Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen zumindest einer Ausnehmung, insbesondere Durchbrechung, in ein transparentes oder transmissives, insbesondere plattenförmiges Material, wobei das Material mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eines Lasers, entlang einer Strahlachse selektiv modifiziert und die

Ausnehmungen anschließend durch einen Ätzprozess erzeugt wird, wobei in einem modifizierten und in den nicht modifizierten Bereichen unterschiedliche Ätzraten auftreten.

Die WO 2016/041544 A1 offenbart bereits ein solches Verfahren zum Einbringen mindestens einer Ausnehmung, insbesondere als eine Durchbrechung, in ein plattenförmiges Werkstück. Hierzu wird eine Laserstrahlung auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet. Die

Einwirkungsdauer der Laserstrahlung wird äußerst kurz gewählt, sodass lediglich eine Modifikation des Werkstückes konzentrisch um eine Strahlachse des Laserstrahles eintritt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kommt es aufgrund der Einwirkung eines ätzenden Mediums durch sukzessives Aufätzen zu einem anisotropen Materialabtrag in denjenigen Bereichen des Werkstückes, die zuvor eine Modifikation durch die Laserstrahlung erfahren haben. Entlang der zylindrischen Einwirkungszone entsteht dadurch eine Ausnehmung als Durchbrechung in dem Werkstück. Insbesondere können die in einem ersten Schritt erzeugten Fehlstellen sukzessive vergrößert und damit eine Ausnehmung oder

Durchbrechung erzeugt werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Modifikationszone im Wesentlichen zylindrisch koaxial zu der Strahlachse verläuft und so zu einem konstanten Durchmesser der Durchbrechung oder der Ausnehmung führt.

Aus der DE 10 2010 025 966 B4 ist ein Verfahren bekannt, bei dem in einem ersten Schritt auf das Glaswerkstück fokussierte Laserimpulse gerichtet werden, deren

Strahlungsintensität so stark ist, dass es zu lokaler, athermischer Zerstörung entlang eines Kanals im Glas kommt. Ferner ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Glas durch die Erzeugung von Filamenten aus der US 2013/126573 A1 bekannt.

Um Strukturen in Glas zu erzeugen, sind darüber hinaus seit langem Ätzverfahren bekannt, beispielsweise die Lithographie. Dabei wird eine Beschichtung belichtet und anschließend lokal geöffnet. Anschließend wird das Substrat geätzt, um die gewünschten Strukturen zu erzeugen. Die Beschichtung dient dabei als Ätzresist. Da der Ätzangriff an den Stellen, an denen der Resist geöffnet wurde, isotrop stattfindet, lassen sich damit aber keine Strukturen mit einem großen Aspektverhältnis erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, durch die elektromagnetische Strahlung das Material derart zu modifizieren, dass im nachfolgenden Ätzprozess einen gewünschter, insbesondere selektiv differierenden Abtrag der

Ausnehmungen und so insbesondere auch Ausnehmungen mit unterschiedlichen

Öffnungswinkeln zu realisieren

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem entlang der Strahlachse in dem Material durch die elektromagnetische Strahlung Modifikationen mit unterschiedlichen Charakteristika, beispielsweise durch unterschiedliche Pulsenergie, erzeugt werden, sodass der Ätzprozess in dem Material inhomogen verläuft und dadurch die Ätzrate in den modifizierten Bereichen bei im Übrigen unveränderten Ätzbedingungen in den mit unterschiedlichen Charakteristika modifizierten Bereichen voneinander abweicht. Hierdurch wird erfindungsgemäß die Möglichkeit geschaffen, die aufgrund der Ätzbehandlung entstehenden Ausnehmungen, insbesondere Durchbrechungen, in dem transparenten oder transmissiven Material gezielt und selektiv durch unterschiedliche Charakteristika der Modifikationen einzustellen. Somit entsteht beispielsweise eine Aufweitung der Ausnehmung nicht infolge eines längeren Ätzangriffes, sondern aufgrund des schneller voranschreitenden Ätzabtrages in Abhängigkeit der unterschiedlichen Charakteristika der Modifikationen. Dabei lassen sich erfindungsgemäß nicht nur kegelförmige Aufweitungen in oberflächennahen Randbereichen erzeugen. Vielmehr kann umgekehrt solchen Aufweitungen entgegengewirkt werden, um beispielsweise zylindrische oder auch konvexe Ausnehmungen zu erzeugen, in dem die Charakteristika der Modifikationen in dem Bereich zwischen den Oberflächen des Materials so eingestellt werden, dass dort ein bevorzugter Ätzabtrag eintritt. Dabei hat es sich als besonders Erfolg versprechend erwiesen, wenn die unterschiedlichen Charakteristika der Modifikationen durch Veränderung der Strahlform der

