WO2023088912A1 - Method for the laser processing of a workpiece - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for laser machining a workpiece that has a transparent material.
- DE 10 2014 116 958 A1 discloses a diffractive optical beam-shaping element for impressing a phase curve on a laser beam provided for laser processing of a material that is largely transparent to the laser beam, with a phase mask that is designed to impress a plurality of beam-shaping phase curves on the laser beam striking the phase mask is, wherein at least one of the plurality of beam-shaping phase curves is associated with a virtual optical image that can be imaged in at least one elongated focus zone for forming a modification in the material to be processed.
- DE 10 2019 218 995 A1 discloses a method for laser beam modification of a material that is at least largely transparent to the laser beam, in which a focal zone of an individual pulse of the laser beam that is elongated in the direction of beam propagation is brought into interaction with the material and in which the interaction of the individual pulse with the Material a channel penetrating the material from a first end face to a second end face is produced with a channel width dimension of at most 1 pm.
- EP 3 597 353 A1 discloses a method for separating a transparent material by means of an elongated focal zone of a laser beam.
- JP 2020 004 889 A discloses a method for separating and in particular beveling a transparent material, a plurality of focal points for laser processing of the material being generated by means of a spatial light modulator.
- Methods for forming a beveled edge region on a transparent material by means of a laser beam are known from US 2020/0147729 A1 and US 2020/0361037 A1.
- WO 2016/089799 A1 discloses a method for separating a transparent material using a plurality of parallel, non-diffractive laser beams.
- the object of the invention is to provide a method as mentioned in the introduction, which enables the material of the workpiece to be separated with an increased quality of the separating surface.
- this object is achieved according to the invention in that a plurality of focus elements are provided by means of an input laser beam and the material is exposed to the focus elements, material modifications being formed in the material along a predetermined processing line by exposure of the material to the focus elements, at which the material can be separated by etching using at least one wet-chemical solution, and wherein at least one separate etching access for supplying the at least one wet-chemical solution from an outside of the workpiece to the processing line is formed by subjecting the material to the focus elements in the material.
- the wet-chemical solution can be introduced into the volume of the material in a targeted manner by means of the at least one etching access. It is thereby possible to achieve an improved supply of the wet-chemical solution to material modifications lying on the processing line, which are positioned in an inner region of the material, i.e. which are arranged in the interior of the material at a distance from an outer side of the material.
- an etching process is carried out on the material after the material modifications have been formed, using the at least one wet-chemical solution.
- An improved and/or more uniform supply of the wet-chemical solution to the material modifications arranged along the processing line can be achieved by means of the at least one etching access.
- the wet-chemical solution can be supplied more uniformly in terms of time and space to the material modifications assigned to the processing line.
- different material modifications of the processing line can be supplied with a well-defined quantity of the wet-chemical solution within a specific time window. Temporal fluctuations in the supply of the wet-chemical solution and/or fluctuations in the supplied quantity of the wet-chemical solution are reduced.
- the etching process for separating the workpiece can be carried out with a reduced etching time.
- the material modifications can be made more homogeneous and/or of the same type. This allows the workpiece to be separated with a more homogeneous and/or smoother separating surface. This results in an increased quality of the parting surface.
- An outside of the workpiece is to be understood in particular as an outside of the material of the workpiece.
- the focus elements are introduced into this material.
- the material modifications formed along the processing line enable the material to be separated by etching using the at least one wet-chemical solution.
- the focus elements arranged along the processing line are spaced apart and/or have such an intensity that the material modifications formed by means of the focus elements along the processing line enable the material to be separated by etching using the at least one wet-chemical solution.
- material modifications are formed which are arranged in the material at positions and/or distances corresponding to the focus elements.
- the distance between the mutually adjacent focus elements corresponds to a distance between mutually adjacent material modifications, which are formed in the material of the workpiece by means of these focus elements.
- a plurality of material modifications it is also possible for a plurality of material modifications to be formed by means of one focus element, for example if this has a Bessel-like shape.
- one or more of the provided focus elements are arranged along the processing line in order to form the material modifications along the processing line.
- the focus elements provided are each arranged at different spatial positions in the material.
- the spatial position of a specific focus element is to be understood in particular as a mid-point position of the corresponding focus element.
- the material is acted upon simultaneously with the focus elements for forming the material modifications along the processing line and with the focus elements for forming the at least one etching access.
- the material modifications assigned to the processing line and the material modifications assigned to the etching access are formed simultaneously.
- the material in principle, it is also possible for the material to be subjected to at least one focus element to form the material modifications along the processing line and at least one focus element to form the at least one etching access at a different time and/or in succession.
- the material modifications assigned to the processing line and the material modifications assigned to the etching access are formed with a time offset or in succession in time.
- a plurality of focus elements are provided by means of the at least one input laser beam
- the plurality of focus elements are provided simultaneously.
- one or more focus elements are each provided with a time offset, ie that, for example, at a at a certain point in time at least one focus element is available for laser processing of the workpiece at a certain position and at another point in time at least one further focus element is available for laser processing of the workpiece at another position.
- at least one focus element is then initially provided in order to form the material modifications assigned to the processing line, and then at least one further focus element is provided with a time offset in order to form the material modifications assigned to the at least one etching access.
- the at least one focus element and the at least one further focus element provided at different times can be designed differently with regard to their shape and/or their intensity profile, but are not necessarily so.
- the at least one etching access includes material modifications and/or cracks formed in the material of the workpiece by means of the focus elements or is formed from material modifications and/or cracks formed in the material of the workpiece.
- the material modifications and/or cracks associated with the etching access allow the at least one wet-chemical solution to be conducted through the material.
- the at least one etching access is designed for supplying wet-chemical solution from the outside of the workpiece into an inner area of the material lying on the processing line.
- wet-chemical solution can be guided to material modifications of the machining line that are located in the inner region.
- the at least one etching access is separate from the processing line and/or an additional access for supplying the at least one wet-chemical solution from the outside to the processing line.
- the at least one etching access and in particular the at least one etching access associated material modifications and / or cracks have in particular exclusively the purpose of at least one wet-chemical solution from the outside of the workpiece to the processing line and in particular to feed the material modifications and/or cracks associated with the processing line.
- the at least one etching access is not part of the processing line.
- the purpose of the at least one etching access is not to separate the material of the workpiece along an extension of the at least one etching access.
- a target shape and/or target cross-sectional shape of a separating surface to be formed or formed when the workpiece is separated is not defined and/or influenced by an extension of the at least one etching access.
- the at least one etching access is an access that is spatially separated and/or spatially separated from the processing line at least in sections for supplying wet-chemical solution from the outside of the workpiece into an inner region of the material located on the processing line.
- spatially separated accesses for supplying wet-chemical solution to the material modifications of the processing line can be provided.
- material is arranged at least in sections between the processing line and the at least one etching access, which material is in particular unmodified and/or contains no material modifications and/or contains no cracks.
- the machining line and/or the at least one etching access extend from the outside of the workpiece into an inside area of the material.
- material modifications and/or cracks are assigned to the processing line or the at least one etching access, which extend from an inner area of the material to the outside of the workpiece.
- This allows a wet-chemical solution to be coupled into the processing line or into the etching access on the outside.
- the at least one wet-chemical solution can be fed to the material modifications of the processing line by firstly penetrating the material modifications of the processing line on the outside of the workpiece and secondly being guided via the at least one etching access to the material modifications of the processing line arranged in the interior of the material.
- the at least one etching access includes a passage and/or a channel for conducting the at least one wet-chemical solution. This allows the wet-chemical solution to be guided through the material of the workpiece on a defined path by means of the etching access.
- the at least one etching access extends from an outside of the workpiece to the machining line and/or from an outside of the workpiece to the material modifications assigned to the machining line.
- the wet-chemical solution can be supplied to these material modifications in a targeted manner by means of the etching access.
- the workpiece is divided into two or more workpiece segments when it is separated, or at least one workpiece segment is severed from the workpiece when it is separated.
- a workpiece segment formed by separating the workpiece can be a useful segment and/or good piece segment, which in particular has a separating surface that has a shape that corresponds to a shape of the processing line and/or processing surface.
- a workpiece segment formed by cutting the workpiece can be a scrap segment and/or scrap segment.
- the at least one etching access is formed in a region of the material which, after the workpiece has been separated, is positioned along the processing line on or in a waste segment formed during the separation of the workpiece.
- the waste segment is separated at one or more of the etching accesses formed there.
- at least one etching access is formed, which extends with respect to a thickness direction of the workpiece from an outside of the workpiece to a penetration depth of at least 1% and in particular at least 10% and in particular at least 20% of a thickness of the material of the workpiece .
- the at least one etching access in the material of the workpiece opens into the processing line and in particular opens into material modifications and/or cracks associated with the processing line.
- the at least one etching access is a tangential continuation of a section of the machining line and/or opens tangentially into the machining line.
- the at least one etching access opens transversely and in particular perpendicularly into the processing line.
- etching accesses are formed, a first etching access extending from a first outside of the workpiece to the processing line and a second etching access extending from a second outside of the workpiece to the processing line.
- the first outer side and the second outer side of the workpiece are spaced apart from one another, for example in the thickness direction of the workpiece.
- the first outside and the second outside can lie in planes parallel to one another or in planes oriented transversely and in particular perpendicularly to one another.
- the workpiece is etched by means of the at least one wet-chemical solution along the machining line and/or is separated along a processing surface assigned to the processing line.
- the workpiece is separated after the material has been exposed to the focus elements and/or after the material modifications have been formed.
- the material is separated during etching by means of the at least one wet-chemical solution at one or more of the etching accesses formed.
- a waste segment formed during the separation of the material is in turn subdivided into further segments. This is in particular a side effect which occurs when the material is etched using the at least one wet-chemical solution.
- separating the workpiece along the processing surface results in a workpiece segment with a separating surface whose geometry corresponds to the processing surface.
- the material of the workpiece is, for example, partially or completely exposed to the at least one wet-chemical solution. Provision can be made for the etching to take place in an ultrasonically assisted etching bath. In addition, it can be provided that the material for the separation is additionally subjected to a mechanical stress and/or force, and/or that the material for the separation is additionally subjected to heat.
- the input laser beam is divided into a plurality of partial beams by means of a beam splitting element and the focus elements are formed by focusing partial beams coupled out of the beam splitting element.
- the focus elements can be formed as copies of one another. In particular, this allows the focus elements to be introduced into the material of the workpiece in a technically simple manner at different positions and/or at different distances.
- Input laser beam by means of the beam splitting element by phase imprinting takes place on a beam cross section of the input laser beam or includes a phase imprint on a beam cross section of the input laser beam.
- the beam splitting element is designed as a 3D beam splitting element or includes a 3D beam splitting element.
- the beam splitting element includes multiple components and/or functionalities. It can be provided that the beam splitting element comprises both a 3D beam splitting element and a polarization beam splitting element.
- the phase is impressed in the transverse direction of the input laser beam.
- the transverse direction lies in a plane oriented perpendicularly to the beam propagation direction of the input laser beam.
- the input laser beam is split by means of the beam splitting element by polarization beam splitting or includes polarization beam splitting.
- mutually adjacent focus elements can then each be formed with different states of polarization. In this way, in particular, interference between focus elements that are adjacent to one another can be prevented.
- mutually adjacent focus elements can be arranged, for example, at a particularly small distance from one another.
- the input laser beam is split both by means of phase imprinting and by means of polarization beam splitting.
- the machining line is designed to be spatially continuous over a thickness of the material of the workpiece and/or over a thickness of a workpiece segment to be separated from the workpiece.
- the workpiece can be divided into two parts or a workpiece segment can be separated from the workpiece.
- a shape of the processing line corresponds to a shape and/or cross-sectional shape and in particular to a target shape and/or target cross-sectional shape of a parting surface to be formed or formed by cutting the material.
- An edge geometry and/or a cross-sectional geometry and in particular a desired edge geometry and/or desired cross-sectional geometry of a parting surface created by separation of the material can thus be defined by means of the machining line.
- the at least one processing line has a total length of between 50 ⁇ m and 5000 ⁇ m and preferably between 100 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
- the material of the workpiece has, for example, a thickness between 50 ⁇ m and 5000 ⁇ m and preferably between 100 ⁇ m and 1000 ⁇ m, for example approximately 500 ⁇ m.
- the processing line is not necessarily designed to be spatially connected, but can have various spatially separate sections.
- the processing line can have gaps and/or interruptions where no focus elements are arranged.
- the processing line is or includes a connecting line between mutually adjacent focus elements.
- the processing line is straight at least in sections and/or that the processing line is curved at least in sections and/or is a curve.
- rounded segments By executing the processing line as a curve, rounded segments can be separated from the workpiece, for example. This allows rounded edges to be created, for example.
- the machining line is designed as a curve, the machining line is assigned, for example, a specific setting angle range which the machining line has in relation to the outside of the workpiece.
- a distance between mutually adjacent focus elements has a distance component that differs from zero and is oriented parallel to a thickness direction of the workpiece.
- the respective spacing of all adjacent focus elements, which are provided for laser processing of the workpiece has a non-zero spacing component, which is oriented parallel to the thickness direction of the workpiece.
- the distance component parallel to the thickness direction has a value which is greater than zero in absolute terms.
- a neighboring focus element is to be understood, in particular, as a nearest neighbor of a specific focus element.
- the thickness direction of the workpiece is to be understood in particular as a direction which is oriented transversely and in particular perpendicularly to an outside of the workpiece, through which the focus elements and/or a laser beam for forming the focus elements are coupled into the material.
- the distance between the mutually adjacent focus elements has a distance component that differs from zero and is oriented parallel to a beam propagation direction of a laser beam from which the focus elements are formed.
- the respective spacing of all adjacent focus elements, which are provided for laser processing of the workpiece has this non-zero spacing component.
- an angle of attack between the processing line and an outside of the workpiece through which the focus elements enter the Material of the workpiece are coupled, at least in sections is at least 1 ° and / or at most 90 °.
- the workpiece can be cut vertically, for example, or the workpiece can be chamfered at a certain angle.
- machining line has a specific angle of attack or angle of attack range at least in sections is to be understood in particular as meaning that the machining line has at least one section with this angle of attack or angle of attack range.
- the angle of attack can be at least 10° and/or at most 80°, preferably at least 30° and/or at most 60°, particularly preferably at least 40° and/or at most 50°.
- the angle of attack of the machining line is constant at least in sections, and/or that the machining line has several sections with different angles of attack.
- the processing line has at least two sections with different angles of attack.
- at least one etching access can then be provided, which opens into the processing line and/or meets the processing line at a transition between the first section and the second section.
- Type I is an isotropic refractive index change
- Type II is a birefringent refractive index change
- Type III is a so-called void.
- the material modification produced depends on the laser parameter n of the laser beam from which the focus element is formed, such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser laser beam, and on the material properties, such as the electronic structure and the thermal expansion coefficient, among others, as well as on the numerical aperture (NA) of the focusing.
- NA numerical aperture
- the type I isotropic refractive index changes are attributed to localized melting caused by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material.
- the density and refractive index of the material is higher when the fused silica is rapidly cooled from a higher temperature. So if the material in the focus volume melts and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.
- the type II birefringent refractive index changes can arise, for example, as a result of interference between the ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material when it solidifies.
- a type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.
- the voids (cavities) of the type III modifications can be generated with a high laser pulse energy, for example.
- the formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking. In particular, the formation of voids can also be associated with type I and type II modifications.
- Type I and Type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses. Therefore, if a type III modification is introduced, then in any case a less dense or hollow core or a defect is present. For example, in a type III modification of sapphire, the microexplosion does not create a cavity, but rather an area of lower density. Due to the material stresses that occur in a type III modification, such a modification is often accompanied by cracking or at least promotes it. The formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. Finding "pure" type III modifications is therefore not likely.
- the material cannot cool down completely between the pulses, so that cumulative effects of the introduced heat from pulse to pulse can influence the material modification.
- the repetition frequency of the laser beam can be higher than the reciprocal of the heat diffusion time of the material, so that heat accumulation can take place in the focus elements by successive absorption of laser energy until the melting temperature of the material is reached.
- a larger area than the focus elements can be melted due to the thermal transport of the heat energy into the areas surrounding the focus elements.
- material modifications are formed in the material as a result of the material being subjected to the focus elements, the material modifications being type III material modifications and/or the material modifications being accompanied by cracking of the material.
- a separation of the material can be realized by means of these material modifications.
- material modifications are formed in the material by subjecting the material to the focus elements, the material modifications being type I and/or type II material modifications, and/or the material modifications being associated with a change in a refractive index of the material.
- a separation of the material can be realized by means of these material modifications.
- the focus elements are moved in a feed direction relative to the material of the workpiece.
- the focus elements preferably lie at least approximately in a plane which is oriented, in particular, perpendicularly to the feed direction.
- the movement of the focus elements relative to the material of the workpiece forms a machining surface that corresponds to the machining line, along which material modifications are arranged and/or along which the material of the workpiece can be separated. Furthermore, as a result, the etching access is flat in the feed direction, so that it extends in particular along a surface and/or plane oriented parallel to the feed direction.
- a transparent material is to be understood in particular as a material that is transparent to the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed.
- the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed is a pulsed laser beam and in particular an ultra-short pulse laser beam.
- laser pulses in particular and in particular ultra-short laser pulses are thereby introduced into the material.
- the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed has a diffractive beam profile and/or a Gaussian beam profile.
- a wavelength of the input laser beam and/or of the laser beam from which the focus elements are formed is at least 300 nm and/or at most 1500 nm.
- the wavelength is 515 nm or 1030 nm.
- the input laser beam and/or the laser beam from which the focus elements are formed has an average power of at least IW to 1 kW.
- the laser beam includes pulses with a pulse energy of at least 10 pJ and/or at most 50 mJ. It can be provided that the laser beam comprises individual pulses or bursts, the bursts having 2 to 20 sub-pulses and in particular a time interval of approximately 20 ns.
- a focus element is to be understood as meaning a focused radiation area of the input laser beam, which in particular has a specific spatial extent.
- a specific focus element such as a diameter of the focus element
- intensity threshold is selected here, for example, in such a way that values lying below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for an interaction with the material for the formation of material modifications.
- the intensity threshold is 50% of a global maximum intensity of the focus element.
- a spatial interaction area is assigned to a specific focus element, in which the focus element interacts with the material of the workpiece when it is introduced into it.
- the focus element interacts with the material in this interaction region by non-linear absorption.
- the respective focus elements according to the above definition have a maximum spatial extent of at least 0.5 ⁇ m and/or at most 60 ⁇ m, preferably at least 2 ⁇ m and/or at most 10 ⁇ m.
- a maximum spatial extent of an interaction region associated with a specific focus element with the material of the workpiece is at least 0.5 ⁇ m and/or at most 60 ⁇ m, and preferably at least 2 ⁇ m and/or at most 10 ⁇ m.
- the maximum spatial extent of a specific focus element is to be understood in particular as the greatest spatial extent of the focus element in any spatial direction.
- a respective maximum spatial extent of the focus elements is less than 20% and preferably less than 10% and particularly preferably less than 5% of a thickness of the material.
- the focus elements introduced into the material interact with the material through non-linear absorption.
- material modifications due to non-linear absorption with the material are formed by means of the focus elements.
- the focus elements have a diffractive beam profile.
- the focus elements are designed to be diffraction-limited.
- one or more focus elements have a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
- one or more focus elements can have a Bessel-like shape and/or a quasi-non-diffracting intensity profile and/or a Bessel-like intensity profile.
- the focus element(s) provided to form the material modifications along the processing line and the focus element(s) provided to form the at least one etching access can, but do not necessarily have to, have the same shape and/or the same intensity profile.
- the terms “at least approximately” or “approximately” generally mean a deviation of at most 10%. Unless otherwise stated, the terms “at least approximately” or “approximately” mean in particular that an actual value and/or distance and/or angle deviates by no more than 10% from an ideal value and/or distance and/or angle .
- FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece
- FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration of a section of a material of the workpiece, in which a separation of the material is provided along a processing line;
- FIG. 3 shows a schematic cross-sectional illustration of the section according to FIG. 2, wherein the material for laser processing is subjected to a plurality of focus elements;
- FIG. 4 shows a schematic cross-sectional representation of a section of the material in which material modifications, which are associated with cracking of the material, were produced by subjecting the workpiece to focus elements;
- FIG. 5 shows a cross-sectional representation of a simulated intensity distribution of focus elements for laser processing of the workpiece
- FIG. 6a shows a schematic perspective illustration of a workpiece with material modifications formed thereon
- FIG. 6b shows a schematic perspective representation of two workpiece segments which are formed by separating the workpiece according to FIG. 6a.
- FIG. 1 An exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece is shown in FIG. 1 and is denoted by 100 there.
- the device 100 can be used to produce localized material modifications in a material 102 of the workpiece 104, such as defects in the submicrometer range or at the atomic level, which result in a material weakening.
- the workpiece 104 can be separated at these material modifications. For example, a workpiece segment can be separated from the workpiece 104 by means of the material modifications produced.
