WO2022122251A1 - Laser machining of a material using a gradient filter element - Google Patents

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WO2022122251A1
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Daniel Grossmann
Daniel FLAMM
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for processing a material, in particular for drilling or structuring a material, by means of laser pulses of a laser beam from a pulsed laser, preferably an ultra-short pulse laser.
  • the percussion drilling method mentioned can also be used to drill boreholes that are inclined relative to the material surface.
  • the higher geometric quality and lower conicity of the bore, as well as the possibility of machining hard materials, are also advantageous properties of percussion drilling.
  • a device for processing a material in particular for drilling or structuring a material by means of laser pulses of a laser beam of a pulsed laser, preferably an ultrashort pulse laser, is proposed, comprising a gradient filter element for impressing an intensity gradient formed perpendicularly to the beam propagation direction on the laser beam to form a processing beam profile and further comprising imaging optics for imaging the processing beam profile onto or into the material.
  • holes can be made more reliably in the material according to the given boundary conditions, such as local removal depth and taper angle as well as slope.
  • the material can be essentially non-transparent material such as a metal foil or a polymer or a plastic, or consist of silicon.
  • essentially non-transparent means that the material can partially or completely absorb the laser light of the given wavelength, so that processing energy can be introduced and the material can therefore also be processed.
  • the laser provides the laser pulses that form the laser beam.
  • the laser can also provide bursts of laser pulses, each burst comprising the transmission of a number of laser pulses.
  • the laser can be an ultra-short pulse laser, with the pulse length of the individual laser pulses preferably being shorter than 100 hp is.
  • fundamental-mode ultrashort-pulse lasers are preferred, which provide a laser beam with a diffraction index M 2 ⁇ 1.5, ie have a high beam quality.
  • the beam profile of the laser beam can be described, for example, via a longitudinal beam cross section along the propagation direction of the laser beam and via a lateral beam cross section perpendicular to the propagation direction of the laser beam.
  • a processing beam profile perpendicular to the direction of beam propagation is understood to mean a spatial intensity distribution of the laser beam in the plane perpendicular to the direction of beam propagation.
  • the beam profile perpendicular to the direction of beam propagation from the laser is a Gaussian processing beam profile. This means that each cross section in the plane perpendicular to the direction of beam propagation through the laser beam corresponds to a Gaussian bell curve.
  • the intensity of the laser beam is greatest in the center of the laser beam, while it decreases towards the edge of the laser beam.
  • the beam profile perpendicular to the beam propagation direction, starting from the laser can also have a different shape, for example correspond to a higher laser mode.
  • the intensity gradient is the spatial change in intensity in the beam profile.
  • a gradient filter element is an optical element which is able to correspondingly shape the processing beam profile perpendicularly to the beam propagation direction.
  • a gradient filter element can be, for example, a gradient filter, or an aperture, or a polarization mask, or a combination of these elements.
  • the processing beam profile is accordingly impressed on the incoming beam profile of the laser beam perpendicular to the direction of beam propagation.
  • this can mean that the incoming Gaussian beam profile of the laser is partially clipped. If a diffraction grating is used at the same time, which bends the incoming laser beam as it passes through, corresponding Diffraction orders are cut off, so that the resulting processing beam profile is changed perpendicularly to the beam propagation direction accordingly.
  • the processing beam profile imposed by the gradient filter element is then imaged into the material by imaging optics.
  • An imaging optic can be an imaging optical component, for example.
  • imaging optics can also be a collection of imaging optical components.
  • the processing beam profile is focused into the material and an image of the processing beam profile is thereby generated in the material.
  • the intensity gradient of the processing beam profile is also imaged, so that the spatial change in the incident laser intensity is reproduced by the gradient filter element in the image in the processing plane.
  • the processing beam profile is imaged accordingly in the material by the imaging optics, provided that the focal point of the imaging optics is below the surface of the material, so that the processing beam profile is imaged in the volume of the material.
  • the processing beam profile is imaged onto the material if the focal point of the imaging optics is on the surface of the material or even above the surface.
  • the material absorbs the irradiated laser energy at least partially, which leads to heating of the exposed material or to a transition of the material to a temporary plasma state and evaporation of the material and thus ultimately to the desired removal of the material in the areas exposed to the image of the processing beam profile of the material leads.
  • non-linear absorption processes are also used, which become accessible through the use of high laser energies and in particular through ultra-short laser pulses with high energies.
  • the intensity of the laser beam is maximized at the focus point by the focussing of the processing beam profile by the imaging optics, so that material removal can take place at this point, the spatial expression of which corresponds to that of the processing beam profile.
  • the processing beam profile can have a radially decreasing intensity, for example, but the processing beam profile can also increase abruptly perpendicularly to the beam propagation direction and form a stepped profile.
  • the shape of the processing beam profile makes it possible to prepare the laser beam for a special type of material removal or a specific process step.
  • a specific processing beam profile can be used for planar removal, with the focus being on the homogeneity of the removal over the area.
  • a different specific processing beam profile can be used for drilling a material, with the focus being on the removal depth per laser pulse.
  • such a processing beam profile can be used in a targeted manner to locally change the removal depth of blind holes.
  • the processing beam profile can also be designed in steps, as a result of which a different removal is realized in the center of the borehole than at the edge of the borehole.
  • the depth of removal introduced or the rate of removal can be spatially determined by the introduced intensity.
  • the surface of a material can also be structured, for example built up or polished, so that specific intensity gradients can be used for this.
  • a large, symmetrical intensity gradient can produce a borehole with a steep bore wall, i.e. a large taper angle
  • a small, symmetrical intensity gradient can create a borehole with a flat bore wall, i.e. a small taper angle.
  • the intensity gradient of the processing beam profile is asymmetrical to the center of the beam.
  • the laser beam with the impressed processing beam profile can produce a borehole that has a steeper edge on one side than on the other side. If only the intensity gradient is varied, but the laser energy deposited per surface element remains the same, an equally large removal depth is generated on both sides of the borehole.
  • the overall shape of the borehole can thus be adjusted by the intensity distribution in the processing beam profile.
  • Successive laser pulses with the same applied processing beam profile are emitted at the same location on the material, causing the material to heat up according to the intensity distribution of the processing beam profile.
  • the vaporized material can drive further material, for example ablation products such as particles or liquid material, out of the borehole, so that the subsequent laser pulses reach and vaporize the material layers located at a greater ablation depth.
  • the areas of the material in which the processing beam profile has a high intensity are removed to a particularly great extent, while the areas of the material in which the processing beam profile has a low intensity are removed to a lesser extent.
  • the intensity gradient of the processing beam profile, or the spatial intensity distribution of the processing beam profile is reflected in the finally realized removal geometry of the borehole.
  • the gradient filter element determines the geometry of the drilled hole drilled into the material.
  • the imaging optics preferably comprise two imaging components.
  • an imaging component can in particular be an optical component with imaging properties, such as, for example, with a focusing or collimating effect.
  • imaging properties such as, for example, with a focusing or collimating effect.
  • these include, among other things, imaging or curved mirrors, aspheres, beam-shaping elements, diffractive optical elements, lenses such as converging lenses or scattering lenses, Fresnel zone plates and other free-form components.
  • the two components have the same focal length, with the gradient filter element being at the object-side focus of the first component, the image-side focus of the first component coinciding with the object-side focus of the second component, and the material being at the image-side focus of the second component.
  • the focal planes and the corresponding planes are planes which are oriented perpendicularly to the beam propagation direction and in particular are not curved and are only extended in two dimensions.
  • the optical components lead to slight curvatures and distortions in these planes, so that these planes are usually at least locally curved.
  • the focal point also has a finite volume due to the components used.
  • the focusing of light is typically limited to length scales that are of the order of the wavelength of the light used. This applies in particular both in the beam propagation direction and perpendicular to the beam propagation direction.
  • the components used can also result in a curved focal volume instead of a flat, two-dimensional focal plane, in which an image of the laser beam is still sufficiently sharp, as specified below.
  • a positioning tolerance can be up to 10% or 20%, so that a component that is supposed to be at a distance of 10 cm from a reference point, for example, still enables a sufficiently sharp image even at 9 cm and 11 cm.
  • the images are automatically sufficiently sharp if the components are all positioned within the positioning tolerance.
  • a "coincidence" of two planes or two points means that the associated volumes at least partially overlap.
  • 4f optics which makes it possible to image the processing beam profile generated by the gradient filter element directly in a processing plane in the material and thus to directly shape individual sub-areas of the processed material, such as the borehole walls of a Well in a drilling process, is made possible.
  • the object-side intermediate plane of the imaging optics namely that in which the gradient filter element is arranged, is imaged onto the workpiece. It is thus possible to access the processing plane in the material and adapt the beam shape in the processing plane by engaging in the intermediate plane of the imaging optics on the object side.
  • the object-side foci are the foci of the components on the in
  • the image-side foci are here the focal points of the components on the side facing the material in the direction of the beam.
  • the two components can be lenses with a focal length of 50 mm each and form the imaging optics, with the gradient filter element being 50 mm away from the first lens, ie in the object-side focal point of the first lens.
  • the second lens in the beam direction can be 100 mm away from the first lens, so that the image-side focal point of the first lens coincides with the object-side focal point of the second lens.
  • the material can in turn be 50 mm away from the second lens, i.e. it can be in the focal point of the second lens on the image side.
  • the gradient filter element is 200 mm away from the material, with the 200 mm corresponding to four times the focal length of the lenses.
  • a first lens can also have a smaller focal length than the second lens or vice versa.
  • a first lens can have a focal length of 500 mm and a second lens a focal length of 10 mm.
  • the gradient filter element is then 500 mm in the beam direction in front of the first lens.
  • the second lens follows the first lens at a distance of 510 mm and the material is in the image-side focus of the second lens at a distance of 10 mm in the beam direction.
  • the imaging optics can image the processing beam profile on a reduced scale, in particular reduced by a factor of 2 to 100, into the material.
  • the processing beam profile can thus be generated in the object-side intermediate plane of the imaging optics with a macroscopic gradient filter element, while the material can be processed on a microscopic level in the processing plane. In this way, higher energy densities can also be achieved in the processing plane, so that not only can processing with more precise contours be achieved, but also a higher removal rate can be achieved.
  • the gradient filter element can generate a processing beam profile with an intensity gradient in which the intensity falls to zero over a length of 1 mm from the center of the laser beam to the edge of the laser beam. If this intensity gradient is imaged on the material 100 times smaller, then the intensity in the material falls from the center of the laser beam to the edge of the laser beam to zero over a length of 10 pm. If the processing beam profile is reduced by a factor of 25, for example, then the intensity would be at a length fall from 40 pm to zero. This makes it possible to process the material on a much smaller scale
  • the gradient filter element can be a gradient filter.
  • a graduated filter can be a neutral density filter, for example, with the density of the neutral density filter being location-dependent.
  • the neutral density filter in the center of the filter can have little or no density, so that the incident laser light is transmitted, while the neutral density filter can have a high density at the edge of the filter, so that the incident laser light is not transmitted or only minimally transmitted or absorbed to the maximum becomes.
  • a processing beam profile that differs from the beam profile of the incoming laser can be impressed on the incoming laser beam by the course of the density in the neutral density filter.
  • the graduated filter can also be reflective or partially reflective. In this way, the unwanted beam components can be reflected away from the laser beam instead of being absorbed. In particular, the reflected beam components can be reflected away from the incident laser beam at an angle and then guided into a beam trap in order to destroy them.
  • the gradient filter element can include an element with a locally impressed diffraction grating, hereinafter referred to as a grating or diffraction grating, and an aperture device, with the aperture device being introduced between the first component and the second component, alternatively in front of the first component or is introduced behind the second component, is preferably introduced in the beam path after the diffraction grating and the first component and is set up to intercept selectable orders of diffraction from the beam path.
  • a grating or diffraction grating an aperture device
  • the local course of the diffraction grating on the diffraction grating is designed in such a way that either the useful beam is diffracted in a desired angular range, or the portion to be masked out is diffracted in an angular range.
  • the undesired angular range can be specifically blocked in the further beam path, in particular also with a high laser power to be filtered.
  • the diffraction grating can also generate a gradient function by changing the diffraction efficiency locally, for example by adjusting the step height of the grating.
  • the grating can also have or assume an aperture function. Due to the locally adapted step height, locally different deflection angles are generated, which have different levels of diffraction efficiency.
  • the gradient filter element preferably comprises a polarization element and a polarization splitter.
  • the polarization element (460) can comprise a segmented, i.e. composite and/or progressive, birefringent optical element, in particular a nanograting or a liquid crystal, which imparts radial or azimuthal polarization to the laser beam (30).
  • the polarization element can preferably impose a locally variable polarization change on the laser beam, for example through segmented waveplate elements or through a continuously changing alignment of a birefringent structure, in particular a transparent element with birefringent nanostructures in the volume such as nanograting or liquid crystals.
  • the various components can then be filtered out of the laser beam using a polarization splitter.
  • a local s-polarization then corresponds to complete transmission and a local p-polarization to vanishing transmission.
  • the gradient functions can also be generated by means of intermediate states, for example by proportionate p and s polarization, with which a local 50 percent transmission at the polarization splitter is achieved, for example.
  • the polarization splitter is preferably introduced between the first and the second component, alternatively in front of the first component or behind the second component, and the polarization splitter is set up to reflect laser radiation of selectable polarization to a beam trap or to transmit it to the material to be processed.
  • a polarization element is an optical element that can vary the polarization of the incident laser beam depending on the location.
  • the laser beam hits the gradient filter element with a polarization defined by the laser optics.
  • the polarization of the incident laser beam can be s-polarization, for example, ie polarized perpendicularly to the plane of incidence.
  • the polarization of the laser beam can be partially changed.
  • the polarization in the upper part of the laser beam can be an s-polarization, while in the lower part a p-polarization is specified - that is, polarized there parallel to the plane of incidence.
  • the polarization can also be p-polarization in the center of the beam and have s-polarization at the edge of the beam.
  • the polarization element may also include a waveplate that affects the polarization and phase of the laser light.
  • a waveplate is an ⁇ /2 plate or an ⁇ /4 plate that rotates the polarization of the laser beam depending on the orientation of the polarization relative to an optical axis of the waveplate.
  • an ⁇ /2 plate can also rotate the polarization of the incident laser beam before the laser beam falls on the actual polarization element and thus prepare the laser beam for the actual formation of the beam profile.
  • a polarization splitter is an optical element that deflects the incident laser beam in different directions depending on the polarization.
  • a polarization splitter can be a polarized beam splitter cube or a thin film polarizer.
  • the upper half of the laser beam, which is s-polarized can be left in the beam path, while the p-polarized part of the laser beam can be reflected out of the beam path with the polarization splitter.
  • the desired shape of the intensity gradient remains in the beam path, which is predetermined by the polarization pattern predetermined in the polarization element.
  • the part that is reflected out is guided into a beam trap, for example, and is absorbed there.
  • a further polarization element can be arranged after the polarization splitter in order to adjust the polarization during processing on the workpiece.
  • preforming optics are provided, according to which an imaging component, a diffractive optical element, an n-shaper or adaptive optics is preferably arranged in front of the gradient filter element, with the preforming optics preferably giving the incoming laser beam a flat-top beam profile impressed before the processing beam profile is formed in the gradient filter element.
  • Pre-shaping the beam means that the incoming laser beam, before it hits the gradient filter element, is given a shape and, in particular, an intensity distribution that deviates from the natural beam profile of the laser. This shape can be impressed, for example, by an imaging component that collects the incident laser light from the laser, for example, in a focus point on the gradient filter element.
  • the incoming laser beam can also be given a flat-top beam profile using a diffractive optical element, a TT shaper or adaptive optics.
  • a flat-top beam profile - deviating from the Gaussian beam profile of the incoming laser beam - has a homogeneous intensity of the laser beam over a wide range starting from the center of the laser beam and then suddenly drops to significantly lower values.
  • the flat-top beam profile can be round or elliptical or have a polygonal contour.
  • the pulse duration of the pulsed laser beam can preferably be between 50 fs and 5000 ps, in particular between 100 fs and 10 ps, in particular 1 ps, and/or the maximum fluence can be between 0.01 J/cm 2 and 100 J/cm 2 , in particular between 0.1 J/cm 2 and 10J/cm 2 and/or the repetition rate can be between 1 kHz and 100 MHz and/or the wavelength of the laser beam can be between 50 nm and 3000 nm.
  • optical components used are preferably designed to be efficient enough for the wavelength used, so that optical components made of crystalline quartz or CaF2 can be used, particularly in the case of short wavelengths.
  • a feed device can preferably be provided, preferably a scanner optics and/or a cross table, by means of which the machining beam profile and the material can be shifted relative to one another between two machining processes and/or can be continuously shifted relative to one another.
  • a feed device it is possible to position the machining beam profile at different positions in the material, for example in order to carry out a first machining process at a first location and to carry out a second machining process at a second location.
  • a scanner optic can, for example, be a galvanic scanner, which is located in the beam path of the laser and can deflect the beam in a targeted manner.
  • a cross table is typically located under the workpiece holder of the material, with which the material can be guided away under the laser beam.
  • the machining beam profile can be kept stationary during a single machining process.
  • Kept stationary means that there is no relative movement between the material and the laser beam, or one that is negligible with regard to the structural accuracy to be produced. Since the laser beam is kept stationary on the material, successive pulses of the laser beam with the same processing beam profile are repeatedly introduced into the material at the same point, whereby the material is removed step by step. As a result, for example, percussion drilling can be carried out with the machining beam profile.
  • processing beam profile and the material can also be moved continuously towards one another, so that the intensity distributions of the laser pulses in the material are superimposed, for example offset, in order to achieve continuous processing of the material.
  • a method for removing a material having the features of claim 10.
  • Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures.
  • a method for removing a material is proposed, in particular for drilling or structuring a material, by means of the laser pulses of a laser beam of a pulsed laser, preferably an ultra-short pulse laser.
  • an intensity gradient perpendicular to the beam propagation direction is impressed on the laser beam by means of a gradient filter element in order to form a processing beam profile and the processing beam profile is imaged in the material in order to remove material.
  • the machining beam profile preferably determines the shape of the borehole, in particular the local removal depth and the flank steepness. This applies in particular to non-continuous blind holes or bores.
  • the processing beam profile is imaged in the material via a 4f structure, preferably reduced, particularly preferably reduced by a factor of 2 to 100.