elektromagnetischen Strahlung insbesondere mittels Phasenmodulation, erzielt werden. Hierdurch kann die Veränderung der Charakteristika in einem unterbrechungsfreien

Arbeitsschritt während der Bearbeitung des Materials erfolgen, sodass die Bearbeitung weitgehend ohne unerwünschte Verzögerungen durchgeführt werden kann.

Darüber hinaus hat es sich ebenfalls als besonders Erfolg versprechend erwiesen, wenn die unterschiedlichen Charakteristika der Modifikationen durch Variation der Prozessparameter, insbesondere der Fokuslage, Pulsenergie, Strahlform und/oder der Intensität erzielt werden, sodass die Variation mit einem vergleichsweise geringen Aufwand bei der Prozessführung realisiert werden kann.

Eine weitere, ebenfalls besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird auch dann erreicht, wenn mehrfach der Zyklus aus Modifikation und Ätzbehandlung des Materials durchgeführt wird. Indem also nach einer ersten Ätzbehandlung eine erneute Modifikation des Materials erfolgt, kann beispielsweise eine Nachbearbeitung mit höherer Genauigkeit durchgeführt werden. Insbesondere in Verbindung mit einem Ätzprozess mit geringen Ätzraten kann so der Abtrag gezielt gesteuert und bei Erreichen gewünschter Sollwerte beendet werden.

Hierbei hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn mehrere Ätzschritte, insbesondere mit unterschiedlichen Ätzbedingungen, durchgeführt werden, sodass ein Optimum an Abtragsleistung einerseits und der erzielbaren Genauigkeit andererseits erreicht wird.

Weiterhin hat es sich bereits als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Oberfläche des

insbesondere plattenförmigen Materials mit einem Ätzresist zumindest abschnittsweise abgedeckt wird und dadurch bei dem nachfolgenden Ätzverfahren vor dem Ätzangriff geschützt ist. Hierdurch kann die Ätzrate durch den einseitigen Ätzangriff gezielt auf die freie Oberfläche konzentriert werden, an welcher ein verstärkter Abtrag erwünscht ist.

Besonders bevorzugt kann durch die Wahl der Prozessparameter der Öffnungswinkel, insbesondere kleiner als 5°, oder der Durchmesser der Ausnehmung beliebig eingestellt werden, wobei die Differenz der Öffnungswinkel aufgrund der Modifikationen mit

unterschiedlichen Charakteristika mehr als 10° betragen kann. Außerdem können Ausnehmungen derart erzeugt werden, dass der Durchmesser und/oder die Form der Ausnehmungen sich um maximal 3 μηι unterscheiden.

Als plattenförmiges, für die elektromagnetische Strahlung transparentes oder transmissives Material können unterschiedliche Werkstoffe zur Anwendung kommen, wobei das

insbesondere plattenförmige Material vorzugsweise als einen wesentlichen Materialanteil Glas, Silizium und/oder Saphir aufweist und dadurch eine hervorragende physikalische und chemische Beständigkeit aufweist, die sich für vielfältige technische Einsatzzwecke optimal eignet.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Anwendungsgebiete beschränkt. Besonders bevorzugt ist eine Verwendung des nach dem Verfahren hergestellten plattenförmigen Materials als eine Düsenplatte einer Druckvorrichtung vorgesehen.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht eines mit Durchbrechungen

versehenen Glassubstrates;

Fig. 2 unterschiedlichen Modifikationstypen;

Fig. 3 verschiedenen Verfahrensschritten bei der Verwendung eines Ätzresistes.

