquelle 101 A, beispielsweise ei nem UKP -Hochleistungslasersystem, erzeugt wird. Das optische System 101B formt aus dem Gaußschen Strahl ein Strahlprofil, das die Ausbildung einer langgezogenen Fokuszone ermög licht; z.B. wird ein gewöhnliches oder inverses Bessel-Strahl-artiges Strahlprofil mit einem Strahlformungselement 111 erzeugt. Das Strahlformungselement 111 ist zur Aufprägung eines transversalen Phasenverlaufs auf den einfallenden Laserstrahl 103 z.B. als ein Hohlkegel-Axi- con, ein Hohlkegel-Axicon-Linse/Spiegel-System, ein reflektives Axicon-Linse/Spiegel-Sys- tem oder ein, insbesondere programmierbares oder fest-eingeschriebenes, diffraktives opti sches Strahlformungselement, insbesondere als ein räumlicher Lichtmodulator (SLM spatial light modulator), ausgebildet. Für beispielhafte Konfigurationen des optischen Systems und insbesondere des Strahlfor mungselements 111 wird auf die eingangs genannte WO 2016/079062 Al verwiesen.
In Fig. 2 nicht gezeigt sind weitere strahlführende Komponenten des optischen Systems 101B wie zum Beispiel Spiegel, Linsen, Teleskopanordnungen, Filter sowie Steuerungsmodule zur Ausrichtung der verschiedenen Komponenten.
Das optische System 101B fokussiert den gepulsten Laserstrahl 13 in das Werkstück 9, indem sich eine langgezogene Fokuszone 107 ausbildet.
Die langgezogene Fokuszone 107 bezieht sich hierin auf eine dreidimensionale Intensitätsver teilung, die in dem zu bearbeitenden Werkstück 9 das räumliche Ausmaß der Wechselwirkung und damit der Modifikation des Materials mit einem Laserpul s/einer Laserpulsgruppe be stimmt. Die langgezogene Fokuszone 107 bestimmt einen langgezogenen Volumenbereich im zu bearbeitenden Werkstück 9, in dem eine Fluenz/Intensität vorliegt. Liegt die Fluenz/Intensi- tät über der für die Bearbeitung/Modifikation relevanten Schwellenfluenz/-intensität, wird ent lang der langgezogenen Fokuszone 107 eine langgezogene Modifikationslinie 15 (oder eine Mehrzahl von zeitgleich nahe beieinander erzeugten langgezogenen Modifikationslinien 15) in das Werkstück 9 eingeschrieben.
Mit Blick auf den Laserbearbeitungsschritt 3 spricht man von langgezogenen Fokuszonen, wenn eine dreidimensionale Intensitätsverteilung hinsichtlich einer Zielschwellenintensität durch ein Aspektverhältnis (Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung im Verhältnis zur lateralen Ausdehnung quer zur Fokuszonenachse (Durchmesser des on-axis-Maximums) von mindes tens 10:1, beispielsweise 20:1 und mehr oder 30:1 und mehr, oder 1000:1 und mehr, gekenn zeichnet ist. Eine derartige langgezogene Fokuszone kann zu einer (oder mehreren) Modifika tionslinien 15 im Material mit ähnlichem Aspektverhältnis führen. Allgemein kann bei derarti gen Aspektverhältnissen eine maximale Änderung der lateralen Ausdehnung der Intensitäts verteilung, die eine Modifikationslinie 15 bewirkt, über die Fokuszone 107 im Bereich von 50 % und weniger, beispielsweise 20 % und weniger, beispielsweise im Bereich von 10 % und weniger, liegen. Das gleiche gilt entsprechend für eine maximale Änderung der lateralen Aus dehnung einer Modifikationslinie 15. Das Werkstück kann beispielsweise aus einem (für die Laserwellenlänge des eingesetzten ge pulsten Laserstrahls 13 weitgehend) transparenten Material in z. B. keramischer oder kristalli ner Ausführung wie Glas, Saphir, transparente Keramik, Glaskeramik bestehen. Transparenz eines Materials bezieht sich hierin auf die lineare Absorption. Für Licht unterhalb der Schwel- lenfluenz/rintensität kann ein „im Wesentlichen“ transparentes Material beispielsweise auf ei ner Länge einer Modifikationslinie z.B. weniger als 20 % oder sogar weniger als 10 % des einfallenden Lichts absorbieren.
Allgemein gilt für die Bearbeitung transparenter Werkstoffe mittels langgezogener Volumen absorption, dass, sobald eine Absorption stattfindet, diese Absorption selbst oder aber die re sultierende Änderung der Materialeigenschaft die Propagation von Laserstrahlung beeinflus sen kann. Deshalb ist es vorteilhaft, die zur Modifikation weiter strahlabwärts dienenden Strahlanteile unter einem Winkel zur Fokuszonenachse der Wechselwirkungszone zuzuführen. Ein Beispiel hierfür ist der (konventionelle) Quasi-Bessel-Strahl, bei dem eine ringförmige Femfeldverteilung vorliegt, deren Ringbreite typischerweise klein im Vergleich zum Radius ist. Radiale Strahlanteile werden der Wechselwirkungszone/Fokuszonenachse dabei im We sentlichen mit diesem Winkel rotationssymmetrisch zugeführt. Das gleiche gilt für den inver sen Quasi-Bessel-Strahl sowie für Modifikationen wie homogenisierte oder modulierte (in verse) Quasi-Bessel-Strahlen.
Bei einer langgezogenen Bessel-Strahl-basierten Fokuszone kann Laserstrahlung im Wesentli chen über die gesamte Länge der Fokuszone lateral zugeführt werden. Dies hat zur Folge, dass eine Modifikation des Materials im Anfangsbereich der Fokuszone nicht oder zumindest kaum Ab schirm eff ekte auf den Teil der Laserstrahlung aufweist, welche eine Modifikation des Ma terials strahlabwärts, d.h. z.B. im Endbereich der Fokuszone, bewirkt. Andererseits kann bei einer Bessel-Strahl-basierten Fokuszone auf die Länge der Fokuszone und damit auf die Länge der Modifikationslinie 15 durch Blockieren von radialen Strahlanteilen Einfluss ge nommen werden (siehe Figuren 5Aund 5B).
Neben einer Intensitätsverteilung in einer Fokuszone, die eine einzige Modifikationslinie her vorruft, kann mit einem diffraktiven optischen Element eine Phasenaufprägung vorgenommen werden, die zu einer Intensitätsverteilung in einer Fokuszone führt, die eine asymmetrische (z.B. in einer Richtung abgeflachte) Modifikationslinie oder mehrere parallel zueinander ver laufende Modifikationslinien hervorruft, wobei die Modifikationslinie oder die Anordnung von Modifikationslinien mit einem Laserpuls oder eine Gruppe von Laserpulsen erzeugt wer den. Beispielhafte Phasenaufprägungen und Intensitätsverteilungen sind z. B. in der deutschen Patentanmeldung 10 2019 128 362.0, “Segmentiertes Strahlformungselement und Laserbear beitungsanlage”, mit Anmeldetag 21. Oktober 2019 der Anmelderin sowie in K. Chen et al., „Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams“, arXiv: 1911.03103vl, [phy- sics. optics], 8 Nov. 2019 offenbart.
