WO2022053273A1 - Verfahren zum trennen eines werkstücks - Google Patents

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WO2022053273A1
WO2022053273A1 PCT/EP2021/072949 EP2021072949W WO2022053273A1 WO 2022053273 A1 WO2022053273 A1 WO 2022053273A1 EP 2021072949 W EP2021072949 W EP 2021072949W WO 2022053273 A1 WO2022053273 A1 WO 2022053273A1
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laser beams
partial laser
partial
workpiece
dividing line
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PCT/EP2021/072949
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Jonas Kleiner
Daniel FLAMM
Henning Rave
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting

Definitions

  • the present invention relates to a method for separating a workpiece along a separating line by means of laser pulses of a laser beam.
  • the large number of partial laser beams introduced at the same time means that the material can be removed more effectively.
  • the precise positioning and alignment of the scanner and translation table systems is particularly relevant here. If, for example, the arrangement of partial laser beams is to be shifted over the entire width or diameter of a silicon wafer, for example to cut chip structures a few millimeters out of the wafer, then even a small angular deviation in the alignment can result in the arrangement of the Partial laser beams already travel through the actual chip structure after a certain movement distance and thus destroy the product that is actually to be separated out instead of being cut out.
  • a method for separating a workpiece along a separating line by means of laser pulses of a laser beam preferably by means of ultra-short pulses of an ultra-short pulse laser, is proposed, the laser beam being split into a plurality of partial laser beams using beam splitter optics and each of the partial laser beams thus being focused on the surface and/or with focusing optics is focused into the volume of the workpiece, that the partial laser beams are arranged next to one another and at a distance from one another along the dividing line, material being removed in the workpiece by introducing the laser pulses into the workpiece along the dividing line.
  • the partial laser beams are repeatedly moved away from their starting position along the dividing line by a deflection amount and then returned to the starting position along the dividing line, the deflection amount being less than or equal to the distance between two adjacent partial laser beams.
  • the laser makes the laser pulses available, with the laser pulses moving along a beam axis defined by the optics of the laser, as a result of which the laser beam of the laser is made available accordingly along this beam axis.
  • the laser is preferably a short-pulse laser that provides pulses in the nanosecond range, or an ultra-short-pulse laser that provides laser pulses in the picosecond range or femtosecond range.
  • Ultrashort pulse lasers emit laser pulses with a particularly high energy density on a small time scale, resulting in particularly sharp edges along the dividing line.
  • the pulse length of an ultra-short laser pulse can be less than 100 ps, for example in particular less than 10 ps, particularly preferably less than 1.5 ps. However, the pulse length can also be longer than 300 fs, for example. Typically, the pulse length is 1 ps.
  • the peak fluence, ie the intensity of either the incident laser beam or a partial laser beam can be between 0.3 J/cm 2 and 30 J/cm 2 , typically it is between 1 J/cm 2 and 5 J/cm 2 .
  • the focal diameter of the incident laser beam or a partial laser beam can be between 50 ⁇ m and 5 ⁇ m, the focal diameter being particularly preferably 9 ⁇ m.
  • the laser beam of the laser is guided through a beam splitter optics in order to split the incident laser beam into several partial laser beams.
  • a beam splitter optic can be formed, for example, by a beam splitter cube, which splits the incident laser beam, for example, into two partial laser beams of equal intensity.
  • beam splitter optics can also include an optical element which splits the beam into a plurality of partial laser beams and deflects the partial laser beams in such a way that all partial laser beams run parallel and at a specific distance from one another.
  • a beam splitter optic can also comprise a plurality of optical elements, with one element splitting the incident laser beam or beams into a plurality of partial laser beams and another element deflecting the partial laser beams in parallel directions.
  • a beam splitter optic can ensure, for example, that an incident laser beam is split into five or ten or more partial laser beams.
  • a beam splitter optic also makes it possible to efficiently split the high pulse energies of a pulsed laser into different partial laser beams, so that the efficiency of the machining process can be increased by the simultaneous machining with several partial laser beams that is then possible.
  • the workpiece can preferably be a glass or a semiconductor.
  • the workpiece can comprise one or more of the materials Si, SiC, Ge, GaAs, InP, glass and/or sapphire.
  • the workpiece can also be constructed in the form of a layer system, with each layer of the layer system being able to comprise one or more of the aforementioned materials.
  • the method can therefore preferably be used in wafer processing.
  • the method can be used to separate silicon, for example to separate a chip from a silicon wafer.
  • the parting line is understood to mean the line along which the workpiece is to be separated.
  • a dividing line can be provided in the form of a straight line, for example. However, a dividing line can also be a curved line. A dividing line can in particular also be part of a more complex dividing line or dividing geometry.
  • the dividing line can, for example, only be a side line of the rectangle, but it can also be predetermined by the entire contour to be cut out.
  • the partial laser beams are arranged next to one another and at a distance from one another along the dividing line.
  • the distance between adjacent partial laser beams is the distance along the dividing line between the geometric centers of the partial laser beams. However, the distance can also be determined along the dividing line between the intensity maxima of adjacent partial laser beams.
  • the start and end points of the distance measurement can also be those points at which the laser beam or the beam axis intersects the surface of the workpiece.
  • the distance between adjacent partial laser beams can be the same for all adjacent partial laser beams.
  • each partial laser beam can be 5 pm or 10 pm or 100 pm away from its neighbor.
  • the distances between adjacent partial laser beams are of different sizes.
  • a partial laser beam can have a distance of 5 pm or more from a neighbor, but only 3 pm or 10 pm or less from the other neighbor.
  • each partial laser beam has only two direct neighbors since the partial laser beams are arranged along the dividing line.
  • the number of partial laser beams and their distances can be selected such that partial laser beams are arranged at a distance from one another along the entire desired dividing line. In other words, the entire area to be separated, which is defined by the separating line, is covered with partial laser beams.
  • the dividing line is longer than the area covered by the partial laser beams, so that the bundle of partial laser beams has to be moved along the dividing line in order to gradually cover the entire dividing line with the partial laser beams and thus carry out cutting.
  • Each partial laser beam is focused with focusing optics.
  • the focusing optics can include, for example, lenses or other diffractive elements that deflect the partial laser beam in a converging manner into a focal zone. In particular, this means that the intensity of the partial laser beam is brought together in the focal zone to a minimum spatial area.
  • the focusing optics can be provided individually for each partial laser beam, for example. However, all partial laser beams are preferably focused with a focusing optics.
  • the focusing optics deflect partial laser beams, which fall on the focusing optics at different angles of incidence or which do not have parallel beam axes, onto parallel beam axes. In particular, this means that after passing through the focusing optics, all partial laser beams are oriented parallel to one another.
  • the focusing optics can be adapted to the beam splitter optics, so that the partial laser beams emerging from the beam splitter optics strike the focusing optics at different angles and are then oriented parallel to one another again by the focusing optics. This can be achieved, for example, when the beam splitter optics are at the focal point of the focusing optics.
  • the focusing optics and the beam splitter optics can also be in conjugate planes with respect to one another.
  • the partial laser beams can be focused onto the surface and/or into the volume of the workpiece. This means that the focal zone lies, for example, exactly on the surface of the material or lies below the surface of the material in the direction of the beam. All partial laser beams are preferably focused in the same plane.
  • a partial laser beam can also be focused precisely onto the surface, for example, while another partial laser beam is focused into the volume of the material.
  • the beam splitter optics can also be designed so that a three-dimensional focus distribution is created, with the intensity maxima of the partial laser beams, ie in particular at least one individual partial laser beam, lying both on the surface and in the volume of the workpiece.
  • the partial laser beams are focused by focusing optics so that each partial laser beam converges in a focal zone. This means that in the focal zone the intensity of the laser beam is greatest.
  • the focus zone can be provided, for example, by a Gaussian laser beam or by a virtually non-diffracting laser beam.
  • Non-diffracting rays obey the Helmholtz equation:
  • V 2 U(x,y,z') + k 2 U(x,y,z) 0 and show a clear separability into a transverse and a longitudinal dependence of the shape
  • U(x,y,z) U t (x,y) exp ik z z) on.
  • k 2 kz 2 +kt 2
  • Ut(x,y) is an arbitrary complex-valued function that only depends on the transversal coordinates x,y.
  • the z-dependence in the direction of beam propagation in U(x,y,z) leads to a pure phase modulation, so that the associated intensity I of the solution is propagation-invariant or non-diffractive:
  • I(x,y,z) ⁇ U(x,y,z)
  • 2 I(x,y)
  • This approach provides different solution classes in different coordinate systems, such as Mathieu rays in elliptic-cylindrical coordinates or Bessel rays in circular-cylindrical coordinates.
  • the beam diameter is determined using the so-called 2nd moments.
  • the power of the laser beam or also the moment of the 0th order is defined as:
  • the spatial moments of the 1st order indicate the centroid of the intensity distribution and are defined as:
  • the main axes are the directions of the minimum and maximum extent of the transverse beam profile, which always run orthogonally to one another.
  • the beam diameter d of the laser beam is then calculated as follows:
  • the transverse dimensions of local intensity maxima as the transverse focus diameter for quasi-non-diffracting rays d ND o as twice the shortest distance between an intensity maximum and an intensity drop to 25% emanating from it.
  • the longitudinal extent of the focal zone in the direction of beam propagation of these intensity maxima, which are almost propagation-invariant, indicates the characteristic length L of the quasi-non-diffracting beam. This is defined by the intensity drop to 50%, starting from the local intensity maximum in the positive and negative z-direction, i.e. in the direction of propagation.
  • the shape of the focal zones therefore varies depending on the beam profile used.
  • the partial laser beams are moved away from their starting position along the dividing line by a deflection amount.
  • the starting position is the position which the partial laser beams originally assume on the surface of the material.
  • the starting position is the position that the partial laser beams occupy before a deflection movement or movement away has taken place.
  • the amount of deflection is the maximum distance of the moved partial laser beam from its starting position. The amount of deflection is measured analogous to the distance between the different partial laser beams along the dividing line.
  • the amount of deflection is less than or equal to the distance between two adjacent partial laser beams.
  • this can mean that a first partial laser beam is moved by the movement to the starting position of the directly adjacent second partial laser beam.
  • the second partial laser beam can be moved to the starting position of an adjacent third partial laser beam, etc. This ensures that laser pulses are introduced into the material along the entire dividing line, with the movement from the starting position by a deflection amount initially achieving that also the gaps between the respective partial laser beams in the starting position are subjected to laser pulses.
  • the partial laser beams are moved back to the starting position along the separating line.
  • the return movement can, for example, take place at the same absolute speed as the previous movement. However, it is also possible that the return movement has a different speed profile.
  • the first partial laser beam can also be moved, for example, only up to half the distance from the adjacent partial laser beams. But it can also be that the Partial laser beams move two thirds of the distance in the direction of the dividing line and then, after returning to the starting position, move one third of the distance towards the dividing line. In particular, movement along both directions of the dividing line is possible.
  • the laser While the partial laser beams are being moved, the laser emits laser pulses.
  • the movement makes it possible to introduce the laser pulses along the dividing line.
  • the introduction of the laser pulses can mean that the laser pulses are completely or partially absorbed by the material. For example, this can lead to the material being heated considerably by the laser pulses. This can lead to the heated material becoming detached from the overall composite of the material.
  • the method can be used to process individual components on the workpiece, for example on a silicon wafer, without having to process the entire wafer at once. This increases the overall flexibility with regard to different component geometries on the material.
  • the movement per partial laser beam i.e. the amount of deflection
  • an arrangement of partial laser beams i.e. the totality of partial laser beams generated by the beam splitter optics, over the complete material must be managed. This means that there is no need for complex axis or scanner positioning and alignment.
  • the starting position is shifted away from the starting position by a deflection amount and back into the starting position by a displacement amount along the separating line, and the movement of the partial laser beams is carried out again.
  • This configuration is preferably selected when the bundle of partial laser beams cannot cover the entire dividing line and the dividing along the dividing line has to be carried out gradually.
  • the amount of displacement preferably corresponds to the extent of the bundle of partial laser beams in the direction of the dividing line.
  • the simultaneous processing width predetermined by the bundle of the partial laser beams subjected to the moving away and back is used as the displacement amount, so that the simultaneous processing widths are successively set next to one another.
  • the workpiece is processed or separated along the separating line initially in a first processing width and after completion of the separating of this section of the separating line that corresponds to the processing width, the bundle of partial laser beams is shifted by the displacement amount, so that here again separating in the processing width can take place.
  • each structure to be cut out of the workpiece can be cut out without displacement with a processing width of the bundle of partial laser beams.
  • the number of partial laser beams and their distances from one another are preferably adjusted in such a way that simultaneous processing of the entire length that is essential for the respective structure can be achieved. In other words, an attempt is preferably made to cut, for example, one side of a chip at the same time.
  • the movement of the partial laser beams away from the starting position by a deflection amount and back into the starting position is preferably carried out periodically.
  • the periodic movement means that the partial laser beams are deflected from their starting position and return to the starting position at a fixed time interval.
  • this can mean that the deflection takes place along the dividing line and the partial laser beams return to the starting position once the deflection amount has been reached, and then a deflection takes place in the opposite direction along the dividing line and the partial laser beams return to the starting position again after the deflection amount has been reached.
  • the periodic movement takes place between the starting position of a partial laser beam and the starting position of an adjacent partial laser beam.
  • the partial laser beams start from the starting position, perform a wobbling movement, preferably a periodic wobbling movement, along the dividing line.
  • the maximum deflection of the partial laser beams due to the movement can be of the order of magnitude of the distance between the partial laser beams, preferably equal to the distance between the partial laser beams.
  • this can also mean that adjacent partial laser beams travel beyond the starting position of the adjacent partial laser beam.
  • All partial laser beams are preferably focused in the same focal plane.
  • all partial laser beams can be focused precisely onto the surface.
  • all partial laser beams are introduced 10 pm below the surface.
  • all partial laser beams lie in one plane, regardless of the surface topology of the material.
  • the characteristic length can be, for example, the length within which the intensity of the laser beam or the central maximum of the laser beam halves. In particular, this can be the Rayleigh length of a Gaussian beam. This has the advantage that the cutting process and the removal depth can be easily controlled and a uniform cutting edge is created.
  • All partial laser beams preferably carry out the same movement at the same time.
  • the movement of the partial laser beams preferably follows the cutting line.
  • the movement of the partial laser beams is preferably a linear deflection following the straight shape of the dividing line
  • the deflection of the partial laser beams is preferably a deflection following the curved shape of the dividing line.
  • the partial laser beams are preferably always on the dividing line, even while their wobbling movement is being carried out.
  • the dividing line is not curved in particular, ie has no geometric curvature.
  • the partial laser beams can only be moved along the dividing line, which is why a linear deflection takes place when the partial laser beams are guided over a straight dividing line. In particular, this means that the deflection also takes place along a straight line and is therefore a linear deflection.
  • the movement of the partial laser beams is preferably correlated with the repetition rate of the laser providing the laser beam in order to ensure uniform material removal.
  • the repetition rate or pulse rate of the laser can be selected in such a way that the dividing line is swept over without gaps.
  • this can mean that with a movement speed of 5 pm/ps and a focus diameter of 10 pm, the repetition rate must be 1 MHz.
  • the repetition rate is selected much faster, so that the focal zones of successively introduced laser pulses of the same partial laser beam overlap, i.e. the distance between successively introduced laser pulses is smaller than the focus diameter or the diameter of the focal zone.
  • the repetition rate or the pulse rate can be adapted to the speed of the movement.
  • the speed of the movement is particularly small
  • a few laser pulses can be introduced, while a particularly large number of laser pulses have to be introduced at the zero crossings of the movement, where the movement speed is high .