- the device 100 can be used to introduce material modifications into the material 102 at an angle of attack, so that an edge region of the workpiece 104 can be chamfered or beveled by separating a corresponding workpiece segment from the workpiece 104 .
- the device comprises a beam splitting element 106 into which an input laser beam 108 is coupled.
- This input laser beam 108 is provided by a laser source 110, for example.
- the input laser beam 108 is a pulsed laser beam and/or an ultrashort pulse laser beam.
- the input laser beam 108 is to be understood, in particular, as a bundle of rays which comprises a plurality of beams, which in particular run parallel.
- the input laser beam 108 has, in particular, a transverse beam cross section 112 and/or a transverse beam extension, with which the input laser beam 108 impinges on the beam splitting element 106 .
- the input laser beam 108 impinging on the beam splitting element 106 has, in particular, at least approximately flat wave fronts 114 .
- the input laser beam 108 is divided into a plurality of partial beams 116 and/or partial beam bundles by means of the beam splitting element 106 .
- the beam splitting element 106 In the example shown in FIG. 1, two different partial beams 116a and 116b are indicated.
- the partial beams 116 or partial beam bundles coupled out of the beam splitting element 106 have in particular a divergent beam profile.
- the beam splitting element 106 is designed as a far-field beam-shaping element.
- the device 100 comprises focusing optics 118 into which the partial beams 116 are coupled.
- the focusing optics 118 have, for example, one or more lens elements.
- the focusing optics 118 are designed as a microscope objective.
- the beam splitting element 106 is arranged at least approximately in a rear focal plane of the focusing optics 118 .
- the focusing optics 118 has a focal length of between 5 mm and 50 mm, for example.
- partial beams 116 that are different from one another impinge on the focusing optics 118 with a spatial offset and/or angular offset.
- the partial beams 116 are focused by means of the focusing optics 118, so that a plurality of focus elements 120 are formed, which are each arranged at different spatial positions.
- focus elements that are different from one another and/or that are adjacent to one another to spatially overlap in sections.
- one or more partial beams 116 and/or partial beams of rays are assigned to a specific focus element 120 .
- a respective focus element 120 is formed by focusing one or more partial beams 116 and/or partial beams of rays.
- a focus element 120 is to be understood in particular as a focussed radiation area, such as a focus spot, a focus point or a focus line.
- the focus elements 120 each have a specific geometric shape and/or a specific intensity profile, the geometric shape being understood to mean, for example, a spatial shape and/or spatial extent of the respective focus element 120 .
- the geometric shape and/or the intensity profile of a specific focus element 120 is referred to below as the focus distribution 121 of the focus element 120 .
- the focus distribution 121 is a property of the respective focus elements 120 and describes their shape and/or intensity profile.
- a plurality of focus elements 120 or all focus elements 120 formed have the same focus distribution.
- the focus distribution of the focus elements 120 formed is defined by the input laser beam 108, the focus elements 120 being formed as a result of its division by means of the beam splitting element 106. If the input laser beam 108 were to be focused before it is coupled into the beam splitting element 106, a single focus element would be formed with the focus distribution assigned to the input laser beam 108, for example.
- the input laser beam 108 has a Gaussian beam profile when it is provided, for example, by means of the laser source 110 .
- a focus element would be formed which has a focus distribution with a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
- input laser beam 108 is assigned a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile, so that focusing input laser beam 108 would form a focus element that has a focus distribution with a quasi-non-diffractive or Bessel-like Shape and/or quasi-non-diffracting or Bessel-like intensity profile.
- the focus distribution of the input laser beam 108 is assigned to the partial beams 116 and/or partial beam bundles formed by splitting the input laser beam 108 by means of the beam splitting element 106 in such a way that the focus elements 120 are formed with this focus distribution and/or with a focus distribution based on this focus distribution by focusing the partial beams 116 .
- the input laser beam 108 has a Gaussian beam profile, i. H. a focus distribution with a Gaussian shape and/or Gaussian intensity profile is assigned to the input laser beam 108 .
- the focus elements 120 then each have, for example, the focus distribution 121 with this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile or with a shape or intensity profile based on this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile (cf. Fig. 5).
- the focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 each have a focus distribution 121 with this Bessel-like beam profile or with a beam profile based on this Bessel-like profile.
- the focus elements 120 can each be formed, for example, with a focus distribution which has an elongate shape and/or an elongate intensity profile.
- the device 100 has a beam shaping device 122 for beam shaping of the input laser beam 108 (indicated in FIG. 1).
- this beam shaping device is 122 with respect to a beam propagation direction 124 of the input laser beam 108 is arranged in front of the beam splitting element 106 and/or arranged between the laser source 110 and the beam splitting element 106 .
- a beam propagation direction is to be understood in particular as a main beam propagation direction and/or a mean propagation direction of laser beams.
- a specific focus distribution and/or a specific beam profile can be assigned to the input laser beam 108 by means of the beam shaping device 122 .
- the focus distribution 121 of the focus elements 120 can be defined by means of the beam shaping device 122 .
- the beam shaping device 122 can be set up, for example, to form a laser beam with a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile from a laser beam with a Gaussian beam profile.
- the input laser beam 108 coupled into the beam splitting element 106 then has the quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile.
- the focus elements 120 then also have this quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile or a beam profile based on this beam profile.
- the beam shaping device 122 can comprise an axicon element in order to form laser beams with a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile.
- One or more lens elements can then be provided, for example, for coupling beams coupled out of the beam-shaping device 122 into the beam-splitting element 106 .
- the focus elements 120 are in particular each formed identically to one another and/or each formed as copies of one another.
- FIG. 2-4 A schematic cross-section of workpiece 104 and material 102 is shown in Figures 2-4, with a cross-sectional plane oriented parallel to a thickness direction 126 and/or depth direction of the workpiece (in the example shown, thickness direction 126 is parallel to the z-direction oriented).
- the workpiece 104 can be separated or is separated along a predefined processing line 128 after the laser processing has taken place using the device 100 .
- the machining line 128 corresponds to a cross-sectional geometry with which the workpiece 104 is intended to be separated.
- the focus elements 120 are introduced into the material 102 of the workpiece 104 (FIG. 3). Provision is made for the focus elements 120 introduced into the material 102 of the workpiece 104 to be moved in a feed direction 130 relative to the material 102 . A movement of the focus elements 120 relative to the material 102 takes place in the feed direction 130, in particular at a defined feed rate.
- Each of the focus elements 120 formed is assigned a specific local position xo, zo, at which a respective focus element 120 is arranged with respect to the material 102 of the workpiece 104 .
- the local position of a focus element 120 is to be understood as meaning the position of its spatial center point and/or center of gravity.
- the local positions xo, zo of the respective focus elements 120 lie in a plane oriented perpendicularly to the feed direction 130, with in particular all focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 lying in this plane.
- a specific intensity I is assigned to each of the focus elements 120 formed.
- the local position xo, zo and in particular also the intensity I of the respective focus elements 120 can be adjusted by means of the beam splitting element 106 .
- a respective distance d and/or a respective spatial offset between adjacent focus elements 120 can be set by means of the beam splitting element 106 .
- a distance direction of the distance d adjustable by means of the beam splitting element 106 preferably lies in a plane which is oriented transversely and in particular perpendicularly to the feed direction 130 .
- the distance d can be set component by component in two spatial directions by means of the beam splitting element 106, which span the plane mentioned or lie in the plane mentioned (x-direction and z-direction in the example shown in FIG. 3).
- the feed direction 130 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the thickness direction 126 of the workpiece 104 .
- the beam splitting element 106 is preferably designed as a 3D beam splitting element or comprises a 3D beam splitting element.
- the focus elements 120 can be formed, for example, in such a way that they are identical to one another and/or that they each represent copies of one another.
- the beam splitting element 106 designed as a 3D beam splitting element
- a defined transverse phase distribution is impressed on the transverse beam cross section 112 of the input laser beam 108 .
- a transverse beam cross section or a transverse phase distribution is to be understood in particular as a beam cross section or a phase distribution in a plane oriented transversely and in particular perpendicularly to the beam propagation direction 124 of the input laser beam 108 .
- the spaced-apart focus elements 120 are formed by interference of the focused sub-beams 116, which can be, for example, constructive interference, destructive interference, or incidents thereof, such as partially constructive or partially destructive interference.
- the phase distribution imposed by the beam splitting element 106 has a specific optical grating component and/or optical lens component for each focus element 120.
- the optical lattice component Due to the optical lattice component, after the partial beams 116 have been focused, there is a corresponding spatial offset of the focus elements 120 formed in a first spatial direction, e.g. in the x-direction. Due to the optical lens component, partial beams 116 or partial beams of rays impinge on the focusing optics 118 at different angles or different convergence or divergence, which results in a spatial offset in a second spatial direction, e.g. in the z-direction, after focusing has taken place.
- the local positions xo, zo can consequently be defined by appropriate design of the beam splitting element 106 or the phase distribution applied by means of the beam splitting element.
- the intensity I of the respective focus elements 120 is determined by the phase positions of the focused partial beams 116 relative to one another. These phase angles can be defined by the stated optical grating components and optical lens components. When designing the beam splitting element 106, the phase angles of the focused partial beams 116 can be selected relative to one another such that the focus elements 120 each have a desired intensity.
- the beam splitting element 106 is designed as a polarization beam splitting element or comprises a polarization beam splitting element.
- the beam splitting element 106 is used to carry out a polarization beam splitting of the input laser beam 108 into beams which each have one of at least two different polarization states.
- the stated polarization states are to be understood as meaning linear polarization states, with two different polarization states being provided, for example, and/or polarization states oriented perpendicularly to one another being provided.
- the polarization states are such that an electric field is oriented in a plane perpendicular to the beam propagation direction of the polarized beams (transverse electric).
- the beam splitting element 106 comprises, for example, a birefringent lens element and/or a birefringent wedge element.
- the birefringent lens element and/or the birefringent wedge element are made of, for example, a quartz crystal or comprise a quartz crystal.
- the partial beams 116 can be formed with different states of polarization by means of the beam splitting element 106 .
- the focus elements 120 can be formed, for example, from beams with a specific polarization state. As a result, a specific polarization state can be assigned to the focus elements 120 in each case.
- the focus elements 120 are arranged and formed by polarization beam splitting by means of the beam splitting element 106 such that mutually adjacent focus elements 120 each have different polarization states.
- the coupling of the focus elements 120 into the material 102 takes place, for example, through a first outer side 132 of the material 102 of the workpiece 104 .
- a second outside 134 of the material 102 of the workpiece 104 is arranged at a distance from the first outside 132 in the thickness direction 126 of the workpiece 104 , for example.
- the first outside 132 and the second outside 134 are oriented at least approximately parallel to one another, for example.
- the workpiece 104 is plate-shaped and/or panel-shaped.
- the material 102 of the workpiece 104 has an at least approximately constant thickness D in the thickness direction 126, for example.
- the focus elements 120 formed are arranged along the processing line 128 .
- the respective distances d and intensities I of the focus elements 120 arranged along the processing line 128 are selected such that material modifications 138 are formed by impinging the material 102 with these focus elements 120 (Fig. 4), which separate the material 102 along this processing line 128 and /or enable a processing surface corresponding to this processing line 128.
- the distances d and intensities I are selected such that the material 102 can be separated along the processing line 128 by etching using at least one wet-chemical solution.
- the focus elements or the material modifications are only shown schematically in terms of number, geometry, extent and arrangement.
- the processing line 128 extends between the first outer side 132 and the second outer side 134 and in particular continuously and/or without interruption between the first outer side 132 and the second outer side 134 of the workpiece 104 .
- the processing line 128 has several different sections 140 .
- the processing line 128 has a first section 140a, a second section 140b and a third section 140c, with the second section 140b adjoining the first section 140a and the third section 140c with respect to the thickness direction 126 connects to the second section 140b.
- the processing line 128 is not necessarily designed to be continuous and/or differentiable.
- the processing line 128 may have discontinuities. Provision can be made for the processing line 128 to have interruptions and/or gaps at which, in particular, no focus elements 120 are arranged.
- the processing line 128 and/or different sections 140 of the processing line 128 can be formed, for example, as a straight line or a curve.
- the respective distance d between the focus elements 120 provided for the laser processing of the workpiece 104 can be selected differently for different focus elements 120 and/or different pairs of focus elements 120 . In principle, however, it is also possible for the respective distance d to be identical for all focus elements 120 provided for laser processing of the workpiece 104 . In particular, a distance component d z of the distance d oriented parallel to the thickness direction 126 of the material 102 is different from zero for all focus elements 120 and/or for all pairs of mutually adjacent focus elements 120 . In particular, all adjacent focus elements 120 are spaced apart in the thickness direction 126 by a distance component dz that is different from zero.
- machining line 128 and/or the respective sections 140 of the machining line 128 are assigned a specific angle of incidence o and/or the angle of attack range, which the machining line 128 or the respective section 140 encloses with the first outer side 132 of the workpiece 104.
- the angle of incidence ⁇ of the first section 140a and of the third section 140c is 45° and that of the second section 140b is 90°.
- the material modifications 138 formed in the material 102 by impacting and/or introducing the focus elements 120 are arranged in the material 102 at localized local positions.
- the local positions of the material modifications 138 correspond at least approximately to the local positions xo, zo of the focus elements 120, by means of which the material modifications 138 were formed in each case.
- processing parameters such as the respective distances d between the focus elements 120, their respective intensities I, the feed rate oriented in the feed direction 130, and the laser parameters of the input laser beam 108
- the material modifications 138 can be formed, for example, as type III modifications, which for example, are associated with a spontaneous formation of cracks 142 in the material 102 of the workpiece 104 .
- cracks 142 are formed between adjacent material modifications 138 .
- Machining parameters to form the material modifications 138 as Type I and/or Type II modifications which involve heat accumulation in the material 102 and/or with a change in a refractive index of the material 102.
- the formation of the material modifications 138 as Type I and/or Type II modifications is associated with heat accumulation in the material 102 of the workpiece 104 .
- the respective distance d between the focus elements 120 is selected to be so small that this accumulation of heat occurs when the material 102 is acted upon by the focus elements.
- the workpiece 104 is introduced into the wet-chemical solution for etching, with the wet-chemical solution passing through the first outer side 132 and/or the second outer side 134 into the areas marked on the processing line 128 or
- one or more etching accesses 144 are formed on the material 102 in order to improve the supply of the wet-chemical solution.
- etching accesses 144 are formed on the material 102 in order to improve the supply of the wet-chemical solution.
- FIG. 3 there is a first etch access 144a and a second etch access 144b.
- Etching access 144 is designed to allow wet-chemical solution from one of the outer sides 132, 134 of the workpiece 104 (e.g. the first outer side 132 or the second outer side 134) to the processing line 128 and in particular to the material modifications 138 and/or cracks 142 associated with the processing line 128 to supply
- the etching access 144 is designed in such a way that the wet-chemical solution can be carried out and/or passed through it.
- the etching access 144 has a channel-like and/or line-like cross section (cf. FIGS. 3 and 4).
- a cross-sectional plane of this Cross-section is oriented, for example, transversely and in particular perpendicularly to at least one of the outer sides 132, 134, and/or oriented perpendicularly to the feed direction 130, for example.
- the etching access 144 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the respective outer side 132 or 134 .
- the etching access 144 has a longitudinal central axis 146 with respect to its cross section, which is oriented transversely and in particular perpendicularly to the respective outer side 132 or 134 .
- the etching access 144 extends flatly along a surface and/or plane oriented parallel to the feed direction 130 (in the example shown in FIG. 4 flatly in a plane oriented parallel to the y-direction, i.e. along a plane running into the plane of the paper).
- the longitudinal center axis 146 lies in this surface and/or plane.
- the etching access 144 runs from the respective outer side 132, 134 into the interior of the material 102.
- the etching access 144 extends with respect to the thickness direction 126 from the respective outer side 132 or 134 to a penetration depth T.
- the penetration depth T is at least 1% of the Thickness D of material 102.
- the etch access 144 has an inlet 148 and an outlet 150 for wet chemical solution.
- the entrance is positioned on the respective outside 132, 134 of the workpiece.
- the exit 150 is located inside the material 102 .
- the etching access 144 at the exit 150 opens into the processing line 128 and/or into the material modifications 138 and/or cracks 142 associated with the processing line 128 .
- etch access 144a opens into processing line 128 at a transition between second section 140b and third section 140c, and etch access 144b at a transition between first section 140a and second section 140b.
- the etching access 144 is formed in particular by subjecting the material 102 to focus elements 120′.
- the focus elements 120′ are in particular of the same design as the focus elements 120 described above, so that in this respect reference is made to their above description.
- both the focus elements 120 and the focus elements 120 ′ are formed by means of the device 100 or by means of the beam splitting element 106 and the focusing optics 118 .
- the focus elements 120 and the focus elements 120' are formed at the same time and/or the material 102 is acted upon at the same time by the focus elements 120 and the focus elements 120'.
- Material modifications 138' and/or cracks 142' are produced by subjecting the material 102 to the focus elements 120' in order to form the etching access 144.
- the respective intensities I and/or distances d of the focus elements 120' are selected in particular such that the material modifications 138' and/or cracks 142' produced by means of these focus elements 120' form the etch access 144 in such a way that wet-chemical solution can be conducted through the etch access is possible.
- FIG. 5 shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 120, the distance d for these focus elements 120 being approximately 8.0 ⁇ m.
- lighter areas represent higher intensities.
- the laser processing of the workpiece 104 using the device 100 works as follows:
- the material 102 of the workpiece 104 is acted upon by the focus elements 120, 120' and the focus elements 120, 120' are moved in the feed direction 130 relative to the workpiece 104 through its material 102.
- the focus elements 120, 120' are formed by beam shaping of the input laser beam 108.
- the material 102 is a material that is transparent to a wavelength of laser beams from which the focus elements 120, 120' are each formed, such as a glass material, for example.
- Material modifications 138, 138' are formed in the material 102 by subjecting the material 102 to the focus elements 120, 120'.
- the material modifications 138 formed by means of the focus elements 120 are arranged along the processing line 128 (cf. FIGS. 3 and 6a), which, for example, extends continuously over the entire thickness D of the material 102.
- the focus elements 120 or material modifications 138 associated with the processing line 128 define a cross-sectional geometry of the parting surface (FIG. 6b) that is created by later parting of the material.
- the material modifications 138' formed by means of the focus elements 120' are arranged along the respective central longitudinal axis 146 of the associated etch access 144 (for example the etch access 144a and 144b).
- the focus elements 120' or material modifications 138' assigned to the respective central longitudinal axis 146 define a cross-sectional geometry of the etching access 144 to be formed.
- trajectory 152 is oriented parallel to feed direction 130 .
- a processing surface 154 corresponding to the processing line 128 is formed, on which the material modifications 138 are arranged.
- the processing line 128 lies in the corresponding processing area 154.
- material modifications 138' are formed in the material 102 by moving the focus elements 120' relative to the material 102, said modifications being arranged on processing surfaces 154'.
- These processing surfaces 154' correspond to the respective longitudinal central axes 146 of the etching accesses 144.
- the respective longitudinal central axis 146 of a specific etching access 144 lies in the corresponding processing surface 154'.
- the trajectory 152 can have rectilinear and curved sections.
- the processing line 128 and/or the longitudinal center axes 146 are rotated during the laser processing in particular in such a way that they always lie in a plane oriented perpendicularly to the feed direction 130 .
- This can be implemented, for example, by appropriately rotating the beam splitting element 106 or by rotating the entire device 100 relative to the workpiece 104 .
- a distance from material modifications 138, 138' that are adjacent in the feed direction 130 can be defined, for example, by setting a pulse duration of the input laser beam 108 and/or by setting the feed rate.
- the material modifications 138 formed along the processing line 128 result in particular in a reduction in the strength of the material 102, the strength being reduced, for example, due to the cracks 142 formed.
- the material modifications 138' and/or cracks 142' associated with the etching accesses 144 also result in a reduction in the strength of the material 102, so that penetration of etching liquid and/or passage of etching liquid is made possible.
- a wet-chemical solution is applied to it.
- the material 102 is, for example, introduced partially or completely into an etching bath with the wet-chemical solution, this taking place in particular for a specific period of time and/or at a specific temperature.
- the etching can be carried out with the assistance of ultrasound.
- the wet chemical solution can include KOH and/or NaOH.
- the wet-chemical solution penetrates on the outer sides 132, 134 into the material modifications 138 and/or cracks 142 associated with the processing line 128 and then penetrates along the processing line 128 into an inner region 155 of the material 102.
- the inner region 155 is, in particular, a region of the material 102 that is spaced apart from the respective outer side 132, 134 parallel to the direction of thickness 126.
- the wet-chemical solution also penetrates into the corresponding etching accesses 144 on the outer sides 132, 134 and also reaches the inner region 155 of the material 102 lying on the processing line 128 through these etching accesses 144.
- the wet-chemical solution is guided into the inner area 155 lying on the processing line 128 by means of the etching accesses 144 .
