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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR INSERTING A SEPARATION LINE INTO A TRANSPARENT, BRITTLE-FRACTURE MATERIAL, AND ELEMENT THAT CAN BE PRODUCED ACCORDING TO THE METHOD AND IS PROVIDED WITH A SEPARATION LINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/158488
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is that of preparing a brittle-fracture, transparent substrate for a separation process and creating a prepared separation line along which the element can be separated without high breaking forces and without the associated risk of conchoidal fractures on the produced edge. To this end, the invention proposes a method for preparing a parting of a workpiece (2), in which - a workpiece (2) is provided that is transparent for the light of a pulsed laser beam (4), wherein - the laser beam (4) is split into at least two partial beams (41, 42) by means of an optical system (6), wherein both partial beams (41, 42) are directed onto the workpiece (2) in such a way that they strike the workpiece (2) at different angles to the normal of the irradiated surface (21) and are superimposed in the interior of the workpiece (2), and the partial beams (41, 42) interfere with each other in such a way that a sequence of intensity maximums (45) lined up one after the other along the overlapping region (43) of the partial beams (41, 42) in the interior of the workpiece is formed, and wherein the intensity in the intensity maximums (45) is so high that the material of the workpiece (2) is modified such that a chain-like periodic arrangement (9) of material modifications (8) is formed, and wherein the workpiece (2) and the partial beams (41, 42) are moved relative to one another such that a plurality of chain-like periodic arrangements (9) of material modifications (8) along a path forming a separation line are produced.

Inventors:
ORTNER, Andreas (Mainzer Str. 6L, Gau-Algesheim, 55435, DE)
KUNISCH, Clemens (An der Kappeslücke 6, Arnsheim, 55288, DE)
LENTES, Frank-Thomas (Goethestrasse 9, Bingen, 55411, DE)
THOMAS, Jens Ulrich (In der Reil 5, Mainz, Mainz, DE)
NATTERMANN, Kurt (Am Sportfeld 12, Ockenheim, 55437, DE)
KLUGE, Michael (Obermühlstrasse 16, Offenbach am Main, 63073, DE)
Application Number:
EP2019/053344
Publication Date:
August 22, 2019
Filing Date:
February 11, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SCHOTT AG (Hattenbergstrasse 10, Mainz, 55122, DE)
International Classes:
B23K26/06; B23K26/0622; B23K26/067; B23K26/073; B23K26/08; B23K26/53; C03B33/02; B23K103/00
Domestic Patent References:
WO2013138802A12013-09-19
WO2012006736A22012-01-19
WO2017009379A12017-01-19
WO2018011618A12018-01-18
Foreign References:
US20150140735A12015-05-21
KR101655428B12016-09-08
US9656349B22017-05-23
JP2011170052A2011-09-01
EP2931467B12017-06-14
DE102015116848A12017-04-06
EP2754524B12015-11-25
DE102013223637A12015-05-21
DE102014116957A12016-05-19
US20180005922A12018-01-04
US8335034B22012-12-18
Other References:
JUOZAS DUDUTIS ET AL.: "Modification of glass using an axicon generated non-symmetrical Bessel-Gaussian beam", PROC. SPIE 10091, LASER APPLICATIONS IN MICROELECTRONIC AND OPTOELECTRONIC MANUFACTURING, 20 February 2017 (2017-02-20)
Attorney, Agent or Firm:
BLUMBACH ZINNGREBE PATENTANWÄLTE PARTG MBB (Alexandrastrasse 5, Wiesbaden, 65187, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Vorbereitung eines Teilens eines Werkstücks (2), bei welchem

- ein Werkstück (2) bereitgestellt wird, welches für das Licht eines gepulsten Laserstrahls (4) transparent ist, wobei

- der Laserstrahl (4) mittels einer Optik (6) in mindestens zwei Teilstrahlen (41, 42) aufgeteilt wird, wobei beide Teilstrahlen (41, 42) auf das Werkstück (2) so gerichtet werden, dass diese unter unterschiedlichen Winkeln zur Normalen der bestrahlten Oberfläche (21) auf das Werkstück (2) treffen und sich im Inneren des Werkstücks (2) überlagern, und die Teilstrahlen (41, 42) miteinander so interferieren, dass sich eine Abfolge von entlang des Überlappungsbereichs (43) der Teilstrahlen (41, 42) hintereinander aufgereihten Intensitätsmaxima (45) im Inneren des Werkstücks (2) bildet, und wobei die Intensität in den

Intensitätsmaxima (45) so hoch ist, dass das Material des Werkstücks (2) modifiziert wird, so dass sich eine kettenförmige periodische Anordnung (9) von Materialmodifikationen (8) ausbildet, und wobei das Werkstück (2) und die Teilstrahlen (41, 42) relativ zueinander bewegt werden, so dass eine Vielzahl von entlang eines eine Trennlinie (11) bildenden Pfades liegende kettenförmige periodische Anordnungen (9) von Materialmodifikationen (8) erzeugt werden.

2. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Teilstrahlen (41) ein mit einem Axikon erzeugter Bessel-Strahl , wobei der zweite Teilstrahl (42) mit dem ersten Teilstrahl im Bereich, in welchem der erste Teilstrahl einen Linienfokus ausbildet, überlagert wird.

3. Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest einen der Schritte:

-der zweite Teilstrahl (42) wird als Gaußstrahl geformt,

- das Laserlicht wird so aufgeteilt, dass sich die Intensitäten der beiden

Teilstrahlen (41, 42), um nicht mehr als einen Faktor 5, vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor 3 unterscheiden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Vorbereitung des Teilens eines Werkstücks (2), umfassend

- einen Laser (3) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls (4), sowie

- eine Optik (6), um den Laserstrahl (4) in mindestens zwei Teilstrahlen aufzuteilen und diese auf ein zu bearbeitendes Werkstück (2) zu richten, eine Positionierungseinrichtung (13), um das Werkstück (2) und Laserstrahl (4) relativ zueinander so zu positionieren und auszurichten, dass beide Teilstrahlen (41, 42) unter unterschiedlichen Winkeln zur Normalen der bestrahlten Oberfläche (21) auf das Werkstück (2) treffen und sich im Inneren des Werkstücks (2) überlagern, und die Teilstrahlen (41, 42) miteinander so interferieren, dass sich eine Abfolge von entlang des Überlappungsbereichs (43) der Teilstrahlen (41, 42)

hintereinander aufgereihten Intensitätsmaxima (45) im Inneren des Werkstücks (2) bildet, wobei

- der Laser (3) zur Erzeugung hinreichend energetischer Pulse ausgebildet ist, so dass die Pulsenergie der Laserpulse ausreicht, um das Material des Werkstücks (2) zu modifizieren, so dass sich eine kettenförmige periodische Anordnung (9) von Materialmodifikationen (8) ausbildet, und wobei

- die Positioniereinrichtung (13) ausgebildet ist, den Laserstrahl (4) mit seinen Teilstrahlen und das Werkstück (2) relativ zueinander zu bewegen, um eine Vielzahl von entlang eines eine Trennlinie (11) bildenden Pfades liegende kettenförmige periodische Anordnungen (9) von Materialmodifikationen (8) erzeugt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit zumindest einem der Merkmale:

- die Optik (6) umfasst ein plan-konvexes Axikon (91), dessen planare Seite (95) zum einfallenden Laserstrahl zeigt und die konvexe Seite (96) die Lorm eines Kegelstumpfs aufweist

- die Optik (6) umfasst ein plan-konvexes Axikon (91) ist, dessen konvexe Seite (96) zum einfallenden Laserstrahl zeigt und die Lorm eines Kegelstumpfs aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) ausgebildet ist, das Laserlicht so aufzuteilen, dass sich die Intensitäten der beiden Teilstrahlen (41, 42) um nicht mehr als einen Faktor 100, vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor 50 unterscheiden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) ein plan-konvexes Axikon (92) ist, auf dessen planarer Seite (100) zentriert ein Glaskegel (98) angeordnet ist und dessen konvexe Seite (99) die Form eines Kegels aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) ein konkav-konvexes Axikon (93) ist, wobei die konvexe Seite (101) die Form eines Kegelstumpfs aufweist und die konkave Seite (102) den Umriss eines Kegelstumpfs aufweist, und wobei eine zentrale Öffnung (103) vorgesehen ist, um das Laserlicht durch das Axikon hindurchzuführen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) ein bi-konvexes Axikon ist, wobei die beiden konvexen Seiten des Axikons die Form von Kegelstümpfen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln der Seitenlinien aufweisen und ein mit Luft gefüllter zentraler Bereich (108) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) mindestens drei plan-konvexe Axikons umfasst, wobei die konvexen Seiten der mindestens drei Axikons die Form von Kegelstümpfen aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) ein konzentrisches Ring-Gitter umfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Optik (6) mindestens drei als

konzentrische Ring-Gitter ausgebildete Axikons umfasst, wobei mindestens zwei der Axikons zentrale planare Bereiche aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 4, mit einer Anordnung (150) zur Erzeugung eines Ringstrahls (170), dessen Strahlprofil auf der Strahlachse eine verschwindende Intensität, auf einem Kreisring um die Strahlachse hingegen ein

Intensitätsmaximum besitzt, sowie ein in Strahlrichtung dieser Anordnung (150) nachgeordnetes kegelstumpfformiges Axikon, welches den Ringstrahl (170) in einen Zentralstrahl (190) und einen Ringstrahl aufspaltet, wobei Leistungsanteile des Zentralstrahls (190) und des Ringstrahls (180) über das Verhältnis der Kegelstumpffläche des Axikons (135) zum Strahldurchmesser des auf das Axikon eintreffenden Ringstrahls (170) einstellbar sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Anordnung (150) zur Erzeugung eines Ringstrahls (170) zwei Spiralphasenplatten (151, 152) oder zwei diffr aktive Axikons umfasst.

15. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (6) ein Axikon-Triplett mit drei hintereinandergeschalteten Axikons (135) umfasst, wobei das in Strahlrichtung erste Axikon (135) einen divergenten Ringstrahl erzeugt, welcher durch das nachfolgende Axikon (141) parallelisiert und vom letzten Axikon (142) des Axikon-Tripletts in einen konvergierenden Ringstrahl gewandelt wird.

16. Glas- oder Glaskeramik- Werkstück (2), insbesondere herstellbar mit einem

Verfahren oder einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit zwei Flächen (22, 24) welches ein im Inneren des Werkstücks (2) liegenden Muster von Materialmodifikationen (17), die jeweils von einer Verdichtungszone (16) umgeben sind, aufweist, wobei die Materialmodifikationen (17) entlang einer Linie (18) in einer regelmäßigen Abfolge angeordnet sind,

17. Glas- oder Glaskeramik- Werkstück (2) nach Anspruch 13, mit zwei Flächen (22, 24) , wobei eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Linien (18) aus regelmäßig hintereinander angeordneten Materialmodifikationen eine im Inneren des

Werkstücks liegende Fläche (19) bilden und die Linien der Materialmodifikationen von einer der beiden Flächen (22, 24) des Glas- oder Glaskeramik- Werkstücks (2) bis zur gegenüberliegenden Seitenfläche reichen.

18. Glas- oder Glaskeramik- Werkstück (2) nach Anspruch 13, wobei das Glas- oder Glaskeramik- Werkstück (2) scheibenförmig ist und die Flächen (22, 24) zwei gegenüberliegende Seitenflächen sind.

19. Glas- oder Glaskeramik- Werkstück (2) nach Anspruch 13, wobei die Flächen konzentrische Mantelflächen und das Glas- oder Glaskeramik-Werkstück (2) rohrförmig ist.

20. Glas- oder Glaskeramik- Werkstück (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei dessen Dicke zwischen 10 pm und 50mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 20 mm liegt.

21. Glas- oder Glaskeramik-Werkstück (2) gemäß einem der vier vorstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Quotienten w aus der

Gesamtlänge der Materialmodifikationen (17) und der Dicke d des Werkstücks (2) gilt:

wobei h die einzelnen Längen der Materialmodifikationen bezeichnen, mit k = 0,5, vorzugsweise k = 0,7, insbesondere k = 0,9, ganz besonders bevorzugt k = 0,95.

22. Glas- oder Glaskeramik- Werkstück, herstellbar mit einem Verfahren oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einer Bruchkante (17), welche nebeneinander liegende Linien aus regelmäßig kettenförmig

hintereinander angeordneten Materialmodifikationen mit einem Mittenabstand entlang der Linien von 1 bis 100 pm und einem Durchmesser von 0,2 pm bis 5 pm aufweist und welche jeweils von einer Verdichtungszone (16) umgeben sind, aufweist.

Description:
i

Verfahren und Vorrichtung zum Einfügen einer Trennlinie in ein transparentes sprödbrüchiges Material, sowie verfahrensgemäß herstellbares, mit einer

Trennlinie versehenes Element

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein die Materialbearbeitung von Werkstücken durch Auftrennen des Werkstücks entlang vorgesehener Linien.

Um Glasscheiben entlang einer vorgesehenen Linie zu trennen, wird vielfach das Verfahren des Ritzbrechens angewandt. Dabei wird das Glas erst entlang einer Linie angeritzt und dann durch Ausüben einer Biegespannung an der Linie gebrochen. Hierbei besteht allerdings das Problem, dass besonders bei dickeren Gläsern bzw. Glasplatten die durch Aufbrechen an der Linie entstehende Kantenfläche nicht mehr entlang dieser verlaufen kann und dann nicht mehr senkrecht auf den Seitenflächen steht.

In der WO 2012/006736 A2 wird ein Verfahren zur Bruchvorbereitung eines Substrates mit einem oder einer Gruppe von ultrakurzen Laserpulsen (Pulslängen kürzer als 100 ps) durch Erzeugen von voneinander beabstandeten Lilamenten unter

Ausnutzung des nichtlinearen Effektes der Selbstfokussierung entlang der

beabsichtigten Trennlinie des Substrates vorgestellt.

Die WO 2017/009379A1 beschreibt eine Erweiterung dieses Verfahrens, wobei schräg zur Oberfläche des Substrates verlaufende Modifikationen erzeugt werden.

Aus der EP 2 931 467 Bl ist es bekannt, als weiteren Prozessparameter die Umgebungsatmosphäre einzubeziehen, um ein vorzeitiges Self-cleaving durch unterkritisches Risswachstum zu verhindern.

Weiterhin beschreibt die DE 10 2015 116 848 Al das Einbringen einer Zone definierter Lestigkeit durch Erzeugen eines Filamentes mittels sphärischer Aberration einer Linse, bei der der Gauß-Strahl des Ultrakurzpuls-Lasers in einen Linienfokus mit ungleichmäßiger Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse umgewandelt wird. Während die in diesen Schriften beschriebenen Verfahren in Dickenrichtung des Materials nicht äquidistante Materialmodifikationen mit geringerer Bruchspannung erzeugen, ist nachteiliger Weise die Länge der Materialmodifikation auf typischerweise nicht mehr als ca. 3 mm begrenzt. Weiterhin nachteilig wirkt sich die ungleichmäßige Intensitätsverteilung auf die geforderte hohe Lagegenauigkeit der Glasplatte relativ zum Linienfokus aus: Auch wenn die Glasplatte wesentlich dünner als die Länge des Linienfokus ist muss sie der Abstand auf ca 50mhi genau zwischen Platte und Optik gehalten werden.

Die EP 2 754 524 Bl und DE 10 2013 223 637 Al beschreiben Verfahren, bei denen das Filament durch Erzeugen eines Bessel-Gauß-Strahls (d.h. eine

Transformation eines Gauß-Strahls zu einem Bessel-Strahl mit gaußförmiger

Einhüllenden) mittels geeigneter Optik (vorzugsweise unter Verwendung mindestens eines Axikons) erzeugt wird. Derart erzeugte Materialmodifikationen sind

näherungsweise längs der optischen Achse homogen verteilt und erfordern daher deutlich höhere Bruchspannungen als bei den oben genannten Verfahren. Diese deutlich höheren Bruchspannungen wirken sich nachteilig aus, da die erzeugten Modifikationen zwar deutlich größere Längen aufweisen (bis 15...20 mm), der nachfolgende

Trennprozess entlang der vorperforierten Linie in der Regel aber nicht gelingt, da unterkritisches Riss Wachstum erfolgt. Die Verwendung von Axikons zur Erzeugung Bessel-artiger ringförmiger Strahlen ist auch aus der WO 2018/011618 Al, der

DE 10 2014 116957 Al, der US 2018/0005922 Al und aus Juozas Dudutis et al, „Modification of glass using an axicon generated non-symmetrical Bessel-Gaussian beam“, Proc. SPIE 10091, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing, 20 February 2017 bekannt.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind des weiteren Optiken zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Foki bekannt, die aus der Kombination einer Linse mit einem diffraktivem optischen Element (DOE) bestehen. Nachteil dieser Aufbauten ist, dass die Anzahl der Foki auf wenige Ordnungen beschränkt ist, ihr Abstand untereinander nicht konstant und für die hier verfolgten Zwecke auch deutlich zu groß (typ. >100 mhi) ist.

