Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materials, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials, mittels Laserpulsen eines Laserstrahls eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers.

Stand der Technik

Es ist prinzipiell bekannt, Material mittels Laserbearbeitungsprozessen abzutragen. Beispielsweise ist es bekannt, mittels Perkussionsbohren Material abzutragen, um auf diese Weise ein Bohrloch in ein Material einzubringen. Dazu werden mit einem Laserstrahl mehrere Laserpulse aufeinanderfolgend auf dieselbe Position des Materials abgesetzt, um am Auftreffort das Material aufzuschmelzen und teilweise zu verdampfen. Beim Absenken des Bohrlochs in das Material kann das durch die Beaufschlagung mit dem Laser verdampfende Material das davor liegende aufgeschmolzene Material aus der Bohrung heraus treiben. Durch einen solchen Perkussionsbohrprozess ist es möglich, große Bohrtiefen zu erreichen, die deutlich größer sind, als die bei einem Einzelpulsverfahren erreichbaren Bohrtiefen.

Insbesondere können mit dem genannten Perkussionsbohrverfahren auch Bohrlöcher gebohrt werden, welche gegenüber der Materialoberfläche geneigt sind. Des Weiteren sind auch die höhere geometrische Qualität und geringere Konizität der Bohrung, sowie die Möglichkeit auch harte Materialien zu bearbeiten, vorteilhafte Eigenschaften des Perkussionsbohrens.

Beim Bearbeitungsprozess des Perkussionsbohrens werden häufig spezielle Randbedingungen an die Bohrkante gestellt, wie beispielsweise ein gewünschter Anstieg oder Taperwinkel der Bohrkante. Bohren mittels klassischer Gauß’scher Strahlprofile oder mit ringförmigen Strahlprofilen, sowie das Bohren mit Flat-Top Strahlprofilen bieten hierbei nur beschränkte Möglichkeiten zur Prozessoptimierung.

Es ist aus der US 8,866,043 B2 bekannt, eine entsprechende Bohrgeometrie sukzessive in ein Material einzubringen. Hierbei werden mit immer kleiner werdendem Strahldurchmesser eines Lasers konische Bohrlöcher in ein Material eingebracht. Jedoch erfordert dieses Verfahren die permanente Anpassung des Strahldurchmessers und damit einen hohen Aufwand bei der Ansteuerung und Justage.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Material mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Materials, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials mittels Laserpulsen eines Laserstrahls eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, vorgeschlagen, umfassend ein Gradienten-Filterelement zum Aufprägen eines senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildeten Intensitätsgradienten auf den Laserstrahl zur Ausbildung eines Bearbeitungsstrahlprofils und weiter umfassend eine Abbildungsoptik zur Abbildung des Bearbeitungsstrahlprofils auf oder in das Material.

Mittels der gezielten Ausformung des Bearbeitungsstrahlprofils senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls und der Verwendung dieses Bearbeitungsstrahlprofils zur Bearbeitung des Materials und insbesondere zum Abtragen von Material können Bohrungen gemäß den vorgegebenen Randbedingungen, wie lokale Abtragstiefe und Taperwinkel sowie Anstieg, zuverlässiger in das Material eingebracht werden.

Das Material kann hierbei im Wesentlichen nicht-transparentes Material wie beispielsweise eine Metallfolie oder ein Polymer oder ein Kunststoff sein, oder aus Silizium bestehen. Im Wesentlichen nicht-transparent bedeutet dabei, dass das Material teilweise oder vollständig das Laserlicht der gegebenen Wellenlänge absorbieren kann, sodass ein Einträgen von Bearbeitungsenergie und damit auch ein Bearbeiten des Materials erfolgen kann.

Der Laser stellt hierbei die Laserpulse zur Verfügung, welche den Laserstrahl ausbilden. Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts von Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Insbesondere kann der Laser ein Ultrakurzpulslaser sein, wobei die Pulslänge der einzelnen Laserpulse vorzugsweise kürzer als 100 ps ist. Insbesondere werden grundmodige Ultrakurzpulslaser bevorzugt, die einen Laserstrahl mit einer Beugungsmaßzahl M ² < 1 ,5 zur Verfügung stellen, also eine hohe Strahlqualität aufweisen.

Das Strahlprofil des Laserstrahls kann dabei beispielsweise über einen longitudinalen Strahlquerschnitt entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und über einen lateralen Strahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls beschrieben werden.

Unter einem Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung wird eine räumliche Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung verstanden. Typischerweise ist das Strahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgehend vom Laser ein Gauß’sches Bearbeitungsstrahlprofil. Dies bedeutet, dass jeder Querschnitt in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung durch den Laserstrahl einer Gauß’schen Glockenkurve entspricht. Dabei ist die Intensität des Laserstrahls im Zentrum des Laserstrahls am größten, während es zum Rand des Laserstrahls hin abnimmt. Das Strahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgehend vom Laser kann aber auch eine andere Form haben, beispielsweise einer höheren Lasermode entsprechen. Der Intensitätsgradient ist hierbei die räumliche Veränderung der Intensität im Strahlprofil.

Der vom Laser bereitgestellte Laserstrahl wird durch ein Gradienten-Filterelement geleitet, wodurch ein zusätzlicher Intensitätsgradient in das Strahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung eingebracht wird und auf diese Weise das Bearbeitungsstrahlprofil ausgebildet wird. Insbesondere bedeutet dies, dass das Strahlprofil des Lasers senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung beim Durchgang durch das Gradienten-Filterelement in ein Bearbeitungsstrahlprofil transformiert wird. Ein Gradienten-Filterelement ist hierbei ein optisches Element, welches dazu in der Lage ist, das Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung entsprechend auszuformen.

Im Allgemeinen kann ein Gradienten-Filterelement beispielsweise ein Verlaufsfilter sein, oder eine Blende, oder eine Polarisationsmaske oder eine Kombination dieser Elemente. Beim Durchgang des Laserstrahls durch das Gradienten-Filterelement wird damit entsprechend das Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung auf das eintretende Strahlprofil des Laserstrahls aufgeprägt.

Beispielsweise kann dies bei einer Blende bedeuten, dass das eintreffende Gauß'sche Strahlprofil des Lasers zum Teil beschnitten wird. Bei gleichzeitiger Verwendung eines Beugungsgitters, welches den eintreffenden Laserstrahl beim Durchgang beugt, können entsprechende Beugungsordnungen abgeschnitten werden, so dass das resultierende Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung entsprechend verändert wird.

Das durch das Gradienten-Filterelement aufgeprägte Bearbeitungsstrahlprofil wird anschließend durch eine Abbildungsoptik in das Material abgebildet.

Eine Abbildungsoptik kann beispielsweise eine abbildende optische Komponente sein. Eine Abbildungsoptik kann aber auch eine Ansammlung von abbildenden optischen Komponenten sein. Mit anderen Worten wird das Bearbeitungsstrahlprofil in das Material fokussiert und dadurch ein Abbild des Bearbeitungsstrahlprofils im Material erzeugt. Insbesondere wird der Intensitätsgradient des Bearbeitungsstrahlprofils ebenfalls abgebildet, so dass die räumliche Veränderung der eintreffenden Laserintensität durch das Gradienten-Filterelement in der Abbildung in der Bearbeitungsebene wiedergegeben wird.

Das Bearbeitungsstrahlprofil wird durch die Abbildungsoptik entsprechend in das Material abgebildet, sofern der Fokuspunkt der Abbildungsoptik unterhalb der Oberfläche des Materials liegt, sodass das Bearbeitungsstrahlprofil in das Volumen des Materials abgebildet wird. Das Bearbeitungsstrahlprofil wird auf das Material abgebildet sofern der Fokuspunkt der Abbildungsoptik auf der Oberfläche des Materials oder gar oberhalb der Oberfläche liegt.

