DE102014015951A1

DE102014015951A1 - Verfahren zum Bearbeiten eines elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials

Info

Publication number: DE102014015951A1
Application number: DE102014015951.5A
Authority: DE
Inventors: Uwe Stute; Anas Moalem
Original assignee: 4JET Technologies GmbH
Current assignee: 4JET Microtech GmbH and Co KG
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-04-21
Also published as: WO2016062303A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials, das für elektromagnetische Strahlung zumindest einer Transparenzwellenlänge transparent ist, wobei bei dem Verfahren – das zu bearbeitende Material mit gepulster Laserstrahlung bestrahlt wird, die eine Strahlungswellenlänge aufweist, die der Transparenzwellenlänge entspricht, und – das zu bearbeitende Material mit einem elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeld beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials, das für elektromagnetische Strahlung zumindest einer Transparenzwellenlänge transparent ist, wobei das zu bearbeitende Material an einer Bearbeitungsstelle mit gepulster Laserstrahlung bestrahlt wird, die eine Strahlungswellenlänge aufweist, die der Transparenzwellenlänge entspricht. Elektrisch nicht leitende oder halbleitende Materialien sind für elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereichs transparent oder zumindest nur schwach absorbierend. In einem solchen Wellenlängenbereich liegt die bereits genannte Transparenzwellenlänge.
Derartige Verfahren zum Bearbeiten eines solchen Materials sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden insbesondere chemisch gehärtete Gläser, wie sie beispielsweise als Abdeckgläser für Displays beispielsweise von Mobiltelefonen, Tablet-Computern oder Monitoren verwendet werden, geschnitten beziehungsweise zum Brechen vorbereitet. Aus der WO 2011/025903 A1 ist beispielsweise ein Schneidverfahren für chemisch gehärtete Gläser bekannt, bei dem zunächst in eine Oberfläche ein Eckeneffekt eingebracht wird, von dem aus anschließend das gehärtete Glas geschnitten wird. Dazu wird ein gepulster Laser verwendet.
Aus der EP 2 507 182 B1 und der WO 2011/026074 A1 ist jeweils ein Verfahren zum Laserschneiden von chemisch gehärteten Gläsern bekannt, bei dem zunächst durch die Bestrahlung mit gepulstem Laserlicht das Substrat lokal erwärmt wird. Anschließend wird über einen Kühlstrahl die soeben erwärmte Stelle schnell abgekühlt, wodurch thermische Spannungen im zu schneidenden Material erzeugt werden, die dafür sorgen, dass es entlang der so vorbereiteten Brechkante einfach und sicher gebrochen werden kann.
Die WO 2011/025908 A1 hingegen beschreibt ein Verfahren zum Laserschneiden von chemisch gehärtetem Glas, bei dem mit einem gepulsten Laser hoher Intensität und Leistung die Brechkante zweimal bestrahlt wird, wobei einmal eine Rille oder Ritze in die Oberfläche des zu trennenden Glases eingebracht oder im Innern des Glases die Struktur verändert wird, während beim zweiten Mal das eigentliche Schneiden des Werkstückes erfolgt.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist einerseits, dass der zu verwendende gepulste Laser eine sehr hohe Intensität und ein für das Trennen notwendige hohe mittlere Leistung aufweisen muss, da er normalerweise Licht einer Wellenlänge aussendet, für die das zu trennende oder auf sonstige Weise zu bearbeitende Material normalerweise transparent ist. Derartige Laser, die bei Ultrakurzpulsen eine mittlere Leistung von beispielsweise 50 Watt aufweisen, sind kostenintensiv und haben einen relativ hohen Energiebedarf, so dass das Bearbeiten der entsprechenden Werkstücke teuer ist. Für andere Verfahren zum Bearbeiten der entsprechenden Materialien, wie beispielsweise das Verschweißen zweier Glasbauteile, sind lokale Verfahren aus dem Stand der Technik bekannt, die jedoch wegen mangelnder Wirtschaftlichkeit nicht industriell umgesetzt werden. Um zwei Glasbauteile miteinander zu verschweißen, werden die entsprechenden Regionen der zu miteinander zu verbindenden Bauteile soweit erwärmt, bis das Material durchgehend aufgeweicht ist und eine Verbindung möglich wird. Auch hierbei wird aufgrund des großen zu erwärmenden Volumens ein hohes Maß an Energie benötigt. Zudem verlieren die Bauteile im erweichten Bereich ihre Formstabilität, was insbesondere für Präzisionsanwendungen nachteilig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein möglichst vielseitig verwendbares Verfahren zum Bearbeiten eines elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials, das für elektromagnetische Strahlung zumindest einer Transparenzwellenlänge transparent ist, so weiterzuentwickeln, dass es schnell, kostengünstig und energieeffizient einsetzbar ist und zudem eine Vielzahl unterschiedlicher Arten der Bearbeitung der einzelnen Materialien erlaubt.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das sich dadurch auszeichnet, dass das zu bearbeitende Material an der Bearbeitungsstelle mit einem elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeld beaufschlagt wird.