Der Erfindung liegt im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen

Trennverfahren die Aufgabe zu Grunde, ein sprödbrechendes, transparentes Substrat mit einer großen Dicke für einen Trennprozess vorzubereiten und eine vorbereitete

Trennlinie zu schaffen, entlang der das Element ohne hohe Bruchkräfte und der damit verbundenen Gefahr von Ausmuschelungen an der hergestellten Kante trennbar ist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine grundlegende Idee der Erfindung liegt darin, durch optische, mit einem Ultrakurzpulslaser eingebrachte Materialmodifikationen für einen nachfolgenden Trennprozess vorzubereiten, wobei durch geeignete Strahlformung die erzeugten Materialmodifikationen einen kontrollierten Brechprozess mit niedriger Bruchspannung B ermöglichen. Der Trennprozess kann dabei auch wesentlich später erfolgen, als die erfindungsgemäße Materialmodifikation.

Mit der Erfindung können auch dicke Glas- oder Glaskeramik-Elemente nach Einbringen der Materialmodifikationen in einem besonderen Muster leicht gespalten werden. Ein solches Muster kann erreicht werden, indem der Laserstrahl eines

Ultrakurzpulslasers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, welche in einer

Wechselwirkungszone im zu bearbeitenden Element miteinander interferieren, so dass sich regelmäßig in Einstrahlrichtung, also von der Trennlinie an der Oberfläche des Elements weg in dessen Inneres hinein beabstandete Intensitätsmaxima ausbilden. Die Intensität des Lasers ist so bemessen, dass in den Intensitätsmaxima eine

Materialmodifikation entsteht, in den Minima zwischen den Maxima vorzugsweise jedoch nicht oder schwächer.

Der Abstand zwischen den Maxima wird durch die Wellenlänge des Laserlichts bestimmt und ist dementsprechend regelmäßig.

Demgemäß sieht die Erfindung also ein Verfahren zur Vorbereitung eines Auftrennens, beziehungsweise Teilens eines Werkstücks vor, bei welchem ein

Werkstück vorzugsweise aus sprödhartem Material bereitgestellt wird, welches für das Licht eines gepulsten Laserstrahls transparent ist, wobei der Laserstrahl mittels einer Optik in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei beide Teilstrahlen auf das Werkstück so gerichtet werden, dass diese unter unterschiedlichen Winkeln zur Normalen der bestrahlten Oberfläche auf das Werkstück treffen und sich im Inneren des Werkstücks überlagern, so dass die Teilstrahlen miteinander so interferieren, dass sich eine Abfolge von entlang des Überlappungsbereichs der Teilstrahlen hintereinander aufgereihten Intensitätsmaxima im Inneren des Werkstücks bildet, und wobei die Intensität in den Intensitätsmaxima so hoch ist, dass das Material des Werkstücks modifiziert wird, so dass sich eine kettenförmige periodische Anordnung von

Materialmodifikationen ausbildet, und wobei das Werkstück und die Teilstrahlen relativ zueinander bewegt werden, so dass eine Vielzahl von entlang eines eine Trennlinie bildenden Pfades liegende kettenförmige periodische Anordnungen erzeugt werden.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur

Vorbereitung eines Teilens eines Werkstücks umfasst dementsprechend

- einen Laser zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, sowie

- eine Optik, um den Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen aufzuteilen und diese auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu richten,

- eine Positionierungseinrichtung, um Werkstück und Laserstrahl relativ zueinander so zu positionieren und auszurichten, dass beide Teilstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln zur Normalen der bestrahlten Oberfläche auf das Werkstück treffen und sich im Inneren des Werkstücks überlagern, und die Teilstrahlen miteinander so

interferieren, dass sich eine Abfolge von entlang des Überlappungsbereichs der Teilstrahlen hintereinander aufgereihten Intensitätsmaxima im Inneren des Werkstücks bildet, wobei der Laser zur Erzeugung hinreichend energetischer Pulse ausgebildet ist, so dass die Pulsenergie der Laserpulse ausreicht, um das Material des Werkstücks zu modifizieren, so dass sich eine kettenförmige periodische Anordnung von

Materialmodifikationen ausbildet, und wobei

- die Positioniereinrichtung ausgebildet ist, den Laserstrahl mit seinen beiden

Teilstrahlen und das Werkstück relativ zueinander zu bewegen, um eine Vielzahl von entlang eines eine Trennlinie bildenden Pfades liegende kettenförmige periodische Anordnungen von Materialmodifikationen erzeugt werden.

Zentrales Element der Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Optik zur Aufteilung des einfallenden Laserstrahls in zwei

Teilstrahlen. Als Optik werden vorzugsweise sogenannte Axikons verwendet.

Axikons sind konische Linsen, die einen einfallenden„parallelen“ Strahl in einen ringförmigen Strahl transformieren (eine ebene Welle in eine ringförmig um die optische Achse konzentrisch angeordnete ringförmige Intensitätsverteilung

transformieren). Statt eines Lokuspunktes erhält man eine linienförmige

Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse. Das von einem Axikon erzeugt Strahlprofil ist ein lokal begrenzter Bessel-ähnlicher Strahl, der als Lolge der Interferenz entlang der optischen Achse entsteht. Mit der vorliegenden Erfindung wird der lokal begrenzte Bessel-ähnliche Strahl mit einem weiteren Teilstrahl zur Interferenz gebracht. In den Ausführungsbeispielen ist dies üblicherweise ein entlang der optischen Achse verlaufender Zentralstrahl. In der einfachsten Ausführungsform wird ein Axikonstumpf verwendet, d.h. statt der Kegelspitze gibt es eine zentrale Fläche. Dies führt dazu, dass der einfallende Laserstrahl in einen ersten Teilstrahl von Ringform und einen zentral entlang der optischen Achse verlaufenden Zentralstrahl, der vorliegend auch als zweiter Teilstrahl bezeichnet wird, aufgeteilt wird. Diese beiden Teilstrahlen interferieren in länglichen Zonen entlang der optischen Achse. Die gewünschten Modifikationen im zu bearbeitenden Material entstehen in den Intensitätsmaxima dieser länglich ausgebildeten Interferenzzonen.

Durch die Wahl der konkreten Form des oder der eingesetzten Axikons können insbesondere die Lage und der Abstand der Interferenzzonen variiert werden. Die verschiedenen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß vorliegenden Erfindung unterscheiden sich daher in der konkreten Ausgestaltung des als Optik verwendeten Axikons.

In einer ersten Ausführungsform ist die Optik ein plan-konvexes Axikon, dessen planare Seite zum einfallenden Laserstrahl zeigt und die konvexe Seite die Form eines Kegelstumpfs aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Optik ein plan-konvexes Axikon, dessen konvexe Seite zum einfallenden Laserstrahl zeigt und die konvexe Seite die Form eines Kegelstumpfs aufweist.

In einer noch weiteren Ausführungsform ist die Optik ein plan-konvexes Axikon, auf dessen planarer Seite zentriert ein Glaskegel angeordnet ist.

In einer noch weiteren Ausführungsform ist die Optik ein konkav-konvexes Axikon, wobei die konvexe Seite die Form eines Kegelstumpfs aufweist und die konkave Seite den Umriss eines Kegelstumpfs aufweist.

In einer noch weiteren Ausführungsform ist die Optik ein bi-konvexes Axikon, wobei die beiden konvexen Seiten des Axikons die Form von Kegelstümpfen unterschiedlicher Höhen aufweisen. In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Optik mindestens drei plan konvexe Axikons, wobei die konvexen Seiten der mindestens drei Axikons die Form von Kegelstümpfen aufweisen.

In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Optik mindestens ein Axikon, das als konzentrisches Ring-Gitter ausgebildet ist.

In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst die Optik mindestens drei als konzentrische Ring-Gitter ausgebildete Axikons.

Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung der Optik ist es besonders bevorzugt, wenn das Laserlicht mittels der entsprechend ausgebildeten Optik so aufgeteilt wird, dass die beiden Teilstrahlen, also insbesondere der Ringstrahl und der Zentralstrahl vergleichbare Intensität haben. Als vergleichbare Intensität wird dabei verstanden, dass sich die Intensitäten um nicht mehr als einen Faktor 100, vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor 50, mehr bevorzugt um nicht mehr als einen Faktor 10, weiter bevorzugt um nicht mehr als einen Faktor 3, insbesondere bevorzugt um nicht mehr als einen Faktor 1,5 unterscheiden. Damit wird erreicht, dass eine starke

Intensitätsvariation im Interferenzmuster der sich im Werkstücke überlagernden Teilstrahlen erfolgt.

