Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines Werkstücks, welches ein transparentes Material aufweist.

Aus der DE 10 2019 218 995 Al ist ein Verfahren zum Laserstrahl-Modifizieren eines für den Laserstrahl zumindest weitgehend transparenten Materials bekannt, wobei eine in Strahlausbreitungsrichtung langgezogene Fokuszone eines Einzelpulses des Laserstrahls mit dem Material in Wechselwirkung gebracht wird und wobei durch Wechselwirken des Einzelpulses mit dem Material ein das Material von einer ersten Endfläche bis zu einer zweiten Endfläche durchdringender Kanal mit einem Kanal-Breitenmaß von höchstens 1 pm erzeugt wird.

Aus der EP 3 597 353 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels einer langgezogenen Fokuszone eines Laserstrahls bekannt.

Aus der WO 2016/089799 Al ist ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials mittels mehrerer paralleler nichtbeugender Laserstrahlen bekannt.

Aus der JP 2020 004 889 A ist ein Verfahren zum Trennen und insbesondere Abschrägen eines transparenten Materials bekannt, wobei mittels eines Spatial Light Modulators eine Mehrzahl von Fokuspunkten zur Laserbearbeitung des Materials erzeugt werden.

Aus der US 2020/0147729 Al und der US 2020/0361037 Al sind jeweils Verfahren zur Ausbildung eines abgeschrägten Kantenbereichs an einem transparenten Material mittels eines Laserstrahls bekannt.

Aus der DE 10 2018 110 211 Al ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Kavität in einem Substrat aus sprödhartem Material, vorzugsweise aus Glas oder Glaskeramik bekannt, wobei mittels eines Laserstrahls eine filamentförmige Schädigung im Volumen des Substrates erzeugt wird und wobei das Substrat einem Ätzmedium ausgesetzt wird, welches Material des Substrates mit einer Abtragsrate zwischen 2 pm und 20 pm pro Stunde abträgt. Aus der WO 2017/062798 Al ist ein Verfahren zum Bilden von Durchgängen in einem glasbasierten Substrat bekannt, wobei eine Vielzahl von Ätzpfaden erzeugt wird und mittels eines Ätzmaterials auf Hydroxidbasis entlang der Ätzpfade geätzt wird, wobei eine Ätzrate entlang der Ätzpfade mindestens 12-mal größer ist als eine Ätzrate außerhalb der Ätzpfade.

Aus der WO 2018/162385 Al ist ein Verfahren zum Einbringen zumindest einer Ausnehmung in ein transparentes oder transmissives Material bekannt, wobei mittels elektromagnetischer Strahlung das Material entlang einer Strahlachse selektiv modifiziert wird und die Ausnehmungen anschließend durch einen oder mehrere Ätzschritte erzeugt werden, wobei in einem modifizierten und in den nicht modifizierten Bereichen unterschiedliche Ätzraten auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, welches eine Trennung des Werkstücks mit möglichst hoher Geschwindigkeit und/oder in möglichst kurzer Zeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels eines Eingangslaserstrahls mehrere Fokuselemente bereitgestellt werden, das Material mit den Fokuselementen beaufschlagt wird, durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen in dem Material Materialmodifikationen entlang einer vorgegebenen Bearbeitungslinie ausgebildet werden, und das Material mittels eines Ätzvorgangs mit einer nasschemischen Lösung entlang der Bearbeitungslinie getrennt wird, wobei eine Temperatur der nasschemischen Lösung während des Ätzvorgangs mindestens 100°C und/oder höchstens 150°C beträgt.

Dadurch, dass die Temperatur der nasschemischen Lösung während des Ätzvorgangs in dem genannten Bereich liegt, lässt sich das Material an den entlang der Bearbeitungslinie angeordneten Materialmodifikationen mit einer besonders hohen Ätzrate ätzen, wobei die Ätzrate außerhalb der Materialmodifikationen geringer ist als die Ätzrate an den Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie. Es lässt sich dadurch ein selektives Ätzen mit einer besonders hohen Ätzrate an den Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie realisieren. Hieraus ergibt sich eine möglichst kurze Dauer des Ätzvorgangs, um das Material entlang der Bearbeitungslinie zu trennen. Es lässt sich dadurch das Verfahren mit einer erhöhten Geschwindigkeit ausführen.

Insbesondere erfolgt der Ätzvorgang zur Trennung des Materials nach Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen und/oder nach Ausbildung der Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie.

Durch die Beaufschlagung des Materials des Werkstücks mit den Fokuselementen werden Materialmodifikationen ausgebildet, welche in dem Material an mit den Fokuselementen korrespondierenden Positionen und/oder Abständen angeordnet sind. Insbesondere entspricht ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente einem Abstand zueinander benachbarter Materialmodifikationen, welche mittels dieser Fokuselemente im Material des Werkstücks ausgebildet werden. Es ist allerdings grundsätzlich auch möglich, dass mittels eines Fokuselements mehrere Materialmodifikationen und/oder längliche Materialmodifikationen ausgebildet werden, beispielsweise wenn das Fokuselement eine Bessel-Artige Form aufweist.

Insbesondere sind die entlang der Bearbeitungslinie angeordneten Fokuselemente so beabstandet und/oder weisen eine solche Intensität auf, dass die mittels der Fokuselemente entlang der Bearbeitungslinie ausgebildeten Materialmodifikationen eine Trennung des Materials durch Ätzen mittels der nasschemischen Lösung ermöglichen.

Insbesondere sind die bereitgestellten Fokuselemente jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen im Material angeordnet. Unter der räumlichen Position eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere eine Mittelpunktsposition des entsprechenden Fokuselements zu verstehen.

Darunter, dass mittels des mindestens eines Eingangslaserstrahls mehrere Fokuselemente bereitgestellt werden kann insbesondere zu verstehen sein, dass die Fokuselemente gleichzeitig bereitgestellt werden. Allerdings kann hierunter auch zu verstehen sein, dass ein oder mehrere Fokuselemente jeweils zeitlich versetzt bereitgestellt werden, d.h. dass beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt mindestens ein Fokuselement zur Laserbearbeitung des Werkstücks an einer bestimmten Position zur Verfügung steht und zu einem anderen Zeitpunkt mindestens ein weiteres Fokuselement zur Laserbearbeitung des Werkstücks an einer anderen Position zur Verfügung steht.

Günstig kann es sein, wenn die nasschemische Lösung eine wässrige KOH- Lösung mit einer Konzentration von mindestens 15 Gew.-% und/oder höchstens 50 Gew.-% ist. Dies ermöglicht ein selektives Ätzen des Materials an den entlang der Bearbeitungslinie positionierten Materialmodifikationen.

Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn die nasschemische Lösung eine wässrige NaOH-Lösung mit einer Konzentration von mindestens 15 Gew.-% und/oder höchstens 50 Gew.-% ist.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Temperatur der nasschemischen Lösung während des Ätzvorgangs zeitlich konstant gehalten wird. Es lässt sich dadurch ein selektives Ätzen mit einer zumindest näherungsweise konstanten Ätzrate erreichen. Dadurch lässt sich zudem der Ätzvorgang möglichst kontrolliert durchführen.

Die Temperatur wird insbesondere so gewählt, dass die Ätzrate des Materials an den Materialmodifikationen maximiert wird und die nasschemische Lösung nicht oder nur unwesentlich verdampft. Die Siedetemperatur der nasschemischen Lösung hängt im Fall einer KOH oder NaOH-Lösung beispielsweise von der entsprechenden Konzentration KOH- oder NaOH-Konzentration ab.

Darunter, dass die Temperatur der nasschemischen Lösung zeitlich konstant gehalten wird, ist insbesondere zu verstehen, dass die tatsächliche Temperatur der nasschemischen Lösung während des Ätzvorgangs um weniger als die im nachfolgenden Absatz genannten Differenzwerte von der vorgegebenen (zeitlich konstanten) Temperatur bzw. Solltemperatur abweicht.