Herkömmlicherweise verwendete Verfahren beispielsweise zum Schneiden von chemisch gehärteten Glas beruhen auf der Erkenntnis, dass durch sogenannte Multiphotonabsorptionen oder Multiphotonionisationen Energie in das zu bearbeitende Material eingebracht werden kann, obwohl das Material für die Strahlungswellenlänge der Laserstrahlung eigentlich transparent ist. Elektrisch nicht leitende oder halbleitende Materialien besitzen in ihrer Elektronenstruktur eine Bandlücke, die so groß ist, dass es für einzelne Photonen, die ein der Transparenzwellenlänge entsprechendes Energiequantum tragen, nicht möglich ist, Elektronen über diese Bandlücke hinweg anzuregen. Durch Multiphontonprozesse ist diese Anregung jedoch wenn auch ineffizient möglich. Die so angeregten Elektronen rekombinieren jedoch mit den erzeugten „Löchern”, so dass sie nicht oder nur sehr schwer durch nachfolgende Pulse mit Energie gespeist werden können. Dabei ist es zudem nicht möglich, einen nicht gepulsten Laser mit gleicher Intensität oder Leistung zu verwenden, da in diesem Fall das Material überhitzen und beispielsweise ein chemisch gehärtetes Glas splittern würde. Außerdem sind Laser mit entsprechender Leistung nicht verfügbar.
Der Erfindung liegt die nun die Erkenntnis zugrunde, dass auf diese Weise angeregte Elektronen die Bandlücke überwunden haben und sich somit im sogenannten Leitungsband befinden. Diese Elektronen müssen keine Bandlücke überwinden, um weiter angeregt zu werden. Durch das Anlegen eines zusätzlichen elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldes wird folglich Energie auf die so angeregten Elektronen übertragen, die soweit beschleunigt werden können, dass sie weitere Elektronen anregen und über die Bandlücke hinweg energetisch anheben können. Man spricht in diesem Fall von einer sogenannten Lawinen- oder „Avalanche”-Anregung oder -Ionisation.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Dadurch, dass nicht mehr die vollständige zum Bearbeiten des Materials nötige Energie durch die gepulste Laserstrahlung in das Material eingebracht werden muss, kann die Leistung und Intensität des gepulsten Laserstrahls deutlich reduziert werden, wodurch der Energiebedarf und insbesondere die Anschaffungskosten eines solchen Lasers stark sinken. Es können nahezu beliebige Leistungen in das Material eingekoppelt und gleichzeitig der sämtliche Bereich stark eingeschränkt werden. Hinzukommt, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einer Vielzahl unterschiedlicher Weisen verwendet werden kann. Wird das Verfahren beispielsweise zum Schneiden oder Trennen des elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials verwendet, führt das erfindungsgemäße Verfahren einerseits dazu, dass die gewünschte Trennlinie besonders exakt eingehalten wird. Zudem führt eine geringe laterale Ausdehnung zu einer sauberen Bruch- oder Schnittkante mit sehr geringer Rauheit. Während bei Verfahren aus dem Stand der Technik mechanische Spannungen oder sehr hohe Laserintensitäten oder hohe mittlere Leistungen mit erforderlicher Abkühlung verwendet werden müssen, was zu unsauberen Riss- oder Schneidkanten führt, die anschließend aufwendig nachpoliert werden müssen, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch den verwendbaren Laser mit relativ kleiner Energie und Intensität möglich, besonders saubere Schnitt- und Bruchkanten zu erreichen. Durch die enge räumliche Begrenzung werden Spannungen im Material nur sehr kurzfristig erzeugt, so dass auch kein größeres Volumen abkühlen muss. Eine aufwendige Nachbearbeitung wird auf diese Weise reduziert oder sogar vollständig vermieden, wodurch die Verfahrenskosten weiter reduziert werden können. Zudem können komplizierte Geometrien direkt und mit geringsten Abweichungen gefertigt werden.
Andererseits ist es durch das zusätzlich angelegte elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld auf besonders einfache und kostengünstige Weise möglich, die Schnittgeschwindigkeit, mit der ein Schnitt oder Riss in dem zu bearbeitenden Material vorangetrieben wird, deutlich zu erhöhen.