Das Material absorbiert hierbei die eingestrahlte Laserenergie zumindest teilweise, was zu einem Erhitzen des beaufschlagten Materials oder zu einem Übergang des Materials in einen temporären Plasmazustand und einem Verdampfen des Materials führt und damit schließlich zum gewünschten Abtrag des Materials in den mit dem Abbild des Bearbeitungsstrahlprofils beaufschlagten Bereichen des Materials führt. Insbesondere ist es also auch möglich, dass neben linearen Absorptionsprozessen auch nicht-lineare Absorptionsprozesse genutzt werden, die durch die Nutzung hoher Laserenergien und insbesondere durch ultrakurze Laserpulse mit hohen Energien zugänglich werden.

Durch die Fokussierung des Bearbeitungsstrahlprofils durch die Abbildungsoptik wird die Intensität des Laserstrahls im Fokuspunkt maximiert, sodass an dieser Stelle ein Materialabtrag stattfinden kann, dessen räumliche Ausprägung der des Bearbeitungsstrahlprofils entspricht. Das Bearbeitungsstrahlprofil kann hierbei beispielsweise eine radial abnehmende Intensität aufweisen, das Bearbeitungsstrahlprofil kann aber auch senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung sprunghaft ansteigen und ein stufenförmiges Profil ausbilden. Durch die Form des Bearbeitungsstrahlprofils ist es möglich, den Laserstrahl für eine besondere Art des Materialabtrags beziehungsweise einen bestimmten Prozessschritt vorzubereiten.

Beispielsweise kann ein spezifisches Bearbeitungsstrahlprofil für ein flächiges Abtragen genutzt werden, wobei die Homogenität des Abtrags über der Fläche im Vordergrund steht. Beispielweise kann ein anderes spezifisches Bearbeitungsstrahlprofil für das Bohren eines Materials genutzt werden, wobei die Abtragstiefe pro Laserpuls im Vordergrund steht. Zum Beispiel kann ein solches Bearbeitungsstrahlprofil gezielt genutzt werden, um die Abtragstiefe von Sacklochbohrungen lokal zu verändern. Zum Beispiel kann das Bearbeitungsstrahlprofil auch stufenförmig ausgebildet sein, wodurch im Zentrum des Bohrlochs ein anderer Abtrag als am Rand des Bohrlochs realisiert wird. Insbesondere kann durch die eingebrachte Intensität die eingebrachte Abtragstiefe beziehungsweise die Abtragsrate räumlich bestimmt werden. Beispielsweise kann aber auch die Oberfläche eines Materials strukturiert werden, beispielsweise aufgebaut werden oder poliert werden, sodass hierfür wiederum spezifische Intensitätsgradienten zum Einsatz kommen können.

Durch den mittels des Gradienten-Filterelements aufgeprägten lateralen Intensitätsgradienten des Bearbeitungsstrahlprofils ist es möglich, die Geometrie des Bearbeitungsprozesses lokal anzupassen. Beispielsweise kann mit einem großen, symmetrischen Intensitätsgradienten ein Bohrloch mit einer steilen Bohrwand, also einem großen Taperwinkel, hergestellt werden, während ein kleiner, symmetrischer Intensitätsgradient ein Bohrloch mit einer flachen Bohrwand, also einem kleinen Taperwinkel, erzeugen kann. Beim Ausbilden der unter einem Winkel zur Oberfläche des Materials angeordneten Bohrwände, also der unter einem Taperwinkel angeordneten Bohrwände, spielt dabei typischerweise die Projektion der Intensitätsverteilung auf die abgetragenen Flanken eine Rolle. Durch die gezielte lokale Formung des Intensitätsgradienten durch das Gradienten- Filterelement kann dieser Effekt somit kompensiert oder verstärkt werden.

Es auch möglich, dass der Intensitätsgradient des Bearbeitungsstrahlprofils asymmetrisch zum Strahlmittelpunkt ist. Dadurch kann beispielsweise der Laserstrahl mit dem aufgeprägten Bearbeitungsstrahlprofil ein Bohrloch erzeugen, welches auf der einen Seite eine größere Flankensteilheit aufweist, als auf einer anderen Seite. Sofern lediglich der Intensitätsgradient variiert wird, die pro Flächenelement deponierte Laserenergie jedoch gleichbleibt, wird somit an beiden Seiten des Bohrlochs eine gleich große Abtragstiefe erzeugt.

Durch die Intensitätsverteilung im Bearbeitungsstrahlprofil kann somit die Form des Bohrlochs insgesamt angepasst werden. Auf denselben Ort des Materials werden dabei aufeinanderfolgende Laserpulse mit dem gleichen aufgeprägten Bearbeitungsstrahlprofil abgegeben, welche bewirken, dass sich das Material gemäß der Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahlprofils erhitzt. Indem die Laserpulse in rascher Abfolge in das Material abgesetzt werden, ist es möglich, das Material in einen temporären Plasmazustand zu versetzen dabei das Material teilweise zu verdampfen. Das verdampfte Material kann hierbei weiteres Material, beispielsweise Abtragprodukte wie Partikel oder flüssiges Material, aus dem Bohrloch heraustreiben, so dass die nachfolgenden Laserpulse die in größerer Abtragstiefe liegenden Materialschichten erreichen und verdampfen.

Insbesondere werden die Bereiche des Materials, in denen das Bearbeitungsstrahlprofil eine große Intensität aufweist, besonders stark abgetragen, während die Bereiche des Materials, in denen das Bearbeitungsstrahlprofil eine geringe Intensität aufweist, weniger stark abgetragen werden. Dadurch findet sich der Intensitätsgradient des Bearbeitungsstrahlprofils, beziehungsweise die räumliche Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahlprofils, in der schließlich realisierten Abtragsgeometrie des Bohrlochs wieder. Mit anderen Worten bestimmt das Gradienten- Filterelement die Geometrie des in das Material eingebrachten Bohrlochs.

Bevorzugt umfasst die Abbildungsoptik zwei abbildende Komponenten. Eine abbildende Komponente kann hierbei insbesondere eine optische Komponente mit abbildenden Eigenschaften sein, wie beispielsweise mit fokussierender oder kollimierender Wirkung. Hierzu zählen unter anderem abbildende beziehungsweise gekrümmte Spiegel, Asphären, strahlformende Elemente, diffraktive optische Elemente, Linsen wie beispielsweise Sammellinsen oder Streulinsen, Fresnelsche-Zonenplatte sowie weitere Freiformkomponenten. Vorzugsweise weisen die zwei Komponenten eine gleiche Brennweite auf, wobei das Gradienten-Filterelement im objektseitigen Brennpunkt der ersten Komponente steht, der bildseitige Brennpunkte der ersten Komponente mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Komponente zusammenfällt, und sich das Material im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Komponente befindet.

Die Brennebenen sowie die korrespondierenden Ebenen, insbesondere die Bearbeitungsebenen, sind im mathematischen Idealfall Ebenen die senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung orientiert sind und insbesondere nicht gekrümmt und lediglich zweidimensional ausgedehnt sind. In der praktischen Umsetzung führen die optischen Komponenten jedoch zu geringfügigen Krümmungen und Verzerrungen dieser Ebenen, so dass diese Ebenen meistens mindestens lokal gekrümmt sind. Zudem weist der Brennpunkt durch die verwendeten Komponenten auch ein endliches Volumen auf. Insbesondere ist die Fokussierung von Licht typischerweise auf Längenskalen limitiert, die in der Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichts liegen. Dies gilt insbesondere sowohl in Strahlausbreitungsrichtung als auch senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung. So kann sich durch die verwendeten Komponenten anstatt einer flachen, zweidimensionalen Brennebene auch ein gekrümmtes Brennvolumen ergeben, indem eine Abbildung des Laserstrahls noch ausreichend scharf ist, wie weiter unten spezifiziert.