Insbesondere wird die Temperatur auf eine zeitlich konstante Solltemperatur von mindestens 100°C und/oder höchstens 150°C geregelt, wobei eine tatsächliche Temperatur der nasschemischen Lösung während des Ätzvorgangs um weniger als 7 K und insbesondere weniger als 5 K und insbesondere weniger als 3 K und insbesondere weniger als 1 K von der Solltemperatur abweicht.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die nasschemische Lösung eine wässrige KOH-Lösung oder eine wässrige NaOH-Lösung ist, wobei eine Konzentration der Lösung so gewählt wird, dass eine Siedetemperatur der Lösung mindestens 5 % und insbesondere mindestens 10 % und insbesondere mindestens 15 % größer als eine zeitlich konstante Solltemperatur der nasschemischen Lösung während des Ätzvorgangs ist.

Beispielsweise weist der Ätzvorgang eine zeitliche Dauer von mindestens 5 min und/oder höchstens 180 min und bevorzugt von mindestens 10 min und/oder höchstens 90 min auf.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Material zur Durchführung des Ätzvorgangs mit der nasschemischen Lösung beaufschlagt wird. Insbesondere wird das Material teilweise oder vollständig mit der nasschemischen Lösung beaufschlagt. Das Material wird insbesondere teilweise oder vollständig in die nasschemische Lösung eingebracht. Insbesondere ist das Material dann teilweise oder vollständig von der nasschemischen Lösung umgeben.

Es kann vorgesehen sein, dass der Ätzvorgang ultraschallunterstützt erfolgt. Beispielsweise erfolgt der Ätzvorgang in einem ultraschallunterstützten Ätzbad. Dadurch lässt sich insbesondere eine Materialtrennung erleichtern. Zudem lässt sich dadurch die Geschwindigkeit des Ätzvorgangs weiter erhöhen.

Es kann vorgesehen sein, dass das Material zur Trennung zusätzlich mit einer mechanischen Spannung und/oder Kraft beaufschlagt wird, und/oder dass das Material zur Trennung zusätzlich mit Wärme beaufschlagt wird. Es lässt sich dadurch insbesondere eine optimierte Trennung des Materials erreichen.

Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente mindestens 3 pm und/oder höchstens 70 pm und bevorzugt mindestens 5 pm und/oder höchstens 10 pm beträgt. Es lässt sich dadurch der Ätzvorgang an den mittels den Fokuselementen ausgebildeten Materialmodifikationen selektiv mit einer besonders hohen Ätzrate durchführen.

Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn ein Abstand zueinander benachbarter Materialmodifikationen mindestens 3 |jm und/oder höchstens 70 pm und bevorzugt mindestens 5 |jm und/oder höchstens 10 |jm beträgt. Der Abstand der zueinander benachbarten Materialmodifikationen in den genannten Wertebereichen bezieht sich auf eine Abstandsrichtung, welche parallel zu einer Vorschubrichtung orientiert ist, in welche die Fokuselemente bei der Laserbearbeitung des Materials relativ zu diesem bewegt werden, und/oder auf eine Abstandsrichtung, welche in einer zur Vorschubrichtung senkrecht orientierten Ebene liegt. Insbesondere bezieht sich der Abstand auf eine Abstandsrichtung, die in einer Bearbeitungsfläche liegt, an welcher Materialmodifikationen angeordnet werden.

Günstig kann es sein, wenn der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist. Durch Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen werden dadurch insbesondere Laserpulse und insbesondere ultrakurze Laserpulse in das Material eingebracht. Dadurch lassen sich beispielsweise Typ-III-Materialmodifikationen in dem Material ausbilden, welche eine Trennung des Materials ermöglichen.

Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn einem bestimmten Fokuselement eine Pulsenergie von mindestens 0,5 pJ und/oder höchstens 10 pJ und bevorzugt von mindestens 1 pJ und/oder höchstens 5 pJ zugeordnet ist.

Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm.

Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder der Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Laserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 pJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von näherungsweise 20 ns aufweisen.

Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl und/oder ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente ausgebildet sind, ein beugendes Strahlprofil und/oder ein gaußförmiges Strahlprofil auf.

Insbesondere weisen die Fokuselemente ein beugendes Strahlprofil und/oder sind beugungsbegrenzt ausgebildet. Beispielsweise weisen ein oder mehrere Fokuselemente eine gaußförmige Form und/oder ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf.

Es ist grundsätzlich auch möglich, dass ein oder mehrere Fokuselemente eine Bessel-artige Form und/oder ein quasi-nichtbeugendes Intensitätsprofil und/oder ein Bessel-Artiges Intensitätsprofil aufweisen. Beispielsweise ist dann dem Eingangslaserstrahl ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet.

Die zur Ausbildung der Materialmodifikationen entlang der Bearbeitungslinie bereitgestellten Fokuselemente können dieselbe Form und/oder dasselbe Intensitätsprofil aufweisen, müssen dies aber nicht notwendigerweise.

Günstig kann es sein, wenn der Eingangslaserstrahl mittels eines Strahlteilungselements in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgeteilt wird und die Fokuselemente durch Fokussierung von aus dem Strahlteilungselement ausgekoppelten Teilstrahlen ausgebildet werden. Es lassen sich dadurch die Fokuselemente als Kopien zueinander ausbilden. Insbesondere lassen sich dadurch die Fokuselemente auf technisch einfache Weise an unterschiedlichen Positionen und/oder mit unterschiedlichen Abständen in das Material des Werkstücks einbringen.

Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt oder eine Phasenaufprägung auf einen Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls umfasst.

Beispielsweise ist das Strahlteilungselement als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D-Strahlteilungselement.

Beispielsweise umfasst das Strahlteilungselement mehrere Komponenten und/oder Funktionalitäten. Es kann vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement sowohl ein 3D-Strahlteilungselement als auch ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst.

Es kann vorgesehen sein, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls ausschließlich durch Phasenaufprägung auf den Strahlquerschnitt des Eingangslaserstrahls erfolgt.

Insbesondere erfolgt die Phasenaufprägung in transversaler Richtung des Eingangslaserstrahls. Die transversale Richtung liegt in einer zur Strahlausbreitungsrichtung des Eingangslaserstrahls senkrecht orientierten Ebene.

Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls mittels des Strahlteilungselements durch Polarisationsstrahlteilung erfolgt oder eine Polarisationsstrahlteilung umfasst. Beispielsweise lassen sich dann zueinander benachbarte Fokuselemente jeweils mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Es kann dadurch insbesondere eine Interferenz zueinander benachbarter Fokuselemente verhindert werden. Dadurch lassen sich zueinander benachbarte Fokuselemente beispielsweise mit einem besonders geringen Abstand zueinander anordnen.

Es ist grundsätzlich möglich, dass die Aufteilung des Eingangslaserstrahls sowohl mittels Phasenaufprägung als auch mittels Polarisationsstrahlteilung erfolgt.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die Bearbeitungslinie über eine Dicke des Materials des Werkstücks und/oder über eine Dicke eines von dem Werkstück abzutrennenden Werkstücksegments räumlich durchgängig ausgebildet ist. Es lässt sich dadurch beispielsweise das Werkstück in zwei Teile teilen bzw. ein Werkstücksegment von dem Werkstück abtrennen.

Insbesondere erstreckt sich die Bearbeitungslinie von einer Außenseite des Werkstücks in einen Innenbereich des Materials.

Unter einer Außenseite des Werkstücks ist insbesondere eine Außenseite des Materials des Werkstücks zu verstehen. In dieses Material werden die Fokuselemente eingebracht.

Beispielsweise erstreckt sich die Bearbeitungslinie insbesondere räumlich durchgängig von einer ersten Außenseite des Werkstücks, durch welche die Fokuselemente und/oder ein Laserstrahl zur Ausbildung der Fokuselemente in das Material eingekoppelt werden, zu einer in Dickenrichtung des Werkstücks beabstandeten zweiten Außenseite des Werkstücks.

Insbesondere sind der Bearbeitungslinie jeweils Materialmodifikationen und/oder Risse zugeordnet, welche sich von einem Innenbereich des Materials bis an eine Außenseite des Werkstücks erstrecken. Es lässt sich dadurch nasschemische Lösung an der Außenseite in diese Materialmodifikationen bzw. Risse der Bearbeitungslinie einkoppeln.