Die Laser-Leistung wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Strahlformungselementes in ein transparentes Element oder Werkstück, insbesondere aus Glas- oder Glaskeramik eingestrahlt, welches als Folge der Wechselwirkung mit dieser Strahlungsverteilung mit einem regelmäßigen, flächigen Muster von Materialverdichtungen- und Verdünnungen in einer sich von einer Trennlinie ausgehenden, durch das Element hindurchgehenden Fläche versehen ist. Deren Zugdehnungszonen können so überlappen und so stark sein, dass sich Risse entlang der Fläche ausbreiten und ein späteres Brechen entlang der Fläche ermöglichen.

Im Speziellen ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Glas- oder

Glaskeramik- Werkstück herstellbar, welches zwei Flächen und ein in einer Fläche liegenden Muster von Materialmodifikationen, die jeweils von einer Verdichtungszone umgeben sind, aufweist. Dabei sind die Materialmodifikationen in Finien hintereinander aufgereiht. Entlang einer Finie sind die Materialmodifikationen jeweils in einer regelmäßigen Abfolge angeordnet, nämlich die Abfolge entsprechend der Periodizität der Maxima des Interferenzmusters. Die im Inneren des Werkstücks liegende Fläche wird nun durch eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Linien gebildet wird, wobei die Linien der Materialmodifikationen von einer der beiden Flächen des Glas- oder Glaskeramik- Werkstücks bis zur gegenüberliegenden Seitenfläche reichen.

Zum einen kann das Glas- oder Glaskeramik- Werkstück scheibenförmig sein, so dass die Flächen zwei gegenüberliegende Seitenflächen sind. Zum anderen kann das Glas- oder Glaskeramik- Werkstück rohrförmig sein, so dass die zwei Flächen konzentrische Mantelflächen sind. Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung auch besonders für das Auftrennen dicker Glas- oder Glaskeramik- Werkstücke geeignet. Die Erfindung eignet sich für einen weiten Bereich von Substratdicken von 10 gm bis 50 mm. So ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Dicke des Werkstücks oder Substrats im Bereich von 1 mm bis 25 mm liegt. Besonders auch bei großen Dicken von 10 mm, insbesondere 20 mm und mehr zeigen sich die Vorteile der Erfindung, da das kontrollierte Auftrennen solch dicker Werkstücke sonst sehr schwierig ist.

Bevorzugt weist das Glas- oder Glaskeramikwerkstück eine Bruchfläche oder - kante auf, welche nebeneinander liegende Linien aus regelmäßig kettenförmig hintereinander angeordneten Materialmodifikationen mit einem Mittenabstand entlang der Linien von 1 bis 100 gm und einem Durchmesser von 0,2 gm bis 5 gm aufweist und welche jeweils von einer Verdichtungszone umgeben sind, aufweist.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

In den Figuren sind

Fig. 1 eine schematische Darstellung der in einem Werkstück mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgerufenen Modifikationen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der in einem Werkstück mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mögliche Anordnung der hervorgerufenen Modifikationen,

Fig. 3 eine mikroskopische Aufnahme der im Material des Werkstücks erzeugten Bruchkante entlang der Modifikation bei Einfachpuls-Bestrahlung, Fig. 4 schematische Darstellungen einer Modifikation, mit Teilbild (a) eine schematische Darstellung der Modifikation in Draufsicht und Teilbild (b) eine schematische Darstellung der Modifikation in seitlicher Ansicht,

Fig. 5 Strahl Verläufe, wobei Teilbild (a) eine schematische Darstellung des Verlaufs von Bessel-Gauß-Strahl und Zentralstrahl in Richtung des Strahlverlaufs und Teilbild (b) eine schematische Darstellung der Interferenz von Bessel-Gauß-Strahl und Zentralstrahl zeigen,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Interferenz von Bessel-Gauß-Strahl und Zentralstrahl im Material des Werkstücks,

Fig. 7 eine berechnete Intensitätsverteilung der Interferenz von Bessel-Gauß- Strahl und Zentralstrahl,

Fig. 8 den Verlauf des Strahlengangs bei Verwendung eines plan-konvexen Axikons, wobei die planare Seite des Axikons zum eingehenden Laserstrahl zeigt,

Fig. 9 den Verlauf des Strahlengangs bei Verwendung eines plan-konvexen Axikons, wobei die konvexe Seite des Axikons zum eingehenden Laserstrahl zeigt,

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform des Axikons,

Fig. 11 den Verlauf des Strahlengangs bei Verlauf eines Konvex-konkaven Axikons,

Fig. 12 den Verlauf des Strahlengangs bei Verwendung eines bikonvexen Axikons,

Fig. 13 den Verlauf des Strahlengangs bei Verwendung dreier plan-konvexer Axikons,

Fig. 14 ein als konzentrisches Ring-Gitter ausgebildetes Axikon in frontaler Draufsicht,

Fig. 15 den Verlauf des Strahlengangs bei Verwendung eines Axikons, das als konzentrisches Ring-Gitter ausgebildet ist,

Fig. 16 eine Schnittansicht des Ring-Gitters,

Fig. 17 den Verlauf des Strahlengangs bei Verwendung eines negativen Axikon und zweier positiver Axikons, die als konzentrische Ring-Gitter ausgebildet sind,

Fig. 18 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Phasenmaske mit dahinter angeordnetem Linsensystem, Fig. 19 ein Ausführungsbeispiel mit Erzeugung eines Ringstrahls, der anschließend zur Ausbildung des Strichelfokusses verwendet wird,

Fig, 20: eine Projektion eines Strahlringes auf den Übergangsbereich zwischen einer schrägen Keilfläche und einem stumpfen Dach eines Axikons,

Fig. 21 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Ringstrahls, der anschließend zur Ausbildung eines Strichelfokusses verwendet wird,

Fig. 22 die Intensitätsverteilung im Arbeitsvolumen entlang der optischen Achse für drei verschiedene Strahlformungs-Anordnungen, nämlich in einer ersten Variante mit einem Axicon, in einer zweiten Variante mit Phasenplatten und einem Axikon und in einer dritten Variante mit Phasenplatten und einem Axikontriplett und

Fig. 23: Weibull- Verteilungen der Bruchspannungen von Borosilikatglas, bearbeitet mit Besselstrahl, bzw. mit ringstrahlbasiertem Strichelfokus.

Skizzenhaft zeigen Fig. 1 und Fig. 2 eine Querschnittsfläche eines

erfindungsgemäß behandeltes Werkstück 2 mit einer Oberfläche 21, die einer

Substratoberfläche 23 entspricht. Als Strahlungsquelle zur Behandlung des Werkstücks 2 wird ein hier nicht gezeigter Faser, vorzugsweise ein Pulslaser verwendet. Die hier nicht dargestellten Teilstrahlen 41, 42 fallen von oben ein und erzeugen in ihren Interferenz- oder Verdichtungszonen Modifikationen 8, die periodisch in Finien 18 angeordnet sind, die einem gestrichelten Fokus entsprechen. Zu einem späteren

Zeitpunkt kann das Werkstück 2 durch mechanisches Brechen entlang der Finien 18 in einzelne Teilstücke aufgeteilt werden. Die Bereiche der Materialmodifikationen 8 werden in Fig. 1 allgemein durch senkrecht verlaufende Finien dargestellt. Bei dem Werkstück 2 handelt es sich bevorzugt um ein Glas- oder Glaskeramiksubstrat. Auch Silizium, Kunststoffe Faminate und Rohre können erfindungsgemäß behandelt werden.

Die Vielzahl der parallel nebeneinander verlaufenden Finien 18 entsteht durch Bewegen des Werkstücks 2 mittels einer Positioniereinrichtung senkrecht zur

Einfallsrichtung der Teilstrahlen. Eine Abstimmung zwischen den Pausen zwischen den Pulsen oder Bursts des als Strahlungsquelle verwendeten Fasers und der

Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht die Festlegung des horizontalen Abstands der Finien 9 von Modifikationen 8. io

In einer alternativen Ausführungsform wird das Werkstück während der Modifikation durch den Laser in Richtung der optischen Achse bewegt, was eine durchgehende Materialmodifikation verursacht. Diese Modifikation kann anschließend durch Ätzen geöffnet werden. Hierdurch entsteht ein filamentartiger Kanal mit einem Durchmesser kleiner 200 mm, bevorzugt kleiner 100 pm, besonders bevorzugt kleiner 50 pm und ganz besonders bevorzugt kleiner 20 pm in dicken Gläsern.