Insgesamt ist die Ausrichtung dieses Volumens relativ zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen jedoch in guter Näherung durch Ausrichtung der mathematischen Brennebene gegeben. Im Folgenden wird daher stets von der Brennebene gesprochen, wobei allerdings das zugängliche Brennvolumen stets mitgedacht wird, auch wenn es nicht explizit erwähnt wird. Die vorstehende Erklärung bezieht sich im Übrigen auch auf die verwendeten Bearbeitungsebene weiter unten.

Insbesondere ergeben sich so für die Positionen der verwendeten Komponenten Positionierungstoleranzen. Beispielsweise kann eine Positionierungstoleranz bis zu 10% oder 20% betragen, so dass eine Komponente, die im Abstand zu einem Referenzpunkt von beispielsweise 10cm stehen soll, auch bei 9cm und 11cm noch ein ausreichend scharfes Bild ermöglicht. Ausreichend scharf sind die Abbildungen dementsprechend automatisch, wenn die Komponenten alle innerhalb der Positionierungstoleranz positioniert sind. Zudem bedeutet ein „Zusammenfallen“ von zwei Ebenen oder zwei Punkten, dass die zugehörigen Volumina zumindest teilweise überlappen.

Durch die obengenannte Positionierung der Komponenten wird eine sogenannte 4f-Optik realisiert, wodurch es möglich ist, das vom Gradienten-Filterelement erzeugte Bearbeitungsstrahlprofil direkt in eine Bearbeitungsebene in dem Material abzubilden und so eine direkte Formung einzelner Teilbereiche des bearbeiteten Materials, wie beispielsweise die Bohrlochwände eines Bohrlochs in einem Bohrprozess, ermöglicht wird. Insbesondere wird dabei die objektseitige Zwischenebene der Abbildungsoptik, nämlich die, in der das Gradienten-Filterelements angeordnet ist, auf das Werkstück abgebildet. Somit ist es möglich, durch einen Eingriff in die objektseitige Zwischenebene der Abbildungsoptik auf die Bearbeitungsebene im Material zuzugreifen und die Strahlform in der Bearbeitungsebene anzupassen.

Die objektseitigen Brennpunkte sind hierbei die Brennpunkte der Komponenten auf der in

Strahlrichtung im Gradienten-Filterelement zugewandten Seite. Die bildseitigen Brennpunkte sind hierbei die Brennpunkte der Komponenten auf der in Strahlrichtung dem Material zugewandten Seite.

Beispielsweise können die zwei Komponenten Linsen mit einer Brennweite von je 50 mm sein und die Abbildungsoptik bilden, wobei das Gradienten-Filterelement 50 mm von der ersten Linse entfernt ist, also im objektseitigen Brennpunkt der ersten Linse steht. Die zweite Linse in Strahlrichtung kann von der ersten Linse 100 mm entfernt sein, sodass der bildseitige Brennpunkt der ersten Linse mit dem objektseitigen Brennpunkt der zweiten Linse zusammenfällt. Das Material kann wiederum 50 mm von der zweiten Linse entfernt stehen, sich also im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Linse befinden. Somit ist das Gradienten-Filterelement 200 mm vom Material entfernt, wobei die 200 mm der vierfachen Brennweite der Linsen entsprechen.

Eine erste Linse kann aber auch eine kleinere Brennweite als die zweite Linse aufweisen oder umgekehrt. Beispielsweise kann eine erste Linse eine Brennweite von 500 mm aufweisen und eine zweite Linse eine Brennweite von 10 mm. Das Gradienten-Filterelement steht dann 500 mm in Strahlrichtung vor der ersten Linse. Die zweite Linse folgt in einem Abstand von 510 mm der ersten Linse und das Material befindet sich im bildseitigen Brennpunkt der zweiten Linse in einem Abstand von 10 mm in Strahlrichtung.

Die Abbildungsoptik kann das Bearbeitungsstrahlprofil verkleinert, insbesondere 2 bis 100-fach verkleinert, in das Material abbilden.

Damit kann das Bearbeitungsstrahlprofil in der objektseitigen Zwischenebene der Abbildungsoptik mit einem makroskopischen Gradienten-Filterelement erzeugt werden, das Material kann hingegen auf mikroskopischer Ebene in der Bearbeitungsebene bearbeitet werden. Es lassen sich auf diese Weise auch höhere Energiedichten in der Bearbeitungsebene erreichen, so dass nicht nur eine konturengenauere Bearbeitung erreicht werden kann, sondern auch eine höhere Abtragsleistung erreicht werden kann.

Beispielweise kann das Gradienten-Filterelement ein Bearbeitungsstrahlprofil mit einem Intensitätsgradienten erzeugen, bei dem über eine Länge von 1 mm die Intensität vom Zentrum des Laserstrahls zum Rand des Laserstrahls hin auf null abfällt. Wird dieser Intensitätsgradient 100-fach verkleinert auf das Material abgebildet, so fällt die Intensität in dem Material vom Zentrum des Laserstrahls zum Rand des Laserstrahls hin über einer Länge von 10 pm auf null ab. Wird das Bearbeitungsstrahlprofil beispielsweise 25-fach verkleinert, so würde die Intensität auf einer Länge von 40 pm auf null abfallen. Somit ist es möglich das Material auf einer deutlich kleineren Größenskala zu bearbeiten

Das Gradienten-Filterelement kann ein Verlaufsfilter sein.

Ein Verlaufsfilter kann beispielsweise eine Neutraldichtefilter sein, wobei die Dichte des Neutraldichtefilters ortsabhängig ist. Beispielsweise kann der Neutraldichtefilter im Zentrum des Filters eine geringe oder keine Dichte aufweisen, so dass das einfallende Laserlicht transmittiert wird, während der Neutraldichtefilter am Rand des Filters eine große Dichte aufweisen kann, so dass das einfallende Laserlicht nicht oder nur minimal transmittiert wird beziehungsweise maximal absorbiert wird. Auf diese Weise kann durch den Verlauf der Dichte im Neutraldichtefilter dem eintreffenden Laserstrahl ein Bearbeitungsstrahlprofil aufgeprägt werden, welches sich von dem Strahlprofil des eintreffenden Lasers unterscheidet.

Anstatt einer Dichtevariation des Verlaufsfilters, kann der Verlaufsfilter auch reflektierend oder teilreflektierend ausgebildet sein. So können die unerwünschten Strahlanteile aus dem Laserstrahl weg reflektiert werden, anstatt sie zu absorbieren. Insbesondere können die reflektierten Strahlanteile unter einem Winkel vom einfallenden Laserstrahl wegreflektiert werden und anschließend in eine Strahlfalle geleitet werden, um sie zu vernichten.

In einerweiteren bevorzugten Ausgestaltung kann das Gradienten-Filterelement ein Element mit lokal aufgeprägtem Beugungsgitter, im Folgenden als Gitter bzw. Beugungsgitter bezeichnet, und eine Blendenvorrichtung umfassen, wobei die Blendenvorrichtung zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente eingebracht ist, alternativ vor der ersten Komponente oder hinter der zweiten Komponente eingebracht ist, bevorzugt im Strahlengang nach dem Beugungsgitter und der ersten Komponente eingebracht ist und dazu eingerichtet ist, auswählbare Beugungsordnungen aus dem Strahlengang abzufangen.

Der lokale Beugungsgitterverlauf auf dem Beugungsgitter ist derart ausgelegt, dass entweder der Nutzstrahl in einen gewünschten Winkelbereich gebeugt wird, oder der auszublendende Anteil in einen Winkelbereich gebeugt wird. Der unerwünschte Winkelbereich kann im weiteren Strahlengang gezielt geblockt werden, insbesondere auch bei einer großen zu filternden Laserleistung.

