WO2014154341A2 - Verfahren zum abtragen von sprödhartem material mittels laserstrahlung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for removing, such as cutting, scribing, drilling, brittle material by means of laser radiation, wherein the removal forms a Abtragsvertiefung with a flank angle w of the flanks of the Abtragsvertiefung in the material, wherein the flank angle w as the angle between the surface normal is defined on the flank of the excavation cavity and the surface normal on the non-abraded surface of the material, and with an entrance edge serving as a spatially extended area of the surface of the material where an unaltered and thus untranslated portion of the surface of the material enters Abtragsvertiefung passes, is defined, and are refracted at the spatial proportions of the laser radiation in the volume of the non-abraded material and focused.
  • Such methods are used, inter alia, in display technology, in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed.
  • display technology in which thin glass substrates, a brittle-hard material, must be processed.
  • industrial display technology conquers an ever larger market volume and tends to ever lighter devices and thus also thinner glass panes for for example Smart Phones and Tablet Computer.
  • Thin glass substrates offer advantages for displays when the durability and mechanical stability of thicker glass can be achieved. These thin glass panes are used in almost all Fiat Panel Displays (FDP's).
  • FDP's Fiat Panel Displays
  • the surfaces or flanks of the removal depression formed in the material have a diffractive and refractive effect on the introduced laser radiation.
  • interference diffraction patterns are generated by radiation components of the laser radiation.
  • the surface is roughened there more intensively; the refractive effect of this roughness leads to the focusing of the laser radiation and cracks in the adjacent material can be caused.
  • the leading edge in the area of the forming recess has a very large influence on the formation of the excavation recess and the resulting cracks. Damage in the form of cracks originates from this leading edge, for which the laser radiation appears to be the cause, which impinges on the leading edge.
  • US 2006/0091126 A1 describes a method and a laser system for processing substrates of silicon, gallium arsenide, indium phosphide or a monocrystalline sapphire to produce microstructure patterns therein, using ultraviolet lasers.
  • two laser beams are superimposed to produce finely structured Abtragsveriana with shallow depth.
  • this method only a small depth of the removal recess-a structuring-is produced, so that an optical effect of a removal recess is negligibly small.
  • the material surface should be removed so that a fine structuring with as many right-angled, sharp edges in a small space is created.
  • US 2011/0240616 A1 describes a method of singling brittle electronic substrates into small cubes using a laser. As FIGS. 4 and 5 show, the singulation is carried out in two sub-steps. In a first step, an initial cut is performed with low power and with a small removal rate and a small heat-affected zone near the edge of the hole. Although this leads to the reduction of debris, but not to avoid damage by focusing laser radiation in the Material during the second step, in which a second, deep bore is created with an extended edge with undesirable focus at the location of the bottom of the hole of the first, flat cut (initial cut).
  • the invention has for its object to provide a method by which the damage described above, which emanate in particular from the leading edge or the cause of laser radiation, which impinges on the leading edge, avoided or at least largely prevented.
  • Essential for the method according to the invention is that the distribution of the laser radiation is adjusted so that the leading edge assumes a small spatial extent such that the proportion of the power of the laser radiation, which is detected by the foaming effect of the leading edge, is insufficient to to create in the volume of the material a threshold pdamage for the electron density and thus avoid damage to the material.
  • the power of the laser radiation which is detected by the focusing effect of the leading edge, is adjusted so that the intensity in the material, which is achieved by the focusing of the leading edge, does not reach a threshold Pdamage for the damage of the material.
  • the power is not simply reduced and a low-damage first bore is produced, but it is cut in one step with great power and only the portion of the power that leads to the damage is reduced.
  • the inventive measure exploits the knowledge that the effect of focusing at the leading edge into the volume is a relevant effect that must be avoided.
  • cracks occur in the machining of thin glass plates. Such cracks are also in the processing of To observe glass plates with laser radiation. The inventors have found that these cracks manifest themselves in at least three different manifestations:
  • Cracks of the first kind Damage / cracking / chipping occurs on the back side of the material. Cracks of the first kind occur even when there is no damage on the front - from where the laser radiation is incident - and no abrasion has taken place.
  • Cracks of the second kind Cracks or damages - also called spikes - originate from the leading edge, which represents the transition from the unchanged part of the surface of the workpiece into the lateral removal flanks of the forming removal recess.
  • Third type cracks The formation of fine, not so deep penetrating cracks occurs in addition to the cracks of the second kind or damages of the second kind - along the worn surface (cut edge); they are not limited to the area near the leading edge and occur where the laser radiation in the Abtragsvertiefung on the abraded surface (Abtragsflanken), ie the Abtragsflanken, occurs. They spread from the worn surface into the material.
  • the third type of cracks penetrate less deeply into the material compared to the first type of cracks.
  • the rough surface of the Abtragsverianaung has in comparison to the leading edge to a roughness with smaller radii of curvature.
  • the focusing effect of the rough surface of the Abtragsvertiefung is much stronger than the focusing effect of the leading edge.
  • the spatial distribution of the laser radiation at the entrance to the Abtragsverianaung perpendicular to the direction of incidence of the laser radiation can be set Gaussian, and the Gaussian distribution is at a distance from the beam axis, where the intensity in the volume of the material reaches a threshold Pdamage for the damage of the material , rectangular cut off; for greater distances from the beam axis, the intensity of the laser radiation is set to zero, also referred to as Gaussian rectangle.
  • the laser beam axis is defined by the average value of the Poyntingvektoren averaged over the cross section of the laser beam.
  • the direction of the laser radiation varies over the cross section of the laser beam and is defined by the local direction of the Poynting vector.
  • the Poyntingvektoren are inclined above the focus of the laser beam on the laser beam axis and directed below the focus of the laser beam axis away.
  • a Gaussian-rectangular distribution of intensity in the laser beam is defined as one Gaussian distribution, which from a defined distance from the laser beam axis - such as through a diaphragm - no more intensity.
  • a Gaussian rectangle is the multiplication of a Gaussian distribution by one
  • Rectangular distribution which has the maximum value of 1.
  • rectangular distribution is meant a 2D rectangular distribution that has been rotated about the laser beam axis.
  • a wavelength mixture of at least two wavelengths is now used as the laser radiation for the ablation, wherein the at least two wavelengths are selected such that interference diffraction patterns due to the diffraction and refraction both along the surfaces of the Abtragsverianaung and in the material volume in comparison to laser radiation with only one of the wavelengths such that a contrast K in the spatial structure of the intensity distribution is reduced
  • Michelson's contrast K is a measure of the periodic pattern of diffraction maxima and diffraction minima.
  • the intensity contrast is reduced in the area of the surface of the flanks of the Abtragsverianaung and thereby avoided a spatially localized and thus excessive burden of the material, and as a result of the fact that for the processing of brittle material laser radiation with two different wavelengths, which are superimposed , is used.
  • a superimposition of laser radiation with different wavelengths produces namely for each wavelength a spatially shifted in the Abtragsveriefung diffraction pattern.
  • the diffraction maxima of the laser radiation having the first wavelength can fall to the locations where the diffraction minima of the laser radiation lie at the second wavelength.
  • the contrast of the superimposed diffraction structure becomes significantly smaller, with the result that a high removal rate and, if any, low stresses and / or cracks after removal are achieved.
  • a wavelength mixture of the at least two wavelengths is selected such that spatial positions of interference maxima of one wavelength (n) fall into interference minima of the other wavelength (n), whereby the ablation edge is not reached roughened and so the focusing effect of the rough Abtragskante is not formed, and so the threshold for the removal Pdamage, occur at the damage / cracks, is not achieved.
