DE102020123786A1

DE102020123786A1 - Verfahren zum Trennen von Dünnstglas

Info

Publication number: DE102020123786A1
Application number: DE102020123786.3A
Authority: DE
Inventors: Marcel Schäfer; Jonas Kleiner; Daniel Flamm; Myriam Kaiser; Michael Jenne
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-17
Also published as: US20230271872A1; KR20230061536A; CN116367955A; EP4210892A1; WO2022053275A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Trennen von Dünnstglas (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers entlang einer Trennlinie (2) Materialmodifikationen (3) in das Dünnstglas (1) eingebracht werden und das Dünnstglas (1) dann in einem Trennschritt entlang der Trennlinie (2) getrennt wird, wobei die ultrakurzen Laserpulse so in das Dünnstglas (1) fokussiert werden, dass sich die resultierende und in Strahlrichtung elongierte Fokuszone (46) über die gesamte Dicke (D) des Dünnstglases (1) erstreckt und die ultrakurzen Laserpulse einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt (4) senkrecht zur Strahlausbreitung aufweisen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Dünnstglas und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass das Trennen von Dünnstglas basierend auf Laserpulsen eine besondere technische Herausforderung darstellt - insbesondere dann, wenn die Materialeigenschaften des entstehenden herausgetrennten Glases möglichst wenig durch den Trennprozess beeinflusst werden sollen.
Bisher werden zum Trennen von Glas Laserpulse verwendet, um in dem Glas Sollbruchstellen einzufügen, die dann gemeinsam die gewünschte Trennlinie ausbilden. Diesem Einbringen der Sollbruchstellen folgt ein Trennschritt, der beispielsweise durch Aufbringen einer thermischen Spannung und/oder durch Aufbringen einer mechanischen Spannung, bevorzugt einer Zug- oder Biegespannung, und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung durchgeführt wird.
Um Dünnstglas trennen zu können ist eine stabile Rissausbreitung zwischen den eingebrachten Sollbruchstellen nötig. Je dünner das Material, desto schwieriger ist dabei die Realisierung eines stabilen Trennprozesses.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Trennen von Dünnstglas, sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen.
Die oben gestellte Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Trennen von Dünnstglas mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Trennen von Dünnstglas vorgeschlagen, wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers entlang einer Trennlinie Materialmodifikationen in das Dünnstglas eingebracht werden und das Dünnstglas dann in einem Trennschritt entlang der Trennlinie getrennt wird. Erfindungsgemäß werden die ultrakurzen Laserpulse so in das Dünnstglas fokussiert, dass sich die resultierende und in Strahlrichtung elongierte Fokuszone über die gesamte Dicke des Dünnstglases erstreckt und die ultrakurzen Laserpulse einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlausbreitung aufweisen.
Als Dünnstglas wird im Allgemeinen ein Glas oder ein für das verwendete Laserlicht weitestgehend transparentes Material mit einer Dicke von weniger als 1000µm bezeichnet, bevorzugt kleiner 300µm besonders bevorzugt kleiner 100µm beispielsweise mit einer Dicke von 100µm, 50µm, 30µm oder 10µm.
Das Dünnstglas kann hierbei beispielsweise Borosilikatglas, Aluminiumborosilikatglas, Aluminiumsilikatglas oder auch Quarzglas, eine transparente Keramik, Saphir oder eine Glaskeramik sein. Im Folgenden werden die Begriffe Dünnstglas und Glas immer synonym verwendet.
Ein Ultrakurzpulslaser stellt die ultrakurzen Laserpulse zur Verfügung. Unter ultrakurzen Laserpulsen werden Pulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich verstanden.
Der Laser kann auch Pulszüge sogenannte Bursts aus ultrakurzen Laserpulsen zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei können insbesondere auch sogenannte GHz-Bursts vorgesehen sein.
Die ultrakurzen Laserpulse bewegen sich auf einer durch eine Optik des Lasers bestimmten Trajektorie über das Dünnstglas, wobei die Trajektorie der gewünschten Trennlinie folgt. Der durch die Laserpulse ausgebildete Laserstrahl und das Glas können hierbei relativ zueinander mit einem Vorschub bewegt werden, um entsprechend das Einbringen der Materialmodifikationen entlang der Trennlinie zu erreichen.
Die durch die Laserpulse ausgebildeten Laserstrahlen können hierbei zumindest in der in Strahlrichtung elongierten Fokuszone quasi nicht-beugende Strahlen sein. Nicht-beugende Strahlen genügen der Helmholtz-Gleichung: $\nabla^{2} U (x, y, z) + k^{2} U (x, y, z) = 0$
und weisen eine klare Separierbarkeit in eine transversale und eine longitudinale Abhängigkeit der Form $U (x, y, z) = U_{t} (x, y) exp (i k_{z} z)$
auf. Hierbei ist k=ω/c der Wellenvektor mit seinen transversalen und longitudinalen Komponenten k²=k_z ²+k_t ² und U_t(x,y) eine beliebige komplexwertige Funktion, die nur von den transversalen Koordinaten x,y abhängt. Die z-Abhängigkeit in Strahlausbreitungsrichtung in U(x,y,z) führt zu einer reinen Phasenmodulation, so dass die zugehörige Intensität I der Lösung propagationsinvariant beziehungsweise nicht-beugend ist: $I (x, y, z) = {| U (x, y, z) |}^{2} = I (x, y)$
Dieser Ansatz liefert verschiedene Lösungsklassen in unterschiedlichen Koordinatensystemen, wie beispielsweise Mathieu-Strahlen in elliptisch-zylindrischen Koordinaten oder Besselstrahlen in zirkularzylindrischen Koordinaten.
Experimentell lassen sich eine Vielzahl von nicht-beugenden Strahlen in guter Näherung, also quasi nicht-beugende Strahlen, realisieren. Diese führen, im Gegensatz zum theoretischen Konstrukt, nur eine endliche Leistung. Ebenso endlich ist die Länge L der Propagationsinvarianz dieser quasi nicht-beugenden Strahlen.
Basierend auf der Norm zur Laserstrahlcharakterisierung ISO11146 1-3 wird der Strahldurchmesser über die sogenannten 2. Momente bestimmt. Hierbei ist die Leistung des Laserstrahls oder auch das Moment 0. Ordnung definiert als: $P = \int d x d y I (x, y) .$
Die räumlichen Momente der 1. Ordnung geben den Schwerpunkt der Intensitätsverteilung an und sind definiert als: $〈 x 〉 = \frac{1}{P} \int d x d y x I (x, y),$
$〈 y 〉 = \frac{1}{P} \int d x d y y I (x, y) .$
Basierend auf den vorstehenden Gleichungen lassen sich die räumlichen Momente der 2. Ordnung der transversalen Intensitätsverteilung errechnen: $〈 x^{2} 〉 = \frac{1}{P} \int d x d y {(x - 〈 x 〉)}^{2} I (x, y),$
$〈 y^{2} 〉 = \frac{1}{P} \int d x d y {(y - 〈 y 〉)}^{2} I (x, y),$
$〈 x y 〉 = \frac{1}{P} \int d x d y (x - 〈 x 〉) (y - 〈 y 〉) I (x, y) .$
Mit den so vollständig definierten räumlichen Momenten der 2. Ordnung des Laserstrahls lassen sich die Strahldurchmesser in den Hauptachsen bestimmen. Die Hauptachsen sind hierbei die Richtungen der minimalen und maximalen Ausdehnung des transversalen Strahlprofils, welche stets orthogonal zueinander verlaufen. Der Strahldurchmesser d des Laserstrahls ergibt sich dann wie folgt: $d_{x} = 2 \sqrt{2} {(〈 x^{2} 〉 + 〈 y^{2} 〉) + γ {[{(〈 x^{2} 〉 - 〈 y^{2} 〉)}^{2} + 4 {(〈 x y 〉)}^{2}]}^{\frac{1}{2}}}^{\frac{1}{2}},$
$d_{y} = 2 \sqrt{2} {(〈 x^{2} 〉 + 〈 y^{2} 〉) + γ {[{(〈 x^{2} 〉 - 〈 y^{2} 〉)}^{2} + 4 {(〈 x y 〉)}^{2}]}^{\frac{1}{2}}}^{\frac{1}{2}},$
mit $γ = \frac{〈 x^{2} 〉 - 〈 y^{2} 〉}{| 〈 x^{2} 〉 - 〈 y^{2} 〉 |} .$
Die Fokuszone d^GF _x,y eines Gauß‘schen Strahls, der Gaußfokus, beziehungsweise der Durchmesser des Gauß‘schen Strahls oder des Gaußprofils, ist festgelegt über die zweiten Momente, also die Varianz der Gaußkurve, und die zugehörige charakteristische Länge, die Rayleighlänge z_R=π(d^GF _x,y)²/4λ, als die Distanz ausgehend von der Fokusposition, bei der der Strahlquerschnitt um den Faktor 2 zugenommen hat. Im Fall eines symmetrischen Gauß‘schen Strahls gilt für die Fokuszone d^GF ₀ = d^GF _x = d^GF _y
Fernerhin definieren wir als transversalen Fokusdurchmesser bei quasi-nicht beugenden Strahlen d^ND ₀ die transversalen Dimensionen lokaler Intensitätsmaxima als die doppelte kürzeste Distanz zwischen einem Intensitätsmaximum und einem hiervon ausgehenden Intensitätsabfall auf 25%.
Die longitudinale Ausdehnung der Fokuszone in Strahlausbreitungsrichtung dieser nahezu propagationsinvarianten Intensitätsmaxima gibt die charakteristische Länge L des quasi nicht-beugenden Strahls an. Diese ist definiert über den Intensitätsabfall auf 50%, ausgehend vom lokalen Intensitätsmaximum in positive und negative z-Richtung, also in Propagationsrichtung.
Ein quasi nicht-beugender Strahl liegt genau dann vor, wenn für d^ND ₀≈d^GF _x,y, also ähnlichen transversalen Dimensionen, die charakteristische Länge L die Rayleighlänge des zugehörigen Gaußfokus deutlich überragt, beispielsweise, wenn L>10z_R.
Durch eine Fokussierung des Laserstrahls beziehungsweise der ultrakurzen Laserpulse in das Dünnstglas wird eine Fokuszone bereitgestellt, die sich über die gesamte Dicke des Dünnstglases erstreckt. Die Fokuszone erstreckt sich dabei in Ausbreitungsrichtung der Laserpulse und ist elongiert, also in der Ausbreitungsrichtung gestreckt.
Dadurch, dass sich die Fokuszone über die gesamte Dicke des Dünnstglases erstreckt, kann jede der notwendigen Materialmodifikationen in dem Dünnstglas mit einem einzigen Laserpuls oder einem einzigen Burst erzeugt werden. Mit anderen Worten wird jede Materialmodifikation sofort durchgehend durch die gesamte Dicke des Dünnstglases eingebracht, so dass an der gleichen Position keine weitere Bearbeitung mehr notwendig ist, um die Materialmodifikation einzubringen.