  • the pulse rate can thus be proportional to the movement speed.
  • the input laser beam and/or the partial laser beams can be broken down into two mutually orthogonal polarization components as they pass through a birefringent polarizer element.
  • Birefringence is the ability of an optical material to separate the incident laser beam into two partial laser beams that are polarized perpendicularly to one another. This occurs due to different refractive indices of the optical material depending on the polarization and the angle of incidence of the light relative to the optical axis of the optical material.
  • partial laser beams polarized perpendicularly to one another are understood to mean linearly polarized partial laser beams whose directions of polarization are aligned at an angle of 90° to one another.
  • partial laser beams polarized perpendicularly to one another are also understood to mean circularly polarized partial laser beams with opposite directions of rotation, i.e. two partial laser beams circularly polarized to the left and right.
  • the conversion of linearly polarized partial laser beams with polarization directions aligned perpendicularly to one another into circularly polarized partial laser beams with the opposite sense of rotation can be carried out, for example, with the aid of a suitably oriented retardation plate ( ⁇ /4 plate).
  • the outgoing laser beams broken down into polarization components by the birefringent polarization element can have an angular offset and/or a spatial offset in relation to one another.
  • the partial laser beams can have an angular offset after passing through the birefringent polarization element. This means that the partial laser beam with a first polarization does not run parallel to the partial laser beam with a second polarization behind the birefringent polarization element.
  • the birefringent polarizer element can have a beam exit surface which is inclined at an angle to the beam entry surface.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned parallel to the beam entry surface.
  • the two partial laser beams exit the beam exit surface at the same location and with a defined angular offset from the birefringent crystal.
  • the partial laser beams can have a spatial offset after passing through the birefringent polarization element. This means that the partial laser beam with the first polarization runs parallel to the partial laser beam with the second polarization behind the birefringent polarization element. However, both partial laser beams are shifted parallel to each other, so that there is a finite distance between the two partial laser beams.
  • the birefringent polarizer element can have, for example, parallel, generally planar beam entry and exit surfaces.
  • the optical axis of the birefringent crystal is typically aligned at an angle to the beam entry surface. If the input laser beam hits the beam entry surface perpendicularly, a pure spatial displacement is generated at the beam exit surface.
  • the distances between the individual partial laser beams with different polarization can be defined via the polarization element, for example during production or by orienting the optical axis of the crystal to the incident laser beam.
  • the partial laser beams arranged next to one another and spaced apart from one another along the dividing line can have an alternating polarization.
  • the polarization is alternating if neighboring partial laser beams have a mutually orthogonal polarization.
  • the polarization is alternating if a first partial laser beam is circularly polarized to the right, a second partial laser beam is circularly polarized to the left, a third partial laser beam is circularly polarized to the right, etc.
  • the polarization is alternating if a first partial laser beam is polarized along the dividing line, a second partial laser beam is polarized orthogonally to the dividing line, a third partial laser beam is polarized along the dividing line, etc.
  • a laser beam which is generated, for example, by a single-mode laser and has a Gaussian beam profile, is divided into two or more partial laser beams and the partial laser beams are at least partially superimposed, this can lead to undesirable interference effects if the partial laser beams have the same or have a similar polarization. Therefore, when focusing the partial laser beams, the focal zones or focal cross-sections cannot be arbitrarily close to one another, so that the partial laser beams are generally focused at focal zones on the workpiece that are spaced apart from one another.
  • the (partial) superimposition does not lead to interference effects of the laser radiation from different spatial or angular ranges, provided the polarization state of the respective partial laser beams is uniform over the entire relevant beam cross section or the respective focal zone is.
  • the polarization of a respective partial laser beam should therefore vary as little as possible over the beam cross section or over the focus zone, depending on the location.
  • the focal zones can be arbitrarily close to one another, partially or completely overlap and even form homogeneous focal zones, both transversally, ie perpendicular to the direction of propagation of the partial laser beams, and longitudinally, ie in the direction of propagation of the partial laser beams.
  • the beam splitter optics preferably comprise diffractive beam splitter optics and/or a diffractive optical element and/or a system of microlens arrays.
  • the beam splitter optics can be designed, for example, in the form of a diffractive optical element. However, another type of beam splitter optics can also be involved, for example geometric beam splitter optics.
  • the beam splitter optics can be arranged in front of the polarizer element in the beam path of the laser beam entering the processing optics and can generate a plurality of input laser beams which are split at the polarizer element into a pair of partial laser beams polarized perpendicularly to one another.
  • the reverse case is also possible, i.e. the beam splitter optics can be arranged in the beam path after the birefringent polarizer element.
  • a plurality of pairs of partial laser beams is generated from the pair of partial laser beams generated by the polarizer element by means of the beam splitter optics, the focal zones of which can partially overlap along a preferred direction, in particular as described above.
  • a beam splitter optic can be a diffractive optical element or a micro lens array optic for transverse beam splitting.
  • the beam splitter optics can also include a microlens array, preferably a system of microlens arrays.
  • Microlens arrays include assemblies of multiple microlenses.
  • Microlenses are small lenses, in particular lenses with a typical distance from lens center to lens center (“pitch”) of 0.1 to 10 mm, preferably 1 mm, with each individual lens of the arrangement having the effect of a normal, macroscopic lens.
  • Microlens arrays can act as a beam splitter in their entirety.
  • the number of partial laser beams is determined by the design of the diffractive optical element or the beam splitter optics in combination with the polarization element.
  • the distances between the individual partial laser beams are also determined by the design of the diffractive optical element.
  • the movement of the partial laser beams is preferably generated by a movement of at least part of the processing optics, with the movement particularly preferably being generated by microlens arrays of a system of microlens arrays and/or being generated by repositioning optics.
  • the processing optics can have an additional lens optics, which images the partial laser beams, which are made available by the beam splitter optics, in an optical plane. From there, the partial laser beams are imaged into the workpiece with the focusing optics.
  • the lens optics comprise first a first lens and finally a second lens, with said optical plane being arranged between the second lens and the focusing optics.
  • Repositioning optics can be arranged in said optical plane, with the repositioning optics repeatedly moving the partial laser beams along the dividing line away from their starting position by a deflection amount and then moving them back along the dividing line to the starting position.
  • the repositioning optics can be, for example, a scanner mirror, for example a piezo mirror or a galvano scanner.
  • the repositioning optics may also comprise an acousto-optic deflector, or be a polygon wheel, or two continuously rotated wedge plates whose frequency of rotation corresponds to the frequency of repositioning.
  • part of the processing optics to be moved in order to move the partial laser beams, in particular the lens optics being moved, in particular the second lens being moved.
  • the lens is moved in the plane perpendicular to the beam propagation direction, so that the partial laser beams are deflected in the plane perpendicular to the beam propagation direction on or in the workpiece.
  • parts of the microlens array optics can also be moved in order to move the partial laser beams. It can be sufficient if individual microlens arrays are moved in the system made of microlens arrays.
  • the movement amplitude of the part of the processing optics, in particular the moved microlens array or the repositioning optics thus defines the amount of deflection along the dividing line. If the part of the processing optics or the repositioning optics is not deflected, the starting position of the partial laser beams on the material is determined by the imaging of the partial laser beams on the material.
  • Figure 1A is a schematic representation of a known method for separating a
  • FIG. 1B shows a schematic representation of a method for separating a workpiece according to the present disclosure
  • FIG. 2A, B, C schematic representations to explain the determination of the distance between the partial laser beams
  • Figure 3A B schematic representations of the time dependence when introducing the
  • Figure 4 is a schematic representation of the polarizing beam splitter optics
  • FIG. 5A, B, C schematic representations of different possibilities for generating partial laser beams with orthogonal polarization, as well as optical arrangement of beam splitting and wobbling elements and associated optics for imaging onto the workpiece;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the method with partial laser beams with orthogonal polarization
  • FIG. 7 shows a further representation of the method with partial laser beams with orthogonal polarization.
  • FIG. 1A A known method for separating a workpiece 1 is shown schematically in FIG. 1A.
  • the workpiece 1 is thereby separated with the aid of partial laser beams 26, which are generated from one or more incident laser beams using beam splitter optics (not shown here).
  • the various partial laser beams 26 are introduced into the workpiece 1 along the desired parting line 10 .
  • the workpieces can be transparent, or partially transparent, or partially opaque, or fully opaque for the laser wavelength used.
  • the laser pulses which form the introduced partial laser beams 26 and which are at least partially absorbed in the workpiece 1, lead to heating of the material of the workpiece 1 at least in the respective focus zones 24 of the partial laser beams 26, so that the heated material is expelled in these areas, for example by sublimation or expulsion of molten material, alternatively by photomechanical removal or spallation. As a result, material is removed, which ultimately leads to the workpiece 1 being separated.
  • the partial laser beams 26 are displaced along the dividing line 10 relative to the workpiece 1 to be separated, for example using a scanner system or an axis system, in order to achieve a total displacement 3.
  • the partial laser beams 26 are shifted in such a way that each partial laser beam 26 sweeps over the entire dividing line 10 .
  • a partial laser beam 26 only reaches the end of the parting line 10 when another partial laser beam 26 has already traveled beyond the workpiece 1 .
  • the partial laser beams 26 not only sweep over the intended area of the dividing line 10, but at least a number of the partial laser beams 26 - usually all but one - are shifted further than the actual dividing line 10 requires in order to ensure that all partial laser beams 26 to reach along the dividing line 10.
  • Driving over the end of the parting line 10 that is actually desired can result in undesirable effects, such as damage to the workpiece holder.
  • the various partial laser beams 26 are generated when a laser beam passes through a beam splitter optical system (shown schematically later, for example in FIG. 5A). Each of the partial laser beams 26 is focused onto the surface and/or into the volume of the workpiece 1 using focusing optics (also shown later, for example in FIG. 5A). Alternatively, several or all of the partial laser beams 26 can also be focused onto the surface or into the volume of the workpiece 1 using a single focusing optic.
  • the partial laser beams 26 are arranged next to one another and spaced apart from one another along the dividing line 10 .
  • the partial laser beams 26 are spaced so far apart that there are no interference effects between the different partial laser beams.
  • the focal zones 24 of the adjacent partial laser beams 26 do not overlap.
  • the partial laser beams 26 are now introduced into the workpiece 1 in their starting position and are then deflected along the dividing line 10 .
  • the magnitude of the deflection 30 is less than or equal to the distance between two adjacent partial laser beams 26.
  • the partial laser beams are then moved back to the starting position along the dividing line 10. In other words, starting from the starting position, the partial laser beams 26 are moved back and forth in such a way that the respective partial laser beam 26 overlaps at most the starting position of the respectively directly adjacent partial laser beam 26 .
  • this back and forth movement can be periodic.
  • Such a back and forth movement of the partial laser beams can also be referred to as a wobbling movement.
  • the laser pulses forming the respective partial laser beam 26 are introduced into the workpiece 1 in such a way that they achieve an energy input along the parting line 10 . This ensures that the material is removed evenly.
  • FIG. 2A shows a sketch to clarify the determination of the distance between the partial laser beams 26 and one another. It is assumed here that the surface 12 of the workpiece 1 has a curvature or is uneven. However, the distance determination is analogous for flat surfaces 12 to perform. In general, however, the wafers have hardly any curvatures when the method is used in wafer processing.
  • a beam splitter optic divides the laser beam 2 into a first partial laser beam 260 and a second partial laser beam 262.
  • the first partial laser beam 260 runs essentially parallel to the second partial laser beam 262, with the focal zone 22 of the first partial laser beam 260 being in the volume of the workpiece 1 and the Focus zone 24 of the second partial laser beam 262 is on the surface 12 of the workpiece 1.
  • Only the direct distance L of the partial laser beams 260, 262 is relevant for determining the distance between the two partial laser beams, the distance L between the beam axes of the first and second partial laser beams being measured.
  • FIG. 2B shows the situation of FIG. 2A in plan view.
  • the two partial laser beams 260 and 262 are spaced apart and introduced into the workpiece 1 next to one another along the dividing line 10 .
  • the curvature of the surface 12 of the workpiece 1 cannot be seen from a bird's eye view, so that the direct geometric connection of the two beam axes of the partial laser beams 260 and 262 is suitable for determining the distance L between the two partial laser beams 260 , 262 .
  • FIG. 2C shows a further side view of the method, in particular it is shown that a multiplicity of partial laser beams 26 can be introduced into the workpiece 1.
  • the partial laser beams 26 are all focused in the same focal plane. This means that all focal zones are in one plane.
  • the focal plane is given here by the surface 12 of the workpiece 1 .
  • FIG. 2D Various three-dimensional focus distributions of the beam splitter optics are shown in FIG. 2D, with the intensity maxima of the partial laser beams lying both on the surface and in the volume of the workpiece.
  • FIG. 3A shows a schematic representation of the time course of a possible movement and deflection of the partial laser beams 260, 262, 264 during the back and forth movement.
  • partial laser beams 260, 262, 264 are generated, for example, by beam splitter optics and are focused into the workpiece 1 or onto the surface 12 of the workpiece 1 using focusing optics.
  • the partial laser beams are uniform to one another objected to, ie the distance L between two adjacent partial laser beams 26 is always, ie at all times, the same size.
  • the first partial laser beam 260 is focused into the workpiece 1 such that the laser pulses, for example of an ultra-short pulse laser, cause material removal in the workpiece 1 in the focal zone 24 of the first partial laser beam 260 .
  • This can be done, for example, by a mechanism known as laser ablation or laser drilling or laser cutting. A certain amount of material is removed by each pulse or each pulse train of the pulsed laser.
  • the first partial laser beam 260 is initially deflected from its starting position X01 along the dividing line 10, specifically by the deflection amount 300. While the partial laser beam 260 is deflected, the pulsed laser continuously emits pulses, for example. As a result, three laser pulses, for example, are introduced into the workpiece 1 on the distance between the starting position X01 and the point at which the amount of deflection 300 is reached. The first partial laser beam 260 is then moved back to its starting position X01, so that a total of five laser pulses were introduced into the workpiece 1 when the starting position X01 was reached.
  • the partial laser beam 262 is then moved in the opposite direction along the dividing line 10 until a deflection amount 302 is reached.
  • the amount of deflection 302 is different from the amount of deflection 300 in the figure, so that the movement is particularly asymmetrical. However, the deflection always takes place along the dividing line 10 .
  • a total of nine laser pulses were then introduced into the workpiece 1 up to the reversal point at which the amount of deflection 302 is reached.
  • the partial laser beam 260 is then brought back to the starting position X01 along the dividing line 10, with another four laser pulses being introduced into the workpiece 1.
  • these movements can also be approached with a speed profile - for example, sawtooth-shaped curves, or sine-shaped curves, or cosine-shaped curves, or triangular curves can be used.
  • the pulse rate of the pulsed laser can be adjusted here so that the pulses from each partial laser beam 26 on the dividing line 10 are introduced evenly into the workpiece 1, as a result of which material is removed evenly.
  • the movement speed can also be adapted to the amount of deflection, so that the same number of laser pulses are always introduced into the workpiece 1 for each amount of deflection.
  • the partial laser beam 260 is introduced into the workpiece 1 together with the second partial laser beam 262 and in the third partial laser beam 264 .
  • all partial laser beams are in their starting positions X01, X02 and X03.
  • all partial laser beams are shifted by the deflection amount 300 along the dividing line 10, then returned to the starting position, then along the dividing line 10 in the opposite direction by the deflection amount 302, and finally returned to the starting positions.
  • the distance L between the partial laser beams is always the same here, so that the movement of the partial laser beams along the dividing line 10 is also the same.
  • the amounts of deflection 300, 302 along the dividing line 10 can be chosen in such a way that their total corresponds exactly to the distance between the partial laser beams. This ensures that adjacent partial laser beams sweep over the same point on the dividing line 10 .