Das Beugungsgitter kann auch eine Gradienten-Funktion erzeugen, in dem die Beugungseffizienz lokal verändert wird, beispielsweise durch eine Anpassung der Stufenhöhe des Gitters. Durch Auslegung der lokalen Beugungseffizienz, beispielsweise indem die Stufenhöhe des Gitters lokal angepasst wird, kann das Gitter auch eine Blendenfunktion aufweisen beziehungsweise übernehmen. Durch die lokal angepasste Stufenhöhe werden lokal unterschiedliche Ablenkwinkel erzeugt, die eine unterschiedlich hohe Beugungseffizienz aufweisen.

Bevorzugt umfasst das Gradienten-Filterelement ein Polarisationselement und einen Polarisationsteiler.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Polarisationselement (460) ein segmentiertes, also zusammengesetztes und/oder verlaufsartig doppelbrechendes optisches Element umfasst, insbesondere ein Nanograting oder einen Flüssigkristall umfasst, welche dem Laserstrahl (30) eine radiale oder azimutale Polarisation aufprägt.

Das Polarisationselement kann dem Laserstrahl bevorzugt eine lokal variable Polarisationsänderung aufprägen, beispielsweise durch segmentierte Wellenplatten-Elemente oder durch eine sich kontinuierlich ändernde Ausrichtung einer doppelbrechenden Struktur insbesondere ein transparentes Element mit doppelbrechende Nanostrukturen im Volumen wie beispielsweise Nanograting oder Flüssigkristalle. Dadurch wird die Blendenfunktion in einer lokalen Polarisation codiert. Mittels einem Polarisationsteiler lassen sich dann die verschiedenen Komponenten aus dem Laserstrahl herausfiltern. Bei beispielsweise entspricht eine lokale s-polarisation dann einer vollständigen Transmission und eine lokale p-polarisation einer verschwindenden Transmission. Die Gradienten-Funktionen können auch mittels Zwischenzuständen, beispielsweise durch anteilige p- und s-Polarisation erzeugt werden, womit beispielsweise eine lokale 50 prozentige Transmission am Polarisationsteiler erreicht wird.

Wobei der Polarisationsteiler vorzugsweise zwischen der ersten und der zweiten Komponente eingebracht ist, alternativ vor der ersten Komponente oder hinter der zweiten Komponente eingebracht ist, und der Polarisationsteiler dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung auswählbarer Polarisation zu einer Strahlfalle zu reflektieren oder zum zu bearbeitenden Material zu transmittieren.

Ein Polarisationselement ist ein optisches Element, welches die Polarisation des einfallenden Laserstrahls ortsabhängig variieren kann. Im Allgemeinen trifft der Laserstrahl mit einer durch die Laseroptik definierten Polarisation auf das Gradienten-Filterelement. Die Polarisation des einfallenden Laserstrahls kann beispielsweise eine s-Polarisation sein, also senkrecht zur Einfallsebene polarisiert sein. Wenn das Laserlicht auf das Gradienten-Filterelement in Form eines Polarisationselements trifft, kann die Polarisation des Laserstrahls teilweise geändert werden. Beispielsweise kann die Polarisation im oberen Teil des Laserstrahls eine s-Polarisation sein, während es im unteren Teil eine p-Polarisation vorgegeben ist - dort also parallel zur Einfallsebene polarisiert ist. Die Polarisation kann aber auch im Strahlzentrum eine p-Polarisation sein und am Strahlrand eine s-Polarisation aufweisen.

Das Polarisationselement kann auch eine Wellenplatte umfassen, welche die Polarisation und die Phase des Laserlichts beeinflusst. Beispielsweise ist eine Wellenplatte eine A/2-Patte oder eine A/4- Platte, welche die Polarisation des Laserstrahls abhängig von der Ausrichtung der Polarisation relativ zu einer optischen Achse der Wellenplatte dreht.

Insbesondere kann eine A/2-Patte auch die Polarisation des einfallenden Laserstrahls drehen bevor der Laserstrahl auf das eigentliche Polarisationselement fällt und so den Laserstrahl für die eigentliche Formung des Strahlprofils vorbereiten.

Ein Polarisationsteiler ist ein optisches Element welches den einfallenden Laserstrahl je nach Polarisation in verschiedene Richtungen ablenkt. Beispielsweise kann ein Polarisationsteiler ein polarisierter Strahlteilerwürfel oder ein Dünnfilmpolarisator sein. Beispielsweise kann in dem oben beschriebenen Beispiel die obere Hälfte des Laserstrahls, welche s-polarisiert ist, im Strahlengang belassen werden, während der p-polarisierten Teil des Laserstrahls mit dem Polarisationsteiler aus dem Strahlengang herausreflektiert werden kann. Somit verbleibt im Strahlengang lediglich die gewünschte Form des Intensitätsgradienten, die durch das im Polarisationselement vorgegebene Polarisationsmuster vorgegeben ist. Der herausreflektierte Teil wird beispielsweise in eine Strahlfalle geleitet und dort absorbiert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein weiteres Polarisationselement nach dem Polarisationsteiler angeordnet um die Polarisation bei der Bearbeitung auf dem Werkstück einzustellen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist eine Vorformoptik vorgesehen, gemäß der bevorzugt eine abbildende Komponente, ein diffraktives optisches Element, ein n-Shaper oder eine adaptive Optik vor dem Gradienten-Filterelement angeordnet ist, wobei die Vorformoptik bevorzugt dem eintreffenden Laserstrahl ein Flat-Top-Strahlprofil aufprägt, bevor im Gradienten-Filterelement das Bearbeitungsstrahlprofil ausgebildet wird. Eine Vorformung des Strahls bedeutet, dass der eintreffende Laserstrahl, bevor er auf das Gradienten-Filterelement trifft, eine vom natürlichen Strahlprofil des Lasers abweichende Form und insbesondere Intensitätsverteilung aufgeprägt bekommt. Diese Form kann beispielsweise durch eine abbildende Komponente aufgeprägt werden, welches das eintreffende Laserlicht des Lasers beispielsweise in einem Fokuspunkt auf dem Gradienten-Filterelement sammelt.

Der eintreffende Laserstrahl kann aber auch mit einem diffraktiven optischen Element, einem TT- Shaper oder einer adaptiven Optik ein Flat-Top Strahlprofil aufgeprägt bekommen. Ein Flat-Top Strahlprofil weist - abweichend von dem Gauß'schen Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls - eine homogene Intensität des Laserstrahls über einen weiten Bereich ausgehend vom Zentrum des Laserstrahls auf und fällt dann sprungartig auf deutlich niedrige Werte ab. Das Flat-Top Strahlprofil kann hierbei rund oder elliptisch sein oder eine polygonale Kontur aufweisen.

Dadurch ist es möglich, mittels der Vorformoptik den Intensitätsverlauf des eintreffenden Laserstrahls vor dessen Auftreffen auf das Gradienten-Filterelement vorzuformen, so dass nur der Intensitätsverlauf, welcher durch das Gradienten-Filterelement aufgeprägt wird, für das Bearbeitungsstrahlprofil in dem Material relevant ist. Insbesondere muss eine abfallende Strahlintensität zum Rand des Laserstrahls, wie es bei Gauß'schen Strahlen der Fall ist, nicht mit dem Gradienten-Filterelement kompensiert oder ausgeglichen werden.

Dadurch ist es möglich, die Effizienz der Vorrichtung zu steigern und die vom Laser zur Verfügung gestellte Laserenergie besser zu nutzen. Außerdem muss bei der Verwendung eines vorgeformten Strahls mit Flat-Top Profil nicht das natürliche Bearbeitungsstrahlprofil des Lasers bei der Herstellung des Gradienten-Filterelements berücksichtigt werden.