Die Laserbearbeitungsanlage 101 kann ferner eine Werkstücklagerungseinheit aufweisen (siehe auch Fig. 3). Für die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt eine Relativbewegung zwi schen dem optischen System 101B und dem Werkstück 9, sodass die Fokuszone 107 bei ei nem gepulsten Laserstrahl in das Werkstück 9 an verschiedenen Positionen zur Ausbildung ei ner Anordnung von Modifikationslinien 15 eingestrahlt werden kann. Die Relativbewegung wird derart angesteuert, dass sich die Modifikationen entlang eines Abtastwegs aufreihen
Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 121 für die Bearbei tung eines plattenförmigen Werkstücks 109. Die Laserbearbeitungsanlage 121 weist ein Trä gersystem 123 (als Teil einer Strahlausrichtungseinheit) und eine Werkstücklagerungseinheit 125 auf. Das Trägersystem 123 überspannt die Werkstücklagerungseinheit 125 und trägt z.B. die Laserstrahlquelle, welche in Fig. 3 beispielsweise in einem oberen Querträger 123 A des Trägersystems 123 integriert ist. Ferner kann das optische System 101B in X-Richtung ver fahrbar am Querträger 123 A angebracht sein. In alternativen Ausführungsformen kann bei spielsweise ein Lasersystem als eigene externe Strahlquelle vorgesehen werden, dessen Laser strahl zum optischen System 101B mittels Lichtleitfaser oder als Freistrahl geführt wird.
Die Werkstücklagerungseinheit 125 trägt das sich in der X-Y-Ebene erstreckende Werkstück 109. Das Werkstück 109 ist beispielsweise eine Glasscheibe oder eine für die eingesetzte La serwellenlänge weitgehend transparente Platte, z.B. in keramischer oder (ein-)kristalliner Aus führung. Die Werkstücklagerungseinheit 125 erlaubt ein Verfahren des Werkstücks 109 in Y- Richtung relativ zum Trägersystem 123, so dass in Kombination mit der Verfahrbarkeit des optischen Systems 101B ein sich in der X-Y-Ebene erstreckender Bearbeitungsbereich zur Verfügung steht.
Gemäß Fig. 3 ist ferner eine Verschiebbarkeit in Z-Richtung z.B. des optischen Systems 101B oder des Querträgers 123 A vorgesehen, um den Abstand zum Werkstück 109 einstellen zu können. Für ein sich von der Oberfläche 109Ain Z-Richtung in das Material erstreckendes ab zutragendes Volumen wird der Laserstrahl üblicherweise auch in Z-Richtung (d.h. normal) auf das Werkstück 109 gerichtet. Weitere Bearbeitungsachsen, die in Fig. 3 beispielhaft durch eine Auslegeranordnung 127 und zusätzliche Rotationsachsen 129 angedeutet sind, erlauben es, den austretenden Laserstrahl und damit die Fokuszonenachse im Raum auszurichten. Eine zur X-Y-Ebene geneigte Einstrahlrichtung 105B ist in Fig. 3 beispielhaft angedeutet.
Die Laserbearbeitungsanlage 121 weist ferner eine Steuerungseinheit 131 auf, die insbeson dere eine Schnittstelle zur Eingabe von Betriebsparametem durch einen Benutzer aufweist. Allgemein umfasst die Steuerungseinheit 131 Elemente zum Ansteuern von elektrischen, me chanischen und optischen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 121, beispielsweise durch Ansteuern entsprechender Betriebsparameter des Lasersystems wie z.B. Pumplaserleis tung, und der Werkstückhalterung, elektrische Parameter für die Einstellung eines optischen Elements (beispielsweise eines SLM) und Parameter für die räumliche Ausrichtung eines opti schen Elements (beispielsweise zur Drehung der Einstrahlrichtung).
Beispielhafte Parameter des gepulsten Laserstrahls 13, die im Rahmen dieser Offenbarung eingesetzt werden können, sind:
Laserpulsenergien/Energie einer Laserpulsgruppe (Burst): z.B. im mJ-Bereich und mehr, zwi schen 20 pj und 2 mJ (z.B. 1200 pj), typischerweise zwischen 100 pj und 1 mJ Wellenlängenbereiche: IR, VIS, UV (z.B. 2 pm > l > 200 nm; z.B. 1550nm, 1064 nm, 1030 nm, 515 nm, 343 nm)
Pulsdauer (FWHM): einige Pikosekunden (beispielsweise 3 ps) und kürzer, beispielsweise ei nige hundert oder einige (zehn) Femtosekunden
Anzahl der Laserpulse in einem Burst: z.B. 2 bis 4 Pulse (oder mehr) pro Burst mit einem zeitlichen Abstand im Burst von einigen Nanosekunden
Anzahl der Laserpulse pro Modifikationslinie: ein Laserpuls oder ein Burst für eine Modifika tionslinie
Repetitionsrate: üblicherweise größer 0.1 kHz, z.B. 10 kHz
Länge der Fokuszone im Material: größer 20 pm, bis zu einigen Millimetern
Durchmesser der Fokuszone im Material: größer 1 pm, bis zu 20 pm und mehr
(sich ergebende laterale Ausdehnung der Modifikationslinie im Material: größer 100 nm, z.B.
300 nm oder 1 pm, bis zu 20 pm und mehr) Vorschub d zwischen zwei benachbarten Modifikationslinien: mindestens die laterale Ausdeh nung der Modifikationslinie in Vorschubrichtung (üblicherweise mindestens das Doppelte der Ausdehnung, beispielsweise das Vierfache der Ausdehnung)
Dabei bezieht sich die Pulsdauer auf einen Einzellaserpuls. Entsprechend bezieht sich eine Einwirkdauer auf eine Gruppe von Laserpulsen, die zur Bildung einer einzigen Modifikations linie an einem Ort führen. Die Einwirkdauer wie die Pulsdauer sollen kurz hinsichtlich einer vorliegenden Vorschubgeschwindigkeit sein, so dass ein Laserpuls und alle Laserpulse einer Gruppe von Laserpulsen zu einer einzigen Modifikationslinie an einem Ort beitragen.
Die zuvor genannten Parameterbereiche können die Bearbeitung von Volumen erlauben, die bis zu beispielsweise 5 mm und mehr (typisch 100 pm bis 2 mm) in ein Werkstück hineinra gen.
Die Figuren 4Abis 4E verdeutlichen die Möglichkeit eines Riss-unterstützten Volumenabtrags mithilfe einer symmetrischen Bessel-Strahl-basierten Fokuszone 33, die sich zum Beispiel langgezogen über mehrere 100 pm bei einer transversalen Ausdehnung von einigen wenigen Mikrometern erstreckt. Mit der Fokuszone können bei entsprechend gewählten Laserparame tern Modifikationslinien bis zu einer entsprechenden Materialtiefe derart in ein transparentes Werkstück eingeschrieben werden, dass sich zwischen den Modifikationslinien Gitter-förmig Risse ausbilden.
Fig. 4A verdeutlicht beispielhaft einen X-Z-Schnitt 31 durch eine Intensitätsverteilung der Bessel-Strahl-basierten Fokuszone 33. Die Intensitätsverteilung wurde für eine reale Quasi- Bessel-Strahlform berechnet, wie sie mit einem Axicon erzeugt werden kann. Man erkennt in Fig. 4A einen starken Intensitätsanstieg 35 A (aufgrund einer Überlagerung der hohen (zentra len) Intensitäten eines Gaußschen Einfallsstrahls) und ein zentrales langgezogenes Intensitäts maximum 37, das sich in Ausbreitungsrichtung, d.h. entlang der Z-Achse, bis zu einigen Mil limeter ausbilden kann. Ein langsamer Intensitätsabfall 35B über mehrere 100 Mikrometer geht auf eine Überlagerung der niedrigen (äußeren) Intensitäten des Gaußschen Einfallsstrahls zurück. Für eine inverse Bessel-Strahlform ergibt sich eine in Z-Richtung invertierte Intensi tätsverteilung, die anstelle des starken Anstieges einen starken Abfall als harte Grenze auf weist. Fig. 4B zeigt einen X-Y-Schnitt 39 durch das Intensitätsmaximum 37 der in Fig. 4A gezeigten Intensitätsverteilung. Im Intensitätsmaximum 37 liegen für die Erzeugung von Modifikations linien Intensitäten oberhalb einer Schwellenintensität des abzutragenden Materials vor. Das Intensitätsmaximum 37 ist von Intensitätsringen mit Intensitäten unterhalb einer Schwellenin tensität umgeben. Aufgrund eines Schwellenwertverhaltens der nichtlinearen Absorption kann ein derartiges Strahlprofil im Werkstück eine klar definierte langgezogene Modifikationslinie bewirken, begleitet von einem räumlich definierten Übergang von nicht-modifiziertem Mate rial zu modifiziertem Material sowohl in Ausbreitungsrichtung als auch quer zur Ausbrei tungsrichtung des gepulsten Laserstrahls. Die langgezogene Form der Fokuszone 33 weist bei spielsweise ein Aspektverhältnis, d.h. ein Verhältnis der Länge der Fokuszone zu einer inner halb dieser Länge auftretenden maximalen Ausdehnung, üblicherweise im Bereich des Intensi tätsmaximum 37, im Bereich von 5:1 (z.B. 10:1) bis z.B. 1000:1 und mehr, auf.