Insbesondere korrespondiert eine Form der Bearbeitungslinie mit einer Form und/oder Querschnittsform und insbesondere mit einer Soll-Form und/oder Soll- Querschnittsform einer durch Trennung des Materials auszubildenden oder ausgebildeten Trennfläche. Es lässt sich somit mittels der Bearbeitungslinie eine Kantengeometrie und/oder eine Querschnittsgeometrie und insbesondere eine Soll-Kantengeometrie und/oder Soll-Querschnittsgeometrie einer durch Trennung des Materials entstehenden Trennfläche definieren.

Beispielsweise weist die mindestens eine Bearbeitungslinie eine Gesamtlänge zwischen 50 pm und 5000 pm und vorzugsweise zwischen 100 pm und 1000 pm auf. Es lassen sich dadurch Werkstücke mit einer Dicke im genannten Bereich bearbeiten und insbesondere Trennen. Das Material des Werkstücks weist beispielsweise eine Dicke zwischen 50 pm und 5000 pm und vorzugsweise zwischen 100 pm und 1000 pm, beispielsweise ca. 500 pm, auf.

Die Bearbeitungslinie ist nicht notwendigerweise räumlich zusammenhängend ausgebildet, sondern kann verschiedene räumlich getrennte Abschnitte aufweisen. Insbesondere kann die Bearbeitungslinie Lücken und/oder Unterbrechungen aufweisen, an denen keine Fokuselemente angeordnet sind.

Insbesondere entspricht die Bearbeitungslinie einer Verbindungslinie zwischen zueinander benachbarten Fokuselementen innerhalb des Materials.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise eine Gerade ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise gekrümmt ist und/oder eine Kurve ist.

Durch Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve lassen sich beispielsweise abgerundete Segmente von dem Werkstück abtrennen. Dadurch lassen sich beispielsweise abgerundete Kanten erzeugen.

Bei Ausführung der Bearbeitungslinie als Kurve ist der Bearbeitungslinie beispielsweise ein bestimmter Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie bezüglich einer Außenseite des Werkstücks aufweist.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Abstand zueinander benachbarter Fokuselemente eine von Null verschiedene Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist. Insbesondere weist der jeweilige Abstand aller benachbarter Fokuselemente, welche zur Laserbearbeitung des Werkstücks vorgesehen sind, eine von Null verschiedene Abstandskomponente auf, welche parallel zur Dickenrichtung des Werkstücks orientiert ist.

Unter der Dickenrichtung des Werkstücks ist insbesondere eine Richtung zu verstehen, welche quer und insbesondere senkrecht zu einer Außenseite des Werkstücks orientiert ist, durch welche die Fokuselemente und/oder ein Laserstrahl zur Ausbildung der Fokuselemente in das Material eingekoppelt werden.

Insbesondere weist die zur Dickenrichtung parallele Abstandskomponente einen Wert auf, welcher betragsmäßig größer als Null ist.

Unter einem benachbarten Fokuselement ist insbesondere ein nächster Nachbar eines bestimmten Fokuselements zu verstehen.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Abstand der zueinander benachbarten Fokuselemente eine von Null verschiedene Abstandskomponente aufweist, welche parallel zu einer Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls orientiert ist, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind. Insbesondere weist der jeweilige Abstand aller benachbarter Fokuselemente, welche zur Laserbearbeitung des Werkstücks vorgesehen sind, diese von Null verschiedene Abstandskomponente auf.

Günstig kann es sein, wenn ein Anstellwinkel zwischen der Bearbeitungslinie und einer Außenseite des Werkstücks, durch welche die Fokuselemente in das Material des Werkstücks eingekoppelt werden, zumindest abschnittsweise mindestens 1° und/oder höchstens 90° beträgt. Je nach Wahl des Anstellwinkels lässt sich dadurch beispielsweise eine senkrechte Trennung des Werkstücks ausführen oder es lässt sich das Werkstück unter einem bestimmten Winkel anfasen.

Darunter, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise einen bestimmten Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist, ist insbesondere zu verstehen, dass die Bearbeitungslinie zumindest einen Abschnitt mit diesem Anstellwinkel bzw. Anstellwinkelbereich aufweist.

Insbesondere kann der Anstellwinkel mindestens 10° und/oder höchstens 80°, bevorzugt mindestens 30° und/oder höchstens 60°, besonders bevorzugt mindestens 40° und/oder höchstens 50°, betragen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Anstellwinkel der Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise konstant ist, und/oder dass die Bearbeitungslinie mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Anstellwinkeln aufweist.

Die durch ultrakurze Laserpulse in transparente Materialien eingebrachten Materialmodifikationen werden in drei verschiedene Klassen unterteilt, siehe K. Itoh et al. "Ultrafast Processes for Bulk Modification of Transparent Materials" MRS Bulletin, vol. 31 p.620 (2006): Typ I ist eine isotrope Brechungsindexänderung; Typ II ist eine doppelbrechende Brechungsindexänderung; und Typ III ist ein sogenannter Void beziehungsweise Hohlraum. Die erzeugte Materialmodifikation hängt hierbei von Laserparametern des Laserstrahls, aus welchem das jeweilige Fokuselement gebildet ist, wie z.B. der Pulsdauer, der Wellenlänge, der Pulsenergie und der Repetitionsfrequenz des Laserstrahls, und von den Materialeigenschaften, wie unter Anderem der elektronischen Struktur und dem thermischen Ausdehnungskoeffizient, sowie von der numerischen Apertur (NA) der Fokussierung, ab.

Die isotropen Brechungsindexänderungen des Typs I werden auf ein örtlich begrenztes Aufschmelzen durch die Laserpulse und eine schnelle Wiedererstarrung des transparenten Materials zurückgeführt. Beispielsweise ist bei Quarzglas die Dichte und der Brechungsindex des Materials höher, wenn das Quarzglas von einer höheren Temperatur schnell herunter gekühlt wird. Wenn also das Material im Fokusvolumen schmilzt und dann schnell abkühlt, weist das Quarzglas in den Bereichen der Materialmodifikation einen höheren Brechungsindex auf, als in den nicht modifizierten Bereichen.

Die doppelbrechenden Brechungsindexänderungen des Typs II können beispielsweise durch Interferenzen zwischen dem ultrakurzen Laserpuls und dem elektrischen Feld des durch die Laserpulse erzeugten Plasmas entstehen. Diese Interferenz führt zu periodischen Modulationen in der Elektronenplasmadichte, welche beim Erstarren zu einer doppelbrechenden Eigenschaft, also richtungsabhängigen Brechungsindizes, des transparenten Materials führt. Eine Typ II Modifikation geht beispielsweise auch mit der Bildung von sogenannten Nanogratings einher. Die Voids (Hohlräume) der Typ III-Modifikationen können beispielsweise mit einer hohen Laserpulsenergie erzeugt werden. Hierbei wird die Bildung der Voids einer explosionsartigen Ausdehnung von hoch angeregtem, verdampftem Material aus dem Fokusvolumen in das umgebende Material zugeschrieben. Dieser Prozess wird auch als Mikroexplosion bezeichnet. Da diese Ausdehnung innerhalb der Masse des Materials stattfindet, hinterlässt die Mikroexplosion einen weniger dichten oder hohlen Kern (der Void), beziehungsweise eine mikroskopische Fehlstelle im Submikrometer-Bereich oder im atomaren Bereich, der oder die von einer verdichteten Materialhülle umgeben ist. Durch die Verdichtung an der Stoßfront der Mikroexplosion entstehen in dem transparenten Material Spannungen, die zu einer spontanen Rissbildung führen können, beziehungsweise eine Rissbildung begünstigen können.

Insbesondere kann die Bildung von Voids auch mit Typ I und Typ II Modifikationen einhergehen. Beispielsweise können Typ I und Typ II Modifikationen in den weniger beanspruchten Gebieten um die eingebrachten Laserpulse herum entstehen. Wenn demnach vom Einbringen einer Typ III Modifikation die Rede ist, dann ist in jedem Fall ein weniger dichter oder hohler Kern beziehungsweise eine Fehlstelle vorhanden. Beispielsweise wird in Saphir bei einer Typ III Modifikation durch die Mikroexplosion kein Hohlraum erzeugt, sondern ein Bereich geringerer Dichte. Aufgrund der auftretenden Materialspannungen bei einer Typ III Modifikation geht eine solche Modifikation zudem oft mit einer Rissbildung einher oder begünstig diese zumindest. Die Bildung von Typ I und Typ II Modifikationen kann beim Einbringen von Typ III Modifikationen nicht vollständig unterbunden oder vermieden werden. Das Auffinden von "reinen" Typ III Modifikationen ist daher nicht wahrscheinlich.