Figur 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines mit einer Durchbrechung 1 versehenen Glassubstrates 2 als Material, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung bei dem Herstellungsverfahren betrifft die individuelle und einstellbare Variation des Kegelwinkels α, ß der Durchbrechung 1 in dem Glassubstrat 2.

Wie zu erkennen, wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals ein Glassubstrat 2 mit Durchbrechungen 1 versehen, die bezogen auf die jeweiligen Außenflächen des

Materials einerseits einen geringen Kegelwinkel α von weniger als 2°, andererseits auf der gegenüberliegenden Seite einen großen Kegelwinkel ß von etwa 20° aufweisen. Hierzu wird in einem ersten Schritt beispielsweise ein 100 μηι dickes Glas als Glassubstrat 2 mit der Strahlung eines Lasersystems modifiziert. Abhängig von der Leistung, die in das Glas eingebracht wird, lassen sich unterschiedlich starke Modifikationen des Glassubstrates 2 einstellen.

Im Folgenden werden die in Figur 2 dargestellten unterschiedlichen Modifikationen als„Typ I" oder„Typ II" bezeichnet. Dabei soll eine„Typ ("-Modifikation eine geringere Veränderung des Glases darstellen, die ebenfalls durch eine geringere Laserleistung erzeugt wird.„Typ N"-Modifi-kationen sind entsprechend starke Veränderungen der Glasstruktur und werden durch höhere Laserleistung hervorgerufen.

Durch die sehr hohe Positioniergenauigkeit der Anlage lässt sich sowohl die durch optische Hilfsmittel langgezogene Brennweite des Lasers als auch die Brennweitenposition in dem Glassubstrat 2 sehr genau definieren.

Grundsätzlich lassen sich die„Typ I"- und„Typ II"- Modifikationen in der in Figur 2 auf der linken Seite dargestellten Variante mit zwei oder mehr Laserpulsen LP1 , LP2 oder entsprechend der auf der rechten Seite dargestellten Variante mit einem einzigen Laserpuls erreichen.

Ein Übergang von einer„Typ ("-Modifikation (geringe Leistung) zu einer„Typ IT-Modifikation (hohe Leistung) lässt sich so bereits durch einen einzelnen Puls unter Berücksichtigung des Leistungsprofils entlang der Ausbreitungsrichtung des Lasers realisieren.

Zur Verstärkung dieses Effektes und zur Erhöhung des Unterschiedes zwischen beiden Modifikationstypen kann nach einer ersten gleichmäßigen„Typ ("-Modifikation entlang des ganzen Glases ein zweiter Puls erhöhter Leistung und mit einer veränderten

Brennweitenposition verwendet werden.

In einem zweiten, in Figur 3 gezeigten Prozessschritt wird eine Seite des Glassubstrates mit einer flusssäurebeständigen Abdeckung, beispielsweise einer Klebefolie als Ätzresist R abgedeckt, sodass in dem folgenden Ätzschritt a nur ein Typ von Modifikation geätzt wird. Nach dem Entfernenen des Atzresistes R in dem Prozesschritt b erfolgt erneut ein Ätzschritt b, wodurch das beidseitge Ätzen des Glassubstrates errreicht wird. Die Varianten I und II unterscheiden sich durch die Anordnung des Atzresistes R, während bei der Variante III auf ein Ätzresist verzichtet wird. Da beide Modifikationstypen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Flusssäure geätzt werden, resultieren daraus die in Figur 1 dargestellten, voneinander abweichenden

Kegelwinkel a, ß. Indem zunächst eine Seite vorgeätzt wird, kann ein einseitiger Unterschied des Lochdurchmessers eingestellt werden.

In einem zweiten Ätzschritt können die Durchbrechungen 1 vergrößert werden.

Entsprechend des dargestellten Schemas lassen sich so beliebig verschiedene Geometrien realisieren.