  • the second partial laser beam 262 at its maximum deflection by the deflection amount 302 along the dividing line 10 sweeps over the same point on the dividing line 10 that the first partial laser beam 260 reaches at its maximum deflection amount 300 along the dividing line 10 .
  • FIG. 3B shows the introduced laser pulses of the various partial laser beams 260, 262, 264 from a bird's-eye view of the workpiece 1. It can be clearly seen that along the dividing line 10 no point was not swept over by the partial laser beams, so that a uniform removal of material is ensured.
  • Adjacent partial laser beams 260, 262, 264 cannot be introduced into the workpiece 1 at an arbitrarily small distance from one another, provided the adjacent partial laser beams have the same polarization. This is due to interference effects that occur, through which the neighboring partial laser beams could partially cancel each other out locally (destructive interference) or reinforce them (constructive interference). If, on the other hand, adjacent partial laser beams have different, in particular orthogonal, polarizations relative to one another, then the partial laser beams cannot interfere with one another. For this reason, the laser beam 2 can be split into different polarization components and the partial laser beams can in turn be formed from these polarization components and then introduced into the workpiece 1 .
  • FIGS. 4A, B show schematic birefringent polarizer elements 4, with which it is possible to split a laser beam 2 into different polarization components.
  • the birefringent polarizer elements 4 can be provided, for example, in the form of a birefringent crystal.
  • Different birefringent materials can be used as the crystal material for the polarizer element 4, e.g. alpha-BBO (alpha-barium borate), YVO4 (yttrium vanadate), crystalline quartz, etc.
  • the birefringent polarizer element 4 in Figure 4A is wedge-shaped, i.e. a plane beam entry surface 40 for entry of an entering laser beam 2 and a plane beam exit surface 42 of the polarizer element 4 are aligned at a (wedge) angle to one another.
  • the or an optical axis 44 of the crystal material is aligned parallel to the beam entry surface 40 .
  • the unpolarized or circularly polarized laser beam 2 entering the birefringent polarizer element 4 perpendicularly to the beam entry surface 40 is split at the beam exit surface 42, which is inclined at an angle to the beam entry surface 40, into two partial laser beams 26, which are perpendicular to one another (s- or p-polarized).
  • the s-polarized partial laser beam 26 is identified by a dot, while the second, p-polarized partial laser beam 26 is identified by a double arrow.
  • the first, p-polarized partial laser beam 26 is refracted less than the second, s-polarized partial laser beam 26 when exiting the birefringent polarizer element 4, so that an angular offset a between the first and the second partial laser beam 26 occurs.
  • the first and second partial laser beams 26 emerge from the birefringent polarizer element 4 at the same point on the beam exit surface 42, i.e. an angular offset a is generated, but no spatial offset between the two partial laser beams 26.
  • Beam exit surface 42 aligned parallel to each other and the optical axis 44 of the crystal Material is aligned at an angle of 45° to the beam entry surface 40 .
  • the input beam 2 incident perpendicularly to the beam entry surface 40 is divided at the beam entry surface 2a into a first, ordinary partial laser beam 260 and a second, extraordinary partial laser beam 26AO.
  • the two partial laser beams 26 exit parallel at the beam exit surface 42, ie without an angular offset, but with a spatial offset Ax.
  • the two birefringent polarizer elements 4 shown in Figures 4A, B therefore differ fundamentally in that the polarizer element 4 shown in Figure 4A generates an angular offset a (without spatial offset) and that the polarizer element 4 shown in Figure 4B generates a spatial offset Ax (without angular offset).
  • Both polarizer elements 4 can form a component of processing optics 6, which can be designed, for example, as shown in FIG. 5A. It goes without saying that the processing optics 6 can also have polarizer elements that generate both a spatial offset Ax and an angular offset a, as is the case with conventional prism polarizers, which generally have two birefringent optical elements.
  • Figure 5A shows processing optics 6, which have a birefringent polarizer element 4 for dividing the laser beam 2 into partial laser beams polarized perpendicularly to one another, diffractive beam splitter optics 62 for generating a plurality of pairs of partial laser beams 26 of different polarization, and a schematically indicated focusing optics 64 for focusing the partial laser beams 26 in focal zones 24.
  • the processing optics 6 shown in FIG. 5A have focusing optics 64, which are used to focus the partial laser beams 26 onto a focal plane, which in FIG. 5A lies on the surface 12 of a workpiece 1 to be processed.
  • the focal plane can also lie above the surface 12 or in the workpiece 1.
  • the incoming laser beam 2 for example a pulsed laser or ultra-short pulse laser, impinges on the birefringent polarizer element 4, in which two partial laser beams 26 are generated.
  • a diffractive beam splitter optics 62 is arranged in the beam path after the polarizer element 4 .
  • the diffractive beam splitter optics 62 can also be arranged in front of the polarizer element 4 .
  • the processing optics 6 shown in FIG. 5A can be moved at least partially relative to the workpiece 1, so that a movement of the partial laser beams 26 along the dividing line 10 is thereby made possible.
  • the birefringent polarizer element 4 is arranged in a plane that is optically conjugate to the focal plane.
  • the optical conjugate plane is related to the focal plane by an angle-to-space (Fourier) transform generated by the focusing optics 64 .
  • Angles in the optical conjugate plane correspond to locations in the focal plane and vice versa.
  • the two partial laser beams 26 emerging from the polarizer element 4 with the angular offset a are therefore focused with a spatial offset Ax of the two centers of the focal zones 24 in the focal plane.
  • the spatial offset is smaller than the diameter of the focal zones 24, so that the two focal zones 24 overlap. Due to the non-existing spatial offset of the two partial laser beams 26 emerging from the polarizer element 4, the two partial laser beams 26 are aligned parallel and perpendicular to the focal plane after passing through the focusing optics 64.
  • the focal zones 24 of a pair of adjacent partial laser beams of different polarization are formed by partial laser beams 26 which are polarized perpendicularly to one another and partially overlap.
  • the focal zones 24 of two partial laser beams 26 polarized perpendicularly to one another of two directly adjacent pairs in each case also overlap.
  • only partial laser beams 26 polarized perpendicularly to one another overlap, so that no interference effects occur between the partial laser beams 26 of the same polarization.
  • the essentially linear intensity distribution generated in this way in the focal plane extends along the dividing line 10.
  • the diffraction angle of the diffractive optical element, or the diffractive beam splitter optics 62 can advantageously be approximately 6°, resulting in a distance of 56 mm between the workpiece and the diffractive beam splitter optics. Partial laser beams can thus be introduced into the workpiece 1 along a dividing line 10 over a length of arithmetically 11.76 mm.
  • the alternately polarized intensity profile can also be generated with a birefringent polarization element 4 according to FIG. 4B, in which the partial laser beams leave the birefringent polarization element 4 with a spatial offset.
  • a birefringent polarization element 4 according to FIG. 4B, in which the partial laser beams leave the birefringent polarization element 4 with a spatial offset.
  • an angular offset is necessary in the conjugate plane in order to focus the partial laser beams 26 parallel to one another onto the workpiece 1, at least one additional Lens arrangement needed to correct the beam angle of the partial laser beams 26 on the workpiece 1 (not shown).
  • FIG. 5B an alternative configuration for generating partial laser beams 26 is shown schematically.
  • FIG. 5B shows a microlens array optics, ie a beam splitter optics 62, as used for beam splitting.
  • An incident laser beam 2 from a laser 21 is guided through an optional telescopic optics 61 in order to adjust the diameter of the laser beam 2 and is then guided through the micro lens array optics in order to generate a plurality of partial laser beams 26 .
  • the incident laser beam 2 is collimated at least with respect to the x-direction perpendicular to the beam propagation direction (z-direction).
  • the incident laser beam 2 passes through four microlens arrays MLA1-MLA4.
  • Each microlens array MLA1-MLA4 has microlenses 622 lined up in the x direction with a subaperture a.
  • the sub-aperture a measured along the x-direction is the same for all microlens arrays MLA1-MLA4.
  • the microlens arrays MLA1-MLA4 or their microlenses 622 can all have different focal lengths f1-f4.
  • the focal length f1-f4 of the microlenses 622 is uniform within a respective microlens array MLA1-MLA4.
  • all of the microlenses 622 are convex lenses.
  • the micro lenses 622 of MLA1 can also be concave lenses and the micro lenses of MLA2-MLA4 can be convex lenses (not shown). This enables the laser beam 2 to be expanded so that the peak intensity of the laser beam 2 between the micro lens arrays 622 is weakened. This can prevent the subsequent optical elements from being destroyed.
  • the number of convex microlens arrays is limited to two in a structure with four microlenses.
  • the microlens arrays MLA1-MLA4 image each point of a respective microlens in the plane of the first microlens array MLA1 in an angle, ie an angle spectrum is generated.
  • This angular spectrum is imaged in a focal plane, for example in or on a workpiece 1, using focusing optics 6.
  • the partial laser beams 26 are created by interference and diffraction effects in the beam path.
  • FIG. 5C shows a further embodiment for carrying out the method.
  • the beam splitter optics 62 generates different partial laser beams from a lens optics 8, consisting of a first lens 80 and a second lens 82 are directed to the focusing optics 64.
  • the lens optics 8 are part of the processing optics 6.
  • the lens optics 8 create an optical plane 86 between the second lens 82 and the focusing optics 64, in which a repositioning optics 88 can be introduced, with which the partial laser beams are repeatedly moved along the separation line from their starting position be moved away by a deflection amount and then be moved back along the parting line.
  • the partial laser beams can be moved in the plane perpendicular to the beam propagation direction.
  • the repositioning optics 88 can be a piezo mirror, a galvanometer scanner, an acousto-optic deflector, a polygon wheel, or two continuously rotated wedge plates whose axis of rotation corresponds to the optical axis and whose frequency of rotation corresponds to the frequency of the repositioning.
  • the second lens 82 can also be moved transversally in order to achieve a repositioning of the partial laser beams on or in the workpiece.
  • a diffractive optical element can also be written into the repositioning optics, which takes over the function of the beam splitter optics 62 so that the lens optics 8 can be omitted.
  • the method is presented schematically in FIG. 6, with adjacent partial laser beams having different, in particular orthogonal, directions of polarization.
  • the laser beam 2 of the pulsed laser is split into a large number of partial laser beams 26 with the aid of processing optics 6, as shown in Figure 5A or 5B, for example, with the adjacent partial laser beams 26 having orthogonal polarization to one another and with the distance between the adjacent partial laser beams being able to be smaller, for example than the diameter of the focal zones 24.
  • the number of partial laser beams 26 and the distance between the partial laser beams 26 of the same polarization can be set with the aid of the beam splitter optics 62 .
  • partial laser beams 26 with different polarization is advantageous because the different direction of polarization relative to the dividing line 10 affects the removal depth per pulse and the quality of the removal edge.
  • a polarization parallel to the dividing line 10 can lead to a particularly effective removal of material.
  • FIGS. 7A to 7C Various machining strategies using the method are shown in FIGS. 7A to 7C.
  • a large number of partial laser beams 26 are introduced into the workpiece 1 along the dividing line 10 in a first step.
  • the adjacent partial laser beams 26 have different polarizations.
  • the adjacent partial laser beams are introduced into the workpiece 1 at a small distance from one another.
  • the partial laser beams 26 are deflected or periodically deflected along the dividing line 10 so that adjacent partial laser beams sweep over the same location on the dividing line 10 .
  • the deflection can also be smaller than the distance between adjacent partial laser beams. Since the distance is so small, for example, the intensity distribution of the partial laser beams along the dividing line 10 is very homogeneous, so that homogeneous material removal along the dividing line 10 is possible.
  • the polarization components orthogonal to the dividing line 10 can then be switched off, for example by varying one of the optical elements in the processing optics 6, for example rotating an ⁇ /2 plate or switching a Pockels cell, or the orthogonal polarization components are filtered , so that only partial laser beams 26 are introduced into the workpiece 1 with a polarization parallel to the dividing line 10 .
  • the ablation depth can be increased efficiently.
  • a major advantage of the two-step process is the processing of the workpiece with a total of twice the intensity with parallel polarization compared to orthogonal polarization. Since the ablation geometry resulting from the first step is Gaussian, for example, and the resulting intensity on the surface decreases accordingly with increasing depth, the edge areas of the beam no longer reach above the material-specific ablation threshold and can therefore no longer contribute efficiently to ablation. Typically, the ratio of the intensity on the surface to the material-specific removal threshold is between 1 and 100, preferably between 5 and 10.
  • FIG. 7B A variation of the method is shown in FIG. 7B, in which in a first step only partial laser beams 26 with a polarization orthogonal to the orientation of the dividing line are used. In the first step, the orthogonal orientation creates a high breaking strength at the cutting edge. In a second step, only partial laser beams with a polarization parallel to the separating line 10 are then used, so that the material can be separated with high efficiency.
  • FIG. 7C shows a further variation of the method, with partial laser beams being introduced into the workpiece 1 in a first step analogously to FIG. 7A, with adjacent partial laser beams being polarized orthogonally to one another.
  • partial laser beams that are polarized parallel to the separating line 10 can be used to produce a high breaking strength of the separating edge, with only partial laser beams that are polarized perpendicular to the separating line 10 being used in a third step in order to quickly and efficiently increase the ablation depth enlarge. All in all, the different methods of FIGS. 7A, B, C ensure a high quality of the cut edge.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (1) entlang einer Trennlinie (10) mittels Laserpulsen (20) eines Laserstrahls (2), bevorzugt zum Schneiden von Silizium mittels ultrakurzer Pulse eines Ultrakurzpulslasers, besonders bevorzugt zum Heraustrennen eines Chips aus einem Silizium-Wafer, wobei der Laserstrahl (2) mit einer Strahlteileroptik (62) in mehrere Teillaserstrahlen (26) aufgespalten wird und jeder der Teillaserstrahlen (26) so mit einer Fokussieroptik (64) auf die Oberfläche (12) und/oder in das Volumen des Werkstücks (1) fokussiert wird, dass die Teillaserstrahlen (26) nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie (10) angeordnet sind, wobei durch das Einbringen der Laserpulse (20) in das Werkstück (1) entlang der Trennlinie (10) ein Materialabtrag in dem Werkstück (1) durchgeführt wird, und wobei die Teillaserstrahlen (26) wiederholt entlang der Trennlinie (10) von ihrer Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt werden und anschließend entlang der Trennlinie (10) in die Ausgangsposition zurückbewegt werden, wobei der Auslenkungsbetrag kleiner oder gleich dem Abstand (L) zweier benachbarter Teillaserstrahlen (26) ist.

Description

Verfahren zum Trennen eines Werkstücks
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Werkstücke durch die Beaufschlagung mit Laserpulsen zu trennen, beispielsweise um einen Abschnitt des Werkstücks aus dem Werkstück heraus zu trennen, wobei durch das Beaufschlagen des Werkstücks mit dem Laserstrahl ein Materialabtrag in dem Werkstück erreicht werden kann, der beispielsweise durch Sublimieren des Materials oder durch Aufschmelzen mit nachfolgendem Austreiben der Schmelze erreicht werden kann.
Dabei ist es bekannt, sogenannte Multispotoptiken zur Ausbildung einer Vielzahl von Teilstrahlen des Laserstrahls zu verwenden und diese Teilstrahlen mittels eines Scanners und/oder eines Verseh iebetischs zum Trennen des Werkstücks zu verwenden.