  • radiation components of the laser radiation may be used in addition to the at least two radiation components having wavelengths which are integer multiples or divisors of the at least two wavelengths, which may be referred to as fundamental wavelengths.
  • Each wavelength can be provided by a separate laser. This has the advantage that the focus radii and the power components of the different wavelengths of the laser radiation can be adjusted.
  • the laser source allows modulation of the wavelength
  • the different wavelengths can be provided by a laser source or a laser device. If the laser source emits several wavelengths, as is the case, for example, with diode lasers, the different wavelengths can be provided by a laser source or a laser device whose wavelength is modulated.
  • Figure 1 schematically shows a Abtragsveriefung with marking the
  • Figure 2 is a simulated Abtragsveriefung that the spread of
  • FIG. 3 shows a schematic sketch in order to explain the formation of a removal depression with rough removal flanks
  • Figure 4 shows the diffraction pattern, by diffraction of the incident
  • Laser radiation is generated at the ablation edges
  • FIG. 5 shows the principle of the formation of a crack of the second kind (FIGS. A, b) and the principle of the method according to the invention in order to avoid or at least suppress these cracks (FIGS. C, d), FIG.
  • Figure 6 shows a simulated Abtragsverianaung, with a TopHat-shaped
  • Figure 7 is a view corresponding to Figure 6, but with a spatial
  • Distribution of the intensity of the laser radiation which consists of a TopHat distribution and a Gaussian distribution
  • Figure 8 is a view corresponding to Figure 6 with a narrow, spatial
  • FIG. 9 shows a view corresponding to FIG. 6 with a spatial TopHat distribution of the laser radiation at the entrance to the removal recess, FIG.
  • FIG. 11 shows in an enlarged simulation representation the contrast of the spatial distribution of the intensity in the removal depression, corresponding to image a of FIG. 5.
  • a V-shaped Abtragsverianaung 1 is shown schematically, which is formed in a thin glass material 2 with a thickness x.
  • This removal recess 1 has Abtragsflanken 3, emanating from an inlet edge 4 on the surface 5 of the material.
  • Threshold p a t> iation is the electron density threshold at which ablation / ablation begins
  • Threshold Pdamage is the threshold of electron density in which
  • Pulse parameter is a set of parameters used to characterize the spatial, temporal and spectral properties of incident laser radiation.
  • the pulse parameter contains at least the values for
  • temporal pulse shape this is the temporal distribution of the intensity of laser radiation in a single pulse or in a sequence (multiple pulse, pulse burst) of pulses,
  • the leading edge is a spatially extended area of the surface of the workpiece where an unchanged portion of the surface of the workpiece merges into the portion of the surface in which material has been removed and a
  • the edge of the excavation recess is a material produced by the removal of material
  • Rear side or underside of the workpiece is the surface of the workpiece facing away from the laser radiation.
  • Pdamage thresholds Pabiation for the electron density p, where Pdamage ⁇ Pabiation is assigned to two sets of values for the parameters of the laser radiation.
  • a light-refractive property, for example focusing property, of the leading edge is of particular importance to the invention.
  • the leading edge may have a geometric shape and an extent which may cause two undesirable effects, which however may be avoided or substantially reduced by the method according to the invention.
  • On the one hand can occur due to the geometric shape undesirable focusing of the incident laser radiation in the material and on the other can, by the
  • the power of the incident laser radiation which is detected by the leading edge and then focused in the material, undesirably take a value, so that the intensity in the focus of the leading edge
  • Cracks of the first kind are those which occur even when no damage or abrasion has taken place from the front side (where the laser radiation is incident). Cracks of the second kind and third kind, which are illustrated with reference to Figures 1 and 2.
  • the cracks of the second type are identified by the reference numeral 22 and the cracks of the third type by the reference numeral 33.
  • This deviation of the removal depression from the flatness arises from the fact that the incident laser radiation at the entrance of the removal depression and in its course is diffracted into the depth of the workpiece (removal front, cutting edge) and has a diffraction structure as shown in FIGS. 3 and 4 ,
  • This diffraction structure is a spatial modulation of the intensity and generates the deviation from a flat erosion front.
  • the resulting diffraction structure for the intensity of the radiation in the Abtragsverianaung leads to increases in the intensity of the Abtragsfront and thus to a deviation of Abtragfront of a smooth or flat Abtragsfront.
  • the power of the laser radiation which is detected by the focusing effect of the leading edge, is adjusted so that the Intensity in the material, which is achieved by the focusing of the leading edge, does not reach a threshold value for the damage of the material.
  • FIG. 5 shows an image sequence in which the illustrations a) and b) represent the principle of the formation of a crack of the second kind, while the image sequence with the figures c) and d) serve to illustrate the measures according to the invention. in order to avoid or substantially reduce the occurrence of such second-type cracks.
  • FIGS. 5a) and 5b the respective entry edges of a removal depression are indicated by a region 40.
  • This leading edge thus comprises a spatially extended region 40, in which the laser radiation is focused.
  • the spatially extended region 40 is associated with its location as a transition region from the non-abraded surface into the flank of the ablation well.
  • FIG. 5c shows that the Poyntingvektor P of the proportion of the laser radiation, which falls in the region of the leading edge in the Abtragsveriefung, perpendicular to
  • a region of damage or the beginning of a filament is formed, which is designated by the reference numeral 41.
  • the arrows 42 indicate the Poynting vectors P (with direction and magnitude) whose time-averaged amount is also referred to as intensity.
  • FIGS. C) and d) of FIG. 5 show, in addition to the polyhedral vectors P (reference numeral 42), the normal vectors ns on the non-ablated surface and the normal vectors nF on the abraded surface (cutting edge, edge of the ablation recess).
  • the angle of incidence WE of Poyntingvektors P is indicated on the non-abraded surface.
  • the angle of incidence w E is defined as the angle between the Poyntingvektor P of the laser radiation and the normal vector n s of the surface on which the laser beam is incident. The laser beam either falls on the flank of the removal depression with the surface normal n F (FIG.
  • the laser radiation is now adjusted so as to avoid that two spatial portions of the radiation from the leading edge are so refracted and focused in the non-abraded material and are superimposed in the material that the threshold Pdamage for the damage is exceeded and thus the Threshold for the ablation Pabiation is not reached. As a result, no crack / damage of the second kind arises.
  • the extent of the surroundings of the leading edge is defined by the fact that the laser radiation incident into the focusing part of the leading edge contains sufficient power so that at least the damage threshold of the material or material can be achieved in the focus of this power. Consequently, in order to avoid damages in the material, which are caused by laser radiation, which is refracted and focused at the leading edge to the Abtragsvertiefung in the material, to avoid two variables to be considered and correctly set, namely on the one hand, the geometric shape of the leading edge and the other the direction of the incident laser radiation and thus the angle w of the Poynting vector to the normal vector ns on the non-ablated part of the surface.
  • the geometric shape of the leading edge leads to a refraction of the laser radiation and in an unfavorable case to the focusing of the incident laser radiation, as shown schematically in Figures a) and b) of Figure 5.
  • the geometric shape of the leading edge points
  • the geometric shape of the leading edge is ideally one without
  • an inventive measure is to set a Gaussian-rectangular distribution of the incident intensity.
  • the geometric shape of the leading edge is to be adjusted so that the power of the laser radiation, which is focused by the leading edge or by the focusing effect of the leading edge, is detected is so small that the achievable by the focus intensity does not reach the threshold value Pdamage for the damage of the material of the workpiece.
  • the second quantity to be considered is the direction of the incident laser radiation, that is, the direction of the polarization vector P of the laser radiation on the non-abraded surface of the material of the workpiece.