- the wet-chemical solution is guided by means of the etching accesses 144 from the respective outside 132, 134 to the second section 140b of the processing line 128. In this way, an improved introduction of the wet-chemical solution into the inner area 155 lying on the processing line 128 can be achieved.
- the material 102 on the processing surface 154 is separated into two workpiece segments 156a, 156b that are different from one another (FIG. 6b) by etching using the supplied wet-chemical solution.
- the workpiece segment 156a is a scrap segment and/or a scrap segment.
- the etching accesses 144 are arranged on the workpiece segment 156a or comprised by the workpiece segment 156a.
- the workpiece segment 156a ie, the scrap segment, along the extent of the etch accesses 144, is also formed during the etching process separated. As a result, the workpiece segment 156a is in turn divided into a plurality of segments.
- the workpiece segment 156b is a good piece segment and/or a useful segment. It has a parting surface 158 which has a shape that corresponds to the shape of the machining line 128 .
- the material 102 of the workpiece 104 is quartz glass, for example.
- a laser beam from which the focus elements 120, 120' are formed has a wavelength of 1030 nm and a pulse duration of 1 ps. Furthermore, a numerical aperture assigned to the focusing optics 118 is 0.4 and a pulse energy assigned to a single focus element 120, 120' is 50 to 200 nJ.
- the pulse energy assigned to a single focus element 120, 120' is 500 to 2000 nJ.
- first section b second section c third section crack 'crack etch access a first etch access b second etch access longitudinal center axis input output trajectory processing surface ' processing surface inner area a workpiece segment / waste segment b workpiece segment parting surface
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Abstract
The invention relates to a method for the laser processing of a workpiece (104) which has a transparent material (102). In the method, multiple focal elements (120, 120') are provided by means of an input laser beam (108), and the focal elements (120, 120') act on the material (102), wherein material modifications (138) are produced in the material (102) along a specified processing line (128) as a result of the focal elements (120) acting on the material (102), which can be detached at said processing line by means of an etching process using at least one wet-chemical solution, and as a result of the focal elements (120') acting on the material (102), at least one separate etching entrance (144) is formed in the material (102) in order to supply the at least one wet-chemical solution to the processing line (128) from an outer face (132, 134) of the workpiece (104).
Description
Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks Process for laser machining a workpiece
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, welches ein transparentes Material aufweist. The invention relates to a method for laser machining a workpiece that has a transparent material.
Aus der DE 10 2014 116 958 Al ist ein diffraktives optisches Strahlformungselement zur Aufprägung eines Phasenverlaufs auf einen zur Laserbearbeitung eines für den Laserstrahl weitgehend transparenten Materials vorgesehenen Laserstrahl mit einer Phasenmaske bekannt, die zur Aufprägung einer Mehrzahl von strahlformenden Phasenverläufen auf den die Phasenmaske fallenden Laserstrahl ausgebildet ist, wobei mindestens einem der Mehrzahl von strahlformenden Phasenverläufe ein virtuelles optisches Bild zugeordnet ist, das in mindestens eine langgezogene Fokuszone zum Ausbilden einer Modifikation im zu bearbeitenden Material abbildbar ist. DE 10 2014 116 958 A1 discloses a diffractive optical beam-shaping element for impressing a phase curve on a laser beam provided for laser processing of a material that is largely transparent to the laser beam, with a phase mask that is designed to impress a plurality of beam-shaping phase curves on the laser beam striking the phase mask is, wherein at least one of the plurality of beam-shaping phase curves is associated with a virtual optical image that can be imaged in at least one elongated focus zone for forming a modification in the material to be processed.
Aus der DE 10 2019 218 995 Al ist ein Verfahren zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials bekannt, wobei eine in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene Fokuszone eines Einzelpulses des Laserstrahls mit dem Material in Wechselwirkung gebracht wird und wobei durch Wechselwirken des Einzelpulses mit dem Material ein das Material von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringender Kanal mit einem Kanal-Breitenmaß von höchstens 1 pm erzeugt wird. DE 10 2019 218 995 A1 discloses a method for laser beam modification of a material that is at least largely transparent to the laser beam, in which a focal zone of an individual pulse of the laser beam that is elongated in the direction of beam propagation is brought into interaction with the material and in which the interaction of the individual pulse with the Material a channel penetrating the material from a first end face to a second end face is produced with a channel width dimension of at most 1 pm.
Aus der EP 3 597 353 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels einer langgezogenen Fokuszone eines Laserstrahls bekannt. EP 3 597 353 A1 discloses a method for separating a transparent material by means of an elongated focal zone of a laser beam.
Aus der JP 2020 004 889 A ist ein Verfahren zum Trennen und insbesondere Abschrägen eines transparenten Materials bekannt, wobei mittels eines Spatial Light Modulators eine Mehrzahl von Fokuspunkten zur Laserbearbeitung des Materials erzeugt werden.
Aus der US 2020/0147729 Al und der US 2020/0361037 Al sind jeweils Verfahren zur Ausbildung eines abgeschrägten Kantenbereichs an einem transparenten Material mittels eines Laserstrahls bekannt. JP 2020 004 889 A discloses a method for separating and in particular beveling a transparent material, a plurality of focal points for laser processing of the material being generated by means of a spatial light modulator. Methods for forming a beveled edge region on a transparent material by means of a laser beam are known from US 2020/0147729 A1 and US 2020/0361037 A1.
Aus der WO 2016/089799 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels mehrerer paralleler nichtbeugender Laserstrahlen bekannt. WO 2016/089799 A1 discloses a method for separating a transparent material using a plurality of parallel, non-diffractive laser beams.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, welches eine Trennung des Materials des Werkstücks mit einer erhöhten Trennflächenqualität ermöglicht. The object of the invention is to provide a method as mentioned in the introduction, which enables the material of the workpiece to be separated with an increased quality of the separating surface.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels eines Eingangslaserstrahls mehrere Fokuselemente bereitgestellt werden und das Material mit den Fokuselementen beaufschlagt wird, wobei durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen in dem Material Materialmodifikationen entlang einer vorgegebenen Bearbeitungslinie ausgebildet werden, an welcher das Material durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung trennbar ist, und wobei durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen in dem Material mindestens ein separater Ätzzugang zur Zuführung der mindestens einen nasschemischen Lösung von einer Außenseite des Werkstücks zu der Bearbeitungslinie ausgebildet wird. In the method mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that a plurality of focus elements are provided by means of an input laser beam and the material is exposed to the focus elements, material modifications being formed in the material along a predetermined processing line by exposure of the material to the focus elements, at which the material can be separated by etching using at least one wet-chemical solution, and wherein at least one separate etching access for supplying the at least one wet-chemical solution from an outside of the workpiece to the processing line is formed by subjecting the material to the focus elements in the material.
Mittels des mindestens einen Ätzzugangs lässt sich die nasschemische Lösung gezielt in das Volumen des Materials einbringen. Es lässt sich dadurch eine verbesserte Zuführung der nasschemischen Lösung zu an der Bearbeitungslinie liegenden Materialmodifikationen erreichen, welche in einem Innenbereich des Materials positioniert sind, d.h. welche beabstandet zu einer Außenseite des Materials im Inneren des Materials angeordnet sind. The wet-chemical solution can be introduced into the volume of the material in a targeted manner by means of the at least one etching access. It is thereby possible to achieve an improved supply of the wet-chemical solution to material modifications lying on the processing line, which are positioned in an inner region of the material, i.e. which are arranged in the interior of the material at a distance from an outer side of the material.
Zur Trennung des Materials des Werkstücks entlang der Bearbeitungslinie ist es vorgesehen, dass an dem Material nach Ausbildung der Materialmodifikationen ein Ätzvorgang mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung durchgeführt wird. Mittels des mindestens einen Ätzzugangs lässt sich eine verbesserte und/oder gleichmäßigere Zuführung der nasschemischen Lösung an die entlang der Bearbeitungslinie angeordneten Materialmodifikationen erreichen.
Insbesondere lässt sich die nasschemische Lösung zeitlich und räumlich gleichmäßiger zu den der Bearbeitungslinie zugeordneten Materialmodifikationen zuführen. Beispielsweise lassen sich unterschiedliche Materialmodifikationen der Bearbeitungslinie innerhalb eines bestimmten Zeitfensters mit einer wohldefinierten Menge der nasschemischen Lösung versorgen. Zeitliche Schwankungen der Zuführung der nasschemischen Lösung und/oder Schwankungen der zugeführten Menge der nasschemischen Lösung werden verringert. In order to separate the material of the workpiece along the processing line, it is provided that an etching process is carried out on the material after the material modifications have been formed, using the at least one wet-chemical solution. An improved and/or more uniform supply of the wet-chemical solution to the material modifications arranged along the processing line can be achieved by means of the at least one etching access. In particular, the wet-chemical solution can be supplied more uniformly in terms of time and space to the material modifications assigned to the processing line. For example, different material modifications of the processing line can be supplied with a well-defined quantity of the wet-chemical solution within a specific time window. Temporal fluctuations in the supply of the wet-chemical solution and/or fluctuations in the supplied quantity of the wet-chemical solution are reduced.
Durch die verbesserte und gleichmäßigere Zuführung der nasschemischen Lösung lässt sich der Ätzvorgang zur Trennung des Werkstücks mit einer verringerten Ätzzeit ausführen. Zudem lassen sich die Materialmodifikationen homogener und/oder gleichartiger Ausbilden. Dadurch lässt sich eine Trennung des Werkstücks mit einer homogeneren und/oder glatteren Trennfläche realisieren. Es ergibt sich dadurch eine erhöhte Qualität der Trennfläche. Due to the improved and more uniform supply of the wet-chemical solution, the etching process for separating the workpiece can be carried out with a reduced etching time. In addition, the material modifications can be made more homogeneous and/or of the same type. This allows the workpiece to be separated with a more homogeneous and/or smoother separating surface. This results in an increased quality of the parting surface.
Unter einer Außenseite des Werkstücks ist insbesondere eine Außenseite des Materials des Werkstücks zu verstehen. In dieses Material werden die Fokuselemente eingebracht. An outside of the workpiece is to be understood in particular as an outside of the material of the workpiece. The focus elements are introduced into this material.
Insbesondere ermöglichen die entlang der Bearbeitungslinie ausgebildeten Materialmodifikationen eine Trennung des Materials durch Ätzen mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung. Insbesondere sind die entlang der Bearbeitungslinie angeordneten Fokuselemente so beabstandet und/oder weisen eine solche Intensität auf, dass die mittels der Fokuselemente entlang der Bearbeitungslinie ausgebildeten Materialmodifikationen eine Trennung des Materials durch Ätzen mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung ermöglichen. In particular, the material modifications formed along the processing line enable the material to be separated by etching using the at least one wet-chemical solution. In particular, the focus elements arranged along the processing line are spaced apart and/or have such an intensity that the material modifications formed by means of the focus elements along the processing line enable the material to be separated by etching using the at least one wet-chemical solution.
Durch Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit den Fokuselementen werden Materialmodifikationen ausgebildet, welche in dem Material an mit den Fokuselementen korrespondierenden Positionen und/oder Abständen angeordnet sind. Insbesondere entspricht der Abstand der zueinander benachbarten Fokuselemente einem Abstand zueinander benachbarter Materialmodifikationen,
welche mittels dieser Fokuselemente im Material des Werkstücks ausgebildet werden. Es ist allerdings grundsätzlich auch möglich, dass mittels eines Fokuselements mehrere Materialmodifikationen ausgebildet werden, beispielsweise wenn dieses eine Bessel-Artige Form aufweist. By subjecting the material of the workpiece to the focus elements, material modifications are formed which are arranged in the material at positions and/or distances corresponding to the focus elements. In particular, the distance between the mutually adjacent focus elements corresponds to a distance between mutually adjacent material modifications, which are formed in the material of the workpiece by means of these focus elements. In principle, however, it is also possible for a plurality of material modifications to be formed by means of one focus element, for example if this has a Bessel-like shape.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein oder mehrere der bereitgestellten Fokuselemente entlang der Bearbeitungslinie angeordnet werden, um die Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie auszubilden. In particular, it can be provided that one or more of the provided focus elements are arranged along the processing line in order to form the material modifications along the processing line.
Insbesondere sind die bereitgestellten Fokuselemente jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen im Material angeordnet. Unter der räumlichen Position eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere eine Mittelpunktsposition des entsprechenden Fokuselements zu verstehen. In particular, the focus elements provided are each arranged at different spatial positions in the material. The spatial position of a specific focus element is to be understood in particular as a mid-point position of the corresponding focus element.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen zur Ausbildung der Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie und mit den Fokuselementen zur Ausbildung des mindestens einen Ätzzugangs gleichzeitig erfolgt. Es werden dadurch insbesondere die der Bearbeitungslinie zugeordneten Materialmodifikationen und die dem Ätzzugang zugeordneten Materialmodifikationen gleichzeitig ausgebildet. In particular, it can be provided that the material is acted upon simultaneously with the focus elements for forming the material modifications along the processing line and with the focus elements for forming the at least one etching access. As a result, in particular the material modifications assigned to the processing line and the material modifications assigned to the etching access are formed simultaneously.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Beaufschlagung des Materials mit mindestens einem Fokuselement zur Ausbildung der Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie und mindestens einem Fokuselement zur Ausbildung des mindestens einen Ätzzugangs zeitlich versetzt und/oder zeitlich nacheinander erfolgt. Es werden dadurch insbesondere die der Bearbeitungslinie zugeordneten Materialmodifikationen und die dem Ätzzugang zugeordneten Materialmodifikationen zeitlich versetzt bzw. zeitlich nacheinander ausgebildet. In principle, it is also possible for the material to be subjected to at least one focus element to form the material modifications along the processing line and at least one focus element to form the at least one etching access at a different time and/or in succession. As a result, in particular the material modifications assigned to the processing line and the material modifications assigned to the etching access are formed with a time offset or in succession in time.
Darunter, dass mittels des mindestens eines Eingangslaserstrahls mehrere Fokuselemente bereitgestellt werden kann insbesondere zu verstehen sein, dass die mehreren Fokuselemente gleichzeitig bereitgestellt werden. Allerdings kann hierunter auch zu verstehen sein, dass ein oder mehrere Fokuselemente jeweils zeitlich versetzt bereitgestellt werden, d.h. dass beispielsweise zu einem
bestimmten Zeitpunkt mindestens ein Fokuselement zur Laserbearbeitung des Werkstücks an einer bestimmten Position zur Verfügung steht und zu einem anderen Zeitpunkt mindestens ein weiteres Fokuselement zur Laserbearbeitung des Werkstücks an einer anderen Position zur Verfügung steht. Beispielsweise wird dann zunächst mindestens ein Fokuselement bereitgestellt, um die der Bearbeitungslinie zugeordneten Materialmodifikationen auszubilden, und dann zeitlich versetzt mindestens ein weiteres Fokuselement, um die dem mindestens einen Ätzzugang zugeordneten Materialmodifikationen auszubilden. Das mindestens eine Fokuselement und das zeitlich versetzt bereitgestellte mindestens eine weitere Fokuselement können hinsichtlich ihrer Form und/oder ihrem Intensitätsprofil unterschiedlich ausgebildet sein, sind dies aber nicht notwendigerweise. The fact that a plurality of focus elements are provided by means of the at least one input laser beam can in particular be understood to mean that the plurality of focus elements are provided simultaneously. However, this can also be understood to mean that one or more focus elements are each provided with a time offset, ie that, for example, at a at a certain point in time at least one focus element is available for laser processing of the workpiece at a certain position and at another point in time at least one further focus element is available for laser processing of the workpiece at another position. For example, at least one focus element is then initially provided in order to form the material modifications assigned to the processing line, and then at least one further focus element is provided with a time offset in order to form the material modifications assigned to the at least one etching access. The at least one focus element and the at least one further focus element provided at different times can be designed differently with regard to their shape and/or their intensity profile, but are not necessarily so.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ätzzugang mittels den Fokuselementen im Material des Werkstücks ausgebildete Materialmodifikationen und/oder Risse umfasst oder aus im Material des Werkstücks ausgebildeten Materialmodifikationen und/oder Rissen gebildet ist. Insbesondere ermöglichen die dem Ätzzugang zugeordneten Materialmodifikationen und/oder Risse eine Durchleitung der mindestens einen nasschemischen Lösung durch das Material. In particular, it can be provided that the at least one etching access includes material modifications and/or cracks formed in the material of the workpiece by means of the focus elements or is formed from material modifications and/or cracks formed in the material of the workpiece. In particular, the material modifications and/or cracks associated with the etching access allow the at least one wet-chemical solution to be conducted through the material.
Günstig kann es sein, wenn der mindestens eine Ätzzugang zur Zuführung von nasschemischer Lösung von der Außenseite des Werkstücks in einen an der Bearbeitungslinie liegenden Innenbereich des Materials ausgebildet ist. Es lässt sich dadurch mittels des Ätzzugangs nasschemische Lösung zu sich in dem Innenbereich befindlichen Materialmodifikationen der Bearbeitungslinie führen. It can be favorable if the at least one etching access is designed for supplying wet-chemical solution from the outside of the workpiece into an inner area of the material lying on the processing line. As a result, by means of the etching access, wet-chemical solution can be guided to material modifications of the machining line that are located in the inner region.
Insbesondere ist der mindestens eine Ätzzugang ein von der Bearbeitungslinie separater und/oder ein zusätzlicher Zugang zur Zuführung der mindestens einen nasschemischen Lösung von der Außenseite zu der Bearbeitungslinie. In particular, the at least one etching access is separate from the processing line and/or an additional access for supplying the at least one wet-chemical solution from the outside to the processing line.
Der mindestens eine Ätzzugang und insbesondere die dem mindestens einen Ätzzugang zugeordneten Materialmodifikationen und/oder Risse weisen insbesondere ausschließlich den Zweck auf, die mindestens eine nasschemische Lösung von der Außenseite des Werkstücks zu der Bearbeitungslinie und
insbesondere zu den der Bearbeitungslinie zugeordneten Materialmodifikationen und/oder Rissen zuzuführen. Der mindestens eine Ätzzugang ist insbesondere nicht Teil der Bearbeitungslinie. The at least one etching access and in particular the at least one etching access associated material modifications and / or cracks have in particular exclusively the purpose of at least one wet-chemical solution from the outside of the workpiece to the processing line and in particular to feed the material modifications and/or cracks associated with the processing line. In particular, the at least one etching access is not part of the processing line.
Insbesondere weist der mindestens eine Ätzzugang nicht den Zweck auf, das Material des Werkstücks entlang einer Erstreckung des mindestens einen Ätzzugangs zu trennen. Insbesondere wird eine Soll-Form und/oder Soll- Querschnittsform einer bei Trennung des Werkstücks auszubildenden oder ausgebildeten Trennfläche nicht durch eine Erstreckung des mindestens einen Ätzzugangs definiert und/oder beeinflusst. In particular, the purpose of the at least one etching access is not to separate the material of the workpiece along an extension of the at least one etching access. In particular, a target shape and/or target cross-sectional shape of a separating surface to be formed or formed when the workpiece is separated is not defined and/or influenced by an extension of the at least one etching access.
Insbesondere ist der mindestens eine Ätzzugang ein von der Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise räumlich getrennter und/oder räumlich separierter Zugang zur Zuführung von nasschemischer Lösung von der Außenseite des Werkstücks in einen an der Bearbeitungslinie liegenden Innenbereich des Materials. Es lassen sich dadurch räumlich getrennte Zugänge zur Zuführung von nasschemischer Lösung zu den Materialmodifikationen der Bearbeitungslinie bereitstellen. In particular, the at least one etching access is an access that is spatially separated and/or spatially separated from the processing line at least in sections for supplying wet-chemical solution from the outside of the workpiece into an inner region of the material located on the processing line. In this way, spatially separated accesses for supplying wet-chemical solution to the material modifications of the processing line can be provided.
Insbesondere ist zwischen der Bearbeitungslinie und dem mindestens einen Ätzzugang zumindest abschnittsweise Material angeordnet, welches insbesondere unmodifiziert ist und/oder keine Materialmodifikationen enthält und/oder keine Risse enthält. In particular, material is arranged at least in sections between the processing line and the at least one etching access, which material is in particular unmodified and/or contains no material modifications and/or contains no cracks.
Insbesondere erstrecken sich die Bearbeitungslinie und/oder der mindestens eine Ätzzugang von der Außenseite des Werkstücks in einen Innenbereich des Materials. In particular, the machining line and/or the at least one etching access extend from the outside of the workpiece into an inside area of the material.
Insbesondere sind der Bearbeitungslinie bzw. dem mindestens einen Ätzzugang jeweils Materialmodifikationen und/oder Risse zugeordnet, welche sich von einem Innenbereich des Materials bis an die Außenseite des Werkstücks erstrecken. Es lässt sich dadurch nasschemische Lösung an der Außenseite in die Bearbeitungslinie bzw. in den Ätzzugang einkoppeln.