Die ultrakurzen Laserpulse können einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweisen. Ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt liegt insbesondere dann vor, wenn d_x ungleich d_y ist, wobei d_x und d_y definiert sind über die zweiten Momente einer transversalen Intensitätsverteilung. Zur Berechnung der zweiten Momente werden insbesondere nur Intensitätswerte der Intensitätsverteilung berücksichtigt, welche innerhalb einer Kurve gleicher Intensität liegen, wobei die Kurve ein lokales und/oder globales Maximum der Intensitätsverteilung umschließt. Insbesondere beträgt die Intensität 40% und insbesondere 60% der maximalen Intensität des lokalen und/oder globalen Maximums.
Vorzugsweise ist der nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt als elliptischer Strahlquerschnitt ausgebildet, beispielsweise ist d_x/d_y = 1,5.
Der Laserstrahl kann einen einhüllend nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufweisen. Ein einhüllend nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt liegt insbesondere dann vor, wenn d_x ungleich d_y ist, wobei d_x und d_y definiert sind über die zweiten Momente einer transversalen Intensitätsverteilung des Laserstrahls. Zur Berechnung der zweiten Momente werden insbesondere nur Intensitätswerte der Intensitätsverteilung berücksichtigt, welche oberhalb einer Intensitätsschwelle liegen. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 17% der maximalen Intensität des globalen Maximums der Intensitätsverteilung.
Ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt kann jedoch auch bedeuten, dass der Strahlquerschnitt beispielsweise kreuzförmig ist, oder dreieckig ist oder N-eckig ist, beispielsweise fünfeckig ist. Ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt kann zudem weitere rotations- und spiegelsymmetrische Strahlquerschnitte umfassen.
Der Laserstrahl mit nicht-radial-symmetrischen Querschnitt ist vorzugsweise ein nicht-beugender Laserstrahl.
Insbesondere weisen die Konturen der Strahlquerschnitte Orte mit unterschiedlichen Kurvenradien auf. Beispielsweise ist bei einem elliptischen Strahlquerschnitt der Kurvenradius an der Stelle, an der die kleine Halbachse die Ellipse schneidet, besonders groß, während der Kurvenradius an der Stelle, an der die große Halbachse die Ellipse schneidet, besonders klein ist.
Der Laserpuls oder die Laserpulse werden vom Glasmaterial des Dünnstglases zumindest teilweise absorbiert, sodass sich das Dünnstglas lokal erhitzt. Die Größe des erhitzten Bereiches ist dabei durch die Strahlgeometrie, insbesondere durch die Fokuszone des Laserstrahls und den Strahlquerschnitt bestimmt. Insbesondere kann durch den in Ausbreitungsrichtung elongierten Strahlquerschnitt eine Materialmodifikation erzeugt werden, die über die gesamte Dicke des Glases reicht. Eine Materialmodifikation über die gesamte Glasdicke kann beispielsweise direkt mit einem einzigen Puls oder einem einzigen Burst von Laserpulsen erzeugt werden. Durch die lokale Hitzeeinwirkung des Lasers werden die Materialmodifikationen in das Dünnstglas eingebracht.
Eine Materialmodifikation ist eine im thermischen Gleichgewicht permanente, stoffliche Veränderung des Glasmaterials, die ursächlich von der direkten Lasereinstrahlung stammt.
Die Materialmodifikation kann hierbei eine Modifikation der Struktur, insbesondere der kristallinen Struktur und/oder der amorphen Struktur und/oder der mechanischen Struktur, des Glases oder des transparenten Materials sein. Beispielsweise kann eine eingebrachte Materialmodifikation eines amorphen Glasmaterials darin bestehen, dass das Glasmaterial durch eine lokale Erhitzung nur in diesem Bereich eine veränderte Netzwerkstruktur erhält. Beispielsweise können amorphe Bereiche oder Voids entstehen. Beispielsweise können durch die Modifikation die Bindungswinkel- und Längen der Netzwerkstruktur verändert werden.
Eine Materialmodifikation kann insbesondere eine lokale Dichteänderung sein, die auch abhängig vom gewählten Material insbesondere vom Glastyp sein kann.
Insbesondere übertragen sich die spezielle Form des Laserstrahls und des Strahlquerschnitts, welcher die Materialmodifikation im Dünnstglas hervorruft, beziehungsweise die entsprechenden geometrischen Eigenschaften des Strahls, zumindest teilweise auf die Form der erzeugten Materialmodifikationen im Glas.
Im Unterschied zur Materialmodifikation umfasst der Materialmodifikationsbereich dabei den gesamten Bereich, in dem die Auswirkungen der Einwirkung des Laserpulses anhand der Zug- als auch Druckspannungen messbar sind. Dies ist insbesondere der Bereich, in dem das Material räumlich gesehen von der Materialmodifikation ausgehend wieder in den Ausgangszustand der unbehandelten Bereiche des Glasmaterials übergeht.
Das Dünnstglas kann im Materialmodifikationsbereich ebenfalls teilweise durch den Wärmetransport in Abhängigkeit von der Wärmediffusionszeit sowie vom Laserstrahlabsorptionsvermögen des Dünnstglases, sowie von der Pulsrate und dem Vorschub, erwärmt werden. Durch die Temperaturgradienten, welche durch die lokale Hitzeeinwirkung entstehen, kann es beim Abkühlen und Ausbilden der Materialmodifikation zu Spannungen im Materialmodifikationsbereich kommen, die eine Rissbildung begünstigen. Insbesondere können im Materialmodifikationsbereich Zug- als auch Druckspannungen entstehen, die beispielsweise radial oder orthoradial verlaufen. Die Spannungen und die Rissbildung lassen sich durch die Form der Materialmodifikation steuern, sodass eine gezielte Rissführung im Dünnstglas durch die Wahl der Form, bzw. des Querschnitts der Materialmodifikation möglich ist.
Typischerweise findet eine Rissbildung entlang einer Vorzugsrichtung des nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts statt - beispielsweise findet eine Rissausbreitung hauptsächlich in Richtung einer längeren Ausdehnung des Strahlquerschnitts statt, welche mit kleineren Radien der Kontur des Strahlquerschnitts an den in dieser Vorzugsrichtung liegenden äußeren Konturkanten einhergeht.
Die Materialmodifikationen werden entlang einer gewünschten Trennlinie in das Dünnstglas eingebracht. Eine Trennlinie beschreibt hierbei diejenige Linie entlang derer das Dünnstglas oder Teile des Dünnstglases getrennt oder abgetrennt werden sollen.
Durch die eingebrachten Materialmodifikationen entlang einer Trennlinie in das Dünnstglas, ist das Dünnstglas quasi perforiert, so dass durch die Trennlinie eine Art Sollbruchstelle im Dünnstglas definiert ist. Die Materialmodifikationen sorgen entlang der Trennlinie beispielsweise für eine Materialschwächung, sodass beim Aufbringen einer Kraft das Dünnstglas entlang der Trennlinie bricht.
Dies ist unter Anderem zurückzuführen auf die gezielte Rissbildung, die von der Materialmodifikation oder den Materialmodifikationen ausgeht. Die Materialmodifikation werden derart in das Dünnstglas eingebracht, sodass die davon ausgehende Rissbildung einen Riss bis vorzugsweise zur benachbarten Materialmodifikation reicht. Insbesondere ist es auch möglich, dass sich die Risse ausgehend von zwei benachbarten Materialmodifikation zwischen den Materialmodifikationen treffen und so einen gemeinsamen Riss bilden. Dadurch ist es möglich die Positionen, an denen die Materialmodifikation in das Dünnstglas eingebracht werden weiter voneinander zu entfernen.
Insbesondere kann eine gezielte Rissführung durch eine Rotation des nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts und/oder des Dünnstglases begünstigt werden, so dass durch die Drehung eine Vorzugsrichtung des nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts immer entlang der Trennlinie orientiert ist. Dabei können die Strahlquerschnitte beispielsweise durch die Drehung einer strahlformenden Einheit gedreht werden.
Ist die Vorschubrichtung zwischen Laserstrahl und Dünnstglas beispielsweise senkrecht zu einer Achse entlang derer eine bevorzugte Rissausbreitung stattfindet, dann ist ein Treffen der Risse benachbarter Materialmodifikationen unwahrscheinlich. Ist die Vorschubrichtung hingegen parallel zur Achse der bevorzugten Rissausbreitung, dann ist es wahrscheinlich, dass sich die Risse benachbarter Materialmodifikationen treffen und vereinen. Durch die Drehung des Strahlquerschnitts und/oder des Werkstücks kann so auch bei geschwungenen Trennlinien eine gezielte Rissführung über die gesamte Länge der Trennlinie sichergestellt werden. Dadurch ist es möglich das Dünnstglas entlang beliebig geformter Trennlinien zu trennen.
Der Trennschritt kann durch das Aufbringen einer thermischen Spannung und/oder das Aufbringen einer mechanischen Kraft, bevorzugt einer Zug- oder Biegekraft, und/oder das Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung erfolgen.
Bevorzugt wird in einer Ausführung das Dünnstglas durch Aufbringen einer mechanischen Zugkraft entlang der Trennlinie getrennt. Das Aufbringen einer Zugkraft kann beispielsweise bedeuten, dass an den Flächenelementen des Dünnstglases, die durch die Trennlinie voneinander separiert sind, eine entgegen gerichtete Zugkraft aufgebracht wird. Durch die Rissbildung und die Materialmodifikationen, die entlang der Trennlinie eingebracht sind, lassen sich die jeweiligen Flächenelemente des Dünnstglases voneinander trennen.
Der Trennschritt kann auch das wiederholte Überfahren der Trennlinie unter Einbringen von Laserpulsen des Ultrakurzpulslasers umfasst, wobei bevorzugt die Laserparameter des Ultrakurzpulslasers bei allen Überfahrten konstant gehalten werden und besonders bevorzugt den zum ersten Einbringen der Materialmodifikationen verwendeten Laserparametern entsprechen.
Bevorzugt wird in einer anderen Ausführung das Dünnstglas durch eine Mehrfachüberfahrt oder mehrere Mehrfachüberfahrten mit unveränderten Laserpulsparametern also gleicher Pulsdauer, gleicher Repetitionsrate gleicher Pulsform des Ultrakurzpulslasers entlang der Trennlinie getrennt.
Durch die Mehrfachüberfahrten können in dem Dünnstglas entlang der Trennlinie Mikroexplosionen induziert werden, die zu einer verstärkten Rissbildung im Material des Dünnstglases führen. Durch den nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt findet diese Rissbildung entlang einer durch die lange Achse vorgegebenen Vorzugsrichtung statt, so dass nach einer endlichen Anzahl von Mehrfachüberfahrten eine Trennung des Dünnstglases entlang der Trennlinie vorliegt.