  • the direction of the incident laser radiation hence the direction of the Poynting vector P of the laser radiation
  • is inclined on the non-abraded surface of the material of the workpiece towards the ablation recess by an angle w to the normal vector ns, that is, it forms an angle of incidence w> 0 on the non-ablated surface to the normal vector ns (see Figure d) of Figure 5) and is ideally within the Abtragsverianaung perpendicular to the normal vector n F on the edge of the Abtragsveriefung.
  • FIGS. 6 to 9 now show the results of various measures
  • FIG. 6 shows the simulated formation of an ablation recess which is achieved with incident laser radiation having a top hat-shaped, spatial distribution (ie transversely to the direction of incidence) of the intensity of the incident laser radiation.
  • the laser radiation has a spatial distribution of the intensity of the incident laser radiation, which is composed of a TopHat distribution for large distances from the laser beam axis and a Gaussian distribution near the laser beam axis .
  • the proportion of laser radiation due to the TopHat distribution in the upper region of the Abtragsverianaung results in approximately parallel Abtragsflanken, but with a round Abtragsground, which is a consequence of the proportions of the laser radiation due to the Gaussian distribution.
  • the result of this simulation is also a slightly greater penetration depth into the material than the case where the spatial distribution of the intensity of the incident laser radiation is only TopHat-shaped.
  • Figure 9 shows a simulation in which the laser radiation is pulsed and the
  • Wavelength of the laser radiation changes from pulse to pulse alternately from 500nm to 1000nm.
  • the geometric shape of the advantageously forming large curvature of the region of the leading edge causes a reduction of the focused intensity from the region of the leading edge into the volume and thus falls below the damage threshold and avoiding this cause for the cracking.
  • a wavelength mixing of at least two wavelengths is used as the laser radiation for the removal.
  • the at least two wavelengths are selected such that interference patterns due to the diffraction and refraction both in the volume of material and in the volume of Abtragsvertiefung compared to laser radiation with only one of the wavelengths adjust such that a contrast K in the spatial structure of the intensity distribution is reduced, so that a spatially localized and thus excessive burden of the material is avoided.
  • intensity maxima and intensity minima are reduced, which is otherwise responsible for the diffraction of the laser radiation at the surface or the flanks of the Abtragsverianaung and due to the ability of the laser radiation to interference.
  • a diffraction pattern spatially displaced in the removal depression is generated for each wavelength.
  • the at least two wavelengths also in conjunction with the adjustment of the powers and focus radii of the corresponding laser radiation, can be chosen so that the diffraction maxima of the laser radiation having the first wavelength fall to the locations where the diffraction minima of the laser radiation coincide with the second Wavelength lie.
  • the contrast of the superimposed diffraction pattern becomes much smaller.
  • FIG. 10 illustrates once again in the image sequence of the images a to e the formation of cracks of the third kind, as can be seen in the last image e of the image sequence, after 8 pulses of laser radiation.
  • Figure a shows the causal distribution of intensity in the Abtragsveriefung, image b that in brittle-hard material.
  • Image c represents the free electron density, image d the surface of the excavation cavity and image e the resulting distribution of
  • the spatial extent of the counts is 40pm in both directions to illustrate the proportions.
  • the deviation of the intensity of the laser radiation from a spatially weakly variable distribution is referred to, as would be present in an undisturbed propagating laser radiation in the Abtragsveriefung ( Figure a of Figure 10).
  • the power of the laser radiation is not reduced to avoid the damage, but the geometric shape of the leading edge is set according to the invention by adjusting the spatial distribution of the power so that the focusing effect of the leading edge is reduced. According to the invention, therefore, at high power, and as a result thereof at a desirably high removal rate, the proportion of the power is reduced, which is detected by the leading edge and is focused and thus leads to undesired damage.
  • the inventive method can be cut with great power in one step and still a small extension of the leading edge can be generated. As a result of the small extent of the leading edge, only a minor portion of the power is focused into the material, thus avoiding damage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung, wobei sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung mit einem Flankenwinkel der Flanken der Abtragsvertiefung in dem Material ausbildet, mit einer Eintrittskante, die als ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche des Materials, wo ein unveränderter und damit nicht abgetragener Teil der Oberfläche des Materials in die Abtragsvertiefung übergeht, definiert ist, an der räumliche Anteile der Leistung der Laserstrahlung in das Volumen des nicht abgetragenen Materials gebrochen und fokussiert werden. Die Verteilung der Laserstrahlung wird so eingestellt, dass die Eintrittskante eine kleine räumliche Ausdehnung so annimmt, dass der Anteil der Leistung der Laserstrahlung, der von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, nicht ausreicht, um im Volumen des Materials einen Schwellenwert Pdamage für die Elektronendichte zu erzeugen und so eine Schädigung des Materials zu vermeiden.

Description

"Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen, wie beispielsweise Schneiden, Ritzen, Bohren, von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung, wobei sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung mit einem Flankenwinkel w der Flanken der Abtragsvertiefung in dem Material ausbildet, wobei der Flankenwinkel w als der Winkel zwischen der Oberflächennormalen auf der Flanke der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials definiert ist, und mit einer Eintrittskante, die als ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche des Materials, wo ein unveränderter und damit nicht abgetragener Teil der Oberfläche des Materials in die Abtragsvertiefung übergeht, definiert ist, und an der räumliche Anteile der Laserstrahlung in das Volumen des nicht abgetragenen Materials gebrochen und fokussiert werden.
Solche Verfahren finden ihre Anwendung unter anderem in der Display-Technik, in der dünne Glassubstrate, ein sprödharter Werkstoff, bearbeitet werden müssen. Gerade die industrielle Display-Technik erobert ein immer größeres Marktvolumen und tendiert zu immer leichteren Geräten und somit auch dünneren Glasscheiben für zum Beispiel Smart Phones und Tablet Computer.
Dünne Glassubstrate bieten gerade dann Vorteile für Displays, wenn die Haltbarkeit und mechanische Stabilität von dickerem Glas erreicht werden kann. Diese dünnen Glasscheiben werden nahezu in allen Fiat Panel Displays (FDP's) angewandt.
Konventionelle Verfahren zum Bearbeiten solcher dünnen Glasscheiben sind das Fräsen mit definierter Schneide, oder sie basieren auf mechanischen Wirkungen einer gezielt in den Werkstoff oder das Material eingebrachten Rissbildung (Ritzen und Brechen). Eine Vielzahl von bekannten Verfahrensvarianten unter Einsatz von Laserstrahlung basiert ebenfalls darauf, die mechanischen Wirkungen des Prinzips von Ritzen und anschließendem Brechen zu nutzen, indem das Ritzen durch die Einwirkung von Laserstrahlung ersetzt wird und der Werkstoff/das Material nach der Einwirkung der Laserstrahlung gebrochen wird. Die konventionelle mechanische Bearbeitung (Schneiden, Bohren) ist für dünne Glasplatten wesentlich schwieriger als für große Werkstoffdicken. Beim mechanischen Ritzen werden nämlich Mikrorisse eingebracht oder sogar kleine Teile, so genannte Chips, herausgebrochen, so dass ein Schleifen oder Ätzen als nachbearbeitender Prozess notwendig wird.