  • a plurality of successive pulses with the same processing beam profile are preferably introduced into the material, with the position of the imaging of the processing beam profile in the material being kept stationary. In this way, percussion drilling can be achieved with the machining beam profile.
  • the material is preferably essentially not transparent to the laser radiation and comprises materials such as a metal foil or a polymer or a plastic, or a semiconductor or a ceramic, or the material consists of silicon.
  • the material can also be a layer system made of different materials.
  • the layer system can also include thin intermediate layers that are transparent to the laser wavelength.
  • the processing beam profile is impressed on the laser beam with a graduated filter, and/or the processing beam profile is impressed on the laser beam with a diffraction grating, with preferably adjustable diffraction orders being intercepted with an aperture device, and/or a polarization distribution is impressed on the laser beam with a polarization element, wherein an adjustable polarization of the processing beam profile is transmitted through a polarization splitter to the material or reflected to a beam trap, so that only the desired intensity distribution remains in the processing beam profile.
  • the material can be a layer system and comprise at least two layers, with the uppermost layer in the direction of beam propagation being essentially transparent for the wavelength of the Laser beam is, preferably has a transparency of more than 50%, the laser beam can be focused through the top layer into a second layer, the second layer can be separated along a separation plane, and the local structures or partial layers separated from the second layer of of the top layer can be exposed by lifting or detaching the top layer.
  • the method can be part of a so-called laser lift-off method.
  • laser lift-off process individual or multiple layers or complex components can be structured out of a layer system.
  • ultra-short laser pulses preferably with a wavelength of less than 300 nm, particularly preferably 257 nm, are focused into the volume of the layer system through a transparent material.
  • the laser beam is passed through a gradient filter element or a graduated filter, whereby the local structure of the processing is specified.
  • the transparent material can in particular be sapphire or comprise sapphire.
  • the layer system can in particular include GaN, which is not transparent to the wavelength of the laser and thus absorbs the laser energy. This absorption can result in targeted damage or induction of a local phase transition, e.g. by melting or evaporation, or in a local chemical reaction, e.g. because the reactivity of the layered materials is increased by the higher temperature.
  • the structured layer system can be separated along a separating plane, so that to a certain extent a negative image of the desired structure is detached from the actual layer system. Cuts and/or separations perpendicular to the extent of the layers of the layered structure are preferably made before the lift-off method is carried out.
  • the detachment of the prestructured substructures can therefore be achieved by separating the substructures along a separating plane lying in a layer plane.
  • the detached layer system can, for example, be used on another substrate for further use.
  • the detached layer can be detached using a carrier substrate with an adhesive layer, in particular an adhesive film, and processed further on a further wafer.
  • the carrier substrate can be in direct contact with at least one layer of the layer system, for example this can be glued on, or arranged at a small distance from the layer system, forming a gap.
  • this method can be used to produce pLEDs, with the individual pLEDs being structured out of the layer system.
  • FIG. 1 A, B, C, D, E shows a schematic structure of a device according to the present disclosure and various processing beam profiles provided with the device;
  • FIG. 2 A, B, C, D shows a schematic structure of a device with a graduated filter as a gradient filter element
  • FIG. 3A, B shows a schematic structure of a device with a diffraction grating and an aperture device as a gradient filter element
  • Figure 4 A, B shows a schematic structure of a device with a
  • FIG. 5 different intensity curves of the processing beam profile, which were generated by a device according to the present disclosure
  • FIG. 7A, B a method for structuring a layer system.
  • FIG. 1A a structure of a device 1 for removing a material 2, in particular for drilling or structuring the material 2, is shown schematically.
  • a laser 3 provides a laser beam 30 formed from laser pulses.
  • the laser beam 30 When leaving the laser, the laser beam 30 typically has a Gaussian beam profile in the plane perpendicular to the direction of propagation of the laser beam 30 . As a result, more energy is transported in the center of the laser beam 30 than in the edge regions of the laser beam 30.
  • a lateral cross section through the Gaussian beam profile is shown schematically in FIG. 1B.
  • the laser beam 30 is therefore pre-shaped by a diffractive optical element or an n-shaper or a beam processing optics 6 .
  • a so-called flat-top beam shape is generated from the Gaussian beam shape, for example, which is characterized in that it provides an essentially equally large intensity in the laser beam 30 over a large area.
  • a lateral cross-section through a flat-top processing beam profile is shown schematically in Figure 1C.
  • the beam processing optics 6 can have a focusing property, but this is not essential for the invention. Beam conditioning optics 6 without a focusing property are also possible (not shown).
  • the laser beam preformed in this way is then directed to a gradient filter element 4, where a processing beam profile is impressed on the laser beam 30, with which the processing process in the material 2 is to be carried out.
  • the intensity distribution, which is to be used for processing the material 2 corresponds to two triangular curves along a lateral section, each of which has a maximum symmetrically to the beam propagation direction.
  • the processing beam profile 32 impressed on the laser beam 30 by the gradient filter element 4 is finally imaged onto the material 2 by imaging optics 5 in order to process the material 2 in this way.
  • the imaging optics 5 are constructed as follows and positioned in the beam path:
  • the gradient filter element 4 is in Beam direction in front of a first lens 50 at a distance which corresponds to the focal length F1 of the first lens 50.
  • a second lens 52 with a focal length F2 is located behind the first lens 50 in the beam direction.
  • the image-side focal point of the first lens 50 and the object-side focal point of the second lens 52 lie between the first lens 50 and the second lens 52. Both focal points coincide, so that the distance between the two lenses 50, 52 corresponds to the sum of the two focal lengths F1+F2 .
  • the processing plane 54 is located in the material 2 behind the second lens 52.
  • the processing plane 54 is arranged at a distance F2 from the second lens 52, which correspondingly also corresponds to the focal length of the second lens 52.
  • the processing beam profile 32 is imaged in the processing plane 54 by the imaging optics 5 .
  • an image can also be reduced, for example between 2 and 100 times reduced, in particular 25 times reduced.
  • This means that the spatial extent of the beam profile after the gradient filter element is dx, for example, and is reduced to dx/25 by the imaging optics 5 . This makes it possible to process the material 2 on a significantly smaller scale, for example to drill smaller holes or produce sharper contours.
  • the laser pulses of the laser beam 30 strike the material 2 in the processing plane 54 and are at least partially absorbed in it.
  • the material 2 is preferably essentially not transparent to the light of the laser beam 30.
  • the material 2 is kept stationary during a machining process and in particular during a drilling process, ie it is not moved away relative to the machining beam profile 32 .
  • This makes it possible to introduce a plurality of laser pulses shaped in the form of the processing beam profile 32 onto the same point on the material 2 .
  • This in turn makes it possible to melt and partially vaporize the material 2, with the vaporized material partially driving the melted material out of the borehole. In other words, a percussion drilling process can be performed.
  • the material 2 and the laser beam can be repositioned relative to one another with the feed device 7 in order to start a further machining process again.
  • the geometry of the borehole is determined by the geometry of the processing beam profile, which was impressed by the gradient filter element 4 .
  • the geometry of the processing beam profile which was impressed by the gradient filter element 4 .
  • FIG. 2A A possible gradient filter element in the form of a graduated filter 42 is shown in FIG. 2A.
  • Graduated filter 42 is a neutral density filter that has different optical densities depending on location.
  • the neutral density filter is permeable for the light of the laser in the areas that are schematically colored white.
  • the optical density of the neutral density filter is so high that a large part of the energy - for example the entire energy - is blocked from the laser beam there.
  • the profile of the graduated filter is thus impressed on the laser beam as a processing beam profile. If, for example, the laser beam 30 is preformed before passing through the graduated filter 42, for example has a flat-top beam profile, then the processing beam profile focused into the processing plane 54 by the imaging optics 5 corresponds exactly to the course that is specified by the graduated filter 42.
  • FIG. 2B A schematic structure is shown in FIG. 2B, with the graduated filter 42 being introduced into the focus of the first lens 50 .
  • the beam path in front of and behind the graduated filter corresponds to that of the structure from FIG.
  • FIG. 2C shows a schematic removal profile which is generated by the graduated filter 42.
  • the removal profile is a cross section through a borehole shown schematically, which is generated with the gradient filter element in the form of the graduated filter 42 . It can be seen that in the areas of high transparency for the laser light, a significantly greater removal of the material 2 is achieved than at the points at which the graduated filter 42 is less transparent for the laser light. It is thus possible to determine the shape of the borehole using a gradient filter.
  • the progression of the graduated filter 42 in the exemplary embodiment shown is step-shaped in cross section, so that there is a quasi-delta-shaped intensity gradient at the steps. This causes the borehole walls to be very steep.
  • FIG. 2D shows a microscopic image of a correspondingly produced drill hole. It can be clearly seen that the shape of the graduated filter is reflected in the actually drilled hole.
  • FIG. 3A an apparatus 1 using a diffraction grating 440 and an aperture 442 is shown.
  • the diaphragm 442 eliminates unwanted beam components from the diffraction pattern deleted out, whereby due to the optical filtering in the processing plane 54 the resulting processing beam profile 32 corresponds to the diaphragm function profile.
  • FIG. 3B An alternative configuration of a possible structure for carrying out the method is shown in FIG. 3B.
  • An irradiated laser beam 30 with a Gaussian beam profile falls on the diffraction grating 440, as a result of which the laser beam is broken down into its spatial frequency components, which are focused by the first lens 50.
  • the aperture 442 is arranged behind the diffraction grating 440 in the beam propagation direction of the laser beam, the undesired beam components 31 can thereby be filtered out, so that the laser beam 30' can be impressed with an aperture function profile, in the example shown a trimmed Gaussian beam with soft edges.
  • the second lens 52 behind the aperture 442 ensures collimation of the laser beam 30', which is then finally free of undesired beam components 31.
  • FIG. 4A shows a polarization element 460 as gradient filter element 4, which imparts a location-dependent polarization to laser beam 30.
  • the polarization element 460 can be selected to suit the desired machining process, for example.
  • the gradient filter element can also be changed between the machining processes or drilling processes, so that drill holes with different structures can be formed with the device shown.
  • FIG. 4B shows a schematic structure in which the gradient filter element is formed by a polarization element 460.
  • the polarization element 460 imposes a location-dependent polarization on the laser beam 30, which is preferably selected between the first lens 50 and the second lens 52 of the imaging optics 5 with a polarization splitter 462.
  • the polarization splitter can also be arranged in front of the first lens 50 .
  • the polarization splitter 462 is set in such a way that preferably s-polarized light is transmitted and imaged in the material 2 with the imaging optics 5 .
  • the p-polarized part of the laser beam 30, on the other hand, is directed with the polarization splitter 462 in the direction of a beam trap 464 and is absorbed there.
  • the beam can be selected from the polarization in the polarization splitter 462.
  • Processing beam profile are impressed together with intensity gradients. That
  • Processing beam profile of the transmitted beam has an intensity distribution, which the Corresponds to the intensity profile of the graduated filter in FIG. 2A.
  • the laser light reflected and destroyed by means of the polarization splitter 462 has an intensity distribution that corresponds exactly to the inverse intensity distribution. There is no laser intensity in the center of the processing beam profile, while there is a very high intensity at the edge of the laser beam.
  • both beam parts ie s- and p-polarized beam parts
  • only one beam part is used for material processing.
  • Further polarization-changing elements can be introduced between the polarization filter and the material 2, for example a ⁇ /4 plate for generating a circular polarization.
  • FIG. 5A shows an intensity profile that corresponds to the intensity profile from FIG.
  • FIG. 5B shows an intensity curve in which there is a medium-high intensity at the edge of the processing beam profile, there is no intensity in the center and there is a very high intensity in the transition region from edge to center.
  • Such a laser beam profile can be used, for example, in the post-processing of boreholes.
  • FIG. 5C shows an intensity profile of the processing beam profile, which corresponds to the p-polarized part from FIG. In this case, the intensity falls sharply from the edge towards the center of the laser beam 30, as a result of which more laser energy is placed at the edge of a borehole.
  • FIG. 6 shows various micrographs of boreholes that were produced using the device described here and the method described here.
  • the rectangular profile of the borehole is created by the outer contour of the beam profile, which the gradient filter element 4 imposes on the laser beam 30 .
  • the shape of the borehole, in particular the outer wall of the borehole and its steepness is defined by the course of the intensity in the processing beam profile perpendicular to the direction of propagation and thus in particular by the intensity gradient.
  • the steepness of the outer wall of the borehole can be defined by selecting the intensity gradient.
  • an outer edge of the borehole is 10 ⁇ m in each case, while the borehole tapers either to about 3 ⁇ m or only to 7 ⁇ m, depending on the selected intensity profile.
  • the flank steepness of the outer wall is significantly less than in FIG. 6B.
  • the overall size of the borehole can be controlled.
  • boreholes can be drilled with the same through a suitable enlargement Introduce flank steepness into the material 2, however, vary the outer diameter overall.
  • a borehole was drilled with an outside edge of 15 pm and which tapers to 10 pm.
  • the edge steepness is thus essentially the same as that of the borehole from FIG. 6B.
  • a wellbore is shown with an outside edge of 25pm tapering to 20pm.
  • the edge steepness is again greater than in FIG. 6C.
  • a processing beam profile 32 structures a material 2, which in the present case is a layer system.
  • the layer system 2 can comprise a plurality of layers 20, 21, 22, 23, 24 etc.
  • the first layer 20 in the beam propagation direction can be a first transparent layer made of sapphire, which has a material thickness of between 100 ⁇ m and 5 mm.
  • the layers 21, 22, 23 can comprise a different material, such a layer being able to be between 1 nm and 10 ⁇ m thick, for example.
  • the layer 24 can be a carrier layer or a carrier substrate, such as a film, an adhesive or a wafer. In particular, therefore, the layer thicknesses in FIGS. 7A, B are not drawn to scale.
  • the processing beam profile 32 may be similar to those of Figures 5A through 5C.
  • the processing beam profile 32 is preferably adapted to the geometry of the structure to be detached in order to design the detachment process and the material damage as optimally as possible.
  • the structure to be detached can lie within the aperture image.
  • each structure can preferably be achieved without further moving or traversing the processing beam profile 32 .
  • the processing beam profile 32 can be guided through a first transparent layer 20 and introduced at a desired insertion depth.
  • Targeted damage can be achieved here by the interaction of the processing beam profile 32 with a layer, for example the layer 21 shown as an example, so that the material 2 can be separated in the parting plane lying in the layer 21 here.
  • the vertical cuts are already present in the example shown, so the substructures to be detached are only connected to the rest of the layer system at layer 21 .
  • a separation of the substructures can then be achieved accordingly in the separation plane.
  • the parting plane thus coincides, for example, with a layer 21 of the layer system.
  • a substructure can thus be detached from the layer system 2 .
  • structures can be produced in this way which are either attached directly to a carrier substrate, for example glued, or can be transferred to a carrier substrate, for example another wafer.
  • the first layer 20 is transparent.
  • the layers 20, 21, 22, 23, 24 are only partially transparent, as long as a corresponding material processing is still possible in the deepest layer, in which a material processing is still desired, by the remaining laser radiation, without the surrounding ones Layers undesirably damaging.
  • Pulsed laser beams with a wavelength of less than 400 nm, in particular between 250 nm -350 nm, in particular 343 nm and 257 nm, and pulse durations in the fs to ns range are preferred for this processing step.
  • the actual lift-off method is shown schematically in FIG. 7B.
  • the layers processed by the structuring can be removed from one another via a carrier substrate 24 with an adhesive layer, since the material 2 was separated in the parting plane.
  • a carrier substrate 24 with an adhesive layer since the material 2 was separated in the parting plane.
  • only partial layer systems such as the substrates shown as an example in FIG. 7B, which can be pLEDs, for example, remain of the layer system.

Abstract

The invention relates to an apparatus (1) for machining a material (2), in particular for drilling or structuring a material (2), by means of laser pulses of a laser beam (30) of a pulsed laser (3), preferably an ultrashort pulse laser, the apparatus (1) comprising a gradient filter element (4) for impressing an intensity gradient, which extends perpendicularly to the beam propagation direction, onto the laser beam (30) so as to form a machining beam profile (32), and an imaging optical device (5) for imaging the machining beam profile (32) into the material (2).

Description

LASERBEARBEITUNG EINES MATERIALS MITTELS GRADIENTEN-FILTERELEMENT LASER PROCESSING OF A MATERIAL USING A GRADIENT FILTER ELEMENT
Technisches Gebiet technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materials, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials, mittels Laserpulsen eines Laserstrahls eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers. The present invention relates to a device and a method for processing a material, in particular for drilling or structuring a material, by means of laser pulses of a laser beam from a pulsed laser, preferably an ultra-short pulse laser.
Stand der Technik State of the art
Es ist prinzipiell bekannt, Material mittels Laserbearbeitungsprozessen abzutragen. Beispielsweise ist es bekannt, mittels Perkussionsbohren Material abzutragen, um auf diese Weise ein Bohrloch in ein Material einzubringen. Dazu werden mit einem Laserstrahl mehrere Laserpulse aufeinanderfolgend auf dieselbe Position des Materials abgesetzt, um am Auftreffort das Material aufzuschmelzen und teilweise zu verdampfen. Beim Absenken des Bohrlochs in das Material kann das durch die Beaufschlagung mit dem Laser verdampfende Material das davor liegende aufgeschmolzene Material aus der Bohrung heraus treiben. Durch einen solchen Perkussionsbohrprozess ist es möglich, große Bohrtiefen zu erreichen, die deutlich größer sind, als die bei einem Einzelpulsverfahren erreichbaren Bohrtiefen. In principle, it is known to remove material by means of laser machining processes. For example, it is known to remove material by means of percussion drilling in order to drill a hole in a material in this way. To do this, a laser beam is used to send several laser pulses in succession to the same position on the material in order to melt and partially vaporize the material at the point of impact. When the borehole is lowered into the material, the material vaporized by the laser can drive the melted material lying in front of it out of the borehole. Such a percussion drilling process makes it possible to achieve great drilling depths that are significantly greater than the drilling depths that can be achieved with a single-pulse method.