Alternativ zum Axicon kann die Strahlformung mit einem diffraktiven optischen Strahlfor mungselement, einer sogenannten flächigen, die Phasenaufprägung bewirkenden Phasen maske, erfolgen. Eine Phasenmaske kann vorgegebene Phasenänderungen in benachbarten Flächenelementen aufweisen, die z.B. durch eine lokale Änderung des Brechungsindex oder durch eine lokale Änderung des zurückgelegten Weges durch ein z.B. geätztes Höhenprofil in beispielsweise Quarzglas erreicht werden kann. Ein fest eingeschriebenes diffraktives opti sches Element kann z.B. planparallele Stufen aufweisen, wobei eine Material dicke im Bereich einer Stufe (eines Flächenelements) das Ausmaß einer Phasenschiebung bestimmt. Die litho graphische Herstellung der planparallelen Stufen kann eine hohe laterale Auflösung (kleinere Flächenelemente/Bereiche eines Phasenschiebungswertes) ermöglichen. Allgemein gibt ein Phasenschiebungswert eine einem Punkt oder einer Fläche zugeordnete Phase an, die die ein fallende Laserstrahlung bei der Wechselwirkung (Transmission oder Reflektion) mit der Pha senmaske zur Phasenaufprägung erfährt.
Zurückkommend auf die Strahlformung zeigt Fig. 4C schematisch eine zweidimensionale Ver teilung 41 der Phase F eines fest eingeschriebenen diffraktiven optischen Strahlformungsele ments (oder eines entsprechend eingestellten SLMs) mit der Wirkung eines Axicons.
Die Figuren 4D und 4E verdeutlichen in einer 3D-Ansicht und einer Aufsicht auf ein abzu tragendes Volumen 7A einen Laserbearbeitungsschritt eines Werkstücks, beispielsweise ein Glas wie Fused Silica, Borosilikatglas, Aluminiumsilikatglas oder Aluminiumborosilikatglas. Im Laserbearbeitungsschritt wird das Volumen 7A mit einer symmetrischen Bessel-Strahl-ba- sierten Fokuszone einmal zeilenweise mit dem gepulsten Laserstrahl 13 abgetastet. Der Ab tastvorgang schreibt mehrere Abfolgen von Modifikationslinien 15A entlang Zeilen 43 (Ab tastwegsegmente) in das Volumen 7A. Dabei wird mit einer Überfahrt das Volumen 7 mit ei ner Mehrzahl von Modifikationslinien 15A gefüllt. Laserpulsenergie, Laserpulsanzahl bei Bursts und der Abstand der Modifikationslinien 15A ist dabei so gewählt, dass zwischen den Modifikationslinien 15A in Vorschubrichtung (X-Richtung in Fig. 4D) Risse 19A entstehen. Ferner entstehen zwischen den Zeilen 43 zufällig orientierte Risse 19B. Fig. 4D zeigt beispiel haft einen Einfallswinkel orthogonal zur Werkstückoberfläche (entlang einer Werkstücknor malen n zur Oberfläche) und entsprechend eine Ausrichtung der Modifikationslinien parallel zur Werkstücknormalen n.
Die Risse 19A, 19B und die Modifikationslinien 15 untergliedern das abzutragenden Volumen 7A in nicht-modifizierte Bereiche 45. Dadurch wird das Material des Werkstücks im Bereich des Volumens 7A so stark geschwächt, dass im Ultraschall-unterstützten nass-chemischen Ätzvorgang auch große Volumen herausgelöst werden können.
Beispielhafte Parameter des gepulsten Laserstrahls für den beschriebenen Laserbearbeitungs schritt sind: Laserpulslänge von 100 fs bis 10 ps, z.B. 3 ps, Einzellaserpulse, Bursts von Dop pellaserpulsen oder mehreren Laserpulsen. Der Modifikationsabstand d ist ein Mehrfaches der Durchmesser W der Modifikationslinien (z.B. von 100 nm bis 5 pm, z.B. 1 gm) und liegt zum Beispiel bei 10 pm. Die Pulsenergie wird so gewählt, dass die Risse 19A und 19B entstehen, und liegt z.B. im Bereich von 10 pj bis zu mehreren mJ und mehr. Beispielsweise können Pulsenergien von 40 pj bis 50 pj Risse in Glas erzeugen. Eine größere Pulsenergie kann zur Erzeugung von mehr Rissen pro Modifikationslinie 15 führen und so den Ätzvorgang verkür zen (schnellere Ätzrate).
Hinsichtlich der Einsteilbarkeit von Anfang, Ende und Länge einer Bessel-Strahl-basierten Fo kuszone wird beispielhaft auf die deutsche Patentanmeldung 102019 135 283.5, “Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung und Laserbearbeitungsanlage”, mit Anmeldetag 19. Dezember 2019 der Anmelderin verwiesen, deren Inhalt hierin in vollem Umfang und insbesondere hin sichtlich der Beschreibung der Fig. 11 einbezogen ist. Bespielhaft verdeutlichen die Figuren 5 A und 5B die Einsteilbarkeit der Ausdehnung einer Bessel-Strahl-Fokuszone und damit der Positionen von Anfang und Ende der Modifikationsli nie. Aufgrund des in radialer Richtung variierenden Phasenbeitrags bei der Strahlformung läuft bei einem fokussierten Bessel-Strahl die Laserstrahlung von außen auf eine Fokuszo nen/Strahlachse zu, sodass es entlang der Strahlachse zur Interferenz der radial einlaufenden Laserstrahlung kommen kann. In einer Bessel-Strahl-Fokuszone interferieren also Strahlberei che mit unterschiedlichen radialen Abständen von der Strahlachse nach und nach entlang der Strahlachse.
In Fig. 5 A wird verdeutlicht, wie zusätzlich zur Phasenaufprägung eine Blende mit einer Rin göffnung eingesetzt werden kann, um Beiträge bestimmter radialer Bereiche des einfallenden Laserstrahls zur Ausbildung der Fokuszone zu verhindern. Beispielhaft kann eine Amplituden- Blende über die Phasenverteilung 41 der Fig. 4C überlagert werden, um einen inneren Strahl bereich 47Aund einen äußeren Strahlbereich 47B des einfallenden Laserstrahls 103 zu blo cken. Eine sich ergebende Verteilung der Intensität I entlang der Strahlachse (hier die Z- Achse) ist in Fig. 5B schematisch gezeigt.
Wird mithilfe einer Blende der innere Strahlbereich 47A geblockt, beginnt die Bessel-Strahl- Fokuszone erst an einem Anfangspunkt 49 A in Z-Richtung, da erst ab hier Laserstrahlung konstruktiv interferieren kann. Somit beginnt die Modifikationslinie auch erst am Anfangs punkt 49A.Wird mithilfe einer Blende der äußere Strahlbereich 47B geblockt, endet die Bes sel-Strahl-Fokuszone vorzeitig am Punkt 49B, da ab hier keine Laserstrahlung mehr auf die Strahlachse eintrifft, die konstruktiv interferieren könnte. Somit endet am Punkt 49B auch die erzeugte Modifikationslinie.