Bei hohen Repetitionsraten des Laserstrahls kann das Material zwischen den Pulsen nicht vollständig abkühlen, sodass kumulative Effekte der eingebrachten Wärme von Puls zu Puls einen Einfluss auf die Materialmodifikation nehmen können. Beispielsweise kann die Repetitionsfrequenz des Laserstrahls höher sein als der Kehrwert der Wärmediffusionszeit des Materials, sodass in an den Fokuselementen durch sukzessive Absorption von Laserenergie eine Wärmeakkumulation stattfinden kann, bis die Schmelztemperatur des Materials erreicht ist. Durch den thermischen Transport der Wärmeenergie in die die Fokuselemente umliegenden Gebiete kann zudem ein größerer Bereich als die Fokuselemente aufgeschmolzen werden. Nach dem Einbringen von ultrakurzen Laserpulsen, kühlt das erwärmte Material schnell ab, so dass die Dichte und andere strukturelle Eigenschaften des Hochtemperaturzustands im Material gewissermaßen eingefroren werden.

Vorteilhaft kann es sein, wenn durch die Beaufschlagung des Materials mit den Fokuselementen Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet werden, wobei die Materialmodifikationen Typ-III-Materialmodifikationen sind, und/oder wobei die Materialmodifikationen mit einer Rissbildung des Materials einhergehen. Insbesondere lässt sich mittels dieser Materialmodifikationen eine Trennung des Materials durch Ätzen und insbesondere selektives Ätzen realisieren.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente relativ zu dem Material des Werkstücks in eine Vorschubrichtung bewegt werden. Vorzugsweise liegen die Fokuselemente zumindest näherungsweise in einer Ebene, welche insbesondere senkrecht zur Vorschubrichtung orientiert ist.

Durch die Relativbewegung der Fokuselemente zu dem Material des Werkstücks wird eine mit der Bearbeitungslinie korrespondierende Bearbeitungsfläche ausgebildet, entlang welcher Materialmodifikationen angeordnet sind und/oder entlang welcher das Material des Werkstücks trennbar ist.

Insbesondere wird das Werkstück bei dessen Trennung in zwei oder mehr Werkstücksegmente geteilt oder es wird bei dessen Trennung mindestens ein Werkstücksegment von dem Werkstück abgetrennt.

Ein durch Trennung des Werkstücks ausgebildetes Werkstücksegment kann ein Nutzsegment und/oder Gutstücksegment sein, welches insbesondere eine Trennfläche aufweist, die eine mit einer Form der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche korrespondierende Form aufweist. Weiter kann ein durch Trennung des Werkstücks ausgebildetes Werkstücksegment ein Verschnittsegment und/oder Abfallsegment sein. Insbesondere entsteht durch Trennung des Werkstücks entlang der Bearbeitungsfläche ein Werkstücksegment mit einer Trennfläche, deren Geometrie der Bearbeitungsfläche entspricht.

Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein für den Eingangslaserstrahl und/oder einen Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, transparentes Material zu verstehen. Insbesondere ist darunter ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie des Eingangslaserstrahls und/oder des Laserstrahls, aus welchem die Fokuselemente gebildet sind, transmittiert wird.

Insbesondere ist unter einem Fokuselement ein fokussierter Strahlungsbereich des Eingangslaserstrahls zu verstehen, welcher insbesondere eine bestimmte räumliche Ausdehnung aufweist, und/oder welcher insbesondere räumlich zusammenhängend ausgebildet ist. Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen eines bestimmten Fokuselements, wie z.B. eines Durchmessers des Fokuselements, werden nur Intensitätswerte betrachtet, welche oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, sodass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums des Fokuselements.

Insbesondere ist einem bestimmten Fokuselement jeweils ein räumlicher Wechselwirkungsbereich zugeordnet, in welchem das Fokuselement mit dem Material des Werkstücks wechselwirkt, wenn es in dieses eingebracht wird.

Insbesondere wechselwirken die in das Material eingebrachten Fokuselemente mit dem Material durch nichtlineare Absorption, d.h. die den Fokuselementen zugeordnete Laserstrahlung wechselwirkt mit dem Material durch nichtlineare Absorption. Insbesondere werden aufgrund dieser Wechselwirkung zwischen den Fokuselementen und dem Material die Materialmodifikationen in dem Material ausgebildet.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die jeweiligen Fokuselemente gemäß der vorstehenden Definition eine maximale räumliche Ausdehnung von mindestens 0,5 |jm und/oder höchstens 60 |jm, bevorzugt mindestens 2 pm und/oder höchstens 10 pm, aufweisen. Insbesondere beträgt eine maximale räumliche Ausdehnung eines einem bestimmten Fokuselement zugeordneten Wechselwirkungsbereichs mit dem Material des Werkstücks mindestens 0,5 pm und/oder höchstens 60 pm, und vorzugsweise mindestens 2 pm und/oder höchstens 10 pm.

Unter der maximalen räumlichen Ausdehnung eines bestimmten Fokuselements ist insbesondere die größte räumliche Ausdehnung des Fokuselements in einer beliebigen Raumrichtung zu verstehen.

Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Materials des Werkstücks, in welchem eine Trennung des Materials entlang einer Bearbeitungslinie vorgesehen ist; Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung des Abschnitts gemäß Fig. 2, wobei das Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen mit mehreren Fokuselementen beaufschlagt wird;

Fig. 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Materials, in welchem durch Beaufschlagung des Materials mit Fokuselementen Materialmodifikationen erzeugt wurden, welche mit einer Rissbildung des Materials einhergehen;

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung von Fokuselementen zur Laserbearbeitung des Werkstücks;

Fig. 6a eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstücks mit daran ausgebildeten Materialmodifikationen, wobei das Werkstück in einem Ätzbad zur Durchführung eines Ätzvorgangs angeordnet ist; und

Fig. 6b eine schematische perspektivische Darstellung von zwei Werkstücksegmenten, welche durch Trennung des Werkstücks gemäß Fig. 6a gebildet sind.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 100 lassen sich in einem Material 102 des Werkstücks 104 lokalisierte Materialmodifikationen, wie beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomaren Bereich, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge haben. An diesen Materialmodifikationen lässt sich das Werkstück 104 trennen. Beispielsweise lässt sich mittels den erzeugten Materialmodifikationen ein Werkstücksegment von dem Werkstück 104 abtrennen. Insbesondere können mittels der Vorrichtung 100 Materialmodifikationen unter einem Anstellwinkel in das Material 102 eingebracht werden, sodass sich durch Abtrennung eines entsprechenden Werkstücksegments von dem Werkstück 104 ein Kantenbereich des Werkstücks 104 anfasen oder abschrägen lässt.

Die Vorrichtung umfasst ein Strahlteilungselement 106, in welches ein Eingangslaserstrahl 108 eingekoppelt wird. Dieser Eingangslaserstrahl 108 wird beispielsweise mittels einer Laserquelle 110 bereitgestellt. Beispielsweise ist der Eingangslaserstrahl 108 ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl.

Unter dem Eingangslaserstrahl 108 ist insbesondere ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl insbesondere parallel verlaufender Strahlen umfasst. Der Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere einen transversalen Strahlquerschnitt 112 und/oder eine transversale Strahlausdehnung auf, mit welchem bzw. welcher der Eingangslaserstrahl 108 auf das Strahlteilungselement 106 trifft.

Der auf das Strahlteilungselement 106 treffende Eingangslaserstrahl 108 weist insbesondere zumindest näherungsweise ebene Wellenfronten 114 auf.

Mittels des Strahlteilungselements 106 wird der Eingangslaserstrahl 108 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln aufgeteilt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind zwei voneinander verschiedene Teilstrahlen 116a und 116b angedeutet.