Insbesondere können mit dem genannten Perkussionsbohrverfahren auch Bohrlöcher gebohrt werden, welche gegenüber der Materialoberfläche geneigt sind. Des Weiteren sind auch die höhere geometrische Qualität und geringere Konizität der Bohrung, sowie die Möglichkeit auch harte Materialien zu bearbeiten, vorteilhafte Eigenschaften des Perkussionsbohrens. In particular, the percussion drilling method mentioned can also be used to drill boreholes that are inclined relative to the material surface. Furthermore, the higher geometric quality and lower conicity of the bore, as well as the possibility of machining hard materials, are also advantageous properties of percussion drilling.
Beim Bearbeitungsprozess des Perkussionsbohrens werden häufig spezielle Randbedingungen an die Bohrkante gestellt, wie beispielsweise ein gewünschter Anstieg oder Taperwinkel der Bohrkante. Bohren mittels klassischer Gauß’scher Strahlprofile oder mit ringförmigen Strahlprofilen, sowie das Bohren mit Flat-Top Strahlprofilen bieten hierbei nur beschränkte Möglichkeiten zur Prozessoptimierung. During the machining process of percussion drilling, special boundary conditions are often placed on the drill edge, such as a desired rise or taper angle of the drill edge. Drilling using classic Gaussian beam profiles or with ring-shaped beam profiles, as well as drilling with flat-top beam profiles only offer limited possibilities for process optimization.
Es ist aus der US 8,866,043 B2 bekannt, eine entsprechende Bohrgeometrie sukzessive in ein Material einzubringen. Hierbei werden mit immer kleiner werdendem Strahldurchmesser eines Lasers konische Bohrlöcher in ein Material eingebracht. Jedoch erfordert dieses Verfahren die permanente Anpassung des Strahldurchmessers und damit einen hohen Aufwand bei der Ansteuerung und Justage. It is known from US Pat. No. 8,866,043 B2 to successively introduce a corresponding drilling geometry into a material. Here, as the beam diameter becomes smaller and smaller, one Lasers drilled conical holes in a material. However, this method requires the permanent adjustment of the beam diameter and thus a high level of effort when it comes to control and adjustment.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen. Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved device for processing a material and a corresponding method.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Material mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. The object is achieved by a device for processing material with the features of claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials mittels Laserpulsen eines Laserstrahls eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, vorgeschlagen, umfassend ein Gradienten-Filterelement zum Aufprägen eines senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildeten Intensitätsgradienten auf den Laserstrahl zur Ausbildung eines Bearbeitungsstrahlprofils und weiter umfassend eine Abbildungsoptik zur Abbildung des Bearbeitungsstrahlprofils auf oder in das Material. Accordingly, a device for processing a material, in particular for drilling or structuring a material by means of laser pulses of a laser beam of a pulsed laser, preferably an ultrashort pulse laser, is proposed, comprising a gradient filter element for impressing an intensity gradient formed perpendicularly to the beam propagation direction on the laser beam to form a processing beam profile and further comprising imaging optics for imaging the processing beam profile onto or into the material.
Mittels der gezielten Ausformung des Bearbeitungsstrahlprofils senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls und der Verwendung dieses Bearbeitungsstrahlprofils zur Bearbeitung des Materials und insbesondere zum Abtragen von Material können Bohrungen gemäß den vorgegebenen Randbedingungen, wie lokale Abtragstiefe und Taperwinkel sowie Anstieg, zuverlässiger in das Material eingebracht werden. By means of the targeted shaping of the processing beam profile perpendicular to the beam propagation direction of the laser beam and the use of this processing beam profile for processing the material and in particular for removing material, holes can be made more reliably in the material according to the given boundary conditions, such as local removal depth and taper angle as well as slope.
Das Material kann hierbei im Wesentlichen nicht-transparentes Material wie beispielsweise eine Metallfolie oder ein Polymer oder ein Kunststoff sein, oder aus Silizium bestehen. Im Wesentlichen nicht-transparent bedeutet dabei, dass das Material teilweise oder vollständig das Laserlicht der gegebenen Wellenlänge absorbieren kann, sodass ein Einträgen von Bearbeitungsenergie und damit auch ein Bearbeiten des Materials erfolgen kann. In this case, the material can be essentially non-transparent material such as a metal foil or a polymer or a plastic, or consist of silicon. In this context, essentially non-transparent means that the material can partially or completely absorb the laser light of the given wavelength, so that processing energy can be introduced and the material can therefore also be processed.
Der Laser stellt hierbei die Laserpulse zur Verfügung, welche den Laserstrahl ausbilden. Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts von Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Insbesondere kann der Laser ein Ultrakurzpulslaser sein, wobei die Pulslänge der einzelnen Laserpulse vorzugsweise kürzer als 100 ps ist. Insbesondere werden grundmodige Ultrakurzpulslaser bevorzugt, die einen Laserstrahl mit einer Beugungsmaßzahl M2 < 1 ,5 zur Verfügung stellen, also eine hohe Strahlqualität aufweisen.The laser provides the laser pulses that form the laser beam. Instead of individual laser pulses, the laser can also provide bursts of laser pulses, each burst comprising the transmission of a number of laser pulses. In particular, the laser can be an ultra-short pulse laser, with the pulse length of the individual laser pulses preferably being shorter than 100 hp is. In particular, fundamental-mode ultrashort-pulse lasers are preferred, which provide a laser beam with a diffraction index M 2 <1.5, ie have a high beam quality.
Das Strahlprofil des Laserstrahls kann dabei beispielsweise über einen longitudinalen Strahlquerschnitt entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und über einen lateralen Strahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beschrieben werden. The beam profile of the laser beam can be described, for example, via a longitudinal beam cross section along the propagation direction of the laser beam and via a lateral beam cross section perpendicular to the propagation direction of the laser beam.
Unter einem Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung wird eine räumliche Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung verstanden. Typischerweise ist das Strahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgehend vom Laser ein Gauß’sches Bearbeitungsstrahlprofil. Dies bedeutet, dass jeder Querschnitt in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung durch den Laserstrahl einer Gauß’schen Glockenkurve entspricht. Dabei ist die Intensität des Laserstrahls im Zentrum des Laserstrahls am größten, während es zum Rand des Laserstrahls hin abnimmt. Das Strahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgehend vom Laser kann aber auch eine andere Form haben, beispielsweise einer höheren Lasermode entsprechen. Der Intensitätsgradient ist hierbei die räumliche Veränderung der Intensität im Strahlprofil. A processing beam profile perpendicular to the direction of beam propagation is understood to mean a spatial intensity distribution of the laser beam in the plane perpendicular to the direction of beam propagation. Typically, the beam profile perpendicular to the direction of beam propagation from the laser is a Gaussian processing beam profile. This means that each cross section in the plane perpendicular to the direction of beam propagation through the laser beam corresponds to a Gaussian bell curve. The intensity of the laser beam is greatest in the center of the laser beam, while it decreases towards the edge of the laser beam. However, the beam profile perpendicular to the beam propagation direction, starting from the laser, can also have a different shape, for example correspond to a higher laser mode. The intensity gradient is the spatial change in intensity in the beam profile.
Der vom Laser bereitgestellte Laserstrahl wird durch ein Gradienten-Filterelement geleitet, wodurch ein zusätzlicher Intensitätsgradient in das Strahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung eingebracht wird und auf diese Weise das Bearbeitungsstrahlprofil ausgebildet wird. Insbesondere bedeutet dies, dass das Strahlprofil des Lasers senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung beim Durchgang durch das Gradienten-Filterelement in ein Bearbeitungsstrahlprofil transformiert wird. Ein Gradienten-Filterelement ist hierbei ein optisches Element, welches dazu in der Lage ist, das Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung entsprechend auszuformen.The laser beam provided by the laser is guided through a gradient filter element, as a result of which an additional intensity gradient is introduced into the beam profile perpendicular to the direction of beam propagation and the processing beam profile is formed in this way. In particular, this means that the beam profile of the laser is transformed into a processing beam profile perpendicular to the beam propagation direction when passing through the gradient filter element. In this case, a gradient filter element is an optical element which is able to correspondingly shape the processing beam profile perpendicularly to the beam propagation direction.
Im Allgemeinen kann ein Gradienten-Filterelement beispielsweise ein Verlaufsfilter sein, oder eine Blende, oder eine Polarisationsmaske oder eine Kombination dieser Elemente. Beim Durchgang des Laserstrahls durch das Gradienten-Filterelement wird damit entsprechend das Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auf das eintretende Strahlprofil des Laserstrahls aufgeprägt. In general, a gradient filter element can be, for example, a gradient filter, or an aperture, or a polarization mask, or a combination of these elements. When the laser beam passes through the gradient filter element, the processing beam profile is accordingly impressed on the incoming beam profile of the laser beam perpendicular to the direction of beam propagation.
Beispielsweise kann dies bei einer Blende bedeuten, dass das eintreffende Gauß'sche Strahlprofil des Lasers zum Teil beschnitten wird. Bei gleichzeitiger Verwendung eines Beugungsgitters, welches den eintreffenden Laserstrahl beim Durchgang beugt, können entsprechende Beugungsordnungen abgeschnitten werden, so dass das resultierende Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung entsprechend verändert wird. For example, with an aperture, this can mean that the incoming Gaussian beam profile of the laser is partially clipped. If a diffraction grating is used at the same time, which bends the incoming laser beam as it passes through, corresponding Diffraction orders are cut off, so that the resulting processing beam profile is changed perpendicularly to the beam propagation direction accordingly.
Das durch das Gradienten-Filterelement aufgeprägte Bearbeitungsstrahlprofil wird anschließend durch eine Abbildungsoptik in das Material abgebildet. The processing beam profile imposed by the gradient filter element is then imaged into the material by imaging optics.
Eine Abbildungsoptik kann beispielsweise eine abbildende optische Komponente sein. Eine Abbildungsoptik kann aber auch eine Ansammlung von abbildenden optischen Komponenten sein. Mit anderen Worten wird das Bearbeitungsstrahlprofil in das Material fokussiert und dadurch ein Abbild des Bearbeitungsstrahlprofils im Material erzeugt. Insbesondere wird der Intensitätsgradient des Bearbeitungsstrahlprofils ebenfalls abgebildet, so dass die räumliche Veränderung der eintreffenden Laserintensität durch das Gradienten-Filterelement in der Abbildung in der Bearbeitungsebene wiedergegeben wird. An imaging optic can be an imaging optical component, for example. However, imaging optics can also be a collection of imaging optical components. In other words, the processing beam profile is focused into the material and an image of the processing beam profile is thereby generated in the material. In particular, the intensity gradient of the processing beam profile is also imaged, so that the spatial change in the incident laser intensity is reproduced by the gradient filter element in the image in the processing plane.
Das Bearbeitungsstrahlprofil wird durch die Abbildungsoptik entsprechend in das Material abgebildet, sofern der Fokuspunkt der Abbildungsoptik unterhalb der Oberfläche des Materials liegt, sodass das Bearbeitungsstrahlprofil in das Volumen des Materials abgebildet wird. Das Bearbeitungsstrahlprofil wird auf das Material abgebildet sofern der Fokuspunkt der Abbildungsoptik auf der Oberfläche des Materials oder gar oberhalb der Oberfläche liegt. The processing beam profile is imaged accordingly in the material by the imaging optics, provided that the focal point of the imaging optics is below the surface of the material, so that the processing beam profile is imaged in the volume of the material. The processing beam profile is imaged onto the material if the focal point of the imaging optics is on the surface of the material or even above the surface.
Das Material absorbiert hierbei die eingestrahlte Laserenergie zumindest teilweise, was zu einem Erhitzen des beaufschlagten Materials oder zu einem Übergang des Materials in einen temporären Plasmazustand und einem Verdampfen des Materials führt und damit schließlich zum gewünschten Abtrag des Materials in den mit dem Abbild des Bearbeitungsstrahlprofils beaufschlagten Bereichen des Materials führt. Insbesondere ist es also auch möglich, dass neben linearen Absorptionsprozessen auch nicht-lineare Absorptionsprozesse genutzt werden, die durch die Nutzung hoher Laserenergien und insbesondere durch ultrakurze Laserpulse mit hohen Energien zugänglich werden. The material absorbs the irradiated laser energy at least partially, which leads to heating of the exposed material or to a transition of the material to a temporary plasma state and evaporation of the material and thus ultimately to the desired removal of the material in the areas exposed to the image of the processing beam profile of the material leads. In particular, it is therefore also possible that, in addition to linear absorption processes, non-linear absorption processes are also used, which become accessible through the use of high laser energies and in particular through ultra-short laser pulses with high energies.
Durch die Fokussierung des Bearbeitungsstrahlprofils durch die Abbildungsoptik wird die Intensität des Laserstrahls im Fokuspunkt maximiert, sodass an dieser Stelle ein Materialabtrag stattfinden kann, dessen räumliche Ausprägung der des Bearbeitungsstrahlprofils entspricht. Das Bearbeitungsstrahlprofil kann hierbei beispielsweise eine radial abnehmende Intensität aufweisen, das Bearbeitungsstrahlprofil kann aber auch senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung sprunghaft ansteigen und ein stufenförmiges Profil ausbilden. Durch die Form des Bearbeitungsstrahlprofils ist es möglich, den Laserstrahl für eine besondere Art des Materialabtrags beziehungsweise einen bestimmten Prozessschritt vorzubereiten. The intensity of the laser beam is maximized at the focus point by the focussing of the processing beam profile by the imaging optics, so that material removal can take place at this point, the spatial expression of which corresponds to that of the processing beam profile. In this case, the processing beam profile can have a radially decreasing intensity, for example, but the processing beam profile can also increase abruptly perpendicularly to the beam propagation direction and form a stepped profile. The shape of the processing beam profile makes it possible to prepare the laser beam for a special type of material removal or a specific process step.
Beispielsweise kann ein spezifisches Bearbeitungsstrahlprofil für ein flächiges Abtragen genutzt werden, wobei die Homogenität des Abtrags über der Fläche im Vordergrund steht. Beispielweise kann ein anderes spezifisches Bearbeitungsstrahlprofil für das Bohren eines Materials genutzt werden, wobei die Abtragstiefe pro Laserpuls im Vordergrund steht. Zum Beispiel kann ein solches Bearbeitungsstrahlprofil gezielt genutzt werden, um die Abtragstiefe von Sacklochbohrungen lokal zu verändern. Zum Beispiel kann das Bearbeitungsstrahlprofil auch stufenförmig ausgebildet sein, wodurch im Zentrum des Bohrlochs ein anderer Abtrag als am Rand des Bohrlochs realisiert wird. Insbesondere kann durch die eingebrachte Intensität die eingebrachte Abtragstiefe beziehungsweise die Abtragsrate räumlich bestimmt werden. Beispielsweise kann aber auch die Oberfläche eines Materials strukturiert werden, beispielsweise aufgebaut werden oder poliert werden, sodass hierfür wiederum spezifische Intensitätsgradienten zum Einsatz kommen können.For example, a specific processing beam profile can be used for planar removal, with the focus being on the homogeneity of the removal over the area. For example, a different specific processing beam profile can be used for drilling a material, with the focus being on the removal depth per laser pulse. For example, such a processing beam profile can be used in a targeted manner to locally change the removal depth of blind holes. For example, the processing beam profile can also be designed in steps, as a result of which a different removal is realized in the center of the borehole than at the edge of the borehole. In particular, the depth of removal introduced or the rate of removal can be spatially determined by the introduced intensity. For example, the surface of a material can also be structured, for example built up or polished, so that specific intensity gradients can be used for this.
Durch den mittels des Gradienten-Filterelements aufgeprägten lateralen Intensitätsgradienten des Bearbeitungsstrahlprofils ist es möglich, die Geometrie des Bearbeitungsprozesses lokal anzupassen. Beispielsweise kann mit einem großen, symmetrischen Intensitätsgradienten ein Bohrloch mit einer steilen Bohrwand, also einem großen Taperwinkel, hergestellt werden, während ein kleiner, symmetrischer Intensitätsgradient ein Bohrloch mit einer flachen Bohrwand, also einem kleinen Taperwinkel, erzeugen kann. Beim Ausbilden der unter einem Winkel zur Oberfläche des Materials angeordneten Bohrwände, also der unter einem Taperwinkel angeordneten Bohrwände, spielt dabei typischerweise die Projektion der Intensitätsverteilung auf die abgetragenen Flanken eine Rolle. Durch die gezielte lokale Formung des Intensitätsgradienten durch das Gradienten- Filterelement kann dieser Effekt somit kompensiert oder verstärkt werden. It is possible to adapt the geometry of the machining process locally as a result of the lateral intensity gradient of the machining beam profile imposed by means of the gradient filter element. For example, a large, symmetrical intensity gradient can produce a borehole with a steep bore wall, i.e. a large taper angle, while a small, symmetrical intensity gradient can create a borehole with a flat bore wall, i.e. a small taper angle. When forming the bore walls arranged at an angle to the surface of the material, ie the bore walls arranged at a taper angle, the projection of the intensity distribution onto the removed flanks typically plays a role. This effect can thus be compensated for or intensified by the targeted local shaping of the intensity gradient by the gradient filter element.
Es auch möglich, dass der Intensitätsgradient des Bearbeitungsstrahlprofils asymmetrisch zum Strahlmittelpunkt ist. Dadurch kann beispielsweise der Laserstrahl mit dem aufgeprägten Bearbeitungsstrahlprofil ein Bohrloch erzeugen, welches auf der einen Seite eine größere Flankensteilheit aufweist, als auf einer anderen Seite. Sofern lediglich der Intensitätsgradient variiert wird, die pro Flächenelement deponierte Laserenergie jedoch gleichbleibt, wird somit an beiden Seiten des Bohrlochs eine gleich große Abtragstiefe erzeugt. It is also possible that the intensity gradient of the processing beam profile is asymmetrical to the center of the beam. As a result, for example, the laser beam with the impressed processing beam profile can produce a borehole that has a steeper edge on one side than on the other side. If only the intensity gradient is varied, but the laser energy deposited per surface element remains the same, an equally large removal depth is generated on both sides of the borehole.