Bevorzugt kann die Pulsdauer des gepulsten Laserstrahls zwischen 50fs und 5000ps liegen, insbesondere zwischen 100fs und 10ps liegen, insbesondere 1 ps kurz sein, und/oder die maximale Fluenz kann zwischen 0,01 J/cm ² und 100J/cm ² liegen, insbesondere zwischen 0,1 J/cm ² und 10J/cm ² liegen, und/oder die Repetitionsrate kann zwischen 1 kHz und 100MHz liegen, und/oder die Wellenlänge des Laserstrahls kann zwischen 50nm und 3000nm liegen.

Dadurch ist es möglich viele verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Lasereinstellungen zu bearbeiten. Die verwendeten optischen Komponenten sind hierbei bevorzugt leistungstauglich für die verwendete Wellenlänge ausgelegt, so dass insbesondere bei kurzen Wellenlängen auf optische Komponenten aus kristallinem Quarz oder CaF2 zurückgegriffen werden kann.

Eine Vorschubvorrichtung kann bevorzugt vorgesehen sein, vorzugsweise eine Scanner-Optik und/oder ein Kreuztisch, mittels welcher das Bearbeitungsstrahlprofil und das Material zwischen zwei Bearbeitungsprozessen relativ zueinander verschoben werden können und/oder kontinuierlich relativ zueinander verschoben werden können.

Mit einer Vorschubvorrichtung ist es möglich, das Bearbeitungsstrahlprofil an unterschiedlichen Positionen im Material zu positionieren, um beispielsweise einen ersten Bearbeitungsprozess an einem ersten Ort durchzuführen und an einem zweiten Ort einen zweiten Bearbeitungsprozess durchzuführen.

Eine Scanner-Optik kann hierbei beispielsweise ein Galvano-Scanner sein, der sich im Strahlengang des Lasers befindet und den Strahl gezielt ablenken kann. Ein Kreuztisch hingegen befindet sich typischerweise unter der Werkstückaufnahme des Materials, mit der das Material unter dem Laserstrahl hinweg geführt werden kann.

Insbesondere kann das Bearbeitungsstrahlprofil während eines einzelnen Bearbeitungsprozesses stationär gehalten werden. Stationär gehalten bedeutet, dass durch die Vorschubvorrichtung keine oder eine bezüglich der herzustellenden Strukturgenauigkeit vernachlässigbare relative Bewegung zwischen dem Material und dem Laserstrahl stattfindet. Da der Laserstrahl auf dem Material stationär gehalten wird, werden aufeinander folgende Pulse des Laserstrahls mit gleichem Bearbeitungsstrahlprofil immer wieder auf derselben Stelle in das Material eingebracht, wodurch der Materialabtrag schrittweise realisiert wird. Dadurch kann beispielsweise ein Perkussionsbohren mit dem Bearbeitungsstrahlprofil durchgeführt werden.

Das Bearbeitungsstrahlprofil und das Material können aber auch kontinuierlich zueinander bewegt werden, sodass sich die Intensitätsverteilungen der Laserpulse im Material beispielsweise versetzt überlagern, um so eine durchgängige Bearbeitung des Materials zu realisieren.

Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Abtragen eines Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren. Entsprechend wird ein Verfahren zum Abtragen eines Materials vorgeschlagen, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren eines Materials, mittels der Laserpulse eines Laserstrahls eines gepulsten Lasers, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers. Erfindungsgemäß wird dem Laserstrahl mittels eines Gradienten-Filterelements ein senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung ausgebildeter Intensitätsgradient zur Ausbildung eines Bearbeitungsstrahlprofils aufgeprägt und das Bearbeitungsstrahlprofil wird in das Material abgebildet, um Material abzutragen.

Bevorzugt bestimmt das Bearbeitungsstrahlprofil die Form des Bohrlochs, insbesondere die lokale Abtragstiefe und die Flankensteilheit. Dies gilt insbesondere bei nicht durchgehenden Sacklöchern oder Bohrungen.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Bearbeitungsstrahlprofil über einen 4f-Aufbau in das Material abgebildet, bevorzugt verkleinert, besonders bevorzugt 2 bis 100-fach verkleinert.

Bevorzugt werden zum Materialabtrag eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Pulse mit gleichem Bearbeitungsstrahlprofil in das Material eingebracht, wobei die Position der Abbildung des Bearbeitungsstrahlprofils in das Material dabei stationär gehalten wird. So kann ein Perkussionsbohren mit dem Bearbeitungsstrahlprofil erreicht werden.

Bevorzugt ist das Material im Wesentlichen nicht transparent für die Laserstrahlung und umfasst Materialien wie eine Metallfolie oder ein Polymer oder ein Kunststoff, oder einen Halbleiter oder eine Keramik, oder das Material besteht aus Silizium. Insbesondere kann das Material auch ein Schichtsystem aus verschiedenen Materialen sein. Das Schichtsystem kann insbesondere auch dünne und für die Laserwellenlänge transparenten Zwischenschichten umfassen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dem Laserstrahl das Bearbeitungsstrahlprofil mit einem Verlaufsfilter aufgeprägt, und/oder dem Laserstrahl wird das Bearbeitungsstrahlprofil mit einem Beugungsgitter aufgeprägt, wobei bevorzugt einstellbare Beugungsordnungen mit einer Blendenvorrichtung abgefangen werden, und/oder dem Laserstrahl wird mit einem Polarisationselement eine Polarisationsverteilung aufgeprägt, wobei eine einstellbare Polarisation des Bearbeitungsstrahlprofils durch einen Polarisationsteiler zum Material transmittiert oder zu einer Strahlfalle reflektiert wird, so dass lediglich die gewünschte Intensitätsverteilung in dem Bearbeitungsstrahlprofil verbleibt.

Das Material kann ein Schichtsystem sein und mindestens zwei Schichten umfassen, wobei die in Strahlausbreitungsrichtung oberste Schicht im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls ist, bevorzugt eine Transparenz von mehr als 50% aufweist, der Laserstrahl durch die oberste Schicht in eine zweite Schicht fokussiert werden kann, wobei die zweite Schicht entlang einer Trennebene getrennt werden kann, und die aus der zweiten Schicht abgetrennten lokalen Strukturen oder Teilschichten von der obersten Schicht durch Abheben oder Ablösen der obersten Schicht freigelegt werden können.

Beispielsweise kann das Verfahren Teil eines sogenannten Laser-Lift-Off-Verfahrens sein. Bei dem Laser-Lift-Off-Verfahren können einzelne oder mehrere Schichten oder komplexe Bauteile aus einem Schichtsystem herausstrukturiert werden.

Zu diesem Zweck werden ultrakurze Laserpulse, bevorzugt mit einer Wellenlänge von unter 300nm, besonders bevorzugt 257nm, in das Volumen des Schichtsystems durch ein transparentes Material fokussiert. Der Laserstrahl wird durch ein Gradienten-Filterelement bzw. einen Verlaufsfilter geleitet, wobei dadurch die lokale Struktur der Bearbeitung vorgegeben wird.

Das transparente Material kann hierbei insbesondere Saphir sein oder Saphir umfassen. Das Schichtsystem kann insbesondere GaN umfassen, welches für die Wellenlänge des Lasers nicht transparent ist und somit die Laserenergie absorbiert. Diese Absorption kann zu einer gezielten Schädigung oder zum Induzieren eines lokalen Phasenübergangs, beispielsweise durch Schmelzen oder Verdampfen, oder zu einer lokalen chemischen Reaktion führen, beispielsweise, weil die Reaktivität der Schichtmaterialien durch die größere Temperatur erhöht wird.