Durch die Vielzahl an gleichzeitig eingebrachten Teillaserstrahlen kann der Materialabtrag effektiver gestaltet werden. Hierbei ist allerdings besonders die genaue Positionierung und Ausrichtung der Scanner- sowie Verschiebetischsysteme von Relevanz. Soll zum Beispiel die Anordnung von Teillaserstrahlen über die gesamte Breite oder den Durchmesser eines Silizium-Wafers verschoben werden, um beispielsweise einige Millimeter große Chipstrukturen aus dem Wafer heraus zu schneiden, dann kann bereits eine geringe Winkelabweichung in der Ausrichtung dazu führen, dass die Anordnung der Teillaserstrahlen nach einer gewissen Bewegungsdistanz bereits durch die eigentliche Chipstruktur fährt und so das eigentlich herauszutrennende Produkt zerstört, anstatt auszuschneiden.
Darüber hinaus besteht das Problem, dass bei der Verwendung von Anordnungen von Teillaserstrahlen zum Ausschneiden von Teilen aus einem Silizium-Wafer eine längere Strecke als die eigentlich zu bearbeitende Kontur überfahren werden muss, so dass am Rande eines Wafers ein Teil der Teillaserstrahlen beispielsweise die Werkstückaufnahme beschädigen kann.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Trennen eines Materials entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls bereitzustellen.
Die oben gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen eines Materials entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen eines Werkstücks entlang einer Trennlinie mittels Laserpulsen eines Laserstrahls, bevorzugt mittels ultrakurzer Pulse eines Ultrakurzpulslasers, vorgeschlagen, wobei der Laserstrahl mit einer Strahlteileroptik in mehrere Teillaserstrahlen aufgespalten wird und jeder der Teillaserstrahlen so mit einer Fokussieroptik auf die Oberfläche und/oder in das Volumen des Werkstücks fokussiert wird, dass die Teillaserstrahlen nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie angeordnet sind, wobei durch das Einbringen der Laserpulse in das Werkstück entlang der Trennlinie ein Materialabtrag in dem Werkstück durchgeführt wird. Erfindungsgemäß werden die Teillaserstrahlen wiederholt entlang der Trennlinie von ihrer Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt und anschließend entlang der Trennlinie in die Ausgangsposition zurückbewegt, wobei der Auslenkungsbetrag kleiner oder gleich dem Abstand zweier benachbarter Teillaserstrahlen ist.
Der Laser stellt hierbei die Laserpulse zur Verfügung, wobei sich die Laserpulse entlang einer durch die Optik des Lasers definierten Strahlachse bewegen, wodurch entsprechend entlang dieser Strahlachse der Laserstrahl des Lasers bereitgestellt wird. Bei dem Laser handelt es sich bevorzugt um einen Kurzpulslaser, der Pulse im Nanosekundenbereich bereitstellt, oder um einen Ultrakurzpulslaser, der Laserpulse im Pikosekundenbereich oder Femtosekundenbereich bereitstellt.
Ultrakurzpulslaser geben Laserpulse mit einer besonders hohen Energiedichte auf einer kleinen Zeitskala ab, wodurch sich besonders scharfe Kanten entlang der Trennlinie ergeben. Die Pulslänge eines ultrakurzen Laserpulses kann hierbei beispielsweise kleiner als 100 ps insbesondere kleiner als 10 ps, besonders bevorzugt kleiner als 1 ,5 ps sein. Die Pulslänge kann beispielsweise aber auch länger als 300 fs sein. Typischerweise beträgt die Pulslänge 1 ps. Die Spitzenfluenz, also die Intensität entweder des einfallenden Laserstrahls oder eines Teillaserstrahls, kann zwischen 0,3 J/cm2 und 30 J/cm2 liegen, typischerweise liegt sie zwischen 1 J/cm2 und 5 J/cm2. Der Fokusdurchmesser des einfallenden Laserstrahls oder eines Teillaserstrahls kann zwischen 50 pm und 5 pm liegen, besonders bevorzugt kann der Fokusdurchmesser 9 pm groß sein.
Der Laserstrahl des Lasers wird durch eine Strahlteileroptik geführt, um den einfallenden Laserstrahl in mehrere Teillaserstrahlen aufzuteilen. Eine Strahlteileroptik kann beispielsweise durch einen Strahlteilerwürfel ausgebildet sein, der beispielsweise den eintreffenden Laserstrahl in zwei gleich intensive Teillaserstrahlen teilt.
Eine Strahlteileroptik kann aber auch ein optisches Element umfassen, welches den Strahl in mehrere Teillaserstrahlen aufteilt und die Teillaserstrahlen so umlenkt, dass alle Teillaserstrahlen parallel und in einem bestimmten Abstand zueinander laufen. Eine Strahlteileroptik kann auch mehrere optische Elemente umfassen, wobei ein Element den oder die einfallenden Laserstrahlen in mehrere Teillaserstrahlen aufspaltet und ein anderes Element die Teillaserstrahlen in parallele Richtungen umlenkt.
Eine Strahlteileroptik kann beispielsweise dafür sorgen, dass ein einfallender Laserstrahl in fünf oder zehn oder mehr Teillaserstrahlen aufgespalten wird.
Durch eine Strahlteileroptik ist es zudem möglich, die hohen Pulsenergien eines gepulsten Lasers effizient in verschiedene Teillaserstrahlen aufzuspalten, so dass durch die dann mögliche gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Teillaserstrahlen die Effizienz des Bearbeitungsprozesses gesteigert werden kann.
Das Werkstück kann bevorzugt ein Glas oder ein Halbleiter sein. Insbesondere kann das Werkstück eines oder mehrere der Materialien Si, SiC, Ge, GaAs, InP, Glas und/oder Saphir umfassen. Insbesondere kann das Werkstück auch in Form eines Schichtsystems aufgebaut sein, wobei jede Schicht des Schichtsystems eines oder mehrere der vorgenannten Materialien umfassen kann.
Bevorzugt kann das Verfahren daher bei der Waferbearbeitung eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Verfahren zum Trennen von Silizium verwendet werden, etwa zum Heraustrennen eines Chips aus einem Silizium-Wafer. Unter der Trennlinie wird die Linie verstanden, entlang derer das Werkstück getrennt werden soll. Eine Trennlinie kann beispielsweise in Form einer Geraden vorgesehen sein. Eine Trennlinie kann aber auch eine geschwungene Linie sein. Eine Trennlinie kann insbesondere auch ein Teil einer komplexeren Trennungslinie oder Trennungsgeometrie sein.
Wenn beispielsweise aus einem Werkstück eine rechteckige Form herausgeschnitten werden soll, kann die Trennlinie beispielsweise nur eine Seitenlinie des Rechtecks sein, aber auch durch die gesamte auszuschneidende Kontur vorgegeben sein.
Die Teillaserstrahlen sind nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie angeordnet. Der Abstand benachbarter Teillaserstrahlen ist hierbei der Abstand entlang der Trennlinie zwischen den geometrischen Zentren der Teillaserstrahlen. Der Abstand kann aber auch entlang der Trennlinie zwischen den Intensitätsmaxima benachbarter Teillaserstrahlen bestimmt werden. Die Start- und Endpunkte der Abstandsmessung können auch diejenigen Punkte sein, bei denen der Laserstrahl bzw. die Strahlachse die Oberfläche des Werkstücks schneidet.
Der Abstand benachbarter Teillaserstrahlen kann für alle benachbarten Teillaserstrahlen gleich groß sein. Beispielsweise kann jeder Teillaserstrahl von seinem Nachbarn 5 pm oder 10 pm oder 100pm entfernt sein. Es kann aber auch sein, dass die Abstände benachbarter Teillaserstrahlen unterschiedlich groß sind. So kann beispielsweise ein Teillaserstrahl zu einem Nachbarn einen Abstand von 5 pm oder mehr aufweisen zum anderen Nachbarn jedoch nur 3 pm oder 10 pm oder weniger.
Insbesondere hat jeder Teillaserstrahl nur zwei direkte Nachbarn, da die Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie angeordnet sind.
Die Anzahl der Teillaserstrahlen und deren Abstände können so gewählt sein, dass entlang der gesamten gewünschten Trennlinie Teillaserstrahlen beabstandet voneinander angeordnet sind. Mit anderen Worten wird der gesamte zu trennende Bereich, der durch die Trennlinie definiert ist, mit Teillaserstrahlen abgedeckt.
Üblicherweise ist jedoch die Trennlinie länger, als der durch die Teillaserstrahlen überdeckte Bereich, so dass das Bündel der Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie bewegt werden muss, um hier nach und nach die gesamte Trennlinie mit den Teillaserstrahlen zu überdecken und damit ein Trennen auszuführen. Jeder Teillaserstrahl wird mit einer Fokussieroptik fokussiert. Die Fokussieroptik kann beispielsweise Linsen oder andere beugende Elemente umfassen, die den Teillaserstrahl in eine Fokuszone konvergierend umlenken. Insbesondere bedeutet dies, dass in der Fokuszone die Intensität des Teillaserstrahls auf einen minimalen Raumbereich zusammengeführt wird. Die Fokussieroptik kann beispielsweise für jeden Teillaserstrahl individuell bereitgestellt werden. Bevorzugt werden aber mit einer Fokussieroptik alle Teillaserstrahlen fokussiert.
Es kann auch sein, dass die Fokussieroptik Teillaserstrahlen, die unter verschiedenen Auftreffwinkeln auf die Fokussieroptik fallen, bzw. keine parallelen Strahlachsen aufweisen, auf parallele Strahlachsen umlenkt. Insbesondere bedeutet dies, dass nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik alle Teillaserstrahlen parallel zueinander orientiert sind.
Beispielsweise kann die Fokussieroptik an die Strahlteileroptik angepasst sein, sodass die von der Strahlteileroptik abgehenden Teillaserstrahlen unter verschiedenen Winkeln auf die Fokussieroptik auftreffen und dann von der Fokussieroptik wieder parallel zueinander orientiert werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Strahlteileroptik im Brennpunkt der Fokussieroptik steht. Beispielsweise können die Fokussieroptik und die Strahlteileroptik auch in konjugierten Ebenen zueinander stehen.
Die Teillaserstrahlen können auf die Oberfläche und/oder in das Volumen des Werkstücks fokussiert werden. Dies bedeutet, dass die Fokuszone beispielsweise genau auf der Oberfläche des Materials liegt oder in Strahlrichtung unterhalb der Oberfläche des Materials liegt. Bevorzugt werden alle Teillaserstrahlen in dieselbe Ebene fokussiert.
In einer Weitergestaltung, bei der für jeden Teillaserstrahl eine separate Fokussieroptik vorgesehen ist, kann aber auch beispielsweise ein Teillaserstrahl genau auf die Oberfläche fokussiert werden, während ein anderer Teillaserstrahl in das Volumen des Materials fokussiert wird.
Alternativ kann die Strahlteileroptik auch so ausgestaltet sein, dass eine dreidimensionale Fokusverteilung entsteht, wobei die Intensitätsmaxima der Teillaserstrahlen, also insbesondere mindestens eines einzelnen Teillaserstrahls, sowohl auf der Oberfläche als auch in dem Volumen des Werkstücks liegen.
Die Teillaserstrahlen werden durch eine Fokussieroptik fokussiert, sodass jeder Teillaserstrahl in einer Fokuszone konvergiert. Dies bedeutet, dass in der Fokuszone die Intensität des Laserstrahls am größten ist. Die Fokuszone kann hierbei beispielsweise von einem Gaußförmigen Laserstrahl oder von einem quasi nicht-beugenden Laserstrahl zur Verfügung gestellt werden.
Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung:
V2 U(x,y, z') + k2U (x, y, z) = 0 und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form
U(x,y,z) = Ut(x,y) exp ikzz) auf. Hierbei ist k=oj/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k2=kz2+kt2 und Ut(x,y) eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist:
I(x,y, z) = \U(x,y, z)|2 = I(x,y)
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.
Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.
Basierend auf der Norm zur Laserstrahlcharakterisierung ISO11146 1-3 wird der Strahldurchmesser über die sogenannten 2. Momente bestimmt. Hierbei ist die Leistung des Laserstrahls oder auch das Moment der 0. Ordnung definiert als:
P = f dx dy I(x,y).
Die räumlichen Momente der 1. Ordnung geben den Schwerpunkt der Intensitätsverteilung an und sind definiert als:
Figure imgf000009_0001
Basierend auf den vorstehenden Gleichungen lassen sich die räumlichen Momente der 2. Ordnung der transversalen Intensitätsverteilung errechnen:
(x2) = f dx dy (x — (x))2 1(x,y),
(y2) = f dx dy (y - (y))2 1(x,y),
Figure imgf000009_0002
Mit den so vollständig definierten räumlichen Momenten der 2. Ordnung des Laserstrahls lassen sich die Strahldurchmesser in den Hauptachsen bestimmen. Die Hauptachsen sind hierbei die Richtungen der minimalen und maximalen Ausdehnung des transversalen Strahlprofils, welche stets orthogonal zueinander verlaufen. Der Strahldurchmesser d des Laserstrahls ergibt sich dann wie folgt:
Figure imgf000009_0003
Die Fokuszone dGF x,y eines Gauß'schen Strahls, der Gaußfokus, beziehungsweise der Durchmesser des Gauß’schen Strahls oder des Gaußprofils, ist somit festgelegt über die zweiten Momente, also die Varianz der Gaußkurve, und die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge ZR=n(dGF x,y)2/4A, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat. Im Fall eines symmetrischen Gauß'schen Strahls gilt für die Fokuszone dGFo= dGF x= dGF y. Fernerhin definieren wir als transversalen Fokusdurchmesser bei quasi-nicht beugenden Strahlen dNDo die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die doppelte kürzeste Distanz zwischen einem Intensitätsmaximum und einem hiervon ausgehenden Intensitätsabfall auf 25%.. Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nichtbeugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für dNDo = dGF x,y , also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise, wenn L>10ZR.
Die Form der Fokuszonen variiert demnach je nach eingesetztem Strahlprofil.
Zur Durchführung des Verfahrens werden die Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie von ihrer Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt. Die Ausgangsposition ist hierbei die Position, welche die Teillaserstrahlen ursprünglich auf der Oberfläche des Materials einnehmen. Insbesondere ist die Ausgangsposition die Position, welche die Teillaserstrahlen innehaben bevor eine Auslenkbewegung bzw. Wegbewegung stattgefunden hat. Der Auslenkungsbetrag ist hierbei der maximale Abstand des bewegten Teillaserstrahls zu seiner Ausgangsposition. Der Auslenkungsbetrag wird analog zum Abstand der verschiedenen Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie gemessen.
Der Auslenkungsbetrag ist kleiner oder gleich dem Abstand zweier benachbarter Teillaserstrahlen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass ein erster Teillaserstrahl durch die Bewegung auf die Ausgangsposition des direkt benachbarten zweiten Teillaserstrahls bewegt wird. Gleichzeitig kann beispielsweise der zweite Teillaserstrahl auf die Ausgangsposition eines benachbarten dritten Teillaserstrahls bewegt werden, usw. Hierdurch wird sichergestellt, dass entlang der gesamten Trennlinie Laserpulse in das Material eingebracht werden, wobei durch die Bewegung von der Ausgangsposition um einen Auslenkbetrag zunächst erreicht wird, dass auch die Lücken zwischen den jeweiligen Teillaserstrahlen in der Ausgangsposition mit Laserpulsen beaufschlagt werden.
Die Teillaserstrahlen werden nach der Auslenkung wieder entlang der Trennlinie in die Ausgangsposition zurückbewegt. Die Zurückbewegung kann beispielsweise mit betragsmäßig derselben Geschwindigkeit wie die vorherige Bewegung von statten gehen. Es kann aber auch sein, dass die Zurückbewegung ein anderes Geschwindigkeitsprofil aufweist.