Es hat sich gezeigt, dass die Flächen bzw. Flanken der sich in dem Material ausbildenden Abtragsvertiefung eine beugende und brechende Wirkung auf die eingebrachte Laserstrahlung haben. Hierdurch werden durch Strahlungsanteile der Laserstrahlung Interferenz-Beugungsmuster erzeugt. Sobald diese Strahlungsanteile wieder auf die Flächen der Abtragsvertiefung treffen, wird dort die Oberfläche verstärkt aufgeraut; die lichtbrechende Wirkung dieser Rauhigkeit führt zur Fokussierung der Laserstrahlung und es können Risse in dem angrenzenden Material hervorgerufen werden. Einen sehr großen Einfluss auf die Ausbildung der Abtragsvertiefung und die entstehenden Risse hat auch die Eintrittskante im Bereich der sich ausbildenden Abtragsvertiefung. Von dieser Eintrittskante gehen nämlich Schädigungen in Form von Rissen aus, für die die Laserstrahlung ursächlich zu sein scheint, die auf die Eintrittskante auftrifft.
Die US 2006/0091126 A1 beschreibt ein Verfahren sowie ein Lasersystem zum Bearbeiten von Substraten aus Silizium, Galliumarsenid, Indiumphosphit oder ein einkristallinem Saphir, um darin Mirkostruktur-Muster zu erzeugen, unter Verwendung von Ultraviolett-Lasern. Hierbei werden zwei Laserstrahlen überlagert, um fein strukturierte Abtragsvertiefungen mit geringer Tiefe herzustellen. Nach diesem Verfahren wird nur eine kleine Tiefe der Abtragsvertiefung - eine Strukturierung - erzeugt, so dass eine optische Wirkung einer Abtragsvertiefung vernachlässigbar klein ist . Darüber hinaus soll die Materialoberfläche so abgetragen werden, dass eine feine Strukturierung mit möglichst vielen rechtwinkligen, scharfen Kanten auf engem Raum entsteht.
Die US 2011/0240616 A1 beschreibt ein Singulationsverfahren von spröden Elektroniksubstraten in kleine Würfel unter Verwendung eines Lasers. Wie die Figuren 4 und 5 zeigen, wird die Singulation in zwei Teilschritten durchgeführt. In einem ersten Schritt wird eine flache Bohrung (initial cut) mit kleiner Leistung und mit kleiner Abtragsrate und naheliegend kleiner Wärmeeinflusszone im Bereich der Kante der Bohrung durchgeführt. Dies führt zwar zur Verminderung von Debris, jedoch nicht zur Vermeidung einer Schädigung durch eine Fokussierung von Laserstrahlung in das Material während des zweiten Teilschritts, in dem eine zweite, tiefe Bohrung erzeugt wird mit einer ausgedehnten Kante mit unerwünschter Fokussierung am Ort des Bohrungsgrundes der ersten, flachen Bohrung (initial cut).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die vorstehend beschriebenen Schädigungen, die insbesondere von der Eintrittskante ausgehen oder die ursächlich auf Laserstrahlung zurückgehen, die auf die Eintrittskante auftrifft, vermieden oder zumindest weitest gehend unterbunden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass die Verteilung der Laserstrahlung so eingestellt wird, dass die Eintrittskante eine kleine räumliche Ausdehnung so annimmt, dass der Anteil der Leistung der Laserstrahlung, der von der fo- kussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, nicht ausreicht, um im Volumen des Materials einen Schwellenwert Pdamage für die Elektronendichte zu erzeugen und so eine Schädigung des Materials zu vermeiden.
Somit wird die Leistung der Laserstrahlung, die von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so eingestellt, dass die Intensität im Material, die durch die Fokussierung der Eintrittskante erreicht wird, einen Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials nicht erreicht. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nicht einfach die Leistung verkleinert und eine schädigungsarme erste Bohrung erzeugt wird, sondern es wird in einem Schritt mit großer Leistung geschnitten und nur der Anteil der Leistung verkleinert, der zur Schädigung führt.
Die erfinderische Maßnahme nutzt die Erkenntnis aus, dass die Wirkung einer Fokussierung an der Eintrittskante in das Volumen eine relevante Wirkung ist, die zu vermeiden ist.
Durch diese Maßnahme werden die von der Eintrittskante ausgehenden Schädigungen wesentlich reduziert oder auch vermieden, da hierdurch die Intensität der Laserstrahlung verringert wird und dadurch eine räumlich lokalisierte und damit überhöhte Belastung des sprödharten Materials vermieden wird.
Wie vorstehend erwähnt ist, treten bei der mechanischen Bearbeitung von dünnen Glasplatten Risse auf. Solche Risse sind aber auch bei der Bearbeitung der Glasplatten mit Laserstrahlung zu beobachten. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich diese Risse in mindestens drei unterschiedlichen Erscheinungsformen äußern:
Risse erster Art: Eine Schädigung/Rissbildung/Chipping tritt auf der Rückseite des Werkstoffs auf. Risse erster Art treten auch schon dann auf, wenn auf der Vorderseite - von wo aus die Laserstrahlung einfällt - noch keine Schädigung und auch noch kein Abtrag erfolgt sind.
Risse zweiter Art: Risse oder Schädigungen - auch Spikes genannt - gehen von der Eintrittskante aus, die den Übergang von dem unveränderten Teil der Oberfläche des Werkstücks in die seitlichen Abtragsflanken der sich ausbildenden Abtragsvertiefung darstellt.
Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine - im Vergleich zu Rissen dritter Art - große Tiefe in das Volumen des Materials. Diese von der
Eintrittskante ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch„Filamente" genannt; Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalischen Ursachen) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des
Werkstücks erreichen.
Risse dritter Art: Die Entstehung von feinen, nicht so tief eindringenden Rissen tritt zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art - entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) - auf; sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken), das bedeutet die Abtragsflanken, einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in das Material aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in das Material ein. Die raue Oberfläche der Abtragsvertiefung weist im Vergleich zur Eintrittskante eine Rauhigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Oberfläche der Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante. Diese Risse dritter Art werden somit durch das Verfahren dieser Erfindung vermieden oder zumindest deutlich gegenüber herkömmlichen Verfahren reduziert.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäße Verfahren der Poyntingvektor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der auf die nicht abgetragene Oberfläche des Materials im Bereich der Abtragsvertiefung einfällt, in Richtung auf die Eintrittskante geneigt eingestellt und der Einfallswinkel WE der Laserstrahlung wird so gewählt, dass er nicht kleiner als Null (wE>=0 Winkelgrade) ist.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, den Poyntingvektor P von dem Anteil der
Laserstrahlung, der im Bereich der Abtragsvertiefung in die Abtragsvertiefung fällt, senkrecht zum Normalenvektor nF auf der Flanke der Abtragsvertiefung einzustellen und den Einfallswinkel wE der Laserstrahlung mit wE=90 Winkelgrade zu wählen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ist dann gegeben, wenn die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung
rechteckförmig eingestellt wird (Rechteck). Hierdurch wird nämlich erreicht, dass der Bereich der Eintrittskante eine kleine Ausdehnung annimmt und so der Anteil der Laserstrahlung, der von dem Bereich der Eintrittskante erfasst und in das Material fokussiert wird, klein wird.
Auch kann die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung senkrecht zur Einfallsrichtung der Laserstrahlung gesehen gaußförmig eingestellt werden, und die gaußförmige Verteilung wird an einem Abstand von der Strahlachse, wo die Intensität im Volumen des Materials einen Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials erreicht, rechteckförmig abgeschnitten; für größere Abstände von der Strahlachse wird die Intensität der Laserstrahlung auf Null eingestellt, auch als Gauß-Rechteck bezeichnet. Die Laserstrahlachse ist durch den Mittelwert der Poyntingvektoren gemittelt über den Querschnitt des Laserstrahls definiert. Die Richtung der Laserstrahlung variiert über dem Querschnitt des Laserstrahls und ist durch die lokale Richtung des Poyntingvektors definiert. Typischerweise sind die Poyntingvektoren oberhalb des Fokus des Laserstrahls auf die Laserstrahlachse geneigt und unterhalb des Fokus von der Laserstrahlachse weg gerichtet. Eine Gauß-Rechteck förmige Verteilung der Intensität im Laserstrahl ist definiert als eine gaußförmige Verteilung, die ab einem definierten Abstand von der Laserstrahlachse - etwa durch eine Blende - keine Intensität mehr aufweist. Mathematisch ist ein Gauß-Rechteck die Multiplikation einer gaußförmigen Verteilung mit einer
Rechteckverteilung, die den Maximalwert 1 aufweist. Mit Rechteckverteilung ist eine 2D-Rechteckverteilung gemeint, die um die Laserstrahlachse rotiert wurde.