In einem weiteren Schritt kann das strukturierte Schichtsystem entlang einer Trennebene getrennt werden, so dass gewissermaßen ein Negativbild der gewünschten Struktur aus dem eigentlichen Schichtsystem abgelöst wird. Senkrecht zur Ausdehnung der Schichten der Schichtstruktur vorliegende Schnitte und/oder Trennungen sind bevorzugt schon vor der Durchführung des Lift-Off Verfahrens eingebracht. Das Ablösen der vorstrukturierten Substrukturen kann daher durch das Trennen der Substrukturen entlang einer in einer Schichtebene liegenden Trennebene erreicht werden.

Das abgelöste Schichtsystem kann beispielsweise auf einem weiteren Substrat zur Weiterverwendung verwendet werden. Beispielsweise kann die abgelöste Schicht mit Hilfe eines Trägersubstrats mit einer adhäsiven Schicht, insbesondere einer adhäsiven Folie, abgelöst und auf einem weiteren Wafer weiterverarbeitet werden. Das Trägersubstrat kann sich dabei direkt in direktem Kontakt mit zumindest einer Schicht des Schichtsystems stehen, beispielsweise auf dieses aufgeklebt sein, oder sich in einem geringen Abstand unter Ausbildung eines Spalts von dem Schichtsystem angeordnet sein.

Insbesondere kann dieses Verfahren zur Herstellung pLEDs verwendet werden, wobei die einzelnen pLEDs aus dem Schichtsystem herausstrukturiert werden.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 A, B, C, D, E einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung sowie verschiedene mit der Vorrichtung bereitgestellte Bearbeitungsstrahlprofile;

Figur 2 A, B, C, D einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem Verlaufsfilter als Gradienten-Filterelement;

Figur 3 A, B einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem Beugungsgitter und einer Blendenvorrichtung als Gradienten-Filterelement;

Figur 4 A, B einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung mit einem

Polarisationselement als Gradienten-Filterelement;

Figur 5 verschiedene Intensitätsverläufe des Bearbeitungsstrahlprofils, welche durch einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung erzeugt wurden;

Figur 6 Draufsichten auf Abbildungen verschiedener mit einem

Bearbeitungsstrahlprofil einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung angefertigter Bohrlöcher; und

Figur 7A, B ein Verfahren zum Strukturieren eines Schichtsystems.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.

In Figur 1 A ist schematisch ein Aufbau einer Vorrichtung 1 zum Abtragen eines Materials 2, insbesondere zum Bohren oder Strukturieren des Materials 2, gezeigt. Ein Laser 3 stellt hierbei einen aus Laserpulsen ausgebildeten Laserstrahl 30 zur Verfügung.

Der Laserstrahl 30 weist beim Verlassen des Lasers typischerweise ein Gauß'sches Strahlprofil in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 30 auf. Dadurch wird im Zentrum des Laserstrahls 30 mehr Energie transportiert als in den Randbereichen des Laserstrahls 30. Ein lateraler Querschnitt durch das Gauß’sche Strahlprofil ist in Figur 1 B schematisch gezeigt.

In einer schematischen Ausführungsform wird der Laserstrahl 30 daher durch ein diffraktives optisches Element beziehungsweise einen n-Shaper oder einer Strahlaufbereitungsoptik 6 vorgeformt. Hierdurch wird beispielsweise aus der Gauß'schen Strahlform eine sogenannter Flat- Top Strahlform erzeugt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie über einen großen Bereich eine im Wesentlichen gleich große Intensität im Laserstrahl 30 zur Verfügung stellt. Ein lateraler Querschnitt durch ein Flat-Top Bearbeitungsstrahlprofil ist schematisch in Figur 1 C gezeigt. Die Strahlaufbereitungsoptik 6 kann, wie in Figur 1 A gezeigt, eine fokussierende Eigenschaft aufweisen, dies ist jedoch ist nicht zwingend für die Erfindung. Auch Strahlaufbereitungsoptiken 6 ohne fokussierende Eigenschaft sind möglich (nicht gezeigt).

Der auf dieses Weise vorgeformte Laserstrahl wird anschließend auf ein Gradienten-Filterelement 4 geleitet, wo der Laserstrahl 30 ein Bearbeitungsstrahlprofil aufgeprägt bekommt, mit welchem der Bearbeitungsprozess im Material 2 vollzogen werden soll. Im gezeigten Beispiel in Figur 1D entspricht die Intensitätsverteilung, die zur Bearbeitung des Materials 2 genutzt werden soll, entlang eines lateralen Schnitts zwei Dreieckskurven, die jeweils symmetrisch zur Strahlausbreitungsrichtung ein Maximum aufweisen.

Das durch das Gradienten-Filterelement 4 auf den Laserstrahl 30 aufgeprägte Bearbeitungsstrahlprofil 32 wird schließlich von einer Abbildungsoptik 5 auf das Material 2 abgebildet, um auf diese Weise eine Bearbeitung des Materials 2 vorzunehmen.

Im Folgenden werden als abbildende, optische Komponenten stets Linsen verwendet, wobei auch andere abbildende optische Komponenten verwendet werden können. Die Abbildungsoptik 5 ist hier wie folgt aufgebaut und im Strahlengang positioniert: Das Gradienten-Filterelement 4 steht in Strahlrichtung vor einer ersten Linse 50 in einem Abstand, welcher der Brennweite F1 der ersten Linse 50 entspricht. In Strahlrichtung hinter der ersten Linse 50 befindet sich eine zweite Linse 52 mit einer Brennweite F2. Zwischen der ersten Linse 50 und der zweiten Linse 52 liegen der bildseitige Brennpunkt der ersten Linse 50 und der objektseitige Brennpunkt der zweiten Linse 52. Beide Brennpunkte fallen zusammen, sodass der Abstand der beiden Linsen 50, 52 der Summe der beiden Brennweiten F1+F2 entspricht. Hinter der zweiten Linse 52 befindet sich die Bearbeitungsebene 54 im Material 2. Die Bearbeitungsebene 54 ist von der zweiten Linse 52 im Abstand F2 angeordnet, welcher entsprechend auch der Brennweite der zweiten Linse 52 entspricht.

Das Bearbeitungsstrahlprofil 32 wird durch die Abbildungsoptik 5 in die Bearbeitungsebene 54 abgebildet. Hierbei kann einer Abbildung auch verkleinert erfolgen, beispielsweise zwischen 2 und 100-fach verkleinert, insbesondere 25-fach verkleinert. Dies bedeutet, dass die räumliche Ausdehnung des Strahlprofils nach dem Gradienten-Filterelement beispielsweise dx beträgt und durch die Abbildungsoptik 5 auf dx/25 verkleinert wird. Dadurch ist es möglich, das Material 2 auf einer deutlich kleineren Größenskala zu bearbeiten, beispielsweise um kleinere Löcher zu bohren oder schärfere Konturen herzustellen.

Die Laserpulse des Laserstrahls 30 treffen in der Bearbeitungsebene 54 auf das Material 2 und werden in diesem zumindest teilweise absorbiert. Bevorzugt ist das Material 2 dabei im Wesentlichen nicht transparent für das Licht des Laserstrahls 30.

Das Material 2 wird während eines Bearbeitungsprozesses und insbesondere während eines Bohrprozesses stationär gehalten, wird also nicht relativ zu dem Bearbeitungsstrahlprofil 32 wegbewegt. Dadurch ist es möglich, mehrere in Form des Bearbeitungsstrahlprofils 32 geformte Laserpulse auf dieselbe Stelle des Materials 2 einzubringen. Dadurch ist es wiederum möglich, das Material 2 aufzuschmelzen und teilweise zu verdampfen, wobei das verdampfte Material das aufgeschmolzene Material teilweise aus dem Bohrloch hinaustreibt. Mit anderen Worten kann ein Perkussionsbohrprozess durchgeführt werden.

Nach einem erfolgten Bohrprozess können das Material 2 und der Laserstrahl relativ zueinander mit der Vorschubvorrichtung 7 neu positioniert werden, um erneut einen weiteren Bearbeitungsprozess zu starten.