Ein chemisch gehärtetes Displayglas verfügt über eine Innenschicht und auf der Ober- und Unterseite jeweils eine Dotierung. Die Innenschicht steht dabei unter einer Zugspannung, während die Randschichten einer starken Druckspannung ausgesetzt sind. Diese Druckspannung ist für die erreichte Härte verantwortlich, führt jedoch dazu, dass insbesondere in Schneidprozessen Risse oder Defekte sich gegebenenfalls unkontrolliert ausbreiten und so zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung eines Displays führen können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Spannungsverteilung nahezu invertiert. Wird die gepulste Laserstrahlung ins Innere des Materials eingebracht, was durch die Transparenz des Materials bei der Transparenzwellenlänge problemlos möglich und aus dem Stand der Technik bekannt ist, kommt es hier aufgrund thermischer Effekte und dem so erreichten Energieeintrag zu einer lokalen Ausdehnung, so dass im Inneren nun eine Druckspannung herrscht. Da die Randbeschichtungen nicht oder nicht im gleichen Maße erwärmt werden, führt diese Druckspannung im Innern des beschichteten Glases zu einer Zugspannung in den Randbeschichtungen, so dass einmal erzeugte Risse besonders leicht und genau geführt werden können. Insbesondere bei eingespannten Gläsern kann durch die Druckspannung ein sonst gegebenenfalls nötiger zweiter Schnitt des mechanischen Brechens oder Erwärmens eingespart werden. Dies ist insbesondere für dicke Gläser von Interesse.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch beispielsweise auch zum Schweißen oder Verbinden zweier Bauteile aus dem nicht leitenden oder halbleitenden Material verwendet werden. Während beim Trennen, Schneiden oder Brechen nur eine kurzfristige Erwärmung des Materials nötig ist, um die Spannungen im Inneren des Materials zu verändern und gegebenenfalls kleine Risse und Spalten zu erzeugen, muss beim Schweißen oder Verbinden die Temperatur an der Stelle, an der die Schweißnaht oder Verbindung erzeugt werden muss, über einen längeren Zeitraum über die Erweichungstemperatur angehoben werden. Ein gepulster Laser ist für dieses Verfahren nur mit großem Aufwand bei der Probenvorbereitung geeignet, da die Temperatur durch die eingebrachte Laserstrahlung zwar kurzfristig stark erhöht wird, jedoch genauso schnell wieder abfällt. Punktuelles Schweißen ist beispielsweise mit einem CO²-Laser bekannt, für kontinuierliches Nahtschweißen, wie es durch das hier beschriebene Verfahren möglich ist, ist ein solcher Laser jedoch nicht geeignet. Erst durch das Anlegen des Zusatzfeldes, das elektrisch und/oder magnetisch ausgebildet sein kann, wird erreicht, dass die einmal angeregten Elektronen im Leitungsband der Elektronenstruktur bleiben, dort weiter beschleunigt werden und gegebenenfalls weitere Anregungen vornehmen. Dies führt zu einer lokalen Erhöhung der Temperatur über einen längeren Zeitraum hinweg, so dass nun auch Schweiß- und Verbindungsverfahren auf diese Weise durchführbar sind und gleichzeitig eine Homogenisierung der Schweißnaht und eine hohe Schweißgeschwindigkeit erreicht werden.
Ein weiteres Beispiel, das erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden besteht im sogenannten „Wellenleiterschreiben”. Es ist durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, einfach, schnell und kostengünstig lokal im Innern des Materials beispielsweise den Brechungsindex des Materials so zu verändern, dass Wellenleiter für elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Mikrowellenstrahlung, im Innern des Materials erzeugt, also „geschrieben” werden können. Auch dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf besonders einfache und kostengünstige Weise möglich. Zudem kann der Kontrast bei der Brechungsindexänderung erhöht werden.
Das Zusatzfeld kann gleichzeitig mit der gepulsten Laserstrahlung auf eine zu bearbeitende Stelle einwirken oder zeitlich leicht versetzt, also nach der gepulsten Laserstrahlung.
Vorteilhafterweise ist die gepulste Laserstrahlung in einer Bearbeitungsstelle geformt, insbesondere fokussiert, die entlang einer vorbestimmten Bearbeitungslinie verschoben wird. Auf diese Weise können beabsichtigte Trennlinien, Schweißpunkte oder -linien sowie der Verlauf von Wellenleitern besonders einfach bestimmt werden. Das Ablenken und Fokussieren des gepulsten Laserlichtes auf die Bearbeitungsstelle, die gegebenenfalls auch im Innern des Materials liegen kann, ist aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Schneiden kann auch Bessel-Strahlung verwendet werden.