Da keine Änderung der Laserparameter für die Mehrfachüberfahrten vorgesehen ist und insbesondere auch kein anderer Laser für den auf diese Weise ausgestalteten Trennschritt verwendet wird, kann ein besonders schnelles und effizientes Trennverfahren bereitgestellt werden.
Beispielsweise ist es so möglich, aus einem Glaswafer oder einer Glasplatte wohlstrukturierte Flächenelemente auszuschneiden bzw. herauszutrennen. Es ist aber auch möglich, dass eine Glasplatte beispielsweise lediglich in zwei oder mehr Elemente geteilt wird.
Durch das Verfahren können die Schädigungsbereiche im Glas reduziert werden, wodurch die Biegsamkeit durch den Trennprozess nicht beeinträchtigt wird, was beispielsweise bei faltbaren Gläsern besonders wichtig ist.
Insbesondere hat dieses Verfahren den Vorteil, dass die Biegeeigenschaften der herausgetrennten Glasteile weitestgehend denen des unbearbeiteten, ursprünglichen Dünnstglases entsprechen. Somit bleiben die Materialeigenschaften des Dünnstglases auch nach dem Laserbearbeitungsprozess erhalten. Mit anderen Worten werden beispielsweise die Biegeeigenschaften des Glases durch den Trennprozess nicht in Mitleidenschaft gezogen, so dass das Glas auch an seinen Trennkanten im Wesentlichen die gleichen Biegeeigenschaften aufweist, wie in der Fläche des Dünnstglases.
Im vorliegenden Zusammenhang beschreibt die Fokuszone auch den Bereich der Intensitätsverteilung, in dem die Intensität des Laserlichts groß genug ist, um Materialmodifikationen in das Dünnstglas einzubringen.
Durch die Verwendung eines quasi nicht-beugenden Strahls kann insbesondere auch ausgenutzt werden, dass quasi nicht-beugende Strahlen aufgrund der longitudinal elongierten Fokuszone eine deutlich größere Fokuslagentoleranz aufweisen. Somit wird der Einfluss lokaler Welligkeiten des Glases und der Fokusjustage reduziert. Die größere Fokuslagentoleranz ist hierbei dem in Ausbreitungsrichtung elongierten Strahlquerschnitt geschuldet.
Insbesondere lassen sich über quasi nicht-beugende Strahlen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen erzeugen. Elliptisch quasi nicht-beugende Strahlen weisen hierbei spezielle Eigenschaften auf, die sich aus der Analyse der Strahlintensität ergeben. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum, auch als globales Maximum bezeichnet, auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem die lange Achse die kurze Achse schneidet. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrere Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.
Die dem Hauptmaximum nächstgelegenen Nebenmaxima, die sich aus der Lösung der Helmholtz-Gleichung ergeben, weisen hierbei eine relative Intensität von über 17% auf. Somit wird - je nach transportierter Laserenergie im Hauptmaximum, auch in den Nebenmaxima so viel Laserenergie geführt, dass eine Materialbearbeitung ermöglicht wird. Zudem liegen die nächstgelegenen Nebenmaxima immer auf einer Geraden, die senkrecht zur langen Halbachse a, beziehungsweise parallel zur kurzen Halbachse b ist und durch das Hauptmaximum verläuft.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein elliptischer quasi nicht-beugender Strahl entlang der langen Achse a eine nicht verschwindende Intensität aufweisen, insbesondere einen Interferenzkontrast I_max-I_min/(I_max+I_min)<0,9 aufweisen, so dass der Strahl entlang der langen Achse a überall Laserenergie transportiert.
Imax ist hierbei die maximale Strahlintensität entlang der langen Achse a, während I_min die minimale Strahlintensität ist. Wenn I_min = 0, dann kommt es entlang der langen Achse a zu einer vollständigen Interferenz und es ergibt sich ein Interferenzkontrast von 1. Wenn I_min > 0, dann kommt es entlang der langen Achse a lediglich zu einer teilweisen oder zu keiner Interferenz, so dass der Interferenzkontrast < 1 ist.
Ist beispielsweise der Interferenzkontrast entlang der langen Achse a kleiner als 0,9, so kommt es entlang der langen Achse a zu keiner vollständigen Interferenz, sondern lediglich zu einer teilweisen Interferenz, welche nicht zur vollständigen Auslöschung der Laserintensität am Ort des Intensitätsminimums I_min führt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der quasi nicht-beugende Strahl mit einem doppelbrechenden Element, beispielsweise einem Quartz Angle Displacer oder einem Quartz Beam Displacer oder einer Kombination davon erzeugt wird.
Ein elliptischer quasi nicht-beugender Strahl kann entlang der langen Achse a jedoch auch eine verschwindende Intensität und einen Interferenzkontrast von 1 aufweisen, so dass der Strahl entlang der langen Achse a nicht überall Laserenergie transportiert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der quasi nicht-beugende Strahl mit einem modifizierten Axicon erzeugt wird.
Bevorzugt ist die in Strahlrichtung elongierte Fokuszone länger, bevorzugt doppelt so lang oder zehnmal so lang, wie die Dicke des Dünnstglases. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Bereich der höchsten Intensität vollständig im Dünnstglas liegt und damit ein besonders effizientes Bearbeiten des Dünnstglases erreicht wird.
Gleichzeitig kann dadurch, dass sich die Fokuszone über die gesamte Dicke des Dünnstglases erstreckt, auch eine hohe Fokuslagentoleranz bereitgestellt werden, so dass das Verfahren besonders robust aufgebaut werden kann.
Dadurch kann beispielsweise ermöglicht werden, dass auf ein permanentes Justieren des Laserfokus bei einer Vorschubbewegung des Laserstrahls entlang der Trennlinie verzichtet werden kann. Dadurch spielt beispielsweise die Welligkeit eines Dünnstglases bei der Bearbeitung keine oder nur noch eine untergeordnete Rolle.
Insbesondere bedeutet das Vorliegen der elongierten Fokuszone aber auch, dass eine Materialmodifikation gleichzeitig über die gesamte Dicke des Glases in das Glas eingebracht werden kann. Die Materialmodifikation kann einen nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitt haben.
Der Materialmodifikationsquerschnitt ist hierbei der Querschnitt der Materialmodifikation in einer Ebene senkrecht zum Laserstrahl. Durch den nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung können besonders große Materialspannungen an Bereichen in das Dünnstglas eingebracht werden, wo die Begrenzungslinie des Materialmodifikationsquerschnitts kleine Kurvenradien aufweist. Somit ist durch die spezifische Form der Materialspannung eine besonders gute Steuerung der Risspropagation beziehungsweise Rissausbreitung im Glas möglich.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Dünnstglas im Bereich der kleinen Kurvenradien besonders schnell von der Materialmodifikation in den Ursprungszustand übergeht. Somit sind im Bereich der kleinen Kurvenradien besonders hohe Spannungen zu erwarten. Insbesondere sind besonders Materialspannungen bei eventuellen Spitzen oder spitz zulaufenden Bereichen der Materialmodifikation zu erwarten.
Beispielsweise ist bei einer elliptischen Materialmodifikation eine Rissausbreitung entlang der langen Achse a zu erwarten. Beispielsweise ist bei einer kreuzförmigen Materialmodifikation eine Rissausbreitung entlang der Kreuzachsen zu erwarten. Insbesondere ist es so möglich benachbarte Materialmodifikationen durch die jeweilige Ausrichtung so aufeinander abzustimmen, dass die jeweiligen Risse der Materialmodifikation sich zumindest teilweise zu einem Gesamtriss zusammenschließen.
Die lange Achse des nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitts kann entlang der Trennlinie orientiert sein.
Entlang der Trennlinie orientiert bedeutet, dass die Materialmodifikation auf der Trennlinie liegt und die lange Achse der Materialmodifikation zumindest abschnittsweise tangential zur gewünschten Trennlinie verläuft. Beispielsweise kann das bedeuten, dass bei einem elliptischen Materialmodifikationsquerschnitt das Zentrum der Ellipse auf der gewünschten Trennlinie liegt und die lange Achse a im Zentrum der Ellipse tangential zur Trennlinie liegt. Es kann aber auch bedeuten, dass bei einem kreuzförmigen Querschnitt der Kreuzmittelpunkt auf der Trennlinie positioniert ist und das Kreuz so um seinen Mittelpunkt gedreht wird, dass eine Achse des Kreuzes tangential zur Trennlinie im Kreuzmittelpunkt steht.
Hierdurch wird erreicht, dass die Rissausbreitung zumindest abschnittsweise auf der gewünschten Trennlinie verläuft.
Die Distanz zwischen den entlang der Trennlinie in das Dünnstglas eingebrachten Materialmodifikationen kann größer, beispielsweise doppelt so groß oder viermal so groß oder zehnmal so groß, wie die lange Achse des nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitts sein.
Die Distanz kann hierbei definiert sein als der minimale Abstand zwischen benachbarten Materialmodifikationen, insbesondere den Rändern der Materialmodifikationen. Beispielsweise können zwei benachbarte elliptische Materialmodifikationen lange Achsen von je 5µm aufweisen. In der einfachen Distanz beginnt der Rand der zweiten Materialmodifikation im Abstand von 5µm zum Rand der ersten Materialmodifikation. Im vierfachen Abstand beginnt der Rand der zweiten Materialmodifikation im Abstand von 20µm zum Rand der ersten Materialmodifikation.
Alternativ ist es möglich, dass die Distanz der Materialmodifikationen durch den Abstand der Zentren der Materialmodifikationen gegeben ist. Es kann damit beispielsweise das geometrische Zentrum der Materialmodifikation gemeint sein.
Das Zentrum einer Materialmodifikation fällt dabei typischerweise mit dem Zentrum des Laserstrahls zusammen. Daher kann mit Distanz auch der Abstand der Laserstrahlen gemeint sein, die die Materialmodifikationen eingebracht haben. Es kann aber auch beispielsweise der Abstand der Intensitätsschwerpunkte der jeweiligen Strahlquerschnitte gemeint sein.
Insbesondere können auf diese Weise die Materialmodifikationen weit voneinander entfernt sein, so dass nur wenige Materialmodifikationen im Dünnstglas notwendig sind, um eine ausgeprägte Trennlinie zu beschreiben. Dadurch wird das Dünnstglas geringst möglich bearbeitet, was Prozesszeit spart, aber auch die ursprünglichen Materialeigenschaften des Glasmaterials weitestgehend unverändert lässt.
Die Gesamtheit der durch einen Strahlquerschnitt eingebrachten Materialmodifikationen kann eine nicht-radialsymmetrische Form aufweisen.