Beispielsweise lässt sich die mindestens eine nasschemische Lösung den Materialmodifikationen der Bearbeitungslinie zuführen, indem diese einerseits an der Außenseite des Werkstücks in die Materialmodifikationen der Bearbeitungslinie eindringt und andererseits über den mindestens einen Ätzzugang zu im Innenbereich des Materials angeordneten Materialmodifikationen der Bearbeitungslinie geführt wird. In particular, material modifications and/or cracks are assigned to the processing line or the at least one etching access, which extend from an inner area of the material to the outside of the workpiece. This allows a wet-chemical solution to be coupled into the processing line or into the etching access on the outside. For example, the at least one wet-chemical solution can be fed to the material modifications of the processing line by firstly penetrating the material modifications of the processing line on the outside of the workpiece and secondly being guided via the at least one etching access to the material modifications of the processing line arranged in the interior of the material.
Insbesondere umfasst der mindestens eine Ätzzugang einen Durchgang und/oder einen Kanal zur Durchleitung der mindestens einen nasschemischen Lösung. Es lässt sich dadurch die nasschemische Lösung mittels des Ätzzugangs auf einem definierten Pfad durch das Material des Werkstücks führen. In particular, the at least one etching access includes a passage and/or a channel for conducting the at least one wet-chemical solution. This allows the wet-chemical solution to be guided through the material of the workpiece on a defined path by means of the etching access.
Vorteilhaft kann es sein, wenn sich der mindestens eine Ätzzugang von einer Außenseite des Werkstücks zu der Bearbeitungslinie und/oder von einer Außenseite des Werkstücks zu den der Bearbeitungslinie zugeordneten Materialmodifikationen erstreckt. Dadurch lässt sich die nasschemische Lösung mittels des Ätzzugangs gezielt diesen Materialmodifikationen zuführen. It can be advantageous if the at least one etching access extends from an outside of the workpiece to the machining line and/or from an outside of the workpiece to the material modifications assigned to the machining line. As a result, the wet-chemical solution can be supplied to these material modifications in a targeted manner by means of the etching access.
Insbesondere wird das Werkstück bei dessen Trennung in zwei oder mehr Werkstücksegmente geteilt oder es wird bei dessen Trennung mindestens ein Werkstücksegment von dem Werkstück abgetrennt. In particular, the workpiece is divided into two or more workpiece segments when it is separated, or at least one workpiece segment is severed from the workpiece when it is separated.
Ein durch Trennung des Werkstücks ausgebildetes Werkstücksegment kann ein Nutzsegment und/oder Gutstücksegment sein, welches insbesondere eine Trennfläche aufweist, die eine mit einer Form der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche korrespondierende Form aufweist. Weiter kann ein durch Trennung des Werkstücks ausgebildetes Werkstücksegment ein Verschnittsegment und/oder Abfallsegment sein. A workpiece segment formed by separating the workpiece can be a useful segment and/or good piece segment, which in particular has a separating surface that has a shape that corresponds to a shape of the processing line and/or processing surface. Furthermore, a workpiece segment formed by cutting the workpiece can be a scrap segment and/or scrap segment.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ätzzugang in einem Bereich des Materials ausgebildet wird, welcher nach erfolgter Trennung des Werkstücks entlang der Bearbeitungslinie an einem oder in einem bei der Trennung des Werkstücks ausgebildeten Verschnittsegment positioniert ist. Insbesondere wird das Verschnittsegment an einem oder mehreren der dort ausgebildeten Ätzzugänge selbst getrennt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mindestens ein Ätzzugang ausgebildet wird, welcher sich bezüglich einer Dickenrichtung des Werkstücks von einer Außenseite des Werkstücks bis zu einer Eindringtiefe von mindestens 1 % und insbesondere mindestens 10 % und insbesondere mindestens 20 % einer Dicke des Materials des Werkstücks erstreckt. In particular, it can be provided that the at least one etching access is formed in a region of the material which, after the workpiece has been separated, is positioned along the processing line on or in a waste segment formed during the separation of the workpiece. In particular, the waste segment is separated at one or more of the etching accesses formed there. In particular, it can be provided that at least one etching access is formed, which extends with respect to a thickness direction of the workpiece from an outside of the workpiece to a penetration depth of at least 1% and in particular at least 10% and in particular at least 20% of a thickness of the material of the workpiece .
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ätzzugang quer und insbesondere senkrecht zu einer Außenseite des Werkstücks orientiert ist. Provision can be made for the at least one etching access to be oriented transversely and in particular perpendicularly to an outside of the workpiece.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ätzzugang im Material des Werkstücks in die Bearbeitungslinie einmündet und insbesondere in der Bearbeitungslinie zugeordnete Materialmodifikationen und/oder Risse einmündet. It can be provided that the at least one etching access in the material of the workpiece opens into the processing line and in particular opens into material modifications and/or cracks associated with the processing line.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ätzzugang eine tangentiale Fortsetzung eines Abschnitts der Bearbeitungslinie ist und/oder tangential in die Bearbeitungslinie einmündet. It can be provided that the at least one etching access is a tangential continuation of a section of the machining line and/or opens tangentially into the machining line.
Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Ätzzugang quer und insbesondere senkrecht in die Bearbeitungslinie einmündet. It can be provided that the at least one etching access opens transversely and in particular perpendicularly into the processing line.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mindestens zwei Ätzzugänge ausgebildet werden, wobei sich ein erster Ätzzugang von einer ersten Außenseite des Werkstücks zu der Bearbeitungslinie erstreckt und wobei sich ein zweiter Ätzzugang von einer zweiten Außenseite des Werkstücks zu der Bearbeitungslinie erstreckt. In particular, it can be provided that at least two etching accesses are formed, a first etching access extending from a first outside of the workpiece to the processing line and a second etching access extending from a second outside of the workpiece to the processing line.
Die erste Außenseite und die zweite Außenseite des Werkstücks sind beispielsweise in Dickenrichtung des Werkstücks zueinander beabstandet. Die erste Außenseite und die zweite Außenseite können in zueinander parallelen Ebenen oder in zueinander quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebenen liegen. The first outer side and the second outer side of the workpiece are spaced apart from one another, for example in the thickness direction of the workpiece. The first outside and the second outside can lie in planes parallel to one another or in planes oriented transversely and in particular perpendicularly to one another.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Werkstück durch Ätzen mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung entlang der Bearbeitungslinie
und/oder entlang einer der Bearbeitungslinie zugeordneten Bearbeitungsfläche getrennt wird. Insbesondere erfolgt die Trennung des Werkstücks nach Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen und/oder nach Ausbildung der Materialmodifikationen. In particular, it can be provided that the workpiece is etched by means of the at least one wet-chemical solution along the machining line and/or is separated along a processing surface assigned to the processing line. In particular, the workpiece is separated after the material has been exposed to the focus elements and/or after the material modifications have been formed.
Insbesondere wird das Material beim Ätzen mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung an einem oder mehreren der ausgebildeten Ätzzugänge getrennt. Dadurch wird beispielsweise ein bei der Trennung des Materials ausgebildetes Verschnittsegment seinerseits in weitere Segmente unterteilt. Hierbei handelt es sich insbesondere um einen Nebeneffekt, welcher beim Ätzen des Materials mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung auftritt. In particular, the material is separated during etching by means of the at least one wet-chemical solution at one or more of the etching accesses formed. As a result, for example, a waste segment formed during the separation of the material is in turn subdivided into further segments. This is in particular a side effect which occurs when the material is etched using the at least one wet-chemical solution.
Insbesondere entsteht durch Trennung des Werkstücks entlang der Bearbeitungsfläche ein Werkstücksegment mit einer Trennfläche, deren Geometrie der Bearbeitungsfläche entspricht. In particular, separating the workpiece along the processing surface results in a workpiece segment with a separating surface whose geometry corresponds to the processing surface.
Zum Ätzen wird das Material des Werkstücks beispielsweise teilweise oder vollständig mit der mindestens einen nasschemischen Lösung beaufschlagt. Es kann vorgesehen sein, dass das Ätzen in einem ultraschallunterstützten Ätzbad erfolgt. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass das Material zur Trennung zusätzlich mit einer mechanischen Spannung und/oder Kraft beaufschlagt wird, und/oder dass das Material zur Trennung zusätzlich mit Wärme beaufschlagt wird. For etching, the material of the workpiece is, for example, partially or completely exposed to the at least one wet-chemical solution. Provision can be made for the etching to take place in an ultrasonically assisted etching bath. In addition, it can be provided that the material for the separation is additionally subjected to a mechanical stress and/or force, and/or that the material for the separation is additionally subjected to heat.
Günstig kann es sein, wenn der Eingangslaserstrahl mittels eines Strahlteilungselements in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird und die Fokuselemente durch Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelten Teilstrahlen ausgebildet werden. Es lassen sich dadurch die Fokuselemente als Kopien zueinander ausbilden. Insbesondere lassen sich dadurch die Fokuselemente auf technisch einfache Weise an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abständen in das Material des Werkstücks einbringen. It can be favorable if the input laser beam is divided into a plurality of partial beams by means of a beam splitting element and the focus elements are formed by focusing partial beams coupled out of the beam splitting element. As a result, the focus elements can be formed as copies of one another. In particular, this allows the focus elements to be introduced into the material of the workpiece in a technically simple manner at different positions and/or at different distances.
Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn eine Aufteilung desFor the same reason, it can be favorable if a division of the
Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Phasenaufprägung
auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt oder eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls umfasst. Input laser beam by means of the beam splitting element by phase imprinting takes place on a beam cross section of the input laser beam or includes a phase imprint on a beam cross section of the input laser beam.
Beispielsweise ist das Strahlteilungselement als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D-Strahlteilungselement. For example, the beam splitting element is designed as a 3D beam splitting element or includes a 3D beam splitting element.
Beispielsweise umfasst das Strahlteilungselement mehrere Komponenten und/oder Funktionalitäten. Es kann vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement sowohl ein 3D-Strahlteilungselement als auch ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst. For example, the beam splitting element includes multiple components and/or functionalities. It can be provided that the beam splitting element comprises both a 3D beam splitting element and a polarization beam splitting element.
Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls ausschließlich durch Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt. Provision can be made for the input laser beam to be split up exclusively by impressing phases on the beam cross section of the input laser beam.
Insbesondere erfolgt die Phasenaufprägung in transversaler Richtung des Eingangslaserstrahls. Die transversale Richtung liegt in einer zur Strahlausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls senkrecht orientierten Ebene. In particular, the phase is impressed in the transverse direction of the input laser beam. The transverse direction lies in a plane oriented perpendicularly to the beam propagation direction of the input laser beam.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Polarisationsstrahlteilung erfolgt oder eine Polarisationsstrahlteilung umfasst. Beispielsweise lassen sich dann zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Es kann dadurch insbesondere eine Interferenz zueinander benachbarter Fokuselemente verhindert werden. Dadurch lassen sich zueinander benachbarte Fokuselemente beispielsweise mit einem besonders geringen Abstand zueinander anordnen. Alternatively or additionally, it can be provided that the input laser beam is split by means of the beam splitting element by polarization beam splitting or includes polarization beam splitting. For example, mutually adjacent focus elements can then each be formed with different states of polarization. In this way, in particular, interference between focus elements that are adjacent to one another can be prevented. As a result, mutually adjacent focus elements can be arranged, for example, at a particularly small distance from one another.
Es ist grundsätzlich möglich, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls sowohl mittels Phasenaufprägung als auch mittels Polarisationsstrahlteilung erfolgt. In principle, it is possible for the input laser beam to be split both by means of phase imprinting and by means of polarization beam splitting.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Bearbeitungslinie über eine Dicke des Materials des Werkstücks und/oder über eine Dicke eines von dem Werkstück abzutrennenden Werkstücksegments räumlich durchgängig ausgebildet ist. Es
lässt sich dadurch beispielsweise das Werkstück in zwei Teile teilen bzw. ein Werkstücksegment von dem Werkstück abtrennen. It can be advantageous if the machining line is designed to be spatially continuous over a thickness of the material of the workpiece and/or over a thickness of a workpiece segment to be separated from the workpiece. It For example, the workpiece can be divided into two parts or a workpiece segment can be separated from the workpiece.
Insbesondere korrespondiert eine Form der Bearbeitungslinie mit einer Form und/oder Querschnittsform und insbesondere mit einer Soll-Form und/oder Soll- Querschnittsform einer durch Trennung des Materials auszubildenden oder ausgebildeten Trennfläche. Es lässt sich somit mittels der Bearbeitungslinie eine Kantengeometrie und/oder eine Querschnittsgeometrie und insbesondere eine Soll-Kantengeometrie und/oder Soll-Querschnittsgeometrie einer durch Trennung des Materials entstehenden Trennfläche definieren. In particular, a shape of the processing line corresponds to a shape and/or cross-sectional shape and in particular to a target shape and/or target cross-sectional shape of a parting surface to be formed or formed by cutting the material. An edge geometry and/or a cross-sectional geometry and in particular a desired edge geometry and/or desired cross-sectional geometry of a parting surface created by separation of the material can thus be defined by means of the machining line.
Beispielsweise weist die mindestens eine Bearbeitungslinie eine Gesamtlänge zwischen 50 pm und 5000 pm und vorzugsweise zwischen 100 pm und 1000 pm auf. Es lassen sich dadurch Werkstücke mit einer Dicke im genannten Bereich bearbeiten und insbesondere Trennen. For example, the at least one processing line has a total length of between 50 μm and 5000 μm and preferably between 100 μm and 1000 μm. As a result, workpieces with a thickness in the stated range can be machined and, in particular, separated.
Das Material des Werkstücks weist beispielsweise eine Dicke zwischen 50 pm und 5000 pm und vorzugsweise zwischen 100 pm und 1000 pm, beispielsweise ca. 500 pm, auf. The material of the workpiece has, for example, a thickness between 50 μm and 5000 μm and preferably between 100 μm and 1000 μm, for example approximately 500 μm.
Die Bearbeitungslinie ist nicht notwendigerweise räumlich zusammenhängend ausgebildet, sondern kann verschiedene räumlich getrennte Abschnitte aufweisen. Insbesondere kann die Bearbeitungslinie Lücken und/oder Unterbrechungen aufweisen, an denen keine Fokuselemente angeordnet sind. The processing line is not necessarily designed to be spatially connected, but can have various spatially separate sections. In particular, the processing line can have gaps and/or interruptions where no focus elements are arranged.
Insbesondere ist oder umfasst die Bearbeitungslinie eine Verbindungslinie zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen. In particular, the processing line is or includes a connecting line between mutually adjacent focus elements.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise eine Gerade ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise gekrümmt ist und/oder eine Kurve ist. In particular, it can be provided that the processing line is straight at least in sections and/or that the processing line is curved at least in sections and/or is a curve.
Durch Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve lassen sich beispielsweise abgerundete Segmente von dem Werkstück abtrennen. Dadurch lassen sich beispielsweise abgerundete Kanten erzeugen.
Bei Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve ist der Bearbeitungslinie beispielsweise ein bestimmter Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie bezüglich der Außenseite des Werkstücks aufweist. By executing the processing line as a curve, rounded segments can be separated from the workpiece, for example. This allows rounded edges to be created, for example. When the machining line is designed as a curve, the machining line is assigned, for example, a specific setting angle range which the machining line has in relation to the outside of the workpiece.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente eine von Null verschiedene Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist. Insbesondere weist der jeweilige Abstand aller benachbarter Fokuselemente, welche zur Laserbearbeitung des Werkstücks vorgesehen sind, eine von Null verschiedene Abstandskomponente auf, welche parallel zur Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist. In particular, it can be provided that a distance between mutually adjacent focus elements has a distance component that differs from zero and is oriented parallel to a thickness direction of the workpiece. In particular, the respective spacing of all adjacent focus elements, which are provided for laser processing of the workpiece, has a non-zero spacing component, which is oriented parallel to the thickness direction of the workpiece.
Insbesondere weist die zur Dickenrichtung parallele Abstandskomponente einen Wert auf, welcher betragsmäßig größer als Null ist. In particular, the distance component parallel to the thickness direction has a value which is greater than zero in absolute terms.
Unter einem benachbarten Fokuselement ist insbesondere ein nächster Nachbar eines bestimmten Fokuselements zu verstehen. A neighboring focus element is to be understood, in particular, as a nearest neighbor of a specific focus element.
Unter der Dickenrichtung des Werkstücks ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, welche quer und insbesondere senkrecht zu einer Außenseite des Werkstücks orientiert ist, durch welche die Fokuselemente und/oder ein Laserstrahl zur Ausbildung der Fokuselemente in das Material eingekoppelt werden. The thickness direction of the workpiece is to be understood in particular as a direction which is oriented transversely and in particular perpendicularly to an outside of the workpiece, through which the focus elements and/or a laser beam for forming the focus elements are coupled into the material.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Abstand der zueinander benachbarten Fokuselemente eine von Null verschiedene Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert ist, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind. Insbesondere weist der jeweilige Abstand aller benachbarter Fokuselemente, welche zur Laserbearbeitung des Werkstücks vorgesehen sind, diese von Null verschiedene Abstandskomponente auf. In particular, it can be provided that the distance between the mutually adjacent focus elements has a distance component that differs from zero and is oriented parallel to a beam propagation direction of a laser beam from which the focus elements are formed. In particular, the respective spacing of all adjacent focus elements, which are provided for laser processing of the workpiece, has this non-zero spacing component.
Günstig kann es sein, wenn ein Anstellwinkel zwischen der Bearbeitungslinie und einer Außenseite des Werkstücks, durch welche die Fokuselemente in das
Material des Werkstücks eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° beträgt. Je nach Wahl des Anstellwinkels lässt sich dadurch beispielsweise eine senkrechte Trennung des Werkstücks ausführen oder es lässt sich das Werkstück unter einem bestimmten Winkel anfasen. It can be favorable if an angle of attack between the processing line and an outside of the workpiece through which the focus elements enter the Material of the workpiece are coupled, at least in sections is at least 1 ° and / or at most 90 °. Depending on the choice of the angle of attack, the workpiece can be cut vertically, for example, or the workpiece can be chamfered at a certain angle.
Darunter, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise einen bestimmten Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Bearbeitungslinie zumindest einen Abschnitt mit diesem Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist. The fact that the machining line has a specific angle of attack or angle of attack range at least in sections is to be understood in particular as meaning that the machining line has at least one section with this angle of attack or angle of attack range.
Insbesondere kann der Anstellwinkel mindestens 10° und/oder höchstens 80°, bevorzugt mindestens 30° und/oder höchstens 60°, besonders bevorzugt mindestens 40° und/oder höchstens 50°, betragen. In particular, the angle of attack can be at least 10° and/or at most 80°, preferably at least 30° and/or at most 60°, particularly preferably at least 40° and/or at most 50°.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Anstellwinkel der Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise konstant ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Anstellwinkeln aufweist. In particular, it can be provided that the angle of attack of the machining line is constant at least in sections, and/or that the machining line has several sections with different angles of attack.
Beispielsweise weist die Bearbeitungslinie mindestens zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Anstellwinkeln auf. Insbesondere kann dann mindestens ein Ätzzugang vorgesehen sein, welcher an einem Übergang zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt in die Bearbeitungslinie einmündet und/oder auf die Bearbeitungslinie trifft. For example, the processing line has at least two sections with different angles of attack. In particular, at least one etching access can then be provided, which opens into the processing line and/or meets the processing line at a transition between the first section and the second section.
Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von La se rpara meter n des Laserstrahls, aus welchem das Fokuselement gebildet ist, wie z.B. der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des
Laserstrahls, und von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizient, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab. The material modifications introduced into transparent materials by ultrashort laser pulses are divided into three different classes, see K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Type I is an isotropic refractive index change; Type II is a birefringent refractive index change; and Type III is a so-called void. The material modification produced depends on the laser parameter n of the laser beam from which the focus element is formed, such as the pulse duration, the wavelength, the pulse energy and the repetition frequency of the laser laser beam, and on the material properties, such as the electronic structure and the thermal expansion coefficient, among others, as well as on the numerical aperture (NA) of the focusing.
Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen. The type I isotropic refractive index changes are attributed to localized melting caused by the laser pulses and rapid resolidification of the transparent material. For example, with fused silica, the density and refractive index of the material is higher when the fused silica is rapidly cooled from a higher temperature. So if the material in the focus volume melts and then cools down quickly, the quartz glass has a higher refractive index in the areas of material modification than in the unmodified areas.
Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher. The type II birefringent refractive index changes can arise, for example, as a result of interference between the ultrashort laser pulse and the electric field of the plasma generated by the laser pulses. This interference leads to periodic modulations in the electron plasma density, which leads to a birefringent property, i.e. direction-dependent refractive indices, of the transparent material when it solidifies. A type II modification is also accompanied, for example, by the formation of so-called nanogratings.
Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void), beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.
Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von "reinen" Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich. The voids (cavities) of the type III modifications can be generated with a high laser pulse energy, for example. The formation of the voids is attributed to an explosive expansion of highly excited, vaporized material from the focus volume into the surrounding material. This process is also known as a micro-explosion. Because this expansion occurs within the bulk of the material, the microblast leaves behind a less dense or hollow core (the void), or submicron or atomic-scale microscopic defect, surrounded by a densified shell of material. Due to the compression at the impact front of the microexplosion, stresses arise in the transparent material, which can lead to spontaneous cracking or can promote cracking. In particular, the formation of voids can also be associated with type I and type II modifications. For example, Type I and Type II modifications can arise in the less stressed areas around the introduced laser pulses. Therefore, if a type III modification is introduced, then in any case a less dense or hollow core or a defect is present. For example, in a type III modification of sapphire, the microexplosion does not create a cavity, but rather an area of lower density. Due to the material stresses that occur in a type III modification, such a modification is often accompanied by cracking or at least promotes it. The formation of type I and type II modifications cannot be completely prevented or avoided when introducing type III modifications. Finding "pure" type III modifications is therefore not likely.
Bei hohen Repetitionsraten des Laserstrahls kann das Material zwischen den Pulsen nicht vollständig abkühlen, sodass kumulative Effekte der eingebrachten Wärme von Puls zu Puls einen Einfluss auf die Materialmodifikation nehmen können. Beispielsweise kann die Repetitionsfrequenz des Laserstrahls höher sein als der Kehrwert der Wärmediffusionszeit des Materials, sodass in an den Fokuselementen durch sukzessive Absorption von Laserenergie eine Wärmeakkumulation stattfinden kann, bis die Schmelztemperatur des Materials erreicht ist. Durch den thermischen Transport der Wärmeenergie in die die Fokuselemente umliegenden Gebiete kann zudem ein größerer Bereich als die Fokuselemente aufgeschmolzen werden. Nach dem Einbringen von ultrakurzen Laserpulsen, kühlt das erwärmte Material schnell ab, so dass die Dichte und andere strukturelle Eigenschaften des Hochtemperaturzustands im Material gewissermaßen eingefroren werden. At high repetition rates of the laser beam, the material cannot cool down completely between the pulses, so that cumulative effects of the introduced heat from pulse to pulse can influence the material modification. For example, the repetition frequency of the laser beam can be higher than the reciprocal of the heat diffusion time of the material, so that heat accumulation can take place in the focus elements by successive absorption of laser energy until the melting temperature of the material is reached. In addition, a larger area than the focus elements can be melted due to the thermal transport of the heat energy into the areas surrounding the focus elements. After the introduction of ultra-short laser pulses, the heated material cools rapidly, so that the density and other structural properties of the high-temperature state in the material are effectively frozen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn durch die Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen Typ-III-Materialmodifikationen sind, und/oder wobei die Materialmodifikationen mit einer Rissbildung des Materials einhergehen. Insbesondere lässt sich mittels diesen Materialmodifikationen eine Trennung des Materials realisieren.
Günstig kann es sein, wenn durch die Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen Typ-I- und/oder Typ-II-Materialmodifikationen sind, und/oder wobei die Materialmodifikationen mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials einhergehen. Insbesondere lässt sich mittels diesen Materialmodifikationen eine Trennung des Materials realisieren. It can be advantageous if material modifications are formed in the material as a result of the material being subjected to the focus elements, the material modifications being type III material modifications and/or the material modifications being accompanied by cracking of the material. In particular, a separation of the material can be realized by means of these material modifications. It can be favorable if material modifications are formed in the material by subjecting the material to the focus elements, the material modifications being type I and/or type II material modifications, and/or the material modifications being associated with a change in a refractive index of the material. In particular, a separation of the material can be realized by means of these material modifications.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente relativ zu dem Material des Werkstücks in eine Vorschubrichtung bewegt werden. Vorzugsweise liegen die Fokuselemente zumindest näherungsweise in einer Ebene, welche insbesondere senkrecht zur Vorschubrichtung orientiert ist. In particular, it can be provided that the focus elements are moved in a feed direction relative to the material of the workpiece. The focus elements preferably lie at least approximately in a plane which is oriented, in particular, perpendicularly to the feed direction.
Durch die Relativbewegung der Fokuselemente zu dem Material des Werkstücks wird eine mit der Bearbeitungslinie korrespondierende Bearbeitungsfläche ausgebildet, entlang welcher Materialmodifikationen angeordnet sind und/oder entlang welcher das Material des Werkstücks trennbar ist. Weiter wird dadurch der Ätzzugang in Vorschubrichtung flächig ausgebildet, sodass er sich insbesondere entlang einer parallel zur Vorschubrichtung orientierten Fläche und/oder Ebene erstreckt. The movement of the focus elements relative to the material of the workpiece forms a machining surface that corresponds to the machining line, along which material modifications are arranged and/or along which the material of the workpiece can be separated. Furthermore, as a result, the etching access is flat in the feed direction, so that it extends in particular along a surface and/or plane oriented parallel to the feed direction.
Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein für den Eingangslaserstrahl und/oder einen Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, transparentes Material zu verstehen. Insbesondere ist darunter ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, transmittiert wird. A transparent material is to be understood in particular as a material that is transparent to the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed. In particular, this means a material through which at least 70% and in particular at least 80% and in particular at least 90% of a laser energy of the input laser beam and/or the laser beam from which the focus elements are formed is transmitted.
Insbesondere ist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl. Durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen werden dadurch insbesondere Laserpulse und insbesondere ultrakurze Laserpulse in das Material eingebracht.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein beugendes Strahlprofil und/oder ein gaußförmiges Strahlprofil auf. In particular, the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed is a pulsed laser beam and in particular an ultra-short pulse laser beam. By impinging the material with the focus elements, laser pulses in particular and in particular ultra-short laser pulses are thereby introduced into the material. In particular, the input laser beam and/or a laser beam from which the focus elements are formed has a diffractive beam profile and/or a Gaussian beam profile.
Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm. For example, a wavelength of the input laser beam and/or of the laser beam from which the focus elements are formed is at least 300 nm and/or at most 1500 nm. For example, the wavelength is 515 nm or 1030 nm.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder der Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Laserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 pJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von näherungsweise 20 ns aufweisen. In particular, the input laser beam and/or the laser beam from which the focus elements are formed has an average power of at least IW to 1 kW. For example, the laser beam includes pulses with a pulse energy of at least 10 pJ and/or at most 50 mJ. It can be provided that the laser beam comprises individual pulses or bursts, the bursts having 2 to 20 sub-pulses and in particular a time interval of approximately 20 ns.
Insbesondere ist unter einem Fokuselement ein fokussierter Strahlungsbereich des Eingangslaserstrahls zu verstehen, welcher insbesondere eine bestimmte räumliche Ausdehnung aufweist. Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen eines bestimmten Fokuselements, wie z.B. eines Durchmessers des Fokuselements, werden nur Intensitätswerte betrachtet, welche oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, sodass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums des Fokuselements. In particular, a focus element is to be understood as meaning a focused radiation area of the input laser beam, which in particular has a specific spatial extent. To determine the spatial dimensions of a specific focus element, such as a diameter of the focus element, only intensity values that are above a specific intensity threshold are considered. The intensity threshold is selected here, for example, in such a way that values lying below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for an interaction with the material for the formation of material modifications. For example, the intensity threshold is 50% of a global maximum intensity of the focus element.
Insbesondere ist einem bestimmten Fokuselement jeweils ein räumlicher Wechselwirkungsbereich zugeordnet, in welchem das Fokuselement mit dem Material des Werkstücks wechselwirkt, wenn es in dieses eingebracht wird. Insbesondere wechselwirkt das Fokuselement in diesem Wechselwirkungsbereich mit dem Material durch nichtlineare Absorption.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Fokuselemente gemäß der vorstehenden Definition eine maximale räumliche Ausdehnung von mindestens 0,5 |jm und/oder höchstens 60 |jm, bevorzugt mindestens 2 pm und/oder höchstens 10 pm, aufweisen. Insbesondere beträgt eine maximale räumliche Ausdehnung eines einem bestimmten Fokuselement zugeordneten Wechselwirkungsbereichs mit dem Material des Werkstücks mindestens 0,5 pm und/oder höchstens 60 pm, und vorzugsweise mindestens 2 pm und/oder höchstens 10 pm. In particular, a spatial interaction area is assigned to a specific focus element, in which the focus element interacts with the material of the workpiece when it is introduced into it. In particular, the focus element interacts with the material in this interaction region by non-linear absorption. In particular, it can be provided that the respective focus elements according to the above definition have a maximum spatial extent of at least 0.5 μm and/or at most 60 μm, preferably at least 2 μm and/or at most 10 μm. In particular, a maximum spatial extent of an interaction region associated with a specific focus element with the material of the workpiece is at least 0.5 μm and/or at most 60 μm, and preferably at least 2 μm and/or at most 10 μm.
Unter der maximalen räumlichen Ausdehnung eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere die größte räumliche Ausdehnung des Fokuselements in einer beliebigen Raumrichtung zu verstehen. The maximum spatial extent of a specific focus element is to be understood in particular as the greatest spatial extent of the focus element in any spatial direction.
Insbesondere ist eine jeweilige maximale räumliche Ausdehnung der Fokuselemente kleiner als 20% und bevorzugt kleiner als 10 % und besonders bevorzugt kleiner als 5 % einer Dicke des Materials. In particular, a respective maximum spatial extent of the focus elements is less than 20% and preferably less than 10% and particularly preferably less than 5% of a thickness of the material.
Insbesondere wechselwirken die in das Material eingebrachten Fokuselemente mit dem Material durch nichtlineare Absorption. Insbesondere werden mittels den Fokuselementen Materialmodifikationen aufgrund nichtlinearer Absorption mit dem Material ausgebildet. In particular, the focus elements introduced into the material interact with the material through non-linear absorption. In particular, material modifications due to non-linear absorption with the material are formed by means of the focus elements.
Insbesondere weisen die Fokuselemente ein beugendes Strahlprofil auf. Insbesondere sind die Fokuselemente beugungsbegrenzt ausgebildet. Beispielsweise weisen ein oder mehrere Fokuselemente eine gaußförmige Form und/oder ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf. In particular, the focus elements have a diffractive beam profile. In particular, the focus elements are designed to be diffraction-limited. For example, one or more focus elements have a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass ein oder mehrere Fokuselemente eine Bessel-artige Form und/oder ein quasi-nichtbeugendes Intensitätsprofil und/oder ein Bessel-Artiges Intensitätsprofil aufweisen. In principle, it is also possible for one or more focus elements to have a Bessel-like shape and/or a quasi-non-diffracting intensity profile and/or a Bessel-like intensity profile.
Das oder die zur Ausbildung der Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie bereitgestellte Fokuselement/ bereitgestellten Fokuselemente und das oder die zur Ausbildung des mindestens einen Ätzzugangs bereitgestellte
Fokuselement / bereitgestellten Fokuselemente können dieselbe Form und/oder dasselbe Intensitätsprofil aufweisen, müssen dies aber nicht notwendigerweise. The focus element(s) provided to form the material modifications along the processing line and the focus element(s) provided to form the at least one etching access The focus element/focus elements provided can, but do not necessarily have to, have the same shape and/or the same intensity profile.
Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht. In particular, the terms “at least approximately” or “approximately” generally mean a deviation of at most 10%. Unless otherwise stated, the terms “at least approximately” or “approximately” mean in particular that an actual value and/or distance and/or angle deviates by no more than 10% from an ideal value and/or distance and/or angle .
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen: The following description of preferred embodiments serves to explain the invention in more detail in conjunction with the drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks; 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Materials des Werkstücks, in welchem eine Trennung des Materials entlang einer Bearbeitungslinie vorgesehen ist; 2 shows a schematic cross-sectional illustration of a section of a material of the workpiece, in which a separation of the material is provided along a processing line;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung des Abschnitts gemäß Fig. 2, wobei das Material zur Laserbearbeitung mit mehreren Fokuselementen beaufschlagt wird; FIG. 3 shows a schematic cross-sectional illustration of the section according to FIG. 2, wherein the material for laser processing is subjected to a plurality of focus elements;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Materials, in welchem durch Beaufschlagung des Werkstücks mit Fokuselementen Materialmodifikationen erzeugt wurden, welche mit einer Rissbildung des Materials einhergehen; 4 shows a schematic cross-sectional representation of a section of the material in which material modifications, which are associated with cracking of the material, were produced by subjecting the workpiece to focus elements;
Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks; 5 shows a cross-sectional representation of a simulated intensity distribution of focus elements for laser processing of the workpiece;
Fig. 6a eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstücks mit daran ausgebildeten Materialmodifikationen;
Fig. 6b eine schematische perspektivische Darstellung von zwei Werkstücksegmenten, welche durch Trennung des Werkstücks gemäß Fig. 6a gebildet sind. 6a shows a schematic perspective illustration of a workpiece with material modifications formed thereon; FIG. 6b shows a schematic perspective representation of two workpiece segments which are formed by separating the workpiece according to FIG. 6a.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Identical or functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols in all figures.
Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lassen sich in einem Material 102 des Werkstücks 104 lokalisierte Materialmodifikationen, wie beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomaren Bereich, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge haben. An diesen Materialmodifikationen lässt sich das Werkstück 104 trennen. Beispielsweise lässt sich mittels der erzeugten Materialmodifikationen ein Werkstücksegment von dem Werkstück 104 abtrennen. An exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece is shown in FIG. 1 and is denoted by 100 there. The device 100 can be used to produce localized material modifications in a material 102 of the workpiece 104, such as defects in the submicrometer range or at the atomic level, which result in a material weakening. The workpiece 104 can be separated at these material modifications. For example, a workpiece segment can be separated from the workpiece 104 by means of the material modifications produced.
Insbesondere können mittels der Vorrichtung 100 Materialmodifikationen unter einem Anstellwinkel in das Material 102 eingebracht werden, sodass sich durch Abtrennung eines entsprechenden Werkstücksegments von dem Werkstück 104 ein Kantenbereich des Werkstücks 104 anfasen oder abschrägen lässt. In particular, the device 100 can be used to introduce material modifications into the material 102 at an angle of attack, so that an edge region of the workpiece 104 can be chamfered or beveled by separating a corresponding workpiece segment from the workpiece 104 .
Die Vorrichtung umfasst ein Strahlteilungselement 106, in welches ein Eingangslaserstrahl 108 eingekoppelt wird. Dieser Eingangslaserstrahl 108 wird beispielsweise mittels einer Laserquelle 110 bereitgestellt. Beispielsweise ist der Eingangslaserstrahl 108 ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl. The device comprises a beam splitting element 106 into which an input laser beam 108 is coupled. This input laser beam 108 is provided by a laser source 110, for example. For example, the input laser beam 108 is a pulsed laser beam and/or an ultrashort pulse laser beam.
Unter dem Eingangslaserstrahl 108 ist insbesondere ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl insbesondere parallel verlaufender Strahlen umfasst. Der Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere einen transversalen Strahlquerschnitt 112 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher der Eingangslaserstrahl 108 auf das Strahlteilungselement 106 trifft.
Der auf das Strahlteilungselement 106 treffende Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere zumindest näherungsweise ebene Wellenfronten 114 auf. The input laser beam 108 is to be understood, in particular, as a bundle of rays which comprises a plurality of beams, which in particular run parallel. The input laser beam 108 has, in particular, a transverse beam cross section 112 and/or a transverse beam extension, with which the input laser beam 108 impinges on the beam splitting element 106 . The input laser beam 108 impinging on the beam splitting element 106 has, in particular, at least approximately flat wave fronts 114 .
Mittels des Strahlteilungselements 106 wird der Eingangslaserstrahl 108 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln aufgeteilt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind zwei voneinander verschiedene Teilstrahlen 116a und 116b angedeutet. The input laser beam 108 is divided into a plurality of partial beams 116 and/or partial beam bundles by means of the beam splitting element 106 . In the example shown in FIG. 1, two different partial beams 116a and 116b are indicated.
Die aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel weisen insbesondere ein divergentes Strahlprofil auf. Insbesondere ist das Strahlteilungselement 106 als Fernfeldstrahlformungselement ausgebildet. The partial beams 116 or partial beam bundles coupled out of the beam splitting element 106 have in particular a divergent beam profile. In particular, the beam splitting element 106 is designed as a far-field beam-shaping element.
Zur Fokussierung der aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 umfasst die Vorrichtung 100 eine Fokussieroptik 118, in welche die Teilstrahlen 116 eingekoppelt werden. Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente auf. Beispielsweise ist die Fokussieroptik 118 als Mikroskopobjektiv ausgebildet. In order to focus the partial beams 116 coupled out of the beam splitting element 106, the device 100 comprises focusing optics 118 into which the partial beams 116 are coupled. The focusing optics 118 have, for example, one or more lens elements. For example, the focusing optics 118 are designed as a microscope objective.
Beispielsweise ist das Strahlteilungselement 106 zumindest näherungsweise in einer rückseitigen Brennebene der Fokussieroptik 118 angeordnet. For example, the beam splitting element 106 is arranged at least approximately in a rear focal plane of the focusing optics 118 .
Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise eine Brennweite zwischen 5 mm und 50 mm auf. The focusing optics 118 has a focal length of between 5 mm and 50 mm, for example.
Insbesondere treffen voneinander verschiedene Teilstrahlen 116 mit einem Ortsversatz und/oder Winkelversatz auf die Fokussieroptik 118 auf. In particular, partial beams 116 that are different from one another impinge on the focusing optics 118 with a spatial offset and/or angular offset.
Die Teilstrahlen 116 werden mittels der Fokussieroptik 118 fokussiert, sodass mehrere Fokuselemente 120 ausgebildet werden, welche jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, dass sich voneinander verschiedene und/oder zueinander benachbarte Fokuselemente abschnittsweise räumlich überlappen.
Beispielsweise sind einem bestimmten Fokuselement 120 jeweils ein oder mehrere Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel zugeordnet. Beispielsweise wird ein jeweiliges Fokuselement 120 durch Fokussierung ein oder mehrerer Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel ausgebildet. The partial beams 116 are focused by means of the focusing optics 118, so that a plurality of focus elements 120 are formed, which are each arranged at different spatial positions. In principle, it is possible for focus elements that are different from one another and/or that are adjacent to one another to spatially overlap in sections. For example, one or more partial beams 116 and/or partial beams of rays are assigned to a specific focus element 120 . For example, a respective focus element 120 is formed by focusing one or more partial beams 116 and/or partial beams of rays.
Unter einem Fokuselement 120 ist insbesondere ein fokussierter Strahlungsbereich zu verstehen, wie z.B. ein Fokusspot, ein Fokuspunkt oder eine Fokuslinie. Insbesondere weisen die Fokuselemente 120 jeweils eine bestimmte geometrische Form und/oder ein bestimmtes Intensitätsprofil auf, wobei unter der geometrischen Form beispielsweise eine räumliche Form und/oder räumliche Ausdehnung des jeweiligen Fokuselements 120 zu verstehen ist. A focus element 120 is to be understood in particular as a focussed radiation area, such as a focus spot, a focus point or a focus line. In particular, the focus elements 120 each have a specific geometric shape and/or a specific intensity profile, the geometric shape being understood to mean, for example, a spatial shape and/or spatial extent of the respective focus element 120 .
Die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil eines bestimmten Fokuselements 120 wird im Folgenden als Fokusverteilung 121 des Fokuselements 120 bezeichnet. Die Fokusverteilung 121 ist eine Eigenschaft der jeweiligen Fokuselemente 120 und beschreibt deren Form und/oder Intensitätsprofil. Insbesondere weisen mehrere Fokuselemente 120 oder alle ausgebildeten Fokuselemente 120 dieselbe Fokusverteilung auf. The geometric shape and/or the intensity profile of a specific focus element 120 is referred to below as the focus distribution 121 of the focus element 120 . The focus distribution 121 is a property of the respective focus elements 120 and describes their shape and/or intensity profile. In particular, a plurality of focus elements 120 or all focus elements 120 formed have the same focus distribution.
Die Fokusverteilung der ausgebildeten Fokuselemente 120 wird durch den Eingangslaserstrahl 108 definiert, durch dessen Aufteilung mittels des Strahlteilungselements 106 die Fokuselemente 120 ausgebildet werden. Würde der Eingangslaserstrahl 108 vor dessen Einkopplung in das Strahlteilungselement 106 fokussiert werden, so würde beispielsweise ein einziges Fokuselement mit der dem Eingangslaserstrahl 108 zugeordneten Fokusverteilung ausgebildet werden. The focus distribution of the focus elements 120 formed is defined by the input laser beam 108, the focus elements 120 being formed as a result of its division by means of the beam splitting element 106. If the input laser beam 108 were to be focused before it is coupled into the beam splitting element 106, a single focus element would be formed with the focus distribution assigned to the input laser beam 108, for example.
Beispielsweise weist der Eingangslaserstrahl 108, wenn dieser z.B. mittels der Laserquelle 110 bereitgestellt wird, ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 würde in diesem Fall ein Fokuselement ausgebildet werden, welches eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil aufweist.