Analog zu einer Amplitudenblende können Phasenblenden eingesetzt werden. Ferner können die Amplituden-Blende und/oder die Phasen-Blende in das diffraktive optische Strahlfor mungselement 111 integriert werden; beispielsweise kann ein Bereich einer Phasenmaske ge schwärzt oder mit streuenden Phasenwerten versehen werden oder der Bereich kann in der Einstellung der Phasenwerte des SLM berücksichtigt werden.
Analog können auch inverse Bessel-Strahlen oder modulierte Bessel-Strahl en in Z-Richtung mithilfe von Blenden begrenzt werden. Überdies können im Radius einstellbare Blenden die Lagen von Anfang oder Ende der Modifikationslinien während des Laserbearbeitungsschritts ergänzend oder zusätzlich zu einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl va riieren.
Die Figuren 6Abis 6E verdeutlichen die Möglichkeit eines Riss-unterstützten Volumenabtrags mithilfe einer asymmetrischen Bessel-Strahl-basierten Fokuszone, die eine kreuzförmige An ordnung von langgezogenen Intensitätsbereichen 51 umfasst (nachfolgend auch als Kreuz- Strahl bezeichnet). Fig. 6A zeigt die kreuzförmige Anordnung von langgezogenen Intensitäts bereichen 51 (Intensitätsmaxima in der Intensitätsverteilung) in einem Y-Z-Schnitt 53 durch die Fokuszone. Fig. 6B zeigt die kreuzförmige Anordnung von langgezogenen Intensitätsbe reichen 51 in einem X-Y-Schnitt 55 durch das Intensitätsmaximum der in Fig. 6A gezeigten Intensitätsbereiche 51. Jeder der Intensitätsbereiche 51 kann sich über mehrere 100 gm bei ei ner transversalen Ausdehnung von einigen wenigen Mikrometer erstrecken.
Fig. 6C zeigt eine Aufnahme 57 einer Oberfläche 59 eines Werkstücks aus Glas. Durch die Oberfläche 59 wurden drei hochintensive Doppellaserpulse mit 250 pJ Gesamtenergie und ei nem asymmetrischen Bessel-Strahl-Profil in das Werkstück fokussiert. Fig. 6C zeigt drei be- abstandete kreuzförmige Anordnungen 61 von Modifikationslinien 15B, die im Glas geformt wurden. Eine einzelne Modifikationslinie hat eine Ausdehnung von ca. 1 pm; die kreuzför mige Anordnungen 61 hat eine Ausdehnung von ca. 20 pm in Y-Richtung und von ca. 10 pm in X-Richtung. Durch die Oberfläche 59 besteht Zugang zum modifizierten Material in den Modifikationslinien 15B.
Wie Fig. 6C zeigt, können mit spezifisch ausgelegten Intensitätsverteilungen in langgezoge nen Fokuszonen bei entsprechend gewählten Laserparametem eine Mehrzahl von in X-Rich- tung und in Y-Richtung aufgereihten Modifikationslinien 15B in ein transparentes Werkstück mit einem Laserpul s/einer Laserpulsgruppe eingeschrieben werden. Die linearen Aufreihun gen der Modifikationszonen 15B in einer Fokuszone verstärken dabei die Ausbildung von Ris sen in X-Richtung und in Y-Richtung, sodass sich zwischen den Modifikationslinien definierte Gitter-förmig abgegrenzte nicht-modifizierte Bereiche 63 ausbilden. Fig. 6C zeigt Risse 19C, die die kreuzförmigen Anordnungen 61 verbinden.
Die Figuren 6D und 6E verdeutlichen einen Laserbearbeitungsschritt eines Werkstücks bei Verwendung eines Kreuzstrahls in einer 3D-Ansicht und in einer Aufsicht auf ein abzutragen des Volumen 7B. Wie im Beispiel der Fig. 4E kann das abzutragende Volumen 7B mit einer einzigen Überfahrt des Kreuz-Strahls mit den kreuzförmigen Anordnungen von Modifikati onslinien 15B gefüllt werden.
Bei einem Kreuz-Strahl bilden sich Risse 19C entlang der Abtastrichtung (hier in X-Richtung) aus, d.h. entlang einer Zeile. Zugleich bilden sich auch Risse 19D senkrecht zur Abtastrich tung (hier in Y-Richtung) aus, sodass Modifikationslinien benachbarter Zeilen verbunden sind.
In einigen Ausführungsformen kann im Vergleich zur Fig. 4D der Abstand d zwischen Modi fikationslinien einer Zeile sowie zwischen Modifikationslinien benachbarter Zeilen aufgrund der kontrollierten Rissbildung vergrößert werden. Der Abstand d der Modifikationslinien kann in X-Richtung z.B. auf 20 gm und in Y-Richtung auf 30 gm erhöht werden, wodurch eine Verkürzung des Abtastvorgangs eintritt. Es werden entsprechend weniger abgefahrene Zeilen benötigt, um das Volumen 7B mit Modifikationslinien zu füllen. Die Prozessgeschwindigkeit erhöht sich aufgrund des größeren Modifikationsabstandes. Zusätzlich kann eine Ätzrate auf grund der kontrollierten Rissbildung vergrößert sein.
Da jedoch mit einem Laserpuls (oder einem Burst von Laserpulsen) mehrere Modifikationsli nien zeitgleich eingeschrieben werden, kann bei einem Kreuz-Strahl eine höhere Pulsenergie benötigt werden als bei einem symmetrischen Bessel-Strahl, damit die Intensität innerhalb der Intensitätsbereiche 51 über die Schwellenintensität hinausgeht.
Die Figuren 7Abis 7G zeigen einen Bearbeitungsschritt mit einer abgeflachten Fokuszone, der eine Alternative zur Fokuszone eines Kreuz-Strahls darstellt, aber mithilfe von zwei Ab tastvorgängen durchzuführen ist. Im Unterschied zu einer symmetrischen transversalen Inten sitätsverteilung einer klassischen Bessel-Strahl-Fokuszone (Fig. 4B) kann eine transversale Intensitätsverteilung mit einer Phasenmaske erzeugt werden, die eine Asymmetrie bewirkt. Beispielsweise zeigen die Figuren 7Aund 7B einen X-Z-Schnitt 65 und einen X-Y-Schnitt 67A durch ein elliptisch abgeflachtes transversales Intensitätsmaximum 69. Fig. 7C zeigt ei nen weiteren X-Y-Schnitt 67B durch eine alternative transversale Intensitätsverteilung, bei der zusätzlich Nebenmaxima erzeugt werden.
Mit einer derartig abgeflachten Bessel-Strahl-Fokuszone kann ein abzutragendes Volumen 7C mit Riss-unterstützenden Modifikationslinien 15C gefüllt werden. Die Modifikationslinien 15C sind entsprechend der Fokuszone asymmetrisch ausgebildet und werden derart einge schrieben, dass sie entlang der Abtastrichtung (hier X-Richtung) ausgerichtet sind, wodurch sich Risse 19E primär zwischen den Modifikationslinien 15C ausbilden. Damit sich die Risse 19E in zwei Dimensionen erstrecken (z.B. in X-Richtung und Y- Richtung) werden im Falle der abgeflachten Bessel-Strahl-Fokuszone zwei Überfahrten pro Volumen benötigt.
Zunächst wird, wie in den Figuren 7D und 7E gezeigt, das Volumen 7C in X-Richtung abge fahren. Danach erfolgt ein Abfahren in Y-Richtung (siehe Figuren 7F und 7G). Auf diese Weise wird das Volumen 7C mit Rissen durchsetzt und stark geschwächt, sodass nicht-modi- fizierte Bereiche 71 in einem Nass-Ätz-Schritt entfernt werden können.