Wird ein nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt verwendet, dann umfasst der Laserstrahl im Allgemeinen verschiedenen Intensitätsmaxima über den Querschnitt verteilt. Diese können beispielsweise die Intensitätsmaxima sein, die sich durch die Verwendung eines Bessel-ähnlichen Strahls ergeben.
Die verschiedenen Maxima weisen beispielsweise alle die Eigenschaft auf, dass sie verschiedene und unabhängige Materialmodifikation in das Dünnstglas einbringen können, wohingegen in den Bereichen zwischen den Intensitätsmaxima die Intensität des Laserstrahls so gering ist, dass keine Materialmodifikationen ausgebildet werden könnten. Jedoch sind bei Verwendung eines nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts die Intensitätsmaxima oft so nah beieinander lokalisiert, dass zwar die Materialmodifikationen durch die einzelnen Intensitätsmaxima nicht überlappen, dafür aber unter Umständen die verschiedenen Materialmodifikationsbereiche. Wenn die Materialmodifikationsbereiche überlappen, dann bildet sich in den überlagerten Materialmodifikationsbereichen eine zusammenhängende Materialspannung aus. Aus den einzelnen Intensitätsmaxima eines Laserstrahls, kann sich somit ebenfalls eine Materialspannungsverteilung im Dünnstglas ergeben, die eine Rissausbreitung in einer bestimmten Richtung bevorzugt. Die Gesamtheit der Materialmodifikationen, die durch die Intensitätsmaxima eingebracht werden, sorgen somit ebenfalls für eine steuerbare Rissausbreitung, auch wenn die einzelnen Materialmodifikationen durch die einzelnen Intensitätsmaxima eine andere Vorzugsrichtung der Rissausbreitung aufweisen.
Die Richtung der Rissausbreitung kann gedreht werden, indem die Laserenergie des Lasers erhöht oder erniedrigt wird.
Beispielsweise kann ein elliptischer, nicht-beugender Strahl ein nächstliegendes Nebenmaximum mit einer relativen Intensität von mindestens 17%, beispielsweise 30% aufweisen. In einem ersten Prozessschritt weist der Laserpuls/Laserpulszug so viel Laserpulsenergie/Laserpulszugenergie auf, dass die Bearbeitungsschwelle bei einer relativen Intensität von 50% liegt. Die Bearbeitung des Glases ist dann nur mit dem elliptischen Hauptmaximum des Strahls möglich, wobei die lange Achse a beispielsweise entlang der x-Achse orientiert ist. Insbesondere ist in diesem ersten Prozessschritt die im nächsten Nebenmaximum transportierte Laserenergie zu gering, um eine Materialbearbeitung zu bewirken.
In einem weiteren Prozessschritt kann die Laserenergie erhöht werden, so dass auch in den Nebenmaxima des Laserstrahls genügend Laserenergie transportiert wird, um eine Materialbearbeitung zu bewirken. Insbesondere kann es genügen die Laserenergie so zu erhöhen, dass bereits mit einer relativen Intensität von 25% eine Materialbearbeitung bewirkt werden kann. Die nächstliegenden Nebenmaxima sind hierbei parallel zur kurzen Achse b des Strahlquerschnitts, beziehungsweise der y-Achse, orientiert. Da die Laserenergie in den Nebenmaxima groß genug ist, um eine Materialbearbeitung zu bewirken, kann dies dazu führen, dass die Materialmodifikationsbereiche überlappen und so eine zusammenhängende elliptische Materialmodifikation in das Glas eingebracht wird, wobei sich die lange Achse entlang der y-Achse erstreckt.
Durch die Wahl der Laserenergie lässt sich somit die Orientierung der eingebrachten Materialmodifikation bestimmen und damit auch die Richtung der Risspropagation. Insbesondere kann hierbei für das Einbringen zweidimensionaler Schnittmuster auf die Verwendung einer 5-Achsen-Vorschubvorrichtung verzichtet werden, siehe unten.
Die Materialmodifikationen können mit einem Laserpuls, bevorzugt mit einer Wellenlänge zwischen 300nm und 2000nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1550nm, oder 1064nm, oder 1030nm, oder 515nm, oder 343nm erzeugt werden. Die Pulsdauer kann kürzer als 1ns, insbesondere kürzer als 100ps sein, bevorzugt kürzer als 3ps, beispielsweise 300fs, oder 100fs oder einige 10fs kurz sein. Die Pulsenergie kann kleiner als 100µJ, bevorzugt kleiner als 50µJ sein, insbesondere zwischen 10µJ und 20µJ groß sein. Die Repetitionsrate des Ultrakurzpulslasers kann kleiner als 1MHz, bevorzugt kleiner als 100kHz sein, besonders bevorzugt kleiner 50kHz sein. Insbesondere können die Laserpulse in einem Pulszug, einem sogenannten Burst, abgegeben werden. Ein Burst kann hierbei zwischen einem und mehr als 10, beispielsweise 20 Laserpulse umfassen, bevorzugt zwischen 2 und 6 Laserpulsen, wobei die Repetitionsrate innerhalb eines Pulszuges zwischen 100 MHz und 50 GHz beträgt.
Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren in einem weiten Parameterbereich eingesetzt werden kann. Des Weiteren ergibt sich hieraus der Vorteil, dass die Materialmodifikationen schädigungsarm in das Dünnstglas eingebracht werden, so dass die Trennkanten des getrennten Dünnstglases im Wesentlichen oder vollständig die Biegsamkeit des ursprünglichen Glases aufweisen.
Das Dünnstglas kann dünner als 1000µm sein, bevorzugt dünner als 200µm sein, besonders bevorzugt zwischen 10µm und 150µm dünn sein, insbesondere 30µm oder 50µm oder 10µm dünn sein.
Hierdurch werden unter anderem besondere Biegeeigenschaften erreicht.
Vorteilhaft wird jede Materialmodifikation durch einen einzigen ultrakurzen Laserpuls oder durch einen einzigen Burst von ultrakurzen Laserpulsen in das Dünnstglas eingebracht.
Damit kann vorteilhaft erreicht werden, dass alle Materialmodifikationen in einer einzigen Überfahrt des durch die ultrakurzen Laserpulse bereitgestellten Laserstrahls entlang der Trennlinie in das Dünnstglas eingebracht werden und das Dünnstglas dann durch Aufbringen der Zugkraft getrennt wird.
Mit anderen Worten kann auf diese Weise ein besonders effizienter und schneller Trennprozess erreicht werden, bei dem eine hohe Qualität der Trennkanten resultiert.
Der ultrakurze Laserpuls kann durch eine Strahlteileroptik aufgeteilt werden und so mehrere Materialmodifikationen gleichzeitig ins Dünnstglas einbringen.
Eine Strahlteileroptik kann hierbei Optikelemente enthalten, die den Laserstrahl teilen, sowie Optikelemente, die alle resultierenden Teilstrahlen zum Einbringen einer Materialmodifikation auf das Dünnstglas lenken und/oder fokussieren.
Beispielsweise kann durch einen 50/50 Strahlteiler die erste Hälfte der Laserpulsenergie des Laserpulses direkt auf das Dünnstglas gelenkt werden. Die zweite Hälfte der Laserpulsenergie kann über einen Spiegel auf das Dünnstglas gelenkt werden. Somit kann ein Laserpuls mehrere Materialmodifikationen erzeugen.
Dies hat den Vorteil, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Lasers erhöht werden kann und somit auch die Prozessgeschwindigkeit insgesamt erhöht werden kann.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Trennen von Dünnstglas mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Trennen von Dünnstglas vorgeschlagen, aufweisend einen Ultrakurzpulslaser, eine Strahlformoptik, eine Fokussiereinheit und eine Vorschiebevorrichtung, sowie eine Steuervorrichtung, wobei diese so eingerichtet sind, dass der Ultrakurzpulslaser Gauß-förmige Laserstrahlen umfassend ultrakurze Laserpulse zur Strahlformoptik aussendet, die Strahlformoptik aus den Gauß-förmigen Laserstrahlen quasi nicht-beugende Laserstrahlen mit nicht-radialsymmetrischem Strahlquerschnitt erzeugt, wobei die Ausdehnung der Fokuszone entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahlprofils größer, bevorzugt doppelt so groß oder zehnmal so groß, wie die Dicke des Dünnstglases ist, die Fokussiereinheit den Laserstrahl oder die Vielzahl an Teilstrahlen in das Dünnstglas fokussiert, eine Vorschubvorrichtung den Laserstrahl und das Dünnstglas relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegen kann, und die Steuervorrichtung über Steuersignale die Laserenergie erhöhen kann, und/oder die Vorschubvorrichtung bewegen kann und/oder die Strahlformoptik rotieren kann, so dass die lange Achse des nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitts entlang der Trennlinie orientiert ist.
Die Strahlformoptik kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder ein Axicon sein, mittels der aus dem Gauß-förmigen Laserpuls ein Bessel-ähnliche Laserpuls erzeugt werden kann.
Die Fokussiereinheit fokussiert den Laserstrahl oder die Vielzahl an Teilstrahlen in das Dünnstglas. Die Vorschubvorrichtung bewegt dabei den Laserstrahl oder die Vielzahl an Teilstrahlen und das Dünnstglas relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch.
Die Fokussiereinheit kann beispielsweise ein Linsensystem oder mehrere Linsensysteme umfassen.
Die Vorschubvorrichtung kann beispielsweise ein XY Tisch oder ein XYZ Tisch sein. Durch letzteres kann besonders vorteilhaft der Fokus für alle Teilstrahlen gleichzeitig im Dünnstglas verschoben werden. Eine translatorische Bewegung beschreibt eine Verschiebung im Raum, während eine rotatorische Bewegung eine Rotation des Dünnstglases um eine bestimmte Raumachse erlaubt. Die Raumachse fällt besonders bevorzugt mit einem der Teilstrahlen zusammen. Prinzipiell sind aber auch Rotationen um beispielsweise alle Euler Winkel möglich. Die Vorschubvorrichtung kann aber auch oder zusätzlich eine strahlformende Einheit sein, welche durch die Variation der verbauten optischen Elemente den Strahl zu verschiedenen Orten und/oder in verschiedenen Formen zum Dünnstglas lenkt.
Die Steuervorrichtung kann mit der Vorschubvorrichtung verbunden sein, wobei die Steuervorrichtung die Nutzerbefehle eines Benutzers der Vorrichtung in Steuerbefehle für die Vorschubvorrichtung umsetzt und so beispielsweise eine vordefinierte Trajektorie abfährt. Die Steuervorrichtung kann auch mit einem Rotator der Strahlformoptik verbunden sein, wobei die Strahlformoptik beziehungsweise auch lediglich einzelne Komponenten der Optik um die Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls gedreht werden kann, so dass die Abbildung der Strahlform auf dem Dünnstglas rotiert erscheint. Die Steuervorrichtung kann insbesondere mit dem Laser verbunden sein und die Laserpulsenergie der Laserpulse einstellen, so dass beispielsweise die Laserintensität eines elliptischen quasi nicht-beugenden Strahls eingestellt wird und damit letztendlich die Richtung der Risspropagation vorgegeben wird
Auf diese Art und Weise kann die lange Achse eines nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts entlang der Trennlinie geführt werden, um eine Rissbildung entlang der Trennlinie zu bewirken.