Bei dem angegebenen Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung bildet sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung in dem Material aus, deren Flächen, auch als Flanken bezeichnet, beugend und brechend auf die eingebrachte Laserstrahlung wirken und dadurch Strahlungsanteile dieser Laserstrahlung Interferenz-Beugungsmuster innerhalb der Abtragsvertiefung erzeugen. Sobald diese Strahlungsanteile wieder auf die Flächen der Abtragsvertiefung treffen und in das Materialvolumen eindringen, bewirken sie dort einen entlang der Flächen räumlich veränderlichen Abtrag und rauen als Folge die Oberfläche auf und induzieren Risse in dem Materialvolumen.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird nun als Laserstrahlung für den Abtrag eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt, wobei die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt werden, dass sich Interferenz- Beugungsmuster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl entlang der Flächen der Abtragsvertiefung als auch im Materialvolumen im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass ein Kontrast K in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung verkleinert wird, wobei der Kontrast K nach Michelson definiert ist als K = (lmax-lmin)/(lmax+lmin), wobei Imax und Imin die maximale und minimale Intensität der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung angibt. Der Kontrast K nach Michelson ist hierbei ein Maß für das periodische Muster von Beugungsmaxima und Beugungsminima.
Durch diese Maßnahmen wird der Intensitätskontrast im Bereich der Oberfläche der Flanken der Abtragsvertiefung reduziert und dadurch eine räumlich lokalisierte und damit überhöhte Belastung des Materials vermieden, und zwar als Folge davon, dass für die Bearbeitung des sprödharten Materials Laserstrahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen, die überlagert werden, verwendet wird. Eine Überlagerung von Laserstrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt nämlich zu jeder Wellenlänge ein in der Abtragsvertiefung räumlich verschobenes Beugungsmuster. Durch Wahl der passenden Wellenlängen der eingesetzten
Strahlungsanteile, der Leistungen und der Fokusradien der (mindestens zwei) zu überlagernden Wellenlängen können die Beugungsmaxima der Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge an die Orte fallen, wo die Beugungsminima der Laserstrahlung mit der zweiten Wellenlänge liegen. Im Ergebnis dieser Überlagerung wird der Kontrast der überlagerten Beugungsstruktur deutlich kleiner mit der Folge, dass eine hohe Abtragsrate und, wenn überhaupt, geringe Spannungen und/oder Risse nach dem Abtrag erreicht werden.
Um den kleinsten Kontrast zu erreichen, müssen die Wellenlängen der zu
überlagernden Strahlungsanteile sowie die zu den Wellenlängen gehörenden
Leistungen und die zugehörigen Fokusradien der Strahlungsanteile angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine Wellenlängenmischung aus den mindestens zwei Wellenlängen so gewählt, dass räumliche Positionen von Interferenz-Maxima der einen Wellenlänge(n) in Interferenz-Minima der anderen Wellenlänge(n) fallen, wodurch erreicht wird, dass die Abtragsflanke nicht aufgeraut wird und so auch die fokussierende Wirkung der rauen Abtragskante nicht ausgebildet wird, und so der Schwellenwert für den Abtrag Pdamage, bei dem Schädigungen/Risse auftreten, nicht erreicht wird.
Weiterhin können Strahlungsanteile der Laserstrahlung zusätzlich zu den mindestens zwei Strahlungsanteilen eingesetzt werden, die Wellenlängen haben, die ganzzahlige Vielfache oder Teiler der mindestens zwei Wellenlängen, die als Grund-Wellenlängen bezeichnet werden können, sind.
Jede Wellenlänge kann durch einen gesonderten Laser bereitgestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Fokusradien und die Leistungsanteile der unterschiedlichen Wellenlängen der Laserstrahlung eingestellt werden können. Falls die Laserquelle eine Modulation der Wellenlänge erlaubt, können die unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bzw. ein Lasergerät bereitgestellt werden. Falls die Laserquelle mehrere Wellenlängen emittiert, wie das z.B. bei Diodenlasern der Fall ist, können die unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bzw. ein Lasergerät bereitgestellt werden, deren Wellenlänge moduliert wird.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der
Zeichnung zeigt
Figur 1 schematisch eine Abtragsvertiefung mit Kennzeichnung der
verschiedenen Rissbildungen/Schädigungen zweiter Art und dritter Art,
Figur 2 eine simulierte Abtragsvertiefung, die die Ausbreitung der sich
ausbildenden Risse zweiter Art und dritter Art darstellt,
Figur 3 eine schematische Skizze, um die Entstehung einer Abtragsvertiefung mit rauen Abtragsflanken zu erläutern,
Figur 4 das Beugungsmuster, das durch Beugung der einfallenden
Laserstrahlung an den Abtragsflanken entsteht,
Figur 5 das Prinzip der Entstehung eines Risses zweiter Art (Abbildungen a, b) und das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, um diese Risse zu vermeiden oder zumindest zu unterdrücken (Abbildungen c, d),
Figur 6 eine simulierte Abtragsvertiefung, die mit einer TopHat-förmigen
Verteilung der Intensität der Laserstrahlung erzeugt wurde,
Figur 7 eine Ansicht entsprechend der Figur 6, jedoch mit einer räumlichen
Verteilung der Intensität der Laserstrahlung, die sich aus einer TopHat- Verteilung und einer Gauß-Verteilung zusammensetzt,
Figur 8 eine Ansicht entsprechend der Figur 6 mit einer schmalen, räumlichen
Gauß-Verteilung der Intensität der Laserstrahlung unter Einsatz einer Laserstrahlung mit einem Strahlradius <4pm,
Figur 9 eine Ansicht entsprechend der Figur 6 mit einer räumlichen TopHat- Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die Abtragsvertiefung,
Figur 10 eine Bildfolge a bis e, um die Entstehung der Risse dritter Art zu
erläutern, und Figur 11 in einer vergrößerten Simulationsdarstellung den Kontrast der räumlichen Verteilung der Intensität in der Abtragsvertiefung entsprechend Bild a der Figur 5.
In der Darstellung der Figur 1 ist schematisch eine V-förmige Abtragsvertiefung 1 dargestellt, die in einem dünnen Glasmaterial 2 mit einer Dicke x gebildet ist. Diese Abtragsvertiefung 1 besitzt Abtragsflanken 3, die von einer Eintrittskante 4 an der Oberfläche 5 des Materials ausgehen.
Für die verschiedenen Begriffe, die hier verwendet werden, sind die folgenden Definitionen anwendbar:
Schwellenwert pat>iation ist der Schwellenwert der Elektronendichte, bei dem eine Ablation/ein Abtrag einsetzt,
Schwellenwert Pdamage ist der Schwellenwert der Elektronendichte, bei dem
Schädigungen/Risse einsetzen,
Pulsparameter ist ein Satz von Parametern, mit denen die räumlichen, zeitlichen und spektralen Eigenschaften der einfallenden Laserstrahlung charakterisiert werden. Der Pulsparameter enthält mindestens die Werte für
- Pulsdauer,
- Maximalwert der Intensität im Puls,
- zeitliche Pulsform; hierbei handelt es sich um die zeitliche Verteilung der Intensität von Laserstrahlung in einem Einzelpuls oder in einer Folge (Mehrfachpuls, Pulsburst) von Pulsen,
- räumliche Verteilung der Intensität und
- spektrale Verteilung der Intensität (Wellenlängenmischung).