Die Größe des Abstands d der Modifikationslinien in X- und Y-Richtung und damit die Scan geschwindigkeit kann zwischen den Abstandsgrößen für die symmetrische Fokuszone (Fig. 4E) und die kreuzförmige Fokuszone (Fig. 7E) liegen. Abstandswerte von 10 pm wurden ge testet. Da das Volumen 7C jedoch mit zwei Überfahrten modifiziert werden muss, ist die Pro zessgeschwindigkeit vergleichbar mit der des Laserbearbeitungsschritts mit einer symmetri schen Bessel-Strahl-Fokuszone.
Die Figuren 8A und 8B zeigen ein Beispiel für ein abzutragendes Volumen in Form eines Grabens, der in Fused Silica eingebracht werden soll. Das in Fig. 8A vor dem Ätzen aufge nommene Werkstück 73 wurde mit einer symmetrischen Bessel-Strahl-Fokuszone bearbeitet. Es wurden 10 Zeilen von Modifikationslinien eingeschrieben. Eine Modifikationslinie wurde mit einem Doppellaserpuls mit 50 pJ Gesamtenergie ca. 100 pm tief eingeschrieben. Der Ab stand zwischen den Modifikationslinien beträgt 4 pm in Scan-Richtung und 4 pm zwischen benachbarten Scan-Linien. Man erkennt ausgerichtete Risse, die entlang der Scan-Richtung erzeugt wurden. Ferner sind zwischen den Scan-Linien Risse zu erkennen, die statistisch in unterschiedliche Richtungen (d.h. nicht kontinuierlich in Y-Richtung) ausgerichtet sind.
Fig. 8B zeigt eine LSM-Aufnahme 75 des 300 pm langen Grabens in einem Restmaterial 10A nach dem Nass-Ätz-Schritt. Das Nass-Ätzen wurde über 20 Minuten in 28 wt.-% KOH-Ätzlö- sung bei 80 °C durchgeführt. Ferner wurde der Ätzvorgang mit Ultraschall-Einstrahlung un terstützt, damit sich auch die von den Rissen und Modifikationslinien abgegrenzten nicht-mo- difizierten Bereiche vom Restmaterial 10A lösen. Das Volumen von ca. 40 pm x 300 pm wurde fast komplett abgetragen. Der Abtrag erfolgte im Wesentlichen ohne Taperwinkel 100 pm tief in das Werkstück hinein.
Allgemein kann für den Nass-Ätz-Schritt als Ätzlösung eine Hydroxidlösung wie Kalium- o- der Natriumhydroxid in einer Konzentration von KOH: z.B. 28 wt.-% oderNaOH: z.B. 15 wt.-% bei einer Temperatur von 80°C verwendet werden. Bei derartigen nass-chemischen Ätzverfahren hängt die absolute Ätzrate unter anderem von der Ätztemperatur und der Kon zentration der ätzenden Flüssigkeit (der Ätzlösung) sowie von den strukturellen Defekten im zu ätzenden Material (d.h. in den Modifikationen) ab. Die aggressive Ätzlösung bricht dabei chemische Bindungen des zu bearbeitenden Materials auf, wobei dies im Wesentlichen nur in den Bereichen der eingebrachten Modifikationslinien erfolgt. Entsprechend löst sich nur dort das bearbeitete (modifizierte) Material in der Ätzlösung.
In einigen Ausführungsformen kann, um die Qualität der Randbereiche des abgetragenen Vo lumens zu optimieren (rissfrei, ohne Ausbrüche), in den Randbereichen ein anderer Parame tersatz für die Laserbearbeitung gewählt werden. So kann z.B. ein Rahmen um einen riss durchsetzten inneren Bereich gelegt wird. Die Parameter können so gewählt werden, dass keine Risse oder nur Risse entlang des Randes entstehen. Beim symmetrischen Bessel-Strahl kann dies z.B. mit einer reduzierten Pulsenergie (beispielsweise 30 pJ statt 50 pj) und Einzel pulsen möglich sein. Im Fall von asymmetrischen Fokuszonen kann nicht bis zum Rand modi fiziert werden oder die Pulsenergie wird z.B. beim Kreuzstrahl soweit reduziert, dass nur die am weitesten innen liegenden Modifikationslinien ausgebildet werden.
Neben den im Zusammenhang mit der Erläuterung des Laserbearbeitungsprozesses beschrie benen einfachen geometrischen Strukturen verdeutlicht Figur 9, dass verschiedenste Geomet rien mit unterschiedlichen Tiefen T aus einem Werkstück großflächig abgetragen werden kön nen. Fig. 9 zeigt schematische Volumen mit verschiedenen Tiefe, z.B. von 1 pm bis zu mehre ren mm tief (typisch 100 pm bis 1 mm) und mit beliebigen Formen, die sich aus modifizierten Linien zusammensetzen lassen, wie Zylinder, Quader, Gräben, ...
Gemeinsam ist den abzutragenden Volumen, dass es sich um Randvolumen des Werkstücks handelt, die einen Abschnitt einer Oberfläche des Werkstücks ausbilden. Dies gewährleistet, dass im Nass-Ätzvorgang die Ätzlösung in die Modifikationslinien eindringen kann. Durch den Abschnitt der Oberfläche kann der gepulste Laserstrahl 13 in das Werkstück eintre- ten. Allgemein kann die Strahlachse des Laserstrahls 13 in einem Winkelbereich von bis zu 10° (beispielsweise bis zu 5°) zum senkrechten Einfall auf das Werkstück treffen, bevorzugt senkrecht auf den Abschnitt der Oberfläche, um Astigmatismus-Effekte bei der Fokusausbil dung zu vermeiden. Entsprechend können sich Seitenwände des abzutragenden Volumens senkrecht zur Oberfläche erstrecken, wobei auch unter einem Winkel zur Normalen der Ober fläche geneigte Seitenflächen möglich sind (in Abhängigkeit des Brechungsindexes beispiels weise bis zu einem Winkel von z.B. 7,5°). Dabei fallen die den Bessel-Strahl ausbildenden Strahlanteile beispielsweise unter einem Winkel von 20° ein. Übliche Konuswinkel, die einer Axicon-artigen Phasenbeiträge liegen im Bereich von z.B. bis zu 30°. In Fall der Fig. 9 defi niert das Ende der Fokuszone, in wieweit die Modifikationslinien in das Werkstück hineinra gen und sich von einer Oberfläche des Werkstücks bis an eine gegenüberliegende Seite des ab zutragenden Volumens erstrecken. Das Ende der Fokuszone definiert also, in welcher Tiefe der Übergang vom modifizierten Bereich in den nicht-modifizierten Bereich des Restmaterials stattfindet.
Alternativ kann der Laserstrahl 13 durch den Abschnitt der Oberfläche aus dem Werkstück austreten. Dann definiert der Anfang der Fokuszone, wo die Modifikationslinie im Werkstück beginnt, was entsprechend wieder die Tiefe des Übergangs vom modifizierten Bereich in den nicht-modifizierten Bereich definiert.
Figur 10A verdeutlicht, wie - zusätzlich zu einem Parallelverschieben des Laserstrahls relativ zum Werkstück entlang eines Abtastwegs - eine Kontur des Übergangs zwischen dem abzu tragenden Volumen und dem Restmaterial des Werkstücks in einer Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls durch entsprechendes Positionieren des Endes (oder des Anfangs) der Modifikationslinien festgelegt werden kann.
Beispielhaft wird in Fig. 10A eine Kante 77 eines Werkstücks 9 abgeschrägt (Chamfer). Dazu wird ein Abtastweg gewählt, der mehrere parallel zur Kante verlaufende Segmente Sf , S2,
S3... umfasst. Die Tiefe der eingeschriebenen Modifikationslinien 15D wird kontinuierlich hin zur Kante 77 erhöht. In Fig. I0A sind Enden E für zwei Modifikationslinien I5D angedeu tet. Entsprechend wird ein abzutragendes Volumen 7D mit einem dreieckigen Querschnitt ein geschrieben. Das Volumen 7D kann in einem Nass-Ätzvorgang entfernt werden. Das bearbeitete Werkstück 11 ist in Figur 10B zusammen mit der Geometrie des abgetragenen Vo lumens 7D gezeigt.