Vorzugsweise verläuft die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise innerhalb des zu bearbeitenden Materials. Auch dies ist aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt und wird insbesondere beim Trennen oder Schneiden von chemisch gehärteten Gläsern verwendet. Mit dem Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können nun jedoch beispielsweise auch zwei Bauteile aus dem elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Material miteinander verbunden werden, indem die gepulste Laserstrahlung beispielsweise auf einen Kontaktbereich zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen geformt werden. Dabei ist es möglich, die gepulste Laserstrahlung durch das eine der beiden Bauteile hindurch zu leiten ohne dass es dort zu einem nennenswerten Energieeintrag und damit zu einer nennenswerten Erhöhung der Temperatur kommt. Da das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld dafür sorgt, dass die Temperatur in dem Bereich der Bearbeitungsstellen im benötigten Bereich aufrechterhalten werden kann, kann einerseits die mit jedem Puls übertragene Energie und damit die Intensität des Pulses verringert, der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen erhöht werden und gleichzeitig eine sichere und punktgenaue Verbindung zwischen den beiden Bauteilen erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet das Zusatzfeld zumindest auch einen Zusatzanteil elektromagnetischer Strahlung. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist dieser Zusatzanteil elektromagnetischer Strahlung eine Laserstrahlung. Die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, hat eine Reihe von Vorteilen, die sich insbesondere in der leichten Handhabung und der Möglichkeit der kostengünstigen Bereitstellung derartiger Strahlung niederschlagen. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die den Zusatzanteil am Zusatzfeld bildet, kann vorteilhafterweise ebenfalls im Bereich einer Transparenzwellenlänge des zu bearbeitenden Materials liegen, so dass auch diese zusätzliche elektromagnetische Strahlung in die Bearbeitungsstelle hinein geformt werden kann, selbst wenn diese im Innern des zu bearbeitenden Materials liegt. Bei gleicher Wellenlängen der beiden Strahlungen können beide koaxial über dieselben optischen Elemente geleitet, geführt und geformt werden.
Vorteilhafterweise ist dieser Zusatzanteil elektromagnetischer Strahlung, insbesondere wenn es sich um Laserlicht handelt, nicht gepulst. Hier kann ein ungepulster Laser verwendet werden, dessen Licht einfach, sicher und kostengünstig gehandhabt werden kann. Natürlich ist auch eine gepulste Lichtquelle möglich. Insbesondere wenn die gepulsten Laser synchronisiert werden ergeben sich Vorteile. Diese Synchronisation ist technisch leicht zu realisieren, da der die Zusatzstrahlung liefernde Laser deutlich längere Pulse aufweist. Dabei ist es jedoch ausreichend, wenn die einzelnen Pulse deutlich länger als die der gepulsten Laserquelle sind, so dass für den Zusatzanteil elektromagnetischer Strahlung am Zusatzfeld ein kostengünstiger Laser verwendbar ist.
Das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld wird verwendet, um Energie in das Material einzutragen, wobei Elektronen, die durch die gepulste Laserstrahlung über die Bandlücke hinweg angehoben wurden, weiter beschleunigt und energetisch angeregt werden. Ein solches elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Weisen kostengünstig und einfach erzeugt werden. Besonders vorteilhafterweise wird das Zusatzfeld zumindest auch von einer Induktionsquelle erzeugt. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise magnetische Wechselfelder auf besonders einfache und kostengünstige Weise erzeugen.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn das Zusatzfeld zumindest auch über einen zeitlich konstanten elektrischen Feldanteil verfügt. Zeitlich konstant bedeutet dabei in diesem Fall insbesondere, dass ein trotz allem möglich Änderung des konstanten elektrischen Feldanteils sowohl was die Feldrichtung als auch die Feldstärke angeht, auf Zeitskalen abläuft, die groß sind gegen die Pulsdauer und die Pause zwischen zwei Pulsen der gepulsten Laserstrahlung. Durch ein konstantes elektrisches Feld in diesem Sinne lassen sich die durch die gepulste Laserstrahlung angeregten Elektronen in eine bestimmte Richtung beschleunigen. Die bewegten Elektronen sind für die Temperaturerhöhung in dem jeweiligen Bereich verantwortlich, so dass durch den zeitlich konstanten elektrischen Feldanteil die Richtung, in der sich die erhöhte Temperatur im Innern des Materials ausdehnt, beeinflusst werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Verfahren zum Trennen oder Schneiden des Materials verwendet wird, da durch den angelegten zeitlich konstanten elektrischen Feldanteil die Richtung, in der sich die Elektroden bewegen, auf die Richtung des Verlaufs der Schnittkante, Bruchkante oder auch des zu schreibenden Wellenleiters angepasst werden kann.