Die aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel weisen insbesondere ein divergentes Strahlprofil auf. Insbesondere ist das Strahlteilungselement 106 als Fernfeldstrahlformungselement ausgebildet.

Zur Fokussierung der aus dem Strahlteilungselement 106 ausgekoppelten Teilstrahlen 116 umfasst die Vorrichtung 100 eine Fokussieroptik 118, in welche die Teilstrahlen 116 eingekoppelt werden. Insbesondere treffen voneinander verschiedene Teilstrahlen 116 mit einem Ortsversatz und/oder Winkel versatz auf die Fokussieroptik 118 auf.

Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente auf. Beispielsweise ist die Fokussieroptik 118 als Mikroskopobjektiv ausgebildet. Die Fokussieroptik 118 weist beispielsweise eine Brennweite zwischen 5 mm und 50 mm auf.

Beispielsweise ist das Strahlteilungselement 106 zumindest näherungsweise in einer rückseitigen Brennebene der Fokussieroptik 118 angeordnet.

Die Teilstrahlen 116 werden mittels der Fokussieroptik 118 fokussiert, sodass mehrere Fokuselemente 120 ausgebildet werden, welche jeweils an unterschiedlichen räumlichen Positionen angeordnet sind. Es ist grundsätzlich möglich, dass sich voneinander verschiedene und/oder zueinander benachbarte Fokuselemente abschnittsweise räumlich überlappen.

Beispielsweise sind einem bestimmten Fokuselement 120 jeweils ein oder mehrere Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel zugeordnet. Beispielsweise wird ein jeweiliges Fokuselement 120 durch Fokussierung ein oder mehrerer Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündel ausgebildet.

Unter einem Fokuselement 120 ist insbesondere ein fokussierter Strahlungsbereich zu verstehen, wie z.B. ein Fokusspot, ein Fokuspunkt oder eine Fokuslinie. Insbesondere weisen die Fokuselemente 120 jeweils eine bestimmte geometrische Form und/oder ein bestimmtes Intensitätsprofil auf, wobei unter der geometrischen Form beispielsweise eine räumliche Form und/oder räumliche Ausdehnung des jeweiligen Fokuselements 120 zu verstehen ist.

Die geometrische Form und/oder das Intensitätsprofil eines bestimmten Fokuselements 120 wird im Folgenden als Fokusverteilung 121 des Fokuselements 120 bezeichnet. Die Fokusverteilung 121 ist eine Eigenschaft der jeweiligen Fokuselemente 120 und beschreibt deren Form und/oder Intensitätsprofil. Insbesondere weisen mehrere Fokuselemente 120 oder alle ausgebildeten Fokuselemente 120 dieselbe Fokusverteilung auf.

Die Fokusverteilung der ausgebildeten Fokuselemente 120 wird durch den Eingangslaserstrahl 108 definiert, durch dessen Aufteilung mittels des Strahlteilungselements 106 die Fokuselemente 120 ausgebildet werden. Würde der Eingangslaserstrahl 108 vor dessen Einkopplung in das Strahlteilungselement 106 fokussiert werden, so würde beispielsweise ein einziges Fokuselement mit der dem Eingangslaserstrahl 108 zugeordneten Fokusverteilung ausgebildet werden.

Beispielsweise weist der Eingangslaserstrahl 108, wenn dieser z.B. mittels der Laserquelle 110 bereitgestellt wird, ein gaußförmiges Strahlprofil auf. Durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 würde in diesem Fall ein Fokuselement ausgebildet werden, welches eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil aufweist.

Alternativ hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dem Eingangslaserstrahl 108 ein quasi-nichtbeugendes und/oder Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, sodass durch Fokussierung des Eingangslaserstrahls 108 ein Fokuselement ausgebildet werden würde, welches eine Fokusverteilung mit quasi-nichtbeugender bzw. Bessel-artiger Form und/oder quasi- nichtbeugendem bzw. Bessel-artigem Intensitätsprofil aufweist.

Den durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels des Strahlteilungselements 106 ausgebildeten Teilstrahlen 116 und/oder Teilstrahlenbündeln ist die Fokusverteilung des Eingangslaserstrahls 108 derart zugeordnet, dass durch Fokussierung der Teilstrahlen 116 die Fokuselemente 120 mit dieser Fokusverteilung und/oder mit einer auf dieser Fokusverteilung basierenden Fokusverteilung ausgebildet werden.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist der Eingangslaserstrahl 108 ein gaußförmiges Strahlprofil auf, d. h. dem Eingangslaserstrahl 108 ist eine Fokusverteilung mit gaußförmiger Form und/oder gaußförmigem Intensitätsprofil zugeordnet. Die Fokuselemente 120 weisen dann beispielsweise jeweils die Fokusverteilung 121 mit dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil oder mit einer auf dieser gaußförmigen Form und/oder diesem gaußförmigem Intensitätsprofil basierenden Form bzw. basierendem Intensitätsprofil auf (vgl. Fig. 5).

Falls dem Eingangslaserstrahl 108 beispielsweise ein Bessel-artiges Strahlprofil zugeordnet ist, weisen die zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 jeweils eine Fokusverteilung 121 mit diesem Bessel-artigen Strahlprofil oder mit einem auf diesem Bessel-artigen Strahlprofil basierenden Strahlprofil auf. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise jeweils mit einer Fokusverteilung ausbilden, welche eine längliche Form und/oder ein längliches Intensitätsprofil aufweist.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Strahlformungseinrichtung 122 zur Strahlformung des Eingangslaserstrahls 108 aufweist (angedeutet in Fig. 1). Beispielsweise ist diese Strahlformungseinrichtung 122 bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 vor dem Strahlteilungselement 106 angeordnet und/oder zwischen der Laserquelle 110 und dem Strahlteilungselement 106 angeordnet.

Unter einer Strahlausbreitungsrichtung ist insbesondere eine Haupt- Strahlausbreitungsrichtung und/oder eine mittlere Ausbreitungsrichtung von Laserstrahlen zu verstehen.

Mittels der Strahlformungseinrichtung 122 lässt sich dem Eingangslaserstrahl 108 insbesondere eine bestimmte Fokusverteilung und/oder ein bestimmtes Strahlprofil zuordnen. Insbesondere lässt sich mittels der Strahlformungseinrichtung 122 die Fokusverteilung 121 der Fokuselemente 120 definieren.

Die Strahlformungseinrichtung 122 kann beispielsweise eingerichtet sein, um aus einem Laserstrahl mit gaußförmigem Strahlprofil einen Laserstrahl mit quasi- nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden. Dem in das Strahlteilungselement 106 eingekoppelten Eingangslaserstrahl 108 ist dann das quasi-nichtbeugende und/oder Bessel-artige Strahlprofil zugeordnet. Entsprechend werden dann die Fokuselemente 120 mit diesem quasi- nichtbeugenden und/oder Bessel-artigen Strahlprofil oder mit einem auf diesem Strahlprofil basierenden Strahlprofil ausgebildet.

Beispielsweise kann die Strahlformungseinrichtung 122 ein Axiconelement umfassen, um Laserstrahlen mit quasi-nichtbeugendem und/oder Bessel-artigem Strahlprofil auszubilden. Zur Einkopplung von aus der Strahlformungseinrichtung 122 ausgekoppelten Strahlen in das Strahlteilungselement 106 können dann beispielsweise ein oder mehrere Linsenelemente vorgesehen sein (nicht gezeigt).

Hinsichtlich der Definition und der Realisierung quasi-nichtbeugender und/oder Bessel-artiger Strahlen wird auf das Buch "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 sowie auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012 und "Generalized axicon-based generation of nondiffracting beams" von K. Chen et al., arXiv: 1911.03103vl [physics. optics], 8. November 2019, verwiesen.

Durch Strahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 werden die Fokuselemente 120 insbesondere jeweils identisch zueinander ausgebildet und/oder jeweils als Kopien zueinander ausgebildet.

Ein schematischer Querschnitt des Werkstücks 104 und des Materials 102 ist in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, wobei eine Querschnittsebene parallel zu einer Dickenrichtung 126 und/oder Tiefenrichtung des Werkstücks orientiert ist (bei dem gezeigten Beispiel ist die Dickenrichtung 126 parallel zur z-Richtung orientiert).