Alternativ hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dem Eingangslaserstrahl 108 ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, sodass durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 ein Fokuselement ausgebildet werden würde, welches eine Fokusverteilung mit quasi-nichtbeugender bzw. Bessel-artiger Form und/oder quasi- nichtbeugendem bzw. Bessel-artigem Intensitätsprofil aufweist. For example, the input laser beam 108 has a Gaussian beam profile when it is provided, for example, by means of the laser source 110 . In this case, by focusing the input laser beam 108, a focus element would be formed which has a focus distribution with a Gaussian shape and/or a Gaussian intensity profile. Alternatively, it can be provided, for example, that input laser beam 108 is assigned a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile, so that focusing input laser beam 108 would form a focus element that has a focus distribution with a quasi-non-diffractive or Bessel-like Shape and/or quasi-non-diffracting or Bessel-like intensity profile.
Den durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels des Strahlteilungselements 106 ausgebildeten Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln ist die Fokusverteilung des Eingangslaserstrahls 108 derart zugeordnet, dass durch Fokussierung der Teilstrahlen 116 die Fokuselemente 120 mit dieser Fokusverteilung und/oder mit einer auf dieser Fokusverteilung basierenden Fokusverteilung ausgebildet werden. The focus distribution of the input laser beam 108 is assigned to the partial beams 116 and/or partial beam bundles formed by splitting the input laser beam 108 by means of the beam splitting element 106 in such a way that the focus elements 120 are formed with this focus distribution and/or with a focus distribution based on this focus distribution by focusing the partial beams 116 .
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist der Eingangslaserstrahl 108 ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d. h. dem Eingangslaserstrahl 108 ist eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil zugeordnet. Die Fokuselemente 120 weisen dann beispielsweise jeweils die Fokusverteilung 121 mit dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil oder mit einer auf dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil basierenden Form bzw. basierendem Intensitätsprofil auf (vgl. Fig. 5). In the example shown in FIG. 1, the input laser beam 108 has a Gaussian beam profile, i. H. a focus distribution with a Gaussian shape and/or Gaussian intensity profile is assigned to the input laser beam 108 . The focus elements 120 then each have, for example, the focus distribution 121 with this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile or with a shape or intensity profile based on this Gaussian shape and/or this Gaussian intensity profile (cf. Fig. 5).
Falls dem Eingangslaserstrahl 108 beispielsweise ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, weisen die zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 jeweils eine Fokusverteilung 121 mit diesem Bessel-artigen Strahlprofil oder mit einem auf diesem Bessel-artigen Profil basierenden Strahlprofil auf. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise jeweils mit einer Fokusverteilung ausbilden, welche eine längliche Form und/oder ein längliches Intensitätsprofil aufweist. If, for example, a Bessel-like beam profile is assigned to the input laser beam 108, the focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 each have a focus distribution 121 with this Bessel-like beam profile or with a beam profile based on this Bessel-like profile. As a result, the focus elements 120 can each be formed, for example, with a focus distribution which has an elongate shape and/or an elongate intensity profile.
Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Strahlformungseinrichtung 122 zur Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 aufweist (angedeutet in Fig. 1). Beispielsweise ist diese Strahlformungseinrichtung 122 bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung 124
des Eingangslaserstrahls 108 vor dem Strahlteilungselement 106 angeordnet und/oder zwischen der Laserquelle 110 und dem Strahlteilungselement 106 angeordnet. It can be provided that the device 100 has a beam shaping device 122 for beam shaping of the input laser beam 108 (indicated in FIG. 1). For example, this beam shaping device is 122 with respect to a beam propagation direction 124 of the input laser beam 108 is arranged in front of the beam splitting element 106 and/or arranged between the laser source 110 and the beam splitting element 106 .
Unter einer Strahlausbreitungsrichtung ist insbesondere eine Haupt- Strahlausbreitungsrichtung und/oder eine mittlere Ausbreitungsrichtung von Laserstrahlen zu verstehen. A beam propagation direction is to be understood in particular as a main beam propagation direction and/or a mean propagation direction of laser beams.
Mittels der Strahlformungseinrichtung 122 lässt sich dem Eingangslaserstrahl 108 insbesondere eine bestimmte Fokusverteilung und/oder ein bestimmtes Strahlprofil zuordnen. Insbesondere lässt sich mittels der Strahlformungseinrichtung 122 die Fokusverteilung 121 der Fokuselemente 120 definieren. In particular, a specific focus distribution and/or a specific beam profile can be assigned to the input laser beam 108 by means of the beam shaping device 122 . In particular, the focus distribution 121 of the focus elements 120 can be defined by means of the beam shaping device 122 .
Die Strahlformungseinrichtung 122 kann beispielsweise eingerichtet sein, um aus einem Laserstrahl mit gaußförmigem Strahlprofil einen Laserstrahl mit quasi- nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden. Der in das Strahlteilungselement 106 eingekoppelte Eingangslaserstrahl 108 weist dann das quasi-nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil auf. Entsprechend weisen dann die Fokuselemente 120 ebenfalls dieses quasi-nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil auf oder ein auf diesem Strahlprofil basierendes Strahlprofil auf. The beam shaping device 122 can be set up, for example, to form a laser beam with a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile from a laser beam with a Gaussian beam profile. The input laser beam 108 coupled into the beam splitting element 106 then has the quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile. Correspondingly, the focus elements 120 then also have this quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile or a beam profile based on this beam profile.
Beispielsweise kann die Strahlformungseinrichtung 122 ein Axiconelement umfassen, um Laserstrahlen mit quasi-nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden. Zur Einkopplung von aus der Strahlformungseinrichtung 122 ausgekoppelten Strahlen in das Strahlteilungselement 106 können dann beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente vorgesehen sein (nicht gezeigt). For example, the beam shaping device 122 can comprise an axicon element in order to form laser beams with a quasi-non-diffractive and/or Bessel-like beam profile. One or more lens elements (not shown) can then be provided, for example, for coupling beams coupled out of the beam-shaping device 122 into the beam-splitting element 106 .
Hinsichtlich der Definition und der Realisierung quasi-nichtbeugender und/oder Bessel-artiger Strahlen wird auf das Buch "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 sowie auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1.
Dezember 2012 und "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" von K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics], 8. November 2019, verwiesen. With regard to the definition and realization of quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beams, reference is made to the book "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978 -3-642-29322-1 and to the scientific papers "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" by I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 23 , 1 December 2012 and "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" by K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics], November 8, 2019.
Durch Strahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 werden die Fokuselemente 120 insbesondere jeweils identisch zueinander ausgebildet und/oder jeweils als Kopien zueinander ausgebildet. By splitting the beam by means of the beam splitting element 106, the focus elements 120 are in particular each formed identically to one another and/or each formed as copies of one another.
Ein schematischer Querschnitt des Werkstücks 104 und des Materials 102 ist in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, wobei eine Querschnittsebene parallel zu einer Dickenrichtung 126 und/oder Tiefenrichtung des Werkstücks orientiert ist (bei dem gezeigten Beispiel ist die Dickenrichtung 126 parallel zur z-Richtung orientiert). A schematic cross-section of workpiece 104 and material 102 is shown in Figures 2-4, with a cross-sectional plane oriented parallel to a thickness direction 126 and/or depth direction of the workpiece (in the example shown, thickness direction 126 is parallel to the z-direction oriented).
Es ist vorgesehen, dass das Werkstück 104 nach erfolgter Laserbearbeitung mittels der Vorrichtung 100 entlang einer vordefinierten Bearbeitungslinie 128 trennbar ist oder getrennt wird. Die Bearbeitungslinie 128 korrespondiert mit einer Querschnittsgeometrie, mit welcher eine Trennung des Werkstücks 104 erfolgen soll. It is provided that the workpiece 104 can be separated or is separated along a predefined processing line 128 after the laser processing has taken place using the device 100 . The machining line 128 corresponds to a cross-sectional geometry with which the workpiece 104 is intended to be separated.
Zur Durchführung der Laserbearbeitung werden die Fokuselemente 120 in das Material 102 des Werkstücks 104 eingebracht (Fig. 3). Es ist vorgesehen, dass die in das Material 102 des Werkstücks 104 eingebrachten Fokuselemente 120 relativ zu dem Material 102 in eine Vorschubrichtung 130 bewegt werden. Eine Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 erfolgt in Vorschubrichtung 130 insbesondere mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit. To carry out the laser processing, the focus elements 120 are introduced into the material 102 of the workpiece 104 (FIG. 3). Provision is made for the focus elements 120 introduced into the material 102 of the workpiece 104 to be moved in a feed direction 130 relative to the material 102 . A movement of the focus elements 120 relative to the material 102 takes place in the feed direction 130, in particular at a defined feed rate.
Jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 ist eine bestimmte örtliche Position xo, zo zugeordnet, an welcher ein jeweiliges Fokuselement 120 bezüglich des Materials 102 des Werkstücks 104 angeordnet ist. Beispielsweise ist unter der örtlichen Position eines Fokuselements 120 die Position seines räumlichen Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts zu verstehen.
Insbesondere liegen die örtlichen Positionen xo, zo der jeweiligen Fokuselemente 120 in einer zur Vorschubrichtung 130 senkrecht orientierten Ebene, wobei insbesondere alle zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 in dieser Ebene liegen. Each of the focus elements 120 formed is assigned a specific local position xo, zo, at which a respective focus element 120 is arranged with respect to the material 102 of the workpiece 104 . For example, the local position of a focus element 120 is to be understood as meaning the position of its spatial center point and/or center of gravity. In particular, the local positions xo, zo of the respective focus elements 120 lie in a plane oriented perpendicularly to the feed direction 130, with in particular all focus elements 120 designed for laser processing of the workpiece 104 lying in this plane.
Insbesondere ist jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 eine bestimmte Intensität I zugeordnet. In particular, a specific intensity I is assigned to each of the focus elements 120 formed.
Mittels des Strahlteilungselements 106 lässt sich die örtliche Position xo, zo und insbesondere auch die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 einstellen. The local position xo, zo and in particular also the intensity I of the respective focus elements 120 can be adjusted by means of the beam splitting element 106 .
Insbesondere lässt sich mittels des Strahlteilungselements 106 ein jeweiliger Abstand d und/oder ein jeweiliger Ortsversatz zwischen einander benachbarten Fokuselementen 120 einstellen. Eine Abstandsrichtung des mittels des Strahlteilungselements 106 einstellbaren Abstands d liegt vorzugsweise in einer Ebene, welche quer und insbesondere senkrecht zur Vorschubrichtung 130 orientiert ist. Beispielsweise ist der Abstand d mittels des Strahlteilungselements 106 komponentenweise in zwei Raumrichtungen einstellbar, welche die genannte Ebene aufspannen oder in der genannten Ebene liegen (bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel x-Richtung und z-Richtung). In particular, a respective distance d and/or a respective spatial offset between adjacent focus elements 120 can be set by means of the beam splitting element 106 . A distance direction of the distance d adjustable by means of the beam splitting element 106 preferably lies in a plane which is oriented transversely and in particular perpendicularly to the feed direction 130 . For example, the distance d can be set component by component in two spatial directions by means of the beam splitting element 106, which span the plane mentioned or lie in the plane mentioned (x-direction and z-direction in the example shown in FIG. 3).
Die Vorschubrichtung 130 ist quer und insbesondere senkrecht zu der Dickenrichtung 126 des Werkstücks 104 orientiert. The feed direction 130 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the thickness direction 126 of the workpiece 104 .
Vorzugsweise ist das Strahlteilungselement 106 als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D-Strahlteilungselement. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise derart ausbilden, dass diese jeweils identisch zueinander sind und/oder dass diese jeweils Kopien zueinander darstellen. The beam splitting element 106 is preferably designed as a 3D beam splitting element or comprises a 3D beam splitting element. As a result, the focus elements 120 can be formed, for example, in such a way that they are identical to one another and/or that they each represent copies of one another.
Hinsichtlich der technischen Realisierung und Eigenschaften des als 3D- Strahlteilungselement ausgeführten Strahlteilungselements 106 wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119vl [physics. optics], 18. Dezember 2020, verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Zur Durchführung der Strahlteilung wird bei einer Ausführungsform des Strahlteilungselements 106, bei welcher das Strahlteilungselement 106 beispielsweise als 3D-Strahlteilungselement ausgeführt ist, auf den transversalen Strahlquerschnitt 112 des Eingangslaserstrahls 108 eine definierte transversale Phasenverteilung aufgeprägt. Unter einem transversalen Strahlquerschnitt bzw. einer transversalen Phasenverteilung ist insbesondere ein Strahlquerschnitt bzw. eine Phasenverteilung in einer zur Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene zu verstehen. With regard to the technical implementation and properties of the beam splitting element 106 designed as a 3D beam splitting element, reference is made to the scientific publication "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" by D. Flamm et al., arXiv:2012.10119vl [physics. optics], December 18, 2020. This is expressly and fully referred to. To carry out the beam splitting, in one embodiment of the beam splitting element 106 in which the beam splitting element 106 is designed as a 3D beam splitting element, for example, a defined transverse phase distribution is impressed on the transverse beam cross section 112 of the input laser beam 108 . A transverse beam cross section or a transverse phase distribution is to be understood in particular as a beam cross section or a phase distribution in a plane oriented transversely and in particular perpendicularly to the beam propagation direction 124 of the input laser beam 108 .
Die zueinander beabstandeten Fokuselemente 120 werden durch Interferenz der fokussierten Teilstrahlen 116 ausgebildet, wobei beispielsweise konstruktive Interferenz, destruktive Interferenz oder Zwischenfälle hiervon auftreten können, wie z.B. teilweise konstruktive oder teilweise destruktive Interferenz. The spaced-apart focus elements 120 are formed by interference of the focused sub-beams 116, which can be, for example, constructive interference, destructive interference, or incidents thereof, such as partially constructive or partially destructive interference.
Zur Ausbildung der Fokuselemente 120 an der jeweiligen Position xo, zo und/oder mit dem jeweiligen Abstand d weist die mittels des Strahlteilungselements 106 aufgeprägte Phasenverteilung für jedes Fokuselement 120 einen bestimmten optischen Gitteranteil und/oder optischen Linsenanteil auf. To form the focus elements 120 at the respective position xo, zo and/or with the respective distance d, the phase distribution imposed by the beam splitting element 106 has a specific optical grating component and/or optical lens component for each focus element 120.
Aufgrund des optischen Gitteranteils ergibt sich nach Fokussierung der Teilstrahlen 116 ein entsprechender Ortsversatz der ausgebildeten Fokuselemente 120 in einer ersten Raumrichtung, z.B. in der x-Richtung. Aufgrund des optischen Linsenanteils treffen Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel mit unterschiedlichen Winkeln bzw. unterschiedlicher Konvergenz oder Divergenz auf die Fokussieroptik 118, was nach erfolgter Fokussierung in einem Ortsversatz in einer zweiten Raumrichtung, z.B. in der z- Richtung, resultiert. Due to the optical lattice component, after the partial beams 116 have been focused, there is a corresponding spatial offset of the focus elements 120 formed in a first spatial direction, e.g. in the x-direction. Due to the optical lens component, partial beams 116 or partial beams of rays impinge on the focusing optics 118 at different angles or different convergence or divergence, which results in a spatial offset in a second spatial direction, e.g. in the z-direction, after focusing has taken place.
Die örtlichen Positionen xo, zo lassen sich folglich durch entsprechende Auslegung des Strahlteilungselements 106 bzw. der mittels des Strahlteilungselements aufgeprägten Phasenverteilung definieren.
Die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 ist bestimmt durch Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 116 zueinander. Diese Phasenlagen sind durch die genannten optischen Gitteranteile und optischen Linsenanteile definierbar. Die Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 116 können bei der Auslegung des Strahlteilungselements 106 so zueinander gewählt werden, dass die Fokuselemente 120 jeweils eine gewünschte Intensität aufweisen. The local positions xo, zo can consequently be defined by appropriate design of the beam splitting element 106 or the phase distribution applied by means of the beam splitting element. The intensity I of the respective focus elements 120 is determined by the phase positions of the focused partial beams 116 relative to one another. These phase angles can be defined by the stated optical grating components and optical lens components. When designing the beam splitting element 106, the phase angles of the focused partial beams 116 can be selected relative to one another such that the focus elements 120 each have a desired intensity.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Varianten des Strahlteilungselements 106 kann es vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement 106 als Polarisations-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst. In diesem Fall wird mittels des Strahlteilungselements 106 eine Polarisationsstrahlteilung des Eingangslaserstrahls 108 in Strahlen durchgeführt, welche jeweils einen von mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen. As an alternative or in addition to the variants of the beam splitting element 106 described above, it can be provided that the beam splitting element 106 is designed as a polarization beam splitting element or comprises a polarization beam splitting element. In this case, the beam splitting element 106 is used to carry out a polarization beam splitting of the input laser beam 108 into beams which each have one of at least two different polarization states.
Insbesondere sind unter den genannten Polarisationszuständen lineare Polarisationszustände zu verstehen, wobei beispielsweise zwei unterschiedliche Polarisationszustände vorgesehen sind und/oder zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände vorgesehen sind. In particular, the stated polarization states are to be understood as meaning linear polarization states, with two different polarization states being provided, for example, and/or polarization states oriented perpendicularly to one another being provided.
Insbesondere sind die Polarisationszustände derart, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung der polarisierten Strahlen orientiert ist (transversal elektrisch). In particular, the polarization states are such that an electric field is oriented in a plane perpendicular to the beam propagation direction of the polarized beams (transverse electric).
Zur Polarisationsstrahlteilung umfasst das Strahlteilungselement 106 beispielsweise ein doppelbrechendes Linsenelement und/oder ein doppelbrechendes Keilelement. Das doppelbrechende Linsenelement und/oder das doppelbrechende Keilelement sind beispielsweise aus einem Quarzkristall hergestellt oder umfassen einen Quarzkristall. For polarization beam splitting, the beam splitting element 106 comprises, for example, a birefringent lens element and/or a birefringent wedge element. The birefringent lens element and/or the birefringent wedge element are made of, for example, a quartz crystal or comprise a quartz crystal.
Hinsichtlich der Funktionsweise und Ausführung des Strahlteilungselements 106 als bzw. mit Polarisations-Strahlteilungselement wird auf die deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2020 207 715.0 (Anmeldetag: 22. Juni 2020) der gleichen Anmelderin und auf die DE 10 2019 217 577 Al verwiesen.
Mittels des Strahlteilungselements 106 lassen sich insbesondere die Teilstrahlen 116 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Durch Fokussierung dieser Teilstrahlen 116 mittels der Fokussieroptik 118 können die Fokuselemente 120 beispielsweise jeweils aus Strahlen mit einem bestimmten Polarisationszustand ausgebildet werden. Den Fokuselementen 120 lässt sich dadurch jeweils ein bestimmter Polarisationszustand zuordnen. With regard to the functioning and design of the beam splitting element 106 as or with a polarization beam splitting element, reference is made to the German patent application with file number 10 2020 207 715.0 (filing date: June 22, 2020) by the same applicant and to DE 10 2019 217 577 A1. In particular, the partial beams 116 can be formed with different states of polarization by means of the beam splitting element 106 . By focusing these partial beams 116 using the focusing optics 118, the focus elements 120 can be formed, for example, from beams with a specific polarization state. As a result, a specific polarization state can be assigned to the focus elements 120 in each case.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente 120 durch Polarisationsstrahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 so angeordnet und ausgebildet werden, dass zueinander benachbarte Fokuselemente 120 jeweils unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen. In particular, it can be provided that the focus elements 120 are arranged and formed by polarization beam splitting by means of the beam splitting element 106 such that mutually adjacent focus elements 120 each have different polarization states.
Die Einkopplung der Fokuselemente 120 in das Material 102 erfolgt beispielsweise durch eine erste Außenseite 132 des Materials 102 des Werkstücks 104 hindurch. Eine zweite Außenseite 134 des Materials 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise in Dickenrichtung 126 des Werkstücks 104 zu der ersten Außenseite 132 beabstandet angeordnet. The coupling of the focus elements 120 into the material 102 takes place, for example, through a first outer side 132 of the material 102 of the workpiece 104 . A second outside 134 of the material 102 of the workpiece 104 is arranged at a distance from the first outside 132 in the thickness direction 126 of the workpiece 104 , for example.
Die erste Außenseite 132 und die zweite Außenseite 134 sind beispielsweise zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert. Beispielsweise ist das Werkstück 104 plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet. The first outside 132 and the second outside 134 are oriented at least approximately parallel to one another, for example. For example, the workpiece 104 is plate-shaped and/or panel-shaped.
Das Material 102 des Werkstücks 104 weist beispielsweise in der Dickenrichtung 126 eine zumindest näherungsweise konstante Dicke D auf. The material 102 of the workpiece 104 has an at least approximately constant thickness D in the thickness direction 126, for example.