Vorteilhafterweise verfügt das Zusatzfeld zumindest auch über einen zeitlich konstanten magnetischen Feldanteil. Dabei ist die Formulierung „zeitlich konstant” wieder so zu verstehen, dass die Änderung des Feldanteils auf Zeitskalen erfolgt, die groß sind gegen die bei der gepulsten Laserstrahlung auftretenden Zeitskalen. Durch einen magnetischen Feldanteil werden bewegte Elektronen abgelenkt und beschreiben eine Kurve. Eine gradlinige Bewegung wird auf diese Weise verhindert, so dass der Bereich des halbleitenden oder elektrisch nicht leitenden Materials, in dem sich Elektronen im Leitungsband befinden, fokussiert bleibt beziehungsweise langsamer defokussiert. Beide konstanten Feldanteile, sowohl ein elektrischer Feldanteil als auch ein magnetischer Feldanteil sind somit von Vorteil, um die Ausbreitungsrichtung der erhöhten Temperatur, die im Material erzeugt wurde, zu beeinflussen und so beispielsweise Bereiche des Materials, die keinesfalls bearbeitet werden dürfen, beispielsweise Ränder oder Kanten, die nicht mit einem Riss oder Schnitt in Verbindung gebracht werden dürfen, zu schützen. Damit wird folglich die laterale Ausdehnung des Bereichs erhöhter Temperatur insbesondere für die heißen und schnellen Elektronen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass sie einen gepulst betreibbaren Laser und eine Zusatzquelle eines elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldes aufweist.
Für die hier beschriebenen Verfahren kann beispielsweise ein Laser verwendet werden, dessen gepulste Laserstrahlung eine Wellenlänge im Nahinfrarot-Bereich von etwa 1 μm (beispielsweise 1030 nm oder 1064 nm) aufweist. Aber auch grüne Laser mit Wellenlängen von beispielsweise 515 nm oder 532 nm sind typischer Vertreter dieser Laser. Insgesamt ist der Wellenlängenbereich jedoch nicht auf diesen Bereich eingeschränkt. Für Gläser können bis zu 355 nm kurze Wellenlängen und bis zu 3 μm lange Wellenlängen verwendet werden. Bei Silizium und Halbleitern als zu bearbeitende Materialien gelten andere Wellenlängenbereiche. Hier beginnt die Transparenz des Materials bei circa 2 μm Wellenlänge.
Die Pulsdauer des gepulsten Lasers beträgt vorteilhafterweise weniger als 1 ns, besonders bevorzugt 0,5 bis 50 ps. Bei sehr kurzen Pulsen tritt eine chromatische Apparition auf, die für Pulsdauern kleiner als 500 fs zu einem ca. 2 nm breiten Wellenlängenspektrum führt. Diese führt zu einer Pulsverbreiterung, so dass die Fokussierung und Strahlführung der Systeme aufwendiger wird. Je länger die Pulse werden, desto höher müssen die Pulsenergien für eine Multiphotonenabsorption ausgelegt werden. Ab einer Pulsdauer von circa 10 bis 20 ps kommt es dann bereits in dem Puls der Laserstrahlung zu einer stark ausgeprägten „Avalanche”-Ionisation. Der Wirkungsgrad für Multiphotonenabsorptionen steigt bei kürzeren Pulsen an.
Die Wiederholfrequenzen für die gepulste Laserstrahlung liegen in der Regel bei 10 kHz bis 80 MHz. Dabei können sowohl klassische, verstärkte Systeme als auch reine Oszillatoren mit einer Verstärkung verwendet werden Die Oszillatoren sind dabei insbesondere für Schweiß- und Spannungstrennverfahren von Interesse, während die klassischen Verstärkersysteme mit Wiederholfrequenzen im Bereich von 10 kHz bis 1 MHz für filamentartige Trennungen interessant sind.
Versuche mit den hier beschriebenen Verfahren wurden bei Pulsenergien von 10 bis 40 μJ durchgeführt. Im Fall einer Pulsenergie von 20 μJ berechnet sich eine mittlere Laserleistung bei einer Wiederholfrequenz von 100 kHz auf 2 W. Die Spitzenleistung die sich aus dem Produkt der Pulsenergie und der Pulsdauer bestimmt liegt in diesem Fall bei einer Pulsdauer von 1 ps bei 20 MW. Typische Spotdurchmesser der auf das Material aufgebrachten gepulsten Laserstrahlung sind kleiner als 10 μm. Dies führt zu einer Flächenleistung von 785 GW pro cm².
Mit Hilfe der beigefügten Figuren wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
1a, 1b, 1c – schematische Darstellungen von Anregungsprozessen für Elektronen
2 – die schematische Transmission eines Materials in Abhängigkeit von der freien Elektronendichte,
3 – die schematische Darstellung des Wirkbereichs der gepulsten Laserstrahlung.
4 – die schematische Darstellung eines Wechselwirkungsbereichs der elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfelder,
5 – die schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
6 – eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
1a zeigt schematisch die Bandstruktur eines elektrisch nicht leitenden oder eines elektrisch halbleitenden Materials. Diese Materialien verfügen über ein Valenzband (VB) das im unteren Bereich der 1a und 1b dargestellt ist. Darüber befindet sich das Leitungsband (LB) das vom Valenzband (VB) durch eine energetische Lücke (L) getrennt ist. Innerhalb dieser Lücke gibt es keine Zustände, die Elektronen 6 einnehmen können, so dass es mit einer Energiemenge, die kleiner als die Lücke (L) ist, nicht möglich ist, Elektronen 6 aus dem Valenzband (VB) ins Leitungsband (LB) anzuregen.