Es ist vorgesehen, dass das Werkstück 104 nach erfolgter Laserbearbeitung mittels der Vorrichtung 100 entlang einer vordefinierten Bearbeitungslinie 128 getrennt wird. Die Bearbeitungslinie 128 korrespondiert mit einer Querschnittsgeometrie, mit welcher eine Trennung des Werkstücks 104 erfolgen soll.

Zur Durchführung der Laserbearbeitung werden die Fokuselemente 120 in das Material 102 des Werkstücks 104 eingebracht (Fig. 3). Es ist vorgesehen, dass die in das Material 102 des Werkstücks 104 eingebrachten Fokuselemente 120 relativ zu dem Material 102 in eine Vorschubrichtung 130 bewegt werden. Eine Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 erfolgt in Vorschubrichtung 130 insbesondere mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit.

Jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 ist eine bestimmte örtliche Position xo, zo zugeordnet, an welcher ein jeweiliges Fokuselement 120 bezüglich des Materials 102 des Werkstücks 104 angeordnet ist. Beispielsweise ist unter der örtlichen Position eines Fokuselements 120 die Position seines räumlichen Mittelpunkts und/oder Schwerpunkts zu verstehen.

Insbesondere liegen die örtlichen Positionen xo, zo der jeweiligen Fokuselemente 120 in einer zur Vorschubrichtung 130 senkrecht orientierten Ebene, wobei insbesondere alle zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildeten Fokuselemente 120 in dieser Ebene liegen.

Insbesondere ist jedem der ausgebildeten Fokuselemente 120 eine bestimmte Intensität I zugeordnet.

Mittels des Strahlteilungselements 106 lassen sich die örtliche Position xo, zo und insbesondere auch die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 einstellen.

Insbesondere lässt sich mittels des Strahlteilungselements 106 ein jeweiliger Abstand d und/oder ein jeweiliger Ortsversatz zwischen einander benachbarten Fokuselementen 120 einstellen. Eine Abstandsrichtung des mittels des Strahlteilungselements 106 einstellbaren Abstands d liegt vorzugsweise in einer Ebene, welche quer und insbesondere senkrecht zur Vorschubrichtung 130 orientiert ist. Beispielsweise ist der Abstand d mittels des Strahlteilungselements 106 komponentenweise in zwei Raumrichtungen einstellbar, welche die genannte Ebene aufspannen oder in der genannten Ebene liegen (bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel x-Richtung und z-Richtung).

Die Vorschubrichtung 130 ist quer und insbesondere senkrecht zu der Dickenrichtung 126 des Werkstücks 104 orientiert.

Vorzugsweise ist das Strahlteilungselement 106 als 3D-Strahlteilungselement ausgebildet oder umfasst ein 3D-Strahlteilungselement. Die Fokuselemente 120 lassen sich dadurch beispielsweise derart ausbilden, dass diese jeweils identisch zueinander sind und/oder dass diese jeweils Kopien zueinander darstellen.

Hinsichtlich der technischen Realisierung und Eigenschaften des als 3D- Strahlteilungselement ausgeführten Strahlteilungselements 106 wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119vl [physics. optics], 18. Dezember 2020, verwiesen.

Zur Durchführung der Strahlteilung wird bei einer Ausführungsform des Strahlteilungselements 106, bei welcher das Strahlteilungselement 106 beispielsweise als 3D-Strahlteilungselement ausgeführt ist, auf den transversalen Strahlquerschnitt 112 des Eingangslaserstrahls 108 eine definierte transversale Phasenverteilung aufgeprägt. Unter einem transversalen Strahlquerschnitt bzw. einer transversalen Phasenverteilung ist insbesondere ein Strahlquerschnitt bzw. eine Phasenverteilung in einer zur Strahlausbreitungsrichtung 124 des Eingangslaserstrahls 108 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene zu verstehen.

Die zueinander beabstandeten Fokuselemente 120 werden durch Interferenz der fokussierten Teilstrahlen 116 ausgebildet, wobei beispielsweise konstruktive Interferenz, destruktive Interferenz oder Zwischenfälle hiervon auftreten können, wie z.B. teilweise konstruktive oder teilweise destruktive Interferenz.

Zur Ausbildung der Fokuselemente 120 an der jeweiligen Position xo, zo und/oder mit dem jeweiligen Abstand d weist die mittels des Strahlteilungselements 106 aufgeprägte Phasenverteilung für jedes Fokuselement 120 einen bestimmten optischen Gitteranteil und/oder optischen Linsenanteil auf.

Aufgrund des optischen Gitteranteils ergibt sich nach Fokussierung der Teilstrahlen 116 ein entsprechender Ortsversatz der ausgebildeten Fokuselemente 120 in einer ersten Raumrichtung, z.B. in der x-Richtung. Aufgrund des optischen Linsenanteils treffen Teilstrahlen 116 bzw. Teilstrahlenbündel mit unterschiedlichen Winkeln bzw. unterschiedlicher Konvergenz oder Divergenz auf die Fokussieroptik 118, was nach erfolgter Fokussierung in einem Ortsversatz in einer zweiten Raumrichtung, z.B. in der z- Richtung, resultiert.

Die örtlichen Positionen xo, zo lassen sich folglich durch entsprechende Auslegung des Strahlteilungselements 106 bzw. der mittels des Strahlteilungselements aufgeprägten Phasenverteilung definieren.

Die Intensität I der jeweiligen Fokuselemente 120 ist bestimmt durch Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 116 zueinander. Diese Phasenlagen sind durch die genannten optischen Gitteranteile und optischen Linsenanteile definierbar. Die Phasenlagen der fokussierten Teilstrahlen 116 können bei der Auslegung des Strahlteilungselements 106 so zueinander gewählt werden, dass die Fokuselemente 120 jeweils eine gewünschte Intensität aufweisen.

Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Varianten des Strahlteilungselements 106 kann es vorgesehen sein, dass das Strahlteilungselement 106 als Polarisations-Strahlteilungselement ausgebildet ist oder ein Polarisations-Strahlteilungselement umfasst. In diesem Fall wird mittels des Strahlteilungselements 106 eine Polarisationsstrahlteilung des Eingangslaserstrahls 108 in Strahlen durchgeführt, welche jeweils einen von mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen.

Insbesondere sind unter den genannten Polarisationszuständen lineare Polarisationszustände zu verstehen, wobei beispielsweise zwei unterschiedliche Polarisationszustände vorgesehen sind und/oder zueinander senkrecht orientierte Polarisationszustände vorgesehen sind. Insbesondere sind die Polarisationszustände derart, dass ein elektrisches Feld in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung der polarisierten Strahlen orientiert ist (transversal elektrisch).

Zur Polarisationsstrahlteilung umfasst das Strahlteilungselement 106 beispielsweise ein doppelbrechendes Linsenelement und/oder ein doppelbrechendes Keilelement. Das doppelbrechende Linsenelement und/oder das doppelbrechende Keilelement sind beispielsweise aus einem Quarzkristall hergestellt oder umfassen einen Quarzkristall.

Hinsichtlich der Funktionsweise und Ausführung des Strahlteilungselements 106 als bzw. mit Polarisations-Strahlteilungselement wird auf die

DE 10 2020 207 715 Al die DE 10 2019 217 577 Al verwiesen.

Mittels des Strahlteilungselements 106 lassen sich insbesondere die Teilstrahlen 116 mit unterschiedlichen Polarisationszuständen ausbilden. Durch Fokussierung dieser Teilstrahlen 116 mittels der Fokussieroptik 118 können die Fokuselemente 120 beispielsweise jeweils aus Strahlen mit einem bestimmten Polarisationszustand ausgebildet werden. Den Fokuselementen 120 lässt sich dadurch jeweils ein bestimmter Polarisationszustand zuordnen.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Fokuselemente 120 durch Polarisationsstrahlteilung mittels des Strahlteilungselements 106 so angeordnet und ausgebildet werden, dass zueinander benachbarte Fokuselemente 120 jeweils unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen.