Eintrittskante ist ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche des Werkstücks, wo ein unveränderter Teil der Oberfläche des Werkstücks in den Teil der Oberfläche übergeht, in dem der Abtrag von Werkstoff stattgefunden hat und eine
Abtragsvertiefung entstanden ist.
Rand der Abtragsvertiefung ist eine durch den Abtrag von Material erzeugte
Oberfläche. Rückseite oder Unterseite des Werkstücks ist die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks.
Bei den drei vorstehend erläuterten unterschiedlichen Erscheinungsformen von Schädigungen/Rissen handelt es sich bei
Rissen erster Art um Rückseitenschädigungen,
Rissen zweiter Art um Eintrittskantenschädigungen,
Rissen dritter Art um Schädigungen, die von der Oberfläche der Abtragsvertiefung, das bedeutet von den Flanken der Abtragsvertiefung, ausgehen.
Es werden zwei Schwellenwerte Pdamage, Pabiation für die Elektronendichte p im
Werkstoff, die jeweils eine Schädigung Pdamage oder einen Abtrag Pabiation des
Werkstoffs bewirken, definiert. Für jeden Werkstoff können diesen unterschiedlichen
Schwellenwerten Pdamage, Pabiation für die Elektronendichte p, WObei Pdamage < Pabiation ist, zwei Sätze von Werten für die Parameter der Laserstrahlung zugeordnet werden.
Eine das Licht brechende Eigenschaft, zum Beispiel fokussierende Eigenschaft, der Eintrittskante ist für die Erfindung von besonderer Bedeutung. Die Eintrittskante kann nämlich eine geometrische Form und eine Ausdehnung aufweisen, die zwei unerwünschte Effekte bewirken kann, die allerdings durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden oder wesentlich verringert werden können. Zum einen kann durch die geometrische Form eine unerwünschte Fokussierung der einfallenden Laserstrahlung in den Werkstoff auftreten und zum anderen kann, durch die
Ausdehnung, die Leistung der einfallenden Laserstrahlung, die von der Eintrittskante erfasst und dann in den Werkstoff fokussiert wird, in unerwünschter Weise einen Wert annehmen, so dass die Intensität in dem Fokus der Eintrittskante eine
Elektronendichte p erzeugt, die den Schwellenwert Pdamage der Elektronendichte für eine Schädigung des Werkstoffs/Materials überschreitet und nicht den Schwellenwert Pabiation der Elektronendichte für einen Abtrag erreicht.
Bei der Schädigung des Werkstoffs/Materials treten die drei unterschiedlichen Arten von Rissen auf, die bereits vorstehend erläutert wurden.
Risse erster Art sind solche, die schon dann auftreten, wenn von der Vorderseite (wo die Laserstrahlung einfällt) noch keine Schädigung und auch kein Abtrag erfolgt ist. Risse zweiter Art und dritter Art, die anhand der Figuren 1 und 2 verdeutlicht werden.
In den Figuren 1 und 2 sind die Risse zweiter Art mit dem Bezugszeichen 22 und die Risse dritter Art mit dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet.
Erreichen die von der abgetragenen Oberfläche ausgehenden Risse 22 die
Unterseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks, dann können sie oft von den Rissen erster Art, das bedeutet Schädigungen der Unterseite des Werkstücks, ohne dass die Oberseite des Werkstücks bereits abgetragen ist, nicht mehr unterschieden werden. Risse oder Schädigungen der dritten Art beginnen an der rauen Abtragsvertiefung, d.h. an der abgetragenen Oberfläche, und dort, wo die abgetragene Oberfläche eine Abweichung von einer Ebenheit aufweist.
Diese Abweichung der Abtragsvertiefung von der Ebenheit entsteht dadurch, dass die einfallende Laserstrahlung an dem Eintritt der Abtragsvertiefung und in deren Verlauf in die Tiefe des Werkstücks (Abtragsfront, Schnittkante) gebeugt wird und eine Beugungsstruktur aufweist, wie sie in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.
Diese Beugungsstruktur ist eine räumliche Modulation der Intensität und erzeugt die Abweichung von einer ebenen Abtragsfront. Die entstehende Beugungsstruktur für die Intensität der Strahlung in der Abtragsvertiefung führt zu Überhöhungen der Intensität an der Abtragsfront und damit zu einer Abweichung der Abtragfront von einer glatten oder ebenen Abtragsfront.
Erfindungsgemäß wird, um das Auftreten von Rissen zweiter Art in Form einer Schädigung/Rissbildung, die von der Eintrittskante des zu bearbeitenden Werkstoffs ausgeht, zu vermeiden, die Leistung der Laserstrahlung, die von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so eingestellt, dass die Intensität im Material, die durch die Fokussierung der Eintrittskante erreicht wird, einen Schwellenwert Pda- mage für die Schädigung des Materials nicht erreicht.
In Figur 5 ist in einer Bildfolge gezeigt, wobei die Abbildungen a) und b) das Prinzip der Entstehung eines Risses zweiter Art darstellen, während die Bildfolge mit den Abbildungen c) und d) dazu dient, die erfindungsgemäßen Maßnahmen zu verdeutli- chen, um das Entstehen solcher Risse zweiter Art zu vermeiden oder wesentlich zu reduzieren.
In den Abbildungen 5a) und 5b) sind die jeweiligen Eintrittskanten einer Abtragsvertiefung durch einen Bereich 40 angedeutet. Diese Eintrittskante umfasst somit einen räumlich ausgedehnten Bereich 40, in dem die Laserstrahlung fokussiert wird. In den Abbildungen 5c) und 5d) ist der räumlich ausgedehnte Bereich 40 durch seine Lage als ein Übergangsbereich von der nicht abgetragenen Oberfläche in die Flanke der Abtragsvertiefung zugeordnet.
Figur 5c zeigt, dass der Poyntingvektor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der im Bereich der Eintrittskante in die Abtragsvertiefung fällt, senkrecht zum
Normalenvektor nF auf der Flanke der Abtragsvertiefung eingestellt wird und dass der Einfallswinkel WE der Laserstrahlung wE=90 Winkelgrade beträgt.
In dem Material des Werkstücks bildet sich ein Bereich einer Schädigung bzw. der Beginn eines Filaments aus, der mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnet ist.
Mit den Pfeilen 42 sind die Poyntingvektoren P (mit Richtung und Betrag) angegeben, deren zeitgemittelter Betrag auch als Intensität bezeichnet wird.