Die Geometrie des Bohrlochs wird hierbei durch die Geometrie des Bearbeitungsstrahlprofils, welches durch das Gradienten-Filterelement 4 aufgeprägt wurde, bestimmt. Beispielsweise ist es möglich, durch die Geometrie des Bearbeitungsstrahlprofils und den darin befindlichen Intensitätsgradienten die Abtragstiefe pro Bohrpuls sowie die Flankensteilheit des Bohrlochs zu bestimmen. Insbesondere ist es auch möglich, die Flanken eines Bohrlochs nachzubearbeiten und insbesondere die Steilheit des Bohrlochs anzupassen.

In Figur 2A ist ein mögliches Gradienten-Filterelement in Form eines Verlaufsfilters 42 gezeigt. Der Verlaufsfilter 42 ist eine Neutraldichtefilter, der ortsabhängig verschiedene optische Dichten aufweist. In den schematisch weiß eingefärbten Bereichen ist der Neutraldichtefilter durchlässig für das Licht des Lasers. Im schematisch schwarz eingefärbten Bereich hingegen ist die optische Dichte des Neutraldichtefilter so groß, dass ein Großteil der Energie - beispielsweise die gesamte Energie - dort aus dem Laserstrahl geblockt wird. Somit wird dem Laserstrahl das Profil des Verlaufsfilters als Bearbeitungsstrahlprofil aufgeprägt. Wenn beispielsweise der Laserstrahl 30 vor dem Durchtreten des Verlaufsfilters 42 vorgeformt ist, beispielsweise ein Flat-Top Strahlprofil aufweist, dann entspricht das durch die Abbildungsoptik 5 in die Bearbeitungsebene 54 fokussierte Bearbeitungsstrahlprofil genau dem Verlauf, der durch den Verlaufsfilter 42 vorgegeben ist.

In Figur 2B ist ein schematischer Aufbau gezeigt, wobei der Verlaufsfilter 42 in den Fokus der ersten Linse 50 eingebracht wird. Der Strahlverlauf vor und hinter dem Verlaufsfilter entspricht dem des Aufbaus aus Figur 1 .

Figur 2C zeigt ein schematisches Abtragsprofil, welches durch den Verlaufsfilter 42 erzeugt wird. Das Abtragsprofil ist hierbei ein Querschnitt durch ein schematisch gezeigtes Bohrloch, welches mit dem Gradienten-Filterelement in Form des Verlaufsfilters 42 erzeugt wird. Es ist zu erkennen, dass in den Bereichen hoher Transparenz für das Laserlicht ein deutlich größerer Abtrag des Materials 2 erreicht wird, als an den Stellen, an denen der Verlaufsfilter 42 weniger transparent für das Laserlicht ist. Somit ist es möglich, mittels eines Verlaufsfilters die Form des Bohrlochs zu bestimmen. Insbesondere ist der Verlauf des Verlaufsfilters 42 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Querschnitt stufenförmig, so dass bei den Stufen ein quasi deltaförmiger Intensitätsgradient vorliegt. Dies bewirkt eine sehr große Flankensteilheit der Bohrlochwände.

In Figur 2D ist ein Mikroskopbild eines entsprechend hergestellten Bohrlochs gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass sich die Form des Verlaufsfilters in dem tatsächlich hergestellten Bohrloch widerspiegelt.

In Figur 3A ist eine Vorrichtung 1 gezeigt, welche ein Beugungsgitter 440 und eine Blende 442 verwendet. Durch die Blende 442 werden unerwünschte Strahlanteile aus dem Beugungsmuster heraus gelöscht, wodurch aufgrund der optischen Filterung in der Bearbeitungsebene 54 das resultierende Bearbeitungsstrahlprofil 32 dem Blendenfunktionsprofil entspricht.

In Figur 3B ist eine alternative Konfiguration eines möglichen Aufbaus zum Durchführen des Verfahrens gezeigt. Ein eingestrahlter Laserstrahl 30 mit Gauß'schem Strahlprofil fällt auf das Beugungsgitter 440, wodurch der Laserstrahl in seine Raumfrequenzkomponenten zerlegt wird, welche durch die erste Linse 50 fokussiert werden. Wird die Blende 442 in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls hinter dem Beugungsgitter 440 angeordnet, so können dadurch die unerwünschten Strahlanteile 31 herausgefiltert werden, so dass dem Laserstrahl 30‘ ein Blendenfunktionsprofil aufgeprägt werden kann im gezeigten Beispiel ein beschnittener Gaußstrahl mit weichen Kanten.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform sorgt die zweite Linse 52 hinter der Blende 442 für eine Kollimation des Laserstrahls 30‘, welcher dann schließlich frei von unerwünschten Strahlanteilen 31 ist.

In Figur 4A ist als Gradienten-Filterelement 4 schematisch ein Polarisationselement 460 gezeigt, welches dem Laserstrahl 30 eine ortsabhängige Polarisation aufgeprägt. Das Polarisationselement 460 kann beispielsweise passend für den gewünschten Bearbeitungsprozess gewählt werden. Insbesondere kann das Gradienten-Filterelement zwischen den Bearbeitungsprozessen, beziehungsweise Bohrprozessen auch gewechselt werden, so dass mit der gezeigten Vorrichtung unterschiedlich strukturierte Bohrlöcher geformt werden können.

In Figur 4B ist ein schematischer Aufbau gezeigt, in dem das Gradienten-Filterelement durch ein Polarisationselement 460 ausgebildet ist. Das Polarisationselement 460 prägt dem Laserstrahl 30 eine ortsabhängige Polarisation auf, welche vorzugsweise zwischen der ersten Linse 50 und der zweiten Linse 52 der Abbildungsoptik 5 mit einem Polarisationsteiler 462 selektiert wird. Der Polarisationsteiler kann aber auch vor der ersten Linse 50 angeordnet werden. Im gezeigten Beispiel ist die Einstellung des Polarisationsteilers 462 so gewählt, dass vorzugsweise s- polarisiertes Licht transmittiert wird und mit der Abbildungsoptik 5 in das Material 2 abgebildet wird. Der p-polarisierte Teil des Laserstrahls 30 wird hingegen mit dem Polarisationsteiler 462 in Richtung einer Strahlfalle 464 gelenkt und dort absorbiert.

Durch die Auswahl der Polarisation in dem Polarisationsteiler 462 kann dem Strahl ein

Bearbeitungsstrahlprofil mitsamt Intensitätsgradienten aufgeprägt werden. Das

Bearbeitungsstrahlprofil des transmittierten Strahls weist eine Intensitätsverteilung auf, welche dem Intensitätsverlauf des Verlaufsfilters in Figur 2A entspricht. Das mittels des Polarisationsteilers 462 reflektierte und vernichtete Laserlicht hingegen weist eine Intensitätsverteilung auf, die genau der inversen Intensitätsverteilung entspricht. Im Zentrum des Bearbeitungsstrahlprofils ist keine Laserintensität anzutreffen, während am Rande des Laserstrahls eine sehr hohe Intensität vorliegt.

Im Allgemeinen können beide Strahlteile, also s- und p-polarisierte Strahlteile zum Material 2 geführt werden. Typischerweise wird jedoch nur ein Strahlteil zur Materialbearbeitung verwendet. Zwischen dem Polarisationsfilter und dem Material 2 können weitere polarisationsändernde Elemente eingebracht werden, beispielsweise eine A/4-Platte zur Erzeugung einer zirkularen Polarisation.