In der linken Darstellung der 1a ist eine solche nicht erlaubte und nicht mögliche Wechselwirkung eines Photons 4 mit einem Elektron 6 des Valenzbandes (VB) dargestellt. Eine Anregung hätte eine Anhebung des Elektrons 6 zur Folge, wodurch eine Loch 7 im valenzband (VB) erzeugt wird. Da das Elektron 6 jedoch nicht bis in das Leitungsband (LB) angehoben werden kann, da dazu die vorhandene Energiemenge eines Photons 4 nicht ausreicht, kann dieser Prozess, wie er in der linken Darstellung der 1a dargestellt ist, nicht stattfinden. Das Photon 4 kann beispielsweise aus einer gepulsten Laserstrahlung stammen.
Im Valenzband (VB) befinden sich Elektronen 6 in einem Potentialtopf 2, der schematisch durch zwei gekrümmte Linien dargestellt ist. Eine Bewegung der Elektronen 6 innerhalb des Valenzbandes (VB) ist daher nicht möglich.
Erst wenn zwei Photonen 4 auf das Elektron 6 einwirken und so die doppelte Energieanhebung bewirken können, kann das Elektron 6 ins Leitungsband (LB) angehoben werden, wie dies in 1a im rechten Teil schematisch dargestellt ist. Da dazu jedoch zwei Photonen 4 benötigt werden, ist ein solcher Prozess recht selten. Die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozess kann erhöht werden, indem beispielsweise die Intensität der verwendeten Laserstrahlung erhöht wird.
Sollen Elektronen 6 aus dem Valenzband (VB) ins Leitungsband (LB) angehoben werden, wobei lediglich ein Photon 4 beteiligt sein soll, muss die Photonenenergie und damit die eingestrahlte Laserenergie der gepulsten Laserstrahlung wenigstens so groß sein, wie die Bandlücke (L). Diese hohe Energie eines Photons 4 kann erreicht werden, indem die Frequenz der Laserstrahlung erhöht wird.
In 1b ist ein Potentialtopf 2 dargestellt, der jedoch gegenüber den in 1a dargestellten Potentialtöpfen 2 verzerrt ist. Dies kann beispielsweise durch das elektrische und magnetische Feld eingestrahlter Laserstrahlung erreicht werden. Durch ein elektrisches Feld beispielsweise kann die Bandstruktur eines elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials verschoben und/oder verzerrt werden. Dadurch ist es dem Elektron 6 in 1b möglich, den Potentialtopf 2 nach rechts zu verlassen. Dadurch entsteht ein Loch 7. Man spricht hier von Tunnel-Ionisation.
In 1c ist dargestellt, welche Effekte auftreten können, wenn bereits Elektronen 6 als sogenannte frei Ladungsträger im Leitungsband (LB) vorhanden sind. Im in 1c linken Teil ist dargestellt, dass die Anregungsenergie, um die Elektronen 6 innerhalb des Leitungsbandes (LB) angehoben werden können, keiner Mindestgrenze unterliegt. Es ist somit möglich, freie Ladungsträger, also Elektronen 6 im Leitungsband (LB), mit energetisch sehr geringer Laserstrahlung oder beispielsweise anderer elektromagnetischer Strahlung oder einem sonstigen elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeld, weiter anzuregen. Die Photonen 4 in 1c im linken Teil sollten in der Regel dabei eine Energie aufweisen, die so klein ist, dass das Elektron 6 nicht nach oben aus dem Leitungsband entfernt wird. Auf diese Weise ist es möglich, Elektronen 6 innerhalb des Leitungsbandes (LB) energetisch anzuheben. Bei größeren Photonenenergien werden Elektronen herausgelöst und es finden Ionisationen statt. Diese Elektronen geben anschließend einen Teil ihrer Energie durch Stöße ab und werden so dem Leitungsband (LB) wieder zugeführt.