Der erste Teillaserstrahl kann aber beispielsweise auch lediglich bis zur Hälfte des Abstands zum benachbarten Teillaserstrahlen bewegt werden. Es kann aber auch sein, dass sich die Teillaserstrahlen in Richtung der Trennlinie zwei Drittel des Abstandes bewegen und anschließend nach Zurückkehren in die Ausgangsposition sich entgegen der Trennlinie ein Drittel des Abstandes bewegen. Insbesondere ist eine Bewegung entlang beider Richtungen der Trennungslinie möglich.
Während die Teillaserstrahlen bewegt werden, gibt der Laser Laserpulse ab. Durch die Bewegung ist es so möglich, entlang der Trennlinie die Laserpulse einzubringen. Das Einbringen der Laserpulse kann gleichbedeutend damit sein, dass die Laserpulse vom Material ganz oder teilweise absorbiert werden. Beispielsweise kann dies dazu führen, dass das Material durch die Laserpulse stark erhitzt wird. Dies kann dazu führen, dass sich das erhitzte Material aus dem Gesamtverbund des Materials herauslöst.
Damit kann erreicht werden, dass es zum Erreichen eines Heraustrennens der jeweiligen Kontur aus dem Werkstück nicht mehr notwendig ist, die Kontur mit allen Teillaserstrahlen abzufahren und damit ein Überfahren der Endkontur mit fast allen Teillaserstrahlen nicht mehr auftritt. Entsprechend kann ein besonders effizientes und präzises Trennen erreicht werden, bei dem nur der Bereich der vorgegebenen Trennlinie mit Teillaserstrahlen beaufschlagt werden kann und eine Beschädigung anderer Bereiche des Werkstücks vermieden werden kann.
Es entfällt beispielsweise auch das Überfahren über die Ränder des Materials hinaus, wobei die Werkstückaufnahme beschädigt werden kann. Insgesamt können mit dem Verfahren einzelne Bauteile auf dem Werkstück, beispielsweise auf einem Silizium-Wafer bearbeitet werden, ohne dass der komplette Wafer auf einmal bearbeitet werden muss. Somit wird insgesamt die Flexibilität bezüglich unterschiedlicher Bauteilgeometrien auf dem Material erhöht.
Wenn die gesamte Trennlinie gleichzeitig mit einem Bündel an Teillaserstrahlen beaufschlagt werden kann, ist auch die Bewegung pro Teillaserstrahl, also der Auslenkungsbetrag, deutlich kürzer, als wenn eine Anordnung von Teillaserstrahlen, also die Gesamtheit von Teillaserstrahlen die durch die Strahlteileroptik erzeugt wird, über das komplette Material geführt werden muss. Somit kann eine aufwändige Achs- bzw. Scannerpositionierung und -Ausrichtung entfallen.
Bevorzugt wird die Ausgangsposition nach Durchführung mindestens einer Bewegung der Teillaserstrahlen von der Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag weg und wieder zurück in die Ausgangsposition um einen Verschiebungsbetrag entlang der Trennlinie verschoben und die Bewegung der Teillaserstrahlen wird erneut ausgeführt. Diese Ausgestaltung wird bevorzugt gewählt, wenn das Bündel der Teillaserstrahlen nicht die gesamte Trennlinie überdecken kann und die Trennung entlang der Trennlinie entsprechend nach und nach durchgeführt werden muss. Der Verschiebungsbetrag entspricht dabei bevorzugt der in Trennlinienrichtung liegenden Ausdehnung des Bündels der Teillaserstrahlen.
Mit anderen Worten wird die durch das Bündel der mit der Weg- und Zurückbewegung beaufschlagten Teillaserstrahlen vorgegebene gleichzeitige Bearbeitungsbreite als Verschiebungsbetrag verwendet, so dass die gleichzeitigen Bearbeitungsbreiten nacheinander nebeneinander gesetzt werden. Dadurch findet ein Bearbeiten beziehungsweise Trennen des Werkstücks entlang der Trennlinie zunächst in einer ersten Bearbeitungsbreite statt und nach Abschluss des Trennens dieses der Bearbeitungsbreite entsprechenden Abschnitts der Trennlinie wird das Bündel an Teillaserstrahlen um den Verschiebungsbetrag verschoben, so dass hier wiederum ein Trennen in Bearbeitungsbreite stattfinden kann.
Bevorzugt ist es jedoch, wenn jede aus dem Werkstück herauszutrennende Struktur mit einer Bearbeitungsbreite des Bündels an Teillaserstrahlen ohne Verschiebung herausgetrennt werden kann. Dazu wird die Anzahl der Teillaserstrahlen sowie deren Abstände zueinander bevorzugt so angepasst, dass eine gleichzeitige Bearbeitung der gesamten für die jeweilige Struktur wesentlichen Länge erreicht werden kann. Mit anderen Worten wird bevorzugt versucht, beispielsweise eine Seite eines Chips gleichzeitig zu schneiden.
Bevorzugt wird die Bewegung der Teillaserstrahlen von der Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag weg und wieder zurück in die Ausgangsposition periodisch durchgeführt.
Die periodische Bewegung bedeutet, dass die Teillaserstrahlen ausgehend von ihrer Ausgangsposition ausgelenkt werden und in einem festen zeitlichen Abstand wieder zur Ausgangsposition zurückkehren. Insbesondere kann dies bedeuten, dass die Auslenkung entlang der Trennlinie erfolgt und die Teillaserstrahlen nach Erreichen des Auslenkungsbetrags abermals in die Ausgangsposition zurückkehren und danach eine Auslenkung in die entgegengesetzte Richtung entlang der Trennlinie erfolgt und die Teillaserstrahlen nach Erreichen des Auslenkungsbetrags abermals in die Ausgangsposition zurückkehren. Es kann aber auch sein, dass die periodische Bewegung zwischen der Ausgangsposition eines Teillaserstrahls und der Ausgangsposition eines benachbarten Teillaserstrahls stattfindet.
Mit anderen Worten führen die Teillaserstrahlen ausgehend von der Ausgangsposition eine Wobbelbewegung, bevorzugt eine periodische Wobbelbewegung, entlang der Trennlinie aus. Die maximale Auslenkung der Teillaserstrahlen durch die Bewegung kann in der Größenordnung des Abstandes der Teillaserstrahlen, bevorzugt gleich dem Abstand der Teillaserstrahlen sein.
Wie oben bereits beschrieben hat dies zur Folge, dass zwei benachbarte Teillaserstrahlen innerhalb der Bewegungsperiode denselben Ort des Materials überstreichen, sodass eine lückenlose Bearbeitung des Materials entlang der Trennungslinie möglich ist.
Insbesondere kann dies auch bedeuten, dass benachbarte Teillaserstrahlen über die Ausgangsposition des benachbarten Teillaserstrahls hinausfahren.
Bevorzugt werden alle Teillaserstrahlen in die gleiche Fokusebene fokussiert.
Damit wird erreicht, dass alle geometrischen Fokuszonen in Teillaserstrahlrichtung den gleichen Abstand zur Oberfläche aufweisen. Beispielsweise können alle Teillaserstrahlen genau auf die Oberfläche fokussiert werden. Es kann aber auch sein, dass alle Teillaserstrahlen 10 pm unterhalb der Oberfläche eingebracht werden. Es kann aber auch sein, dass alle Teillaserstrahlen unabhängig von einer Oberflächentopologie des Materials in einer Ebene liegen.
Insbesondere kann es sein, dass alle Teillaserstrahlen innerhalb einer charakteristischen Länge der Teillaserstrahlen zur Oberfläche eingebracht werden. Die charakteristische Länge kann hier beispielsweise die Länge sein, innerhalb derer sich die Intensität des Laserstrahls oder des zentralen Maximums des Laserstrahls halbiert. Insbesondere kann dies die Rayleigh-Länge eines Gauß-förmigen Strahls sein. Dies hat den Vorteil, dass der Trennvorgang und die Abtragstiefe gut kontrollierbar sind und eine gleichmäßige Trennungskante entsteht.
Bevorzugt führen alle Teillaserstrahlen gleichzeitig die gleiche Bewegung durch.
Auf diese Weise kann sowohl ein gleichmäßiger Materialabtrag als auch ein einfacher Aufbau der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung erreicht werden.
Um eine präzise Trennung des Werkstücks zu erreichen, folgt die Bewegung der Teillaserstrahlen bevorzugt der Trennlinie. Insbesondere ist bevorzugt bei einer geraden Trennlinie die Bewegung der Teillaserstrahlen eine der geraden Form der Trennlinie folgende lineare Auslenkung und bei einer gebogenen Trennlinie ist die Auslenkung der Teillaserstrahlen bevorzugt eine der gebogenen Form der Trennlinie folgende Auslenkung. Mit anderen Worten liegen die Teillaserstrahlen bevorzugt immer auf der Trennlinie, auch während der Durchführung ihrer Wobbelbewegung.
Dies kann bedeuten, dass die Trennlinie insbesondere nicht gekrümmt ist, also keine geometrische Krümmung aufweist. Die Teillaserstrahlen können nur entlang der Trennlinie bewegt werden, daher findet eine lineare Auslenkung statt, wenn die Teillaserstrahlen über eine gerade Trennlinie geführt werden. Insbesondere bedeutet dies, dass die Auslenkung ebenfalls entlang einer Geraden stattfindet und somit eine lineare Auslenkung ist.
Bevorzugt wird die Bewegung der Teillaserstrahlen mit der Repetitionsrate des den Laserstrahl bereitstellenden Lasers korreliert, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zu gewährleisten.
Entsprechend kann bei einer konstanten Geschwindigkeit der Bewegung der Teillaserstrahlen die Repetitionsrate bzw. Pulsrate des Lasers so gewählt werden, dass die Trennlinie lückenlos überstrichen wird. Beispielsweise kann dies bedeuten, dass bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 5 pm/ps und einem Fokusdurchmesser von 10 pm die Repetitionsrate 1 MHz betragen muss. Dadurch ist gewährleistet, dass der Teillaserstrahl bei seiner Bewegung jeden Punkt der Trennlinie überstreicht und Laserpulsenergie einbringt. Insbesondere kann dies aber auch bedeuten, dass die Repetitionsrate deutlich schneller gewählt wird, so dass die Fokuszonen aufeinanderfolgend eingebrachter Laserpulse desselben Teillaserstrahls überlappen, also der Abstand aufeinanderfolgend eingebrachter Laserpulse kleiner als der Fokusdurchmesser oder der Durchmesser der Fokuszone ist.
Ist die Bewegungsgeschwindigkeit hingegen nicht konstant, so kann die Repetitionsrate oder die Pulsrate an die Geschwindigkeit der Bewegung angepasst werden. Beispielsweise können bei einer Sinus-förmigen Auslenkung entlang der Trennlinie bei der Bewegung im Amplitudenmaximum, wo die Geschwindigkeit der Bewegung besonders klein ist, wenige Laserpulse eingebracht werden, während bei den Nulldurchgängen der Bewegung, wo die Bewegungsgeschwindigkeit groß ist, besonders viele Laserpulse eingebracht werden müssen. Beispielsweise kann somit die Pulsrate proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit sein.
Somit ist es möglich, die Laserenergie der Teillaserstrahlen gleichmäßig verteilt entlang der Trennlinie einzubringen, sodass ein gleichmäßiger Materialabtrag gewährleistet ist. Insbesondere drückt sich ein gleichmäßiger Materialabtrag dadurch aus, dass die Abtragstiefe entlang der Trennlinie im Wesentlichen gleich groß ist (sofern die Materialoberfläche eben ist). Der Eingangslaserstrahl und/oder die Teillaserstrahlen können beim Durchlauf durch ein doppelbrechendes Polarisatorelement in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten zerlegt werden.
Unter Doppelbrechung wird die Fähigkeit eines optischen Materials verstanden, den einfallenden Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen zu trennen. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Brechungsindizes des optischen Materials in Abhängigkeit von der Polarisation und dem Einfallswinkel des Lichts relativ zur optischen Achse des optischen Materials.
Im Sinne dieser Anmeldung werden unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen linear polarisierte Teillaserstrahlen verstanden, deren Polarisationsrichtungen und einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sind. Unter senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen werden aber auch zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn verstanden, d.h. zwei links bzw. rechts zirkular polarisierte Teillaserstrahlen. Die Umwandlung von linear polarisierten Teillaserstrahlen mit senkrecht zueinander ausgerichteten Polarisationsrichtungen in zirkular polarisierte Teillaserstrahlen mit entgegengesetztem Drehsinn kann z.B. mit Hilfe einer geeignet orientierten Verzögerungsplatte (A/4-Platte) erfolgen.
Die vom doppelbrechenden Polarisationselement nach Polarisationskomponenten zerlegten auslaufenden Laserstrahlen können einen Winkelversatz und/oder einen Ortsversatz zueinander aufweisen.
Auch dies lässt sich mit der Anisotropie der Brechungsindizes für verschiedene Polarisationsrichtungen des optischen Materials des Polarisationselements begründen.
Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch das doppelbrechende Polarisationselement einen Winkelversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit einer ersten Polarisation hinter dem doppelbrechenden Polarisationselement nicht parallel zum Teillaserstrahl mit einer zweiten Polarisation verläuft.
Zur Erzeugung des Winkelversatzes (ohne Ortsversatz) kann das doppelbrechende Polarisatorelement eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, die unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche geneigt ist. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise parallel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Die beiden Teillaserstrahlen treten in diesem Fall an der Strahlaustrittsfläche an demselben Ort und mit einem definierten Winkelversatz aus dem doppelbrechenden Kristall aus. Beispielsweise können die Teillaserstrahlen nach Durchlauf durch das doppelbrechende Polarisationselement einen Ortsversatz aufweisen. Dies bedeutet, dass der Teillaserstrahl mit der ersten Polarisation hinter dem doppelbrechenden Polarisationselement parallel zum Teillaserstrahl mit der zweiten Polarisation verläuft. Allerdings sind beide Teillaserstrahlen parallel zueinander verschoben, sodass es einen endlichen Abstand zwischen beiden Teillaserstrahlen gibt.
Zur Erzeugung des Ortsversatzes (ohne Winkelversatz) kann das doppelbrechende Polarisatorelement beispielsweise parallel ausgerichtete, in der Regel plane Strahleintritts- und Strahlaustrittsflächen aufweisen. Die optische Achse des doppelbrechenden Kristalls ist in diesem Fall typischerweise unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtet. Trifft der Eingangslaserstrahl senkrecht auf die Strahleintrittsfläche, wird an der Strahlaustrittsfläche ein reiner Ortsversatz erzeugt.
Die Abstände der einzelnen Teillaserstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation können über das Polarisationselement festgelegt werden, beispielsweise bei der Herstellung oder durch Orientierung der optischen Achse des Kristalls zum einfallenden Laserstrahl.
Die nebeneinander und beabstandet voneinander entlang der Trennlinie angeordneten Teillaserstrahlen können eine alternierende Polarisation aufweisen.
Die Polarisation ist alternierend, wenn benachbarte Teillaserstrahlen eine zueinander orthogonale Polarisation aufweisen. Beispielsweise ist die Polarisation alternierend, wenn ein erster Teillaserstrahl rechts zirkular polarisiert ist, ein zweiter Teillaserstrahl links zirkular polarisiert ist, ein dritter Teillaserstrahl rechts zirkular polarisiert ist usw. Beispielsweise ist die Polarisation alternierend, wenn ein erster Teillaserstrahl entlang der Trennlinie polarisiert ist, ein zweiter Teillaserstrahl orthogonal zur Trennlinie polarisiert ist, ein dritter Teillaserstrahl entlang der Trennlinie polarisiert ist usw.