Die Einkopplung der Fokuselemente 120 in das Material 102 erfolgt beispielsweise durch eine erste Außenseite 132 des Materials 102 des Werkstücks 104 hindurch. Eine zweite Außenseite 134 des Materials 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise in Dickenrichtung 126 des Werkstücks 104 zu der ersten Außenseite 132 beabstandet angeordnet. Die erste Außenseite 132 und die zweite Außenseite 134 sind beispielsweise zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert. Beispielsweise ist das Werkstück 104 plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet.

Das Material 102 des Werkstücks 104 weist beispielsweise in der Dickenrichtung 126 eine zumindest näherungsweise konstante Dicke D auf.

Die ausgebildeten Fokuselemente 120 werden entlang der Bearbeitungslinie 128 angeordnet. Die jeweiligen Abstände d und Intensitäten I der entlang der Bearbeitungslinie 128 angeordneten Fokuselemente 120 sind so gewählt, dass durch Beaufschlagung des Materials 102 mit diesen Fokuselementen 120 Materialmodifikationen 138 ausgebildet werden (Fig. 4), welche eine Trennung des Materials 102 entlang der Bearbeitungslinie 128 und/oder einer mit dieser Bearbeitungslinie 128 korrespondierenden Bearbeitungsfläche durch Ätzen mittels einer nasschemischen Lösung ermöglichen.

Der jeweilige Abstand d der zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 kann für unterschiedliche Fokuselemente 120 und/oder unterschiedliche Paare von Fokuselementen 120 unterschiedlich gewählt sein. Allerdings ist es grundsätzlich auch möglich, dass der jeweilige Abstand d bei allen zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 vorgesehenen Fokuselemente 120 identisch ist.

Insbesondere ist eine parallel zur Dickenrichtung 126 des Materials 102 orientierte Abstandskomponente dz des Abstands d für alle Fokuselemente 120 und/oder bei allen Paaren zueinander benachbarter Fokuselemente 120 von Null verschieden. Insbesondere sind alle benachbarten Fokuselemente 120 mit einer von Null verschiedenen Abstandskomponente dz in Dickenrichtung 126 beabstandet.

In den Darstellungen gemäß den Fig. 3 und 4 sind die Fokuselemente bzw. die Materialmodifikationen hinsichtlich Anzahl, Geometrie, Ausdehnung und Anordnung lediglich schematisch gezeigt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die Bearbeitungslinie 128 zwischen der ersten Außenseite 132 und der zweiten Außenseite 134 des Werkstücks 104 erstreckt und insbesondere durchgängig und/oder unterbrechungsfrei zwischen der ersten Außenseite 132 und der zweiten Außenseite 134 erstreckt.

Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 128 mehrere unterschiedliche Abschnitte 140 aufweist. Beispielsweise weist die Bearbeitungslinie 128 bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel einen ersten Abschnitt 140a, einen zweiten Abschnitt 140b und einen dritten Abschnitt 140c auf, wobei sich bezüglich der Dickenrichtung 126 der zweite Abschnitt 140b an den ersten Abschnitt 140a anschließt und der dritte Abschnitt 140c an den zweiten Abschnitt 140b anschließt.

Die Bearbeitungslinie 128 ist nicht notwendigerweise stetig und/oder differenzierbar ausgebildet. Beispielsweise kann die Bearbeitungslinie 128 Unstetigkeiten aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitungslinie 128 Unterbrechungen und/oder Lücken aufweist, an welchen insbesondere keine Fokuselemente 120 angeordnet sind.

Die Bearbeitungslinie 128 und/oder die jeweiligen Abschnitte 140 der Bearbeitungslinie 128 sind nicht notwendigerweise geradlinig ausgebildet. Die Bearbeitungslinie 128 und/oder die Abschnitte 140 können beispielsweise als Gerade oder als Kurve ausgebildet sein.

Weiter ist der Bearbeitungslinie 128 und/oder den jeweiligen Abschnitten 140 der Bearbeitungslinie 128 ein bestimmter Anstellwinkel o und/oder Anstellwinkelbereich zugeordnet, welchen die Bearbeitungslinie 128 bzw. der jeweilige Abschnitt 140 mit der ersten Außenseite 132 des Werkstücks 104 einschließt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Anstellwinkel o des ersten Abschnitts 140a und des dritten Abschnitts 140c betragsmäßig 45° und derjenige des zweiten Abschnitts 140b 90°. Die durch Beaufschlagung und/oder Einbringung der Fokuselemente 120 in das Material 102 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 sind in dem Material 102 an lokalisierten örtlichen Positionen angeordnet. Diese örtlichen Positionen der Materialmodifikationen 138 entsprechen zumindest näherungsweise den örtlichen Positionen xo, zo der Fokuselemente 120 in dem Material 102, mittels welchen die Materialmodifikationen 138 jeweils ausgebildet wurden. Durch geeignete Wahl von Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise den jeweiligen Abständen d zwischen den Fokuselementen 120, ihren jeweiligen Intensitäten I, der in Vorschubrichtung 130 orientierten Vorschubgeschwindigkeit und den Laserparametern des Eingangslaserstrahls 108, können die Materialmodifikationen 138 als Typ-III-Modifikationen ausgebildet werden, welche insbesondere mit einer spontanen Bildung von Rissen 142 im Material 102 des Werkstücks 104 einhergehen. Insbesondere werden Risse 142 zwischen zueinander benachbarten Materialmodifikationen 138 ausgebildet.

Es ist vorgesehen, dass das Material 102 des Werkstücks 104 entlang der Bearbeitungslinie 128 bzw. entlang einer mit dieser Bearbeitungslinie 128 korrespondierenden Bearbeitungsfläche durch Ätzen mittels einer nasschemischen Lösung getrennt wird.

Beispielsweise wird das Werkstück 104 nach Ausbildung der Materialmodifikationen 138 zum Ätzen in die nasschemische Lösung eingebracht, wobei die nasschemische Lösung durch die erste Außenseite 132 und/oder die zweite Außenseite 134 in die an der Bearbeitungslinie 128 bzw. Bearbeitungsfläche ausgebildeten Materialmodifikationen 138 und ggf. Risse 142 in das Material 102 eindringt.

Fig. 5 zeigt eine simulierte Intensitätsverteilung einer Mehrzahl von Fokuselementen 120, wobei der Abstand d bei diesen Fokuselementen 120 ca. 8,0 pm beträgt. In der gezeigten Graustufendarstellung stehen hellere Bereiche für höhere Intensitäten.

Die Laserbearbeitung des Werkstücks 104 funktioniert wie folgt: Mittels der Vorrichtung 100 werden Fokuselemente 120 zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 ausgebildet, beispielsweise durch Strahlteilung des Eingangslaserstrahls 108 mit dem Strahlteilungselement 106 und anschließende Fokussierung der Teilstrahlen 116.

Das Material 102 des Werkstücks 104 wird mit den ausgebildeten Fokuselementen 120 beaufschlagt, d.h. die Fokuselemente 120 werden in das Material 102 eingebracht, wobei die Fokuselemente 120 entlang der vorgegebenen Bearbeitungslinie 128 im Material 102 positioniert werden. Die Fokuselemente 120 werden dann in Vorschubrichtung 130 relativ zu dem Material 102 durch dieses hindurchbewegt.

Das Material 102 ist hierbei ein für eine Wellenlänge von Laserstrahlen, aus welchen die Fokuselemente 120 jeweils gebildet sind, transparentes Material, wie z.B. ein Glasmaterial.

Durch Beaufschlagung des Materials 102 mit den Fokuselementen 120 werden in dem Material 102 an den jeweiligen Positionen der Fokuselemente 120 Materialmodifikationen 138 im Material 102 ausgebildet.

Die mittels den Fokuselementen 120 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 sind entlang der Bearbeitungslinie 128 angeordnet (vgl. Fig. 3 und 6a), welche sich beispielsweise durchgängig über die gesamte Dicke D des Materials 102 erstreckt. Die der Bearbeitungslinie 128 zugeordneten Fokuselemente 120 bzw. Materialmodifikationen 138 definieren eine Querschnittsgeometrie der durch spätere Trennung des Materials entstehenden Trennfläche (Fig. 6b).