Als Ätzmedien wurden folgende nasschemische Lösungen realisiert: Flusssäure:

- Konzentration: 1 - 20 %

- Temperatur: 5 - 40 °C

- Zweite Säure: H2S04, HCL, H3P04

Kalilauge:

- Konzentration: 10 - 60 %

- Temperatur: 85 - 160 °C

Anders als beim Stand der Technik können so unterschiedliche Kegelwinkel α, ß und

Lochdurchmesser auf beiden Seiten des Glassubstrates 2 eingestellt werden. So lassen sich individuelle Geometrien der Durchbrechungen 1 produzieren, wobei insbesondere die nach dem Stand der Technik unvermeidlichen Mikrorisse durch das Laserbohren ausgeschlossen sind. Insbesondere kann der Kegelwinkel α, ß der Durchbrechungen 1 im Querschnitt des Substratmaterials veränderlich sein. Beispielsweise ergeben sich daraus Vorteile für die Produktion von Bestandteilen für die Mikrofluidik.

Erfindungsgemäß können entlang der Strahlachse s im Glas mehrere Modifikationen mit unterschiedlichen Charakteristika erzeugt werden, beispielsweise durchgehende Modifikation und Ketten von Bläschen. Dadurch wird der Ätzangriff über die Modifikationslänge inhomogen, insbesondere also die Ätzrate unter konstanten Ätzbedingungen unterschiedlich.

Dabei können folgende Aspekte erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise realisiert werden:

• Änderung der Ätzbedingungen in verschiedenen Bereichen

• beidseitiges oder einseitiges Ätzen (Ätzresist)

• Verwendung als Düsenplatte ^■ alle Löcher identisch, Genauigkeit < 3 μηι

• Öffnungswinkel < 5°

• Unterschied der Öffnungswinkel > 10°

• Unterschiedliche Modifikationen erzielt mittels Phasenmodulation (räumlicher

Lichtmodulator, SLM) oder Variation der Prozessparameter (Fokuslage, Intensität usw.)

Die Bearbeitung wird nachstehend mit Bezug auf die Figur anhand eines Verfahrensbeispiels einer Prozessabfolge zur Erzeugung von zwei unterschiedlichen Kegelwinkeln α, ß innerhalb einer Durchbrechung mit einem Kegelwinkel α von ca. 15° im oberen Bereich und mit einem Kegelwinkel ß, von ca. 2° im unteren Bereich näher erläutert.

Zunächst erfolgt eine Laserstrukturierung mit zwei Laserpulsen mit unterschiedlichen Pulsenergien, wodurch Modifikationen durch die gesamte Dicke des Glassubstrates 2 und zusätzlich einer Kette von Bläschen im oberen Teil des Glassubstrates 2 erzeugt werden.

Anschließend wird das Glassubstrat 2 mit flusssäurebeständiger Folie einseitig laminiert und in einem Halterahmen fixiert. Danach erfolgt das Ätzen der von der Folie nicht geschützten Seite in Flusssäure (1 bis 20 %ige HF) bei einer Temperatur zwischen 5 °C bis 30 °C für 5 bis 60 Minuten.

Hiernach wird ein Bereich der Folie, welche den Bereich der einzubringenden Ausnehmung schützt, entfernt, beispielsweise bei einer als UV-Release-Tape ausgeführten Folie mit UV- Licht bestrahlt oder bei einer als Heat-Release-Tape ausgeführten Folie mit Wärme behandelt. Die Folie verbleibt im Randbereich der einzubringenden Ausnehmung, wodurch die Handhabung des Glassubstrates 2 verbessert wird. Nach dem nachfolgenden erneuten Ätzprozess wird die Folie vollständig entfernt.

Anstelle der Folie kann beispielsweise auch eine Beschichtung mit Chrom durchgeführt werden, wobei das erste Ätzbad so eingestellt wird, dass die Beschichtung erst in einem nachfolgenden Ätzbad abgetragen wird.

Weiterhin kann auch eine weitere Lasermodifikation, beispielsweise nach einer

vorausgegangenen Ätzbehandlung und eine einseitige oder beidseitige Ätzbehandlung vorgenommen werden. Sehr dünne Glassubstrate 2 mit einer Stärke von weniger als 100 μηι werden zur besseren Handhabung während der Prozessierung bevorzugt in Waferrahmen befestigt,

beispielsweise auf diesen aufgeklebt.