Die Modifikationen 8 sind horizontal in einem Abstand 31 und vertikal in einem Abstand 32 angeordnet. Der vertikale Abstand 32 der Modifikationen 8 entlang einer Linie 9 liegt im Bereich 1 pm bis 100 pm. Da es sich bei den Modifikationen um die Folgen einer Interferenz der beiden Teilstrahlen 41 und 42 handelt, kann der vertikale Abstand 32 der Modifikationen 8, d.h. die Dichte der Modifikationen 8 entlang der Linie 9 durch Einstellen der Energieverhältnisse zwischen den Interferenzbereichen nullter und erster Ordnung definiert werden. Wird die Intensität in erster Ordnung gegenüber der nullten Ordnung erhöht, so nimmt der vertikale Abstand 32 ab.

Hierdurch ergibt sich ein filamentartiger Modifikationskanal, der durch Ätzen des Materials geöffnet werden kann. Die Mitten der Modifikationen 8 haben einen vertikalen Mittenabstand 33. Der Durchmesser der Modifikationen liegt im Bereich von 0,2 pm bis 5 pm. Der Durchmesser bezieht sich auf die Kanäle selbst. Die

Spannungszonen um die Kanäle können weiter in das Material hineinreichen.

Insgesamt entsteht im Material des Werkstücks ein regelmäßiges Muster von Materialverdichtungen und - Verdünnungen, deren Zugspannungszonen so überlappen und derart stark sind, dass sich Risse entlang der Fläche des Werkstücks ausbreiten und ein späteres Brechen entlang der Fläche ermöglichen.

Statt zur Erzeugung von linienartigen, parallel verlaufenden Modifikationen kann das erfindungsgemäße Verfahren auch genutzt werden, um in flächigen Substraten Innen- Außenausschnitte mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Kontur zu erzeugen. Dies kann sowohl mit als auch ohne Erzeugung von Hilfsschnitten erfolgen.

Ferner können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Borten von Floatglas, Downdraw-Glas und Overflow-Fusion-Glas inline im Kalt- und Heissbereich

(Glastemperatur T < Oberer Kühlpunkt ) abgetrennt werden. Im Falle von Downdraw- und Floatglas können Gläser mit größerer Dicke behandelt werden. Breitenänderungen des Glasbandes werden dadurch abgefangen, dass die den Faserstrahl modifizierende Optik als Einheit an einer mobilen Brücke montiert wird. Dies ist darin begründet, dass ein beliebig langer gestrichelter Fokus erzeugt werden kann. Eine Dickenänderung kann daher ohne Nachführung oder Nachregelung einzig durch die Länge des Fokus kompensiert werden, sofern der Fokus länger als die Dicke des Downdraw-, Overflow- Fusion- oder Float- Glases ist.

Das Abtrennen der Borte bzw. das Konfektionieren des Bandes im Längsschnitt kann auch innerhalb eines Rolle auf Rolle-Prozesses durchgeführt werden. Dabei kann das Glasband auch Beschichtungen, wie zum Beispiel Schutzbeschichtungen, aufweisen.

Die Modifikationen 8 werden in Fig. 3 in einer mikroskopischen Aufnahme des Werkstücks 2 gezeigt, wobei die Teilstrahlen hier von oben, in Einstrahlrichtung 51 des gestrichelten Fokus eingestrahlt wurden. Die im Material des Werkstücks 2 erzeugten Modifikationen weisen wiederum einen vertikalen Mittenabstand 33 auf. Dieser beträgt bei dem dargestellten Beispiel 160 pm.

In den im Folgenden beschriebenen Figuren wird die Einfallsrichtung der Teilstrahlen 41, 42 immer mit z bezeichnet, was der Einfallsrichtung 51 des

gestrichelten Fokus in Fig. 3 entspricht.

Fig. 3 zeigt eine Bruchfläche oder -kante 17, welche nebeneinander liegende Linien aus regelmäßig kettenförmig hintereinander angeordneten

Materialmodifikationen mit einem Mittenabstand entlang der Linien von 1 bis 100 pm und einem Durchmesser von 0,2 pm bis 5 pm aufweist und welche jeweils von einer Verdichtungszone 16 umgeben sind, aufweist.

Fig. 4, Teilbild (a) zeigt skizzenhaft den Verlauf der Modifikationen 8 in Strahlrichtung z. Gezeigt werden mehrere Verdi chtungs- oder Interferenzzonen 16 mit Modifikationen 8. Diese sind in einem vertikalen Abstand 32 bzw. einem vertikalen Mittenabstand 33 angeordnet. Die Modifikationen 8 bilden eine Linie 18, entlang der das Werkstück 2 durch mechanisches Brechen aufgeteilt werden kann.

Die gleiche Anordnung wird in Fig. 4, Teilbild (b) in Draufsicht entlang der z- Achse, also entlang der Einfallsrichtung der Teilstrahlen gezeigt. Abgebildet sind drei Verdichtungszonen 16 mit Materialmodifikationen 17, die in einem horizontalen Abstand 31 angeordnet sind. Fig. 5, Teilbild (a) zeigt in Strahlrichtung z die Lage der beiden von der hier nicht gezeigten Optik erzeugten Teilstrahlen 41 und 42. Der Teilstrahl 42 ist ein Zentralstrahl mit Durchmesser 48. Teilstrahl 42 ist ein Ringstrahl mit Durchmesser 63.

Wie in Fig. 5, Teilbild (b) in seitlicher Draufsicht gezeigt, interferieren die Teilstrahlen 41 und 42 in einem Interferenzbereich 43 mit Länge 66. Der ringförmige Teilstrahl 41 weist einen Öffnungswinkel 64 auf, der von der Geometrie der hier nicht gezeigten Optik abhängt. Der ringförmige Teilstrahl 41 ist ein Besselstrahl oder Bessel- Gauß-Strahl.

Der in Fig. 5, Teilbild (b) gezeigt Strahlverlauf wird in Fig. 6 im Inneren des Materials eines Werkstücks 2 gezeigt. Mittig durch das Material verläuft als

Zentralstrahl der Teilstrahl 42 mit Durchmesser 65. In einem Interferenzbereich 45 interferiert der Teilstrahl 42 mit dem ringförmigen Teilstrahl 41 mit Durchmesser 63. Innerhalb des Interferenzbereichs 43 entstehen die gewünschten Modifikationen im Material des Werkstücks 2.

Ohne Beschränkung auf eine spezielle Ausgestaltung der Optik ist es besonders bevorzugt, wenn das Laserlicht so aufgeteilt wird, dass die beiden Teilstrahlen, also insbesondere der Ringstrahl und der Zentralstrahl vergleichbare Intensität haben. Als vergleichbare Intensität wird dabei verstanden, dass sich die Intensitäten um nicht mehr als einen Faktor 5, vorzugsweise um nicht mehr als einen Faktor 3, insbesondere bevorzugt um nicht mehr als einen Faktor 1,5 unterscheiden. Damit wird erreicht, dass eine starke Intensitätsvariation im Interferenzmuster der sich im Werkstücke überlagernden Teilstrahlen erfolgt.

Zur Herstellung des Besselstrahls wird ein Ringstrahl zum Beispiel mit einem Axikon zum Teilstrahl 41 geformt, der dann einen linienförmigen Besselfokus ausbildet, der wiederum mit einem Zentralstrahl als zweitem Teilstrahl 42 im länglichen Interferenzbereich 43 zur Interferenz gebracht wird. Die Länge L (66) des

Interferenzbereiches 43 wird durch den Durchmesser D r des Ringstrahles und dessen Öffnungswinkel 2a (Bezugszeichen 64) zu L = D r / tan a festgelegt.

Fig. 6 zeigt, wie sich die Strahleigenschaften beim Fokussieren in das zu strukturierende Material des Substrats 1 mit der Brechzahl n verändern. Im

Wesentlichen ist der Öffnungswinkel a‘ im Material (Bezugszeichen 71) kleiner als der Öffnungswinkel a in Luft gemäß dem Brechungsgesetz mit sin a = n sin a‘.

Der Sachverhalt aus Fig. 6 wird in Fig. 7 als Intensitätsverteilung in einem Längsschnitt durch den Laserstrahl gezeigt. In Strahlrichtung z verlaufen hintereinander angeordnete Intensitätsmaxima 45, die durch die Interferenz des Bessel-Gauß-Strahls 41 und des Zentralstrahls 42 hervorgerufen werden. Die Intensitätsmaxima 45 der

Interferenzbereiche 43 befinden jeweils sich in einem Abstand 33.