In den Abbildungen c) und d) der Figur 5 sind neben den Poyntingvektoren P (Bezugszeichen 42) die Normalenvektoren ns auf der nicht abgetragenen Oberfläche und die Normalenvektoren nF auf der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante, Rand der Abtragsvertiefung) dargestellt. Schließlich ist in der Abbildung d) der Figur 5 der Einfallswinkel WE des Poyntingvektors P auf der nicht abgetragenen Oberfläche angegeben. Wie anhand der Figur 5 zu erkennen ist, ist der Einfallswinkel wE definiert als der Winkel zwischen dem Poyntingvektor P der Laserstrahlung und dem Normalenvektor ns der Oberfläche, auf die der Laserstrahl einfällt. Der Laserstrahl fällt entweder auf die Flanke der Abtragsvertiefung mit der Oberflächennormalen nF ein (Figur 5c) oder fällt auf die nicht abgetragene Oberfläche der Oberflächennormalen ns ein (Figur 5d). Der Einfallswinkel wE ist gleich dem Flankenwinkel w, wenn der Poyntingvektor parallel zur Oberflächennormalen ns auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials verläuft (siehe z. B. Figur 5c). Erfindungsgemäß wird nun die Laserstrahlung so eingestellt, um zu vermeiden, dass zwei räumliche Anteile der Strahlung von der Eintrittskante derart in das nicht abgetragene Material gebrochen und fokussiert werden und in dem Material überlagert werden, dass der Schwellenwert Pdamage für die Schädigung überschritten wird und somit der Schwellenwert für den Abtrag Pabiation nicht erreicht wird. Als Folge entsteht kein Riss/Schädigung zweiter Art.
Die Ausdehnung der Umgebung der Eintrittskante ist dadurch definiert, dass die in den fokussierend wirkenden Teil der Eintrittskante einfallende Laserstrahlung ausreichend Leistung enthält, so dass im Fokus dieser Leistung mindestens die Schädigungsschwelle des Materials bzw. Werkstoffs erreicht werden kann. Folglich sind, um Schädigungen im Material, die durch Laserstrahlung entstehen, die an der Eintrittskante zu der Abtragsvertiefung in das Material gebrochen und fokussiert wird, zu vermeiden, zwei Größen zu berücksichtigen und richtig einzustellen, nämlich zum einen die geometrische Form der Eintrittskante und zum anderen die Richtung der einfallenden Laserstrahlung und somit der Winkel w des Poyntingvektors zu dem auf dem nicht abgetragenen Teil der Oberfläche stehenden Normalenvektor ns.
Wie vorstehend erwähnt, führt die geometrische Form der Eintrittskante zu einer Brechung der Laserstrahlung und im ungünstigen Fall zur Fokussierung der einfallenden Laserstrahlung, wie dies in den Abbildungen a) und b) der Figur 5 schematisch dargestellt ist. Die geometrische Form der Eintrittskante weist
idealerweise eine scharfe Kante auf, die keine räumliche Ausdehnung besitzt; folglich ist die geometrische Form der Eintrittskante idealerweise eine solche ohne
Krümmung (sie ist idealerweise eine Kante mit einem Krümmungsradius r, der den Wert r=0 annimmt). Um eine Kante mit dem Krümmungsradius nahe r=0 (mit dem Kriterium aus dem folgenden Absatz) zu erreichen, besteht eine erfindungsgemäße Maßnahme darin, eine Gauß-Rechteck Verteilung der einfallenden Intensität einzustellen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die geometrische Form der Eintrittskante so einzustellen, dass die Leistung der Laserstrahlung, die von der Eintrittskante fokussiert wird bzw. von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante erfasst wird, so klein ist, dass die durch die Fokussierung erreichbare Intensität den Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials des Werkstücks nicht erreicht.
Die zweite Größe, die zu beachten ist, ist die Richtung der einfallenden Laserstrahlung, das bedeutet die Richtung des Poyntingvektors P der Laserstrahlung auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials des Werkstücks. Idealerweise soll die Richtung der einfallenden Laserstrahlung außerhalb der Abtragsvertiefung, d.h. auf dem nicht abgetragenen Teil der Werkstückoberfläche, parallel zum Normalenvektor ns auf der nicht abgetragenen Oberfläche und innerhalb der Abtragsvertiefung senkrecht zum Normalenvektor nF auf dem Rand der Abtragsvertiefung liegen.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die Richtung der einfallenden Laserstrahlung, folglich die Richtung des Poyntingvektors P der Laserstrahlung, auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials des Werkstücks in Richtung auf die Abtragsvertiefung um einen Winkel w zu dem Normalenvektor ns geneigt, das bedeutet, sie bildet einen Einfallswinkel w>=0 auf der nicht abgetragenen Oberfläche zu dem Normalenvektor ns (siehe Abbildung d) der Figur 5) und ist innerhalb der Abtragsvertiefung idealerweise senkrecht zum Normalenvektor nF auf dem Rand der Abtragsvertiefung.
In den Figuren 6 bis 9 sind nun die Ergebnisse verschiedener Maßnahmen
dargestellt, die angewandt werden können, um die geometrische Form der
Eintrittskante zu beeinflussen.
Figur 6 zeigt die simulierte Ausbildung einer Abtragsvertiefung, die mit einer einfallenden Laserstrahlung erzielt wird, die eine TopHat-förmige, räumliche Verteilung (d.h. quer zur Einfallsrichtung) der Intensität der einfallenden Laserstrahlung aufweist. Durch diese Maßnahme ist der Bereich der Eintrittskante stark verkleinert bzw. nicht mehr vorhanden und die noch vorhandenen Schädigungen besitzen eine wesentlich kleinere Eindringtiefe in das Material ausgehend von der Eintrittskante als bei einer Gauß-förmigen räumlichen Verteilung der Laserstrahlung, die üblicherweise eingesetzt wird. Die Figur 7 zeigt nun eine simulierte Darstellung entsprechend der Figur 6, bei der jedoch die Laserstrahlung eine räumliche Verteilung der Intensität der einfallenden Laserstrahlung aufweist, die sich aus einer TopHat-Verteilung für große Abstände von der Laserstrahlachse und einer Gauß-Verteilung nahe der Laserstrahlachse zusammensetzt. Es ist deutlich zu erkennen, dass auch hierbei noch der Anteil der Laserstrahlung aufgrund der TopHat-Verteilung im oberen Bereich der Abtragsvertiefung annähernd parallele Abtragsflanken ergibt, allerdings mit einem runden Abtragsgrund, der eine Folge der Anteile der Laserstrahlung aufgrund der Gauß- Verteilung ist. Das Ergebnis dieser Simulation ist darüber hinaus eine etwas größere Eindringtiefe in das Material als der Fall, bei dem die räumliche Verteilung der Intensität der einfallenden Laserstrahlung nur TopHat-förmig ist.
Bei der Simulation, wie sie in Figur 8 dargestellt ist, wurde Laserstrahlung mit einem schmalen Strahlradius (<4μηι) und einer Gauß-Verteilung eingesetzt. Im Bereich der Eintrittskante ist die rissbildende Wirkung der aus dem Bereich der Eintrittskante fokussierten Laserstrahlung, das sind Risse zweiter Art bzw. Eintrittskantenschädigungen, nicht mehr vorhanden.
Lediglich die Risse dritter Art, d.h. Schädigungen, die von der Oberfläche der Abtragsvertiefung ausgehen, das bedeutet von den Flanken der Abtragsvertiefung ausgehen, treten noch auf. Die Risse dritter Art sind zwar noch vorhanden, aber deutlich kleiner ausgeprägt und Abtrags- bzw. die Bohrgeschwindigkeit nimmt größere Werte an. Das Erreichen kleiner Flanken-Winkel ist experimentell nachgewiesen.
Figur 9 zeigt eine Simulation, bei der die Laserstrahlung gepulst wird und die
Wellenlänge der Laserstrahlung von Puls zu Puls alternierend von 500nm auf 1000nm wechselt. Die geometrische Form der sich vorteilhaft ausbildenden großen Krümmung des Bereichs der Eintrittskante bewirkt eine Verkleinerung der fokussierten Intensität aus dem Bereich der Eintrittskante in das Volumen und damit ein Unterschreiten der Schädigungsschwelle und ein Vermeiden dieser Ursache für die Rissbildung. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Laserstrahlung für den Abtrag eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt. Hierbei werden die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt, dass sich Interferenz-Muster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl im Materialvolumen als auch im Volumen der Abtragsvertiefung im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass ein Kontrast K in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung verkleinert wird, so dass dadurch eine räumlich lokalisierte und damit überhöhte Belastung des Materials vermieden wird. Der Kontrast K ist hierbei nach Michelson definiert als K = (lmax-lmin)/(lmax+lmin), wobei I die Intensität angibt.