Durch die Intensitätsverteilung im Bearbeitungsstrahlprofil kann somit die Form des Bohrlochs insgesamt angepasst werden. Auf denselben Ort des Materials werden dabei aufeinanderfolgende Laserpulse mit dem gleichen aufgeprägten Bearbeitungsstrahlprofil abgegeben, welche bewirken, dass sich das Material gemäß der Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahlprofils erhitzt. Indem die Laserpulse in rascher Abfolge in das Material abgesetzt werden, ist es möglich, das Material in einen temporären Plasmazustand zu versetzen dabei das Material teilweise zu verdampfen. Das verdampfte Material kann hierbei weiteres Material, beispielsweise Abtragprodukte wie Partikel oder flüssiges Material, aus dem Bohrloch heraustreiben, so dass die nachfolgenden Laserpulse die in größerer Abtragstiefe liegenden Materialschichten erreichen und verdampfen. The overall shape of the borehole can thus be adjusted by the intensity distribution in the processing beam profile. Successive laser pulses with the same applied processing beam profile are emitted at the same location on the material, causing the material to heat up according to the intensity distribution of the processing beam profile. By delivering the laser pulses into the material in rapid succession, it is possible to put the material into a temporary plasma state, thereby partially vaporizing the material. The vaporized material can drive further material, for example ablation products such as particles or liquid material, out of the borehole, so that the subsequent laser pulses reach and vaporize the material layers located at a greater ablation depth.
Insbesondere werden die Bereiche des Materials, in denen das Bearbeitungsstrahlprofil eine große Intensität aufweist, besonders stark abgetragen, während die Bereiche des Materials, in denen das Bearbeitungsstrahlprofil eine geringe Intensität aufweist, weniger stark abgetragen werden. Dadurch findet sich der Intensitätsgradient des Bearbeitungsstrahlprofils, beziehungsweise die räumliche Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahlprofils, in der schließlich realisierten Abtragsgeometrie des Bohrlochs wieder. Mit anderen Worten bestimmt das Gradienten- Filterelement die Geometrie des in das Material eingebrachten Bohrlochs. In particular, the areas of the material in which the processing beam profile has a high intensity are removed to a particularly great extent, while the areas of the material in which the processing beam profile has a low intensity are removed to a lesser extent. As a result, the intensity gradient of the processing beam profile, or the spatial intensity distribution of the processing beam profile, is reflected in the finally realized removal geometry of the borehole. In other words, the gradient filter element determines the geometry of the drilled hole drilled into the material.
Bevorzugt umfasst die Abbildungsoptik zwei abbildende Komponenten. Eine abbildende Komponente kann hierbei insbesondere eine optische Komponente mit abbildenden Eigenschaften sein, wie beispielsweise mit fokussierender oder kollimierender Wirkung. Hierzu zählen unter anderem abbildende beziehungsweise gekrümmte Spiegel, Asphären, strahlformende Elemente, diffraktive optische Elemente, Linsen wie beispielsweise Sammellinsen oder Streulinsen, Fresnelsche-Zonenplatte sowie weitere Freiformkomponenten. Vorzugsweise weisen die zwei Komponenten eine gleiche Brennweite auf, wobei das Gradienten-Filterelement im objektseitigen Brennpunkt der ersten Komponente steht, der bildseitige Brennpunkte der ersten Komponente mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Komponente zusammenfällt, und sich das Material im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Komponente befindet. The imaging optics preferably comprise two imaging components. In this case, an imaging component can in particular be an optical component with imaging properties, such as, for example, with a focusing or collimating effect. These include, among other things, imaging or curved mirrors, aspheres, beam-shaping elements, diffractive optical elements, lenses such as converging lenses or scattering lenses, Fresnel zone plates and other free-form components. Preferably, the two components have the same focal length, with the gradient filter element being at the object-side focus of the first component, the image-side focus of the first component coinciding with the object-side focus of the second component, and the material being at the image-side focus of the second component.
Die Brennebenen sowie die korrespondierenden Ebenen, insbesondere die Bearbeitungsebenen, sind im mathematischen Idealfall Ebenen die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung orientiert sind und insbesondere nicht gekrümmt und lediglich zweidimensional ausgedehnt sind. In der praktischen Umsetzung führen die optischen Komponenten jedoch zu geringfügigen Krümmungen und Verzerrungen dieser Ebenen, so dass diese Ebenen meistens mindestens lokal gekrümmt sind. Zudem weist der Brennpunkt durch die verwendeten Komponenten auch ein endliches Volumen auf. Insbesondere ist die Fokussierung von Licht typischerweise auf Längenskalen limitiert, die in der Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichts liegen. Dies gilt insbesondere sowohl in Strahlausbreitungsrichtung als auch senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung. So kann sich durch die verwendeten Komponenten anstatt einer flachen, zweidimensionalen Brennebene auch ein gekrümmtes Brennvolumen ergeben, indem eine Abbildung des Laserstrahls noch ausreichend scharf ist, wie weiter unten spezifiziert. In the mathematical ideal case, the focal planes and the corresponding planes, in particular the processing planes, are planes which are oriented perpendicularly to the beam propagation direction and in particular are not curved and are only extended in two dimensions. In practical implementation, however, the optical components lead to slight curvatures and distortions in these planes, so that these planes are usually at least locally curved. In addition, the focal point also has a finite volume due to the components used. In particular, the focusing of light is typically limited to length scales that are of the order of the wavelength of the light used. This applies in particular both in the beam propagation direction and perpendicular to the beam propagation direction. The components used can also result in a curved focal volume instead of a flat, two-dimensional focal plane, in which an image of the laser beam is still sufficiently sharp, as specified below.
Insgesamt ist die Ausrichtung dieses Volumens relativ zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen jedoch in guter Näherung durch Ausrichtung der mathematischen Brennebene gegeben. Im Folgenden wird daher stets von der Brennebene gesprochen, wobei allerdings das zugängliche Brennvolumen stets mitgedacht wird, auch wenn es nicht explizit erwähnt wird. Die vorstehende Erklärung bezieht sich im Übrigen auch auf die verwendeten Bearbeitungsebene weiter unten.Overall, however, the orientation of this volume relative to the direction of propagation of the laser beams is given to a good approximation by the orientation of the mathematical focal plane. In the following, the focal plane is therefore always mentioned, although the accessible focal volume is always taken into account, even if it is not explicitly mentioned. Incidentally, the above explanation also refers to the processing levels used below.
Insbesondere ergeben sich so für die Positionen der verwendeten Komponenten Positionierungstoleranzen. Beispielsweise kann eine Positionierungstoleranz bis zu 10% oder 20% betragen, so dass eine Komponente, die im Abstand zu einem Referenzpunkt von beispielsweise 10cm stehen soll, auch bei 9cm und 11cm noch ein ausreichend scharfes Bild ermöglicht. Ausreichend scharf sind die Abbildungen dementsprechend automatisch, wenn die Komponenten alle innerhalb der Positionierungstoleranz positioniert sind. Zudem bedeutet ein „Zusammenfallen“ von zwei Ebenen oder zwei Punkten, dass die zugehörigen Volumina zumindest teilweise überlappen. In particular, this results in positioning tolerances for the positions of the components used. For example, a positioning tolerance can be up to 10% or 20%, so that a component that is supposed to be at a distance of 10 cm from a reference point, for example, still enables a sufficiently sharp image even at 9 cm and 11 cm. The images are automatically sufficiently sharp if the components are all positioned within the positioning tolerance. In addition, a "coincidence" of two planes or two points means that the associated volumes at least partially overlap.
Durch die obengenannte Positionierung der Komponenten wird eine sogenannte 4f-Optik realisiert, wodurch es möglich ist, das vom Gradienten-Filterelement erzeugte Bearbeitungsstrahlprofil direkt in eine Bearbeitungsebene in dem Material abzubilden und so eine direkte Formung einzelner Teilbereiche des bearbeiteten Materials, wie beispielsweise die Bohrlochwände eines Bohrlochs in einem Bohrprozess, ermöglicht wird. Insbesondere wird dabei die objektseitige Zwischenebene der Abbildungsoptik, nämlich die, in der das Gradienten-Filterelements angeordnet ist, auf das Werkstück abgebildet. Somit ist es möglich, durch einen Eingriff in die objektseitige Zwischenebene der Abbildungsoptik auf die Bearbeitungsebene im Material zuzugreifen und die Strahlform in der Bearbeitungsebene anzupassen. The positioning of the components mentioned above results in so-called 4f optics, which makes it possible to image the processing beam profile generated by the gradient filter element directly in a processing plane in the material and thus to directly shape individual sub-areas of the processed material, such as the borehole walls of a Well in a drilling process, is made possible. In particular, the object-side intermediate plane of the imaging optics, namely that in which the gradient filter element is arranged, is imaged onto the workpiece. It is thus possible to access the processing plane in the material and adapt the beam shape in the processing plane by engaging in the intermediate plane of the imaging optics on the object side.
Die objektseitigen Brennpunkte sind hierbei die Brennpunkte der Komponenten auf der inThe object-side foci are the foci of the components on the in
Strahlrichtung im Gradienten-Filterelement zugewandten Seite. Die bildseitigen Brennpunkte sind hierbei die Brennpunkte der Komponenten auf der in Strahlrichtung dem Material zugewandten Seite. Beam direction in the gradient filter element side facing. The image-side foci are here the focal points of the components on the side facing the material in the direction of the beam.
Beispielsweise können die zwei Komponenten Linsen mit einer Brennweite von je 50 mm sein und die Abbildungsoptik bilden, wobei das Gradienten-Filterelement 50 mm von der ersten Linse entfernt ist, also im objektseitigen Brennpunkt der ersten Linse steht. Die zweite Linse in Strahlrichtung kann von der ersten Linse 100 mm entfernt sein, sodass der bildseitige Brennpunkt der ersten Linse mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Linse zusammenfällt. Das Material kann wiederum 50 mm von der zweiten Linse entfernt stehen, sich also im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Linse befinden. Somit ist das Gradienten-Filterelement 200 mm vom Material entfernt, wobei die 200 mm der vierfachen Brennweite der Linsen entsprechen. For example, the two components can be lenses with a focal length of 50 mm each and form the imaging optics, with the gradient filter element being 50 mm away from the first lens, ie in the object-side focal point of the first lens. The second lens in the beam direction can be 100 mm away from the first lens, so that the image-side focal point of the first lens coincides with the object-side focal point of the second lens. The material can in turn be 50 mm away from the second lens, i.e. it can be in the focal point of the second lens on the image side. Thus, the gradient filter element is 200 mm away from the material, with the 200 mm corresponding to four times the focal length of the lenses.
Eine erste Linse kann aber auch eine kleinere Brennweite als die zweite Linse aufweisen oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine erste Linse eine Brennweite von 500 mm aufweisen und eine zweite Linse eine Brennweite von 10 mm. Das Gradienten-Filterelement steht dann 500 mm in Strahlrichtung vor der ersten Linse. Die zweite Linse folgt in einem Abstand von 510 mm der ersten Linse und das Material befindet sich im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Linse in einem Abstand von 10 mm in Strahlrichtung. However, a first lens can also have a smaller focal length than the second lens or vice versa. For example, a first lens can have a focal length of 500 mm and a second lens a focal length of 10 mm. The gradient filter element is then 500 mm in the beam direction in front of the first lens. The second lens follows the first lens at a distance of 510 mm and the material is in the image-side focus of the second lens at a distance of 10 mm in the beam direction.
Die Abbildungsoptik kann das Bearbeitungsstrahlprofil verkleinert, insbesondere 2 bis 100-fach verkleinert, in das Material abbilden. The imaging optics can image the processing beam profile on a reduced scale, in particular reduced by a factor of 2 to 100, into the material.
Damit kann das Bearbeitungsstrahlprofil in der objektseitigen Zwischenebene der Abbildungsoptik mit einem makroskopischen Gradienten-Filterelement erzeugt werden, das Material kann hingegen auf mikroskopischer Ebene in der Bearbeitungsebene bearbeitet werden. Es lassen sich auf diese Weise auch höhere Energiedichten in der Bearbeitungsebene erreichen, so dass nicht nur eine konturengenauere Bearbeitung erreicht werden kann, sondern auch eine höhere Abtragsleistung erreicht werden kann. The processing beam profile can thus be generated in the object-side intermediate plane of the imaging optics with a macroscopic gradient filter element, while the material can be processed on a microscopic level in the processing plane. In this way, higher energy densities can also be achieved in the processing plane, so that not only can processing with more precise contours be achieved, but also a higher removal rate can be achieved.
Beispielweise kann das Gradienten-Filterelement ein Bearbeitungsstrahlprofil mit einem Intensitätsgradienten erzeugen, bei dem über eine Länge von 1 mm die Intensität vom Zentrum des Laserstrahls zum Rand des Laserstrahls hin auf null abfällt. Wird dieser Intensitätsgradient 100-fach verkleinert auf das Material abgebildet, so fällt die Intensität in dem Material vom Zentrum des Laserstrahls zum Rand des Laserstrahls hin über einer Länge von 10 pm auf null ab. Wird das Bearbeitungsstrahlprofil beispielsweise 25-fach verkleinert, so würde die Intensität auf einer Länge von 40 pm auf null abfallen. Somit ist es möglich das Material auf einer deutlich kleineren Größenskala zu bearbeiten For example, the gradient filter element can generate a processing beam profile with an intensity gradient in which the intensity falls to zero over a length of 1 mm from the center of the laser beam to the edge of the laser beam. If this intensity gradient is imaged on the material 100 times smaller, then the intensity in the material falls from the center of the laser beam to the edge of the laser beam to zero over a length of 10 pm. If the processing beam profile is reduced by a factor of 25, for example, then the intensity would be at a length fall from 40 pm to zero. This makes it possible to process the material on a much smaller scale
Das Gradienten-Filterelement kann ein Verlaufsfilter sein. The gradient filter element can be a gradient filter.
Ein Verlaufsfilter kann beispielsweise eine Neutraldichtefilter sein, wobei die Dichte des Neutraldichtefilters ortsabhängig ist. Beispielsweise kann der Neutraldichtefilter im Zentrum des Filters eine geringe oder keine Dichte aufweisen, so dass das einfallende Laserlicht transmittiert wird, während der Neutraldichtefilter am Rand des Filters eine große Dichte aufweisen kann, so dass das einfallende Laserlicht nicht oder nur minimal transmittiert wird beziehungsweise maximal absorbiert wird. Auf diese Weise kann durch den Verlauf der Dichte im Neutraldichtefilter dem eintreffenden Laserstrahl ein Bearbeitungsstrahlprofil aufgeprägt werden, welches sich von dem Strahlprofil des eintreffenden Lasers unterscheidet. A graduated filter can be a neutral density filter, for example, with the density of the neutral density filter being location-dependent. For example, the neutral density filter in the center of the filter can have little or no density, so that the incident laser light is transmitted, while the neutral density filter can have a high density at the edge of the filter, so that the incident laser light is not transmitted or only minimally transmitted or absorbed to the maximum becomes. In this way, a processing beam profile that differs from the beam profile of the incoming laser can be impressed on the incoming laser beam by the course of the density in the neutral density filter.
Anstatt einer Dichtevariation des Verlaufsfilters, kann der Verlaufsfilter auch reflektierend oder teilreflektierend ausgebildet sein. So können die unerwünschten Strahlanteile aus dem Laserstrahl weg reflektiert werden, anstatt sie zu absorbieren. Insbesondere können die reflektierten Strahlanteile unter einem Winkel vom einfallenden Laserstrahl wegreflektiert werden und anschließend in eine Strahlfalle geleitet werden, um sie zu vernichten. Instead of a density variation of the graduated filter, the graduated filter can also be reflective or partially reflective. In this way, the unwanted beam components can be reflected away from the laser beam instead of being absorbed. In particular, the reflected beam components can be reflected away from the incident laser beam at an angle and then guided into a beam trap in order to destroy them.
In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung kann das Gradienten-Filterelement ein Element mit lokal aufgeprägtem Beugungsgitter, im Folgenden als Gitter bzw. Beugungsgitter bezeichnet, und eine Blendenvorrichtung umfassen, wobei die Blendenvorrichtung zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente eingebracht ist, alternativ vor der ersten Komponente oder hinter der zweiten Komponente eingebracht ist, bevorzugt im Strahlengang nach dem Beugungsgitter und der ersten Komponente eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, auswählbare Beugungsordnungen aus dem Strahlengang abzufangen. In a further preferred embodiment, the gradient filter element can include an element with a locally impressed diffraction grating, hereinafter referred to as a grating or diffraction grating, and an aperture device, with the aperture device being introduced between the first component and the second component, alternatively in front of the first component or is introduced behind the second component, is preferably introduced in the beam path after the diffraction grating and the first component and is set up to intercept selectable orders of diffraction from the beam path.
Der lokale Beugungsgitterverlauf auf dem Beugungsgitter ist derart ausgelegt, dass entweder der Nutzstrahl in einen gewünschten Winkelbereich gebeugt wird, oder der auszublendende Anteil in einen Winkelbereich gebeugt wird. Der unerwünschte Winkelbereich kann im weiteren Strahlengang gezielt geblockt werden, insbesondere auch bei einer großen zu filternden Laserleistung. The local course of the diffraction grating on the diffraction grating is designed in such a way that either the useful beam is diffracted in a desired angular range, or the portion to be masked out is diffracted in an angular range. The undesired angular range can be specifically blocked in the further beam path, in particular also with a high laser power to be filtered.
Das Beugungsgitter kann auch eine Gradienten-Funktion erzeugen, in dem die Beugungseffizienz lokal verändert wird, beispielsweise durch eine Anpassung der Stufenhöhe des Gitters. Durch Auslegung der lokalen Beugungseffizienz, beispielsweise indem die Stufenhöhe des Gitters lokal angepasst wird, kann das Gitter auch eine Blendenfunktion aufweisen beziehungsweise übernehmen. Durch die lokal angepasste Stufenhöhe werden lokal unterschiedliche Ablenkwinkel erzeugt, die eine unterschiedlich hohe Beugungseffizienz aufweisen. The diffraction grating can also generate a gradient function by changing the diffraction efficiency locally, for example by adjusting the step height of the grating. Through Design of the local diffraction efficiency, for example by locally adjusting the step height of the grating, the grating can also have or assume an aperture function. Due to the locally adapted step height, locally different deflection angles are generated, which have different levels of diffraction efficiency.
Bevorzugt umfasst das Gradienten-Filterelement ein Polarisationselement und einen Polarisationsteiler. The gradient filter element preferably comprises a polarization element and a polarization splitter.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Polarisationselement (460) ein segmentiertes, also zusammengesetztes und/oder verlaufsartig doppelbrechendes optisches Element umfasst, insbesondere ein Nanograting oder einen Flüssigkristall umfasst, welche dem Laserstrahl (30) eine radiale oder azimutale Polarisation aufprägt. In particular, provision can be made for the polarization element (460) to comprise a segmented, i.e. composite and/or progressive, birefringent optical element, in particular a nanograting or a liquid crystal, which imparts radial or azimuthal polarization to the laser beam (30).