Die Periodizität mit dem Abstand 33 der Intensitätsmaxima, die durch die Interferenz erzeugt wird, ist durch die Zentral-Wellenlänge l der Strahlquelle und des Öffnungswinkels des Ringstrahles 2a festgelegt zu:

P = 2Z/sin 2 a.

Die Interferenzzone wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so durch geeignete Wahl der Laserwellenlänge und der Strahlparameter der Teilstrahlen 41, 42 (insbesondere des Öffnungswinkels) ausgebildet, dass der Quotient w aus der Summe der Einzellängen h aller Modifikationen i - gemessen in

Strahlrichtung - und der Dicke d des Substrats ist gemäß einer bevorzugten

Ausführungsform größer als 0.5, bevorzugt 0.7, besonders bevorzugt > 0.9.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Werkstück 2 mithin Materialmodifikationen 17 entlang einer Linie 18 auf, für die gilt:

mit k = 0,5, vorzugsweise k = 0,7, besonders vorzugsweise k = 0,9, ganz besonders bevorzugt k = 0,95.

Fig. 8 zeigt eine erste Ausführungsform der Optik 6, die ein plan-konvexen Axikon 91 umfasst. Ein Laserstrahl mit Durchmesser 48 fällt auf der planaren Seite 95 des Axikons 91 ein und wird von diesem in einen ringförmigen Teilstrahl 41 mit Durchmesser 63 und einen zentral verlaufenden Teilstrahl 42 mit Durchmesser 65 aufgeteilt. Die konvexe Seite 96 des Axikons hat die Form eines Kegelstumpfs. Die beiden Teilstrahlen 41 und 42 interferieren in einem Interferenzbereich 43. Wie in 7 dargestellt, wiederholt sich der Interferenzbereich 43 entlang der optischen Achse des Axikons 91 in periodischen Abständen. Lage und Ausdehnung dieser.

Interferenzbereiche 43 können mittels Änderung der geometrischen Parameter des Axikons beeinflusst werden. Zu diesen geometrischen Parametern gehören die Neigung der Seitenlinien und die Höhe des die konvexe Seite 96 bildenden Kegelstumpfs des Axikons 91.

Das Verhältnis der Strahlbreite 48 zur Breite der Stumpffläche bestimmt das Leistungsverhältnis der beiden Teilstrahlen 41 und 42. Vorzugsweise kann das

Verhältnis so gewählt werden, dass die Teilstrahlen eine möglichst gleiche Leistung haben. So kann das Verhältnis der Strahlbreite 48 zur Stumpffläche in Weiterbildung der Erfindung so gewählt sein, dass das Leistungsverhältnis der Teilstrahlen 41, 42 im Bereich von 0,75 bis 1,25 liegt. Das Verhältnis kann dabei durch die Ausbildung und Anordnung der beteiligten optischen Komponenten, insbesondere der Form des Axikonstumpfs, eingestellt werden.

In der Ausführungsform der Optik 6 gemäß Fig. 9 wird das plan-konvexe Axikon 91 derart im Strahlengang angeordnet, dass die konvexe Seite 95 zum einfallenden Strahl zeigt und die planare Seite 96 in die dem einfallenden Faserstrahl abgewendeten Richtung zeigt. Auch bei dieser Anordnung des Axikons 91 wird der einfallende Faserstrahl in zwei Teilstrahlen 41 und 42 aufgeteilt, die in einem

Interferenzbereich 43 interferieren. Fetzterer liegt bei der Anordnung gemäß Fig. 9 näher am Axikon 91, als im Falle der Anordnung gemäß Fig. 8.

In der Ausführungsform der Optik 6 gemäß Fig. 10 wird ein plankonvexes Axikon 92 verwendet, dessen konvexe Seite 99 die Form eines Kegels aufweist. Ein Glaskegel 98 ist zentriert auf der planaren Seite 100 des Axikons 92 angeordnet. Die konvexe Seite 99 erzeugt wiederum einen ringförmigen Teilstrahl 4L Die kegelförmige Struktur 98 auf der planaren Seite 100 verursacht die Erzeugung von zwei

Zentralstahlen l04a und 104 b die parallel zueinander und parallel zur optischen Achse verlaufen. Die beiden Zentralstrahlen l04a und l04b interferieren mit dem Teilstrahl 41 in zwei Interferenzbereichen l05a und l05b, die ebenfalls parallel zur optischen Achse verlaufen. Die Interferenzbereiche l05a und l05b wiederholen sich periodisch über den weiteren Strahlverlauf

In der Ausführungsform der Optik 6 gemäß Fig. 11 wird ein konvex -konkaves Axikon 93 eingesetzt. Wiederum hat die konvexe Seite 101 die Gestalt eines

Kegelstumpfs. Der Umriss der konkaven Seite 102 hat die Form eines Kegelstumpfs. Das Axikon 93 weist zentriert einen mit Luft gefüllten Zentralbereich 103 auf, durch den der einfallende Laserstrahl unbeeinflusst hindurchgeht und den zentral verlaufenden Teilstrahl 42 bildet. Auch in dieser Ausführungsform erzeugt das Axikon 93 einen ringförmigen Teilstrahl 41, der mit dem Zentralstrahl 42 in einem Interferenzbereich 43 interferiert. Der Interferenzbereich 43 wiederholt sich periodisch über den weiteren Strahlverlauf.

In der Ausführungsform der Optik 6 gemäß Fig. 12 wird ein bikonvexes Axikon 94 eingesetzt, das eine erste konvexe Seite 106 und eine zweite konvexe Seite 107 aufweist. Die beiden konvexen Seiten 106 und 107 zeigen jeweils die Form von Kegelstümpfen, die aber unterschiedliche Neigungswinkel der Seitenflächen aufweisen. Ferner ist eine zentrale Öffnung 103 vorgesehen, die den einfallenden Laserstrahl unbeeinflusst durchlässt und so den zentral verlaufenden Teilstrahl 42 erzeugt. Der Teilstrahl 42 interferiert mit dem ringförmigen Teilstrahl 41 in einem Interferenzbereich 43. Der Interferenzbereich 43 wiederholt sich periodisch über den weiteren

Strahlverlauf.

In der Ausführungsform der Optik 6 gemäß Fig. 13 werden ein erstes Axikon 9la, ein zweites Axikon 9 lb und ein drittes Axikon 9lc verwendet. Das erste Axikon 9la weist mit seiner planaren Seite zum einfallenden Strahl hin und erzeugt, analog der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform, einen ringförmigen Teilstrahl 4la sowie einen Zentralstrahl 42a, die in einem Interferenzbereich 43a überlappen. Das zweite Axikon 9 lb zeigt mit seiner konvexen Seite zum einfallenden Strahl hin und wandelt die beiden Teilstrahlen 4la und 42a in parallel verlaufende Strahlen um, die auf der planaren Seite des zweiten Axikons 9 lb austreten und anschließend auf die planare Seite des dritten Axikons 9lc treffen, vom dem sie in einen Teilstrahl 4lb und einen zentral

verlaufenden Teilstrahl 42b zerlegt werden. Die Teilstrahlen 4lba und 4lb interferieren in einem Interferenzbereich 43b, der im Inneren des zu bearbeitenden Werkstücks liegt. Der Interferenzbereich 43b wiederholt sich periodisch über den weiteren Strahlverlauf

In der Ausführungsform der Optik 6 gemäß Fig. 14 ist das Axikon als konzentrisches Ringgitter ausgebildet. Dies bedeutet, dass das Axikon aus einem eine Phasenmaske darstellenden Glaskörper 81 besteht, in dem sich Gräben mit einer Grabenhöhe 82 befinden, was in Fig. 16 in der Seitenansicht eines vertikalen Schnitts dargestellt ist.

In frontaler Draufsicht auf den Glaskörper 81 in Strahlrichtung erscheinen die höchsten Stellen der Gräben als konzentrische Ringe (Fig. 14). Fig. 15 zeigt den Strahlengang bei Verwendung eines als konzentrischen Ringgitters ausgebildeten Glaskörpers 81. Ein Laserstrahl mit Durchmesser 48 trifft auf Gitter und wird in Teilstrahlen 41 und 42 aufgeteilt. Der Teilstrahl 42 hat den Durchmesser 47, was bedeutet, dass er sich im Wesentlichen über den gesamten Durchmesser des Glaskörpers 81 bzw. des als Ringgitter ausgebildeten Axikons erstreckt. Die Teilstrahlen 41 und 42 treten auf der planaren Seite von 81 aus und interferieren in einem Interferenzbereich 43, der sich in Strahlrichtung periodisch im Material des zu bearbeitenden Werkstücks wiederholt.