Die Vorrichtung zum Trennen von Dünnstglas kann zudem eine Strahlteileroptik aufweisen, wobei die quasi nicht-beugenden Laserstrahlen ausgehend von der Strahlformoptik zur Strahlteileroptik weitergeleitet werden.
Die Strahlteileroptik spaltet den Laserstrahl in eine Vielzahl an Teilstrahlen auf und lenkt die Teilstrahlen zur Fokussiereinheit um. Alternativ lenkt die Strahlteileroptik den Laserstrahl nur um, ohne ihn aufzuspalten.
Durch die Aufspaltung des Laserstrahls in Teilstrahlen können gleich geformte Materialmodifikationen im Dünnstglas erzeugt werden. Dadurch ist es möglich, dass der Vorschub der Vorschubvorrichtung des Laserlichts relativ zum Dünnstglas erhöht werden kann, beispielsweise verdoppelt werden kann, weil nun pro Laserpuls mehrere Modifikationen in das Dünnstglas eingebracht werden.
Die ultrakurzen Laserpulse des Ultrakurzpulslasers können eine Wellenlänge zwischen 100nm und 2000nm, bevorzugt eine Wellenlänge von 1550nm oder 1064nm oder 1030nm oder 515nm, oder 343nm aufweisen. Die Pulsdauer kann kürzer als 1ns, insbesondere kürzer als 100ps sein, bevorzugt kürzer als 3ps, beispielsweise 300fs, oder 100fs oder einige 10fs kurz sein. Die Pulsenergie kann kleiner als 100µJ, bevorzugt kleiner als 50µJ sein, insbesondere zwischen 10µJ und 20µJ groß sein. Die Repetitionsrate des Ultrakurzpulslasers kann kleiner als 1 MHz, bevorzugt kleiner als 100kHz sein, besonders bevorzugt kleiner 50kHz sein. Insbesondere können die Laserpulse in einem Pulszug, einem sogenannten Burst, gebündelt abgegeben werden. Ein Burst kann hierbei zwischen einem und mehr als 10, beispielsweise 20 Laserpulse umfassen, bevorzugt zwischen 2 und 6 Laserpulsen, wobei und die Repetitionsrate innerhalb eines Pulszuges zwischen 100MHz und 50GHz groß ist.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Trennungsverfahrens;
2 A, B eine weitere schematische Darstellung des Trennungsverfahrens;
3 A, B eine schematische Detailansicht der Materialmodifikation und der Rissausbreitung;
4 A, B, C verschiedene Strahlquerschnitte und Fokuszone des Strahls;
5 A, B, C, D, E, F gemessene Strahlquerschnitte sowie damit erzeugte Risse im Dünnstglas;
6 A, B, C, D eine detaillierte Analyse eines elliptischen Strahlquerschnitts;
7 A, B Strahlquerschnitte bei verschiedenen Laserenergien;
8 A, B, C eine detaillierte Analyse eines weiteren elliptischen Strahlquerschnitts;
9 A, B, C, D eine weitere Analyse weiterer Strahlquerschnitte; und
10 eine Vorrichtung zum Trennen von Dünnstglas.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1 ist schematisch das Trennungsverfahren zum Trennen von Dünnstglas 1 dargestellt. Um das Dünnstglas 1 zu trennen, wird ein Laserstrahl 60 eines Ultrakurzpulslasers 6 durch eine Strahlformoptik 9 gesendet, wobei der Laserstrahl 60 eine spezifische Strahlform aufgeprägt bekommt, und in das Dünnstglas 1 fokussiert. In dem Laserstrahl 60 laufen die Laserpulse, die von dem Dünnstglas 1 absorbiert werden, um auf diese Weise eine Materialmodifikation 3 in das Dünnstglas 1 einzubringen. Die schraffierte Ebene zeigt hierbei die Ebene unterhalb der Trennlinie entlang derer das Dünnstglas 1 getrennt wird.
Das Dünnstglas 1 hat eine Dicke D, die beispielsweise 100µm oder 50µm oder 30µm oder 10µm betragen kann.
Die durch den fokussierten Laserstrahl 60 resultierende und elongierte Fokuszone des Laserstrahls 60 ist hier in Ausbreitungsrichtung deutlich größer als die Dicke D des Dünnstglases 1, so dass mit dem Laserstrahl 60 gleichzeitig eine Materialmodifikation 3 über die gesamte Dicke D des Dünnstglases 1 erzeugt wird.
Insbesondere ist es so möglich, mittels eines einzelnen Laserpulses oder eines einzelnen Laserbursts eine Materialmodifikation 3 über die gesamte Dicke D des Dünnstglases 1 zu erzeugen. So kann das Dünnstglas 1 entlang der Trennlinie nach nur einer Überfahrt des Laserstrahls 60 getrennt werden.
Durch die Absorption der Laserpulse in dem Dünnstglas 1 kommt es zu einer lokalen Erwärmung des Dünnstglases 1. Die lokale Erwärmung kann hierbei zu einer Modifikation der Glasnetzstruktur führen, insbesondere kann bei einem amorphen Glasmaterial lokal eine Änderung der Netzwerkstruktur, beispielsweise eine Änderung der Bindungswinkel- und Längen oder sogenannte Voids erzeugt werden. Es kann aber auch sein, dass die lokale Erwärmung andere physikalische Eigenschaften des Dünnstglases modifiziert.
Diese Modifikation ergeben die Materialmodifikation 3. Um die Materialmodifikation 3 herum wird ein Materialmodifikationsbereich 30 ausgebildet. In dem Materialmodifikationsbereich 30 geht das Material von dem Zustand, der in der Materialmodifikation 3 vorliegt, nach und nach wieder in seinen Ursprungszustand über, je weiter entfernt das Material von der Materialmodifikation 3 betrachtet wird. Der Ursprungszustand kann beispielsweise der unbearbeitete Zustand des Glasmaterials sein, der beispielsweise in benachbarten Punkten im Glas vorliegt. Unter dem Ursprungszustand wird hier aber auch der Zustand des Glasmaterials verstanden, welcher vor dem Einbringen der Materialmodifikation 3 vorlag.
In der Materialmodifikation 3 und dem Materialmodifikationsbereich 30 kann es zu lokalen Spannungen kommen, die eine Rissbildung begünstigen. Beispielsweise kann das Dünnstglas 1 durch lokale Erhitzung eine andere Dichte - beispielsweise eine geringere Dichte - aufweisen und dadurch eine Druckspannung im Materialmodifikationsbereich 30 aufbauen. In dem erhitzten Bereich kann aber auch eine höhere Dichte vorliegen und somit eine Zugkraft im Materialmodifikationsbereich 30 aufgebaut werden. Wird die Zug- und/oder Druckspannung zu groß, beispielsweise größer als die Zug- oder Druckfestigkeit des unbehandelten Dünnstglases, kann es zur spontanen Ausbildung eines Risses kommen. Die Ausbreitungsrichtung solcher Risse, die am Rande der Materialmodifikation 3 und oder dem Materialmodifikationsbereich 30 entstehen, können durch Wahl des Strahlquerschnitts senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gezielt von einer Materialmodifikation 3 zu einer anderen Materialmodifikation 3 gelenkt werden. Aufgrund der gezielten Rissbildung zwischen den Materialmodifikationen 3 müssen diese dann nicht so stark ausgeprägt sein, so dass geringe Pulsenergien, beispielsweise kleiner als 100µJ, ausreichend zum Trennen des Dünnstglases 1 sein können. Die gezielte Rissführung führt auch dazu, dass sich die Risse nicht willkürlich ausbreiten und somit einer Schwächung des getrennten Materials entgegenwirkt wird und entsprechend das Biegevermögen des getrennten Materials nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird.
Wie in der 1 gezeigt, werden mehrere Materialmodifikationen 3 in das Dünnstglas 1 eingebracht. Um jede Materialmodifikation 3 herum bilden sich Materialmodifikationsbereiche 30 aus. Die Platzierung der Materialmodifikationen 3 geschieht hierbei entlang der gewünschten Trennlinie 2. Die Trennlinie 2 ist eine gedachte Linie entlang derer das Dünnstglas 1 getrennt werden soll. Somit ist es möglich die Rissausbreitung im Glas 1 so zu steuern, dass das Dünnstglas 1 entlang der Trennlinie 2 gezielt geschwächt wird und somit eine Sollbruchstelle im Dünnstglas 1 eingebracht wird.
Nachdem mittels des Laserstrahls 6 die Materialmodifikation 3 in das Dünnstglas 1 eingebracht sind, kann durch Aufbringen einer Zugkraft FZ auf die durch die Trennlinie 2 separierten Glashälften 10 und 12 das Dünnstglas 1 getrennt werden. Entlang der Trennlinie 2 entsteht dann die Trennkante 20. Die Biegsamkeit dieser lasermodifizierten Trennkanten 20 ist hierbei vergleichbar mit der Biegsamkeit des unbearbeiteten Materials, sodass sich der Trennungsprozess nicht oder kaum negativ auf die ursprünglichen Glaseigenschaften auswirkt. Alternativ zur Zugkraft kann auch wie oben erwähnt eine andere Art von Trennprozess im Trennschritt verwendet werden.
Mit anderen Worten kann mittels des beschriebenen Verfahrens erreicht werden, dass die Eigenschaften des Dünnstglases 1 auch an den Kanten nach dem Trennen weitestgehend oder vollständig beibehalten werden.
In 2A ist der Trennungsprozess in einer Draufsicht in der xy-Ebene - also der im Dünnstglas 1 liegenden Ebene - gezeigt. Die Materialmodifikationen 3 werden entlang der gewünschten Trennlinie 2 in das Dünnstglas 1 eingebracht.
Um die Materialmodifikation 3 herum kommt es zur Bildung eines Materialmodifikationsbereichs 30 in welchem es zur Rissbildung oder mindestens zu einer Materialspannung kommt. In der Figur sind die Materialmodifikationen 3 elliptisch derart gezeigt, dass sie eine lange Achse 42 aufweisen. Aufgrund der elliptischen Form des Strahlquerschnitts senkrecht zur Ausbreitungsrichtung breiten sich die Risse 32 oder die Materialspannungen bevorzugt in Richtung der langen Achse 42 des elliptischen Strahlquerschnitts aus. Da die Materialmodifikationen 3 nebeneinander entlang der Trennlinie 2 platziert sind, breitet sich der Riss global gesehen von Materialmodifikation 3 zu Materialmodifikation 3 aus, sodass der Riss weitestgehend der Trennlinie 2 folgt.