Somit wird der Kontrast zwischen Intensitätsmaxima und Intensitätsminima verringert, der ansonsten für die Beugung der Laserstrahlung an der Oberfläche bzw. den Flanken der Abtragsvertiefung und aufgrund der Fähigkeit der Laserstrahlung zur Interferenz ursächlich ist.
Durch die erfindungsgemäße Überlagerung von Laserstrahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen wird zu jeder Wellenlänge ein in der Abtragsvertiefung räumlich verschobenes Beugungsmuster erzeugt. Die mindestens zwei Wellenlängen, auch in Verbindung mit der Einstellung der Leistungen und Fokusradien der entsprechenden Laserstrahlung, können so gewählt werden, dass die Beugungsma- xima der Laserstrahlung mit der ersten Wellenlänge an die Orte fallen, wo die Beu- gungsminima der Laserstrahlung mit der zweiten Wellenlänge liegen. Als Ergebnis dieser Überlagerung wird der Kontrast der überlagerten Beugungsstruktur wesentlich kleiner.
Figur 10 verdeutlicht in der Bildfolge der Bilder a bis e nochmals die Entstehung von Rissen dritter Art, wie sie in dem letzten Bild e der Bildfolge, nach 8 Pulsen einer Laserstrahlung, zu sehen sind.
Bild a zeigt die ursächliche Verteilung der Intensität in der Abtragsvertiefung, Bild b diejenige im sprödharten Material. Bild c stellt die freie Elektronendichte, Bild d die Oberfläche der Abtragsvertiefung und Bild e die resultierende Verteilung von
Modifikationen/Schädigungen/Rissen nach acht Pulsen der Laserstrahlung dar. Anhand der Bilder der Figur 10 ist zu erkennen, dass sich die räumliche Struktur der Intensitätsverteilung in der Abtragsvertiefung (Bild a) in einer unerwünscht stark ausgeprägten räumlichen Struktur der Intensität der Laserstrahlung im sprödharten Material fortsetzt (Bild b). Im Ergebnis sind auch die geometrische Form der
Oberfläche der Abtragsvertiefung (Bild d), die erzeugte Dichte freier Elektronen (Bild c) und die Modifikationen/Schädigungen (Bild e) räumlich strukturiert und es bilden sich unerwünschte Risse der dritten Art aus.
Die räumliche Ausdehnung der Grafen beträgt 40pm in beiden Richtungen, um die Größenverhältnisse zu verdeutlichen.
Als Kontrast, wie er hier verwendet wird, wird die Abweichung der Intensität der Laserstrahlung von einer räumlich schwach veränderlichen Verteilung bezeichnet, wie sie bei einer ungestört propagierenden Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung vorliegen würde (Bild a von Figur 10).
Dieser Kontrast in der räumlichen Verteilung der Intensität in der Abtragsvertiefung, der zu verkleinern ist, ist nochmals in der vergrößerten Figur 11 gezeigt. Dieser Kontrast in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung in der Abtragsvertiefung wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verkleinert, indem Laserstrahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen überlagert wird.
Erfindungsgemäß wird nicht die Leistung der Laserstrahlung verkleinert, um die Schädigung zu vermeiden, sondern die geometrische Form der Eintrittskante wird erfindungsgemäß durch Einstellen der räumlichen Verteilung der Leistung so eingestellt, dass die fokussierende Wirkung der Eintrittskante verkleinert wird. Erfindungsgemäß wird also bei großer Leistung, und als Folge davon bei wünschenswert großer Abtragsrate, der Anteil der Leistung verkleinert, der von der Eintrittskante erfasst wird und fokussiert wird und so zur unerwünschten Schädigung führt.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann mit großer Leistung in einem Schritt geschnitten werden und trotzdem kann eine kleine Ausdehnung der Eintrittskante erzeugt werden. Als Folge der kleinen Ausdehnung der Eintrittskante wird nur ein kleinerer Anteil der Leistung ins Material fokussiert und so eine Schädigung vermieden.

Claims

P a t e n t a n m e l d u n g "Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung" Patentansprüche
Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung, wobei sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung mit einem Flankenwinkel w der Flanken der Abtragsvertiefung in dem Material ausbildet, wobei der Flankenwinkel w als der Winkel zwischen der Oberflächennormalen auf der Flanke der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials definiert ist, und mit einer Eintrittskante, die als ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche des Materials, wo ein unveränderter und damit nicht abgetragener Teil der Oberfläche des Materials in die Abtragsvertiefung übergeht, definiert ist, und an der räumliche Anteile der Leistung der Laserstrahlung in das Volumen des nicht abgetragenen Materials gebrochen und fokussiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Laserstrahlung so eingestellt wird, dass die Eintrittskante eine kleine räumliche Ausdehnung so annimmt, dass der Anteil der Leistung der Laserstrahlung, der von der fokussierenden Wirkung der Eintrittskante er- fasst wird, nicht ausreicht, um im Volumen des Materials einen Schwellenwert Pdamage für die Elektronendichte zu erzeugen und so eine Schädigung des Materials zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Poyntingvek- tor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der auf die nicht abgetragene Oberfläche des Materials im Bereich der Abtragsvertiefung einfällt, in Richtung auf die Eintrittskante geneigt eingestellt wird und dass der Einfallswinkel wE der Laserstrahlung nicht kleiner als Null (WE>=0 Winkelgrade) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Poyntingvektor P von dem Anteil der Laserstrahlung, der im Bereich der Eintrittskante in die Abtragsvertiefung fällt, senkrecht zum Normalenvektor nF auf der Flanke der Abtragsvertiefung eingestellt wird und dass der Einfallswinkel wE der Laserstrahlung WE=90 Winkelgrade ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die
Abtragsvertiefung senkrecht zur Richtung der Laserstrahlachse gesehen rechteckförmig eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Verteilung der Laserstrahlung am Eintritt in die
Abtragsvertiefung gaußförmig eingestellt wird und die gaußförmige Verteilung an einem Abstand von der Strahlachse, wo die Intensität im Material einen Schwellenwert Pdamage für die Schädigung des Materials erreicht,
rechteckförmig abgeschnitten wird, und für größere Abstände von der
Strahlachse die Intensität Null ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Laserstrahlung für den Abtrag eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt wird und die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt werden, dass sich Interferenz-Beugungsmuster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl entlang der Flächen der Abtragsvertiefung als auch im Materialvolumen im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass ein Kontrast K in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung verkleinert wird, wobei der Kontrast K nach Michelson definiert ist als K = (lmax-lmin)/(lmax+lmin), wobei Imax und Imin die maximale und minimale Intensität der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung angibt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenmischung aus den mindestens zwei Wellenlängen so gewählt ist, dass räumliche Positionen von Interferenz-Maxima der einen Wellenlänge(n) in In- terferenz-Minima der anderen Wellenlänge(n) fallen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Wellenlängen zu den mindestens zwei Wellenlängen so gewählt sind, dass sie ganzzahlige Vielfache oder Teiler der mindestens zwei Wellenlängen sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Wellenlänge durch einen gesonderten Laser bereitgestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bereitgestellt werden, deren Wellenlänge zeitlich moduliert wird.
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