Gemäß der Ausführungsform der Optik 6 nach Fig. 17 werden drei als konzentrische Ringgitter ausgebildete Axikons bzw. Glaskörper eingesetzt, ein erster Glaskörper 8la, ein zweiter Glaskörper 8 lb und ein dritter Glaskörper 8lc. Sowohl der zweite 8 lb als auch der dritte Glaskörper 8lc umfassen jeweils einen zentriert angeordneten Zentralbereich 1 lOa bzw. 1 lOb. Unterhalb und oberhalb dieser

Zentralbereiche 1 lOa und 1 lOb befinden sich Bereich der Glaskörper 8 lb und 8lc, die als konzentrische Ringgitter ausgebildet sind.

Der einfallende Laserstrahl trifft zunächst auf das erste Axikon 8la, von welchem es in einen schräg zur optischen Achse verlaufenden ringförmigen Strahl 111 umgewandelt wird. Vom zweiten Axikon 8 lb wird der Strahl 111 in einen röhrenförmig verlaufenden Teilstrahl 112 umgewandelt, der vom dritten Axikon oder Glaskörper 8lc wiederum in einen Teilstrahl 41 umgesetzt wird. Zwischen dem zweiten Glaskörper 8 lb und dem dritten Glaskörper 81 c ist zur weiteren Lormung des zentral verlaufenden Teilstrahls 42 ein Strahlkonverter 83 angeordnet. Bei dem Strahlkonverter 83 kann es sich beispielsweise um ein Teleskop oder um einen Strahlabschwächer handeln. Wie in den bereits beschriebenen Ausführungsformen der Optik 6 interferieren die Teilstrahlen 41 und 42 in einem Interferenzbereich 43, der sich im weiteren Strahlverlauf periodisch wiederholt.

Die vorstehenden anhand verschiedener Ausführungsformen der Optik 6 beschriebene Vorrichtung wird zur Ausführung eines Verfahren zur Vorbereitung eines Teilens eines Werkstücks 2 verwendet., Nach Bereitstellung eines Werkstück 2, das für das Licht eines gepulsten Laserstrahls transparent ist wird der Laserstrahl mittels der Optik 6 in mindestens zwei Teilstrahlen 41, 42 aufgeteilt. Beide Teilstrahlen 41, 42 werden derart auf das Werkstück 2 gerichtet, dass die Teilstrahlen 41 und 42 unter unterschiedlichen Winkeln zur Normalen der bestrahlten Oberfläche 21 auf das Werkstück 2 treffen und sich im Inneren des Werkstücks 2 überlagern. Hierbei überlagern bzw. interferieren die Teilstrahlen 41, 42 derart miteinander, dass sich eine Abfolge von entlang des Überlappungsbereichs 43 der Teilstrahlen 41, 42

hintereinander aufgereihten Intensitätsmaxima 45 im Inneren des Werkstücks 2 bildet. Hierbei ist die Intensität in den Intensitätsmaxima (45) so hoch, dass das Material des Werkstücks 2 modifiziert wird, so dass sich eine kettenförmige periodische Anordnung 9 von Materialmodifikationen 8 ausbildet. Währenddessen werden das Werkstück 2 und die Teilstrahlen 41, 42 relativ zueinander bewegt, so dass eine Vielzahl von entlang eines eine Trennlinie 11 bildenden Pfades liegende kettenförmige periodische

Anordnungen 9 von Materialmodifikationen 8 erzeugt werden. Entlang der Trennlinie 11 kann das Werkstück 2 in einem späteren Schritt durch mechanisches Brechen in mehrere Teilstücke aufgeteilt werden.

Den Ausführungsbeispielen der Fig. 5, 6, 8 -13 und 17 ist gemein, dass ein kegelförmiger Strahl oder Bessel-artiger Strahl als Teilstrahl zur Interferenz gebracht wird, um einen in Strahlrichtung ausgedehnten und periodisch modulierten Fokus und damit eine langgestreckte, linienförmige periodisch unterbrochene Modifikationszone zu erzeugen. Obwohl andere Strahlformen denkbar wären, ist dies ist auch die besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Demgemäß ist allgemein, ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele als bevorzugte Weiterbildung der

Erfindung vorgesehen, dass einer der Teilstrahlen 41 ein mit einem Axikon erzeugter Strahl oder ein Bessel-Strahl ist, wobei der zweite Teilstrahl 42 mit dem ersten Teilstrahl im Bereich, in welchem der erste Teilstrahl einen Linienfokus ausbildet, überlagert wird.

Den genannten Ausführungsbeispielen ist weiterhin gemeinsam, dass der zweite Teilstrahl ein Parallelstrahl ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist daher weiterhin vorgesehen, dass der zweite Teilstrahl 42 als Parallelstrahl geformt wird. Auch hier sind andere Varianten denkbar. So könnten auch zwei mit

unterschiedlichen Spitzenwinkeln ausgestattete Axikons die Teilstrahlen erzeugen. In diesem Fall würden demgemäß zwei Bessel-artige, beziehungsweise zwei kegelförmige Strahlen zur Interferenz gebracht, die unterschiedliche Konvergenzwinkel aufweisen. Wie ebenfalls anhand der Figuren ersichtlich, werden gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung allgemein Teilstrahlen 41, 42 bevorzugt, die zueinander kollinear sind.

Fig. 18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei der der, in der Zeichnung von links, einfallende Laserstrahl auf ein Bauteil 120 trifft, das - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - als reflektives Gitter oder Phasenmaske, also allgemein als diffraktiv wirkendes optisches Element ausgeführt ist. Eine entsprechende

Transmissionsanordnung ist ebenfalls möglich. Die vom Bauteil 120 ausgehenden Teilstrahlen 41, 42 der O.ten und +/- 1. Ordnung werden vom nachfolgenden

zweilinsigen Linsensystem, hier angeordnet als 4f- Aufbau, in Interferenzbereichen 43 zur Überlagerung gebracht. Das Linsensystem umfasst eine abbildende Linse 121 mit Brennweite 123 sowie eine Objektivlinse 122 mit Brennweite 124. Hinter der abbildenden Linse 121 befindet sich im Abstand der Brennweite 123 die Lourier-Ebene 125 des 4f- Aufbaus. Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Optik 6 ein diffraktives Element umfasst, welches den Laserstrahl in mehrere (zwei oder auch mehr als zwei) durch unterschiedliche Beugungsordnungen gebildete Teilstrahlen, welche auch die O.te Beugungsordnung umfassen können, aufspaltet und wobei die Optik weiterhin so ausgebildet ist, dass die Teilstrahlen im Werkstück zur Überlagerung gebracht werden.

In einer weiteren Ausführungsform (Fig. 19) wird die Intensität des eintreffenden Gaußstrahls 4 durch geeignete Anordnung zweier plan-konvexer Axikons 131 und 132 (erste Axikonanordnung 130: die konvexen Seiten- oder Dachflächen der Axikone 131 und 132 sind einander zugewandt) zunächst in einen Donut-/Ring-Strahl 170 transformiert. Als Donut- oder Ringstrahl 170 wird ein Strahl bezeichnet, dessen Strahlprofil auf der Strahlachse eine verschwindende Intensität, auf einem Kreisring um die Strahlachse hingegen mindestens ein Intensitätsmaximum besitzt. Der Durchmesser des ringförmigen Intensitätsmaximums wird durch den gegenseitigen Abstand der beiden Axikons 131, 132 in dieser Axikonanordnung 130 und / oder durch den Abstand der beiden Axikons 131, 132 zueinander bestimmt. Der Donut-Strahl 170 trifft auf ein weiteres optisches Element, vorzugsweise ein inverses Axikon 135 mit stumpfer Spitze oder eine gekittete Kombination von planparalleler Platte und inversem stumpfen Axikon (drittes Axikon 135), und wird von diesem in einen ringförmigen und divergenten Teilstrahl 180 sowie einem nicht abgelenktem Zentralstrahl 190

aufgespalten. Der divergente Ringstrahl 180 wird nun mittels einer zweiten

Axikonanordnung 140 (mit zwei zueinander beabstandeten plankonvexen Axikons 141 und 142 zunächst parallelisiert und anschließend wieder konvergierend auf der optischen Achse mit dem nicht abgelenkten Zentralstrahl zusammengeführt. Die Lage des Schnittvolumens / Interferenzvolumens wird durch die Position des letzten Axikons 142 der zweiten Axikonanordnung 140 bestimmt. Die Periodizität des Strichelfokus 165 im Interferenzvolumen ergibt sich analog zu oben gesagtem aus dem Konvergenzwinkel des Ringstrahls, die Leistungsanteile von Zentral- 190 und Ringstrahl 180 können über das Verhältnis der genutzten Kegelstump ffläche des Axikons 135 zum

Strahldurchmesser des auf das Axikon 135 eintreffenden Strahls eingestellt werden (Lig. 20). Natürlich können in der zweiten Axikonanordnung 140 beide Axikons 141, 142 auch durch stumpfe Axikons ersetzt werden, was im Allgemeinen zur weiteren Verbesserung der Strahlqualität führt.