Das Polarisationselement kann dem Laserstrahl bevorzugt eine lokal variable Polarisationsänderung aufprägen, beispielsweise durch segmentierte Wellenplatten-Elemente oder durch eine sich kontinuierlich ändernde Ausrichtung einer doppelbrechenden Struktur insbesondere ein transparentes Element mit doppelbrechende Nanostrukturen im Volumen wie beispielsweise Nanograting oder Flüssigkristalle. Dadurch wird die Blendenfunktion in einer lokalen Polarisation codiert. Mittels einem Polarisationsteiler lassen sich dann die verschiedenen Komponenten aus dem Laserstrahl herausfiltern. Bei beispielsweise entspricht eine lokale s-polarisation dann einer vollständigen Transmission und eine lokale p-polarisation einer verschwindenden Transmission. Die Gradienten-Funktionen können auch mittels Zwischenzuständen, beispielsweise durch anteilige p- und s-Polarisation erzeugt werden, womit beispielsweise eine lokale 50 prozentige Transmission am Polarisationsteiler erreicht wird. The polarization element can preferably impose a locally variable polarization change on the laser beam, for example through segmented waveplate elements or through a continuously changing alignment of a birefringent structure, in particular a transparent element with birefringent nanostructures in the volume such as nanograting or liquid crystals. This encodes the aperture function in a local polarization. The various components can then be filtered out of the laser beam using a polarization splitter. For example, a local s-polarization then corresponds to complete transmission and a local p-polarization to vanishing transmission. The gradient functions can also be generated by means of intermediate states, for example by proportionate p and s polarization, with which a local 50 percent transmission at the polarization splitter is achieved, for example.
Wobei der Polarisationsteiler vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Komponente eingebracht ist, alternativ vor der ersten Komponente oder hinter der zweiten Komponente eingebracht ist, und der Polarisationsteiler dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung auswählbarer Polarisation zu einer Strahlfalle zu reflektieren oder zum zu bearbeitenden Material zu transmittieren. The polarization splitter is preferably introduced between the first and the second component, alternatively in front of the first component or behind the second component, and the polarization splitter is set up to reflect laser radiation of selectable polarization to a beam trap or to transmit it to the material to be processed.
Ein Polarisationselement ist ein optisches Element, welches die Polarisation des einfallenden Laserstrahls ortsabhängig variieren kann. Im Allgemeinen trifft der Laserstrahl mit einer durch die Laseroptik definierten Polarisation auf das Gradienten-Filterelement. Die Polarisation des einfallenden Laserstrahls kann beispielsweise eine s-Polarisation sein, also senkrecht zur Einfallsebene polarisiert sein. Wenn das Laserlicht auf das Gradienten-Filterelement in Form eines Polarisationselements trifft, kann die Polarisation des Laserstrahls teilweise geändert werden. Beispielsweise kann die Polarisation im oberen Teil des Laserstrahls eine s-Polarisation sein, während es im unteren Teil eine p-Polarisation vorgegeben ist - dort also parallel zur Einfallsebene polarisiert ist. Die Polarisation kann aber auch im Strahlzentrum eine p-Polarisation sein und am Strahlrand eine s-Polarisation aufweisen. A polarization element is an optical element that can vary the polarization of the incident laser beam depending on the location. In general, the laser beam hits the gradient filter element with a polarization defined by the laser optics. The polarization of the incident laser beam can be s-polarization, for example, ie polarized perpendicularly to the plane of incidence. When the laser light hits the gradient filter element in the form of a Polarization element hits, the polarization of the laser beam can be partially changed. For example, the polarization in the upper part of the laser beam can be an s-polarization, while in the lower part a p-polarization is specified - that is, polarized there parallel to the plane of incidence. However, the polarization can also be p-polarization in the center of the beam and have s-polarization at the edge of the beam.
Das Polarisationselement kann auch eine Wellenplatte umfassen, welche die Polarisation und die Phase des Laserlichts beeinflusst. Beispielsweise ist eine Wellenplatte eine A/2-Patte oder eine A/4- Platte, welche die Polarisation des Laserstrahls abhängig von der Ausrichtung der Polarisation relativ zu einer optischen Achse der Wellenplatte dreht. The polarization element may also include a waveplate that affects the polarization and phase of the laser light. For example, a waveplate is an λ/2 plate or an λ/4 plate that rotates the polarization of the laser beam depending on the orientation of the polarization relative to an optical axis of the waveplate.
Insbesondere kann eine A/2-Patte auch die Polarisation des einfallenden Laserstrahls drehen bevor der Laserstrahl auf das eigentliche Polarisationselement fällt und so den Laserstrahl für die eigentliche Formung des Strahlprofils vorbereiten. In particular, an λ/2 plate can also rotate the polarization of the incident laser beam before the laser beam falls on the actual polarization element and thus prepare the laser beam for the actual formation of the beam profile.
Ein Polarisationsteiler ist ein optisches Element welches den einfallenden Laserstrahl je nach Polarisation in verschiedene Richtungen ablenkt. Beispielsweise kann ein Polarisationsteiler ein polarisierter Strahlteilerwürfel oder ein Dünnfilmpolarisator sein. Beispielsweise kann in dem oben beschriebenen Beispiel die obere Hälfte des Laserstrahls, welche s-polarisiert ist, im Strahlengang belassen werden, während der p-polarisierten Teil des Laserstrahls mit dem Polarisationsteiler aus dem Strahlengang herausreflektiert werden kann. Somit verbleibt im Strahlengang lediglich die gewünschte Form des Intensitätsgradienten, die durch das im Polarisationselement vorgegebene Polarisationsmuster vorgegeben ist. Der herausreflektierte Teil wird beispielsweise in eine Strahlfalle geleitet und dort absorbiert. A polarization splitter is an optical element that deflects the incident laser beam in different directions depending on the polarization. For example, a polarization splitter can be a polarized beam splitter cube or a thin film polarizer. For example, in the example described above, the upper half of the laser beam, which is s-polarized, can be left in the beam path, while the p-polarized part of the laser beam can be reflected out of the beam path with the polarization splitter. Thus, only the desired shape of the intensity gradient remains in the beam path, which is predetermined by the polarization pattern predetermined in the polarization element. The part that is reflected out is guided into a beam trap, for example, and is absorbed there.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein weiteres Polarisationselement nach dem Polarisationsteiler angeordnet um die Polarisation bei der Bearbeitung auf dem Werkstück einzustellen. In an advantageous development, a further polarization element can be arranged after the polarization splitter in order to adjust the polarization during processing on the workpiece.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Vorformoptik vorgesehen, gemäß der bevorzugt eine abbildende Komponente, ein diffraktives optisches Element, ein n-Shaper oder eine adaptive Optik vor dem Gradienten-Filterelement angeordnet ist, wobei die Vorformoptik bevorzugt dem eintreffenden Laserstrahl ein Flat-Top-Strahlprofil aufprägt, bevor im Gradienten-Filterelement das Bearbeitungsstrahlprofil ausgebildet wird. Eine Vorformung des Strahls bedeutet, dass der eintreffende Laserstrahl, bevor er auf das Gradienten-Filterelement trifft, eine vom natürlichen Strahlprofil des Lasers abweichende Form und insbesondere Intensitätsverteilung aufgeprägt bekommt. Diese Form kann beispielsweise durch eine abbildende Komponente aufgeprägt werden, welches das eintreffende Laserlicht des Lasers beispielsweise in einem Fokuspunkt auf dem Gradienten-Filterelement sammelt. In an advantageous development, preforming optics are provided, according to which an imaging component, a diffractive optical element, an n-shaper or adaptive optics is preferably arranged in front of the gradient filter element, with the preforming optics preferably giving the incoming laser beam a flat-top beam profile impressed before the processing beam profile is formed in the gradient filter element. Pre-shaping the beam means that the incoming laser beam, before it hits the gradient filter element, is given a shape and, in particular, an intensity distribution that deviates from the natural beam profile of the laser. This shape can be impressed, for example, by an imaging component that collects the incident laser light from the laser, for example, in a focus point on the gradient filter element.
Der eintreffende Laserstrahl kann aber auch mit einem diffraktiven optischen Element, einem TT- Shaper oder einer adaptiven Optik ein Flat-Top Strahlprofil aufgeprägt bekommen. Ein Flat-Top Strahlprofil weist - abweichend von dem Gauß'schen Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls - eine homogene Intensität des Laserstrahls über einen weiten Bereich ausgehend vom Zentrum des Laserstrahls auf und fällt dann sprungartig auf deutlich niedrige Werte ab. Das Flat-Top Strahlprofil kann hierbei rund oder elliptisch sein oder eine polygonale Kontur aufweisen. However, the incoming laser beam can also be given a flat-top beam profile using a diffractive optical element, a TT shaper or adaptive optics. A flat-top beam profile - deviating from the Gaussian beam profile of the incoming laser beam - has a homogeneous intensity of the laser beam over a wide range starting from the center of the laser beam and then suddenly drops to significantly lower values. The flat-top beam profile can be round or elliptical or have a polygonal contour.
Dadurch ist es möglich, mittels der Vorformoptik den Intensitätsverlauf des eintreffenden Laserstrahls vor dessen Auftreffen auf das Gradienten-Filterelement vorzuformen, so dass nur der Intensitätsverlauf, welcher durch das Gradienten-Filterelement aufgeprägt wird, für das Bearbeitungsstrahlprofil in dem Material relevant ist. Insbesondere muss eine abfallende Strahlintensität zum Rand des Laserstrahls, wie es bei Gauß'schen Strahlen der Fall ist, nicht mit dem Gradienten-Filterelement kompensiert oder ausgeglichen werden. This makes it possible to use the preforming optics to preform the intensity profile of the incoming laser beam before it hits the gradient filter element, so that only the intensity profile that is impressed by the gradient filter element is relevant for the processing beam profile in the material. In particular, a falling beam intensity towards the edge of the laser beam, as is the case with Gaussian beams, does not have to be compensated or balanced with the gradient filter element.
Dadurch ist es möglich, die Effizienz der Vorrichtung zu steigern und die vom Laser zur Verfügung gestellte Laserenergie besser zu nutzen. Außerdem muss bei der Verwendung eines vorgeformten Strahls mit Flat-Top Profil nicht das natürliche Bearbeitungsstrahlprofil des Lasers bei der Herstellung des Gradienten-Filterelements berücksichtigt werden. This makes it possible to increase the efficiency of the device and make better use of the laser energy made available by the laser. Additionally, using a preformed beam with a flat-top profile eliminates the need to consider the laser's natural processing beam profile when fabricating the gradient filter element.
Bevorzugt kann die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls zwischen 50fs und 5000ps liegen, insbesondere zwischen 100fs und 10ps liegen, insbesondere 1 ps kurz sein, und/oder die maximale Fluenz kann zwischen 0,01 J/cm2 und 100J/cm2 liegen, insbesondere zwischen 0,1 J/cm2 und 10J/cm2 liegen, und/oder die Repetitionsrate kann zwischen 1 kHz und 100MHz liegen, und/oder die Wellenlänge des Laserstrahls kann zwischen 50nm und 3000nm liegen. The pulse duration of the pulsed laser beam can preferably be between 50 fs and 5000 ps, in particular between 100 fs and 10 ps, in particular 1 ps, and/or the maximum fluence can be between 0.01 J/cm 2 and 100 J/cm 2 , in particular between 0.1 J/cm 2 and 10J/cm 2 and/or the repetition rate can be between 1 kHz and 100 MHz and/or the wavelength of the laser beam can be between 50 nm and 3000 nm.
Dadurch ist es möglich viele verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Lasereinstellungen zu bearbeiten. Die verwendeten optischen Komponenten sind hierbei bevorzugt leistungstauglich für die verwendete Wellenlänge ausgelegt, so dass insbesondere bei kurzen Wellenlängen auf optische Komponenten aus kristallinem Quarz oder CaF2 zurückgegriffen werden kann. This makes it possible to process many different materials with different laser settings. The optical components used are preferably designed to be efficient enough for the wavelength used, so that optical components made of crystalline quartz or CaF2 can be used, particularly in the case of short wavelengths.
Eine Vorschubvorrichtung kann bevorzugt vorgesehen sein, vorzugsweise eine Scanner-Optik und/oder ein Kreuztisch, mittels welcher das Bearbeitungsstrahlprofil und das Material zwischen zwei Bearbeitungsprozessen relativ zueinander verschoben werden können und/oder kontinuierlich relativ zueinander verschoben werden können. A feed device can preferably be provided, preferably a scanner optics and/or a cross table, by means of which the machining beam profile and the material can be shifted relative to one another between two machining processes and/or can be continuously shifted relative to one another.
Mit einer Vorschubvorrichtung ist es möglich, das Bearbeitungsstrahlprofil an unterschiedlichen Positionen im Material zu positionieren, um beispielsweise einen ersten Bearbeitungsprozess an einem ersten Ort durchzuführen und an einem zweiten Ort einen zweiten Bearbeitungsprozess durchzuführen. With a feed device it is possible to position the machining beam profile at different positions in the material, for example in order to carry out a first machining process at a first location and to carry out a second machining process at a second location.
Eine Scanner-Optik kann hierbei beispielsweise ein Galvano-Scanner sein, der sich im Strahlengang des Lasers befindet und den Strahl gezielt ablenken kann. Ein Kreuztisch hingegen befindet sich typischerweise unter der Werkstückaufnahme des Materials, mit der das Material unter dem Laserstrahl hinweg geführt werden kann. A scanner optic can, for example, be a galvanic scanner, which is located in the beam path of the laser and can deflect the beam in a targeted manner. A cross table, on the other hand, is typically located under the workpiece holder of the material, with which the material can be guided away under the laser beam.
Insbesondere kann das Bearbeitungsstrahlprofil während eines einzelnen Bearbeitungsprozesses stationär gehalten werden. Stationär gehalten bedeutet, dass durch die Vorschubvorrichtung keine oder eine bezüglich der herzustellenden Strukturgenauigkeit vernachlässigbare relative Bewegung zwischen dem Material und dem Laserstrahl stattfindet. Da der Laserstrahl auf dem Material stationär gehalten wird, werden aufeinander folgende Pulse des Laserstrahls mit gleichem Bearbeitungsstrahlprofil immer wieder auf derselben Stelle in das Material eingebracht, wodurch der Materialabtrag schrittweise realisiert wird. Dadurch kann beispielsweise ein Perkussionsbohren mit dem Bearbeitungsstrahlprofil durchgeführt werden. In particular, the machining beam profile can be kept stationary during a single machining process. Kept stationary means that there is no relative movement between the material and the laser beam, or one that is negligible with regard to the structural accuracy to be produced. Since the laser beam is kept stationary on the material, successive pulses of the laser beam with the same processing beam profile are repeatedly introduced into the material at the same point, whereby the material is removed step by step. As a result, for example, percussion drilling can be carried out with the machining beam profile.
Das Bearbeitungsstrahlprofil und das Material können aber auch kontinuierlich zueinander bewegt werden, sodass sich die Intensitätsverteilungen der Laserpulse im Material beispielsweise versetzt überlagern, um so eine durchgängige Bearbeitung des Materials zu realisieren. However, the processing beam profile and the material can also be moved continuously towards one another, so that the intensity distributions of the laser pulses in the material are superimposed, for example offset, in order to achieve continuous processing of the material.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Abtragen eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren. Entsprechend wird ein Verfahren zum Abtragen eines Materials vorgeschlagen, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials, mittels der Laserpulse eines Laserstrahls eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers. Erfindungsgemäß wird dem Laserstrahl mittels eines Gradienten-Filterelements ein senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildeter Intensitätsgradient zur Ausbildung eines Bearbeitungsstrahlprofils aufgeprägt und das Bearbeitungsstrahlprofil wird in das Material abgebildet, um Material abzutragen. The object set above is also achieved by a method for removing a material having the features of claim 10. Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures. Accordingly, a method for removing a material is proposed, in particular for drilling or structuring a material, by means of the laser pulses of a laser beam of a pulsed laser, preferably an ultra-short pulse laser. According to the invention, an intensity gradient perpendicular to the beam propagation direction is impressed on the laser beam by means of a gradient filter element in order to form a processing beam profile and the processing beam profile is imaged in the material in order to remove material.
Bevorzugt bestimmt das Bearbeitungsstrahlprofil die Form des Bohrlochs, insbesondere die lokale Abtragstiefe und die Flankensteilheit. Dies gilt insbesondere bei nicht durchgehenden Sacklöchern oder Bohrungen. The machining beam profile preferably determines the shape of the borehole, in particular the local removal depth and the flank steepness. This applies in particular to non-continuous blind holes or bores.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Bearbeitungsstrahlprofil über einen 4f-Aufbau in das Material abgebildet, bevorzugt verkleinert, besonders bevorzugt 2 bis 100-fach verkleinert. In a preferred development, the processing beam profile is imaged in the material via a 4f structure, preferably reduced, particularly preferably reduced by a factor of 2 to 100.
Bevorzugt werden zum Materialabtrag eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Pulse mit gleichem Bearbeitungsstrahlprofil in das Material eingebracht, wobei die Position der Abbildung des Bearbeitungsstrahlprofils in das Material dabei stationär gehalten wird. So kann ein Perkussionsbohren mit dem Bearbeitungsstrahlprofil erreicht werden. To remove material, a plurality of successive pulses with the same processing beam profile are preferably introduced into the material, with the position of the imaging of the processing beam profile in the material being kept stationary. In this way, percussion drilling can be achieved with the machining beam profile.