Wird ein Laserstrahl, der z.B. von einem Single-Mode Laser erzeugt wird und ein Gauß-förmiges Strahlprofil aufweist, in zwei oder mehr Teillaserstrahlen aufgeteilt und die Teillaserstrahlen werden zumindest teilweise überlagert, kann dies zu unerwünschten Interferenz-Effekten führen, wenn die Teillaserstrahlen die gleiche oder eine ähnliche Polarisation aufweisen. Daher können bei der Fokussierung der Teillaserstrahlen die Fokuszonen bzw. die Fokusquerschnitte nicht beliebig nahe beieinander liegen, so dass die Teillaserstrahlen in der Regel an voneinander beabstandeten Fokuszonen auf dem Werkstück fokussiert werden. Bei der Nutzung von Teillaserstrahlen, die senkrecht aufeinander stehende Polarisationszustände aufweisen, kommt es bei der (teilweisen) Überlagerung nicht zu Interferenzeffekten der Laserstrahlung aus unterschiedlichen Orts- oder Winkelbereichen, sofern der Polarisationszustand der jeweiligen Teillaserstrahlen einheitlich über den gesamten relevanten Strahlquerschnitt bzw. die jeweilige Fokuszone ist. Die Polarisation eines jeweiligen Teillaserstrahls sollte daher ortsabhängig über den Strahlquerschnitt bzw. über die Fokuszone möglichst wenig variieren. In diesem Fall können die Fokuszonen beliebig nahe aneinander liegen, sich teilweise oder ggf. vollständig überlappen und sogar homogene Fokuszonen ausbilden, und zwar sowohl transversal, d.h. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen, als auch longitudinal, d.h. in Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen.
Bevorzugt umfasst die Strahlteileroptik eine diffraktive Strahlteileroptik und/oder ein diffraktives optisches Element und/oder ein System aus Mikrolinsenarrays.
Die Strahlteileroptik kann beispielsweise in Form eines diffraktiven optischen Elements ausgebildet sein. Es kann sich aber auch um eine andere Art von Strahlteileroptik handeln, beispielsweise um eine geometrische Strahlteileroptik. Die Strahlteileroptik kann im Strahlengang des in die Bearbeitungsoptik eintretenden Laserstrahls vor dem Polarisatorelement angeordnet sein und mehrere Eingangslaserstrahlen erzeugen, die an dem Polarisatorelement jeweils in ein Paar von senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen aufgeteilt werden. Auch der umgekehrte Fall ist möglich, d.h. die Strahlteileroptik kann im Strahlengang nach dem doppelbrechenden Polarisatorelement angeordnet sein. In diesem Fall wird aus dem Paar von Teillaserstrahlen, das von dem Polarisatorelement erzeugt wird, mittels der Strahlteileroptik eine Mehrzahl von Paaren von Teillaserstrahlen erzeugt, deren Fokuszonen sich insbesondere wie weiter oben beschrieben entlang einer Vorzugsrichtung teilweise überlappen können. Beispielsweise kann eine Strahlteileroptik ein diffraktives optisches Element oder eine Mikrolinsenarray-Optik zur transversalen Strahlteilung sein. Die Strahlteileroptik kann auch ein Mikrolinsenarray, bevorzugt ein System aus Mikrolinsenarrays umfassen.
Mikrolinsenarrays umfassen Anordnungen von mehreren Mikrolinsen. Mikrolinsen sind hierbei kleine Linsen, insbesondere Linsen mit einem typischen Abstand von Linsenmitte zu Linsenmitte („Pitch“) von 0,1 bis 10 mm bevorzugt 1 mm, wobei jede Einzellinse der Anordnung die Wirkung einer normalen, makroskopischen Linse aufweisen kann. Mikrolinsenarrays können in ihrer Gesamtheit als Strahlteilerwirken. Die Anzahl an Teillaserstrahlen wird durch die Auslegung des diffraktiven optischen Elements bzw. der Strahlteileroptik in Kombination mit dem Polarisationselement festgelegt. Die Abstände der einzelnen Teillaserstrahlen zueinander werden ebenfalls durch die Auslegung des diffraktiven optischen Elements festgelegt.
Bevorzugt wird die Bewegung der Teillaserstrahlen durch eine Bewegung mindestens eines Teils der Bearbeitungsoptik erzeugt, wobei die Bewegung besonders bevorzugt von Mikrolinsenarrays eines Systems aus Mikrolinsenarrays erzeugt wird und/oder von einer Umpositionierungsoptik erzeugt wird.
Beispielsweise kann die Bearbeitungsoptik eine zusätzliche Linsenoptik aufweisen, welche die Teillaserstrahlen, die von der Strahlteileroptik zur Verfügung gestellt werden, in eine optische Ebene abbildet. Von dort aus werden die Teillaserstrahlen mit der Fokussieroptik in das Werkstück abgebildet. Die Linsenoptik umfasst in Strahlausbreitungsrichtung erst eine erste Linse und schließlich eine zweite Linse, wobei die besagte optische Ebene zwischen der zweiten Linse und der Fokussieroptik angeordnet ist.
In der genannten optischen Ebene kann eine Umpositionierungsoptik angeordnet sein, wobei durch die Umpositionierungsoptik die Teillaserstrahlen wiederholt entlang der Trennlinie von ihrer Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt werden und anschließend entlang der Trennlinie in die Ausgangsposition zurückbewegt werden.
Die Umpositionierungsoptik kann beispielsweise eine Scannerspiegel, zum Beispiel ein Piezospiegel oder ein Galvanoscanner, sein. Die Umpositionierungsoptik kann auch einen akustooptischen Deflektor umfassen oder ein Polygonrad oder zwei kontinuierlich gedrehte Keilplatten, deren Rotationsfrequenz der Frequenz der Umpositionierung entspricht, sein.
Es ist aber auch möglich, dass zur Bewegung der Teillaserstrahlen ein Teil der Bearbeitungsoptik bewegt wird, insbesondere der Linsenoptik bewegt wird, insbesondere die zweite Linse bewegt wird. Die Linse wird hierbei in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegt, so dass die Ablenkung der Teillaserstrahlen in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auf oder in dem Werkstück bewirkt wird.
Insbesondere können zur Bewegung der Teillaserstrahlen auch Teile der Mikrolinsenarrayoptik bewegt werden. Dabei kann es genügen, wenn in dem System aus Mikrolinsenarrays einzelne Mikrolinsenarrays bewegt werden. Die Bewegungsamplitude des Teils der Bearbeitungsoptik, insbesondere des bewegten Mikrolinsenarrays oder der Umpositionierungsoptik definiert somit den Auslenkungsbetrag entlang der Trennlinie. Ist der Teil der Bearbeitungsoptik oder der Umpositionierungsoptik nicht ausgelenkt, so wird durch die Abbildung der Teillaserstrahlen auf das Material die Ausgangsposition der Teillaserstrahlen auf dem Material festgelegt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1A eine schematische Darstellung eines bekannten Verfahrens zum Trennen eines
Werkstücks;
Figur 1 B eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Trennen eines Werkstücks gemäß der vorliegenden Offenbarung;
Figur 2A, B, C schematische Darstellungen zur Erläuterung der Abstandsbestimmung der Teillaserstrahlen;
Figur 3A, B schematische Darstellungen der Zeitabhängigkeit beim Einbringen der
Teillaserstrahlen;
Figur 4 eine schematische Darstellung der polarisierenden Strahlteileroptiken;
Figur 5A, B, C schematische Darstellungen verschiedener Möglichkeiten zur Erzeugung von Teillaserstrahlen mit orthogonaler Polarisation, sowie optische Anordnung von Strahlteilungs- und Wobbelelementen und zugehörigen Optiken zur Abbildung auf das Werkstück;
Figur 6 eine schematische Darstellung des Verfahrens mit Teillaserstrahlen mit orthogonaler Polarisation; und
Figur 7 eine weitere Darstellung des Verfahrens mit Teillaserstrahlen mit orthogonaler Polarisation.
Detaillierte
Figure imgf000019_0001
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In Figur 1 A ist schematisch ein bekanntes Verfahren zum Trennen eines Werkstücks 1 gezeigt. Das Werkstück 1 wird dabei mit Hilfe von Teillaserstrahlen 26, die mit einer hier nicht gezeigten Strahlteileroptik aus einem oder mehreren einfallenden Laserstrahlen erzeugt werden, getrennt. Hierfür werden die verschiedenen Teillaserstrahlen 26 entlang der gewünschten Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht. Insbesondere können die Werkstücke transparent sein, oder teilweise transparent oder teilweise opak oder vollständig opak für die verwendete Laserwellenlänge sein. Die Laserpulse, welche die eingebrachten Teillaserstrahlen 26 ausbilden und welche im Werkstück 1 zumindest teilweise absorbiert werden, führen zumindest in den jeweiligen Fokuszonen 24 der Teillaserstrahlen 26 zu einem Erhitzen des Materials des Werkstücks 1 , sodass in diesen Bereichen das erhitzte Material beispielsweise durch Sublimation oder Heraustreiben von geschmolzenem Material, alternativ durch einen photomechanischen Abtrag beziehungsweise Spallation herausgelöst wird. Dadurch findet ein Materialabtrag statt, der schließlich zu einem Trennen des Werkstücks 1 führt.
Um einen gleichmäßigen Materialabtrag entlang der Trennlinie 10 zu gewährleisten, werden in den bekannten Verfahren die Teillaserstrahlen 26 beispielsweise mit einem Scannersystem oder einem Achssystem relativ zu dem zu trennenden Werkstück 1 entlang der Trennlinie 10 verschoben, um eine gesamte Verschiebung 3 zu erreichen.
Insbesondere werden die Teillaserstrahlen 26 so verschoben, dass jeder Teillaserstrahl 26 die gesamte Trennlinie 10 überstreicht. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise ein Teillaserstrahl 26 erst das Ende der Trennlinie 10 erreicht, wenn ein anderer Teillaserstrahl 26 bereits über das Werkstück 1 hinaus gefahren ist. Mit anderen Worten überstreichen die Teillaserstrahlen 26 nicht nur den vorgesehenen Bereich der Trennlinie 10, sondern zumindest eine Anzahl der Teillaserstrahlen 26 - üblicher weise alle bis auf einen - werden weiter verschoben, als es die eigentliche Trennlinie 10 erfordert, um entsprechend ein Einwirken aller Teillaserstrahlen 26 entlang der Trennlinie 10 zu erreichen. So kann es durch das Überfahren des eigentlich gewünschten Endes der Trennlinie 10 zu unerwünschten Effekten kommen, wie beispielsweise einer Beschädigung der Werkstückaufnahme. In Figur 1 B ist hingegen das vorgeschlagene Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die verschiedenen Teillaserstrahlen 26 werden beim Durchgang eines Laserstrahls durch eine (später beispielsweise in der Figur 5A schematisch gezeigten) Strahlteileroptik erzeugt. Jeder der Teillaserstrahlen 26 wird mit einer (ebenfalls später beispielsweise in Figur 5A gezeigten) Fokussieroptik auf die Oberfläche und/oder in das Volumen des Werkstücks 1 fokussiert. Alternativ können auch mehrere oder alle der Teillaserstrahlen 26 mit einer einzigen Fokussieroptik auf die Oberfläche oder in das Volumen des Werkstücks 1 fokussiert werden.
Hierbei werden die Teillaserstrahlen 26 nebeneinander und voneinander beanstandet entlang der Trennlinie 10 angeordnet. Insbesondere sind die Teillaserstrahlen 26 so weit voneinander beanstandet, dass es nicht zu Interferenzeffekten zwischen den verschiedenen Teillaserstrahlen kommt. Mit anderen Worten überlappen die Fokuszonen 24 der benachbarten Teillaserstrahlen 26 nicht.
Durch das Einbringen eines Teillaserstrahls 26 in die Fokuszone 24 wird, in Abhängigkeit von der eingebrachten Laserleistung, zunächst nur ein Teil des Werkstücks 1 abgetragen, so dass unterhalb der Fokuszone 24 des Teillaserstrahls 26 Material des Werkstücks 1 verbleibt.
Die Teillaserstrahlen 26, werden nun in ihrer Ausgangsposition in das Werkstück 1 eingebracht und anschließend entlang der Trennlinie 10 ausgelenkt. Der Betrag der Auslenkung 30 ist hierbei kleiner oder gleich dem Abstand zweier benachbarter Teillaserstrahlen 26. Anschließend werden die Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie 10 wieder die Ausgangsposition zurückbewegt. Mit anderen Worten werden die Teillaserstrahlen 26 ausgehend von der Ausgangsposition so hin und her bewegt, dass der jeweilige Teillaserstrahl 26 höchstens in eine Überlappung mit der Ausgangsposition des jeweils direkt benachbarten Teillaserstrahls 26 kommt.
Insbesondere kann diese hin und her Bewegung periodisch sein. Eine solche hin und her Bewegung der Teillaserstrahlen kann auch als Wobbelbewegung bezeichnet werden.
Während die Teillaserstrahlen 26 bewegt werden, werden die den jeweiligen Teillaserstrahl 26 ausbildenden Laserpulse so in das Werkstück 1 eingebracht, dass sie einen Energieeintrag entlang der Trennlinie 10 erreichen. Somit ist ein gleichmäßiger Materialabtrag sichergestellt.
Figur 2A zeigt eine Skizze zur Verdeutlichung der Abstandsbestimmung der Teillaserstrahlen 26 zueinander. Hierbei wird angenommen, dass die Oberfläche 12 des Werkstücks 1 eine Krümmung aufweist oder uneben ist. Die Abstandsbestimmung ist aber analog für flache Oberflächen 12 durchzuführen. Im Allgemeinen weisen die Wafer bei dem bevorzugten Einsatz des Verfahrens in der Waferbearbeitung jedoch kaum Krümmungen auf.
Eine Strahlteileroptik teilt den Laserstrahl 2 in diesem Falle in einen ersten Teillaserstrahl 260 und einen zweiten Teillaserstrahl 262. Der erste Teillaserstrahl 260 verläuft im Wesentlichen parallel zu dem zweiten Teillaserstrahl 262, wobei die Fokuszone 22 des ersten Teillaserstrahls 260 im Volumen des Werkstücks 1 liegt und die Fokuszone 24 des zweiten Teillaserstrahls 262 auf der Oberfläche 12 des Werkstücks 1 liegt. Für die Abstandsbestimmung der beiden Teillaserstrahlen ist lediglich der direkte Abstand L der Teillaserstrahlen 260, 262 relevant, wobei der Abstand L zwischen den Strahlachsen des ersten und zweiten Teillaserstrahls gemessen wird.
Figur 2B zeigt die Situation der Figur 2A in Draufsicht. Die beiden Teillaserstrahlen 260 und 262 werden beabstandet und nebeneinander entlang der Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht. Aus der Vogelperspektive ist die Wölbung der Oberfläche 12 des Werkstücks 1 nicht zu sehen, so dass sich für die Bestimmung des Abstands L der beiden Teillaserstrahlen 260, 262 die direkte geometrische Verbindung der beiden Strahlachsen der Teillaserstrahlen 260 und 262 eignet.
In Figur 2C ist eine weitere Seitenansicht des Verfahrens gezeigt, insbesondere ist gezeigt, dass eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 26 in das Werkstück 1 eingebracht werden können. Die Teillaserstrahlen 26 sind alle in die gleiche Fokusebene fokussiert. Dies bedeutet, dass alle Fokuszonen in einer Ebene liegen. Die Fokusebene ist hier gegeben durch die Oberfläche 12 des Werkstücks 1 .
In Figur 2D sind verschiedene dreidimensionale Fokusverteilungen der Strahlteileroptik gezeigt, wobei die Intensitätsmaxima der Teillaserstrahlen sowohl auf der Oberfläche, als auch in dem Volumen des Werkstücks liegen. Der Laserstrahl fällt von der negativen z-Richtung auf die Oberfläche 12 des Werkstücks bei z=0, wobei das Volumen des Materials in dem positiven z- Bereich liegt.