Zum Einbringen der Materialmodifikationen 3 können beispielsweise ultrakurze Laserpulse verwendet werden, wobei jeder Laserpuls eine Pulsenergie von 15µJ aufweisen kann. Die Laserpulse können hierbei auch in Bursts in das Dünnstglas 1 eingebracht werden. Pro Burst kann beispielsweise eine Materialmodifikation 3 erzeugt werden. Beispielsweise kann ein Burst vier Laserpulse umfassen, so dass bei einer Pulsenergie von 15µJ dann jeder Burst eine Laserpulszugenergie von 60µJ aufweist. Die die Distanz zwischen den benachbarten Materialmodifikationen 3 kann dabei 10µm betragen. Eine Materialmodifikation wird bevorzugt mit einem einzigen Burst eingebracht.
Ein Burst kann auch sechs Laserpulse mit einer Pulsenergie von je 10µJ umfassen, sodass jeder Burst eine Laserpulszugenergie von 60µJ aufweist. Beispielsweise kann dann die Distanz zwischen den Materialmodifikationen 3 dann 15µm betragen.
Durch die gezielte Steuerung der Rissbildung und Rissführung im Dünnstglas 1 ist es daher möglich, die Distanz zwischen den Materialmodifikationen 3 relativ groß zu halten. Der Vorschub des Laserstrahls 60 über das Material kann beispielsweise 50mm/s betragen, der Vorschub kann aber auch deutlich größer sein, beispielsweise 5m/s oder 1m/s.
In 2B ist gezeigt, dass durch Aufbringen einer Zugkraft FZ das Glas 1 in eine erste Glashälfte 10 und eine zweite Glashälfte 12 geteilt werden kann. Entlang der ursprünglichen Trennlinie 2 entsteht nun eine Trennkante 20. Die Trennkante 20 weist hierbei eine sehr hohe Qualität auf - insbesondere unterscheiden sich die Eigenschaften des Glasmaterials an der Trennkante 20 kaum oder nicht von denen im übrigen Glasmaterial des Dünnstglases 1.
Beispielsweise weist die Trennkante 20 eine Rauigkeit zwischen 0µm und 0,4µm auf. Durch die geringe Rauigkeit der Trennkante 20 sowie den geringen Schaden, den das Material durch die Laserbearbeitung nimmt, ist auch das getrennte Dünnstglas 1 weiterhin sehr biegsam. Beispielsweise lässt sich das getrennte Dünnstglas 1 bis zu 2,5°/mm biegen.
In 3A ist eine elliptische Materialmodifikation 3 in einem Dünnstglas 1 gezeigt. Die Materialmodifikation 3 wird durch den Laserstrahl 60 des Lasers 6 in das Dünnstglas 1 eingebracht.
Hierbei wird die Form der Materialmodifikation 3 durch den Strahlquerschnitt 4 des Laserstrahls 60 vorgegeben. Um den Bereich der Materialmodifikation 3 herum, in dem für die Zeit des Laserpulses eine direkte Einwirkung des Laserstrahls 60 auf das Dünnstglas 1 vorliegt, kommt es zur Ausbildung eines Materialmodifikationsbereichs 30. Dieser Materialmodifikationsbereich 30 wird geformt beispielsweise durch den Wärmetransport von der Materialmodifikation 3 zu den umliegenden Glasbereichen.
Dementsprechend können sowohl in der Materialmodifikation 3 selbst als auch im Materialmodifikationsbereich 30 Materialspannungen auftreten, welche eine Rissbildung begünstigen. Beispielsweise kann bei einer elliptischen Materialmodifikation eine Rissbildung an den Stellen der Ellipse begünstigt werden, an denen der Kurvenradius der Begrenzungslinie besonders klein ist. Durch einen kleinen Kurvenradius wird sichergestellt, dass die Spannung, die durch die Materialmodifikation 3 in das Glas 1 eingebracht wird, in viele verschiedene Richtungen besonders schnell abfallen kann. Somit erfolgt an dieser Stelle einer Relaxation der Materialspannung mit höherer Wahrscheinlichkeit als an Orten, wo die Materialspannung nur in wenige Richtungen relaxieren kann. Dadurch sind im Glas 1 die Stellen der Materialmodifikation 3 besonders instabil, die einen kleinen Kurvenradius aufweisen.
Die Bildung des Risses 32 findet dann vorzugsweise in Richtung der langen Achse der elliptischen Materialmodifikation 3 statt. Somit ist es möglich die Rissausbreitung durch die Orientierung der Materialmodifikation 3 zu steuern. So ist es insbesondere möglich die Rissausbreitung von einer Materialmodifikation 3 zu einer anderen Materialmodifikation 3 zu steuern.
In 3B sind mehrere Materialmodifikationen 3 in das Dünnstglas 1 eingebracht worden. Die Materialmodifikation 3 sind abermals elliptisch. Dadurch bilden sich die Risse besonders bevorzugt entlang der langen Achse der Ellipse an den Stellen der kleinsten Kurvenradien der Ellipse aus. Die Materialmodifikationen 3 sind in der Figur so nah beieinander platziert, dass die jeweiligen Risse benachbarter Materialmodifikationen überlappen. Dadurch ist es möglich, dass sich die Risse zusammenschließen und einen gemeinsamen Riss zwischen zwei benachbarten Materialmodifikationen formen. Beispielsweise können durch dieses Verfahren Risse entlang beliebiger Trennlinien 2 in das Dünnstglas 1 eingebracht werden.
In 4A sind verschiedene Beispiele für Strahlquerschnitte entlang der Ausbreitungsrichtung (xy-Ebene) mitsamt den Strahlquerschnitten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (xy-Ebene) gezeigt. Es ist deutlich zu sehen, dass ein radialsymmetrischer Gauß‘scher Strahlquerschnitt eine deutlich geringere Ausdehnung in Ausbreitungsrichtung aufweist als die Strahlquerschnitte der quasi nicht-beugenden Strahlen, wie beispielsweise ein elliptischer quasi nicht-beugender Strahl.
In 4B ist die elliptische Fokuszone eines elliptischen Strahlquerschnitts 4 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 60 gezeigt. Die gezeigte Fokuszone 44 entspricht somit dem Anteil des Strahlquerschnitts 4 dessen Intensität groß genug ist, um eine Materialmodifikation 3 in das Glas einzubringen. Die Fokuszone 44 weist eine lange Achse 42 auf. Des Weiteren ist die Fokuszone 44 durch die Begrenzungslinie 40 begrenzt. Die Begrenzungslinie 40 weist unterschiedliche Krümmungen auf je nachdem an welchem Punkt man sich auf der Begrenzungslinie 40 in der xy-Ebenen befindet. Der Kurvenradius der Begrenzungslinie 40 ist besonders klein an dem Punkt, wo die lange Achse 42 der Ellipse die Begrenzungslinie 40 schneidet. Die Begrenzungslinie 40 wird von der langen Achse 42 an zwei gegenüberliegenden Punkten geschnitten. Der Kurvenradius der Begrenzungslinie 40 ist besonders groß an dem Punkt an welchem die kleine Halbachse der Ellipse den Rand der Fokuszone schneidet. Diese besondere Geometrie kann durch Einbringen des Strahlquerschnitts 4 in ein Glas 1 eine ebenso geformte Materialmodifikation 3 hervorrufen.
In 4C ist die Fokuszone 44 des Strahls 6 entlang der Ausbreitungsrichtung gezeigt. Die Fokuszone 44 ist insbesondere in Ausbreitungsrichtung (z-Achse) elongiert und insbesondere deutlich größer als die Glasdicke D. Damit besteht eine gewisse Fokuslagentoleranz, so dass über eventuelle Welligkeiten des Glases 1 hinweggefahren werden kann, ohne dass der Fokus des Laserstrahls 60 nachjustiert werden muss. Insbesondere ist es dadurch auch möglich mit eine Materialmodifikation 3 in das Dünnstglas einzubringen, die über die gesamte Glasdicke D des Dünnstglases reicht.
In 5A ist ein weiterer Strahlquerschnitt eines quasi nicht-beugenden Strahls zu sehen. Der Strahlquerschnitt des quasi nicht-beugenden Strahls weist hierbei sowohl in x- als auch in y-Richtung verschiedene Intensitätsmaxima, beziehungsweise sogenannte Nebenmaxima auf. Insbesondere ist der gezeigte Strahlquerschnitt des quasi nicht-beugenden Strahls kreuzförmig. Der Strahlquerschnitt des quasi nicht-beugenden Strahls weist vom Zentrum vier Intensitätsmaxima in positive y-Richtung auf und fünf Intensitätsmaxima in positive x-Richtung.
In 5B ist die Begrenzungslinie 40 des kreuzförmigen Strahlquerschnitts des quasi nicht-beugenden Strahls gezeigt. Die Begrenzungslinie 40 umfasst hierbei diejenigen Intensitätsmaxima, die es ermöglichen, das Material bzw. das Glas 1 zu modifizieren. Aufgrund des kreuzförmigen Strahlquerschnitts weist das Kreuz mehrere lange Achsen 42 auf. Die langen Achsen sind in diesem Fall parallel zu den Kreuzachsen orientiert. Die Punkte, an denen die langen Achsen die Begrenzungslinie 40 schneiden, sind die Punkte, an denen die Begrenzungslinie einen besonders kleinen Kurvenradius aufweist. Somit ist es möglich die voraussichtliche Rissausbreitung vorherzusagen. Die Rissausbreitung wird in Richtung der langen Achsen 42 des Strahlquerschnitts bzw. der entsprechenden Materialmodifikation 3 stattfinden.
In 5C sind die mit dem kreuzförmigen Strahlquerschnitt des Lasers ins Glas 1 eingebrachten Materialmodifikationen 3 gezeigt. 5D zeigt hierbei einen vergrößerten Ausschnitt aus 5C. Es ist zu sehen, dass die Intensitätsmaxima des Strahlquerschnitts eine besonders starke Materialmodifikation 3 hervorgerufen. Der Materialmodifikationsbereich 30 jeder Materialmodifikation 3 eines jeden Intensitätsmaximums kann hierbei je nach gewählter Pulsenergie mit den Materialmodifikationsbereich 30 des benachbarten Intensitätsmaximums überlappen. Dadurch ist es möglich, dass sich im überlappenden Materialmodifikationsbereich 30 eine zusammenhängende Materialspannung aufbaut. Somit ist insbesondere die Materialmodifikation, die sich durch die verschiedenen Intensitätsmaxima zusammensetzt, als eine einzige Materialmodifikation 3 anzusehen. Die Materialspannung kann dann an den Orten der Materialmodifikation 3 relaxieren, an welchen die Begrenzungslinie einen besonders kleinen Kurvenradius aufweist.