Bevorzugt ist das Material im Wesentlichen nicht transparent für die Laserstrahlung und umfasst Materialien wie eine Metallfolie oder ein Polymer oder ein Kunststoff, oder einen Halbleiter oder eine Keramik, oder das Material besteht aus Silizium. Insbesondere kann das Material auch ein Schichtsystem aus verschiedenen Materialen sein. Das Schichtsystem kann insbesondere auch dünne und für die Laserwellenlänge transparenten Zwischenschichten umfassen. The material is preferably essentially not transparent to the laser radiation and comprises materials such as a metal foil or a polymer or a plastic, or a semiconductor or a ceramic, or the material consists of silicon. In particular, the material can also be a layer system made of different materials. In particular, the layer system can also include thin intermediate layers that are transparent to the laser wavelength.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dem Laserstrahl das Bearbeitungsstrahlprofil mit einem Verlaufsfilter aufgeprägt, und/oder dem Laserstrahl wird das Bearbeitungsstrahlprofil mit einem Beugungsgitter aufgeprägt, wobei bevorzugt einstellbare Beugungsordnungen mit einer Blendenvorrichtung abgefangen werden, und/oder dem Laserstrahl wird mit einem Polarisationselement eine Polarisationsverteilung aufgeprägt, wobei eine einstellbare Polarisation des Bearbeitungsstrahlprofils durch einen Polarisationsteiler zum Material transmittiert oder zu einer Strahlfalle reflektiert wird, so dass lediglich die gewünschte Intensitätsverteilung in dem Bearbeitungsstrahlprofil verbleibt. In a preferred embodiment, the processing beam profile is impressed on the laser beam with a graduated filter, and/or the processing beam profile is impressed on the laser beam with a diffraction grating, with preferably adjustable diffraction orders being intercepted with an aperture device, and/or a polarization distribution is impressed on the laser beam with a polarization element, wherein an adjustable polarization of the processing beam profile is transmitted through a polarization splitter to the material or reflected to a beam trap, so that only the desired intensity distribution remains in the processing beam profile.
Das Material kann ein Schichtsystem sein und mindestens zwei Schichten umfassen, wobei die in Strahlausbreitungsrichtung oberste Schicht im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls ist, bevorzugt eine Transparenz von mehr als 50% aufweist, der Laserstrahl durch die oberste Schicht in eine zweite Schicht fokussiert werden kann, wobei die zweite Schicht entlang einer Trennebene getrennt werden kann, und die aus der zweiten Schicht abgetrennten lokalen Strukturen oder Teilschichten von der obersten Schicht durch Abheben oder Ablösen der obersten Schicht freigelegt werden können. The material can be a layer system and comprise at least two layers, with the uppermost layer in the direction of beam propagation being essentially transparent for the wavelength of the Laser beam is, preferably has a transparency of more than 50%, the laser beam can be focused through the top layer into a second layer, the second layer can be separated along a separation plane, and the local structures or partial layers separated from the second layer of of the top layer can be exposed by lifting or detaching the top layer.
Beispielsweise kann das Verfahren Teil eines sogenannten Laser-Lift-Off-Verfahrens sein. Bei dem Laser-Lift-Off-Verfahren können einzelne oder mehrere Schichten oder komplexe Bauteile aus einem Schichtsystem herausstrukturiert werden. For example, the method can be part of a so-called laser lift-off method. With the laser lift-off process, individual or multiple layers or complex components can be structured out of a layer system.
Zu diesem Zweck werden ultrakurze Laserpulse, bevorzugt mit einer Wellenlänge von unter 300nm, besonders bevorzugt 257nm, in das Volumen des Schichtsystems durch ein transparentes Material fokussiert. Der Laserstrahl wird durch ein Gradienten-Filterelement bzw. einen Verlaufsfilter geleitet, wobei dadurch die lokale Struktur der Bearbeitung vorgegeben wird. For this purpose, ultra-short laser pulses, preferably with a wavelength of less than 300 nm, particularly preferably 257 nm, are focused into the volume of the layer system through a transparent material. The laser beam is passed through a gradient filter element or a graduated filter, whereby the local structure of the processing is specified.
Das transparente Material kann hierbei insbesondere Saphir sein oder Saphir umfassen. Das Schichtsystem kann insbesondere GaN umfassen, welches für die Wellenlänge des Lasers nicht transparent ist und somit die Laserenergie absorbiert. Diese Absorption kann zu einer gezielten Schädigung oder zum Induzieren eines lokalen Phasenübergangs, beispielsweise durch Schmelzen oder Verdampfen, oder zu einer lokalen chemischen Reaktion führen, beispielsweise, weil die Reaktivität der Schichtmaterialien durch die größere Temperatur erhöht wird. In this case, the transparent material can in particular be sapphire or comprise sapphire. The layer system can in particular include GaN, which is not transparent to the wavelength of the laser and thus absorbs the laser energy. This absorption can result in targeted damage or induction of a local phase transition, e.g. by melting or evaporation, or in a local chemical reaction, e.g. because the reactivity of the layered materials is increased by the higher temperature.
In einem weiteren Schritt kann das strukturierte Schichtsystem entlang einer Trennebene getrennt werden, so dass gewissermaßen ein Negativbild der gewünschten Struktur aus dem eigentlichen Schichtsystem abgelöst wird. Senkrecht zur Ausdehnung der Schichten der Schichtstruktur vorliegende Schnitte und/oder Trennungen sind bevorzugt schon vor der Durchführung des Lift-Off Verfahrens eingebracht. Das Ablösen der vorstrukturierten Substrukturen kann daher durch das Trennen der Substrukturen entlang einer in einer Schichtebene liegenden Trennebene erreicht werden. In a further step, the structured layer system can be separated along a separating plane, so that to a certain extent a negative image of the desired structure is detached from the actual layer system. Cuts and/or separations perpendicular to the extent of the layers of the layered structure are preferably made before the lift-off method is carried out. The detachment of the prestructured substructures can therefore be achieved by separating the substructures along a separating plane lying in a layer plane.
Das abgelöste Schichtsystem kann beispielsweise auf einem weiteren Substrat zur Weiterverwendung verwendet werden. Beispielsweise kann die abgelöste Schicht mit Hilfe eines Trägersubstrats mit einer adhäsiven Schicht, insbesondere einer adhäsiven Folie, abgelöst und auf einem weiteren Wafer weiterverarbeitet werden. Das Trägersubstrat kann sich dabei direkt in direktem Kontakt mit zumindest einer Schicht des Schichtsystems stehen, beispielsweise auf dieses aufgeklebt sein, oder sich in einem geringen Abstand unter Ausbildung eines Spalts von dem Schichtsystem angeordnet sein. The detached layer system can, for example, be used on another substrate for further use. For example, the detached layer can be detached using a carrier substrate with an adhesive layer, in particular an adhesive film, and processed further on a further wafer. The carrier substrate can be in direct contact with at least one layer of the layer system, for example this can be glued on, or arranged at a small distance from the layer system, forming a gap.
Insbesondere kann dieses Verfahren zur Herstellung pLEDs verwendet werden, wobei die einzelnen pLEDs aus dem Schichtsystem herausstrukturiert werden. In particular, this method can be used to produce pLEDs, with the individual pLEDs being structured out of the layer system.
Kurze Beschreibung der Figuren Brief description of the figures
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. show:
Figur 1 A, B, C, D, E einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sowie verschiedene mit der Vorrichtung bereitgestellte Bearbeitungsstrahlprofile; FIG. 1 A, B, C, D, E shows a schematic structure of a device according to the present disclosure and various processing beam profiles provided with the device;
Figur 2 A, B, C, D einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem Verlaufsfilter als Gradienten-Filterelement; FIG. 2 A, B, C, D shows a schematic structure of a device with a graduated filter as a gradient filter element;
Figur 3 A, B einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem Beugungsgitter und einer Blendenvorrichtung als Gradienten-Filterelement; FIG. 3A, B shows a schematic structure of a device with a diffraction grating and an aperture device as a gradient filter element;
Figur 4 A, B einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einemFigure 4 A, B shows a schematic structure of a device with a
Polarisationselement als Gradienten-Filterelement; polarization element as gradient filter element;
Figur 5 verschiedene Intensitätsverläufe des Bearbeitungsstrahlprofils, welche durch einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung erzeugt wurden; FIG. 5 different intensity curves of the processing beam profile, which were generated by a device according to the present disclosure;
Figur 6 Draufsichten auf Abbildungen verschiedener mit einemFigure 6 plan views of illustrations of various with a
Bearbeitungsstrahlprofil einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung angefertigter Bohrlöcher; und Processing beam profile of an apparatus of boreholes prepared in accordance with the present disclosure; and
Figur 7A, B ein Verfahren zum Strukturieren eines Schichtsystems. FIG. 7A, B a method for structuring a layer system.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele Detailed description of preferred embodiments
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. Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. The same, similar or equivalent elements are included in the different figures Identical reference numerals are provided, and a repeated description of these elements is partially dispensed with in order to avoid redundancies.
In Figur 1 A ist schematisch ein Aufbau einer Vorrichtung 1 zum Abtragen eines Materials 2, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren des Materials 2, gezeigt. Ein Laser 3 stellt hierbei einen aus Laserpulsen ausgebildeten Laserstrahl 30 zur Verfügung. In FIG. 1A, a structure of a device 1 for removing a material 2, in particular for drilling or structuring the material 2, is shown schematically. A laser 3 provides a laser beam 30 formed from laser pulses.
Der Laserstrahl 30 weist beim Verlassen des Lasers typischerweise ein Gauß'sches Strahlprofil in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 30 auf. Dadurch wird im Zentrum des Laserstrahls 30 mehr Energie transportiert als in den Randbereichen des Laserstrahls 30. Ein lateraler Querschnitt durch das Gauß’sche Strahlprofil ist in Figur 1 B schematisch gezeigt. When leaving the laser, the laser beam 30 typically has a Gaussian beam profile in the plane perpendicular to the direction of propagation of the laser beam 30 . As a result, more energy is transported in the center of the laser beam 30 than in the edge regions of the laser beam 30. A lateral cross section through the Gaussian beam profile is shown schematically in FIG. 1B.
In einer schematischen Ausführungsform wird der Laserstrahl 30 daher durch ein diffraktives optisches Element beziehungsweise einen n-Shaper oder einer Strahlaufbereitungsoptik 6 vorgeformt. Hierdurch wird beispielsweise aus der Gauß'schen Strahlform eine sogenannter Flat- Top Strahlform erzeugt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie über einen großen Bereich eine im Wesentlichen gleich große Intensität im Laserstrahl 30 zur Verfügung stellt. Ein lateraler Querschnitt durch ein Flat-Top Bearbeitungsstrahlprofil ist schematisch in Figur 1 C gezeigt. Die Strahlaufbereitungsoptik 6 kann, wie in Figur 1 A gezeigt, eine fokussierende Eigenschaft aufweisen, dies ist jedoch ist nicht zwingend für die Erfindung. Auch Strahlaufbereitungsoptiken 6 ohne fokussierende Eigenschaft sind möglich (nicht gezeigt). In a schematic embodiment, the laser beam 30 is therefore pre-shaped by a diffractive optical element or an n-shaper or a beam processing optics 6 . As a result, a so-called flat-top beam shape is generated from the Gaussian beam shape, for example, which is characterized in that it provides an essentially equally large intensity in the laser beam 30 over a large area. A lateral cross-section through a flat-top processing beam profile is shown schematically in Figure 1C. As shown in FIG. 1A, the beam processing optics 6 can have a focusing property, but this is not essential for the invention. Beam conditioning optics 6 without a focusing property are also possible (not shown).
Der auf dieses Weise vorgeformte Laserstrahl wird anschließend auf ein Gradienten-Filterelement 4 geleitet, wo der Laserstrahl 30 ein Bearbeitungsstrahlprofil aufgeprägt bekommt, mit welchem der Bearbeitungsprozess im Material 2 vollzogen werden soll. Im gezeigten Beispiel in Figur 1D entspricht die Intensitätsverteilung, die zur Bearbeitung des Materials 2 genutzt werden soll, entlang eines lateralen Schnitts zwei Dreieckskurven, die jeweils symmetrisch zur Strahlausbreitungsrichtung ein Maximum aufweisen. The laser beam preformed in this way is then directed to a gradient filter element 4, where a processing beam profile is impressed on the laser beam 30, with which the processing process in the material 2 is to be carried out. In the example shown in FIG. 1D, the intensity distribution, which is to be used for processing the material 2, corresponds to two triangular curves along a lateral section, each of which has a maximum symmetrically to the beam propagation direction.
Das durch das Gradienten-Filterelement 4 auf den Laserstrahl 30 aufgeprägte Bearbeitungsstrahlprofil 32 wird schließlich von einer Abbildungsoptik 5 auf das Material 2 abgebildet, um auf diese Weise eine Bearbeitung des Materials 2 vorzunehmen. The processing beam profile 32 impressed on the laser beam 30 by the gradient filter element 4 is finally imaged onto the material 2 by imaging optics 5 in order to process the material 2 in this way.
Im Folgenden werden als abbildende, optische Komponenten stets Linsen verwendet, wobei auch andere abbildende optische Komponenten verwendet werden können. Die Abbildungsoptik 5 ist hier wie folgt aufgebaut und im Strahlengang positioniert: Das Gradienten-Filterelement 4 steht in Strahlrichtung vor einer ersten Linse 50 in einem Abstand, welcher der Brennweite F1 der ersten Linse 50 entspricht. In Strahlrichtung hinter der ersten Linse 50 befindet sich eine zweite Linse 52 mit einer Brennweite F2. Zwischen der ersten Linse 50 und der zweiten Linse 52 liegen der bildseitige Brennpunkt der ersten Linse 50 und der objektseitige Brennpunkt der zweiten Linse 52. Beide Brennpunkte fallen zusammen, sodass der Abstand der beiden Linsen 50, 52 der Summe der beiden Brennweiten F1+F2 entspricht. Hinter der zweiten Linse 52 befindet sich die Bearbeitungsebene 54 im Material 2. Die Bearbeitungsebene 54 ist von der zweiten Linse 52 im Abstand F2 angeordnet, welcher entsprechend auch der Brennweite der zweiten Linse 52 entspricht. In the following, lenses are always used as imaging optical components, although other imaging optical components can also be used. The imaging optics 5 are constructed as follows and positioned in the beam path: The gradient filter element 4 is in Beam direction in front of a first lens 50 at a distance which corresponds to the focal length F1 of the first lens 50. A second lens 52 with a focal length F2 is located behind the first lens 50 in the beam direction. The image-side focal point of the first lens 50 and the object-side focal point of the second lens 52 lie between the first lens 50 and the second lens 52. Both focal points coincide, so that the distance between the two lenses 50, 52 corresponds to the sum of the two focal lengths F1+F2 . The processing plane 54 is located in the material 2 behind the second lens 52. The processing plane 54 is arranged at a distance F2 from the second lens 52, which correspondingly also corresponds to the focal length of the second lens 52.
Das Bearbeitungsstrahlprofil 32 wird durch die Abbildungsoptik 5 in die Bearbeitungsebene 54 abgebildet. Hierbei kann einer Abbildung auch verkleinert erfolgen, beispielsweise zwischen 2 und 100-fach verkleinert, insbesondere 25-fach verkleinert. Dies bedeutet, dass die räumliche Ausdehnung des Strahlprofils nach dem Gradienten-Filterelement beispielsweise dx beträgt und durch die Abbildungsoptik 5 auf dx/25 verkleinert wird. Dadurch ist es möglich, das Material 2 auf einer deutlich kleineren Größenskala zu bearbeiten, beispielsweise um kleinere Löcher zu bohren oder schärfere Konturen herzustellen. The processing beam profile 32 is imaged in the processing plane 54 by the imaging optics 5 . Here, an image can also be reduced, for example between 2 and 100 times reduced, in particular 25 times reduced. This means that the spatial extent of the beam profile after the gradient filter element is dx, for example, and is reduced to dx/25 by the imaging optics 5 . This makes it possible to process the material 2 on a significantly smaller scale, for example to drill smaller holes or produce sharper contours.
Die Laserpulse des Laserstrahls 30 treffen in der Bearbeitungsebene 54 auf das Material 2 und werden in diesem zumindest teilweise absorbiert. Bevorzugt ist das Material 2 dabei im Wesentlichen nicht transparent für das Licht des Laserstrahls 30. The laser pulses of the laser beam 30 strike the material 2 in the processing plane 54 and are at least partially absorbed in it. The material 2 is preferably essentially not transparent to the light of the laser beam 30.
Das Material 2 wird während eines Bearbeitungsprozesses und insbesondere während eines Bohrprozesses stationär gehalten, wird also nicht relativ zu dem Bearbeitungsstrahlprofil 32 wegbewegt. Dadurch ist es möglich, mehrere in Form des Bearbeitungsstrahlprofils 32 geformte Laserpulse auf dieselbe Stelle des Materials 2 einzubringen. Dadurch ist es wiederum möglich, das Material 2 aufzuschmelzen und teilweise zu verdampfen, wobei das verdampfte Material das aufgeschmolzene Material teilweise aus dem Bohrloch hinaustreibt. Mit anderen Worten kann ein Perkussionsbohrprozess durchgeführt werden. The material 2 is kept stationary during a machining process and in particular during a drilling process, ie it is not moved away relative to the machining beam profile 32 . This makes it possible to introduce a plurality of laser pulses shaped in the form of the processing beam profile 32 onto the same point on the material 2 . This in turn makes it possible to melt and partially vaporize the material 2, with the vaporized material partially driving the melted material out of the borehole. In other words, a percussion drilling process can be performed.
Nach einem erfolgten Bohrprozess können das Material 2 und der Laserstrahl relativ zueinander mit der Vorschubvorrichtung 7 neu positioniert werden, um erneut einen weiteren Bearbeitungsprozess zu starten. After a drilling process has taken place, the material 2 and the laser beam can be repositioned relative to one another with the feed device 7 in order to start a further machining process again.
Die Geometrie des Bohrlochs wird hierbei durch die Geometrie des Bearbeitungsstrahlprofils, welches durch das Gradienten-Filterelement 4 aufgeprägt wurde, bestimmt. Beispielsweise ist es möglich, durch die Geometrie des Bearbeitungsstrahlprofils und den darin befindlichen Intensitätsgradienten die Abtragstiefe pro Bohrpuls sowie die Flankensteilheit des Bohrlochs zu bestimmen. Insbesondere ist es auch möglich, die Flanken eines Bohrlochs nachzubearbeiten und insbesondere die Steilheit des Bohrlochs anzupassen. In this case, the geometry of the borehole is determined by the geometry of the processing beam profile, which was impressed by the gradient filter element 4 . For example it is possible to determine the depth of removal per drill pulse and the slope of the borehole through the geometry of the processing beam profile and the intensity gradients therein. In particular, it is also possible to rework the flanks of a borehole and in particular to adjust the steepness of the borehole.