Im rechten Teil der 1c ist ein weiterer Prozess dargestellt. Ein freies Elektron 6 trifft auf ein Elektron 6, das im Potentialtopf 2 im Valenzband (VB) angeordnet ist. Es kommt zu einem Stoß, wobei Energie vom freien Elektron 6 auf das Elektron 6 des im Valenzband (VB) übertragen wird. Ist der Energieübertrag 8, der durch die geschwungenen Linien angedeutet ist, im in 1b rechts gezeigten Maße vorhanden, wird das Elektron 6 aus dem Valenzband (VB) in das Leitungsband (LB) angehoben und gleichzeitig das Elektron 6 aus dem Leitungsband (LB) innerhalb des Leitungsbandes (LB) energetisch abgesenkt. Da als freie Ladungsträger und Elektronen 6 lediglich die Elektronen 6 gelten, die im Leitungsband (LB) vorhanden sind, und auch nur diese Elektronen 6 zu Stromfluss oder anderen Prozessen beitragen, hat sich durch diese „Stoßionisation” die Anzahl freier Ladungsträger im Leitungsband (LB) verdoppelt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung finden diese Prozesse statt. Zunächst wird durch die gepulste Laserstrahlung die Anzahl von Elektronen 6 im Leitungsband (LB) erhöht. Dies kann durch Multiphoton-Absorptionen wie in 1a gezeigt oder auch durch Tunnelionisationen wie in 1b dargestellt geschehen. Anschließend werden die so erzeugten freien Elektronen 6 durch das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld innerhalb des Leitungsbandes (LB) energetisch angehoben, so dass sie durch Stoßionisationen wie in 1c schematisch dargestellt, die Anzahl freier Elektronen 6 weiter erhöhen können. Dazu ist keine weitere gegebenenfalls teure gepulste Laserquelle nötig, kann jedoch verwendet werden. Dadurch kann der erste Laser, der die freien Elektronen 6 erzeugt, kostengünstig ausgelegt werden, da er nicht die für das gewünschte Verfahren benötigte Energie in das Material eintragen muss, sondern lediglich Elektronen 6 in das Leitungsband anzuheben hat. Das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld, das die benötigte Energie liefert, kann durch eine kostengünstige Quelle erzeugt werden.
2 zeigt schematisch eine Transmission (T) aufgetragen als Funktion der freien Elektronendichte (ED), die logarithmisch aufgetragen in Anzahl pro Kubikcentimeter cm^–3 angegeben ist. Man erkennt, dass die Transmission (T) unterhalb eines Wertes, der im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bei etwa 8 × 10²⁰ Elektronen 6 liegt, sehr hoch ist, so dass das Material bei dieser freien Ladungsträgerdichte (LD) nahezu transparent ist. Ab etwa 1 × 10²¹ freien Ladungsträger sinkt die Transmission (T) rapide ab und fällt schnell auf einen sehr kleinen Wert nahe Null. Man erkennt folglich, dass durch die Erhöhung der freien Ladungsträgeranzahl und die Erhöhung der freien Elektronendichte (ED) die Transmission (T) stark erniedrigt werden kann, so dass das Material seine Transparenz verliert. In diesem Zustand können auch niederenergetische elektromagnetische Strahlungen oder elektrische und/oder magnetische Zusatzfelder eingekoppelt werden und auf diese Weise Energie ins Material eingebracht werden.
3 zeigt den schematischen Bereich der Wirkungsweise einer gepulsten Laserstrahlung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des vorliegenden Verfahrens. Gezeigt ist ein Material 10, das elektrisch nicht leitend oder elektrisch halbleitend ist. Es verfügt über eine Oberseite 12 und eine Unterseite 14. Eine gepulste Laserstrahlung wird von der Oberseite 12 kommend ins Material eingestrahlt. Gezeigt ist eine Strahlform 16, eine sogenannte Strahlkaustik, die in Form zweier gekrümmter Linien dargestellt ist. Man erkennt, dass die Strahlform 16 eine Taille 18 aufweist. Innerhalb dieser Taille ist die eingestrahlte Laserintensität und damit die zur Verfügung stehende Energie am größten. Durch den gestrichelten Bereich ist ein sogenannter Wechselwirkungsbereich 20 dargestellt, innerhalb derer durch die eingestrahlte Laserenergie der gepulsten Laserstrahlung die freie Elektronendichte (ED) soweit erhöht wurde, dass das Material hier seine Transparenz für elektromagnetische Strahlung zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich verliert.
4 zeigt die Situation aus 3, wobei sich der Laserstrahl nun von rechts nach links bewegt entlang eine Bewegungsrichtung 22, die durch einen Pfeil dargestellt ist. Dadurch bewegt sich der Wechselwirkungsbereich 20 ebenfalls durch das Material 10. Wird der Bereich hinter dem Laserstrahl, also der Bereich 24, in den in der Vergangenheit Laserlicht eingestrahlt wurde, mit dem elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeld beaufschlagt, kann in diesem Bereich 24 die Anzahl und Dichte freier Elektronen 6 aufrecht erhalten und gegebenenfalls sogar noch erhöht werden. In diesem Bereich 24 können daher die physikalischen, strukturellen und/oder chemischen Eigenschaften des Materials 10 verändert werden.
Da die Position der Taille 18 und damit auch der Wechselwirkungsbereich 20 dreidimensional im Innern des Materials 10 gewählt und eingestellt werden kann, kann die jeweilige Bearbeitungsart durch das Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ebenfalls dreidimensional im Innern des Material 10 gesteuert werden. Dies kann das Schreiben von Wellenleitern, das Schneiden oder Brechen von gehärteten Gläsern oder beispielsweise das Schweißen oder fügen von Gläsern sein.