Die ausgebildeten Fokuselemente 120 werden entlang der Bearbeitungslinie 128 angeordnet. Die jeweiligen Abstände d und Intensitäten I der entlang der Bearbeitungslinie 128 angeordneten Fokuselemente 120 sind so gewählt, dass durch Beaufschlagung des Materials 102 mit diesen Fokuselementen 120 Materialmodifikationen 138 ausgebildet werden (Fig. 4), welche eine Trennung des Materials 102 entlang dieser Bearbeitungslinie 128 und/oder einer mit dieser Bearbeitungslinie 128 korrespondierenden Bearbeitungsfläche ermöglichen. Insbesondere sind die Abstände d und Intensitäten I so gewählt, dass eine Trennung des Materials 102 entlang der Bearbeitungslinie 128 durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung ermöglicht wird.
In den Darstellungen gemäß den Fig. 3 und 4 sind die Fokuselemente bzw. die Materialmodifikationen hinsichtlich Anzahl, Geometrie, Ausdehnung und Anordnung lediglich schematisch gezeigt. The focus elements 120 formed are arranged along the processing line 128 . The respective distances d and intensities I of the focus elements 120 arranged along the processing line 128 are selected such that material modifications 138 are formed by impinging the material 102 with these focus elements 120 (Fig. 4), which separate the material 102 along this processing line 128 and /or enable a processing surface corresponding to this processing line 128. In particular, the distances d and intensities I are selected such that the material 102 can be separated along the processing line 128 by etching using at least one wet-chemical solution. In the representations according to FIGS. 3 and 4, the focus elements or the material modifications are only shown schematically in terms of number, geometry, extent and arrangement.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die Bearbeitungslinie 128 zwischen der ersten Außenseite 132 und der zweiten Außenseite 134 und insbesondere durchgängig und/oder unterbrechungsfrei zwischen der ersten Außenseite 132 und der zweiten Außenseite 134 des Werkstücks 104 erstreckt. In particular, it can be provided that the processing line 128 extends between the first outer side 132 and the second outer side 134 and in particular continuously and/or without interruption between the first outer side 132 and the second outer side 134 of the workpiece 104 .
Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 128 mehrere unterschiedliche Abschnitte 140 aufweist. Beispielsweise weist die Bearbeitungslinie 128 bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel einen ersten Abschnitt 140a, einen zweiten Abschnitt 140b und einen dritten Abschnitt 140c auf, wobei sich bezüglich der Dickenrichtung 126 der zweite Abschnitt 140b an den ersten Abschnitt 140a anschließt und der dritte Abschnitt 140c an den zweiten Abschnitt 140b anschließt. It can be provided that the processing line 128 has several different sections 140 . For example, in the example shown in Fig. 3, the processing line 128 has a first section 140a, a second section 140b and a third section 140c, with the second section 140b adjoining the first section 140a and the third section 140c with respect to the thickness direction 126 connects to the second section 140b.
Die Bearbeitungslinie 128 ist nicht notwendigerweise stetig und/oder differenzierbar ausgebildet. Beispielsweise kann die Bearbeitungslinie 128 Unstetigkeiten aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 128 Unterbrechungen und/oder Lücken aufweist, an welchen insbesondere keine Fokuselemente 120 angeordnet sind. The processing line 128 is not necessarily designed to be continuous and/or differentiable. For example, the processing line 128 may have discontinuities. Provision can be made for the processing line 128 to have interruptions and/or gaps at which, in particular, no focus elements 120 are arranged.
Die Bearbeitungslinie 128 und/oder unterschiedliche Abschnitte 140 der Bearbeitungslinie 128 können beispielsweise als Gerade oder Kurve ausgebildet sein. The processing line 128 and/or different sections 140 of the processing line 128 can be formed, for example, as a straight line or a curve.
Der jeweilige Abstand d der zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 kann für unterschiedliche Fokuselemente 120 und/oder unterschiedliche Paare von Fokuselementen 120 unterschiedlich gewählt sein. Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, dass der jeweilige Abstand d bei allen zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 identisch ist.
Insbesondere ist eine parallel zur Dickenrichtung 126 des Materials 102 orientierte Abstandskomponente dz des Abstands d für alle Fokuselemente 120 und/oder bei allen Paaren zueinander benachbarter Fokuselemente 120 von Null verschieden. Insbesondere sind alle benachbarten Fokuselemente 120 mit einer von Null verschiedenen Abstandskomponente dz in Dickenrichtung 126 beabstandet. The respective distance d between the focus elements 120 provided for the laser processing of the workpiece 104 can be selected differently for different focus elements 120 and/or different pairs of focus elements 120 . In principle, however, it is also possible for the respective distance d to be identical for all focus elements 120 provided for laser processing of the workpiece 104 . In particular, a distance component d z of the distance d oriented parallel to the thickness direction 126 of the material 102 is different from zero for all focus elements 120 and/or for all pairs of mutually adjacent focus elements 120 . In particular, all adjacent focus elements 120 are spaced apart in the thickness direction 126 by a distance component dz that is different from zero.
Weiter ist der Bearbeitungslinie 128 und/oder den jeweiligen Abschnitten 140 der Bearbeitungslinie 128 ein bestimmter Anstellwinkel o und/oder Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie 128 bzw. der jeweilige Abschnitt 140 mit der ersten Außenseite 132 des Werkstücks 104 einschließt. In addition, the machining line 128 and/or the respective sections 140 of the machining line 128 are assigned a specific angle of incidence o and/or the angle of attack range, which the machining line 128 or the respective section 140 encloses with the first outer side 132 of the workpiece 104.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Anstellwinkel o des ersten Abschnitts 140a und des dritten Abschnitts 140c betragsmäßig 45° und derjenige des zweiten Abschnitts 140b 90°. In the exemplary embodiment shown, the angle of incidence α of the first section 140a and of the third section 140c is 45° and that of the second section 140b is 90°.
Die durch Beaufschlagung und/oder Einbringung der Fokuselemente 120 in das Material 102 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 sind in dem Material 102 an lokalisierten örtlichen Positionen angeordnet. Die örtlichen Positionen der Materialmodifikationen 138 entsprechen zumindest näherungsweise den örtlichen Positionen xo, zo der Fokuselemente 120, mittels welchen die Materialmodifikationen 138 jeweils ausgebildet wurden. Durch geeignete Wahl von Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise den jeweiligen Abständen d zwischen den Fokuselementen 120, ihren jeweiligen Intensitäten I, der in Vorschubrichtung 130 orientierten Vorschubgeschwindigkeit und den Laserparametern des Eingangslaserstrahls 108, können die Materialmodifikationen 138 beispielsweise als Typ-III-Modifikationen ausgebildet werden, welche beispielsweise mit einer spontanen Bildung von Rissen 142 im Material 102 des Werkstücks 104 assoziiert sind. Insbesondere werden Risse 142 zwischen einander benachbarten Materialmodifikationen 138 ausgebildet. The material modifications 138 formed in the material 102 by impacting and/or introducing the focus elements 120 are arranged in the material 102 at localized local positions. The local positions of the material modifications 138 correspond at least approximately to the local positions xo, zo of the focus elements 120, by means of which the material modifications 138 were formed in each case. By suitably selecting processing parameters, such as the respective distances d between the focus elements 120, their respective intensities I, the feed rate oriented in the feed direction 130, and the laser parameters of the input laser beam 108, the material modifications 138 can be formed, for example, as type III modifications, which for example, are associated with a spontaneous formation of cracks 142 in the material 102 of the workpiece 104 . In particular, cracks 142 are formed between adjacent material modifications 138 .
Alternativ hierzu ist es auch möglich, durch geeignete Wahl derAlternatively, it is also possible by appropriate choice of
Bearbeitungsparameter die Materialmodifikationen 138 als Typ-I- und/oder Typ- II-Modifikationen auszubilden, welche mit einer Wärmeakkumulation im Material
102 und/oder mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials 102 einhergehen. Die Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen ist mit einer Wärmeakkumulation im Material 102 des Werkstücks 104 assoziiert. Insbesondere wird zur Ausbildung dieser Materialmodifikationen 138 der jeweilige Abstand d zwischen den Fokuselementen 120 so gering gewählt, dass es bei Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen zu dieser Wärmeakkumulation kommt. Machining parameters to form the material modifications 138 as Type I and/or Type II modifications, which involve heat accumulation in the material 102 and/or with a change in a refractive index of the material 102. The formation of the material modifications 138 as Type I and/or Type II modifications is associated with heat accumulation in the material 102 of the workpiece 104 . In particular, in order to form these material modifications 138, the respective distance d between the focus elements 120 is selected to be so small that this accumulation of heat occurs when the material 102 is acted upon by the focus elements.
Es ist vorgesehen, dass das Material 102 des Werkstücks 104 entlang der Bearbeitungslinie 128 bzw. entlang einer mit dieser Bearbeitungslinie 128 korrespondierenden Bearbeitungsfläche durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung getrennt wird. Provision is made for the material 102 of the workpiece 104 to be separated along the processing line 128 or along a processing surface corresponding to this processing line 128 by etching using at least one wet-chemical solution.
Beispielsweise wird das Werkstück 104 nach Ausbildung der Materialmodifikationen 138 zum Ätzen in die nasschemische Lösung eingebracht, wobei die nasschemische Lösung durch die erste Außenseite 132 und/oder die zweite Außenseite 134 in die an der Bearbeitungslinie 128 bzw. For example, after the material modifications 138 have been formed, the workpiece 104 is introduced into the wet-chemical solution for etching, with the wet-chemical solution passing through the first outer side 132 and/or the second outer side 134 into the areas marked on the processing line 128 or
Bearbeitungsfläche ausgebildeten Materialmodifikationen 138 und ggf. Risse 142 in das Material 102 eindringt. Machining surface trained material modifications 138 and possibly cracks 142 penetrates into the material 102.
Zur verbesserten Zuführung der nasschemischen Lösung werden vorliegend an dem Material 102 ein oder mehrere Ätzzugänge 144 ausgebildet. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel sind ein erster Ätzzugang 144a und ein zweiter Ätzzugang 144b vorhanden. In the present case, one or more etching accesses 144 are formed on the material 102 in order to improve the supply of the wet-chemical solution. In the example shown in FIG. 3 there is a first etch access 144a and a second etch access 144b.
Der Ätzzugang 144 ist ausgebildet, um nasschemische Lösung von einer der Außenseiten 132, 134 des Werkstücks 104 (beispielsweise der ersten Außenseite 132 oder der zweiten Außenseite 134) zu der Bearbeitungslinie 128 und insbesondere zu den der Bearbeitungslinie 128 zugeordneten Materialmodifikationen 138 und/oder Rissen 142 zuzuführen. Insbesondere ist der Ätzzugang 144 derart beschaffen, dass durch diesen die nasschemische Lösung durchführbar und/oder durchleitbar ist. Etching access 144 is designed to allow wet-chemical solution from one of the outer sides 132, 134 of the workpiece 104 (e.g. the first outer side 132 or the second outer side 134) to the processing line 128 and in particular to the material modifications 138 and/or cracks 142 associated with the processing line 128 to supply In particular, the etching access 144 is designed in such a way that the wet-chemical solution can be carried out and/or passed through it.
Insbesondere ist der Ätzzugang 144 in einem Querschnitt kanalartig und/oder linienartig ausgebildet (vgl. Fig. 3 und 4). Eine Querschnittsebene dieses
Querschnitts ist beispielsweise quer und insbesondere senkrecht zu zumindest einer der Außenseiten 132, 134 orientiert, und/oder beispielsweise senkrecht zur Vorschubrichtung 130 orientiert. In particular, the etching access 144 has a channel-like and/or line-like cross section (cf. FIGS. 3 and 4). A cross-sectional plane of this Cross-section is oriented, for example, transversely and in particular perpendicularly to at least one of the outer sides 132, 134, and/or oriented perpendicularly to the feed direction 130, for example.
Der Ätzzugang 144 ist quer und insbesondere senkrecht zur jeweiligen Außenseite 132 bzw. 134 orientiert. Insbesondere weist der Ätzzugang 144 bezüglich seines Querschnitts eine Längsmittelachse 146 auf, welche quer und insbesondere senkrecht zur jeweiligen Außenseite 132 bzw. 134 orientiert ist. The etching access 144 is oriented transversely and in particular perpendicularly to the respective outer side 132 or 134 . In particular, the etching access 144 has a longitudinal central axis 146 with respect to its cross section, which is oriented transversely and in particular perpendicularly to the respective outer side 132 or 134 .
Der Ätzzugang 144 erstreckt sich flächig entlang einer zur Vorschubrichtung 130 parallel orientierten Fläche und/oder Ebene (bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel flächig in einer parallel zur y-Richtung orientierten Ebene, d.h. entlang einer in die Papierebene hineinlaufenden Ebene). Insbesondere liegt die Längsmittelachse 146 in dieser Fläche und/oder Ebene. The etching access 144 extends flatly along a surface and/or plane oriented parallel to the feed direction 130 (in the example shown in FIG. 4 flatly in a plane oriented parallel to the y-direction, i.e. along a plane running into the plane of the paper). In particular, the longitudinal center axis 146 lies in this surface and/or plane.
Der Ätzzugang 144 verläuft von der jeweiligen Außenseite 132, 134 ins Innere des Materials 102. Insbesondere erstreckt sich der Ätzzugang 144 bezüglich der Dickenrichtung 126 von der jeweiligen Außenseite 132 bzw. 134 bis zu einer Eindringtiefe T. Beispielsweise beträgt die Eindringtiefe T mindestens 1 % der Dicke D des Materials 102. The etching access 144 runs from the respective outer side 132, 134 into the interior of the material 102. In particular, the etching access 144 extends with respect to the thickness direction 126 from the respective outer side 132 or 134 to a penetration depth T. For example, the penetration depth T is at least 1% of the Thickness D of material 102.
Beispielsweise weist der Ätzzugang 144 einen Eingang 148 und einen Ausgang 150 für nasschemische Lösung auf. Der Eingang ist an der jeweiligen Außenseite 132, 134 des Werkstücks positioniert. Der Ausgang 150 ist im Inneren des Materials 102 angeordnet. For example, the etch access 144 has an inlet 148 and an outlet 150 for wet chemical solution. The entrance is positioned on the respective outside 132, 134 of the workpiece. The exit 150 is located inside the material 102 .
Insbesondere mündet der Ätzzugang 144 an dem Ausgang 150 in die Bearbeitungslinie 128 und/oder in die der Bearbeitungslinie 128 zugeordneten Materialmodifikationen 138 und/oder Risse 142 ein. In particular, the etching access 144 at the exit 150 opens into the processing line 128 and/or into the material modifications 138 and/or cracks 142 associated with the processing line 128 .
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel mündet der Ätzzugang 144a an einem Übergang zwischen dem zweiten Abschnitt 140b und dem dritten Abschnitt 140c in die Bearbeitungslinie 128 ein und der Ätzzugang 144b an einem Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 140a und dem zweiten Abschnitt 140b.
Der Ätzzugang 144 wird insbesondere durch Beaufschlagung des Materials 102 mit Fokuselementen 120' ausgebildet. Die Fokuselemente 120' sind insbesondere gleichartig ausgebildet wie die vorstehend beschriebenen Fokuselemente 120, sodass insoweit auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird. In the example shown in FIG. 3 , etch access 144a opens into processing line 128 at a transition between second section 140b and third section 140c, and etch access 144b at a transition between first section 140a and second section 140b. The etching access 144 is formed in particular by subjecting the material 102 to focus elements 120′. The focus elements 120′ are in particular of the same design as the focus elements 120 described above, so that in this respect reference is made to their above description.
Insbesondere werden sowohl die Fokuselemente 120 als auch die Fokuselemente 120' mittels der Vorrichtung 100 bzw. mittels des Strahlteilungselements 106 und der Fokussieroptik 118 ausgebildet. Insbesondere erfolgt die Ausbildung der Fokuselemente 120 und der Fokuselemente 120' zeitgleich und/oder das Material 102 wird zeitgleich mit den Fokuselementen 120 und den Fokuselementen 120' beaufschlagt. In particular, both the focus elements 120 and the focus elements 120 ′ are formed by means of the device 100 or by means of the beam splitting element 106 and the focusing optics 118 . In particular, the focus elements 120 and the focus elements 120' are formed at the same time and/or the material 102 is acted upon at the same time by the focus elements 120 and the focus elements 120'.
Durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120' werden Materialmodifikationen 138' und/oder Risse 142' erzeugt, um den Ätzzugang 144 auszubilden. Material modifications 138' and/or cracks 142' are produced by subjecting the material 102 to the focus elements 120' in order to form the etching access 144.
Die jeweiligen Intensitäten I und/oder Abstände d der Fokuselemente 120' sind insbesondere so gewählt, dass die mittels diesen Fokuselementen 120' erzeugten Materialmodifikationen 138' und/oder Risse 142' den Ätzzugang 144 so ausbilden, dass eine Durchleitung von nasschemischer Lösung durch den Ätzzugang möglich ist. The respective intensities I and/or distances d of the focus elements 120' are selected in particular such that the material modifications 138' and/or cracks 142' produced by means of these focus elements 120' form the etch access 144 in such a way that wet-chemical solution can be conducted through the etch access is possible.
Fig. 5 zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d bei diesen Fokuselementen 120 ca. 8,0 pm beträgt. In der gezeigten Graustufendarstellung stehen hellere Bereiche für höhere Intensitäten. 5 shows a simulated intensity distribution of a plurality of focus elements 120, the distance d for these focus elements 120 being approximately 8.0 μm. In the grayscale representation shown, lighter areas represent higher intensities.
Die Laserbearbeitung des Werkstücks 104 mittels der Vorrichtung 100 funktioniert wie folgt: The laser processing of the workpiece 104 using the device 100 works as follows:
Zur Durchführung der Laserbearbeitung wird das Material 102 des Werkstücks 104 mit den Fokuselementen 120, 120' beaufschlagt und die Fokuselemente 120, 120' werden in Vorschubrichtung 130 relativ zu dem Werkstück 104 durch dessen Material 102 bewegt. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Fokuselemente 120, 120' durch Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 gebildet.
Das Material 102 ist hierbei ein für eine Wellenlänge von Laserstrahlen, aus welchen die Fokuselemente 120, 120' jeweils gebildet sind, transparentes Material, wie z.B. ein Glasmaterial. To carry out the laser processing, the material 102 of the workpiece 104 is acted upon by the focus elements 120, 120' and the focus elements 120, 120' are moved in the feed direction 130 relative to the workpiece 104 through its material 102. In the example shown, the focus elements 120, 120' are formed by beam shaping of the input laser beam 108. FIG. In this case, the material 102 is a material that is transparent to a wavelength of laser beams from which the focus elements 120, 120' are each formed, such as a glass material, for example.
Durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120, 120' werden in dem Material 102 Materialmodifikationen 138, 138' ausgebildet. Material modifications 138, 138' are formed in the material 102 by subjecting the material 102 to the focus elements 120, 120'.
Die mittels den Fokuselementen 120 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 sind entlang der Bearbeitungslinie 128 angeordnet (vgl. Fig. 3 und 6a), welche sich beispielsweise durchgängig über die gesamte Dicke D des Materials 102 erstreckt. Die der Bearbeitungslinie 128 zugeordneten Fokuselemente 120 bzw. Materialmodifikationen 138 definieren eine Querschnittsgeometrie der durch spätere Trennung des Materials entstehenden Trennfläche (Fig. 6b). The material modifications 138 formed by means of the focus elements 120 are arranged along the processing line 128 (cf. FIGS. 3 and 6a), which, for example, extends continuously over the entire thickness D of the material 102. The focus elements 120 or material modifications 138 associated with the processing line 128 define a cross-sectional geometry of the parting surface (FIG. 6b) that is created by later parting of the material.
Die mittels den Fokuselementen 120' ausgebildeten Materialmodifikationen 138' sind entlang der jeweiligen Längsmittelachse 146 des zugeordneten Ätzzugangs 144 angeordnet (beispielsweise des Ätzzugangs 144a und 144b). Die der jeweiligen Längsmittelachse 146 zugeordneten Fokuselemente 120' bzw. Materialmodifikationen 138' definieren eine Querschnittsgeometrie des auszubildenden Ätzzugangs 144. The material modifications 138' formed by means of the focus elements 120' are arranged along the respective central longitudinal axis 146 of the associated etch access 144 (for example the etch access 144a and 144b). The focus elements 120' or material modifications 138' assigned to the respective central longitudinal axis 146 define a cross-sectional geometry of the etching access 144 to be formed.
Die Fokuselemente 120, 120' werden entlang einer vorgegebenen Trajektorie 152 relativ zu dem Material 102 bewegt, wodurch Materialmodifikationen 138, 138' flächig in dem Material 102 angeordnet werden. Bei dem in Fig. 6a gezeigten Beispiel ist die Trajektorie 152 parallel zur Vorschubrichtung 130 orientiert. The focus elements 120, 120' are moved along a predetermined trajectory 152 relative to the material 102, as a result of which material modifications 138, 138' are arranged in the material 102 in a planar manner. In the example shown in FIG. 6 a , trajectory 152 is oriented parallel to feed direction 130 .