In Figur 2A ist ein mögliches Gradienten-Filterelement in Form eines Verlaufsfilters 42 gezeigt. Der Verlaufsfilter 42 ist eine Neutraldichtefilter, der ortsabhängig verschiedene optische Dichten aufweist. In den schematisch weiß eingefärbten Bereichen ist der Neutraldichtefilter durchlässig für das Licht des Lasers. Im schematisch schwarz eingefärbten Bereich hingegen ist die optische Dichte des Neutraldichtefilter so groß, dass ein Großteil der Energie - beispielsweise die gesamte Energie - dort aus dem Laserstrahl geblockt wird. Somit wird dem Laserstrahl das Profil des Verlaufsfilters als Bearbeitungsstrahlprofil aufgeprägt. Wenn beispielsweise der Laserstrahl 30 vor dem Durchtreten des Verlaufsfilters 42 vorgeformt ist, beispielsweise ein Flat-Top Strahlprofil aufweist, dann entspricht das durch die Abbildungsoptik 5 in die Bearbeitungsebene 54 fokussierte Bearbeitungsstrahlprofil genau dem Verlauf, der durch den Verlaufsfilter 42 vorgegeben ist. A possible gradient filter element in the form of a graduated filter 42 is shown in FIG. 2A. Graduated filter 42 is a neutral density filter that has different optical densities depending on location. The neutral density filter is permeable for the light of the laser in the areas that are schematically colored white. In contrast, in the area that is schematically colored black, the optical density of the neutral density filter is so high that a large part of the energy - for example the entire energy - is blocked from the laser beam there. The profile of the graduated filter is thus impressed on the laser beam as a processing beam profile. If, for example, the laser beam 30 is preformed before passing through the graduated filter 42, for example has a flat-top beam profile, then the processing beam profile focused into the processing plane 54 by the imaging optics 5 corresponds exactly to the course that is specified by the graduated filter 42.
In Figur 2B ist ein schematischer Aufbau gezeigt, wobei der Verlaufsfilter 42 in den Fokus der ersten Linse 50 eingebracht wird. Der Strahlverlauf vor und hinter dem Verlaufsfilter entspricht dem des Aufbaus aus Figur 1 . A schematic structure is shown in FIG. 2B, with the graduated filter 42 being introduced into the focus of the first lens 50 . The beam path in front of and behind the graduated filter corresponds to that of the structure from FIG.
Figur 2C zeigt ein schematisches Abtragsprofil, welches durch den Verlaufsfilter 42 erzeugt wird. Das Abtragsprofil ist hierbei ein Querschnitt durch ein schematisch gezeigtes Bohrloch, welches mit dem Gradienten-Filterelement in Form des Verlaufsfilters 42 erzeugt wird. Es ist zu erkennen, dass in den Bereichen hoher Transparenz für das Laserlicht ein deutlich größerer Abtrag des Materials 2 erreicht wird, als an den Stellen, an denen der Verlaufsfilter 42 weniger transparent für das Laserlicht ist. Somit ist es möglich, mittels eines Verlaufsfilters die Form des Bohrlochs zu bestimmen. Insbesondere ist der Verlauf des Verlaufsfilters 42 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Querschnitt stufenförmig, so dass bei den Stufen ein quasi deltaförmiger Intensitätsgradient vorliegt. Dies bewirkt eine sehr große Flankensteilheit der Bohrlochwände.FIG. 2C shows a schematic removal profile which is generated by the graduated filter 42. In this case, the removal profile is a cross section through a borehole shown schematically, which is generated with the gradient filter element in the form of the graduated filter 42 . It can be seen that in the areas of high transparency for the laser light, a significantly greater removal of the material 2 is achieved than at the points at which the graduated filter 42 is less transparent for the laser light. It is thus possible to determine the shape of the borehole using a gradient filter. In particular, the progression of the graduated filter 42 in the exemplary embodiment shown is step-shaped in cross section, so that there is a quasi-delta-shaped intensity gradient at the steps. This causes the borehole walls to be very steep.
In Figur 2D ist ein Mikroskopbild eines entsprechend hergestellten Bohrlochs gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass sich die Form des Verlaufsfilters in dem tatsächlich hergestellten Bohrloch widerspiegelt. FIG. 2D shows a microscopic image of a correspondingly produced drill hole. It can be clearly seen that the shape of the graduated filter is reflected in the actually drilled hole.
In Figur 3A ist eine Vorrichtung 1 gezeigt, welche ein Beugungsgitter 440 und eine Blende 442 verwendet. Durch die Blende 442 werden unerwünschte Strahlanteile aus dem Beugungsmuster heraus gelöscht, wodurch aufgrund der optischen Filterung in der Bearbeitungsebene 54 das resultierende Bearbeitungsstrahlprofil 32 dem Blendenfunktionsprofil entspricht. In FIG. 3A, an apparatus 1 using a diffraction grating 440 and an aperture 442 is shown. The diaphragm 442 eliminates unwanted beam components from the diffraction pattern deleted out, whereby due to the optical filtering in the processing plane 54 the resulting processing beam profile 32 corresponds to the diaphragm function profile.
In Figur 3B ist eine alternative Konfiguration eines möglichen Aufbaus zum Durchführen des Verfahrens gezeigt. Ein eingestrahlter Laserstrahl 30 mit Gauß'schem Strahlprofil fällt auf das Beugungsgitter 440, wodurch der Laserstrahl in seine Raumfrequenzkomponenten zerlegt wird, welche durch die erste Linse 50 fokussiert werden. Wird die Blende 442 in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls hinter dem Beugungsgitter 440 angeordnet, so können dadurch die unerwünschten Strahlanteile 31 herausgefiltert werden, so dass dem Laserstrahl 30‘ ein Blendenfunktionsprofil aufgeprägt werden kann im gezeigten Beispiel ein beschnittener Gaußstrahl mit weichen Kanten. An alternative configuration of a possible structure for carrying out the method is shown in FIG. 3B. An irradiated laser beam 30 with a Gaussian beam profile falls on the diffraction grating 440, as a result of which the laser beam is broken down into its spatial frequency components, which are focused by the first lens 50. If the aperture 442 is arranged behind the diffraction grating 440 in the beam propagation direction of the laser beam, the undesired beam components 31 can thereby be filtered out, so that the laser beam 30' can be impressed with an aperture function profile, in the example shown a trimmed Gaussian beam with soft edges.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform sorgt die zweite Linse 52 hinter der Blende 442 für eine Kollimation des Laserstrahls 30‘, welcher dann schließlich frei von unerwünschten Strahlanteilen 31 ist. In the embodiment shown here, the second lens 52 behind the aperture 442 ensures collimation of the laser beam 30', which is then finally free of undesired beam components 31.
In Figur 4A ist als Gradienten-Filterelement 4 schematisch ein Polarisationselement 460 gezeigt, welches dem Laserstrahl 30 eine ortsabhängige Polarisation aufgeprägt. Das Polarisationselement 460 kann beispielsweise passend für den gewünschten Bearbeitungsprozess gewählt werden. Insbesondere kann das Gradienten-Filterelement zwischen den Bearbeitungsprozessen, beziehungsweise Bohrprozessen auch gewechselt werden, so dass mit der gezeigten Vorrichtung unterschiedlich strukturierte Bohrlöcher geformt werden können. FIG. 4A shows a polarization element 460 as gradient filter element 4, which imparts a location-dependent polarization to laser beam 30. The polarization element 460 can be selected to suit the desired machining process, for example. In particular, the gradient filter element can also be changed between the machining processes or drilling processes, so that drill holes with different structures can be formed with the device shown.
In Figur 4B ist ein schematischer Aufbau gezeigt, in dem das Gradienten-Filterelement durch ein Polarisationselement 460 ausgebildet ist. Das Polarisationselement 460 prägt dem Laserstrahl 30 eine ortsabhängige Polarisation auf, welche vorzugsweise zwischen der ersten Linse 50 und der zweiten Linse 52 der Abbildungsoptik 5 mit einem Polarisationsteiler 462 selektiert wird. Der Polarisationsteiler kann aber auch vor der ersten Linse 50 angeordnet werden. Im gezeigten Beispiel ist die Einstellung des Polarisationsteilers 462 so gewählt, dass vorzugsweise s- polarisiertes Licht transmittiert wird und mit der Abbildungsoptik 5 in das Material 2 abgebildet wird. Der p-polarisierte Teil des Laserstrahls 30 wird hingegen mit dem Polarisationsteiler 462 in Richtung einer Strahlfalle 464 gelenkt und dort absorbiert. FIG. 4B shows a schematic structure in which the gradient filter element is formed by a polarization element 460. The polarization element 460 imposes a location-dependent polarization on the laser beam 30, which is preferably selected between the first lens 50 and the second lens 52 of the imaging optics 5 with a polarization splitter 462. However, the polarization splitter can also be arranged in front of the first lens 50 . In the example shown, the polarization splitter 462 is set in such a way that preferably s-polarized light is transmitted and imaged in the material 2 with the imaging optics 5 . The p-polarized part of the laser beam 30, on the other hand, is directed with the polarization splitter 462 in the direction of a beam trap 464 and is absorbed there.
Durch die Auswahl der Polarisation in dem Polarisationsteiler 462 kann dem Strahl einBy selecting the polarization in the polarization splitter 462, the beam can
Bearbeitungsstrahlprofil mitsamt Intensitätsgradienten aufgeprägt werden. DasProcessing beam profile are impressed together with intensity gradients. That
Bearbeitungsstrahlprofil des transmittierten Strahls weist eine Intensitätsverteilung auf, welche dem Intensitätsverlauf des Verlaufsfilters in Figur 2A entspricht. Das mittels des Polarisationsteilers 462 reflektierte und vernichtete Laserlicht hingegen weist eine Intensitätsverteilung auf, die genau der inversen Intensitätsverteilung entspricht. Im Zentrum des Bearbeitungsstrahlprofils ist keine Laserintensität anzutreffen, während am Rande des Laserstrahls eine sehr hohe Intensität vorliegt.Processing beam profile of the transmitted beam has an intensity distribution, which the Corresponds to the intensity profile of the graduated filter in FIG. 2A. In contrast, the laser light reflected and destroyed by means of the polarization splitter 462 has an intensity distribution that corresponds exactly to the inverse intensity distribution. There is no laser intensity in the center of the processing beam profile, while there is a very high intensity at the edge of the laser beam.
Im Allgemeinen können beide Strahlteile, also s- und p-polarisierte Strahlteile zum Material 2 geführt werden. Typischerweise wird jedoch nur ein Strahlteil zur Materialbearbeitung verwendet. Zwischen dem Polarisationsfilter und dem Material 2 können weitere polarisationsändernde Elemente eingebracht werden, beispielsweise eine A/4-Platte zur Erzeugung einer zirkularen Polarisation. In general, both beam parts, ie s- and p-polarized beam parts, can be guided to the material 2. Typically, however, only one beam part is used for material processing. Further polarization-changing elements can be introduced between the polarization filter and the material 2, for example a λ/4 plate for generating a circular polarization.
In Figur 5 sind Messungen verschiedener Intensitätsverläufe eines Bearbeitungsstrahlprofils in der Bearbeitungsebene 54 gezeigt. In Figur 5A ist ein Intensitätsverlauf gezeigt, der dem Intensitätsverlauf aus Figur 2 entspricht. In Figur 5B ist ein Intensitätsverlauf gezeigt, bei dem am Rande des Bearbeitungsstrahlprofils eine mittelhohe Intensität vorliegt, im Zentrum keine Intensität vorliegt und im Übergangsbereich von Rand zu Zentrum eine sehr hohe Intensität vorliegt. Ein solches Laserstrahlprofil kann beispielsweise bei der Nachbearbeitung von Bohrlöchern eingesetzt werden. In Figur 5C ist ein Intensitätsverlauf des Bearbeitungsstrahlprofils gezeigt, welcher dem p- polarisierten Teil aus Figur 4 entspricht. Die Intensität fällt hierbei vom Rand hin zum Zentrum des Laserstrahls 30 stark ab, wodurch mehr Energie des Lasers am Rande eines Bohrlochs platziert wird. Measurements of different intensity curves of a processing beam profile in the processing plane 54 are shown in FIG. FIG. 5A shows an intensity profile that corresponds to the intensity profile from FIG. FIG. 5B shows an intensity curve in which there is a medium-high intensity at the edge of the processing beam profile, there is no intensity in the center and there is a very high intensity in the transition region from edge to center. Such a laser beam profile can be used, for example, in the post-processing of boreholes. FIG. 5C shows an intensity profile of the processing beam profile, which corresponds to the p-polarized part from FIG. In this case, the intensity falls sharply from the edge towards the center of the laser beam 30, as a result of which more laser energy is placed at the edge of a borehole.
In Figur 6 sind verschiedene Mikroskopbilder von Bohrlöchern gezeigt, die mit der hier beschriebenen Vorrichtung und dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Das rechteckige Profil des Bohrlochs entsteht durch die Außenkontur des Strahlprofils, die das Gradienten-Filterelement 4 dem Laserstrahl 30 aufprägt. Die Form des Bohrlochs insbesondere die Außenwand des Bohrlochs und deren Steilheit wird durch den Verlauf der Intensität im Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und somit insbesondere durch den Intensitätsgradienten definiert. Beispielsweise kann durch Wahl des Intensitätsgradienten die Steilheit der Außenwand des Bohrlochs definiert werden. So ist beispielsweise in Figur 6A, B ist eine Außenkante des Bohrlochs jeweils 10 pm groß, während sich abhängig vom gewählten Intensitätsprofil das Bohrloch entweder auf etwa 3 pm verjüngt, oder lediglich auf 7 pm verjüngt. Bei dem Bohrloch in Figur 6A ist die Flankensteilheit der Außenwand deutlich geringer als in Figur 6B.FIG. 6 shows various micrographs of boreholes that were produced using the device described here and the method described here. The rectangular profile of the borehole is created by the outer contour of the beam profile, which the gradient filter element 4 imposes on the laser beam 30 . The shape of the borehole, in particular the outer wall of the borehole and its steepness, is defined by the course of the intensity in the processing beam profile perpendicular to the direction of propagation and thus in particular by the intensity gradient. For example, the steepness of the outer wall of the borehole can be defined by selecting the intensity gradient. For example, in FIG. 6A, B, an outer edge of the borehole is 10 μm in each case, while the borehole tapers either to about 3 μm or only to 7 μm, depending on the selected intensity profile. In the case of the borehole in FIG. 6A, the flank steepness of the outer wall is significantly less than in FIG. 6B.
Durch Wahl einer passenden Vergrößerung lässt sich die Größe des Bohrlochs insgesamt steuern.By choosing a suitable magnification, the overall size of the borehole can be controlled.
Beispielsweise lassen sich durch eine passende Vergrößerung Bohrlöcher mit derselben Flankensteilheit in das Material 2 einbringen jedoch der Außendurchmesser insgesamt variieren. Beispielweise wurde in Figur 6C ein Bohrloch gebohrt, dessen Außenkante 15 pm groß ist und welches sich auf 10 pm verjüngt. Die Flankensteilheit ist somit im Wesentlichen gleich der des Bohrlochs aus Figur 6B. In Figur 6D ist ein Bohrloch mit einer Außenkante von 25pm gezeigt, welches sich auf 20pm verjüngt. Hier ist die Flankensteilheit nochmal größer als in Figur 6C. For example, boreholes can be drilled with the same through a suitable enlargement Introduce flank steepness into the material 2, however, vary the outer diameter overall. For example, in Figure 6C, a borehole was drilled with an outside edge of 15 pm and which tapers to 10 pm. The edge steepness is thus essentially the same as that of the borehole from FIG. 6B. In Figure 6D, a wellbore is shown with an outside edge of 25pm tapering to 20pm. Here the edge steepness is again greater than in FIG. 6C.
In Figur 7A ist schematisch ein Laser-Lift-Off-Verfahren gezeigt, bei dem ein Bearbeitungsstrahlprofil 32 ein Material 2, welches im vorliegende Fall ein Schichtsystem ist, strukturiert. Das Schichtsystem 2 kann hierbei mehre Schichten 20, 21 , 22, 23, 24 etc. umfassen. Beispielsweise kann die in Strahlausbreitungsrichtung erste Schicht 20 eine erste transparente Schicht aus Saphir sein, welche ein Materialdicke zwischen 100pm und 5 mm aufweist. A laser lift-off method is shown schematically in FIG. 7A, in which a processing beam profile 32 structures a material 2, which in the present case is a layer system. In this case, the layer system 2 can comprise a plurality of layers 20, 21, 22, 23, 24 etc. For example, the first layer 20 in the beam propagation direction can be a first transparent layer made of sapphire, which has a material thickness of between 100 μm and 5 mm.
Beispielsweise können die Schichten 21 , 22, 23 ein anderes Material umfassen, wobei eine solche Schicht beispielsweise zwischen 1 nm und 10pm dick sein kann. Beispielsweise kann die Schicht 24 eine Trägerschicht sein, bzw. ein Trägersubstrat sein, etwa eine Folie, ein Klebstoff oder ein Wafer. Insbesondere sind daher die Schichtdicken in den Figur 7A, B nicht maßstabsgetreu gezeichnet.For example, the layers 21, 22, 23 can comprise a different material, such a layer being able to be between 1 nm and 10 μm thick, for example. For example, the layer 24 can be a carrier layer or a carrier substrate, such as a film, an adhesive or a wafer. In particular, therefore, the layer thicknesses in FIGS. 7A, B are not drawn to scale.
Beispielsweise kann das Bearbeitungsstrahlprofil 32 ähnlich zu denen der Figuren 5A bis 5C sein. Dabei wird bevorzugt das Bearbeitungsstrahlprofil 32 an die Geometrie der abzulösenden Struktur angepasst um den Ablösevorgang und die Materialschädigung möglichst optimal zu gestalten. Beispielsweise kann die abzulösende Struktur innerhalb der Blendenabbildung liegen. For example, the processing beam profile 32 may be similar to those of Figures 5A through 5C. In this case, the processing beam profile 32 is preferably adapted to the geometry of the structure to be detached in order to design the detachment process and the material damage as optimally as possible. For example, the structure to be detached can lie within the aperture image.