In Fig. 10A ist ferner verdeutlicht, dass die Fokuszone nicht vollständig im Werkstück liegen muss, so dass entsprechend auch nur Anfangs- oder Endabschnitte von Modifikationslinien ausgebildet werden.
Soll eine Rundung der Kante 77 vorgenommen werden (Spline), kann wie in Figur IO C ge zeigt die eingeschriebene Tiefe der Modifikationslinien, d.h. die Positionen der Enden E der Modifikationslinien einem gewünschten Rundungsverlauf 79 im Bereich der Kante 77 folgen.
Figur 10 D verdeutlicht, dass bei der Bearbeitung der Kante 77 des Werkstücks 9 nicht nur auf der Oberseite ein abzutragendes Volumen definiert werden kann, sondern dass auch auf der Unterseite des Werkstücks Modifikationslinien vorgesehen werden können.
Dies wird anhand einer Abrundung einer Seitenfläche 81 des Werkstücks verdeutlicht (C- Shape). Beispielsweise kann in einem ersten Bearbeitungsschritt eine Abrundung der unteren Kante des Werkstücks vorbereitet werden, indem Modifikationslinien eingeschrieben werden, deren Anfänge A im Werkstück entsprechend des Rundungsverlaufs vorgesehen werden. In einem zweiten Bearbeitungsschritt werden anschließend Modifikationslinien eingeschrieben, deren Enden E dem Rundungsverlauf der oberen Kante folgen.
Für die in den Figuren 10A bis 10D gezeigten Laserbearbeitungsschritte ist es notwendig, die Positionen der Anfänge und Enden der Modifikationslinien zu variieren. Dies kann durch ein Verfahren der Laserstrahl-Fokussieroptik entlang der Ausbreitungsrichtung erfolgen. Alterna tiv kann mithilfe von einstellbaren Blenden die Ausdehnung der Fokuszone und damit Anfang und Ende der Modifikationslinien variiert werden, wie in Zusammenhang mit den Figuren 5A und 5B erläutert wurde.
Als ein weiteres Beispiel für eine Oberflächenbearbeitung von transparenten Werkstücken zeigt Figur 11, wie mithilfe eines großflächigen Abtragens eines Volumens 7E mit den hierin offenbarten Verfahren ein Abdünnen eines Glaselements 83 (z.B. ein Glasblock oder eine Glasscheibe) auf eine vorbestimmte Dicke (zum Beispiel ein Glasblock von 2 mm auf 1 mm) vorgenommen werden kann. Dabei können vorbestimmte Bereiche ausgenommen werden, sodass in diesen Bereichen größere Materialdicken vorliegen. Auf diese Weise können unter schiedlichste vorstehende Geometrien auf der Oberfläche des Glaselements 83 ausgebildet werden. Beispielhafte geometrische Formen 85 mit unterschiedlichen Höhen sind in Figur 11 schematisch gezeigt.
Mit Verweis auf die bereits angesprochene räumlich und/oder zeitlich getrennte Durchführ barkeit des Laserbearbeitungsschritts 3 und des Nass-Ätz- Schritts 5 wird hierin ferner ein La serbearbeitungsschritt zur Vorbereitung eines Werkstücks für einen Nass-Ätz- Schritt 5 offen bart.
Wie in Fig. 1 verdeutlicht kann ein Verfahren zum Erzeugen eines Werkstücks für einen Nass- Ätz-Schritt 5 die folgenden Schritte umfassen:
- Einschreiben mehrerer Modifikationslinien 15 mit einem gepulsten Laserstrahl 13 in einem Abtastvorgang eines abzutragenden Volumens 7, wobei der Abtastvorgang derart ausgelegt ist, dass die Modifikationslinien 15 nebeneinander zwei dimensional -versetzt in das Material des abzutragenden Volumens 7 eingeschrieben werden, und
- Einstellen der Parameter des gepulsten Laserstrahls 13 und des Abtastvorgangs derart, dass sich zwischen Modifikationslinien 15 Risse 19 im Material ausbilden, die sich in Richtung der Modifikationslinien 15 im abzutragenden Volumen 7 (bevorzugt von einer Oberfläche 9A des Werkstücks 9 in das abzutragende Volumen 7 hinein) erstrecken und zusammen mit den Mo difikationslinien 15 das abzutragende Volumen 7 in nicht-modifizierte Bereiche 45 unterglie dern.
Entsprechend wird mit dem Laserbearbeitungsschritt 3 des Verfahrens zum Erzeugen eines Werkstücks für einen Nass-Ätz-Schritt 5 das abzutragende Volumen 7, das einen Abschnitt einer Oberfläche 9A des Werkstücks 9 ausbildet, derart laserbearbeitet, dass die Mehrzahl von nicht-modifizierten Bereichen 45 das abzutragende Volumen 7 untergliedern und von den Mo difikationslinien 15 und den Rissen 19 voneinander abgegrenzt werden. Dabei umfasst das Werkstück ein nicht laserbearbeitetes Restmaterial 10, das das abzutragende Volumen 7 bis auf den Abschnitt der Oberfläche 9A umgibt.
Für den Abtastvorgang können Parameter der gepulsten Laserstrahlung hinsichtlich der vorzu nehmenden Wechselwirkung mit dem Material spezifisch auf ein Material eingestellt werden. Darauf abgestimmt können Parameter des Abtastvorgangs eingestellt werden. Die Einstellung der Parameter des gepulsten Laserstrahls und der Parameter des Abtastvorgangs wird so vor genommen, dass aufeinanderfolgend erzeugte Modifikationslinien nicht überlappen. Bei spielsweise werden Parameter des gepulsten Laserstrahls (Repetitionsrate, Laserpulsparameter wie Pulsenergie und Pulsdauer etc., die die Wechselwirkung mit dem Material bestimmen) und Parameter des Abtastwegs (Verlauf des Abtastwegs, Verfahrgeschwindigkeit, Abstand be nachbarter Abschnitte des Abtastwegs etc.) jeweils spezifisch für ein zu bearbeitendes Mate rial eingestellt. Für die Laserbearbeitung vorgenommene Einstellungen können einen oder mehrere der folgenden Werte/Parameter betreffen:
- ein maximales laterales Ausmaß einer Modifikationslinie (z.B. Durchmesser W einer sym metrischen Modifikationslinie, siehe z.B. Fig. 1) im Bereich von 100 nm bis 5 pm, insbeson dere von 300 nm bis 2 pm, z.B. 1 pm. Hierzu können z.B. eine Pulsenergie (Burst-Energie) und eine Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls auf das zu bearbeitende Material abgestimmt eingestellt werden. Werte für die Pulsenergie (Burst-Energie) können im Bereich von 10 pj bis einigen mJ, z.B. im Bereich von 50 pj bis 1 mJ eingestellt werden. Werte für die Puls dauer/Burstdauer des gepulsten Laserstrahls können im Femtosekunden-Bereich bis zu mehre ren Pikosekunden eingestellt werden.
- ein maximales laterales Ausmaß einer Fokuszone mit mehreren Modifikationslinien im Be reich von 200 nm bis 20 pm, insbesondere von 500 nm bis 10 pm, z.B. 5 pm. Hierzu kann die Phasenaufprägung auf den einfallenden Laserstrahl zur Ausbildung eines gewünschten Inten sitätsprofils in der Fokuszone und/oder ein Abbildungsparameter einer Teleskopanordnung in der Fokussieroptik eingestellt werden.