In 5D ist gut zu sehen, dass die Risse 32 sich jeweils entlang der langen Achsen in der Materialmodifikation 3 ausbreiten. Insbesondere zeigt sich, dass sich die Risse 32 benachbarter kreuzförmiger Materialmodifikation 3 zu einem einzigen Riss 32 zusammenschließen. Somit ist es möglich, durch die Orientierung der kreuzförmigen Materialmodifikation 3 die Rissausbreitung durch das Dünnstglas 1 zu steuern. Insbesondere ist es so möglich, durch die gezielte Rissausbreitung die Materialmodifikationen 3 in einem größeren Abstand voneinander in das Dünnstglas 1 einzubringen. Somit wird das Dünnstglas 1 nicht unnötig geschädigt oder bearbeitet.
In 5E ist eine Elektronenmikroskop-Aufnahme eines getrennten Dünnstglases zu sehen. Es sind deutlich die eingebrachten Materialmodifikationen 3 zu sehen, welche sich über die gesamte Glasdicke D erstrecken. Des Weiteren zeigen sich abgehend davon die durch die Materialmodifikationen 3 hervorgerufenen Risse 32, die im Wesentlichen von einer Materialmodifikation 3 zu einer benachbarten Materialmodifikation 3 streben.
In 5F ist eine weiterer nicht-radialsymmetrischer Strahlquerschnitt zu sehen. Im Zentrum zeigt sich ein Intensitätsmaximum, an welches sich links und rechts davon zwei weitere lokale Intensitätsmaxima anschließen. Über und unter den benachbarten Intensitätsmaxima schließend sich weitere Intensitätsmaxima an, so dass sich insgesamt ein „H“-förmiger Strahlquerschnitt ergibt.
In 6 ist eine detaillierte Analyse eines elliptischen nicht beugenden Strahlquerschnitts gezeigt. In 6A ist die transversale Intensitätsverteilung des Laserstrahls 60 gezeigt, wobei sich das Hauptmaximum und die Nebenmaxima aus der Lösung der Helmholtz Gleichung ergeben.
In 6B sind die sogenannten Iso-Intensitätslinien der Intensitätsverteilung aus 6A gezeigt, wobei die Linien dort eingezeichnet sind, wo die relative Intensität des Laserstrahls 25 %, oder 50 %, oder 75 % beträgt. Es ist deutlich sichtbar, dass das Hauptmaximum 41 der Intensitätsverteilung eine annähernd elliptische Form aufweist, die entlang der x-Achse elongiert ist und wobei die Ausdehnung entlang der x-Achse deutlich größer ist als die Ausdehnung entlang der y-Achse. Insbesondere schließen sich das Hauptmaximum zwei Nieren-förmige Nebenmaxima 43 an, die eine deutlich geringere relative Intensität aufweisen.
In 6C ist ein Querschnitt durch die Intensitätsverteilung aus 6A durch das Zentrum des Hauptmaximums entlang der x-Achse gezeigt. Im Zentrum des Hauptmaximums weist Intensitätsverteilung ihr Maximum auf, wobei hier definitionsgemäß die relative Intensität bei 100 % liegt. Entlang der positiven und negativen x-Richtung fällt die Intensitätsverteilung ab, bis bei etwa 0,003 mm ein Minimum in der relativen Intensitätsverteilung erreicht ist, welches jedoch von 0% verschieden ist. Demzufolge wird auch zwischen dem Hauptmaximum 41 und den Nebenmaxima 43 des Laserstrahls 60 Laserenergie transportiert.
In 6D ist ein Querschnitt durch die Intensitätsverteilung aus 6A durch das Zentrum des Hauptmaximums 41 entlang der y-Achse gezeigt. Abermals ist hier das Intensitätsmaximum im Zentrum zu finden, jedoch ist der Intensitätsabfall entlang der y-Richtung deutlich schneller, sodass bei etwa 0,002 mm das Intensitätsminimum erreicht ist. Hierbei ist das Intensitätsminimum exakt null, da hier für den Laserstrahl 60 eine vollständige Interferenz vorliegt. Insbesondere sind bei größeren Werten auf der y-Achse erneut Nebenmaxima zu finden, die beispielsweise über einem relativen Intensitätswert von 25 % liegen. Dies ist im x-Achse Querschnitt aus der 6C nicht der Fall. Die Eigenschaften des elliptischen Strahlquerschnitts unterscheiden sich somit entlang der verschiedenen Ausbreitungsrichtungen.
Insbesondere ist in den 6C und 6B gezeigt, dass die lange Halbachse a vom Zentrum des Hauptmaximums bis zum Abfall der relativen Intensität auf 50 % gemessen wird. Analog wird die Länge der kurzen Halbachse b vom Zentrum des Hauptmaximums bis zum Abfall der relativen Intensität auf 50 % gemessen. Hierbei stehen die lange und kurze Halbachse senkrecht aufeinander.
Des Weiteren ist zu sehen, dass die Nebenmaxima, welche eine relative Intensität von über 25% aufweisen, sich entlang der y-Achse über beziehungsweise unter dem Hauptmaximum befinden. Dies hat weitreichende Folgen für die Materialbearbeitung wie in 7A,B gezeigt wird. Beispielweise ist in 7A ein erster Prozessschritt des Verfahrens gezeigt, bei dem die Laserenergie so eingestellt wird, dass eine Materialbearbeitung lediglich ab einer relativen Intensität von 50 % möglich ist. Gewissermaßen ist die Fokuszone des Intensitätsprofils durch die Iso-Intensitätslinie bei 50% gegeben. Unterhalb einer relativen Intensität von 50 % wird nicht genug Laserenergie in das Material eingebracht, um das Material zu bearbeiten. Insbesondere hat die Materialmodifikation 3, beziehungsweise die Begrenzungslinie 40 dann die Form des zentralen Hauptmaximums, welches in diesem Fall elliptisch ist. Die lange Achse der Begrenzungslinie 40 liegt parallel zur x-Achse, sodass eine bevorzugte Rissbildung entlang der x-Achse zu erwarten ist.
Ein weiterer Prozessschritt ist in 7B gezeigt. Die Laserpulsenergie oder Laserpulszugenergie wurde vergrößert, sodass eine Materialbearbeitung schon ab einer relativen Intensität von 25 % möglich ist. Die Fokuszone, innerhalb derer eine Materialbearbeitung stattfindet ist somit durch die 25%-Iso-Intensitätslinie gegeben. Dies bedeutet insbesondere, dass die Laserenergie verdoppelt wurde. Oberhalb von 25 % wird bei diesem spezifischen Strahlquerschnitt genügend Laserenergie in den Nebenmaxima transportiert, um mit den Nebenmaxima eine Materialbearbeitung vorzunehmen und Materialmodifikationen 3 in das Material einzubringen.
Insbesondere erstrecken sich die Nebenmaxima entlang einer Richtung senkrecht zur langen Achse des Hauptmaximums.
Das Hauptmaximum sowie die beiden Nebenmaxima bilden jeweils beispielsweise überlappende Materialmodifikationsbereiche aus, sodass sich insgesamt eine elliptische Materialmodifikation 3 ergibt, deren lange Achse sich in y-Richtung erstreckt. Somit ist auch eine Rissausbildung entlang der y-Richtung zu erwarten.
Insbesondere wurde somit durch die Variation der Laserenergie die Richtung der Rissausbreitung bestimmt. Dementsprechend lassen sich durch dieses Verfahren beispielsweise Rechtecke aus einem Glas herausschneiden, wobei auf den Einsatz teurer Positionierungstechnik, insbesondere 5-Achsen Positionierungsvorrichtung, verzichtet werden kann. Die Qualität der Schnittkanten ist durch dieses Verfahren zwar leicht reduziert, die gute Trennbarkeit bleibt jedoch erhalten.
In 8A,B,C ist ein elliptisches Intensitätsprofil mit reduziertem Interferenzkontrast entlang der langen Hauptachse gezeigt. Bei dem reduzierten Interferenzkontrast sind die Modulationen durch die Nebenmaxima deutlich reduziert. Dadurch ist es möglich mit deutlich größerer Laserleistung das Glas 1 zu bearbeiten, ohne dass eine Richtungsänderung der Rissausbreitung erfolgt, im Vergleich zu 7A,B. Beispielsweise liegt die Intensitätsverteilung entlang der x-Achse, gezeigt in 8B, und die Intensitätsverteilung entlang der y-Achse, gezeigt in 8C deutlich unter dem oben benannten 25 % Schwellwert, sodass eine Variation der Laserenergie lediglich eine Variation der Stärke der Materialbearbeitung im Hauptmaximum bewirkt.
In 9A ist ein weiteres Intensitätsprofil der xy-Ebene gezeigt, wobei in 9B die zugehörigen Iso-Intensitätslinien für eine relative Intensität von 25 % gezeigt werden. Die Iso-Intensitätslinien zeigen, dass es neben den Nebenmaxima, die auf einer Geraden liegen, die parallel zur kurzen Halbachsen der Ellipse steht, auch weitere Nebenmaxima gibt, die oberhalb der 25% Schwelle liegen. Jedoch sind für das Verfahren nur die nächstliegenden neben Maxima relevant, da diese die Richtung der Rissausbreitung vorgeben. Die weiteren Nebenmaxima beeinflussen die Rissausbreitung nur geringfügig, da sie beispielweise, wie im vorliegenden Fall, spiegelsymmetrisch zur x-Achse in das Material eingebracht werden und somit keiner Vorzugsrichtung der Rissausbreitung in y-Achse bewirken können.
Des Weiteren sind die Interferenzkontraste bei den in den 9A und 9C gezeigten Intensitätsverteilung ungefähr 1, sodass zwischen den Nebenmaxima eine vollständig destruktive Interferenz vorliegt. Dies führt dazu, dass kleinere Modifikationen entstehen und damit die Länge der Risse kleiner wird.
In 10 ist ein Aufbau zum Durchführen des Verfahrens gezeigt. Der Laserstrahl 60 des Ultrakurzpulslasers 6 wird durch eine Strahlformungsoptik 9 und durch einen optionalen Spiegel 70 auf das Dünnstglas 1 gelenkt. Die Strahlformungsoptik 9 kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder ein Axicon sein, welches aus einem Gauß-förmigen Laserstrahl 60 einen nicht-beugenden Laserstrahl 60 erzeugt. Im vorliegenden Beispiel wird der Laserstrahl 60 von dem Spiegel 70 in Richtung des Dünnstglases 1 gelenkt und von einer Fokussieroptik 72 auf oder in das Dünnstglas 1 fokussiert. Dabei kann die Fokussiereinheit 7 auch eine Vielzahl von Fokussieroptiken 1 beinhalten, sollte der Laserstrahl 60 durch einen Strahlteiler in eine Vielzahl von parallellaufenden Teillaserstrahlen zerlegt worden sein (nicht gezeigt), oder auch nur eine Fokussieroptik 72 für alle Teilstrahlen beinhalten. Im Dünnstglas 1 verursacht der Laserstrahl 60 Materialmodifikationen 3.