In Figur 3A ist eine schematische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer möglichen Bewegung und Auslenkung vom Teillaserstrahlen 260, 262, 264 während der hin und her Bewegung gezeigt.
Diese Teillaserstrahlen 260, 262, 264 werden beispielsweise durch eine Strahlteileroptik erzeugt und mithilfe einer Fokussieroptik in das Werkstück 1 oder auf die Oberfläche 12 des Werkstücks 1 fokussiert. In der gezeigten Ausführungsform sind die Teillaserstrahlen gleichmäßig zueinander beanstandet, d.h. der Abstand L zwischen zwei benachbarten Teillaserstrahlen 26 ist immer, also zu jeder Zeit, gleich groß.
Des Weiteren erstreckt sich die x-Achse des Diagramms entlang der Trennlinie 10, wohingegen die y-Achse die Zeitachse t darstellt. Der erste Teillaserstrahl 260 wird in das Werkstück 1 fokussiert, sodass die Laserpulse beispielsweise eines Ultrakurzpulslasers in der Fokuszone 24 des ersten Teillaserstrahls 260 einen Materialabtrag in dem Werkstück 1 herbeiführen. Dies kann beispielsweise durch einen Mechanismus geschehen, der als Laserablation oder Laserbohren oder Laserschneiden bekannt ist. Durch jeden Puls oder jeden Pulszug des gepulsten Lasers wird ein bestimmter Materialabtrag erreicht.
Die folgende Beschreibung wird explizit für den ersten Teillaserstrahl 260 vorgenommen, sie gilt für die anderen Teillaserstrahlen 262, 264 jedoch analog. Der erste Teillaserstrahl 260 wird von seiner Ausgangsposition X01 zunächst entlang der Trennlinie 10 ausgelenkt, und zwar um den Auslenkungsbetrag 300. Während der Teillaserstrahl 260 ausgelenkt wird, werden vom gepulsten Laser beispielsweise kontinuierlich Pulse abgegeben. Dadurch werden auf der Strecke zwischen der Ausgangsposition X01 und dem Punkt, in dem der Auslenkungsbetrag 300 erreicht ist, beispielsweise drei Laserpulse in das Werkstück 1 eingebracht. Danach wird der erste Teillaserstrahl 260 wieder zurück in seine Ausgangsposition X01 bewegt, sodass beim Erreichen der Ausgangsposition X01 insgesamt fünf Laserpulse in das Werkstück 1 eingebracht wurden. Anschließend wird der Teillaserstrahl 262 entlang Trennlinie 10 in der entgegengesetzten Richtung bewegt, bis ein Auslenkungsbetrag 302 erreicht ist. Der Auslenkungsbetrag 302 ist in der Figur vom Auslenkungsbetrag 300 verschieden, sodass die Bewegung insbesondere asymmetrisch ist. Jedoch findet die Auslenkung stets entlang der Trennlinie 10 statt. Bis zu dem Umkehrpunkt an dem der Auslenkungsbetrag 302 erreicht ist, wurden dann insgesamt neun Laserpulse in das Werkstück 1 eingebracht. Anschließend wird der Teillaserstrahl 260 wieder entlang der Trennlinie 10 in die Ausgangsposition X01 gebracht, wobei weitere vier Laserpulse in das Werkstück 1 eingebracht werden.
Die Bewegung im ersten Teil der Bewegung, in dem die Laserpulse in der Figur rechts von der Ausgangsposition eingebracht wurden, wurde mit einer ersten Geschwindigkeit vorgenommen. Die Bewegung im zweiten Teil der Bewegung, in dem die Laserpulse in der Figur links von der Ausgangsposition eingebracht wurden, wurde mit einer zweiten Geschwindigkeit vorgenommen. Insbesondere können diese Bewegungen auch mit einem Geschwindigkeitsprofil angefahren werden - beispielsweise können sägezahn-förmige Kurven, oder Sinus-förmige Kurven, oder Cosinus-förmige Kurven, oder Dreieckskurven verwendet werden.
Die Pulsrate des gepulsten Lasers kann hierbei angepasst werden, sodass von jedem Teillaserstrahl 26 auf der Trennlinie 10 die Pulse gleichmäßig in das Werkstück 1 eingebracht werden, wodurch ein gleichmäßiger Materialabtrag stattfindet. Insbesondere kann die Bewegungsgeschwindigkeit hierbei auch an den Auslenkungsbetrag angepasst werden, sodass pro Auslenkungsbetrag stets gleich viele Laserpulse in das Werkstück 1 eingebracht werden.
Der Teillaserstrahl 260 wird zusammen mit dem zweiten Teillaserstrahl 262 und im dritten Teillaserstrahl 264 in das Werkstück 1 eingebracht. Zur Startzeit T0 befinden sich alle Teillaserstrahlen in ihren Ausgangspositionen X01 , X02 und X03. Danach werden alle Teillaserstrahlen um den Auslenkungsbetrag 300 entlang der Trennlinie 10 verschoben, anschließend in die Ausgangsposition zurückgeführt, anschließend entlang der Trennlinie 10 in der entgegengesetzten Richtung um den Auslenkungsbetrag 302 verschoben und schließlich wieder in die Ausgangspositionen zurückgeführt. Der Abstand L der Teillaserstrahlen ist hierbei stets gleich, so dass die Bewegung der Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie 10 auch gleich ist.
Die Auslenkungsbeträge 300, 302 entlang der Trennlinie 10 können hierbei so gewählt werden, dass deren Summe genau dem Abstand der Teillaserstrahlen entspricht. Dadurch wird sichergestellt, dass benachbarte Teillaserstrahlen denselben Punkt auf der Trennlinie 10 überstreichen. Beispielsweise überstreicht der zweite Teillaserstrahl 262 bei seiner maximalen Auslenkung um den Auslenkungsbetrag 302 entlang der Trennlinie 10 denselben Punkt auf der Trennlinie 10, den der erste Teillaserstrahl 260 bei seinem maximalen Auslenkungsbetrag 300 entlang der Trennlinie 10 erreicht. Dasselbe gilt analog für die beiden Teillaserstrahlen 262 und 264. Da benachbarte Teillaserstrahlen denselben Punkt der Trennlinie 10 überstreichen ist somit ein gleichmäßiger Materialabtrag sichergestellt.
In Figur 3B sind die eingebrachten Laserpulse der verschiedenen Teillaserstrahlen 260, 262, 264 gezeigt aus der Vogelperspektive auf dem Werkstück 1 gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass entlang der Trennlinie 10 kein Punkt nicht von den Teillaserstrahlen überstrichen wurde, sodass ein gleichmäßiger Materialabtrag gewährleistet ist.
Benachbarte Teillaserstrahlen 260, 262, 264 können nicht in beliebig kleinem Abstand zueinander in das Werkstück 1 eingebracht werden, sofern die benachbarten Teillaserstrahlen dieselbe Polarisation aufweisen. Dies liegt an auftretenden Interferenzeffekten, durch die sich die benachbarten Teillaserstrahlen lokal teilweise gegenseitig aufheben (destruktive Interferenz) bzw. verstärken (konstruktive Interferenz) könnten. Weisen hingegen benachbarte Teillaserstrahlen unterschiedliche, insbesondere orthogonale, Polarisationen zueinander auf, dann können die Teillaserstrahlen nicht miteinander interferieren. Aus diesem Grund kann der Laserstrahl 2 in verschiedene Polarisationskomponenten aufgespaltet werden und aus diesen Polarisationskomponenten können wiederum die Teillaserstrahlen geformt werden, die dann in das Werkstück 1 eingebracht werden.
In den Figuren 4A, B sind dazu schematisch gezeigte doppelbrechenden Polarisartorelemente 4 gezeigt, mit denen es möglich ist, einen Laserstrahl 2 in verschiedene Polarisationskomponenten zu zerlegen. Die doppelbrechenden Polarisatorelemente 4 können beispielsweise in Form eines doppelbrechenden Kristalls vorgesehen sein. Als Kristall-Material für das Polarisatorelement 4 können unterschiedliche doppelbrechende Materialien verwendet werden, z.B. alpha-BBO (alpha- Bariumborat), YVO4 (Yttrium-Vanadat), kristalliner Quarz, etc.
Das doppelbrechende Polarisatorelement 4 in Figur 4A ist keilförmig ausgebildet, d.h. eine plane Strahleintrittsfläche 40 zum Eintritt eines eintretenden Laserstrahls 2 und eine plane Strahlaustrittsfläche 42 des Polarisatorelements 4 sind unter einem (Keil-)Winkel zueinander ausgerichtet. Die bzw. eine optische Achse 44 des Kristall-Materials ist parallel zur Strahleintrittsfläche 40 ausgerichtet.
Der in das doppelbrechende Polarisatorelement 4 senkrecht zur Strahleintrittsfläche 40 eintretende unpolarisierte oder zirkular polarisiert eintretende Laserstrahl 2 wird an der unter einem Winkel zur Strahleintrittsfläche 40 geneigten Strahlaustrittsfläche 42 in zwei Teillaserstrahlen 26 aufgeteilt, die senkrecht zueinander (s- bzw. p-polarisiert) sind. In Figur 4A ist wie allgemein üblich der s- polarisierte Teillaserstrahl 26 durch einen Punkt gekennzeichnet, während der zweite, p- polarisierte Teillaserstrahl 26 durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet ist. Der erste, p-polarisierte Teillaserstrahl 26 wird beim Austritt aus dem doppelbrechenden Polarisatorelement 4 weniger stark gebrochen als der zweite, s-polarisierte Teillaserstrahl 26, so dass ein Winkelversatz a zwischen dem ersten und dem zweiten Teillaserstrahl 26 auftritt. Der erste und zweite Teillaserstrahl 26 treten hierbei an derselben Stelle an der Strahlaustrittsfläche 42 aus dem doppelbrechenden Polarisatorelement 4 aus, d.h. es wird zwar ein Winkelversatz a, aber kein Ortsversatz zwischen den beiden Teillaserstrahlen 26 erzeugt.
Bei dem in Figur 4B gezeigten Polarisatorelement 4 sind die Strahleintrittsfläche 40 und die
Strahlaustrittsfläche 42 parallel zueinander ausgerichtet und die optische Achse 44 des Kristall- Materials ist unter einem Winkel von 45° zur Strahleintrittsfläche 40 ausgerichtet. Der senkrecht zur Strahleintrittsfläche 40 auftreffende Eingangsstrahl 2 wird in diesem Fall an der Strahleintrittsfläche 2a in einen ersten, ordentlichen Teillaserstrahl 260 und einen zweiten, außerordentlichen Teillaserstrahl 26AO aufgeteilt. Die beiden Teillaserstrahlen 26 treten an der Strahlaustrittsfläche 42 parallel, d.h. ohne einen Winkelversatz, aber mit einem Ortsversatz Ax aus.
Die beiden in Figuren 4A, B dargestellten doppelbrechenden Polarisatorelemente 4 unterscheiden sich somit grundlegend dadurch, dass das in Figur 4A gezeigte Polarisatorelement 4 einen Winkelversatz a (ohne Ortsversatz) und dass das in Figur 4B gezeigte Polarisatorelement 4 einen Ortsversatz Ax (ohne Winkelversatz) erzeugt. Beide Polarisatorelemente 4 können eine Komponente einer Bearbeitungsoptik 6 bilden, die beispielsweise wie in Figur 5A dargestellt ausgebildet sein kann. Es versteht sich, dass die Bearbeitungsoptik 6 auch Polarisatorelemente aufweisen kann, die sowohl einen Ortsversatz Ax als auch einen Winkelversatz a erzeugen, wie dies bei herkömmlichen Prismen-Polarisatoren der Fall ist, die in der Regel zwei doppelbrechende optische Elemente aufweisen.
Figur 5A zeigt eine Bearbeitungsoptik 6, die ein doppelbrechendes Polarisatorelement 4 zur Zerlegung des Laserstrahls 2 in senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen, eine diffraktive Strahlteileroptik 62 zur Erzeugung einer Mehrzahl von Paaren von Teillaserstrahlen 26 unterschiedlicher Polarisation, sowie eine schematisch angedeutete Fokussieroptik 64 zur Fokussierung der Teillaserstrahlen 26 in Fokuszonen 24, umfasst.
Die in Figur 5A dargestellte Bearbeitungsoptik 6 weist eine Fokussieroptik 64 auf, die zur Fokussierung der Teillaserstrahlen 26 auf eine Fokusebene dient, die in Figur 5A an der Oberfläche 12 eines zu bearbeitenden Werkstück 1 liegt.
Anders als in Figur 5A dargestellt ist, kann die Fokusebene aber auch über der Oberfläche 12 oder im Werkstück 1 liegen. Der eintretenden Laserstrahl 2, beispielsweise eines gepulsten Lasers oder Ultrakurzpulslaser, trifft auf das doppelbrechende Polarisatorelement 4, in welchem zwei Teillaserstrahlen 26 erzeugt werden.
Bei der in Figur 5A gezeigten Bearbeitungsoptik 6 ist eine diffraktive Strahlteileroptik 62 im Strahlengang nach dem Polarisatorelement 4 angeordnet. Die diffraktive Strahlteileroptik 62 kann alternativ jedoch auch vor dem Polarisatorelement 4 angeordnet sein. Die in Figur 5A dargestellte Bearbeitungsoptik 6 kann mindestens teilweise relativ zum Werkstück 1 bewegt werden, so dass dadurch eine Bewegung der Teillaserstrahlen 26 entlang der Trennlinie 10 ermöglicht wird.
Bei der in Figur 5A dargestellten Bearbeitungsoptik 6 ist das doppelbrechende Polarisatorelement 4 in einer zur Fokusebene optisch konjugierten Ebene angeordnet. Die optisch konjugierte Ebene ist mit der Fokusebene durch eine Winkel-zu-Orts-Transformation (Fourier-Transformation) verknüpft, die von der Fokussieroptik 64 erzeugt wird. Winkel in der optisch konjugierten Ebene entsprechen Orten in der Fokusebene und umgekehrt. Die beiden mit dem Winkelversatz a aus dem Polarisatorelement 4 austretenden Teillaserstrahlen 26 werden daher mit einem Ortsversatz Ax der beiden Zentren der Fokuszonen 24 in der Fokusebene fokussiert. Der Ortsversatz ist dabei kleiner als der Durchmesser der Fokuszonen 24, so dass die beiden Fokuszonen 24 einander überlappen. Aufgrund des nicht vorhandenen Ortsversatzes der beiden aus dem Polarisatorelement 4 austretenden Teillaserstrahlen 26 sind die beiden Teillaserstrahlen 26 nach dem Durchlaufen der Fokussieroptik 64 parallel und senkrecht zur Fokusebene ausgerichtet.
Die Fokuszonen 24 eines Paares von benachbarten Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisation werden von jeweils senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen 26 gebildet, die sich teilweise überlappen. Zusätzlich überlappen sich auch die Fokuszonen 24 von jeweils zwei senkrecht zueinander polarisierten Teillaserstrahlen 26 von jeweils zwei unmittelbar benachbarten Paaren. Bei allen in Figur 5A dargestellten Fokuszonen 24 überlappen sich nur senkrecht zueinander polarisierte Teillaserstrahlen 26, so dass keine Interferenzeffekte zwischen den Teillaserstrahlen 26 gleicher Polarisation auftreten. Die auf diese Weise in der Fokusebene erzeugte, im Wesentlichen linienförmige Intensitätsverteilung, erstreckt sich entlang der Trennlinie 10.