5 zeigt schematisch eine Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie verfügt über einen gepulst betreibbaren ersten Laser 26. Von diesem wird gepulste Laserstrahlung 28 ausgesandt, die durch einen Strahlkombinierer 30 geleitet wird. Sie durchläuft diesen und eine nachgeschaltete Strahlformung 32, bevor sie auf das Material 10 trifft. Im Material 10 erhöht die gepulste Laserstrahlung 28 durch die beschriebenen Prozesse und Effekte die Dichte der freien Ladungsträger im Wechselwirkungsbereich 20.
Die Vorrichtung gemäß 5 verfügt zudem über eine Quelle eines elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldes 34, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen zweiten Laser 36 gebildet wird. Dessen Strahlung ist das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld 34 wird ebenfalls auf den Strahlkombinierer 30 geleitet und von diesem in den gleichen Strahlengang wie die gepulste Laserstrahlung 28 geleitet. Auch sie durchläuft folglich die Strahlformung 32, bevor sie auf das Material 10 trifft.
Durch unterschiedliche Wellenlängen der Strahlungen des ersten Lasers 26 und des zweiten Lasers 36 und unterschiedliche Strahlqualitäten und/oder Strahlformen können unterschiedlich geformte und/oder unterschiedliche große Strahlkaustiken im Material 10 erreicht werden. Bei dieser koaxialen Strahlführung ist vorzugsweise der mit dem elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeld 34 beaufschlagte Bereich größer als der Wechselwirkungsbereich 20, so dass das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld 34 länger einwirkt als die gepulste Laserstrahlung 28. Ein typischer Durchmesser des durch die gepulste Laserstrahlung 28 erzeugten Lichtfleckes oder der Taille 18 beträgt beispielsweise 5 bis 10 μm.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltung. Auch diese Vorrichtung verfügt über den ersten Laser 26, der gepulste Laserstrahlung 28 aussendet, und den zweiten Laser 36 als Quelle des elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldes 34. Dieses durchläuft im gezeigten Ausführungsbeispiel jedoch nicht die Strahlformung 32, sondern wird durch eine eigene, zweite Strahlformung 38 geleitet. Sowohl die gepulste Laserstrahlung als auch das elektrische und/oder magnetische Zusatzfeld trifft auf das Material 10.
Statt eines zweiten Lasers 36 kann die Quelle des elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldes 34 kann beispielsweise auch ein Kondensator für ein statisches oder zeitlich langsam veränderliches elektrisches Feld, eine Spule für magnetische Felder oder eine andere Vorrichtung vorhanden sein und verwendet werden, die entsprechende Zusatzfelder erzeugen kann.
Bezugszeichenliste

VB: Valenzband
LB: Leitungsband
L: Lücke
T: Transmission
ED: freie Elektronendichte
2: Potentialtopf
4: Photon
6: Elektron
7: Loch
8: Energieübertrag
10: Material
12: Oberseite
14: Unterseite
16: Strahlform
18: Taille
20: Wechselwirkungsbereich
22: Bewegungsrichtung
24: Bereich
26: erster Laser
28: gepulste Laserstrahlung
30: Strahlkombinierer
32: Strahlformung
34: elektrisches und/oder magnetisches Zusatzfeld
36: zweiter Laser
38: zweite Strahlformung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/025903 A1 [0002]
EP 2507182 B1 [0003]
WO 2011/026074 A1 [0003]
WO 2011/025908 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten eines elektrisch nicht leitenden oder halbleitenden Materials (10), das für elektromagnetische Strahlung zumindest einer Transparenzwellenlänge transparent ist, wobei bei dem Verfahren – das zu bearbeitende Material (10) an einer Bearbeitungsstelle mit gepulster Laserstrahlung (28) bestrahlt wird, die eine Strahlungswellenlänge aufweist, die der Transparenzwellenlänge entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass – das zu bearbeitende Material (10) an der Bearbeitungsstelle mit einem elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeld (34) beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulste Laserstrahlung (28) in der Bearbeitungsstelle geformt, insbesondere fokussiert, ist, die entlang einer vorbestimmten Bearbeitungslinie verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungslinie zumindest abschnittsweise innerhalb des zu bearbeitenden Materials (10) verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (28) zumindest auch einen Zusatzanteil elektromagnetischer Strahlung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzanteil elektromagnetischer Strahlung eine Laserstrahlung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung des Zusatzanteils nicht gepulst ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (34) zumindest auch von einer Induktionsquelle erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (34) zumindest auch über einen zeitlich konstanten elektrischen Feldanteil verfügt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzfeld (34) zumindest auch über einen zeitlich konstanten magnetischen Feldanteil verfügt.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen gepulst betreibbaren Laser (26) und eine Zusatzquelle (36) eines elektrischen und/oder magnetischen Zusatzfeldes (34) aufweist.