- ein Abstandswert zwischen den Modifikationslinien (Abstand d entlang des Abtastwegs, siehe z.B. Fig. 4E) im Bereich von 1 pm bis 50 pm (z.B. 20 pm). Der Abstandswerst ist übli cherweise ein Mehrfaches des maximalen lateralen Ausmaßes der Modifikationslinie. Hierzu können eine Repetitionsrate des gepulsten Laserstrahls (z.B. im Bereich von 0.1 kHz bis 10 kHz oder mehr) und eine Verfahrgeschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Fokussier optik und Werkstück (z.B. im Bereich von bis zu einigen Metern pro Sekunde, beispielsweise im Bereich von 0,01 mm/s bis zu 5 m/s, insbesondere 1 mm/s bis 2 m/s, z.B. 100 mm/s) aufei nander abgestimmt eingestellt werden. - maximale Eindringtiefe im Bereich von einigen 10 gm bis zu einigen Millimetern, z.B. im Bereich von 100 gm bis 1 mm. Hierzu können (neben der Einstellung von Pulsenergie (Burst- Energie) und Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls) der Anfang oder das Ende der Fokuszone bezüglich des Werkstücks eingestellt werden.
Für den Laserbearbeitungsschritt sind ein laterales Ausmaß durch die Freiheitsgrade der An lage gegeben. Üblicherweise kann ein größeres laterales Ausmaß eines abzutragenden Volu mens im Bereich von beispielsweise 200 mm x 100 mm, insbesondere 160 mm x 80 mm lie gen. Ein kleineres laterales Ausmaß liegt z.B. im Bereich von wenigen gm wie z.B. 250 gm2x 250 gm2. Werte für das abzutragende Volumen ergeben sich in entsprechender Kombination mit der Eindringtiefe der Modifikationslinie.
Ferner kann ein Einfallswinkel des gepulsten Laserstrahls (Strahlachse) auf das Werkstück vom senkrechten Einfall abweichen. Beispielhafte Einfallswinkel ohne „Astigmatismus“ -Kor rektur des einfallenden Strahls liegen z.B. im Bereich von 0° bis 12 ° (bezüglich der Werk stücknormalen), insbesondere im Bereich von 0° bis zu 7° bis 10°. Im Material ergeben sich Propagationswinkel (d.h. eine Ausrichtung der Modifikationslinie bezüglich der Werkstück normalen) von circa 2/3 des Einfallswinkels, d.h. z.B. im Bereich von 0° bis 8°, insbesondere im Bereich von 4° bis 7°. Können Aberrationseffekte vor-kompensiert werden, erweitert sich der Einfallswinkelbereich auf z.B. einen Winkelbereich bis 50°, insbesondere bis z.B. 20° o- der 30°. Im Material ergibt sich ein Propagationswinkel (d.h. eine Ausrichtung der Modifika tionslinie) von circa 2/, d.h. der Winkelbereich im Material kann sich bei Aberrationskorrektu ren auf z.B. 35° insbesondere bis zu ca. 14° oder 20° erweitern.
Es wird angemerkt, dass die Einfallswinkel von der Materialtiefe abhängig sind. Wenn z.B. ein „kleiner“ Chamfer von 100 gm Tiefe abgetrennt werden soll, besteht auch ohne Korrektur die Möglichkeit erweiterter Einfallswinkel, da sich astigmatische Effekte verstärkt am hinte ren Ende der Fokuszone auswirken können.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenba rung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der bean spruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entfernen von Material aus einem abzutragenden Volumen (7) eines Werkstücks (9) umfassend:
- einen Laserbearbeitungsschritt (3), in dem mit einem gepulsten Laserstrahl (13) in einem
Abtastvorgang des abzutragenden Volumens (7) mehrere Modifikationslinien (15) ne beneinander zweidimensional-versetzt in das Material (9) des abzutragenden Volumens (7) eingeschrieben werden, wobei sich aufgrund des Laserbearbeitungsschritts (3) zwischen Modifikationslinien (15) Risse (19) im Material ausbilden, die sich in Richtung der Modifikationslinien (15) im abzutragenden Volumen (7) erstrecken und zusammen mit den Modifikations linien (15) das abzutragende Volumen (7) in nicht-modifizierte Bereiche (45) unter gliedern, wobei
- der Abtastvorgang das abzutragende Volumen (7) mit zweidimensionalen, insbeson dere kreuzförmigen, Anordnungen (61) von Modifikationslinien (15) füllt, wobei je weils eine der Anordnungen (61) mit einem einzelnen Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt wird,
- der Abtastvorgang einen Abtastweg mit insbesondere parallel zueinander verlaufen den Abtastwegsegmenten umfasst und
- sich Risse (19) zwischen direkt nacheinander eingeschriebenen Anordnungen von Modifikationslinien (15) und zwischen Anordnungen (61) von Modifikationslinien (15), die in benachbarten Abtastwegsegmenten eingeschrieben wurden, ausbilden; und
- einen Nass-Ätz-Schritt (5), in dem das abzutragende Volumen (7) in ein Ultraschall-unter- stütztes nass-chemisches Ätzbad (21) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das abzutragende Volumen (7) ein Randvolumen des Werkstücks (9) ist, das einen Abschnitt einer Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) ausbildet, und der gepulste Laserstrahl (13) durch den Abschnitt der Oberfläche (9A) in das Werkstück (9) eintritt oder durch den Abschnitt der Oberfläche (9A) aus dem Werkstück (9) austritt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einschreiben durch ein Parallelverschie ben des Laserstrahls (13) relativ zum Werkstück (9) entlang eines Abtastweges erfolgt, der in einer Ebene definiert ist, die orthogonal zu einer Ausbreitungsrichtung (Z) des gepulsten Laserstrahls (13) verläuft, wobei optional ein Abstand (d) zweier nebeneinander liegender Modifikationslinien (15) mindestens doppelt so groß wie ein maximales transversales Ausmaß (W) einer der nebeneinander liegenden Modifikationslinien (15) ist und/oder der Abtastweg mehrere parallel zueinander verlaufende Segmente (Sl, S2, S3) um fasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zusätzlich zum Parallelverschieben ein Anfang (A) oder ein Ende (E) der Modifikationslinien (15) entsprechend einer Kontur des Über gangs zwischen dem abzutragenden Volumen (7) und einem Restmaterial (10) des Werkstücks (9) in einer Ausbreitungsrichtung (Z) des gepulsten Laserstrahls (13) posi tioniert wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserbearbeitungs schritt (3) ferner umfasst, dass mit dem gepulsten Laserstrahl (13) eine in einer Aus breitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls (13) langgezogene Fokuszone (107) aus gebildet wird, in der durch Modifizieren des Materials die Modifikationslinie (15) er zeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gepulste Laserstrahl (13) eine Abfolge von Einzellaserpulsen oder einer Abfolge von Gruppen von Laser pulsen umfasst und mindestens eine der Modifikationslinien (15) von einem Einzella serpuls oder einer einzelnen Gruppe von Laserpulsen im Material des abzutragenden Volumens (7), insbesondere durch nichtlineare Absorption, erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Modifikationslinien (15) bis zu einer Materialtiefe (T), die durch das abzutragende Volumen (7) gegeben ist, in das Werkstück (9) hineingeschrieben werden, wodurch sich die Risse (19) bis in die Materialtiefe (T), die durch das abzutragende Volumen (7) gegeben ist, in das Werkstück (9) hinein erstrecken, und wobei sich die Modifikationslinien (15) und die Risse (19) in einer Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls (13) erstrecken, und/oder wobei mindestens eine der Modifikationslinien (15) sich von einer Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) bis an eine gegenüberliegende Seite des Volumens (7) erstreckt und/oder wobei sich benachbarte Modifikationslinien (15) nicht überlappen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine langgezogene Fo kuszone (107) mit einem definierten Intensitätsanstieg (35A) und/oder Intensitätsabfall derart zum abzutragenden Volumen (7) ausgerichtet wird, dass ein Anfang (A) oder ein Ende (E) der mit der langgezogenen Fokuszone (107) erzeugten Modifikationslinie (15) auf einer Grenzfläche des Volumens (7) im Werkstück (9) liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei zur Erzeugung der langgezogenen Fokuszone (107) eine Phasenaufprägung zur Ausbildung eines Bessel-Strahls oder eines inversen Bes- sel-Strahls vorgenommen wird, und wobei optional zusätzlich eine Phasenblende ein gesetzt wird, um radial innen liegende und/oder radial außen liegende Intensitätsberei che des Bessel-Strahls zu blocken.