Die Fokuselemente 120 werden entlang einer vorgegebenen Trajektorie 144 relativ zu dem Material 102 bewegt, wodurch flächig angeordnete Materialmodifikationen 138 in dem Material 102 ausgebildet werden. Bei dem in Fig. 6a gezeigten Beispiel ist die Trajektorie 144 parallel zur Vorschubrichtung 130 orientiert.

Durch Relativbewegung der Fokuselemente 120 zu dem Material 102 entlang der Trajektorie 144 wird eine mit der Bearbeitungslinie 128 korrespondierende Bearbeitungsfläche 146 ausgebildet, an welcher die Materialmodifikationen 138 angeordnet sind. Insbesondere liegt die Bearbeitungslinie 128 in der korrespondierenden Bearbeitungsfläche 146.

Die Trajektorie 144 kann grundsätzlich geradlinige und/oder gekrümmte Abschnitte aufweisen. Im Fall von gekrümmten Abschnitten wird die Bearbeitungslinie 128 während der Ausführung der Relativbewegung zwischen Material 102 und Fokuselementen 120 insbesondere so gedreht, dass die Bearbeitungslinie 128 stets in einer zur Vorschubrichtung 130 senkrecht orientierten Ebene liegt. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Drehung des Strahlteilungselements 106 oder durch relative Drehung der gesamten Vorrichtung 100 zum Werkstück 104 realisiert werden.

Ein Abstand von in Vorschubrichtung 130 benachbarten Materialmodifikationen 138 lässt sich beispielsweise durch Einstellung eines Pulsabstands von Laserpulsen des Eingangslaserstrahls 108 und/oder durch Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit definieren.

Die entlang der Bearbeitungslinie 128 bzw. Bearbeitungsfläche 146 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 haben eine Verringerung einer Festigkeit des Materials 102 zur Folge, wobei die Festigkeit insbesondere aufgrund der ausgebildeten Risse 142 verringert wird.

Nach erfolgter Ausbildung der Materialmodifikationen 138 in dem Material 102 wird zur Trennung des Materials 102 entlang der Bearbeitungslinie 128 und/oder Bearbeitungsfläche 146 ein Ätzvorgang mit einer nasschemischen Lösung 148 durchgeführt. Hierzu wird das Material 102 beispielsweise teilweise oder vollständig in ein Ätzbad 150 eingebracht (angedeutet durch das Rechteck in Fig. 6a), welches die nasschemische Lösung 148 enthält. Insbesondere wird das Material 102 teilweise oder vollständig in die nasschemische Lösung 148 eingebracht, sodass die nasschemische Lösung 148 das Material 102 teilweise bzw. vollständig umgibt. Der sich anschließende Ätzvorgang erfolgt mit einer bestimmten Temperatur der nasschemischen Lösung 148 und einer bestimmten zeitlichen Dauer. Die nasschemische Lösung dringt an den Außenseiten 132, 134 in die der Bearbeitungslinie 128 zugeordneten Materialmodifikationen 138 und/oder Risse 142 ein und dringt dann entlang der Bearbeitungslinie 128 in einen Innenbereich 152 das Materials 102 vor. Der Innenbereich 152 ist insbesondere ein zu der jeweiligen Außenseite 132, 134 parallel zur Dickenrichtung 126 beabstandeter Bereich des Materials 102.

Insbesondere kann das Ätzen mittels des Ätzbads 150 ultraschallunterstützt erfolgen.

Die Temperatur der nasschemischen Lösung 148 beträgt zwischen 100°C und 150°C. Insbesondere wird die Temperatur der nasschemischen Lösung 148 für eine zeitliche Dauer Ätzvorgangs zumindest näherungsweise konstant gehalten, wobei ein Sollwert der zeitlich konstanten Temperatur in dem vorstehenden Wertebereich liegt. Beispielsweise wird der Ätzvorgang bei einer konstanten Temperatur von 130°C durchgeführt.

Unter "zumindest näherungsweise konstant" ist hinsichtlich der Temperatur der nasschemischen Lösung 148 vorzugsweise zu verstehen, dass eine Ist- Temperatur der nasschemischen Lösung 148 von dem vorgegebenen (zeitlich konstanten) Sollwert während des Ätzvorgangs um weniger als 7 K abweicht.

Die nasschemische Lösung ist vorzugsweise eine wässrige KOH-Lösung oder eine wässrige NaOH-Lösung, jeweils mit einer Konzentration zwischen 15 Gew.-% und 50 Gew.-%.

Die zeitliche Dauer des Ätzvorgangs zur Trennung des Materials 102 ist abhängig von der Art des Materials 102 sowie von der Positionierung und Form der Bearbeitungslinie 128 im Material 102. Typischerweise beträgt die zeitliche Dauer zwischen 5 Min und 180 Min.

Durch Ätzen mittels der zugeführten nasschemischen Lösung wird das Material 102 an der Bearbeitungsfläche 152 in zwei voneinander verschiedene Werkstücksegmente 154a, 154b getrennt (Fig. 6b). Das Werkstücksegment 154b ist ein Gutstücksegment und/oder ein Nutzsegment. Es weist eine Trennfläche 156 auf, welche eine mit der Form der Bearbeitungslinie 128 bzw. Bearbeitungsfläche 146 korrespondierende Form aufweist.

Bei dem in Fig. 6b gezeigten Beispiel ist das Werkstücksegment 154a ein Ausschusssegment und/oder Verschnittsegment.

Die optimalen Parameter des Ätzvorgangs, wie beispielsweise die zeitliche Dauer, die KOH- bzw. NaOH-Konzentration der nasschemischen Lösung sowie deren (zeitlich konstante) Temperatur sind insbesondere spezifisch für das jeweilige Material 102 des verwendeten Werkstücks 104.

Vorzugsweise werden die Parameter so gewählt, dass beim Ätzvorgang ein Ätzen des Materials 102 an den entlang der Bearbeitungslinie 128 bzw.

Bearbeitungsfläche 152 angeordneten Materialmodifikationen 138 mit möglichst hoher Geschwindigkeit und/oder Ätzrate erfolgt und zugleich die nicht modifizierten Bereiche des Werkstücks 104 möglichst wenig angegriffen werden. Das Ätzen erfolgt folglich vorzugsweise selektiv an den im Material 102 ausgebildeten Materialmodifikationen 138 und/oder Risse 142 mit einer möglichst hohen Ätzrate. Dies ermöglicht es, den Ätzvorgang zur Trennung des Materials 102 in einer möglichst kurzen Zeitdauer auszuführen.

Das Material 102 des Werkstücks 104 ist beispielsweise Aluminiumsilikatglas. Beispielsweise weist dann zur Ausbildung der Materialmodifikationen 138 als Typ-III-Modifikationen ein Laserstrahl, aus welchem die Fokuselemente 120 gebildet sind, eine Wellenlänge von 1030 nm und eine Pulsdauer von 3 ps auf. Weiter beträgt dann eine der Fokussieroptik 118 zugeordnete numerische Apertur 0,4 und eine einem einzigen Fokuselement 120 zugeordnete Pulsenergie 500 bis 5000 nJ. Bezugszeichenliste d Anstellwinkel d Abstand dz Abstandskomponente

D Dicke

XO Position in x-Richtung

ZO Position in y-Richtung

100 Vorrichtung

102 Material

104 Werkstück

106 Strahlteilungselement

108 Eingangslaserstrahl

110 Laserquelle

112 Strahlquerschnitt

114 Wellenfront

116 Teilstrahlen

116a Teilstrahl

116b Teilstrahl

118 Fokussieroptik

120 Fokuselement

121 Fokusverteilung

122 Strahlformungseinrichtung

124 Strahlausbreitungsrichtung

126 Dickenrichtung

128 Bearbeitungslinie

130 Vorschubrichtung

132 erste Außenseite

134 zweite Außenseite

138 Materialmodifikation

140 Abschnitt

140a erster Abschnitt

140b zweiter Abschnitt

140c dritter Abschnitt Riss Trajektorie Bearbeitungsfläche nasschemische Lösung Ätzbad Innenbereich a Werkstücksegment / Verschnittsegmentb Werkstücksegment Trennfläche