Lig. 20 zeigt exemplarisch eine mögliche Intensitätsverteilung des Donutstrahls 170 am Ausgang der ersten Axikonanordnung 130 und die Projektion seiner

Strahlfläche und -leistung auf die konkave Seite des stumpfen Axikons 145, gezeigt im rechten Teil von Lig. 20. Je nachdem wie groß der Anteil des durch die zentrale stumpfe Lläche 148 des Axikons 145 tretenden Strahls ist, desto größer wird Intensität im Zentralstrahl 190 und damit desto intensiver die Ausprägung, d.h. das

Kontrastverhältnis, der unterbrochenen Lokuslinie. Ist der innere, d.h. freie

Durchmesser des einfallenden Ringstrahls 180 größer als der Durchmesser D pian der stumpfen Dachfläche des Prismas, so bildet sich der aus dem Stand der Technik bekannte linienhafte und ununterbrochene Fokus des Besselstrahls im Interferenzvolumen aus.

Eine weitere Ausführungsform ergibt sich, wenn die vorzugsweise aus Glas gefertigten Axikone 131, 132 der ersten Axikonanordnung 130 aus Fig. 19 jeweils durch ein diffraktives Axikon, ein Ringgitter oder eine Spiralphasenplatte 151 bzw. 152 (wie sie beispielsweise in der US 8335034 B2 beschrieben ist) ersetzt werden (Fig. 21). Die beiden Spiralphasenplatten 151, 152 bilden eine Anordnung 150 zur Erzeugung eines Donut- Strahls. Auch die erste Axikonanordnung 130 der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform stellt eine solche Anordnung 150 zur Erzeugung eines Donut-Strahls dar. Bei der Verwendung von Spiralphasenplatten ist vorzugsweise darauf zu achten, dass der Drehsinn der Spiralphasenplatten 151, 152 zueinander entgegengesetzt orientiert ist, um mit der zweiten Spiralphasenplatte 152 das Parallelisieren des von der ersten Spiralphasenplatte 151 erzeugten Ringstrahls 180 erreichen zu können.

Den Beispielen der Fig. 19 und Fig. 21 ist die Anordnung 150 zur Erzeugung des Donut-Strahls in Kombination mit einem kegelstumpfförmigen Axikon 135, durch welche die Intensität der im Fokus zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen eingestellt werden kann, gemeinsam. Demgemäß ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Vorbereitung des Teilens eines Werkstücks 2 eine Anordnung 150 zur Erzeugung eines Donut-, beziehungsweise Ringstrahls 170 umfasst, dessen

Strahlprofil auf der Strahlachse eine verschwindende Intensität, auf einem Kreisring um die Strahlachse hingegen ein Intensitätsmaximum besitzt, sowie ein in Strahlrichtung dieser Anordnung 150 nachgeordnetes kegelstumpfförmiges Axikon, welches den Ringstrahl 170 in einen Zentralstrahl 190 und einen Ringstrahl aufspaltet, wobei Feistungsanteile des Zentralstrahls 190 und des Ringstrahls 180 über das Verhältnis der Kegelstumpffläche des Axikons 135 zum Strahldurchmesser des auf das Axikon eintreffenden Ringstrahls 170 einstellbar sind.

Den Ausführungsbeispielen der Fig. 19 und Fig. 21 ist weiterhin das Triplett der Axikons 135, 141, 142 gemeinsam, mit denen erst ein divergenter Ringstrahl 180 erzeugt, dann vom Axikon 141 zu einem achsenparallelen Strahl umgelenkt und anschließend vom letzten Axikon 142 fokussiert und damit wieder konvergierend auf der optischen Achse mit dem nicht abgelenkten Zentralstrahl zusammengeführt wird. Demgemäß ist in noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ohne Beschränkung auf die speziellen Beispiele vorgesehen, dass die Optik 6 ein Axikon- Triplett mit drei hintereinandergeschalteten Axikons 135, 141, 142 umfasst, wobei das in Strahlrichtung erste Axikon 135 einen divergenten Ringstrahl erzeugt, welcher durch das nachfolgende Axikon 141 parallelisiert und vom letzten Axikon 142 des Axikon- Tripletts in einen konvergierenden Ringstrahl gewandelt wird. Der zentrale, nicht abgelenkte Strahl kann dabei auch durch Öffnungen in den Axikons durch diese hindurchgeführt werden. Weiterhin muss das erste Axikon 135 des Tripletts nicht unbedingt ein inverses Axikon sein. Möglich ist auch, ein konvexes Axikon einzusetzen und den divergenten Strahl nach Durchlaufen eines Zwischenfokus zu erzeugen.

Um den Einfluss der einzelnen optischen Bauelemente auf die

Intensitätsverteilung im Fokus abschätzen zu können wird der 10 ps-Puls (4er- Burst) eines Pharos-UKP -Lasers (1030 nm, 100 kHz Repetitionsrate) bei einer mittleren Strahlleistung von 100 mW nacheinander in der Variante 1 zunächst nur durch ein Axikon, in der Variante 2 durch die Kombination zweier Phasenplatten und einem Axikon, beziehungsweise in Variante 3 durch die Kombination zweier Phasenplatten und drei Axikons (wobei das mittlere Axikon wie oben beschrieben ein stumpfes Axikon ist und alle Axikone einen Dachwinkel von 20° besitzen) abgebildet und die Intensitätsverteilung im Fokus mit einer Kamera (beispielsweise vom Typ Coherent Lasercam HR) mit aufgesetztem Mikroskopobjektiv gemessen, indem die Kamera kontinuierlich durch den Fokusbereich entlang der optischen Achse fährt und hierbei die laterale Intensitätsverteilung des Laserstrahls im Fokus aufnimmt. Aus dem derart aufgenommenen Video lässt sich die Intensitätsverteilung auf der optischen Achse im Fokusbereich in relativen Einheiten ermitteln.

Fig. 22 zeigt die so gemessene Intensitätsverteilung entlang der Fokallinie.

Teilbild (a) von Fig. 22 zeigt die Intensitäts Verteilungen in den Varianten 1 (Fokussierung des einlaufenden Gaußstrahls mit einem Axikon) und 2 (Transformation des Gaußstrahls in einen Ringstrahl mit anschließender Fokussierung durch ein

Axikon), die in der longitudinalen Richtung entlang der optischen Achse einen sehr ähnlichen Verlauf aufweisen. Teilbild (b) hingegen zeigt die Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse im Fokusbereich bei Verwendung von Variante 3

(Abbildung des von der Phasenplattenkombination erzeugten Ringstrahles mittels dreier Axikone, wobei eines der Axikone ein stumpfes Axikon 135 ist, und die zwei Axikone 141 und 142 die zweite Axikonanordnung 140 bilden): Die Einhüllende der

Intensitätsverteilung besitzt ähnliche Merkmale wie in Variante 2 (starker

Intensitätsanstieg auf der der Optik zugewandten Seite, deutlich langsamerer Abfall auf der der Optik abgewandten Seite), es gibt jedoch eine Vielzahl periodisch angeordneter Intensitätsmaxima und -minima, wobei die Intensitätsminima eine Intensität nahe Null aufweisen.

Fig. 23 zeigt die Änderung der Bruchspannungsverteilungen an Borosilikatglas der Dicke 1 mm, das nach Variante 1 (also mit einem Axikon, rechte Kurve) bzw. Variante 3 (2 Phasenplatten und Axikon-Triplett zur Erzeugung des Strichelfokus, linke Kurve) filamentiert wurden. Hierzu wurden Materialmodifikationen mit einem Pitch vom 3,5 pm mit dem bereits oben beschriebenen Pharos-Laser eingebracht (1030 nm / Repetitionsfrequenz 1 kHz / mittlere Pulsleistung 980 mW / Pulsdauer 10 ps / 4 Burstpulse). Es ergibt sich eine signifikante Verringerung der Bruchspannungen: Bei 95%iger Bruchwahrscheinlichkeit beispielsweise liegen die Bruchspannungen bei der Materialbearbeitung mit Strichelfokus um ca. 15% niedriger als bei Bearbeitung mit dem rein durch eine Anordnung mit Axikons erzeugten Bessel-Strahl.

B ezugszeichenliste :