Mit anderen Worten kann der Ablösevorgang einer jeden Struktur bevorzugt ohne weiteres Bewegen oder Verfahren des Bearbeitungsstrahlprofils 32 erreicht werden. In other words, the detachment of each structure can preferably be achieved without further moving or traversing the processing beam profile 32 .
Beispielsweise kann das Bearbeitungsstrahlprofil 32 durch eine erste transparente Schicht 20 geleitet werden und in einer gewünschte Einbringtiefe eingebracht werden. Durch die Wechselwirkung des Bearbeitungsstrahlprofils 32 mit einer Schicht, beispielsweise der exemplarisch gezeigten Schicht 21 , kann hier eine gezielte Schädigung erreicht werden, so dass das Material 2 in der in der hier in der Schicht 21 liegenden Trennebene getrennt werden kann.For example, the processing beam profile 32 can be guided through a first transparent layer 20 and introduced at a desired insertion depth. Targeted damage can be achieved here by the interaction of the processing beam profile 32 with a layer, for example the layer 21 shown as an example, so that the material 2 can be separated in the parting plane lying in the layer 21 here.
Die vertikalen Schnitte sind in dem gezeigten Beispiel schon vorhanden, so die herauszulösenden Substrukturen nur noch an der Schicht 21 mit dem übrigen Schichtsystem verbunden sind. Durch das Einbringen des Bearbeitungsstrahlprofils 32 kann entsprechend in der Trennebene dann ein Trennen der Substrukturen erreicht werden. Die Trennebene fällt damit beispielsweise mit einer Schicht 21 des Schichtsystems zusammen. Somit kann aus dem Schichtsystem 2 eine Substruktur abgelöst werden. Insbesondere können so Strukturen erzeugt werden, welche entweder direkt auf einem Trägersubstrat befestigt beispielsweise geklebt sind oder auf ein Trägersubstrat, beispielsweise einen weiteren Wafer, übertragen werden können. The vertical cuts are already present in the example shown, so the substructures to be detached are only connected to the rest of the layer system at layer 21 . By introducing the processing beam profile 32, a separation of the substructures can then be achieved accordingly in the separation plane. The parting plane thus coincides, for example, with a layer 21 of the layer system. A substructure can thus be detached from the layer system 2 . In particular, structures can be produced in this way which are either attached directly to a carrier substrate, for example glued, or can be transferred to a carrier substrate, for example another wafer.
In einem Beispiel ist es möglich, dass lediglich die erste Schicht 20 transparent ist. In einem weiteren Beispiel ist es ist aber auch möglich, dass mindestens zwei oder alle Schichten des Schichtsystems 2 transparent sind, oder lediglich die in Strahlausbreitungsrichtung letzten Schichten nicht transparent für die Wellenlänge des Lasers sind. Es ist auch möglich, dass die Schichten 20, 21 , 22, 23, 24 lediglich teilweise transparent sind, solange in der tiefsten Schicht, in der noch eine Materialbearbeitung gewünscht wird, durch die verbleibende Laserstrahlung noch eine entsprechende Materialbearbeitung möglich ist, ohne die umliegenden Schichten unerwünscht zu schädigen. In an example it is possible that only the first layer 20 is transparent. In another example, however, it is also possible for at least two or all of the layers of the layer system 2 to be transparent, or for only the last layers in the beam propagation direction to be non-transparent for the wavelength of the laser. It is also possible that the layers 20, 21, 22, 23, 24 are only partially transparent, as long as a corresponding material processing is still possible in the deepest layer, in which a material processing is still desired, by the remaining laser radiation, without the surrounding ones Layers undesirably damaging.
Bevorzugt werden für diesen Bearbeitungsschritt gepulste Laserstrahlen mit einer Wellenlänge kleiner 400nm insbesondere zwischen 250 nm -350 nm insbesondere 343nm und 257nm und Pulsdauernim fs bis ns Bereich. Pulsed laser beams with a wavelength of less than 400 nm, in particular between 250 nm -350 nm, in particular 343 nm and 257 nm, and pulse durations in the fs to ns range are preferred for this processing step.
In Figur 7B ist schematisch das eigentliche Lift-Off-Verfahren gezeigt. Über ein Trägersubstrat 24 mit einer adhäsiven Schicht können die durch die Strukturierung bearbeiteten Schichten voneinander entfernt werden, da das Material 2 in der Trennebene getrennt wurde. Dadurch bleiben von dem Schichtsystem beispielsweise lediglich Teilschichtsysteme, wie die in der Figur 7B exemplarisch gezeigten Substtrukturen bestehen, die beispielsweise pLEDs sein können. The actual lift-off method is shown schematically in FIG. 7B. The layers processed by the structuring can be removed from one another via a carrier substrate 24 with an adhesive layer, since the material 2 was separated in the parting plane. As a result, only partial layer systems such as the substrates shown as an example in FIG. 7B, which can be pLEDs, for example, remain of the layer system.
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. As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
Bezuqszeichenliste Reference character list
1 Vorrichtung 1 device
2 Material 2 materials
3 Laser 3 lasers
30 Laserstrahl 30 laser beam
31 unerwünschter Strahlanteil31 unwanted beam portion
32 Bearbeitungsstrahlprofil32 processing beam profile
4 Gradienten-Filterelement4 gradient filter element
42 Verlaufsfilter 42 graduated filters
440 Beugungsgitter 440 diffraction grating
442 Blende 442 aperture
460 Polarisationselement460 polarization element
462 Polarisationsteiler 462 polarization splitter
464 Strahlfalle 464 beam trap
5 Abbildungsoptik 5 imaging optics
50 erste Linse 50 first lens
52 zweite Linse 52 second lens
54 Bearbeitungsebene 54 editing level
6 Strahlaufbereitungsoptik6 beam conditioning optics
7 Vorschubvorrichtung 7 feed device

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Vorrichtung (1) zum Bearbeiten eines Materials (2), insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials (2), mittels Laserpulsen eines Laserstrahls (30) eines gepulsten Lasers (3), bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, umfassend ein Gradienten- Filterelement (4) zum Aufprägen eines senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildeten Intensitätsgradienten auf den Laserstrahl (30) zur Ausbildung eines Bearbeitungsstrahlprofils (32) und eine Abbildungsoptik (5) zur Abbildung des Bearbeitungsstrahlprofils (32) auf oder in das Material (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Gradienten-Filterelement (4) ein Polarisationselement (460) und einen Polarisationsteiler (462) umfasst, wobei das Polarisationselement (460) ein segmentiertes, also zusammengesetztes und/oder verlaufsartig doppelbrechendes optisches Element umfasst, welche dem Laserstrahl (30) eine radiale oder azimutale Polarisation aufprägt.1 . Device (1) for processing a material (2), in particular for drilling or structuring a material (2), by means of laser pulses of a laser beam (30) of a pulsed laser (3), preferably an ultra-short pulse laser, comprising a gradient filter element (4) for Impressing an intensity gradient perpendicular to the beam propagation direction on the laser beam (30) to form a processing beam profile (32) and imaging optics (5) for imaging the processing beam profile (32) onto or into the material (2), characterized in that the gradient filter element (4) a polarization element (460) and a polarization splitter (462), wherein the polarization element (460) comprises a segmented, i.e. composite and/or course-like, birefringent optical element, which imparts a radial or azimuthal polarization to the laser beam (30).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (5) zwei abbildende Komponenten (50, 52) umfasst, vorzugsweise zwei Komponenten gleicher Brennweite, wobei das Gradienten-Filterelement (4) im objektseitigen Brennpunkt der ersten Komponente (50) steht, der bildseitige Brennpunkte der ersten Komponente (50) mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Komponente (52) zusammenfällt, und das Material (2) im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Komponente (52) angeordnet ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the imaging optics (5) comprises two imaging components (50, 52), preferably two components of the same focal length, the gradient filter element (4) being in the object-side focal point of the first component (50). , the image-side focal point of the first component (50) coincides with the object-side focal point of the second component (52), and the material (2) is arranged in the image-side focal point of the second component (52).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (5) das Bearbeitungsstrahlprofil (32) verkleinert, insbesondere 2 bis 100-fach verkleinert, in das Material (2) abbildet. 3. Device according to claim 2, characterized in that the imaging optics (5) reduces the processing beam profile (32), in particular reduces it by a factor of 2 to 100, into which the material (2) is imaged.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradienten-Filterelement (4) einen Verlaufsfilter (42) umfasst. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient filter element (4) comprises a graduated filter (42).
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradienten-Filterelement (4) ein Beugungsgitter (440) und eine Blendenvorrichtung (442) umfasst, wobei die Blendenvorrichtung (442) zwischen der ersten Komponente (50) und der zweiten Komponente (52) eingebracht ist, alternativ vor der ersten Komponente (50) oder hinter der zweiten Komponente (52) eingebracht ist, bevorzugt im Strahlengang nach dem Beugungsgitter (440) und nach der ersten Komponente (50) eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, auswählbare Beugungsordnungen aus dem Strahlengang abzufangen. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradienten-Filterelement (4) ein Polarisationselement (460) und einen Polarisationsteiler (462) umfasst, wobei bevorzugt das Polarisationselement (460) ein Nanograting oder einen Flüssigkristall umfasst, welche dem Laserstrahl (30) eine radiale oder azimutale Polarisation aufprägt, und/oder das Polarisationselement (460) eine Wellenplatte umfasst, welche die Polarisation und die Phase des Laserstrahls (30) beeinflusst, und/oder der Polarisationsteiler (462) zwischen der ersten Komponente (50) und der zweiten Komponente (52) eingebracht ist, alternativ vor der ersten Komponente (50) oder hinter der zweiten Komponente (52) eingebracht ist, und der Polarisationsteiler (462) dazu eingerichtet ist, Licht auswählbarer Polarisation zu einer Strahlfalle (464) zu reflektieren oder in das Material (2) zu transmittieren. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorformoptik (6), bevorzugt eine abbildende Komponente, ein diffraktives optisches Element, ein n-Shaper oder eine Strahlaufbereitungsoptik (6), vor dem Gradienten- Filterelement (4) angeordnet ist, die bevorzugt dem Laserstrahl (30) ein Flat-Top- Bearbeitungsstrahlprofil aufprägt, bevor im Gradienten-Filterelement (4) das Bearbeitungsstrahlprofil (32) ausgebildet wird. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls (30) zwischen 50fs und 5000ps liegt, insbesondere zwischen 100fs und 10ps liegt, insbesondere 1 ps ist, und/oder die maximale Fluenz zwischen 0,01 J/cm2 und 100J/cm2, insbesondere zwischen 0,1 J/cm2 und 10J/cm2 liegt, und/oder die Repetitionsrate des Lasers (3) zwischen 1 kHz und 100MHz liegt, und/oder die Wellenlänge des Laserstrahls (30) zwischen 50nm und 3000nm liegt. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorschubvorrichtung (7) vorgesehen ist, vorzugsweise eine Scanner-Optik und/oder ein bewegtes Werkstück, mittels welcher das Bearbeitungsstrahlprofil (32) und das Material (2) zwischen zwei Bearbeitungsprozessen relativ zueinander verschoben werden können und/oder kontinuierlich relativ zueinander verschoben werden können. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient filter element (4) comprises a diffraction grating (440) and an aperture device (442), the aperture device (442) between the first component (50) and the second component (52) is introduced, is introduced alternatively in front of the first component (50) or behind the second component (52), is preferably introduced in the beam path after the diffraction grating (440) and after the first component (50) and is set up for this purpose, selectable Intercept diffraction orders from the beam path. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the gradient filter element (4) comprises a polarization element (460) and a polarization splitter (462), the polarization element (460) preferably comprising a nanograting or a liquid crystal which the laser beam (30 ) imparts a radial or azimuthal polarization, and/or the polarization element (460) comprises a wave plate, which influences the polarization and the phase of the laser beam (30), and/or the polarization splitter (462) between the first component (50) and the second component (52) is introduced, alternatively in front of the first component (50) or behind the second component (52), and the polarization splitter (462) is set up to reflect light of selectable polarization to a beam trap (464) or in to transmit the material (2). Device according to one of the preceding claims, characterized in that a preform optics (6), preferably an imaging component, a diffractive optical element, an n-shaper or a beam processing optics (6), in front of the gradient filter element (4) is arranged, the preferably imposes a flat-top processing beam profile on the laser beam (30) before the processing beam profile (32) is formed in the gradient filter element (4). Device according to one of the preceding claims, characterized in that the pulse duration of the pulsed laser beam (30) is between 50 fs and 5000 ps, in particular between 100 fs and 10 ps, in particular 1 ps, and/or the maximum fluence is between 0.01 J/cm2 and 100J/cm2, in particular between 0.1 J/cm2 and 10J/cm2, and/or the repetition rate of the laser (3) is between 1 kHz and 100MHz, and/or the wavelength of the laser beam (30) is between 50nm and 3000nm lies. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a feed device (7) is provided, preferably a scanner optics and / or a moving workpiece, by means of which the machining beam profile (32) and the material (2) can be shifted relative to one another between two machining processes and/or can be continuously shifted relative to one another.
10. Verfahren zum Bearbeiten eines Materials (2), insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials, mittels der Laserpulse eines Laserstrahls (30) eines gepulsten Lasers (3), bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (30) mittels eines Gradienten-Filterelements (4) ein senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildeter Intensitätsgradient zur Ausbildung eines Bearbeitungsstrahlprofils (32) aufgeprägt wird und das Bearbeitungsstrahlprofil (32) in das Material (2) abgebildet wird, um Material (2) abzutragen oder zu bearbeiten. 10. A method for processing a material (2), in particular for drilling or structuring a material, using the laser pulses of a laser beam (30) of a pulsed laser (3), preferably an ultrashort pulse laser, characterized in that the laser beam (30) using a gradient filter element (4), an intensity gradient perpendicular to the direction of beam propagation is applied to form a processing beam profile (32) and the processing beam profile (32) is imaged in the material (2) in order to remove or process material (2).
11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsstrahlprofil (32) die Form des Bohrlochs, insbesondere die lokale Abtragstiefe und die Flankensteilheit, bestimmt. 11 . Method according to Claim 10, characterized in that the machining beam profile (32) determines the shape of the borehole, in particular the local removal depth and the flank steepness.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsstrahlprofil (32) über eine Abbildungsoptik (5), bevorzugt einen 4f-Aufbau, in das Material (2) abgebildet wird, bevorzugt verkleinert, besonders bevorzugt 2 bis 100-fach verkleinert, abgebildet wird. 12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the processing beam profile (32) is imaged, preferably reduced, particularly preferably 2 to 100 -fold reduced, is shown.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Materialabtrag oder zur Materialbearbeitung eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Pulse mit gleichem Bearbeitungsstrahlprofil (32) in das Material (2) eingebracht werden, wobei die Position der Abbildung des Bearbeitungsstrahlprofils (32) in das Material (2) stationär gehalten wird. 13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that a plurality of successive pulses with the same processing beam profile (32) are introduced into the material (2) for material removal or for material processing, the position of the image of the processing beam profile (32) in the material (2) is held stationary.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) im Wesentlichen nicht transparente Materialien wie eine Metallfolie umfasst, oder ein Polymer ist oder ein Kunststoff ist oder ein Halbleiter ist oder eine Keramik ist oder aus Silizium besteht, oder ein Schichtsystem aus verschiedenen Materialen ist, wobei das Schichtsystem insbesondere dünne und für die Laserwellenlänge transparenten14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the material (2) comprises substantially non-transparent materials such as a metal foil, or is a polymer, or is a plastic, or is a semiconductor, or is a ceramic, or consists of silicon , or a layer system made of different materials, whereby the Layer system particularly thin and transparent for the laser wavelength
Zwischenschichten umfassen kann. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserstrahl (30) das Bearbeitungsstrahlprofil (32) mit einem Verlaufsfilter (42) aufgeprägt wird, und/oder dem Laserstrahl (30) das Bearbeitungsstrahlprofil (32) mit einem Beugungsgitter (440) aufgeprägt wird, wobei bevorzugt einstellbare Beugungsordnungen mit einer Blendenvorrichtung (442) abgefangen werden, und/oder dem Laserstrahl (30) mit einem Polarisationselement (460) eine Polarisationsverteilung aufgeprägt wird, wobei eine einstellbare Polarisation des Bearbeitungsstrahlprofils (32) durch einen Polarisationsteiler (462) zum Material (2) transmittiert oder zu einer Strahlfalle (464) reflektiert wird, so dass lediglich die gewünschte Intensitätsverteilung in dem Bearbeitungsstrahlprofil (32) verbleibt. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2) ein Schichtsystem ist und mindestens zwei Schichten (20, 21) umfasst, wobei die in Strahlausbreitungsrichtung oberste Schicht (20) im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls (30) ist und bevorzugt eine Transparenz von mindestens 50% aufweist, der Laserstrahl (30) durch die oberste Schicht (21) in eine zweite Schicht (21) fokussiert wird, wobei die zweite Schicht (21) entlang einer Trennebene getrennt wird, und die aus der zweiten Schicht (21) abgetrennten lokalen Strukturen oder Teilschichten von der obersten Schicht (20) durch Abheben und/oder Ablösen der obersten Schicht (20) auf ein, bevorzugt mit einer adhäsiven Schicht versehenen, Trägersubstrat (24) übertragen werden. May include intermediate layers. Method according to one of Claims 10 to 14, characterized in that the processing beam profile (32) is impressed on the laser beam (30) with a graduated filter (42), and/or the processing beam profile (32) is impressed on the laser beam (30) with a diffraction grating (440 ) is impressed, with preferably adjustable orders of diffraction being intercepted with an aperture device (442), and/or a polarization distribution being impressed on the laser beam (30) with a polarization element (460), with an adjustable polarization of the processing beam profile (32) being produced by a polarization splitter (462 ) is transmitted to the material (2) or reflected to a beam trap (464), so that only the desired intensity distribution remains in the processing beam profile (32). Method according to one of Claims 10 to 15, characterized in that the material (2) is a layer system and comprises at least two layers (20, 21), the uppermost layer (20) in the direction of beam propagation being essentially transparent for the wavelength of the laser beam ( 30) and preferably has a transparency of at least 50%, the laser beam (30) is focused through the top layer (21) into a second layer (21), the second layer (21) being separated along a parting plane, and the Local structures or partial layers separated from the second layer (21) are transferred from the top layer (20) by lifting and/or detaching the top layer (20) onto a carrier substrate (24) preferably provided with an adhesive layer.
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