Vorteilhaft kann weiterhin der Beugungswinkel des diffraktiven optischen Elements, bzw. der diffraktiven Strahlteileroptik 62, bei ca. 6° liegen, sodass sich ein Abstand zwischen Werkstück und diffraktiver Strahlteileroptik von 56mm ergibt. Somit können über einer Länge von rechnerisch 11 ,76mm entlang einer Trennlinie 10 Teillaserstrahlen in das Werkstück 1 eingebracht werden.
Analog zur Figur 5A kann das alternierend polarisierte Intensitätsprofil auch mit einem doppelbrechenden Polarisationselement 4 nach Figur 4B erzeugt werden, bei dem die Teillaserstrahlen des doppelbrechenden Polarisationselement 4 mit einem Ortsversatz verlassen. Da in der konjugierten Ebene jedoch ein Winkelversatz notwendig ist, um die Teillaserstrahlen 26 parallel zueinander auf das Werkstück 1 zu fokussieren, ist mindestens eine weitere Linsenanordnung nötig, um die ein Strahlwinkel der Teillaserstrahlen 26 auf das Werkstück 1 zu korrigieren (nicht gezeigt).
In Figur 5B wird eine alternative Ausgestaltung zur Erzeugung von Teillaserstrahlen 26 schematisch gezeigt.
Die Figur 5B zeigt eine Mikrolinsenarray-Optik, also eine Strahlteileroptik 62, wie sie zur Strahlteilung eingesetzt wird. Ein einfallender Laserstrahl 2 eines Lasers 21 wird durch eine optionale Teleskopoptik 61 geführt, um den Durchmesser des Laserstrahls 2 anzupassen und wird anschließend durch die Mikrolinsenarray-Optik geführt, um mehrere Teillaserstrahlen 26 zu erzeugen. Der einfallende Laserstrahl 2 ist hierbei zumindest bezüglich derx-Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) kollimiert.
Der einfallende Laserstrahl 2 durchläuft vier Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4. Jedes Mikrolinsenarray MLA1-MLA4 verfügt über in x-Richtung aufgereihte Mikrolinsen 622 mit einer Subapertur a. Die Subapertur a gemessen entlang derx-Richtung ist für alle Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 gleich.
Die Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 bzw. deren Mikrolinsen 622 können alle unterschiedliche Brennweiten f1-f4 aufweisen. Innerhalb eines jeweiligen Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 ist die Brennweite f1-f4 der Mikrolinsen 622 einheitlich.
In der Figur 5B sind alle Mikrolinsen 622 konvexe Linsen. Die Mikrolinsen 622 des MLA1 können jedoch auch konkave Linsen sein und die Mikrolinsen der MLA2-MLA4 können konvexe Linsen sein (nicht gezeigt). Hierdurch wird eine Aufweitung des Laserstrahls 2 ermöglicht, so dass die Spitzenintensität des Laserstrahls 2 zwischen den Mikrolinsenarrays 622 abgeschwächt wird. Dadurch kann eine Zerstörung der nachfolgenden optischen Elemente vermieden werden. Die Anzahl an konvexen Mikrolinsenarrays ist bei einem Aufbau mit vier Mikrolinsen jedoch auf zwei beschränkt.
Durch die Mikrolinsenarrays MLA1-MLA4 wird jeder Punkt einer jeweiligen Mikrolinse in der Ebene des ersten Mikrolinsenarrays MLA1 in einen Winkel abgebildet, also ein Winkelspektrum erzeugt. Dieses Winkelspektrum wird mit einer Fokussieroptik 6 in einer Brennebene, beispielsweise in oder auf ein Werkstück 1 abgebildet. Hierbei entstehen die Teillaserstrahlen 26 durch Interferenz- und Beugungseffekte im Strahlengang.
Figur 5C zeigt eine weitere Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens. Die Strahlteileroptik 62 erzeugt hierbei verschiedene Teillaserstrahlen, die von einer Linsenoptik 8, bestehend aus einer ersten Linse 80 und einer zweiten Linse 82 zur Fokussieroptik 64 geleitet werden. Die Linsenoptik 8 ist hierbei Teil der Bearbeitungsoptik 6. Durch die Linsenoptik 8 entsteht zwischen der zweiten Linse 82 und der Fokussieroptik 64 eine optische Ebene 86, in der eine Umpositionierungsoptik 88 eingebracht werden kann, mit der die Teillaserstrahlen wiederholt entlang der Trennlinie von ihrer Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt werden und anschließend entlang der Trennlinie zurückbewegt werden können. Insbesondere können dabei die Teillaserstrahlen in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bewegt werden.
Beispielsweise kann die Umpositionierungsoptik 88, ein Piezospiegel, ein Galvanometerscanner, ein akustooptischer Deflektor, ein Polygonrad oder zwei kontinuierlich zueinander gedrehte Keilplatten, deren Rotationsachse der optischen Achse und deren Rotationsfrequenz der Frequenz der Umpositionierung entspricht, sein. Alternativ kann auch die zweite Linse 82 transversal bewegt werden, um eine Umpositionierung der Teillaserstrahlen auf oder in dem Werkstück zu erreichen.
Alternativ kann auch ein diffraktives optisches Element in die Umpositionierungsoptik geschrieben werden, welches die Funktion der Strahlteileroptik 62 übernimmt, so dass die Linsenoptik 8 entfallen kann.
In Figur 6 ist schematisch das Verfahren vorgestellt, wobei benachbarte Teillaserstrahlen unterschiedliche, insbesondere orthogonale, Polarisationsrichtungen aufweisen. Der Laserstrahl 2 des gepulsten Lasers wird mithilfe einer Bearbeitungsoptik 6, wie beispielsweise in Figur 5A oder 5B gezeigt, in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 26 aufgespalten, wobei die benachbarten Teillaserstrahlen 26 eine orthogonale Polarisation zueinander aufweisen und wobei der Abstand der benachbarten Teillaserstrahlen beispielsweise kleiner sein kann als der Durchmesser der Fokuszonen 24. Dies bedingt, dass benachbarte Fokuszonen 24 für Teillaserstrahlen 26 mit unterschiedlicher Polarisation überlappen. Wegen der unterschiedlichen Polarisation kommt es jedoch nicht zu störenden Interferenzeffekten. Es kann aber auch sein, dass die verschiedenen Teillaserstrahlen 26 einen deutlich größeren Abstand als den Durchmesser der Fokuszonen 24 aufweisen. Prinzipiell ist es möglich, über das Polarisatorelement den Abstand L der Teillaserstrahlen unterschiedlicher Polarisation einzustellen. Mithilfe der Strahlteileroptik 62 ist es hingegen möglich die Anzahl an Teillaserstrahlen 26 sowie den Abstand der Teillaserstrahlen 26 gleicher Polarisation einzustellen.
Das Verwenden von Teillaserstrahlen 26 mit unterschiedlicher Polarisation ist insofern vorteilhaft, weil sich die unterschiedliche Polarisationsrichtung relativ zur Trennlinie 10 auf die Abtragstiefe pro Puls sowie auf die Qualität der Abtragskante auswirkt. Beispielsweise ist eine Polarisation senkrecht zur Trennlinie 10 dazu geeignet, die Bruchfestigkeit entlang der Schnittkante zu erhöhen. Eine Polarisation parallel zur Trennlinie 10 kann hingegen zu einem besonders effektiven Materialabtrag führen. Durch das Auffüllen der Positionen zwischen zwei gleich polarisierten Teillaserstrahlen mit Teillaserstrahlen anderer Polarisation, kann so Effizienz- und Qualitätssteigerungen der unterschiedlichen Polarisationen durch unterschiedliche Bearbeitungsstrategien ausgenutzt werden.
In den Figuren 7A bis 7C sind verschiedene Bearbeitungsstrategien mit dem Verfahren gezeigt.
In Figur 7A werden in einem ersten Schritt eine Vielzahl von Teillaserstrahlen 26 in das Werkstück 1 entlang der Trennlinie 10 eingebracht. Die benachbarten Teillaserstrahlen 26 weisen unterschiedliche Polarisationen auf. Insbesondere werden die benachbarten Teillaserstrahlen in einem geringen Abstand zueinander in das Werkstück 1 eingebracht. Die Teillaserstrahlen 26 werden entlang der Trennlinie 10 ausgelenkt bzw. periodisch ausgelenkt, so dass benachbarte Teillaserstrahlen denselben Ort auf der Trennlinie 10 überstreichen. Die Auslenkung kann aber auch kleiner als der Abstand benachbarter Teillaserstrahlen sein. Da der Abstand beispielsweise so gering ist, ist die Intensitätsverteilung der Teillaserstrahlen entlang der Trennlinie 10 sehr homogen, so dass ein homogener Materialabtrag entlang der Trennlinie 10 möglich ist.
In einem zweiten Schritt können dann beispielsweise die Polarisationskomponenten orthogonal zur Trennlinie 10 ausgeschaltet werden, beispielsweise indem eines der optischen Elemente in der Bearbeitungsoptik 6 variiert wird, beispielsweise eine A/2-Platte rotiert wird oder eine Pockelszelle geschalten wird, oder die orthogonalen Polarisationskomponenten gefiltert werden, sodass lediglich Teillaserstrahlen 26 mit einer Polarisation parallel zur Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht werden. Indem im zweiten Schritt nur Teillaserstrahlen mit einer Polarisation parallel zur Trennlinie 10 in das Werkstück 1 eingebracht werden, kann so die Abtragstiefe effizient vergrößert werden.
Ein wesentlicher Vorteil des zweischrittigen Verfahrens ist hierbei die Bearbeitung des Werkstücks mit insgesamt der doppelten Intensität mit paralleler Polarisation im Vergleich zur orthogonalen Polarisation. Da die sich aus dem ersten Schritt ergebende Abtragsgeometrie beispielsweise Gaußförmig ist und die auf der Oberfläche resultierende Intensität entsprechend mit zunehmender Tiefe abnimmt, erreichen die Randbereiche des Strahls nicht mehr über die materialspezifische Abtragsschwelle und können daher nicht mehr effizient zu einem Abtrag beitragen. Typischerweise beträgt das Verhältnis von Intensität auf der Oberfläche zur materialspezifischen Abtragsschwelle zwischen 1 bis 100, bevorzugt zwischen 5 und 10. In Figur 7B wird eine Variation des Verfahrens gezeigt, in dem in einem ersten Schritt lediglich Teillaserstrahl 26 mit einer Polarisation orthogonal zur Ausrichtung der Trennlinie verwendet werden. In dem ersten Schritt wird durch die orthogonale Ausrichtung eine hohe Bruchfestigkeit an der Schnittkante erzeugt. In einem zweiten Schritt werden anschließend nur Teillaserstrahlen mit einer Polarisation parallel zur Trennlinie 10 verwendet, sodass mit hoher Effizient das Material getrennt werden kann.
In Figur 7C ist eine weitere Variation des Verfahrens gezeigt, wobei in einem ersten Schritt analog zu Figur 7A Teillaserstrahlen in das Werkstück 1 eingebracht werden, wobei benachbarte Teillaserstrahlen orthogonal zueinander polarisiert sind. In einem zweiten Schritt kann dann mittels Teillaserstrahlen, die parallel zur Trennlinie 10 polarisiert sind, eine hohe Bruchfestigkeit der Trennkante erzeugt werden, wobei in einem dritten Schritt lediglich Teillaserstrahl verwendet werden, die senkrecht zur Trennlinie 10 polarisiert sind, um die Abtragstiefe schnell und effizient zu vergrößern. Insgesamt ist durch die verschiedenen Verfahren der Figur 7A, B, C eine hohe Qualität der Schnittkante sichergestellt.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Figure imgf000032_0001
1 Werkstück
10 Trennlinie
12 Oberfläche
2 Laserstrahl
20 Laserpuls
21 Laser
22 Fokuszone
24 Fokuszone
26 Teillaserstrahl
260 erster Teillaserstrahl
262 zweiter Teillaserstrahl
264 dritter Teillaserstrahl
280 erste Polarisation
282 zweite Polarisation
3 Verschiebung
30 Auslenkung
300 Auslenkung entlang der Trennlinie
302 Auslenkung entgegen der Trennlinie
4 doppelbrechendes Polarisatorelement
40 Strahleintrittsfläche
42 Strahlaustrittsfläche
44 optische Achse
6 Bearbeitungsoptik
62 Strahlteileroptik
622 Mikrolinse
64 Fokussieroptik
8 Linsenoptik
80 erste Linse
82 zweite Linse
86 optische Ebene
88 Umpositionierungsoptik
L Abstand
MLA Mikrolinsenarray

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (1) entlang einer Trennlinie (10) mittels Laserpulsen (20) eines Laserstrahls (2), bevorzugt mittels ultrakurzer Pulse eines Ultrakurzpulslasers, wobei der Laserstrahl (2) mit einer Strahlteileroptik (62) in mehrere Teillaserstrahlen (26) aufgespalten wird und jeder der Teillaserstrahlen (26) so mit einer Fokussieroptik (64) auf die Oberfläche (12) und/oder in das Volumen des Werkstücks (1) fokussiert wird, dass die Teillaserstrahlen (26) nebeneinander und voneinander beabstandet entlang der Trennlinie (10) angeordnet sind, wobei durch das Einbringen der Laserpulse (20) in das Werkstück (1) entlang der Trennlinie (10) ein Materialabtrag in dem Werkstück (1) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Teillaserstrahlen (26) wiederholt entlang der Trennlinie (10) von ihrer Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag wegbewegt werden und anschließend entlang der Trennlinie (10) in die Ausgangsposition zurückbewegt werden, wobei der Auslenkungsbetrag kleiner oder gleich dem Abstand (L) zweier benachbarter Teillaserstrahlen (26) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) von der Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag weg und wieder zurück in die Ausgangsposition periodisch durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsposition nach Durchführung mindestens einer Bewegung der Teillaserstrahlen (26) von der Ausgangsposition um einen Auslenkungsbetrag weg und wieder zurück in die Ausgangsposition um einen Verschiebungsbetrag entlang der Trennlinie (10) verschoben wird und die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) erneut ausgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teillaserstrahlen (26) gleichzeitig die gleiche Bewegung durchführen.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) der Trennlinie (10) folgt und insbesondere bei einer geraden Trennlinie (10) die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) eine der geraden Form der Trennlinie (10) folgende lineare Auslenkung ist und bei einer gebogenen Trennlinie (10) die Auslenkung der Teillaserstrahlen (26) eine der gebogenen Form der Trennlinie (10) folgende Auslenkung ist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) mit der Repetitionsrate des den Laserstrahl (2) bereitstellenden Lasers korreliert wird, um einen gleichmäßigen Materialabtrag zu gewährleisten.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) und/oder die Teillaserstrahlen (26) beim Durchlauf durch ein doppelbrechendes Polarisatorelement (4) in zwei zueinander orthogonale Polarisationskomponenten zerlegt wird und/oder werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom doppelbrechenden Polarisationselement (4) nach Polarisationskomponenten zerlegten, auslaufenden Teillaserstrahlen (26) einen Winkelversatz und/oder Ortsversatz zueinander aufweisen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander und beabstandet voneinander angeordneten Teillaserstrahlen (26) entlang der Trennlinie (10) eine alternierende Polarisation aufweisen.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteileroptik (62) eine diffraktive Strahlteileroptik und/oder ein diffraktives optisches Element (DOE) und/oder ein Mikrolinsenarray (MLA), bevorzugt ein System aus Mikrolinsenarrays, umfasst.
11 . Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Teillaserstrahlen (26) durch eine Bewegung der Fokussieroptik (64) und/oder der Strahlteileroptik (62), bevorzugt durch eine Bewegung von Mikrolinsenarrays (MLA) eines Systems aus Mikrolinsenarrays (MAL), und/oder einer Umpositionierungsoptik erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teillaserstrahlen (26) in die gleiche Fokusebene fokussiert werden.
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