Insbesondere bleibt der Strahlquerschnitt des Laserstrahls durch den Spiegel 70 und die Fokussieroptik 72 erhalten.
Die Vorschubvorrichtung 8 kann hierbei das Dünnstglas unter dem Laserstrahl 60 mit einem Vorschub bewegen, so dass der Laserstrahl 60 Materialmodifikationen 3 entlang der gewünschten Trennlinie einbringt. Insbesondere kann die Vorschubvorrichtung dazu eingerichtet sein das Dünnstglas 1 um die z-Achse, beziehungsweise um die Strahlausbreitungsrichtung zu rotieren, sodass die lange Achse des Strahlquerschnitts senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung stets tangential zur gewünschten Trennlinie steht, um so eine Rissausbreitung entlang der Trennlinie zu bewirken.
Zu diesem Zweck kann die Vorschubvorrichtung 8 mit einer Steuervorrichtung 5 verbunden sein, wobei die Steuervorrichtung 5 die Nutzerbefehle eines Benutzers der Vorrichtung in Steuerbefehle für die Vorschubvorrichtung 8 umsetzt. Insbesondere können vordefinierte Schnittmuster in einem Speicher der Steuervorrichtung 5 gespeichert sein und durch die Steuervorrichtung 5 die Prozesse automatisch gesteuert werden.
Die Steuervorrichtung 5 kann auch mit einem Rotator verbunden sein, wobei der Rotator die Strahlformungsoptik 9 um die Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 60 drehen kann, so dass die Abbildung der Strahlform auf dem Dünnstglas rotiert erscheint. Auf diese Art und Weise kann die lange Achse des Strahlquerschnitts entlang der Trennlinie geführt werden, um eine Rissbildung entlang der Trennlinie zu bewirken. In diesem Fall genügt es, wenn die Vorschubvorrichtung 8 lediglich ein XYZ-Tisch, oder ein XY-Tisch ist.
Die Steuervorrichtung 5 kann insbesondere auch mit dem Laser 6 verbunden sein. Die Steuervorrichtung 5 kann hierbei die Laserpulsenergie der Laserpulse des Lasers 6 einstellen, sodass in Verbindung mit der jeweiligen Strahlpositionen, gegeben durch die Vorschubvorrichtung 8, die Laserintensität beispielsweise erhöht wird, um eine Richtungsänderung der Risspropagation zu bewirken. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 5 auch mit allen genannten Komponenten verbunden sein und so die Materialbearbeitung koordinieren.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Dünnstglas
10: erste Dünnstglashälfte
12: zweite Dünnstglashälfte
2: Trennlinie
20: Trennkante
3: Materialmodifikation
30: Materialmodifikationsbereich
32: Riss
34: Begrenzungslinie
36: Materialmodifikationsquerschnitt
38: lange Achse
4: Strahlquerschnitt
40: Begrenzungslinie
41: Hauptordnung
42: lange Achse
43: Nebenordnung
44: Fokuszone
46: longitudinale Ausdehnung
48: Strahlprofil
5: Steuervorrichtung
6: Laser
60: Laserstrahl
7: Fokussiereinheit
70: Spiegel
72: Fokussieroptiken
8: Vorschubvorrichtung
9: Strahlformungsoptik
D: Dicke des Dünnstglases
FZ: Zugkraft

Claims

Verfahren zum Trennen von Dünnstglas (1), wobei mittels ultrakurzer Laserpulse eines Ultrakurzpulslasers entlang einer Trennlinie (2) Materialmodifikationen (3) in das Dünnstglas (1) eingebracht werden und das Dünnstglas (1) dann in einem Trennschritt entlang der Trennlinie (2) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ultrakurzen Laserpulse so in das Dünnstglas (1) fokussiert werden, dass sich die resultierende und in Strahlrichtung elongierte Fokuszone (46) über die gesamte Dicke (D) des Dünnstglases (1) erstreckt und die ultrakurzen Laserpulse einen nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitt (4) senkrecht zur Strahlausbreitung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschritt das Aufbringen einer thermischen Spannung und/oder das Aufbringen einer mechanischen Kraft, bevorzugt einer Zug- oder Biegekraft, und/oder das Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschritt das wiederholte Überfahren der Trennlinie (2) unter Einbringen von Laserpulsen des Ultrakurzpulslasers umfasst, wobei bevorzugt die Laserparameter des Ultrakurzpulslasers bei allen Überfahrten konstant gehalten werden und besonders bevorzugt den zum ersten Einbringen der Materialmodifikationen (3) verwendeten Laserparametern entsprechen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strahlrichtung elongierte Fokuszone (46) länger, bevorzugt doppelt so lang oder zehnmal so lang wie die Dicke (D) des Dünnstglases (1) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die ultrakurzen Laserpulse ausgebildete Laserstrahl zumindest in der in Strahlrichtung elongierten Fokuszone (46) ein quasi nicht-beugender Laserstrahl ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lange Achse (a) des nicht-radialsymmetrischen Strahlquerschnitts (4) eine verschwindende oder nicht-verschwindende Intensität aufweist, bevorzugt im Falle der nichtverschwindenden Intensität einen Interferenzkontrast von weniger als 0,9 aufweist.
Verfahren nach einem Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Hauptmaximum des quasi nicht-beugenden Strahls nächstgelegenen Nebenmaxima auf einer Achse senkrecht zur langen Achse (a) positioniert sind und eine Intensität von über 17% relativ zur maximalen Intensität aufweisen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmodifikation (3) einen nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitt (36) hat und/oder die lange Achse des nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitts (36) entlang der Trennlinie (2) orientiert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Materialmodifikation (3) durch einen einzigen ultrakurzen Laserpuls oder durch einen einzigen Burst von ultrakurzen Laserpulsen in das Dünnstglas (1) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Materialmodifikationen (3) in einer einzigen Überfahrt des durch die ultrakurzen Laserpulse bereitgestellten Laserstrahls entlang der Trennlinie (2) in das Dünnstglas (1) eingebracht werden und das Dünnstglas (1) dann im Trennschritt durch Aufbringen einer Zugkraft (FZ) getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz zwischen den Materialmodifikationen (3) größer, beispielsweise doppelt so groß oder viermal so groß oder zehnmal so groß, wie die lange Achse (38) des nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitts (36) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmodifikationen (3) mit Laserpulsen erzeugt werden, wobei - die Laserpulse eine Wellenlänge zwischen 300nm und 2000nm, bevorzugt eine Wellenlänge von 1550nm oder 1064nm oder 1030nm oder 515nm, oder 343nm aufweisen und/oder - die Pulsdauer kürzer als 1ns, insbesondere kürzer als 100ps ist, bevorzugt kürzer als 3ps, besonders bevorzugt 300fs oder 100fs oder einige 10fs kurz ist, und/oder - die Pulsenergie kleiner als 100µJ, bevorzugt kleiner als 50µJ ist, insbesondere zwischen 10µJ und 20µJ liegt, und/oder - die Repetitionsrate des Ultrakurzpulslaserstrahls (6) kleiner als 1 MHz, bevorzugt kleiner als 100kHz ist, besonders bevorzugt kleiner als 50kHz ist, und/oder - bei Abgabe mehrerer Pulse in einem Pulszug der Pulszug bevorzugt zwischen 2 und 6 Laserpulse umfasst und die Repetitionsrate innerhalb eines Pulszuges bevorzugt zwischen 100 MHz und 50 GHz groß ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnstglas (1) dünner als 1000µm, bevorzugt dünner als 200µm ist, besonders bevorzugt zwischen 10µm und 150µm dünn ist, insbesondere 30µm oder 50µm oder 10µm dünn ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ultrakurze Laserpuls durch eine Strahlteileroptik (5) aufgeteilt wird und gleichzeitig mindestens zwei Materialmodifikationen (3) in das Glas (1) einbringt.
Vorrichtung zum Trennen von Dünnstglas (1), aufweisend einen Ultrakurzpulslaser (6), eine Strahlformoptik (9), eine Fokussiereinheit (7) und eine Vorschubvorrichtung (8), sowie eine Steuervorrichtung (5), wobei diese so eingerichtet sind, dass der Ultrakurzpulslaser (6) Gauß-förmige Laserstrahlen umfassend ultrakurze Laserpulse zur Strahlformoptik (9) aussendet, die Strahlformoptik (9) aus den Gauß-förmigen Laserstrahlen quasi nicht-beugende Laserstrahlen mit nicht-radialsymmetrischem Strahlquerschnitt (4) erzeugt, wobei die Ausdehnung (46) der Fokuszone entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahlprofils größer, bevorzugt doppelt so groß oder zehnmal so groß, wie die Dicke (D) des Dünnstglases (1) ist, die Fokussiereinheit (7) den Laserstrahl oder die Vielzahl an Teilstrahlen in das Dünnstglas (1) fokussiert, eine Vorschubvorrichtung (8) den Laserstrahl oder die Vielzahl an Teilstrahlen und das Dünnstglas relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegen kann, und die Steuervorrichtung (5) über Steuersignale die Laserenergie erhöhen kann, und/oder die Vorschubvorrichtung bewegen kann und/oder die Strahlformoptik (9) rotieren kann, so dass die lange Achse des nicht-radialsymmetrischen Materialmodifikationsquerschnitts (36) entlang der Trennlinie (2) orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurpulslaser so eingerichtet ist, dass die ultrakurzen Laserpulse - eine Wellenlänge zwischen 300nm und 2000nm, bevorzugt eine Wellenlänge von 1550nm oder 1064nm oder 1030nm oder 515nm, oder 343nm aufweisen und/oder - eine Pulsdauer aufweisen die kürzer als 1 ns, insbesondere kürzer als 100ps ist, bevorzugt kürzer als 3ps, besonders bevorzugt 300fs oder 100fs oder einige 10fs kurz ist, und/oder - eine Pulsenergie aufweisen die kleiner als 100µJ ist, bevorzugt kleiner als 50µJ ist, insbesondere zwischen 10µJ und 20µJ klein ist, und/oder - eine Repetitionsrate aufweisen die kleiner als 1 MHz ist, bevorzugt kleiner als 100kHz ist, besonders bevorzugt kleiner als 50kHz ist, und/oder - bei Abgabe mehrerer Pulse in einem Pulszug der Pulszug bevorzugt zwischen 2 und 6 Laserpulse gebündelt werden und die Repetitionsrate innerhalb eines Pulszuges zwischen 100 MHz und 50 GHz groß ist.