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei zur Erzeugung der langgezogenen Fokus zone (107) eine Phasenaufprägung eines Bessel-Strahls oder eines inversen Bessel- Strahls angepasst werden, um eine Fokuszone mit einem asymmetrischen Intensitäts profil zu erzeugen, wobei das asymmetrische Intensitätsprofil einen asymmetrischen, insbesondere elliptisch geformten, Intensitätsbereich (69) entlang der Ausbreitungs richtung aufweist und/oder wobei das asymmetrische Intensitätsprofil mehrere neben einander angeordnete Intensitätsbereiche aufweist, die jeweils eine Modifikationslinie (15) in Ausbreitungsrichtung ausbilden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das asymmetrische Intensitätsprofil derart ausge richtet wird, dass den Rissen (19) eine bevorzugte Ausrichtung zugrunde liegt, die ins besondere zu einer die Modifikationslinien (15) verbindenden Rissbildung führt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Parameter des gepulsten Laserstrahls (13) derart eingestellt sind, dass zusätzlich zu den Modifikationslinien (15) eine Ausbildung der Risse ausgelöst wird, und wobei sich die Risse (19) teilweise zwischen Modifikationslinien (15) erstrecken und/oder wobei die Risse (19) Modifika tionslinien (15) zumindest abschnittweise verbinden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die nicht-modifizierten Bereiche (45) von den Modifikationslinien (15) und den Rissen (19) voneinander ab gegrenzt werden und wobei vor der Durchführung des Nass-Ätz-Schritts (5) die nicht- modifizierten Bereiche (45) am Anfang oder am Ende in Ausbreitungsrichtung mit ei nem nicht-modifizierten Restmaterial (10) des Werkstücks (9) verbunden sind.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Parameter des gepulsten Laserstrahls (13) derart eingestellt sind, dass ein einzelner Laserpuls oder eine einzelne Gruppe von Laserpulsen beim Einstrahlen in das Werkstück (9) eine in einer Ausbrei tungsrichtung des Laserstrahls (13) langgezogene Modifikationslinie (15) bewirkt, wo bei entlang der Modifikationslinie (15) modifiziertes Material vorliegt, das eine bezüg lich der Struktur des Materials veränderte Struktur aufweist, die einem Nass-Ätzen im Nass-Ätz-Schritt (5) zugänglich ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Nass-Ätz-Schritt (5) das modifizierte Material geätzt, und insbesondere aufgelöst, wird, und/oder wobei im Nass-Ätz-Schritt (5) das Werkstück (9) in das nass-chemische Ätzbad (21) eintaucht und nach Freiätzen mindestens eines Abschnitts eines der nicht-modifizierten Bereiche dieses durch Ultraschall abgelöst wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Nass-Ätz-Schritt (5) Ultraschallwellen auf das abzutragende Volumen (7) eigestrahlt werden, um eine Aus breitung der Risse (19) zwischen Modifikationslinien (15) anzuregen, sodass benach barte Modifikationslinien (15) durch Risse (19) verbunden werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abtastvorgang das abzutragende Volumen (7) mit beabstandeten rotationssymmetrischen Modifikationsli nien (15) füllt, zwischen denen sich die Risse (19) zufällig orientiert ausbilden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Abtastvorgang das abzutra gende Volumen (7) mit beabstandeten und in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des gepulsten Laserstrahls (13) abgeflachten Modifikationslinien (15) oder mit beabstandeten Aufreihungen von Modifikationslinien (15) füllt, wobei jeweils eine der Modifikationslinien oder jeweils eine der Aufreihungen von Modifika tionslinien (15) mit einem einzelnen Laserpuls oder einer Gruppe von Laserpulsen er zeugt wird, und wobei sich jeweils ein Riss zwischen direkt nacheinander eingeschrie benen Modifikationslinien (15) oder Aufreihungen von Modifikationslinien (15) aus bildet, und der Abtastvorgang optional einen Abtastweg mit Abtastwegsegmenten um fasst, die unter einem Winkel zwischen 30° und 150°, insbesondere unter einem Win kel von 90°, zueinander verlaufen.
19. System zur Werkstückbearbeitung, bei dem Material aus einem abzutragenden Volu men (7) eines Werkstücks (9) entfernt wird, umfassend:
- eine Laserbearbeitungsanlage (101) für die Bearbeitung eines Materials eines Werkstücks
(9) mit einem gepulsten Laserstrahl (13) durch Modifizieren des Materials in einer langgezogenen Fokuszone (107), die in einer Ausbreitungsrichtung (105) des gepuls ten Laserstrahls (13) langgezogen ausgebildet ist, mit:
- einer Laserstrahlquelle (101 A), die einen gepulsten Laserstrahl (103) ausgibt,
- einem optischen System (111) zur Ausbildung der langgezogenen Fokuszone (107) im Werkstück (9),
- einer Werkstückhalterung (125) zum Lagern des Werkstücks (9), wobei eine relative
Positionierbarkeit des optischen Systems (111) und des Werkstücks (9) vorgesehen ist, und
- einer Steuerungseinheit (131), die dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlquelle (101 A), das optische System (101B) und/oder die Werkstückhalterung (125) für eine Durchführung des Laserbearbeitungsschritts des Verfahrens nach einem der An sprüche 1 bis 18 derart anzusteuem, dass mehrere Modifikationslinien (15) nebeneinander zweidimensional-versetzt in das Material des abzutragenden Volumens (7) eingeschrieben werden können, um mit den Modifikationslinien (15) und sich zwischen den Modifikationslinien (15) aus bildenden Rissen (19) das abzutragende Volumen (7) in nicht-modifizierte Berei che (45) zu untergliedern; und
- ein Ätzsystem (21) mit einem nass-chemischen Ätzbad (21), das dazu eingerichtet ist, das
Werkstück (9) mindestens im Bereich des abzutragenden Volumens (7) für ein Ätzen des Materials entlang der Modifikationslinien (15) aufzunehmen, und mit einer Ultraschall-Quelle (25) zum Ausgeben von Ultraschallwellen (27) in das nass-chemi sche Ätzbad (23) zum Lösen der nicht-modifizierten Bereiche (45) von einem Restma terial (10) des Werkstücks (209).
20. Werkstück aus einem Material, das in einem abzutragenden Volumen (7) für einen Nass-
Ätz- Vorgang (5) laserbearbeitet ist, wobei das abzutragende Volumen (7) einen Abschnitt einer Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) ausbildet, mit: einer Mehrzahl von Modifikationslinien (15), die sich von der Oberfläche (9A) in das Material des abzutragenden Volumens (7) nebeneinander zweidimensional-versetzt hinein er- strecken, einer Mehrzahl von Rissen (19), die sich im abzutragenden Volumen (7) zwischen Modifikati onslinien (15) und in Richtung der Modifikationslinien (15) erstrecken, einer Mehrzahl von nicht-modifizierten Bereichen (45), die das abzutragende Volumen (7) un tergliedern und von den Modifikationslinien (15) und den Rissen (19) voneinander ab- gegrenzt werden, und einem Restmaterial (10), das das abzutragende Volumen (7) bis auf den Abschnitt der Oberflä che (9A) umgibt.
21. Werkstück nach Anspruch 20, wobei sich die Modifikationslinien (15) im abzutra- genden Volumen (7) orthogonal zu einem planen Bereich des Abschnitts der Oberfläche (9A) des Werkstücks (9) und parallel zueinander erstrecken.
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