In Figur 5 sind Messungen verschiedener Intensitätsverläufe eines Bearbeitungsstrahlprofils in der Bearbeitungsebene 54 gezeigt. In Figur 5A ist ein Intensitätsverlauf gezeigt, der dem Intensitätsverlauf aus Figur 2 entspricht. In Figur 5B ist ein Intensitätsverlauf gezeigt, bei dem am Rande des Bearbeitungsstrahlprofils eine mittelhohe Intensität vorliegt, im Zentrum keine Intensität vorliegt und im Übergangsbereich von Rand zu Zentrum eine sehr hohe Intensität vorliegt. Ein solches Laserstrahlprofil kann beispielsweise bei der Nachbearbeitung von Bohrlöchern eingesetzt werden. In Figur 5C ist ein Intensitätsverlauf des Bearbeitungsstrahlprofils gezeigt, welcher dem p- polarisierten Teil aus Figur 4 entspricht. Die Intensität fällt hierbei vom Rand hin zum Zentrum des Laserstrahls 30 stark ab, wodurch mehr Energie des Lasers am Rande eines Bohrlochs platziert wird.

In Figur 6 sind verschiedene Mikroskopbilder von Bohrlöchern gezeigt, die mit der hier beschriebenen Vorrichtung und dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurden. Das rechteckige Profil des Bohrlochs entsteht durch die Außenkontur des Strahlprofils, die das Gradienten-Filterelement 4 dem Laserstrahl 30 aufprägt. Die Form des Bohrlochs insbesondere die Außenwand des Bohrlochs und deren Steilheit wird durch den Verlauf der Intensität im Bearbeitungsstrahlprofil senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und somit insbesondere durch den Intensitätsgradienten definiert. Beispielsweise kann durch Wahl des Intensitätsgradienten die Steilheit der Außenwand des Bohrlochs definiert werden. So ist beispielsweise in Figur 6A, B ist eine Außenkante des Bohrlochs jeweils 10 pm groß, während sich abhängig vom gewählten Intensitätsprofil das Bohrloch entweder auf etwa 3 pm verjüngt, oder lediglich auf 7 pm verjüngt. Bei dem Bohrloch in Figur 6A ist die Flankensteilheit der Außenwand deutlich geringer als in Figur 6B.

Durch Wahl einer passenden Vergrößerung lässt sich die Größe des Bohrlochs insgesamt steuern.

Beispielsweise lassen sich durch eine passende Vergrößerung Bohrlöcher mit derselben Flankensteilheit in das Material 2 einbringen jedoch der Außendurchmesser insgesamt variieren. Beispielweise wurde in Figur 6C ein Bohrloch gebohrt, dessen Außenkante 15 pm groß ist und welches sich auf 10 pm verjüngt. Die Flankensteilheit ist somit im Wesentlichen gleich der des Bohrlochs aus Figur 6B. In Figur 6D ist ein Bohrloch mit einer Außenkante von 25pm gezeigt, welches sich auf 20pm verjüngt. Hier ist die Flankensteilheit nochmal größer als in Figur 6C.

In Figur 7A ist schematisch ein Laser-Lift-Off-Verfahren gezeigt, bei dem ein Bearbeitungsstrahlprofil 32 ein Material 2, welches im vorliegende Fall ein Schichtsystem ist, strukturiert. Das Schichtsystem 2 kann hierbei mehre Schichten 20, 21 , 22, 23, 24 etc. umfassen. Beispielsweise kann die in Strahlausbreitungsrichtung erste Schicht 20 eine erste transparente Schicht aus Saphir sein, welche ein Materialdicke zwischen 100pm und 5 mm aufweist.

Beispielsweise können die Schichten 21 , 22, 23 ein anderes Material umfassen, wobei eine solche Schicht beispielsweise zwischen 1 nm und 10pm dick sein kann. Beispielsweise kann die Schicht 24 eine Trägerschicht sein, bzw. ein Trägersubstrat sein, etwa eine Folie, ein Klebstoff oder ein Wafer. Insbesondere sind daher die Schichtdicken in den Figur 7A, B nicht maßstabsgetreu gezeichnet.

Beispielsweise kann das Bearbeitungsstrahlprofil 32 ähnlich zu denen der Figuren 5A bis 5C sein. Dabei wird bevorzugt das Bearbeitungsstrahlprofil 32 an die Geometrie der abzulösenden Struktur angepasst um den Ablösevorgang und die Materialschädigung möglichst optimal zu gestalten. Beispielsweise kann die abzulösende Struktur innerhalb der Blendenabbildung liegen.

Mit anderen Worten kann der Ablösevorgang einer jeden Struktur bevorzugt ohne weiteres Bewegen oder Verfahren des Bearbeitungsstrahlprofils 32 erreicht werden.

Beispielsweise kann das Bearbeitungsstrahlprofil 32 durch eine erste transparente Schicht 20 geleitet werden und in einer gewünschte Einbringtiefe eingebracht werden. Durch die Wechselwirkung des Bearbeitungsstrahlprofils 32 mit einer Schicht, beispielsweise der exemplarisch gezeigten Schicht 21 , kann hier eine gezielte Schädigung erreicht werden, so dass das Material 2 in der in der hier in der Schicht 21 liegenden Trennebene getrennt werden kann.

Die vertikalen Schnitte sind in dem gezeigten Beispiel schon vorhanden, so die herauszulösenden Substrukturen nur noch an der Schicht 21 mit dem übrigen Schichtsystem verbunden sind. Durch das Einbringen des Bearbeitungsstrahlprofils 32 kann entsprechend in der Trennebene dann ein Trennen der Substrukturen erreicht werden. Die Trennebene fällt damit beispielsweise mit einer Schicht 21 des Schichtsystems zusammen. Somit kann aus dem Schichtsystem 2 eine Substruktur abgelöst werden. Insbesondere können so Strukturen erzeugt werden, welche entweder direkt auf einem Trägersubstrat befestigt beispielsweise geklebt sind oder auf ein Trägersubstrat, beispielsweise einen weiteren Wafer, übertragen werden können.

In einem Beispiel ist es möglich, dass lediglich die erste Schicht 20 transparent ist. In einem weiteren Beispiel ist es ist aber auch möglich, dass mindestens zwei oder alle Schichten des Schichtsystems 2 transparent sind, oder lediglich die in Strahlausbreitungsrichtung letzten Schichten nicht transparent für die Wellenlänge des Lasers sind. Es ist auch möglich, dass die Schichten 20, 21 , 22, 23, 24 lediglich teilweise transparent sind, solange in der tiefsten Schicht, in der noch eine Materialbearbeitung gewünscht wird, durch die verbleibende Laserstrahlung noch eine entsprechende Materialbearbeitung möglich ist, ohne die umliegenden Schichten unerwünscht zu schädigen.

Bevorzugt werden für diesen Bearbeitungsschritt gepulste Laserstrahlen mit einer Wellenlänge kleiner 400nm insbesondere zwischen 250 nm -350 nm insbesondere 343nm und 257nm und Pulsdauernim fs bis ns Bereich.

In Figur 7B ist schematisch das eigentliche Lift-Off-Verfahren gezeigt. Über ein Trägersubstrat 24 mit einer adhäsiven Schicht können die durch die Strukturierung bearbeiteten Schichten voneinander entfernt werden, da das Material 2 in der Trennebene getrennt wurde. Dadurch bleiben von dem Schichtsystem beispielsweise lediglich Teilschichtsysteme, wie die in der Figur 7B exemplarisch gezeigten Substtrukturen bestehen, die beispielsweise pLEDs sein können.

Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezuqszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Material

3 Laser

30 Laserstrahl

31 unerwünschter Strahlanteil

32 Bearbeitungsstrahlprofil

4 Gradienten-Filterelement

42 Verlaufsfilter

440 Beugungsgitter

442 Blende

460 Polarisationselement

462 Polarisationsteiler

464 Strahlfalle

5 Abbildungsoptik

50 erste Linse

52 zweite Linse

54 Bearbeitungsebene

6 Strahlaufbereitungsoptik

7 Vorschubvorrichtung