Durch Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 entlang der Trajektorie 152 wird eine mit der Bearbeitungslinie 128 korrespondierende Bearbeitungsfläche 154 ausgebildet, an welcher die Materialmodifikationen 138 angeordnet sind. Insbesondere liegt die Bearbeitungslinie 128 in der korrespondierenden Bearbeitungsfläche 154.
Entsprechend werden durch Relativbewegung der Fokuselemente 120' zu dem Material 102 Materialmodifikationen 138' in dem Material 102 ausgebildet, die an Bearbeitungsflächen 154' angeordnet sind. Diese Bearbeitungsflächen 154' korrespondieren mit den jeweiligen Längsmittelachsen 146 der Ätzzugänge 144. Insbesondere liegt die jeweilige Längsmittelachse 146 eines bestimmten Ätzzugangs 144 in der korrespondierenden Bearbeitungsfläche 154'. By moving the focus elements 120 relative to the material 102 along the trajectory 152, a processing surface 154 corresponding to the processing line 128 is formed, on which the material modifications 138 are arranged. In particular, the processing line 128 lies in the corresponding processing area 154. Correspondingly, material modifications 138' are formed in the material 102 by moving the focus elements 120' relative to the material 102, said modifications being arranged on processing surfaces 154'. These processing surfaces 154' correspond to the respective longitudinal central axes 146 of the etching accesses 144. In particular, the respective longitudinal central axis 146 of a specific etching access 144 lies in the corresponding processing surface 154'.
Die Trajektorie 152 kann grundsätzlich geradlinige und gekrümmte Abschnitte aufweisen. Im Fall von gekrümmten Abschnitten werden die Bearbeitungslinie 128 und/oder die Längsmittelachsen 146 während der Laserbearbeitung insbesondere so gedreht, dass diese stets in einer zur Vorschubrichtung 130 senkrecht orientierten Ebene liegen. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Drehung des Strahlteilungselements 106 oder durch relative Drehung der gesamten Vorrichtung 100 zum Werkstück 104 realisiert werden. In principle, the trajectory 152 can have rectilinear and curved sections. In the case of curved sections, the processing line 128 and/or the longitudinal center axes 146 are rotated during the laser processing in particular in such a way that they always lie in a plane oriented perpendicularly to the feed direction 130 . This can be implemented, for example, by appropriately rotating the beam splitting element 106 or by rotating the entire device 100 relative to the workpiece 104 .
Ein Abstand von in Vorschubrichtung 130 benachbarten Materialmodifikationen 138, 138' lässt sich beispielsweise durch Einstellung einer Pulsdauer des Eingangslaserstrahls 108 und/oder durch Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit definieren. A distance from material modifications 138, 138' that are adjacent in the feed direction 130 can be defined, for example, by setting a pulse duration of the input laser beam 108 and/or by setting the feed rate.
Die entlang der Bearbeitungslinie 128 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 haben insbesondere eine Verringerung einer Festigkeit des Materials 102 zur Folge, wobei die Festigkeit beispielsweise aufgrund der ausgebildeten Risse 142 verringert wird. The material modifications 138 formed along the processing line 128 result in particular in a reduction in the strength of the material 102, the strength being reduced, for example, due to the cracks 142 formed.
Die den Ätzzugängen 144 zugeordneten Materialmodifikationen 138' und/oder Rissen 142' haben ebenfalls eine Verringerung der Festigkeit des Materials 102 zur Folge, sodass ein Eindringen von Ätzflüssigkeit und/oder eine Durchleitung von Ätzflüssigkeit ermöglicht wird. The material modifications 138' and/or cracks 142' associated with the etching accesses 144 also result in a reduction in the strength of the material 102, so that penetration of etching liquid and/or passage of etching liquid is made possible.
Zur Trennung des Materials 102 entlang der Bearbeitungslinie 128 und/oder Bearbeitungsfläche 154 wird dieses mit nasschemischer Lösung beaufschlagt. Hierzu wird das Material 102 beispielsweise teilweise oder vollständig in ein Ätzbad mit der nasschemischen Lösung eingebracht, wobei dies insbesondere für eine bestimmte Zeitdauer und/oder bei einer bestimmten Temperatur erfolgt.
Insbesondere kann das Ätzen ultraschallunterstützt erfolgen. Beispielsweise kann die nasschemische Lösung KOH und/oder NaOH umfassen. In order to separate the material 102 along the processing line 128 and/or processing surface 154, a wet-chemical solution is applied to it. For this purpose, the material 102 is, for example, introduced partially or completely into an etching bath with the wet-chemical solution, this taking place in particular for a specific period of time and/or at a specific temperature. In particular, the etching can be carried out with the assistance of ultrasound. For example, the wet chemical solution can include KOH and/or NaOH.
Die nasschemische Lösung dringt an den Außenseiten 132, 134 in die der Bearbeitungslinie 128 zugeordneten Materialmodifikationen 138 und/oder Risse 142 ein und dringt dann entlang der Bearbeitungslinie 128 in einen Innenbereich 155 das Materials 102 vor. Der Innenbereich 155 ist insbesondere ein zu der jeweiligen Außenseite 132, 134 parallel zur Dickenrichtung 126 beabstandeter Bereich des Materials 102. The wet-chemical solution penetrates on the outer sides 132, 134 into the material modifications 138 and/or cracks 142 associated with the processing line 128 and then penetrates along the processing line 128 into an inner region 155 of the material 102. The inner region 155 is, in particular, a region of the material 102 that is spaced apart from the respective outer side 132, 134 parallel to the direction of thickness 126.
Weiter dringt die nasschemische Lösung an den Außenseiten 132, 134 in die entsprechenden Ätzzugänge 144 ein und gelangt durch diese Ätzzugänge 144 ebenfalls in den an der Bearbeitungslinie 128 liegenden Innenbereich 155 des Materials 102. The wet-chemical solution also penetrates into the corresponding etching accesses 144 on the outer sides 132, 134 and also reaches the inner region 155 of the material 102 lying on the processing line 128 through these etching accesses 144.
Mittels der Ätzzugänge 144 wir die nasschemische Lösung in den an der Bearbeitungslinie 128 liegenden Innenbereich 155 geführt. Bei dem gezeigten Beispiel wird die nasschemische Lösung mittels der Ätzzugänge 144 von der jeweiligen Außenseite 132, 134 zu dem zweiten Abschnitt 140b der Bearbeitungslinie 128 geführt. Es lässt sich dadurch eine verbesserte Einbringung der nasschemischen Lösung in den an der Bearbeitungslinie 128 liegenden Innenbereich 155 erreichen. The wet-chemical solution is guided into the inner area 155 lying on the processing line 128 by means of the etching accesses 144 . In the example shown, the wet-chemical solution is guided by means of the etching accesses 144 from the respective outside 132, 134 to the second section 140b of the processing line 128. In this way, an improved introduction of the wet-chemical solution into the inner area 155 lying on the processing line 128 can be achieved.
Durch Ätzen mittels der zugeführten nasschemischen Lösung wird das Material 102 an der Bearbeitungsfläche 154 in zwei voneinander verschiedene Werkstücksegmente 156a, 156b getrennt (Fig. 6b). The material 102 on the processing surface 154 is separated into two workpiece segments 156a, 156b that are different from one another (FIG. 6b) by etching using the supplied wet-chemical solution.
Das Werkstücksegment 156a ist bei dem gezeigten Beispiel ein Verschnittsegment und/oder ein Abfallsegment. Die Ätzzugänge 144 sind an dem Werkstücksegments 156a angeordnet oder von dem Werkstücksegment 156a umfasst. In the example shown, the workpiece segment 156a is a scrap segment and/or a scrap segment. The etching accesses 144 are arranged on the workpiece segment 156a or comprised by the workpiece segment 156a.
Üblicherweise wird das Werkstücksegment 156a, d.h. das Verschnittsegment, während des Ätzvorgangs entlang der Erstreckung der Ätzzugänge 144 ebenfalls
getrennt. Es wird dadurch das Werkstücksegment 156a seinerseits in mehrere Segmente unterteilt. Typically, the workpiece segment 156a, ie, the scrap segment, along the extent of the etch accesses 144, is also formed during the etching process separated. As a result, the workpiece segment 156a is in turn divided into a plurality of segments.
Das Werkstücksegment 156b ist ein Gutstücksegment und/oder ein Nutzsegment. Es weist eine Trennfläche 158 auf, welche eine mit der Form der Bearbeitungslinie 128 korrespondierende Form aufweist. The workpiece segment 156b is a good piece segment and/or a useful segment. It has a parting surface 158 which has a shape that corresponds to the shape of the machining line 128 .
Das Material 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise Quarzglas. The material 102 of the workpiece 104 is quartz glass, for example.
Beispielsweise weist dann zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-I- und/oder Typ-II-Modifikationen ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente 120, 120' gebildet sind, eine Wellenlänge von 1030 nm und eine Pulsdauer von 1 ps auf. Weiter beträgt dann eine der Fokussieroptik 118 zugeordnete numerische Apertur 0,4 und eine einem einzigen Fokuselement 120, 120' zugeordnete Pulsenergie 50 bis 200 nJ. For example, to form the material modifications 138 as type I and/or type II modifications, a laser beam from which the focus elements 120, 120' are formed has a wavelength of 1030 nm and a pulse duration of 1 ps. Furthermore, a numerical aperture assigned to the focusing optics 118 is 0.4 and a pulse energy assigned to a single focus element 120, 120' is 50 to 200 nJ.
Zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138, 138' als Typ-III-Modifikationen beträgt, bei ansonsten gleichen Parametern, die einem einzigen Fokuselement 120, 120' zugeordnete Pulsenergie 500 bis 2000 nJ.
For forming the material modifications 138, 138' as type III modifications, with otherwise the same parameters, the pulse energy assigned to a single focus element 120, 120' is 500 to 2000 nJ.
Bezugszeichenhste a Anstellwinkel d Abstand dz Abstandskomponente Reference numeral a Angle of attack d Distance d z Distance component
D Dicke D thickness
T Eindringtiefe T penetration depth
Xo Position in x-Richtung Xo Position in x-direction
Zo Position in y-Richtung Zo position in y-direction
100 Vorrichtung 100 device
102 Material 102 materials
104 Werkstück 104 workpiece
106 Strahlteilungselement 106 beam splitting element
108 Eingangslaserstrahl 108 input laser beam
110 Laserquelle 110 laser source
112 Strahlquerschnitt 112 beam cross-section
114 Wellenfront 114 wavefront
116 Teilstrahlen 116 partial beams
116a Teilstrahl 116a sub-beam
116b Teilstrahl 116b sub-beam
118 Fokussieroptik 118 focusing optics
120 Fokuselement 120 focus element
120’ Fokuselement 120' focus element
121 Fokusverteilung 121 Focus distribution
122 Strahlformungseinrichtung 122 beam shaping device
124 Strahlausbreitungsrichtung 124 beam propagation direction
126 Dickenrichtung 126 thickness direction
128 Bearbeitungslinie 128 machining line
130 Vorschubrichtung 130 feed direction
132 erste Außenseite 132 first outside
134 zweite Außenseite 134 second outside
138 Materialmodifikation 138 material modification
138’ Materialmodifikation 138' material modification
140 Abschnitt
a erster Abschnitt b zweiter Abschnitt c dritter Abschnitt Riss ' Riss Ätzzugang a erster Ätzzugang b zweiter Ätzzugang Längsmittelachse Eingang Ausgang Trajektorie Bearbeitungsfläche ' Bearbeitungsfläche Innenbereich a Werkstücksegment / Verschnittsegmentb Werkstücksegment Trennfläche
140 section a first section b second section c third section crack 'crack etch access a first etch access b second etch access longitudinal center axis input output trajectory processing surface ' processing surface inner area a workpiece segment / waste segment b workpiece segment parting surface
Claims
Patentansprüche Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), welches ein transparentes Material (102) aufweist, bei dem mittels eines Eingangslaserstrahls (108) mehrere Fokuselemente (120, 120') bereitgestellt werden und das Material (102) mit den Fokuselementen (120, 120') beaufschlagt wird, wobei durch Beaufschlagung des Materials (102) mit den Fokuselementen (120) in dem Material (102) Materialmodifikationen (138) entlang einer vorgegebenen Bearbeitungslinie (128) ausgebildet werden, an welcher das Material (102) durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung trennbar ist, und wobei durch Beaufschlagung des Materials (102) mit den Fokuselementen (120') in dem Material (102) mindestens ein separater Ätzzugang (144) zur Zuführung der mindestens einen nasschemischen Lösung von einer Außenseite (132, 134) des Werkstücks (104) zu der Bearbeitungslinie (128) ausgebildet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ätzzugang (144) mittels den Fokuselementen (120') im Material (102) des Werkstücks (104) ausgebildete Materialmodifikationen (138') und/oder Risse (142') umfasst. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ätzzugang (144) zur Zuführung von nasschemischer Lösung von der Außenseite (132, 134) des Werkstücks (104) in einen an der Bearbeitungslinie (128) liegenden Innenbereich (155) des Materials (102) ausgebildet ist, und/oder dass der mindestens eine Ätzzugang (144) ein von der Bearbeitungslinie (128) zumindest abschnittsweise räumlich getrennter Zugang zur Zuführung von nasschemischer Lösung von der Außenseite (132, 134) des Werkstücks in einen an der Bearbeitungslinie (128) liegenden Innenbereich (155) des Materials (102) ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ätzzugang (144) einen Durchgang und/oder einen Kanal zur Durchleitung der mindestens einen nasschemischen Lösung umfasst. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Ätzzugang (144) von einer Außenseite (132, 134) des Werkstücks (104) zu der Bearbeitungslinie (128) und/oder zu den der Bearbeitungslinie (128) zugeordneten Materialmodifikationen (138) erstreckt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ätzzugang (144) in einem Bereich des Materials (102) ausgebildet wird, welcher nach erfolgter Trennung des Werkstücks (104) entlang der Bearbeitungslinie (128) an einem oder in einem bei der Trennung des Werkstücks (102) ausgebildeten Verschnittsegment (156a) positioniert ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ätzzugang (144) ausgebildet wird, welcher zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweist: Method for the laser processing of a workpiece (104), which has a transparent material (102), in which a plurality of focus elements (120, 120') are provided by means of an input laser beam (108) and the material (102) with the focus elements (120, 120 ') is applied, wherein by applying the focus elements (120) to the material (102), material modifications (138) are formed in the material (102) along a predetermined processing line (128), on which the material (102) is etched by means of at least a wet-chemical solution, and wherein at least one separate etching access (144) for supplying the at least one wet-chemical solution from an outside (132, 134) is created by applying the focus elements (120') to the material (102) of the workpiece (104) is formed into the machining line (128). Method according to Claim 1, characterized in that the at least one etching access (144) comprises material modifications (138') and/or cracks (142') formed in the material (102) of the workpiece (104) by means of the focus elements (120'). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one etching access (144) for supplying wet-chemical solution from the outside (132, 134) of the workpiece (104) into an inner region (155) of the workpiece (104) lying on the processing line (128). material (102), and/or that the at least one etching access (144) is an access that is spatially separate from the processing line (128) at least in sections, for supplying wet-chemical solution from the outside (132, 134) of the workpiece into one on the processing line (128) lying interior (155) of the material (102). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one etching access (144) comprises a passage and/or a channel for conducting the at least one wet-chemical solution. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one etching access (144) extends from an outside (132, 134) of the workpiece (104) to the processing line (128) and/or to the material modifications assigned to the processing line (128). (138). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one etching access (144) is formed in a region of the material (102) which after the workpiece (104) has been separated along the processing line (128) on or in a the waste segment (156a) formed during the separation of the workpiece (102). Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one etching access (144) is formed which has at least one of the following properties:
- der mindestens eine Ätzzugang (144) erstreckt sich bezüglich einer Dickenrichtung (126) des Werkstücks von einer Außenseite (132, 134) des Werkstücks (104) bis zu einer Eindringtiefe (T) von mindestens- The at least one etching access (144) extends with respect to a thickness direction (126) of the workpiece from an outside (132, 134) of the workpiece (104) to a penetration depth (T) of at least
1 % und insbesondere mindestens 10 % und insbesondere mindestens 20 % einer Dicke (D) des Materials (102) des Werkstücks (104); 1% and in particular at least 10% and in particular at least 20% of a thickness (D) of the material (102) of the workpiece (104);
- der mindestens eine Ätzzugang (144) ist quer und insbesondere senkrecht zu einer Außenseite (132, 134) des Werkstücks (104) orientiert; der mindestens eine Ätzzugang (144) mündet im Material (102) des Werkstücks (104) in die Bearbeitungslinie (128) ein und insbesondere in der Bearbeitungslinie (128) zugeordnete Materialmodifikationen
(138) und/oder Risse (142) ein; - The at least one etching access (144) is oriented transversely and in particular perpendicularly to an outside (132, 134) of the workpiece (104); the at least one etching access (144) opens into the material (102) of the workpiece (104) in the machining line (128) and in particular in the material modifications associated with the machining line (128). (138) and/or cracks (142);
- der mindestens eine Ätzzugang (144) ist eine tangentiale Fortsetzung eines Abschnitts (140a, 140b, 140c) der Bearbeitungslinie (128) und/oder mündet tangential in die Bearbeitungslinie (128) ein. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (104) durch Ätzen mittels der mindestens einen nasschemischen Lösung entlang der Bearbeitungslinie (128) und/oder entlang einer der Bearbeitungslinie (128) zugeordneten Bearbeitungsfläche (154) getrennt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangslaserstrahl (108) mittels eines Strahlteilungselements (106) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (116) aufgeteilt wird und die Fokuselemente (120, 120') durch Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement (106) ausgekoppelten Teilstrahlen (116) ausgebildet werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungslinie (128) über eine Dicke (D) des Materials (102) des Werkstücks (104) und/oder über eine Dicke eines von dem Werkstück (104) abzutrennenden Werkstücksegments räumlich durchgängig ausgebildet ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) zueinander benachbarter Fokuselemente (120, 120') eine von Null verschiedene Abstandskomponente (dz) aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung (126) des Werkstücks (104) orientiert ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anstellwinkel (o) zwischen der Bearbeitungslinie (128) und einer Außenseite (132, 134) des Werkstücks (104), durch welche die Fokuselemente (120, 120') in das Material (102) des Werkstücks (104)
eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° beträgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beaufschlagung des Materials (102) mit den Fokuselementen (120, 120') Materialmodifikationen (138, 138') in dem Material (102) ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen (138, 138') Typ-III-Materialmodifikationen sind, und/oder wobei die Materialmodifikationen (138, 138') mit einer Rissbildung des Materials (102) einhergehen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beaufschlagung des Materials (102) mit den Fokuselementen (120, 120') Materialmodifikationen (138, 138') in dem Material (102) ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen (138, 138') Typ-I- und/oder Typ-II-Materialmodifikationen sind, und/oder wobei die Materialmodifikationen (138, 138') mit einer Änderung eines Brechungsindex des Materials einhergehen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuselemente (120, 120') relativ zu dem Material (102) des Werkstücks (104) in eine Vorschubrichtung (130) bewegt werden, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuselemente (120, 120') zumindest näherungsweise in einer zur Vorschubrichtung (130) senkrecht orientierten Ebene liegen.
- The at least one etching access (144) is a tangential continuation of a section (140a, 140b, 140c) of the machining line (128) and/or opens tangentially into the machining line (128). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece (104) is separated by etching using the at least one wet-chemical solution along the processing line (128) and/or along a processing surface (154) assigned to the processing line (128). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the input laser beam (108) is divided into a plurality of partial beams (116) by means of a beam splitting element (106) and the focus elements (120, 120') are formed by focusing from the beam splitting element (106) coupled-out partial beams (116) are formed. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the machining line (128) is spatially continuous over a thickness (D) of the material (102) of the workpiece (104) and/or over a thickness of a workpiece segment to be separated from the workpiece (104). is. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a distance (d) between mutually adjacent focus elements (120, 120') has a non-zero distance component (d z ) which is oriented parallel to a thickness direction (126) of the workpiece (104). is. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a setting angle (o) between the processing line (128) and an outside (132, 134) of the workpiece (104) through which the focus elements (120, 120') into the material ( 102) of the workpiece (104) are coupled in, at least in sections is at least 1° and/or at most 90°. Method according to one of the preceding claims, characterized in that material modifications (138, 138') are formed in the material (102) by the action of the material (102) with the focus elements (120, 120'), the material modifications (138, 138') are type III material modifications, and/or wherein the material modifications (138, 138') are accompanied by cracking of the material (102). Method according to one of the preceding claims, characterized in that material modifications (138, 138') are formed in the material (102) by the action of the material (102) with the focus elements (120, 120'), the material modifications (138, 138') are type I and/or type II material modifications, and/or wherein the material modifications (138, 138') are accompanied by a change in a refractive index of the material. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the focus elements (120, 120') are moved in a feed direction (130) relative to the material (102) of the workpiece (104), and in particular characterized in that the focus elements (120 , 120') lie at least approximately in a plane oriented perpendicularly to the feed direction (130).
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DE102021130129A1 (en) | 2023-05-25 |
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